An approach for active energy system optimization in office buildings
Ofis binalarında aktif enerji sistemleri optimizasyonuna yönelik bir yöntem
- Tez No: 826972
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLAY ZORER GEDİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Makine Mühendisliği, Mimarlık, Energy, Mechanical Engineering, Architecture
- Anahtar Kelimeler: HVAC sistemleri, işletme enerjisi, gömülü karbon, CAPEX, NSGA-ii çok amaçlı optimizasyon, HVAC systems, operational energy, embodied carbon, CAPEX, NSGA-ii multi-objective optimization
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Fiziği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 191
Özet
Küresel iklim acil durum değerlendirmesi kapsamında, binalarda artan enerji ve karbon emisyonu talepleri nedeniyle, genel karbon emisyonunun, enerji tüketiminin ve binanın yaşam döngüsü boyunca kullanımının analiz edilmesinin önemi artmıştır. İnsan merkezli tasarımda ofis yapılarında ısıl konforun sağlanması bir zorunluluk haline geldiğinden bu içerik zamanla daha da önem kazanmıştır. Bu nedenle, bir tasarımın veya renovasyonun erken aşamalarında karbon emisyonunun ve enerji tüketiminin azaltılmasını destekleyen kararlar, bu hedeflere önemli bir katkı sağlar. CAPEX ve OPEX calismalari , malzeme maliyetlerindeki ve enerji fiyatlarındaki artış nedeniyle karar alma sürecindeki diğer iki önemli katkıdır. Literatür taraması, binalarda enerji verimliliği optimizasyonu ile ilgili araştırma sayısının son yıllarda önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Yine de bu çalışmaların büyük bir kısmı bina formu, yönlendirme ve bina kabuğu gibi pasif tasarım yaklaşımlarına odaklanmıştır. Bu çalışmalarda, binaların işlevi ve iklim koşulları dikkate alınarak bina formunun etkisi, cephe şeffaflık oranları, gölgeleme elemanları ve yalıtım değerleri optimize edilmiş ve önemli bulgular ortaya konulmuştur. Tipik olarak, bu çalışmaların temel amacı, pasif önlemler kullanarak operasyonel ve gomulu karbonu azaltmaktır. Diğer bir itici faktör, HVAC sistemlerinde bina enerji verimliliğidir. Bina kabuğu iyileştirmeleri, yeni binalarda birincil öneme sahiptir. Ancak bu iyileştirmeler mevcut binalarla sınırlıdır. Yönlendirme ve form ile ilgili iyileştirmeler mümkün olmamakla birlikte, bina kabuğunun iyileştirilmesi karmaşık ve maliyetli olabilir. Bu gibi durumlarda gerekli konforu sağlamak için kullanılan HVAC gibi aktif sistemlere odaklanmak önemlidir. Bu çalışma, Londra'daki mevcut bir ofis binası üzerindeki farklı HVAC sistemlerinin operasyonel enerjisinin, gomulu karbonunun ve ilk yatirim maliyetinin etkisine odaklanmaktadır. Bu sistemlerin işletme enerji tüketimleri ve karbon emisyonları ile gömülü enerji ve karbon analizlerinin değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Tüm yaşam döngüsündeki enerji tüketim rakamlarının yanı sıra ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin karşılaştırılması da amaçlanmaktadır. Çalışma iki aşamalı bir modelleme yaklaşımı izlemektedir. İlk aşamada, Londra'daki mevcut bir ofis binası bilgisi kullanılarak temel bir bina enerji simülasyon modeli oluşturulur. Model, binadan alınan BMS verileri ullanılarak kalibre edilir. Kalibre edilmiş ısıtma ve soğutma talebi, alternatif HVAC sistemleri ve bileşenleri, gomulu karbon ve CAPEX için kutuphane oluşturmak üzere kullanılır. Alıştırmanın karmaşıklığından dolayı, farklı HVAC çözümlerinin ve bileşenlerinin etkisi, calisma geliştirilmiş matematiksel parametrik model EBM içinde NSGA-ii optimizasyon algoritması aracılığıyla analiz edilir. Çalışma, 3 hedef fonksiyonunu minimize etmeye odaklandı: önerilen HVAC sistemleri ve bileşenlerinin operasyonel enerji tüketimi, gomul karbon ve CAPEX. Birinci asama analizi, modelleme için girdilerin doğruluğunun önemini ve ölçüm verileriyle modellemenin kalibrasyonunu kanıtlar. Sonuçlar, binanın gerçek talebini anlamak için bu adımın önemini göstermektedir. Temel ve kalibre edilmiş model arasındaki soğutma talebi farkı %30'dur. Ikinci asama sonuçları, çelişen amaç fonksiyonları birlikte değerlendirildiğinde bir HVAC tasarımının karmaşıklığını gösterir. Bu durumlarda sonuçlar, sistem ve bileşen değişkenleri nedeniyle HVAC tasarımında birden fazla optimum çözüm olduğunu göstermektedir. Uzun vadeli gelecek tahmininde karbon ve maliyet faktörlerinden dolayı ısıtmanın elektrifikasyonunun en iyi genel performansı verdiği sonucuna varılmıştır. Önerilen çözümler, işletme enerjisinde %45'e, karbonda %35'e ve ilk yatirim maliyetinde %48'e varan tasarruf sağladı. ASHP, ısıtma ve soğutma birlikte düşünüldüğünde, önerilen sistemler arasinda genel olarak en iyi performansı vermektedir. Hava tarafı için DOAS sistemi, AAHS sistemine göre ortalama olarak %9 daha az enerji kullanır ve %21 daha az CAPEX gerektirir. Tasarım sınırlaması içindeki hava besleme sıcaklıklarının etkisi, su besleme ve dönüş sıcaklıkları ile karşılaştırıldığında toplam tüketimler üzerinde daha az etkiye sahiptir. Ayrıca, HVAC sistemlerinin işletme enerji tuketimini mevcut binanın toplam enerji tüketiminin %12-16'sı aralığında yer aldığı göz önüne alındığında.
