Tez Arşivi

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


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

A performance based decision-making approach for insulation material selection: A social housing case

Yalıtım malzemesi seçiminde performans odaklı bir karar verme yöntemi: Sosyal konut örneği

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 526879 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Built environments have been evolving since the 500s BC, as we can observe aesthetic, social and environmental concepts in ancient Greek cities' performances. Performance can be explained as the ability to perform something, or the fulfillment of an obligation or a claim. The three principles of architecture; firmitas (durability), utilitas (utility) and venustas (beauty), introduced by Vitruvius (1960), are also early examples of the built environment and the evolution of its performance. Built environments and their performance have a great impact on human life, as we spend most of our times in them. Moreover, the performance of buildings have been frequently discussed in the last decades, mostly in terms of sustainability, energy, cost, health, etc. Buildings, as the consumers of more than one third of global energy, have a significant impact on global warming, the depletion of resources, and emissions. The degree of environmental impact caused by buildings and their energy consumptions has been increasing rapidly, due to rising comfort needs and population growth. The high amount of energy consumption in buildings has led to the need for energy efficiency action in terms of buildings through legislative strategies such as energy efficiency regulations, energy certification of buildings according to energy classes, refurbishment of existing buildings, etc. On the other hand, building design involves several decisions in different stages of the build process. Building design, in the form of the process of decision-making, involves decision makers such as investors, property owners, designers, experts, etc., with each decision maker, from different points of view, targeting the success of the project in terms of different concerns involving several dependent and independent parameters. With the increase in building energy consumption levels worldwide, thermal insulation materials have become one of the key applications for building energy efficiency. When high performance buildings are targeted, thermal insulation materials become increasingly significant. Consequently, conflicts may occur between the efforts and the provisions due to thicker applications of the material, leading to higher costs and greater environmental impact. In addition, higher comfort levels are also expected as a feedback for such intensive efforts. Thus, the determination of the most effective thermal insulation material in terms of its properties for high performance building is a multiple criteria decision-making problem, since the thermal insulation materials are significant in terms of their impact on the energy, cost, thermal comfort, and environmental performance of a building. Urbanization and social housing has an important impact on the embodiment of 'housings'. The requirements of social housing such as low investment cost for states and low operating costs for low-income group occupancies signify the importance of performance estimation for social housing. From this point of view, one of the most significant performance indicators for social housing are cost and energy, since they are also significant with regard to current directives and regulations. Besides, a comprehensive definition for social housing performance within a sustainability approach has an obvious importance for economic, social and environmental development. Nevertheless, current regulations and developments also regularly identify new criteria in order to expand the definition of building performance. EN 15459 (2017) introduced new revisions such as the cost of greenhouse gas emissions in order to evaluate the monetary value of environmental damage caused by CO2 emissions related to the energy consumption of buildings. Moreover, environmental product declarations (EPD) came into prominence in order to verify the information about the life-cycle environmental impact of products. EPBD (2018) also states the importance of building energy