Bina ve yerleşmelerde enerji etkin hesaplamalı tasarım ve çok amaçlı optimizasyon yaklaşımı: Toplu konut örneği
Energy efficient computational design and multi-objective optimization approach for buildings and settlements: a case study of multi-residential complex
- Tez No: 944919
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞULE FİLİZ AKŞİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Mimarlık, Energy, Architecture
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mimarlık Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Binaların operasyonel enerji tüketimleri, küresel enerji tüketiminin yaklaşık %30'unu oluşturmakta ve bu tüketimin %72'si konutlardan kaynaklanmaktadır. Özellikle apartmanlar, barındırdığı daire sayısının fazlalığı nedeniyle en fazla enerji tüketen bina türü olarak öne çıkmaktadır. Birden fazla apartmanın yer aldığı toplu konutların ise enerji etkin bir şekilde tasarlanmaları; gelecekte sera gazı emisyonlarının azaltılması, düşük ve orta gelirli haneler için ekonomik tasarruf sağlanması, kullanıcı konforunun artırılması ve ulusal enerji açığının azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır. Binalarda enerji verimliliğini artırmanın en etkili yolu, erken tasarım aşamasında pasif tasarım kararlarının doğru bir şekilde alınmasıdır. Bu kararlar, herhangi bir ek maliyete neden olmadan binaların enerji ihtiyaçlarını azaltabilmektedir. Erken tasarım aşamasında bina ve yerleşmeye ilişkin alınan kararların çoğu, yapım sonrası değiştirilemez nitelikte olduğundan, bu aşamada enerji verimliliğine odaklanmak büyük bir fırsat sunmaktadır. Bu çalışma ile bina ve yerleşmelerin erken tasarım aşamasında enerji etkin bir şekilde tasarlanabilmesi için pratikte tasarımcılar tarafından uygulanabilecek bir hesaplamalı tasarım ve Çok Amaçlı Optimizasyon (ÇAO) yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu yaklaşımın uygulanması ise toplam enerji tüketimi içerisindeki payın büyüklüğü göz önünde bulundurularak bir toplu konut yerleşmesi örneğinde yapılmıştır. Çalışmada yöntem olarak parametrik modelleme, enerji hesaplama aracı ve ÇAO'nun entegre edildiği enerji etkin hesaplamalı tasarım ve çok amaçlı optimizasyon yaklaşımı benimsenmiştir. Ayrıca yaklaşıma, oluşturulan tüm tasarım alternatiflerinin sabit olmayan değişkenlerini, enerji tüketimlerini ve toplam kat alanlarını kaydetmek üzere bir veri kayıt adımı eklenerek oluşturulan alternatiflerin analizleri de sağlanmıştır. Geliştirilen yaklaşım İstanbul ili iklim koşullarında bir toplu konut yerleşmesi tasarımı üzerinde uygulanmıştır. Parsel boyutu, bina genişliği, bina aralıkları, bina uzunluğu (min.) ve kat sayıları sabit olmayan değişkenler olarak tanımlanmıştır. Uygulama çalışması ile toplam 3058 farklı tasarım alternatifi elde edilmiştir. Tasarım alternatiflerinin kaydedilen verileri incelendiğinde, kompakt bina formlarının ve yerleşme içerisindeki farklı gölge durumlarının enerji tüketimlerini etkileyen temel unsurlar olduğu görülmüştür. Kompaktlığa ilişkin bina sayısı ve yerleşme kompaktlık oranı (binaların toplam kabuk alanı/binaların toplam hacmi) değişkenlerinin artmasıyla enerji tüketimlerinde artma, bina genişliğinin artmasıyla ise enerji tüketimlerinde azalma meydana gelmiştir. Bina aralıklarının artmasıyla ısıtma enerjisi tüketimlerinde azalma, soğutma enerjisi tüketimlerinde artma gözlemlenmiştir. Ayrıca yerleşmedeki binaların tüm özelliklerinin birebir aynı olduğu durumda çok katlı binaların parselin kuzey sınırına, az katlı binaların ise parselin güney sınırına yerleştirilmesi ile enerji tüketimleri azalmıştır. Bu iki durum binaların birbirleri üzerinde yarattığı gölge durumlarının sonuçlarıdır. Elde edilen bulgulara göre, alternatiflerin %41,13'lük kısmının toplam kat alanlarının, emsale göre izin verilen maksimum toplam kat alanının %95'inden fazlasına karşılık gelmesi ve bu alternatiflerin en yüksek enerji tüketimine sahip alternatife göre enerji performanslarının %12,75 ile %13,70 arasında iyileştirilmesi geliştirilen yaklaşımın etkinliğini ortaya koymuştur. Geliştirilen enerji etkin hesaplamalı tasarım ve ÇAO yaklaşımının yaygın bir şekilde mimar ve şehir plancılar tarafından bina ve yerleşmelerin erken tasarım aşamasında kullanılması ile gelecekteki sera gazı emisyonlarını önemli ölçüde azaltmak, hane giderlerinde tasarruf sağlamak, kullanıcıların termal konforunu ve sağlık durumunu iyileştirmek ve Türkiye gibi enerjide dışa bağımlı olan ülkelerin cari açıklarını azaltmak mümkün olacaktır.
