Effectiveness of interventions on energy and cost to convert efficient building by considering hourly statistical analysis of building envelope retrofitting
Bina kabuğunda yapılacak iyileştirmelerin enerji verimliliğine etkisinin saatlik istatistiksel analizlerle incelenmesi
- Tez No: 713714
- Danışmanlar: PROF. DR. HATİCE SÖZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Enerji Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Binaların enerji tüketim miktarı uluslararası bir ilgi uyandırmış ve enerji verimli bina konsepti bina tasarımcıları için bir hedef haline gelmiştir. Verimli binalar için çeşitli tanımlar ve değerlendirme yöntemleri vardır. Çalışmalar farklı iklim koşullarında farklı bina türlerinin enerji tüketimini tahmin etmek için çeşitli yöntemler uygulamıştır; üstelik bazıları farklı yöntemlerden yararlanan verimli senaryolar önermektedir. Ancak herbir senaryonun enerji tüketim parametreleri üzerindeki etkisi ve senaryoların kendi aralarındaki farklılıkları halen tartışmalıdır. Ayrıca, bu çalışmaların çoğu, bina enerji performansının sonuçlarını aylık, yıllık veya mevsimsel olarak araştırmakta ve geleneksel çalışmalarda saatlik inceleme göz ardı edilmektedir. Aslında, enerji tüketiminin saatlik olarak belirlenmesi, bina enerji performansını daha da iyileştirecektir. Bu nedenle, genel verimliliği artırmak için, bu çalışmada ifade edildiği gibi uygulanabilir stratejilerin saatlik etkisinin analiz edilmesi değerlidir. Akdeniz ikliminde yer alan bir bina örnek çalışma birimi olarak seçilmiştir. Bir binanın enerji tüketimini tahmin etmek, iklim durumu, konum, malzemelerin ısıl iletkenliği, mekanik sistemler, elektrik sistemleri, iç yük, Bina kabuğu özellikleri, sistem değişkenleri, çalışma programı, binanın işlevi gibi çeşitli etkili parametreler nedeniyle son derece karmaşıktır. Bahsedilen parametrelerin tümü, alan soğutma ve ısıtma, havalandırma fanları, pompalar ve yardımcılar, ekipman kullanımı, ortam ışıkları gibi bir binanın enerji tüketim parametreleri üzerinde büyük etkilere sahiptir. Bu çalışmada, Akdeniz ikliminde yer alan, mevcut bir eğitim-ofis binası araştırılmış ve aktif ve pasif stratejilerle enerji verimli bir binaya dönüştürülmüştür. Bina simülasyonu, yıllık elektrik ve gaz tüketimini hesaplamak için e-Quest programında gerçekleştirilmiştir. eOUEST yazılımı, bir binanın enerji performansını tahmin etmek için bir araç olarak kullanılmaktır. eOUEST, bir yıl boyunca (8760 saat) bina enerji tüketimini saat saat hesaplamak için belirli bir konum için saatlik hava durumu verilerini kullanmıştır. Programın girdi bilgileri; bina sakinleri, aydınlatma ekipmanı, termostat ayarı, gölgeleme cihazları pencereler, bina kütlesinin saatlik planlanmasını; ayrıca, ısıtma ve soğutma sistemlerine dinamik tepkiler gibi bina özellikleri, ve doğal aydınlatmanın termal ve aydınlatma talebi üzerindeki etkisini değerlendirmek için dinamik aydınlatma modeli de içermektedir. Parametrelerin enerji tüketimi ayrıca genel elektrik ve gaz, bina özelliklerine dayalı olarak eQUEST tarafından hesaplanmıştır. İkinci adımda, binanın enerji karakteristiğini belirlemek ve enerji tüketim parametreleri ve genel enerji performansı üzerindeki etki oranını göstermek için sekiz senaryo önerilmiştir. Sekiz senaryo duvarların, çatının, pencerelerin termal performansını, gölgeleme cihazlarını