performance improvements while improving thermal and visual comfort. Thus, in addition to energy and cost performances, the environmental impact and user comfort performances should be also considered as determinative and descriptive for a sustainable social housing design. Environmental impact has been discussed and evaluated since the 1960s. By the publication of the National Environmental Policy Act (NEPA, 1970) in U.S., environmental impact assessment obtained formal status. Today, environmental impact is evaluated either on material, component or building scale, depending on the purpose of the evaluation. Thermal comfort is also a Twentieth Century discipline, focusing on a comfortable indoor environment in terms of thermal criteria. As a result of the evolution of space phenomenon and architectural theories and movements, occupancy became an important factor as an individual with a physical dimension in the design process. This evolution brought the need to evaluate and increase user comfort within the built environment. In this study, "high performance" is evaluated in terms of energy, cost, thermal comfort, and environmental impact. Thus, the aim and scope of the study, beyond a consideration of cost optimal energy efficiency, is proposing a methodological approach for a performance-based decision-making method covering energy, cost, thermal comfort, and environmental performance. Within this context, the methodological approach presented in this study includes the following main steps: • Determination of the archetype • Parameterization with the designated independent variables • Calculation of the dependent variables • Implementation of a multiple criteria decision-making process • Determination of the best alternatives through the decision-making scores. Different building functional typologies perform different energy consumption patterns in terms of activity types, occupied hours, internal gains, etc. The more detailed the sub-categories that buildings are divided into, the more accurate will be the analyses in terms of energy. In this study, a social housing archetype which has a 4 apartment/floor plan scheme was designated. Firstly, the independent variables were determined for the parameterization process. The main independent variable was designated as the thermal insulation material used and its thickness, since the aim is the selection of the optimum thermal insulation material. The dependent variables are identified as energy, cost, thermal comfort, and environmental impact performance. Energy consumption is calculated through the use of the Energy Plus simulation tool. Such consumption is based on an hourly basis, with 6 time steps per hour. Using this approach, the life cycle cost of the related components were calculated with a modified global cost formula as the sum of the initial investment cost, the net present value annual cost of the energy costs, transposed with the development rate of energy. In this approach, indoor environmental thermal comfort is evaluated based on the EN 15251 Adaptive comfort model, and evaluated within Category III. The influence of the material selection on the environmental impact performance of the building is calculated through the embodied carbon (kgCO2e/kg) and the embodied energy (Mje/kg) of the materials used. In the proposed approach, all scenarios occurring by parameterization are calculated in terms of life cycle cost and primary energy consumption through a 30 year life span. The cost optimal point within the whole alternatives is obtained, and alternatives beyond the cost optimal level are listed for the purposes of multiple criteria decision-making. Alternatives were listed with the associated decision-making criteria for high performance building design in the form of investment cost, primary energy consumption, thermal comfort, and environmental impact values. In order to be compared with each other, all criteria values were normalized. Furthermore, the normalized values of the criteria were summed in order to obtain the total score of the alternatives. In this step, the weighting factors of each criterion were considered either as being equal or as the calculated weightings based on the AHP pairwise comparison method for criteria. Finally, best alternatives were determined for the decision maker, in order to develop a high performance building design. The