Özet (Çeviri)
Operational energy consumption of buildings accounts for 30% of the total global energy use. Improving the energy performance of buildings significantly contributes to reducing global carbon emissions. Residential buildings constitute 72% of the energy consumption in buildings. Residences can be categorized into detached houses and apartment buildings. Due to containing more units, apartment buildings hold the largest share of energy consumption among all building types. In multi-residential complexes consisting of multiple apartment buildings, the impact of potential improvements is even more pronounced. In the context of multi-residential complexes, the issue extends beyond environmental concerns to include economic and health dimensions. Most residents of such complexes belong to low- or middle-income groups, making them more inclined to save on energy-related expenses. These users often compromise on thermal comfort to reduce their energy bills, and this situation may escalate into energy poverty as income levels decrease. Therefore, improving the energy performance of multi-residential complexes has the potential to: • Reduce greenhouse gas emissions, • Provide savings for low and middle income households, • Improve thermal comfort and health of occupants, • Reduce the national energy trade deficit. Among all stages, the early design stage offers architects the greatest opportunity to achieve better energy performance in buildings. Through correct passive design decisions at this stage, energy performance can be improved without incurring any costs, whereas performance improvements made during construction and operation stages yield progressively lower efficiency. With appropriate passive design decisions, buildings and settlements can maximize benefits from solar and wind, thereby reducing energy consumption throughout their lifecycle. While geometric design decisions regarding buildings and settlements cannot be changed after construction, improvements to the building envelope can be made throughout its service life. Thus, developing an approach in the early design stage to reduce heating and cooling energy demand in line with passive design principles forms the core subject of this study. The energy-efficient computational design approach developed for buildings and settlements is applied to a multi-residential complex case due to the significant share of total energy consumption and the economic vulnerability of its user profile. In the literature, studies that examine the impact of geometric variables on energy performance in the early design stage often integrate energy simulation tools with parametric modelling. Recently, Multi-Objective Optimization (MOO) methods have also been used. Integrating parametric modeling and energy simulation tools enables the generation of many design alternatives and energy simulations. The addition of MOO tools allows for fewer simulations to produce better-performing design alternatives by expanding the range and values of variables. While MOO does not guarantee finding the optimal solution, it increases the likelihood compared to solely parametric modeling approaches. According to the methodologies in the literature, although energy simulation and MOO tools are commonly used, the developed parametric models and variables vary. Many parametric models have been developed, but nearly all remain theoretical and experimental, with none becoming practically applicable. Thus, this study aims to develop a practically applicable approach for buildings and settlements that: • Adapts to all parcel sizes using a parametric model, • Reduces heating, cooling, and total energy consumption, • Maximizes total floor area without exceeding regulatory limits, • Provides quick results and 3D visuals even before the design process begins, • Can be adapted without extensive programming or settings. In early design stages, energy-efficient design measures are often overlooked due to other design priorities or time constraints. In settlement design, as in many building projects, maximizing total floor area within zoning limits is the top priority for stakeholders. Therefore, for any energy-efficient design methodology to be feasible, it must also allow maximum utilization of the permitted floor area. This study proposes a computational design and multi-objective optimization approach that can be practically applied by designers for energy-efficient design of buildings and settlements in the early design stage. The developed approach aims to reduce heating and cooling energy demands of new buildings and settlements at no additional cost, significantly lowering future energy consumption and carbon emissions. The adopted method integrates parametric modeling (Planpal plugin), energy simulation tool (Honeybee plugin), and MOO (Octopus plugin) with the Rhino Grasshopper. A data recording step was also added to track the variables, energy consumption, and total floor area of each design alternative for later analysis. The developed algorithm runs automatically after the determination of variables and after running the MOO tool. First, constant and variable parameters are defined, and a parametric model is built. Geometric modeling and energy simulations are performed based on these parameters. Using the Octopus powered by evolutionary algorithms, the MOO process is conducted with objectives of minimizing energy consumption and maximizing floor area. Each alternative's variables, results, and associated data are recorded for evaluation. The approach was applied to a multi-residential complex design under Istanbul's climatic conditions. Parcel dimensions, building width, building distances, building length (min.), and number of floors were defined as variable parameters. A total of 3058 design alternatives were generated. Key findings include: • In all evaluation results, cooling energy consumption was found to be higher than heating energy consumption. This situation can be explained by the low total heat transfer coefficients of the building elements within the building envelope. • Narrower parcels resulted in higher heating and cooling energy demands. • Placing taller buildings along the northern boundary and shorter ones to the south yielded better performance across all parcels. • A decrease in heating energy consumption and an increase in cooling energy consumption were observed with the increase in building distances. • Increasing building width reduced energy consumption by more than 4,37% in all parcel types. • More buildings increased heating, cooling, and total energy consumption. • A positive correlation was observed between settlement compactness ratio (total envelope area / total volume) and energy consumption. • Designs with the highest settlement compactness ratio consumed 16,32–24,80% more energy for heating, 7,32–8,50% more for cooling, and 9,89–13,20% more in total than the designs with the least settlement compactness ratio. • 41,13% of alternatives achieved 95% or higher floor area utilization without exceeding zoning limits, demonstrating practical applicability. • Among these, the most energy-efficient alternatives outperformed the least efficient ones by 12,75–13,70%. Findings related to parcel dimensions and building placement show that even with similar building characteristics, rearranging buildings' positions or distances affects energy consumption due to mutual shading effects. As total floor areas remain nearly constant across alternatives, increased building width and decreased number of buildings contribute to compactness and improved energy performance. For all parcel types, almost all optimal designs that belong to the pareto front solutions have building widths of 16 meters, with taller buildings to the north and shorter ones to the south. All optimal alternatives achieved more than 99% of permitted floor area utilization. Overall, the approach demonstrated its effectiveness in enhancing energy performance by 12,75–13,70% even among alternatives with near-identical total floor areas, showing that widespread adoption of this computational energy-efficient design and optimization method in early design stage can significantly reduce future carbon emissions, energy expenses, and the national trade deficit while improving user comfort and health.
Benzer Tezler
- Enerji etkin bina tasarımında ısıtma enerjisi harcamalarını azaltmaya yönelik bir iyileştirme çalışması
A study to reduce heating energy consumption in energy efficient building design
AYÇA GAZİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ŞULE FİLİZ AKŞİT
YRD. DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
- 1950 sonrası üretilmiş olan toplu konutlarda bina cephelerinin ısıl ve işitsel performans açısından değerlendirilmesi : Ataköy örneği
The evaluation of building facades in terms of thermal and acoustic performances in public housing produced after 1950: Atakoy example
SEDA YÜKSEL DİCLE
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
PROF. DR. NEŞE AKDAĞ
- Redefining building envelope based on different urban texture for the goal of achieving near-zero energy residential building
Yaklaşık sıfır enerjili konut binası hedefi bağlamında yapı kabuğunun kent dokusuna bağlı olarak yeniden tanımlanması
HALİT BEYAZTAŞ
Doktora
İngilizce
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
- Yerleşmelerde enerji yüklerinin azaltılması için rüzgar enerjisi kazancının değerlendirilmesine yönelik bir çalışma
A study on the evaluation of wind energy gain to reduce energy loads in settlements
AYŞE YEŞİLYURT
Doktora
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜL KOÇLAR ORAL
- Isıtmada enerji ekonomisi ve yaşam dönem maliyeti açısından uygun bina kabuğu ve işletme biçimi seçeneğinin belirlenmesinde kullanılabilecek bir yaklaşım
An Approach for the determination of building envelope and operation period of heating system according to energy conservation and life cycle cost
GÜLTEN MANİOĞLU