atamayı, lambaları değiştirmeyi, karartma sensörlerini, güneş enerjisi sistemlerini ve ısı pompalarını içermektedir. Ek olarak, maliyet ve enerji kullanımı için duyarlılık analizleri önerilmiştir. Bir sonraki adımda önerilen senaryolar aktif stratejiler ve pasif stratejiler olmak üzere iki kısma ayrılmıştır. Aktif stratejiler uygulamak, mevcut binaları sıfır tüketimli binalara dönüştürmenin pratik yollarıdır. Bina sektöründe enerji tüketimini azaltmaya yönelik farklı stratejiler arasında sıfır tüketimli binalar, enerji kullanımını azaltmanın yanı sıra yenilenebilir kaynaklardan yararlanma konusunda gelecek vadeden bir potansiyele sahiptir. Elektrik tüketimini azaltmak için lambaların değiştirilmesi ve karartma sensörleri ile aydınlatma sistemlerinin yükseltilmesi; elektrik tüketimini karşılamak için güneş enerjisi sisteminin uygulanması; gaz tüketimini karşılamak için ısı pompası sisteminin kullanılması sıfır tüketimli binaya ulaşılması amacıyla değerlendirilmiştir. Etkili aktif stratejilerden biri güneş panelleri sistemi; gaz tüketiminde küçük bir yan etki ortaya çıkmasına rağmen, elektrik tüketiminde %84,75 tasarrufu ve dolayısıyla %78,53 birincil enerji tasarrufu sağlayarak. Bu sistem %13 verimliliğe sahip 152 adet PV panel, 4 adet pill ve bir adet konvertörden oluşan sistemdir. İkinci adımda, CFL lambaların LED lambalarla değiştirilmesi elektrik kullanımı %9,58 oranında düşürmüş, ardından karartma sensörlerinin eklenmesiyle %15,50'ye yükselmişken, gaz tüketiminde yan etki %12,39'a gösterdi; ancak elektrik, gaz kullanımından daha etkilidir, dolayısıyla birincil enerji iyileştirme oranı %13,47 olmuştur. Üçüncü adımda, 4.5 COP değerine sahip toprak kaynaklı ısı pompası ele alındı; bu, alanı ısıtmak için 2370 Kwh/yıl elektrik enerjisi kullanmak anlamına gelir (temel modelde gazdan alan ısıtma için gerekli enerji 10.670.72 kWh/yıl). Isı pompası binanın gaz tüketimini ortadan kaldırmış ve birincil enerjiyi %5,48 oranında iyileştirmiştir. Bu nedenle, her türlü bina ve iklim için geçerli olabilecek söz konusu yöntemlerle sıfır enerji tüketimi sağlanabilir. Maliyet-fayda oranı en yüksekten en düşüğe doğru %84,33 güneş enerjisi sistemi, aydınlatma sistemlerini %15,37 iyileştirme ve ısı pompası %1,71 tasarruf olabilir. Böylece, nihai senaryoda, 5.545$ elektrik maliyeti ve 27$ gaz maliyeti olmak üzere toplamda 5572$ tasarruf sağlanabilecektir. Pasif stratejiler: Pasif stratejilerin gaz tüketi üzerinde daha fazla etkisi vardır. Daha detaylı olarak, dış duvar yalıtımı gaz kullanımını yaklaşık %46 yani 4.873,77 kWh/yıl, çatı yalıtımı %5 yani 550,97 kWh/yıl, pencerelerin değiştirilmesi %31 yani 3.299,98 kWh/yıl ve gölge cihazları %42 oranında tasarruf sağlamıştır, yani 4.437,10 kWh/yıl gaz tüketimini azaltılmıştır. Iyileşmiş bina kabuğu olarak adlandırılan son pasif senaryo, yalnızca genel tüketimler için değil, aynı zamanda her bir tüketici parametresi için de pozitif performans gösterdi. Bina kabuğu iyileştirilmesi, gaz tüketimini 8,768,69 kWh/yıl miktara tekabül eden %82, elektrik tüketimini ise 940,00 kWh/yıl büyüklüğüne denk gelen %2 oranında azalttı. Sonuç olarak, birincil enerjide %7,5 yani 10.987,09 kWh/yıl iyileşme ortaya çıkmıştır. Nihai maliyet faydası yılda 111,22 $ civarındadır. Pasif stratejilerin lektrik tüketiminden ziyade gaz tüketimi üzerinde daha yüksek bir etkiye