analysis show that the performance criteria that have been evaluated have an important impact on the alternatives and the results. Thus, it is meaningful to include the four determined performance criteria (energy, cost, thermal comfort, and environmental impact) in the decision-making process in order to select the best alternatives. The results show that proper decision-making on the selection of thermal insulation building materials, with different environmental and economic attributes, ensure a higher performance with regard to buildings. The proposed approach influences the selection of the best alternative, which allows the personal preferences of the decision maker to be met, without digressing from the scope of EPBD. It is clear that the methodology used in multiple criteria decision-making, and the weighting factors of the criteria, are quite substantial and effective in terms of the results of the decision-making process. The study should be improved by assigning different weighting factors to decision-making criteria, in order to identify the deviations resulting from the different weighting factors. Thus, further studies should be conducted incorporating different decision-making methods, and variations in terms of the criteria and the weighting factors should be analyzed. It is also possible that a tool can be generated by using the proposed methodology, to offer a quick analysis to meet further demands and for the design processes of different archetypes.

Summary:

Antik Yunan şehirlerinde gözlemleyebildiğimiz estetik, sosyal ve çevresel tasarım kriterlerine bakıldığında, yapma çevrenin gelişimi MÖ500 yıllarına kadar dayandırılabilir. Aynı zamanda Vitruvius (1960)'ın tanımlamış olduğu mimarinin üç prensibi olan firmitas (dayanıklılık), utilitas (işlevsellik), ve venustas (estetik), yapma çevrenin gelişimi ve performansının öneminin erken örneklerindendir. Tarih boyunca elde edilen verilere bakıldığında ise, yapma çevre ve bina performansının, insanların günlük hayatının büyük kısmını geçirdiği çevreler olarak, insan hayatı üzerinde önemli etkiye sahip olduğu görülmektedir. Bina performansı; genellikle sürdürülebilirlik, enerji, sağlık ve maliyet konularında, son yıllarda sıklıkla ele alınmakta olan bir konudur. Dünya'da tüketilen toplam enerjinin üçte birinden fazlasının tüketiminden sorumlu olan binaların, aynı zamanda sera gazı salımları, küresel ısınma ve doğal kaynakların tükenmesinde de önemli payı bulunmaktadır. Ayrıca, hızlı artmakta olan insan nüfusu ve bu nüfusun mekânsal konfor gereksinimlerinden dolayı binaların enerji tüketimi gün geçtikçe artmakta, bu durumdan kaynaklanan olumsuz çevresel etkiler de hızlı bir şekilde artış göstermektedir. Binalarda gerçekleşen yüksek orandaki enerji tüketimleri, binalarda enerjinin etkin kullanımını sağlamak amaçlı çıkarılacak yönetmeliklerin, binaların enerji performans sınıflandırılmasının ve var olan yapıların enerji etkin yenilenmesinin gerekliliğini ortaya koymaktadır. Avrupa Birliği Komisyonu tarafından yayınlanmış olan Bina Enerji Performansı Direktifi (EPBD) binalarda enerji performansı ve enerjinin etkin kullanımı konularında amaç, kapsam ve hedefleri tanımlayan, Avrupa Birliği ülkelerinin uymak ve uygulamakla yükümlü olduğu bir direktiftir. EPBD bir yandan binalarda enerji verimliliğinin arttırılmasını, asgari enerji verimliliği gereksinimlerinin belirlenmesini, binaların enerji sertifikasyonlarının planlanması ve yürütülmesini hedeflerken, aynı zamanda bina için yapılan yatırım ile binanın tüm yaşam döngüsü boyunca tasarruf edilen enerji maliyetleri arasındaki maliyet-optimal dengesi gibi yeni hükümler de ortaya koymuştur. Bina tasarımı, farklı süreçleri ve bu süreçlerde alınan birçok kararı içermektedir. Yatırımcı, tasarımcı, yüklenici, uzmanlar, danışmanlar, vb. gibi karar vericiler bu sürece dahil olmaktadır. Karar vericilerin farklı bakış açıları, yatkinlikleri, alınan kararlardaki etkileri vb. projenin ulaşacağı başarı düzeyine ve binanın performansına doğrudan etki etmektedir. Dünyadaki enerji tüketim düzeyinin artmasıyla ısı yalıtım malzemeleri ve ısı yalıtımı uygulamaları önemli uygulamalardan biri haline gelmiştir. Özellikle yüksek performanslı binalar hedeflendiğinde ısı yalıtım malzemesi daha önemli hale gelmekte, yüksek kalınlıklardaki uygulamalarda bağlı olarak yüksek yatırım maliyeti, malzeme kullanımına bağlı çevresel etki