Özet (Çeviri)
The importance of analysing the overall carbon emission, energy consumption and usage throughout a building lifecycle has increased due to the growing energy demands and carbon sensitivity in buildings within the scope of the global climate emergency evaluation. This content eventually has gained even more importance as the provision of thermal comfort in office buildings has become a necessity in the human centric design. Therefore, the decisions that are supporting the reduction of carbon emission and energy consumption at the early stages of a design or retrofit, make a significant contribution to these aspirations. CAPEX and OPEX due to the increase in the cost of materials and energy prices are two other important contributors in the decision-making process. The literature review presents that the number of research on energy efficiency optimization in buildings has increased significantly in recent years. Yet the vast amount of these studies is focused on passive design approaches like building form, orientation and building envelope. In these studies, considering the function of the buildings and climatic conditions, the effect of building form, facade transparency ratios, shading elements and insulation values were optimized, and important findings were revealed. Typically, the main goal of these studies was to reduce the operational and embodied carbon using passive measures. Another driving factor is building energy efficiency in HVAC systems. Building envelope improvements are of primary importance in new buildings. However, these improvements are limited to the existing buildings. While the improvements related to orientation and form are not possible, the improvement of the building envelope can be complex and over cost. In such cases, it is important to focus on the active systems such as HVAC used to provide the required comfort. This study focuses on the impact of the operational energy, embodied carbon, and CAPEX of different HVAC systems on an existing office building in London. It is aimed to evaluate the operational energy consumption and carbon emissions of these systems, as well as the embodied energy and carbon analyses. In addition to the energy consumption numbers from the whole life cycle, also it is aimed to compare the initial investment and operating costs. The study follows a two staged modelling approach. In the first stage, a baseline building energy simulation model is generated using an existing office building information in London. The model is calibrated using the BMS data from building. Calibrated heating and cooling demand are used to generate libraries for alternative HVAC systems and components, embodied carbon, and CAPEX libraries. Due to the complexity of the exercise, impact of different HVAC solutions and components are analyzed through NSGA-ii optimization algorithm within the bespoke developed mathematical parametric model EBM. The study focused on minimizing 3 objective functions: operational energy consumption, embodied carbon and CAPEX of the proposed HVAC systems and components. The stage 1 analysis proves the importance of accuracy of the inputs for modelling and calibration of the modelling with the metering data. The results show the importance of this step to understand the actual demand of the building. The cooling demand difference between baseline and calibrated model is 30%. The stage 2 results indicate the complexity of a HVAC design when conflicting objective functions are considered together. In these cases, results show that there is more than a single optimum solution in HVAC design due to system and component variables. It's concluded that the electrification of the heating is giving the best overall performance due to the carbon and cost factors in the long-term future prediction. The individual proposed solutions resulted savings of up to 45% in operational energy, 35% in embodied carbon, and 48% in CAPEX. ASHP is giving the overall best performance within the proposed plants when the heating and cooling are considered together. For air-side DOAS system is in average uses 9% less energy and requires 21% less CAPEX than the AAHS system. The impact of air supply temperatures within the design limitation has less effect on the overall consumptions when compared to the water supply and return temperatures. Furthermore, it given the operational energy impact of the HVAC system lies in the range 12-16% of the overall energy consumption of the existing building.
Benzer Tezler
- Natural ventilation of high-rise buildings a methodology for planning with different analysis tools and case-study integration
Çok katlı binalarda doğal havalandırma farklı analiz araçları ve örnek alan entegrasyonu ile planlama için bir yöntem
TOBIAS SCHULZE
Doktora
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. AYŞE ZERRİN YILMAZ
PROF. DR. MARCO PERINO
- An approach for simulation-based multi-objective optimization of dynamic shading devices
Dinamik gölgeleme elemanlarının simülasyon tabanlı çok amaçlı optimizasyonuna yönelik bir yaklaşım
AYÇA KIRIMTAT
Doktora
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
- Yeşil binalarda enerji verimliliğinin incelenmesi ve bina enerji modellemeleri
Investigation of energy efficiency in the green buildings and energy modeling of buildings
MUSA ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mimarlıkİstanbul Arel ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIZ SEY
- Optimized control and power sharing in microgrid network
Akıllı elektrik şebekelerinde optimize edilmiş kontrol ve güç paylaşımı
MOHAMMED S. S. JOUDA
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NİHAN KAHRAMAN
- Aktif süspansiyon sistemine ters optimal kontrol yaklaşımı
Inverse optimal control approach for active suspension system
SADIK KIVANÇ SÜNGÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA