Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özetlere göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Anabilim Dalı / Yapı Bilim Dalı

2016

A new approach to define economically applicable energy efficient retrofit solutions for residential buildings in Turkey

Türkiye'deki konut binalarının enerji etkin iyileştirmesi için ekonomik olarak uygulanabilir çözümlerin belirlenmesinde yeni bir yaklaşım

Bu tez, YÖK tez merkezinde bulunmaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi'ndeki tarama bölümünde tez numarasını arayabilirsiniz. Tez numarası: 439522

Tezi Bul
Özet:

Hızlı bir kentleşme süreci yaşadığımız son zamanlarda teknoloji, insan hayatının bir ayrılmaz parçası haline gelmiştir, fakat bu durum insanlık için bazı problemler oluşturmaktadır. Sera gazları salımı artışından kaynaklanan küresel ısınma sözü geçen problemler arasında en önemlilerden birisidir. Binalar dünyadaki toplam sera gazı salımının en az 1/3'ünden sorumludur. Bu salımın nedeni, bina içinde kullanıcıların konfor koşullarını sağlamak için kurulan sistemler ve ayrıca içeride kullanılan diğer ekipmanların enerji tüketimidir. Yaşam ömürleri uzun olan binalar ülkedeki enerji tüketiminin büyük bir bölümden sorumludur. Dolaysı ile sera gazı salımının çoğunluğundan sorumlu olan binaların enerji performansının iyileştirilmesi AB komisyonunun da vurguladığı gibi hem yeni hemde mevcut binalarda önemli bir konu olmaktadır. Binalarda enerji verimliliği ve bu konuda yapılan yatırımlar için ekonomik kaynakların doğru kullanımını amaçlayan çalışmalar başta Avrupa Birliği (AB) olmak üzere tüm dünyada önem kazanmıştır ve hızla devam etmektedir. Mevcut binalarda enerji performanslarını yeterli miktarda iyileştirmek için çok kapsamlı veya AB komisiyonunun ifadesi gibi derin iyileştirme (deep retrofit) önlemleri ele alınmalıdır. Kapsamlı iyileştirme önlemleri, bina sahipleri için büyük miktarda bir bütçe gerektirir, bu nedenle iyileştirme projelerinin finansmanı önem arz etmektedir. Finansal engeller iyileştirme oranını artırmak için ana engellerden biridir. Konut binaları söz kousu olduğunda, toplam bina stoğu içinde çok sayıda konutun bulunması nedeniyle konut binalarında yapılacak iyileştirme çalışmaları ülkenin sera gazı salımlarının azaltılmasında büyük bir paya sahiptir. Ancak konut binalarının iyileştirmesinde konut sahipleri aynı zamanda yatırımcılardır. Bu nedenle konut binalarının iyileştirilmesindeki ekonomik bariyerler inovatif finansal çözümlerle desteklenmesi gereken çok önemli bir konudur. Eğer daire sahiplerinin kendi projeleri için ödeyecekleri miktar onların gelirlerine oranla ödeyebileceği makul bir miktar olursa projenin sağladığı yararlar onları projeye katılmak için ikna edebilir. Ancak sağlanan çok yararlara rağmen iyileştirme projelerin sayısının az olması daire sahiplerinin bu tür projelere ikna olmamalarının bir göstergesidir. Bu tezdeki araştırma, konusu geçen sorunu çözmek için yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu yaklaşımın uygulanması