Yapıların cam alanlarının enerji etkin iyileştirilmesi ve FDM uygulamasının enerji performansına etkisinin değerlendirilmesi: İstanbul ve Diyarbakır örnekleri

Öz

Bina ve inşaat sektörü, dünyada toplam enerji tüketiminin %36’sından ve CO2 salımının %39’undan sorumludur. Bu salımların iklim değişikliğine doğrudan etkisi olduğu bilinmektedir. Sektörün enerji tüketimi ve sera gazı salımını azaltmak için yapı stokunun iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu iyileştirme için uygulanabilecek yöntemlerden birisi, enerji etkin iyileştirmeler ile mevcut binaların yapı kabuğu özelliklerini güçlendirmektir. Öte yandan, iklim değişikliği etkisiyle Türkiye’de sıcaklıkların giderek artacağı, özellikle yaz dönemindeki artışların kış dönemindekilerden fazla olacağı bilinmektedir. Bu eğilimden ötürü mevcut binaların iyileştirilmesinde yaz dönemindeki soğutma yüklerinin düşürülmesinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye'de Toplu Konut İdaresi Başkanlığı'na ait bir tip proje, ılıman-nemli iklime sahip İstanbul ve sıcak-kuru iklime sahip Diyarbakır şehirleri için çeşitli enerji iyileştirmeleriyle DesignBuilder bina enerji simülasyonu yazılımı kullanılarak modellemiştir. Araştırma, iyileştirmelerin enerji verimliliği üzerindeki etkisini incelemiş, bu iyileştirmelerin maliyet analizi yapılmıştır. Seçilen iyileştirmeler, güneş kırıcı sistemlerin eklenmesi, cam sisteminin solar low-e sistemle değiştirilmesi ve yapının ısıl ataletini artırmak için faz değiştiren malzeme kullanımı ile sınırlıdır. Bu iyileştirmeler sonucunda, her iki şehirde de yaz dönemi soğutma yüklerinde azalma gözlemlenmiştir. Sonuçlar tekil olarak cam değişikliğinin hem soğutma yüklerini azaltmada hem de maliyet açısından en etkili yol olduğunu göstermektedir. Birleştirilmiş iyileştirme senaryolarının soğutma yükünü düşürmede çok etkin olduğu görülse de maliyet açısından etkinliği oldukça düşüktür.

Anahtar Kelimeler

• Enerji etkin iyileştirme
• Bina enerji verimliliği
• Cam alan iyileştirmeleri
• Güneş kırıcı uygulaması
• Faz değiştiren malzeme

Evaluation of energy-efficient retrofits in glazing areas of building envelope and the impact of PCM application on energy performance: a case study in İstanbul and Diyarbakır

Öz

The building and construction sector accounts for 36% of global energy consumption and 39% of CO2 emissions, contributing to climate change. To mitigate this impact, improvements are needed in the building stock, particularly through energy-efficient retrofits to the existing structures. The study focuses on a residential building in Istanbul (temperate-humid climate) and Diyarbakır (hot-dry climate) in Turkey to analyze their behavior and the effects of implemented retrofits on energy efficiency. As climate change leads to increasing temperatures in Turkey, the importance of reducing cooling loads during summers becomes more evident in building retrofits. The study explores various improvement methods, such as adding solar shading systems, replacing glass with solar low-e systems, and using phase-changing materials to increase thermal inertia. These improvements have shown promising results in reducing summer cooling loads in both cities. Cost analysis of the improvements revealed that individually changing the glass system is the most effective and cost-efficient method. However, combined retrofit scenarios offer significant cooling load reductions, though their cost-effectiveness is relatively lower. Overall, this research highlights the urgent need to enhance the energy efficiency of buildings to combat climate change and emphasizes the importance of tailored approaches considering the specific climate conditions of different regions.

Anahtar Kelimeler

• Energy-efficient retrofit
• Building energy efficiency
• Glazing area interventions
• Solar shading implementation
• Phase change materials

Kaynakça

1. 1. Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate change 2013: the physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 2013.
2. 2. Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 2021.
3. 3. International Energy Agency, 2019 global status report for buildings and construction: towards a zero-emission, efficient and resilient buildings and construction sector. https://www.iea.org/reports/global-status-report-for-buildings-and-construction-2019. Yayın tarihi 2019. Erişim tarihi Ekim 31, 2022.
4. 4. Türkiye İstatistik Kurumu, Sera gazı emisyon istatistikleri, 1990-2021. https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Sera-Gazi-Emisyon-Istatistikleri-1990-2021-49672 Yayın tarihi Mart 29, 2023. Erişim tarihi Ekim 25, 2023.
5. 5. Türkiye İstatistik Kurumu, İstatistiklerle çevre, 2018. https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Istatistiklerle-Cevre-2018-33675. Yayın tarihi Haziran 5, 2020. Erişim tarihi Ekim 31, 2022.
6. 6. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Eylem planları. https://iklim.gov.tr/eylem-planlari-i-19. Erişim tarihi Ekim 31, 2022.
7. 7. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, 4.6 sıcaklık. https://cevreselgostergeler.csb.gov.tr/sicaklik-i-85727. Erişim tarihi Ekim 31, 2022.
8. 8. Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate change 2014: synthesis Report. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, Cenevre, İsviçre, 2014.