sahiptir. Daha detaylı bakılırsa, dış duvar yalıtımı gaz kullanımını yaklaşık %46 yani 4.873,77 kWh/yıl, çatı yalıtımı %5 yani 550,97 kWh/yıl, pencerelerin değiştirilmesi %31 yani 3.299,98 kWh/yıl ve gölge aletleri %42 oranında tasarruf sağlamıştır. yani 4.437,10 kWh/yıl gaz tüketimini azaltır. Pasif stratejiler, tüm bina kabuğunu ve binanın enerji performansını güçlendirir. Nihai pasif senaryo, güçlendirmenin enerji performans etkisini, aylık bazda değerlendirmede görülemeyecek olumsuz etkileri ortadan kaldırmak için saatlik bazda tahsis etmiştir. Buna göre, Iyileşmiş bina kabuğunu enerji performansı saatlik olarak incelenmiştir. Bu çalışmanın yeniliği saatlik araştırıp yan etkileri bulmak ve bunları tam olarak iyileştirmektir. Bu yöntem, enerji performansını geleneksel yöntemlere göre daha iyi hale getirmek için daha akıllı çözümler keşfedebilir. Tüm yıla uyan kalıcı bir stratejiye güvenmek yerine mevcut duruma göre belirli çözümler uygulayarak pasif stratejilerin performansını artırmaktadır. Ek olarak, iyileşmiş bina kabuğunu senaryosunun saatlik analizi, binanın artan enerji performansı için faydalı olacak bina davranışının daha doğru bir şekilde belirlenmesine yardımcı olur. Bu çalışmanın ana katkıları aşağıdaki noktalarda özetlenebilir: Yıllık sonuçlar olumlu olmasına rağmen, araştırmanın saatlik etkisi bazı olumsuz etkiler bildirmiştir. Bu nedenle, verimliliği artırmak için bina enerji tüketiminin daha hassas bir şekilde araştırılması gerekli olabilmektedir. Iyileşmiş bina kabuğunu senaryosunun saatlik araştırması, soğutma alanı ve havalandırma fanları için bazı saatlerde yan etkiler göstermiştir. Bağımlılık oranı ve veri dağılımlarına bağlı olarak saatlik soğutma performansı iyileştirilmelidir. Havalandırma fanlarının gaz tüketimi ile ters bir ilişkisi vardır; bu durumda havalandırma fanlarının daha düşük yan etkisi (%-4,23) ile gaz tüketiminden (%85,31) daha yüksek bir fayda oranı elde etmek en uygun seçenektir. Ayrıca, izolasyon geçiş aylarında binanin ısısini icinde haps ediyor bu nedana soğutma sisteminin saatlik incelenmesi yan etkileri gosterdi. Ancak geçiş aylarında soğutma sisteminin 1.5C noktasının değiştirilmesi, sorunu %78'e kadar telafi edebilir, bu da konfor bölgesinde negatif saatlerin 112'den 24 saate düşmesi anlamına gelmektedir. Bu nedenle soğutma sisteminin enerji tüketimini iyileştirme oranı %16,16'dan %41,44'e yükselmiştir. Bu çalışmanın yeniliği, enerji tüketimi parametrelerinin sadece toplam enerji tüketimi üzerindeki etkilerini değil, aynı zamanda birbirleri üzerindeki etkilerini de belirleyerek, enerji tüketimi parametrelerinin duyarlılık analizindeki boşlukları doldurmaktır. Bazı müdahaleler birbirini olumsuz etkilerken genel tüketim üzerinde olumlu bir etkiye sahip olabilmektedir. Bu kritik etkinin ayrıntılı olarak belirlenmesi, yalnızca enerji performansını daha da iyileştirmekle kalmayıp aynı zamanda müdahalelerin karar verme sürecini de etkileyebilmektedir. Çalışma benzer binalara uygulanabilir. Gelecekteki çalışmalarda daha fazla strateji entegre edilmesi ve duyarlılık analizi yapılması önerilmektedir. Sonuçlara göre, gelecekteki çalışmalarda farklı işlevlere ve iklimlere sahip çeşitli binalara stratejiler uygulanırsa, büyük miktarda enerji ve maliyet tasarrufu sağlanacak; dolayısıyla çevre için olumlu bir etki ortaya çıkmış olacaktır.