sonucunda, enerjinin verimli kullanılması ile enerjide dışa bağımlılığın azaltılması, bunun sonucunda da binaların uzun dönem maliyetlerinin düşmesi bu çalışmanın yararlarındandır. Avrupa Birliği'nde, binaların enerji performansını değerlendirmek, sertifikalandırmak ve bu yolla enerji verimliliğini arttrmak amacıyla 2002 tarihli "Binalarda Enerji Performansı Direktifi" (EPBD) yayınlanmıştır. AB yasaları uyum sürecinde Türkiye'de de, 2008 yılında yayınlanan "Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği" ile tüm binalara BEP-TR hesaplama yöntemi kullanılarak enerji kimlik belgesi verilmesi zorunlu olmuştur. Türkiye'deki bu süreç içerisinde AB ülkelerinde yeni gelişmeler yaşanmış ve EPBD'nin revize edilmesiyle 2010 yılında yürürlüğe giren yeni direktif (EPBD-Recast) kapsamında "maliyet optimum enerji verimliliği" kavramı ortaya konulmuştur. Bu revize direktif ile tüm Avrupa ülkelerine binalarda maliyet optimum enerji verimliliği seviyelerini hesaplama zorunluluğu getirilmiştir. Bu hesaplamaların, Ocak 2012'de Avrupa Komisyonu tarafından yayınlanan yönetmelikteki çerçeve yönteme uygun olarak geliştirilen ulusal yöntem kullanılarak yapılması gerekmektedir. Ayrıca, mevcut bina stoğu dikkate alındığında, binalarda maliyet optimum enerji verimliliği seviyesi hesabının her bir bina için ayrı ayrı yapılamayacağı açıktır. Bu nedenle, hem mevcut hem de yeni yapılacak binaları en iyi düzeyde temsil edebilecek referans binaların belirlenmesi EPBD Recast 2010'un da öngördüğü gibi zorunlu olmuştur. AB ve Türkiye genelinde enerji verimliliği iyileştirme oranı beklentiden çok daha düşüktür. AB 2020 hedefleri ulaşmak için AB ülkelerinde binaların yılda 3%'ü iyileştirilmelidir ancak mevcut durumda sadece binaların yılda 1.5% iyileştiriliyor. Türkiye'de de çoğunlukla bina kabuğunda yapılan ısı yalıtımı ile yüksek enerji tüketimine karşı önlemler alınmaya çalışılmaktadır. Ancak, Avrupa Birliği Binalarda Enerji Performans Direktifi'nin (EPBD) de şart koştuğu gibi, sadece yalıtım malzemelerinden yararlanılması değil bina kabuğu ve bina alt sistemlerinde yapılacak çeşitli uygulamalar ile yenilenebilir enerji kaynaklarından da verimli bir şekilde yararlanılması ve bu yolla karbon salımlarının azaltılması öngörülmektedir. Ancak sadece yalıtım uygulaması için mevcut olan finansal çözüm binalardan elde edilmesi gereken enerji tasarrufunu sağlamamaktadır. Bu çalışmanın amacı, konut binalarında daire ve bina sahiplerini enerji verimli iyileştirmelerde finansörler olarak projeye katılmalarını teşvik etmektir. Daire sahiplerinin iyileştirme projeleri için ödemeleri gereken tutar ödeyebilecekleri makul tutarın altında olması gerekmektedir. Ulusal istatistiklere dayanarak ve gelir düzeyi de düşünülerek, bu makul miktar yaklaşık 2270 TL olarak belirlenebilir. Bu miktar, hanehalkının yıllık gelir ve harcamaları esas alınarak hesaplanmıştır. Bu miktar düzenli olarak her yıl daire sahipleri tarafından yatırım yapilabilecek miktar olarak kabul edilebilir. Bu nedenle, eğer yüksek ilk yatırım