9. 9. Türkeş M., Küresel iklim değişiklikleri ve başlıca nedenleri ile Dünya’da ve Türkiye’de gözlenen ve öngörülen iklim değişiklikleri ve değişkenliği, Küresel İklim Değişikliği ve Etkileri, Ankara, Türkiye Çevre Vakfı, 71-115, 2016.
10. 10. International Energy Agency, Transition to Sustainable Buildings, 2013.
11. 11. Uzun C.N., The impact of urban renewal and gentrification on urban fabric: Three cases in Turkey, Tijdschrift voor economische en sociale geografie, 94 (3), 363-375, 2003.
12. 12. Keresticioğlu S., Özkan D., Hamamcıoğlu C., Yerliyurt B., Sakınç E. and Hafızoğlu T., Reducing Cooling and Heating Loads in Existing Residential Buildings in the Context of Building Envelope: Beykoz-Kanlıca. Megaron, 10 (4), 451-469, 2015.
13. 13. Koschenz M. ve Lehmann B., Development of a thermally activated ceiling panel with PCM for application in lightweight and retrofitted buildings. Energy and buildings, 36 (6), 567-578, 2004.
14. 14. Kuznik F., Virgone J. ve Johannes K. In-situ study of thermal comfort enhancement in a renovated building equipped with phase change material wallboard, Renewable Energy, 36 (5), 1458-1462, 2011.
15. 15. Biswas K., Miller W.A., Childs P.W., Kosny J. ve Kriner S., Performance evaluation of a sustainable and energy efficient re-roofing technology using field-test data. Oak Ridge National Lab. (ORNL), Oak Ridge, TN (United States). Building Technologies Research and Integration Center (BTRIC), 2011.
16. 16. Ascione F., Bianco N., De Masi R.F., de’Rossi F. ve Vanoli G.P., Energy refurbishment of existing buildings through the use of phase change materials: Energy savings and indoor comfort in the cooling season. Applied Energy, 113, 990-1007, 2014.
17. 17. Ascione F., Bianco N., De Masi R.F., de’Rossi F. ve Vanoli G.P., Energy retrofit of an educational building in the ancient center of Benevento. Feasibility study of energy savings and respect of the historical value. Energy and Buildings, 95, 172-183, 2015.
18. 18. Andrés M., Rebelo F., Corredera Á., Figueiredo A., Hernández J. L., Ferreira V. M., Bujedo L.A., Vicente R., Morentin F. ve Samaniego J., Real-scale experimental evaluation of energy and thermal regulation effects of PCM-based mortars in lightweight constructions. Applied Sciences, 12 (4), 2091, 2022.
19. 19. Baccega E. ve Bottarelli M., Granular PCM-enhanced plaster for historical buildings: experimental tests and numerical studies. Energies, 15 (3), 975, 2022.
20. 20. Imafidon O.J. ve Ting D.S.K., Energy consumption of a building with phase change material walls – the effects of phase change material properties. Journal of Energy Storage, 52, 105080, 2022.
21. 21. Imafidon O.J. ve Ting D.S.K., Retrofitting buildings with phase change materials (PCM) – the effects of PCM location and climatic condition. Building and Environment, 236, 110224, 2023.
22. 22. Li W., Jing M., Li R., Gao J., Zhu J. ve Li R., Study of the optimal placement of phase change materials in existing buildings for cooling load reduction – take the central plain of China as an example. Renewable Energy, 209, 71-84, 2023.
23. 23. Mohammed A., Tariq M.A.U.R., Ng A.W.M., Zaheer Z., Sadeq S., Mohammed M. ve Mehdizadeh-Rah H., Reducing the cooling loads of buildings using shading devices: a case study in Darwin. Sustainability, 14 (7), 3775, 2022.
24. 24. Alhuwayil W.K., Almaziad F.A. ve Mujeebu M.A., Energy performance of passive shading and thermal insulation in multistory hotel building under different outdoor climates and geographic locations. Case Studies in Thermal Engineering, 45, 102940, 2023.
25. 25. Dokhanian F., Mohajerani M., Estaji H. ve Nikravan M., Shading design optimization in a semi-arid region: considering energy consumption, greenhouse gas emissions, and cost. Journal of Cleaner Production, 139293, 2023.
26. 26. Fleischer A.S., Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications, Springer, 2015.
27. 27. Kottek M., Grieser J., Beck C., Rudolf B. ve Rubel F., World map of the Köppen-Geiger climate classification updated. Meteorologische Zeitschrift, 15 (3), 259-163, 2006.
