Eğitim Binalarında Faz Değiştiren Malzeme ve Isı Yalıtım Malzemesi Kombinasyonunun Ekonomik Optimizasyonu

Abstract

Küresel ölçekte artan enerji talebi ve çevresel sorunlar, sürdürülebilir enerji çözümlerine duyulan ihtiyacı giderek artırmaktadır. Binalar, küresel enerji tüketimi ve sera gazı emisyonlarından önemli ölçüde sorumlu olduğundan enerji koruma stratejileri geliştirmek yapı sektörünün öncelikli hedefleri arasındadır. Bu bağlamda, ısıl enerji depolama sistemleri, binalardaki ısıtma, soğutma ve havalandırma için tüketilen enerjiyi azaltmada etkili bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. Isıl enerji depolama sistemlerinden biri olan faz değiştiren malzemeler (FDM), gizli ısıyı erime veya donma gibi faz değişimleri sırasında depolayabilen yenilikçi malzemelerdir. Bu çalışmanın amacı, Türkiye’nin iklim koşullarında tasarlanan eğitim binalarının duvarlarında FDM kullanım olanaklarını ülkemizin ekonomik koşulları dikkate alınarak değerlendirmektir. Bu amaca yönelik olarak, tek katlı bir eğitim binası modeli Designbuilder Yazılımı kullanılarak simüle edilmiştir. Türkiye’nin beş farklı iklim bölgesi için yalnızca FDM ve FDM ve ısı yalıtım (IY) malzemelerinin kombinasyonunu içeren duvar kesitlerine sahip yapıların ekonomik analizleri enerji maliyeti tasarrufu ve geri ödeme süresi kriterleri göz önünde bulundurularak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, farklı iklim koşullarında FDM ve IY kombinasyonunun binanın enerji tüketimini önemli ölçüde azaltabileceğini, ancak geri ödeme süresinin iklim bölgesine ve malzeme kombinasyonuna göre değişiklik gösterdiğini ortaya koymuştur. Geri ödeme süresi ılıman veya sıcak iklim özelliklerine sahip bölgelerde kısa olmasına rağmen, nispeten soğuk bölgelerde daha uzundur. Türkiye’nin farklı iklim bölgelerinde gerçekleştirilen ekonomik analizler sonucunda elde edilen geri ödeme süresi 6.66-36.62 yıl arasında değişmiştir. Elde edilen sonuçlar, binaların yönetmeliklerde belirtilen ekonomik ömründen kısa olduğundan FDM’nin ülkemiz ekonomik koşullarında yapı kabuğunda kullanımı açısından umut vaat etmektedir.

Keywords

• Faz değiştiren malzeme
• Isı yalıtım malzemesi
• Ekonomik optimizasyon
• Enerji maliyeti tasarrufu
• Geri ödeme süresi

Economic Optimization of Combined Use of Phase Change Material and Thermal Insulation in Educational Buildings

Abstract

Global environmental problems and rising energy demand are driving a growing need for sustainable energy solutions. Since buildings are significantly responsible for global energy consumption and greenhouse gas emissions, developing energy conservation strategies is among the priority goals of the construction sector. In this context, thermal energy storage systems stand out as an effective solution to reduce the energy consumed for heating, cooling and ventilation in buildings. Phase change materials (PCM), one of the thermal energy storage systems, are innovative materials that can store latent heat during phase changes such as melting or freezing. The aim of this study is to evaluate the possibilities of using PCM on the walls of educational buildings designed in the climatic conditions of Türkiye, taking into account the economic conditions of our country. For this purpose, a single-story educational building model was simulated using Designbuilder software. Economic analysis of buildings with wall sections containing only PCM and the combination of PCM and thermal insulation (TI) for five different climate zones of Türkiye were carried out by taking into account the energy cost savings and payback period criteria. The results revealed that the combination of PCM and TI in different climatic conditions could significantly reduce the energy consumption of the building, but the payback period varied depending on the climate region and the combination of materials. Although the payback period was short in regions with temperate or hot climates, it was longer in relatively cold regions. The payback period obtained as a result of economic analysis carried out in various climatic regions of Türkiye varied between 6.66-36.62 years. The results obtained were promising for the use of PCM in the building envelope in the economic conditions of Türkiye, since the economic life of the buildings was shorter than that stated in the regulations.

Keywords

• Phase change material
• Thermal insulation material
• Economic optimization
• Energy cost savings
• Payback period

References

1. [1] Conti, J. 2018. U.S. Energy Information Administration: Annual Energy Outlook 2018. U.S. Energy Information Administration. https://www.eia.gov/pressroom/presentations/conti_020132018.pdf
2. [2] Fereidoni, S., Nabisi, M., Fereidooni, L., Javidmehr, M., Zirak, N., Kasaeian, A. 2023. An assessment of the impact of building envelope design on the tradeoff between embodied and operating energy. Energy Building.
3. [3] Christopher, S., Vikram, M.P., Bakli, C., Thakur, A.K., Ma, Y., Ma, Z. 2023. Renewable energy potential towards attainment of net-zero energy buildings status–a critical review. Journal of Cleaner Production.
4. [4] Caliskan, H., Dincer, I., Hepbasli, A. 2012. Thermodynamic analyses and assessments of various thermal energy storage systems for buildings. Energy Conversion and Management, 62, 109-122.
5. [5] Kuznik, F., Virgone, J., Roux, J.J. 2008. Energetic efficiency of room wall containing PCM wallboard: A full-scale experimental investigation. Energy and Buildings, 40, 148-156.
6. [6] Beltran, R.D., Martínez-Gomez, J. 2019. Analysis of phase change materials (PCM) for building wallboards based on the effect of environment. Journal of Building Engineering, 24.
7. [7] Mohseni, E., Tang, W., Wang, S. 2019. Investigation of the role of nano-titanium on corrosion and thermal performance of structural concrete with macro-encapsulated PCM. Molecules, 24(7).
8. [8] Al-Homoud, M.S. 2005. Performance characteristics and practical applications of common building thermal insulation materials. Building Environment, 40, 353–366.

9. [9] M’hamdi, Y., Baba, K., Tajayouti, M., Nounah, A. 2022. Energy, environmental, and economic analysis of different buildings envelope integrated with phase change materials in different climates. Solar Energy, 243, 91-102.
10. [10] Zhang, L., Zhang, Q., Jin, L., Cui, X., Yang, X. 2024. Energy, economic and environmental (3E) analysis of residential building walls enhanced with phase change materials. Journal of Building Engineering, 84.
11. [11] El-Raheim, D.A., Mohamed, A., Fatouh, M., Abou-Ziyan, H. 2022. Comfort and economic aspects of phase change materials integrated with heavy-structure buildings in hot climates. Applied Thermal Engineering, 213.
12. [12] Souayfane, F., Biwole, P.H., Fardoun, F., Achard, P. 2019. Energy performance and economic analysis of a TIM-PCM wall under different climates. Energy, 169, 1274-1291.
13. [13] Bagheri-Eshef, H., Safikhani, H., Motahar, S. 2020. Multi-objective optimization of cooling and heating loads in residential buildings integrated with phase change materials using the artificial neural network and genetic algorithm. Journal of Energy Storage, 32.
14. [14] Lagou, A., Kylili, A., Sadauskiene, J., Fokaides, P.A. 2019. Numerical investigation of phase change materials (PCM) optimal melting properties and position in building elements under diverse conditions. Construction and Building Materials, 225, 452-464.
15. [15] Yemenici, D.K., Barış, K.E. 2024. Faz Değiştiren Malzeme ve Isı Yalıtım Malzemesi Kombinasyonunun Eğitim Binalarının Isıl Konforu ve Enerji Yüklerine Etkisi. Mimarlık, Planlama ve Tasarım Alanında Orijinal Araştırma ve Derlemeler, Ekim 2024, ss. 145-183.
16. [16] TS 825, 2024. Binalar için Isı Yalıtım Kuralları. Türk Standartları Enstitüsü. Ankara. Türkiye.
17. [17] U.S. Department of Energy. Input Output Reference, 2021. EnergyPlus™ Version 9.0.1 Documentation, ss. 139.
18. [18] Türkiye İstatistik Kurumu. 2022. Elektrik ve doğal gaz fiyatları, dönem I: Ocak-Haziran, 2022. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=45567
19. [19] Meteoroloji Genel Müdürlüğü. t.y.. İl ve ilçeler istatistik: Antalya. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=ANTALYA
20. [20] Meteoroloji Genel Müdürlüğü. t.y.. İl ve ilçeler istatistik: İstanbul. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=ISTANBUL
21. [21] Meteoroloji Genel Müdürlüğü. t.y.. İl ve ilçeler istatistik: Ankara. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=ANKARA
22. [22] Meteoroloji Genel Müdürlüğü. t.y.. İl ve ilçeler istatistik: Van. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=VAN
23. [23] Meteoroloji Genel Müdürlüğü. t.y.. İl ve ilçeler istatistik: Erzurum. (Erişim tarihi: 24.10.2024). https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=ERZURUM
24. [24] Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. 2018. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı. Ankara. Türkiye.