maliyeti gerektiren derin iyileştirme önlemlerini daha düşük ve makul bir yıllık ödeme gerektiren adım adım iyileştirme ile yapılabilirse o zaman bu derin iyileştirme önlemi uygulanabilir bir önlem olabilir. Türkiye'de son yıllarda binalarda temiz ve yenilenebilir enerji kullanımı ve enerji verimliliği konularında yapılan faaliyetler her ne kadar da artış gösterse bile yine de enerji tüketimi çok düşüş göstermemektedir ve bu da bu faaliyetlerin yeterli ve ya doğru yönde olmadığını göstermektedir. Enerji tüketiminin önemli ölçüde azaltılması gelişmekte olan ülke ekonomisine finansal anlamda katkı sağlayacağı gibi tasarrufların yatırıma dönüştürülmesi halinde ülkenin önemli sorunlarından biri olan işsizlik için yeni istihdam alanları açılmasına da olanak sağlayarak sorunun çözümüne katkı sağlayacaktır. AB komisyonunun yayınladığı yönetmelikler ile tanımlanmış olan "maliyet optimum" ve "yaklaşık sıfır enerji" binalar terimleri giderek yaygınlaşmaktadır ve her AB ülkesi ve aday ülkeler bu tanımları kendi ülke koşullarına göre tanımlamaya başlamışlardır. Ancak bir çoğu AB ülke ve aday ülkenin aksine Türkiye'de henüz bu konuda gerekli sayıda ve nitelikte çalışma gözükmemektedir. EPBD-Recast kapsamında binalarda maliyet optimum enerji verimliliği seviyesine ulaşmak için kullanılacak yöntemde izlenecek ana adımlar aşağıdaki gibidir: • Referans binaların belirlenmesi, • Enerji verimliliği tedbirlerinin belirlenmesi, • Birincil enerji ihtiyacının hesaplanması, • Toplam maliyetlerin hesaplanması, • Analizlerde kullanılan verilere ilişkin duyarlılık analizlerinin yapılması, • Referans binalar için maliyet optimum enerji verimliliği seviyelerinin belirlenmesidir. Çalışma kapsamındaki temel faaliyetleri beş ana bölüme ayrılır. Birinci ana bölüm tezin amacı ve hedeflerini açıklamaktadır. İkinci bölüm litratür taramasını kapsamaktadır. Uygulanabilir çözümleri tanımlamak ve ilgili hesapları yapmak için gerekli yöntem tezin üçüncü bölümünde açıklanmaktadır. Bu yöntem, hesaplama döneminde en düşük global maliyet gerektiren (optimum maliyet) çözümleri bulmaya yönelik bir yöntemdir. Ancak benzer bir yaklaşım yaklaşık sıfır enerji binalar gibi farklı hedefler için de geliştirilebilir. Bu yaklaşım adım adım iyileştirme senaryoları tanımlamak ve bunların maliyetlerini hesaplamak için yeni bir yöntemde sunmaktadır. Bu yöntem, AB'nin Bina Enerji Performansı Direktifi'nin (EPBD-Revize) maliyet-optimal çözümleri tanımlamak için yayınlanan sürümününden türetilmiştir. Çalışmanın dördüncü bölümü, üçüncü bölümde anlatılan yöntemin uygulanmasına aittir. İki farklı örnek bina analiz için ele alınmıştır. Bunlardan biri ayrık nizam konut sistemini temsil eder ve diğeri bitişik nizam sistemi temsil etmektedir. Ülke bazında doğru sonuçlar elde etmek için seçilen binaların farklı dönemlerde ve farklı iklim koşulları altında inşa edildiği kabul edilmiştir. Seçilen binalar, TÜBİTAK tarafından desteklenen bir araştırma projesi tarafından Türkiye için tanımlanan referans binalarından seçilmiştir. Bu referans binaları Türkiye'nin üç farklı iklim bölgesinde analiz edilmiş olup Antalya, Erzurum ve İstanbul bu iklim bölgelerini temsil eden şehirler olarak seçilmiştir. Bu binaların her iklimde ayrı ayrı enerji performansları ile birlikte yıllık ısıtma, soğutma, havalandırma, sıhhi sıcak su ve aydınlatma enerji ihtiyaçları detaylı dinamik simülasyon araçları kullanılarak hesaplandıktan sonra, CO2 salım miktarları da CO2 dönüşüm katsayıları kullanılarak hesaplanmıştır. Çeşitli iyileştirme tedbirleri/tedbir paketleri belirlenme ve mevcut binaların modellerine entegre edilmiştir. Tanımlanan bu tedbirler ile iyileştirilmiş mevcut binaların enerji performansı seviyeleri hesaplanmıştır. Bu tedbirler gerekli bina tipolojisine, iklime, ve ulusal ekonomik koşullara uygunluğu değerlendirilerek belirlenmiştir, ayrıca piyasadaki genel eğilim de dikkate alımıştır. Yenilenebilir enerji kullanımı ile ilgili tedbirler de bu kapsamdaki analizlere dahil edilmiştir. Her mevcut bina ve iyileştirme önlemlerinin uzun dönem (global) maliyeti ve birincil enerji tüketimi hesaplandıktan sonra, en düşük ekonomik yaşam dönemi maliyeti veren iyileştirme tedbiri (önlemi) maliyet optimum önlemi gösterir. Her daire için ilk yatırım maliyeti makul miktarda olan maliyet optimum önlemler uygulamaya alınabilir ancak bu çalışmada tüm maliyet optimum önlemler daha yüksek ödeme gerektirdiği için tüm bu önlemler adım adım iyileştirme altında analiz edilmiştir. Tek adımda ve adım adım senaryolar ile iyileştirme yapılan mevcut binaların enerji performansları ve uzun dönem maliyetleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, farklı ekonomik değerler ile yapılan duyarlılık analizi sonuçunda ekonomik değişkenlerin çalışma sonuçları üzerinde olan etkisi de araştırılmıştır. Çalışmanın beşinci bölümünde tartışma ve sonuçların analizleri yer almaktadır. Bu bölümde, farklı iklim bölgelerinde her binanın 30 yıllık uzun dönem maliyeti veya bir başka ifadede global maliyeti ve enerji analiz sonuçları birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar soğuk iklimde iyileştirme projelerini diğer iklimlere göre daha öncelikli olduğunu göstermektedir. Tüm analizler sonucunda adım adım iyileştirme uygulamsı ile yıllık en az 67.19 kWh/m2a birincil enerji tasarrufu sağlanabileceğini ortaya koymaktadır. Aynı zamanda en az global maliyet ve yıllık CO2 salımı tasarrufu sırasıyla 103.8 TL/m2a ve 16.62 kg/m2a dir. Tez çalışmasında örnek olarak alınan binaların yer aldığı zaman aralığında yapılan tüm konut binalarının sayısını göz önüne alındığında adım adım iyileştirme senaryoları ile 56569 GWh birincil enerji tasarrufu potansiyeli olduğu saptanmıştır. Bu önlemlerle yılda 13.992.985 Ton CO2 salımını azaltma potansiyeli bulunmaktadır. Böylece, adım-adım senaryolarının uygulaması ülke için yılda 2,913,000,000 TL'lik toplam maliyet tasarruf potansiyeli bulunmaktadır. Çalışmanın son bölümünde çalışmanın genel değerlendirmesi ile birlikte konu ile ilgili gelecekteki çalışmalr için bazı öneriler öngörülmektedir.

