Farklı iklim tipleri için sıfır enerjili bina tasarımı

Dünyadaki enerji tüketiminin son yıllarda hızla artması ve fosil tabanlı enerji kaynaklarının giderek azalması nedeniyle enerji tüketiminde yapılması gereken tasarruf kaçınılmaz bir hal almıştır. Enerji tüketimindeki tasarruf öncelikle enerji ihtiyacını azaltmak sonra ise enerjiyi tüketecek olan sistemlerin yüksek verimli sistemler olması ile sağlanabilir. Dünya üzerindeki enerji tüketiminin büyük kısmı, yaklaşık %35-%40'lık bölümü, yaşam alanlarındaki konfor şartlarının sağlanabilmesi için harcanmaktadır. Bu nedenle, binalardaki enerji tüketimini düşürebilmek için yüksek verimli bina tasarımları günümüzden büyük önem kazanmıştır. Birçok ülkede hedef binaların tasarım parametrelerini oluşturabilmek için bir takım standartlar ve düzenlemeler yapılmaya başlanmıştır. Bu uygulamanın en önemli örneklerinden biri ise, yürürlüğe giren ve Avrupa Birliği ülkelerinin sorumluluğu tutulduğu Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği'dir. Yönetmeliğin temel hedefi binalardaki enerji tüketimi azaltmak ve küresel ısınmanın etkisini indirgeyebilmek için sera gazlarının salınımını azaltmaktır. Bu bağlamda, yönetmelikte yüksek verimli bina olarak bahsedilen Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina tanımı ile Avrupa ülkelerine bir referans oluşturulmuş ve 31 Aralık 2020 tarihi itibariyle sorumlu olan her Avrupa ülkesindeki yeni yapılan her binanın Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina olması zorunluluğunu getirmiştir. Bu tez çalışmasında, yönetmelikteki açıklamalar referans alınarak, geleneksel bir konut binasının yüksek verimli Net Sıfır Enerjili Bina veya Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina olabilmesi için pasif ve aktif çözümler kullanarak farklı çözüm paketleri oluşturulmaktadır. Çalışmadaki temel amaç olarak ise binanın bulunduğu iklim koşullarının önemini vurgulanmıştır. Bu nedenle, çözüm paketleri aynı bina kabuğu soğuk ve sıcak iklim bölgesinde ele alınarak tasarım yapılmıştır. Soğuk iklim bölgesindeki incelemeyi gerçekleştirebilmek için Berlin, sıcak iklim bölgesindeki çalışma için ise İzmir pilot şehir olarak seçilmiştir. Oluşturulan çözümler veya alınan önlemler iklime özgün çözümler olduğundan, bir iklim kuşağında bulanan bina için geçerli olan tasarım kıstasları farklı bir iklim kuşağında bulunan bina için geçerli olmadığı hesaplamalar ile gösterilmiştir. Bu nedenle, bu çalışmada iklim etkenin üzerinde durulmuş ve oluşturulan çözüm paketlerinin maliyet etkin olması için bir maliyet analizi yapılmıştır. Çalışmada, Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina için azami yıllık birincil enerji tüketimi 60 kWh/m2 ve Net Sıfır Enerjili Bina için azami yıllık birincil enerji tüketimi 0 kWh/m2 olarak tanımlanmıştır. Bu hedeflere ulaşabilmek için öncelikle pasif önlemler ile bina kabuğunun yapısı değiştirilmiştir. Bu aşamada bina için bulunduğu iklim koşullarına uygun çözümler üretilmiş ve bu çözümlerin kıyaslamaları sunulmuştur. Bu önlemler bina kabuğunun en önemli birleşenleri olan dış duvar ve pencereler başta olmak üzere diğer bileşenlerde de alınmıştır. Pasif önlemler incelenirken bina içerisinde iklimlendirme sistemleri olmadığı kabul edilmiştir. Bu sayede binadaki enerji ihtiyacında meydana gelebilecek herhangi bir değişiklik daha kolay fark edilerek her bir parametrelerin önemi ortaya konulmuştur. Binadaki tüketilmesi beklenen yıllık birincil enerji tüketimi optimum pasif çözümler ile birlikte en aza indirgendikten sonra binanın kullanım tipi, bulunduğu iklim koşulları ve yıllık tüketimleri göz önüne alınarak en uygun mekanik sistemler seçilmiştir. Bu seçim aşamasında ise her iki bina için fan coil ve VRF sistemleri değerlendirilmiş ve sistemler hakkında bilgiler verilmiştir. Her iki binada ısı pompalı VRF istemi ele alınmıştır. Fan coil sisteminde ise öncelikli olarak su soğutma grubu ve normal kazan kullanılmıştır. Su soğutma grubunun analizi için EnergyPlus programındaki veriler kullanılarak binaların soğutma yüklerine uygun su soğutmalı çiller ve soğutma kulesi seçimleri yapılmıştır. Soğuk iklim etkisi altında olan Berlin şehrindeki binanın simülasyonunda ısıtma için harcanan yıllık enerji tüketiminin fazla olması nedeniyle enerji tasarrufu yapabilmek için yoğuşmalı kazan seçeneği değerlendirilmiş ve sistemler arasındaki kıyaslamalar ilgili bölümlerde sunulmuştur. Son aşamada ise, yenilenebilir enerji kaynağı olarak her iki binanın da rahatlıkla yaralanabileceği güneş enerjisi kullanılmış ve elektrik üretimi yapılmıştır. PVsyst programı ile her iki binanın aylık ve yıllık güneş ışınım miktarları belirlenmiş ve optimum panel açıları saptanmıştır. Bu değerlere sadık kalarak panel yerleşimi için en uygun yer olan bina çatılarına yerleştirilebilecek maksimum panel sayıları bulunmuştur. Belirlenen miktarlar her bir bina için maliyet de göz önünde bulundurularak gözden geçirilerek iyileştirmeler yapılmıştır. Güneş enerjisinden elde edilen elektrik üretimi ile her bir bina için Yaklaşık Sıfır Enerjili ve Net Sıfır Enerjili Bina hedefine ulaşılmıştır. Ancak İzmir şehrindeki bina için üretilen güneş enerjisi yeterli oluyorken, iklim koşulları nedeniyle Berlin'deki elektrik üretiminin yeterli olmadığı görülmüştür. Bu nedenle Berlin'deki binanın Yaklaşık Sıfır Enerjili Bina olabilmesi için geriye dönük iyileştirmeler yapılmıştır. Bu iyileştirmeler için öncelikli olarak bina dış kabuğundaki iyileştirmeler düşünülmüştür. Dış duvar, döşeme ve çatı konstrüksiyonundaki yalıtım kalınlığı arttırılarak istenen hedefe ulaşılmıştır. Bu tez çalışmasında, örnek binalarının üç boyutlu modellemesi SketchUp programı ile hazırlanmıştır. Çalışmanın sayısal analiz kısmı için ise, Yıllık birincil enerji tüketimlerini hesaplama ve örnek binalarını simülasyonu, günümüzde mimar ve mühendisler tarafından sıklıkla tercih edilen EnergyPlus ve yardımcı ara yüzü olan OpenStudio programları kullanılmıştır. OpenStudio programında bina konstrüksiyon ayrıntıları, malzeme özellikleri, iklimlendirme sistemleri ve bunlara ait zaman çizelgeleri girilmiştir. Bunun dışında yenilebilir enerji kaynaklarının kullanılabilmesi için tasarımda PVsyst yazılımı kullanılmıştır.