vb. nedenlerden dolayı ortaya konan çaba ve kazançlar arasında uyuşmazlık oluşabilmektedir. Ayrıca, bu gibi uygulamalar sonuçunda yüksek termal konfor düzeyleri beklenmektedir. Bu nedenle, yüksek performanslı bina tasarımında doğru ısı yalıtım malzemesi ve uygulamasının belirlenmesi, enerji, maliyet, termal konfor ve çevresel etki performanslırını doğrudan etkileyen bir çok kriterli karar verme problemi olarak tanımlanabilir. Kentleşme ve sosyal konut ihtiyacı, konut kavramının şekillenmesinde büyük öneme sahiptir. Bina performansına sosyal konut açısından bakıldığında ise, düşük yatırım maliyetleri ve düşük gelir grubu için düşük işletim giderleri, sosyal konutlar için performans değerlendirmelerini daha önemli hale getirmektedir. Bu açıdan, ilk yatırım maliyeti, bakım onarım maliyetleri, işletme giderleri ve enerji tüketim düzeyleri performans göstergeleri olarak öne çıkmaktadır. Buna ilaveten, sosyal konutlar için performans tanımının, sürdürülebilirlik başlığı altında, ekonomik, sosyal ve çevresel kalkınma için geniş bir çerçeveye oturtulması büyük önem taşımaktadır. Bununla birlikte, mevcut yönetmelik ve düzenlemeler, bina performansının tanımını genişletiecek yönde kriterler ortaya koymaktadır. EN 15459 (2017), binalarda enerji tüketimine bağlı CO2 emisyonlarının neden olduğu çevresel zararın parasal değerini değerlendirmek için 'sera gazı emisyonu maliyeti' tanımını ortaya koymuştur. Ayrıca, ürünlerin yaşam döngüsü çevresel etkilerinin beyanı için 'çevresel ürün deklerasyonu' günümüzde ön plana çıkmaktadır. EPBD (2018) ise enerji performansının iyileştirilmesinin termal ve görsel konuforun arttırılması ile bir arada düşünülmesinin önemini vurgulamaktadır. Sonuç olarak, öne çıkmakta olan enerji ve maliyet performanslarına ek olarak, çevresel etki ve kullanıcı konforu performanslarının da sürdürlebilir bir sosyal konut tasarımı için belirleyici ve tanımlayıcı performans göstergeleri olarak değerlendirlmesi önemi doğmaktadır. Çevresel etki, 1960larda tartışma konusu olmaya başlamış ve Ulusal Çevre Politikası Yasası'nın (NEPA, 1970) yayınlanması ile birlikte resmiyet kazanmıştır. Günümüzde, çevresel etki değerlendirme sistemleri, malzeme, bileşen, bina, proje, vs. ölçeklerinde değerlendirilebilmektedir. Buna örnek olarak, Çevresel Ürün Deklerasyonu (EPD), gönüllü yeşil bina sistemleri, vs verilebilir. Termal konfor ise 20. yüzyılda doğmuş bir disiplin olup, iç mekan koşullarının termal kriterler açısından uygunluğuna ve kullanıcı tatmin düzeyine odaklanmaktadır. Mekan olgusunun gelişimi ve bireyin mekan içerisinde önemli bir faktöre dönüşmesi ile kullanıcı memnuniyeti önem kazanmıştır. Bu gelişim, yapılı çevrede kullanıcı konforunu değerlendirme ve artırma ihtiyacını getirmiştir. Kentleşme ve sosyal konut ihtiyacının artması, konut kavramını oldukça etkilemiştir. Günümüzde Türkiye'deki konut stokunun %10'unu sosyal konutlar oluşturmakta ve bu oran sosyal konut yatırımları ile hızla artmaktadır. Bu nedenle önerilen karar verme yaklaşımı tüm bina tipolojilerine uygulanabilir olup bu çalışma kapsamında örneklem bir sosyal konut arketipinin tasarımı veya iyileştirmeleri için uygulanmıştır. Önerilen yaklaşımda "yüksek performans" kavramı enerji ve maliyet performansı, termal konfor ve çevresel etki açılarından değerlendirilmiştir. Böylece, çalışmanın amacı, maliyet optimum enerji etkin bina tasarımının ötesine geçmektedir. Bu bağlamda önerilen yaklaşımın ana adımları aşağıda sunulmaktadır: • Örneklemin belirlenmesi • Belirlenen bağımsız değişkenlerle örneklemin parametrelendirilmesi, • Bağımlı değişkenlerin hesaplanması • Çok kriterli karar verme yöntemi aracılığıyla en iyi alternatiflerin belirlenmesi Farklı fonksiyon taşıyan bina tipolojileri; bina tipolojisine göre farklılaşan aktivite türleri, kullanım saatleri, binanın iç kazançları gibi enerji kullanımı etkileyen faktörlerden dolayı farklı enerji performans davranışları göstermektedir. Bu yüzden daha detaylı olarak alt kategorilere ayrıştırılabilen binaların enerji analizlerinden daha doğruya yakın sonuçlar elde edilebilir. Bu çalışmada örneklem olarak 11 katlı ve her katta 4 apartman dairesinin yer aldığı plan şeması, arketip olarak seçilmiştir. Çalışmada ilk olarak parametrelendirilme aşaması için bağımsız değişkenler belirlenmiştir. Önerilen yaklaşımda amaç ısı yalıtım malzemesinin seçim kararı üzerine olduğu için ana bağımsız değişken olarak ısı yalıtım malzemesi ve