Özet (Çeviri)
The amount of energy consumption of buildings has obtained international concern so the concept of efficient energy building becomes a target for building designers. There are various definitions and evaluation methods for efficient buildings. However, detailed research about the critical parameters that have a major effect through the operational time to reduce the energy consumption is not emphasized as this research represents. This study identifies the effect of applicable interventions on energy consumption parameters with their sensitivity to each other to reach efficient energy building. Relatedly, the cost of energy reduction is also determined. In the next step, hourly investigation assesses to further improve building envelop. Energy performance analysis combined with the white-box and statistic methods is exploited in the study. An educational-office building in the Mediterranean climate simulated by e-Quest to estimate electric and gas consumption; Results indicated the main energy consumption of the building is relative to electric consumption. In the following steps, sensitivity analysis was performed for cost and energy consumption for eight scenarios that include thermal performance of walls, roof, windows, assign shading devices, replacing lamps, dimming sensors, solar systems, and heat pumps. After analyzing each scenario an envelope retrofitting scenario was suggested by a compound of passive strategies ( thermal performance of walls, roof, windows, assign shading devices ), which saved gas consumption by approximately 82% and electric consumption by about 2%. A compound of active strategies ( replacing lamps, dimming sensors, solar systems, and heat pumps ), which cover gas and electric demand. In the second step, as a state of the art of this study, the hourly investigations of passive strategies were performed to demonstrate the side effects, which limited the rate of improvements in the envelope retrofitting scenario. Hourly negative effects had been presented. Dependency analysis of consumer parameters proved that the main object should be hourly consumption of the cooling system because of trapping heat inside the building, which causes undesirable influence during the transition months. Consequently, energy consumption of cooling system decreased by 41.44% which was 16.16% in envelope retrofitting scenario. Thus, the hourly investigation leads to increase energy performance more than traditional methods.
Benzer Tezler
- Scada sistemlerin incelenmesi ve OG elektrik dağıtım tesislerine uygulanması
The study of scada system and applications to medium voltage distrd3ution systems scada
NECMETTİN BERÇİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER USTA
- Mesken elektrik aboneleri için enerji yönetimi sistemi kullanımı
Utilization of energy management systems for residential electricity consumers
HÜSNÜ ALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN TÜRKAY
- Mantolanmış betonarme kolonların değişik yükleme şartları altındaki davranışları
Başlık çevirisi yok
BERNA KANSIZ
- Elektrik dağıtım sistemlerinde birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için akıllı yöntem geliştirilmesi
Developing an intelligent method for the user oriented comfort based demand response studies in the electricity distribution systems
MEHMET ALİ SÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
- Hava-çevre koşullarına adaptif yüzer güneş enerji santrali tasarımı ve uygulaması
Design and implementation of a floating solar power plant adaptive to weather and environmental conditions
MUSTAFA KEMAL KAYMAK
Doktora
Türkçe
2022
Meteorolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET DURAN ŞAHİN