28. 28. Meteoroloji Genel Müdürlüğü. İllere ait mevsim normalleri (1991-2020), https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?k=H. Erişim tarihi Haziran 14, 2023.
29. 29. Akgöz E., Enerji etkin bina tasarım parametreleri için uygun değerlerin belirlenmesi: İstanbul örneği, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2004.
30. 30. Berköz E., Aygün Y.Z., Kocaaslan G., Yıldız E., Ak F., Küçükdoğu M., Enarun D., Ünver R., Yener K.A., Yıldız D., Enerji etkin konut ve yerleşme tasarımı. Tübitak İnşaat Teknolojileri Araştırma Grubu, Proje No: İntag 201, Tübitak Projesi, 1995.
31. 31. Cengiz H.T., The effects of glazing area interventions and PCM application in building energy retrofits, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2021.
32. 32. Isıcam, Isıcam sistemleri. http://www.isicam.com.tr/tr/. Erişim tarihi Haziran 14, 2023.
33. 33. Pacheco-Torgal F., Granqvist C.G., Jelle, B.P., Vanoli G.P., Bianco N., ve Kurnitski J., Cost-effective energy efficient building retrofitting: Materials, technologies, optimization and case studies, Woodhead Publishing, 2017.
34. 34. Baetens R., Jelle B.P. ve Gustavsen A., Phase change materials for building applications: A state-of-the-art review. Energy and Buildings, 42 (9), 1361-1368, 2010.
35. 35. İlgar G., Terhan M., Effect of thickness and melting temperature of phase change material integrated into exterior wall on building energy performance and CO2 emission reduction, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 39 (2), 959–976, 2023.
36. 36. Pusat S., Ekmekçi İ. ve Akkoyunlu M.T., Generation of typical meteorological year for different climates of Turkey. Renewable Energy, 75, 144-151, 2015.
37. 37. Ingersoll J. ve Huang J., Heating energy use management in residential buildings by temperature control. Energy and Buildings, 8 (1), 27-35, 1985
38. 38. Turner C.S. ve Gruber K., Residential thermostat management practices: an investigation of setback behavior. Proceedings of the ACEEE: Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, Human Dimensions, 2, 2-151, 1990.
39. 39. Mozer M., Dodier R., Miller D., Anderson M., Anderson J., Bertini D., Bronder M., Colagrosso M., Cruickshank R. ve Daugherty B., The adaptive house. IEE Seminar Digests, IET. 11059, 1-39, 2005.
40. 40. Tariku F., Kumaran M. ve Fazio P., Thermostat setback effect in whole building performance. Proceedings of Building Physics Symposium, Leuven, Belgium, 1-5, 2008.
41. 41. Moon J.W. ve Han S.H., Thermostat strategies impact on energy consumption in residential buildings. Energy and Buildings, 43 (2-3), 338-346, 2011.
42. 42. Florida Solar Energy Center, Parker D.S., Determining appropriate heating and cooling thermostat set points for building energy simulations for residential buildings in North America, 2013.
43. 43. Martinaitis V., Zavadskas E.K., Motuziene V. ve Vilutiene T., Importance of occupancy information when simulating energy demand of energy efficient house: a case study. Energy and Buildings, 101, 64-75, 2015.
44. 44. Date J., Athienitis A.K. ve Fournier M., A study of temperature set point strategies for peak power reduction in residential buildings. Energy Procedia, 78, 2130-2135, 2015.
45. 45. Jacquet S., Le Bel C. ve Monfet D., In situ evaluation of thermostat setback scenarios for all-electric single-family houses in cold climate. Energy and Buildings, 154, 538-544, 2017.
46. 46. Burak Alüminyum, Mimari sistemler kataloğu, güneş kırıcı. https://www.burak.com.tr/YuklenenDosyalar/UrunDosyalari/c7a68fb2-2a3b-4a11-84c3-e4b7b4eeab43.pdf. Erişim tarihi Haziran 14, 2023.
47. 47. T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, 2023 yılı inşaat ve tesisat birim fiyatları. https://webdosya.csb.gov.tr/db/yfk/icerikler/2023-b-r-m-f-yatlari-1-20230130125553.pdf. Erişim tarihi Haziran 14, 2023.
48. 48. Kosny J., Shukla N. ve Fallahi A., Cost analysis of simple phase change material-enhanced building envelopes in southern US climates. Teknik rapor, National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO, ABD, 2013.