bu malzemenin uygulanma kalınlığı seçilmiştir. Bağımlı değişkenler olarak ise enerji, maliyet, ısıl konfor ve çevresel etki performansları belirlenmiştir. Enerji tüketimleri detaylı dinamik hesaplama yöntemine dayanan Energy Plus simülasyon programı kullanılarak, ısıtma ve soğutma birincil enerji tüketimi üzerinden değerlendirilmiştir. Daha sonra bağımsız değişkenlerin yaşam döngüsü maliyeti hesaplanabilmesi için EN 15459'da verilen global maliyet hesaplama yöntemi kullanılmış, global maliyet formülü çalışmanın kapsamı açısından düzenlenerek hesaplamalarda kullanılmıştır. Düzenlenmiş yönteme göre yaşam döngüsü maliyeti; ilk yatırım maliyeti ile bakım ve enerji maliyetlerinin bugünkü değerlerinin toplanması sonucunda hesaplanmaktadır. Önerilen yaklaşımda parametrelendirme ile meydana gelen tüm senaryolara ait yaşam döngüsü maliyeti ve birincil enerji tüketimi, 30 yıllık yaşam süresi dikkate alınarak hesaplatılmıştır. Sonraki aşamada iç konfor koşulları EN 15251'de tanımlanan "adaptif konfor" modelindeki III. kategoriye göre analiz edilmiştir. Son olarak, ısı yalıtım malzemesi seçiminin binanın çevresel etki performansı üzerindeki etkisi, malzemelerin gömülü karbonu (kgCO2e/kg) ve gömülü enerjisi (Mje/kg) üzerinden hesaplanmıştır. Karar verme sürecinde birinci adım, tüm senaryo alternatifleri için maliyet optimum noktanın belirlenmesi ve maliyet optimum noktanın ötesindeki senaryoların çok kriterli karar verme yönteminin uygulanabilmesi için ayrıştırılması ile başlar. Maliyet optimum noktanın ötesinde yer alan enerji etkin alterantifler, yüksek performanslı bina tasarımı için enerji, maliyet, ısıl konfor ve çevresel etki değerleri ile listelenir. Kriterlerin birbirleri ile kıyaslanabilmesi için tüm kriterlere ait değerler, o kritere ait en yüksek ve en düşük değere ait uzaklığı hesaplanarak normalize edilmekte ve normalizasyon sonucunda 0 ile 1 arası değer almaktadır. Sonrasında o kritere ait normalize edilen değerler eşit ağırlık faktörleri ile değerlendirilerek senaryo alternatiflerine ait toplam skor elde edilmektedir. Sonraki aşamada ise kriterlerin ağırlık faktörlerini elde etmek için bir anket çalışması üzerinden karar vericilerden bilgi toplanmakta ve toplanan veriye göre AHP metoduna göre ağırlık faktörleri hesaplanmaktadır. Son olarak, yüksek performansa sahip bir bina tasarımı geliştirmek amacıyla, karar verici için en iyi alternatifler belirlenmektedir. Sonuçlar göstermektedir ki, farklı çevresel ve ekonomik özelliklere sahip ısı yalıtım malzemeri ve uygulamaları içerisinden doğru alternatifin belirlenmesi, daha yüksek bina performansına ulaşılmasına katkı sağlamaktadır. Bunun yanı sıra, kullanılan karar verme yöntemi ve ağırlık faktörlerinin karar üzerindeki etkisi oldukça fazladır. Ağırlık faktörlerine bağlı hassasiyetin daha kapsamlı değerlendirilebilmesi için, farklı ağırlık faktörleri kullanılarak çalışma genişletilebilir. Aynı zamanda önerilen yöntem ve yaklaşım, performans kriterlerinin artırılmasına uygun bir yapıdadır. Analitik Hiyerarşi Süreci (AHP) yöntemi ile kriter sayısı arttırılabileceği gibi, kirterler arasında hiyerarşik bağıntı kurularak ağırlık faktörlerinin detaylı hesaplanması da sağlanabilecektir. Önerilen yöntemin bir yazılım aracına dönüştürülmesi ise, yöntemin kullanılabilirliği için gerekli görülmektedir. Çalışmanın detaylı aktarımı şu şekilde kurgulanmıştır: Çalışmanın birinci bölümünde, konuya genel bir giriş ile birlikte, çalışmanın amaç ve kapsamı detaylı olarak açıklanmış, konu ile ilgili detaylı literatür özeti sunulmuştur. İkinci bölümde, enerji ve maliyet performansı, ısıl konfor ve çevresel etki değerini etkileyen parametreler ve hesaplama yöntemleri teorik bilgiler ile açıklanmış, devamında ısı yalıtım malzemelerin çevresel etki değerlerine ait bilgiler verilmiştir. Üçüncü bölüm, performans odaklı bina tasarımında karar verme yöntemleri ile ilgilidir. Literatürde yer alan ve en çok kullanılan karar verme yöntemleri ile ilgili detaylı bilgiler verilmiş, kendi aralarında güçlü ve zayıf yanları değerlendirilmiştir. Dördüncü bölümde, yukarıda yer alan metodoloji adımlarına ait teorik bilgiler ve metodolojide kullanılan adımlar detaylı olarak çıklanmıştır. Beşinci bölüm, dördüncü bölümde açıklanmış olan metodolojinin örneklem üzerinde uygulanması adımlarını içermektedir. Altıncı bölüm, tüm çalışma adımlarının ve sonuçlarının özetlenerek yorumlandığı sonuç bölümünden oluşmaktadır.