Summary:

Technology becomes an impartible part of human life, but it provides some obstacles for humankind. Global warming arisen from incrementation of greenhouse gases emission is one of them. The building stock is one of the most greenhouse gas emitter sectors. This emission is because of energy consumption related to providing comfort conditions in the buildings and also equipment. In the era of technology, everything is going to develop rapidly. New approaches and developments in the field of buildings' technology and science are making progress every day. Most of the buildings are built to be alive to at least more than a half of a century. The existing buildings require adopting with this excessive progress. Thus, regular maintenance and repairs are inevitable. The EU regulations related to the energy performance of the buildings persist on the significant reduction of energy consumption in all new and existing buildings. Such a reduction requires a deep retrofit in existing buildings. Any maintenance and repair, or in the other word retrofit, require a budget that sometimes is a huge amount for owners to pay, so the financing of the retrofit actions is significantly important. Financial barriers are one of the main obstacles to increasing the yearly retrofit rate. Any solution for financial barriers can boost the retrofit rate significantly. At the mean time, the amount of energy efficient retrofit rates across EU and Turkey are very lower than expectation. In is necessary to reach 3% yearly retrofit rate across EU to reach the 2020 goals but the current rate is about a half of the required rate. For existing buildings in Turkey, there are not many actions related to improving their energy performance. The most common renovation action is the implementation of insulation and of course, it is not sufficient, but it is the sole option that a financial solution exists for. The aim of this study is to encourage flat owners to involve in the retrofit action of their buildings as financiers. It causes to increase the amount of financial resources incomparably and thus increase the retrofit rate considerably. It would be applicable when the amount of payments for retrofit action is below the payable and reasonable amount. Based on some national statistics, this reasonable amount could be about 2270 TL in Turkey. Thus, applicable retrofit scenarios should have an investment cost lower than this amount. As this amount is calculated based on households' yearly income and expenditures, it is expected that this amount can be invested each year regularly. Hence, if any deep retrofit action can be divided into some steps that require a yearly payment lower than reasonable cost is an affordable and applicable action. A methodology to define the applicable solutions are defined in the third section of the thesis. As the economic approach is the main focus of the study, the solutions that provide the lowest cost during the calculation period (so-called cost-optimal solutions), are mostly focused. However, the similar methodology can be developed for other targets such as nearly zero energy buildings. This method is adopted from the recast version of Energy Performance of Buildings Directive of EU (EPBD-Recast) to define the cost-optimal retrofit solutions. The unique approach to set the step-by-step scenarios and their costs are defined at the following parts of the methodology section. The fourth part of the study is belonged to the application of the methodology to some case study buildings. Two different case study buildings are selected to analyze. One of them is representing the detached housing system, and another one is representing the row housing system. It is supposed that these buildings were constructed in two different periods to make it possible to disseminate the results to the country level. The case study buildings are chosen from reference buildings that are defined for Turkey through a TÜBİTAK supported project conducted by the thesis advisor and writer as a group member. These reference buildings are analyzed in the three different climatic regions of Turkey. Antalya, Erzurum, and Istanbul are selected as representative cities for these climatic regions. The energy performance of these buildings in each climate is defined using dynamic simulation tools. Various retrofit measures are determined and applied to these building, and the energy performance of the existing buildings under retrofit by each of these measures are defined. The global cost for each existing building and retrofit measures are calculated, and the global cost vs. primary energy consumption graph as indicated by EPBD-Recast are drawn. The lowest point of the graph which is indicating the cost-optimal measures are determined. The cost per flat is calculated in the following. As all of the optimal measures required to a higher payment than a reasonable amount of payment, all actions had analyzed under step-by-step retrofit. The results are illustrating that the energy and cost performance of the existing buildings under retrofit by instant and step-by-step scenarios contains negligible differences. The sensitivity analyses for different economic variations are undertaken as well to define the influence of economic variations on the results of the study. The fifth section of the study is belonged to the discussion and analyses of the results. In this section, the results of the cost and energy analyses of each building located in the different climatic region are compared with each other. The results are indicating that the retrofit actions in cold climates have a priority to the actions in other climates. Also, the results reveal that step-by-step retrofit provides at least 67.19 kWh/m2 primary energy saving per year. While the minimum global cost and CO2 emission savings are 103.8 TL/m2 and 16.62 Kg/m2.a respectively. In the country level, 56,569 GWh primary energy could be saved by application of step-by-step scenarios. At the same time, 13,992,985 Tons of CO2 emission will be prevented yearly. The global cost will be reduced by 87393 million TL in 30 years. So, the application of step-by-step scenarios will lead to 2913 million TL yearly direct profit for the country. The last section of the study is providing some recommendation for future works together with the conclusion of the study.