Technical and financial analysis of energy efficiency measures taken for transforming existing qualified residential buildings into nZEB: The case of Istanbul

Öz

Building energy efficiency is considered one of the key components of sustainable development due to its significant impact on total energy consumption and greenhouse gas emissions. To improve the energy performance of buildings, energy efficiency upgrades are particularly necessary in the existing building stock. This study aims to evaluate the impact of various energy efficiency measures (EEMs) applicable to existing residential buildings in Istanbul, Turkey. The research examines individual measures such as building envelope improvements-including insulation on exterior walls (YLTM-D), roof (YLTM-Ç), and glazing systems (C1–C4); a radiant heating system (ISITMA-DS); a daylight sensor lighting control system (AYD-KONTROL); and a photovoltaic system. Subsequently, various combinations of all individual measures (S1–S22) are assessed, and all scenarios are compared in terms of energy efficiency, initial investment cost, annual energy cost, and global cost. When all EEMs were applied to the reference building, the maximum energy efficiency rate was calculated as 45%, while the highest cost-effectiveness rate was 1.34%. Compared to the reference building, the only cost-optimal scenario was the photovoltaic (PV) system, with a 14% energy efficiency rate and an additional cost of 390.49 TL/m². The study demonstrates that the energy performance of existing buildings can be improved through various EEMs; however, to increase cost-effectiveness, it is necessary to reduce real discount rates. In addition, the development of financial instruments to promote energy efficiency in residential buildings, along with mechanisms to distribute the financial burden among users, is considered likely to support the widespread adoption of such projects.

Anahtar Kelimeler

• Building energy performance
• energy efficient building retrofit
• energy efficiency measures (EEMs)
• residential building retrofit
• global cost analyses

Mevcut nitelikli konut binalarının nSEB’e dönüştürülmesi için alınabilecek enerji verimliliği önlemlerinin teknik ve finansal analizi: İstanbul örneği

Öz

Bina enerji verimliliği, toplam enerji tüketimi ve sera gazı emisyonları üzerindeki belirgin etkisi nedeniyle sürdürülebilir kalkınmanın temel bileşenlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Binaların enerji performansını artırmak için özellikle mevcut yapı stokunda enerji verimliliği iyileştirmeleri gereklidir. Bu çalışma, İstanbul, Türkiye’deki mevcut konut binalarına uygulanabilir çeşitli enerji verimliliği önlemlerinin etkisini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Araştırmada, dış duvar (YLTM-D), çatı (YLTM-Ç) yalıtımı ve cam sistemleri (C1–C4) gibi yapı kabuğu iyileştirmeleri; yerden ısıtma sistemi (ISITMA-DS), gün ışığı sensörlü aydınlatma kontrol sistemi (AYD-KONTROL) ve fotovoltaik sistem gibi tekil önlemler incelenmiştir. Ardından, tüm tekil önlemlerin çeşitli kombinasyonları (S1–S22) değerlendirilmiş ve tüm senaryolar enerji verimliliği, ilk yatırım maliyeti, yıllık enerji maliyeti ve küresel maliyet açısından karşılaştırılmıştır. Tüm enerji verimliliği önlemleri (EEM) referans binaya uygulandığında, en yüksek enerji verimliliği oranı %45, en yüksek maliyet etkinliği oranı ise %1,34 olarak hesaplanmıştır. Referans bina ile karşılaştırıldığında, tek maliyet-optimum senaryo %14 enerji verimliliği oranına ve 390,49 TL/m² ek maliyete sahip fotovoltaik (PV) sistem olmuştur. Çalışma, mevcut binaların enerji performansının çeşitli enerji verimliliği önlemleriyle artırılabileceğini; ancak maliyet etkinliğini artırmak için reel iskonto oranlarının düşürülmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Bunun yanında, konutlarda enerji verimliliğini teşvik eden finansal araçlar ile mali yükün kullanıcılar arasında paylaştırılmasına yönelik mekanizmaların geliştirilmesinin, bu tür projeleri yaygınlaştıracağı düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Bina enerji performansı
• enerji verimli bina iyileştirmesi
• enerji verimliliği önlemleri
• konut binası yenilemesi
• küresel maliyet analizi

Teşekkür

Bu çalışma, Begüm DİKER’in İstanbul Teknik Üniversitesi Mimarlık Anabilim Dalı Yapı Bilimleri programında Doç. Dr. Fatih YAZICIOĞLU danışmanlığında yazmış olduğu “Türkiye’deki Mevcut Konut Binalarının Enerji Verimliliği İyileştirmeleri ile nSEB’e Dönüştürülmesi: Finansal Bariyerler ve Çözüm Önerileri” başlıklı doktora tez çalışmasından üretilmiştir.

Kaynakça

1. 1. International Energy Agency -IEA. Buildings. https://www.iea.org/topics/buildings. Yayın tarihi Temmuz, 2023. Erişim tarihi Ağustos 11, 2023.
2. 2. The European Parliament and the Council of the European Union, Directive 2010/31/EU of The European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast), Official Journal of the European Union, L153/13, 2010.
3. 3. Ballarini, I., Primo, E., & Corrado, V., On the limits of the quasi-steady-state method to predict the energy performance of low-energy buildings, Thermal Science, 22 (4), 1117–1127, 2018.
4. 4. Corrado, V., Ballarini, I., Paduos, S., & Primo, E., Refurbishment of the Residential Building Stock toward the Nearly-Zero Energy Target Through the Application of the Building Typology, Energy Procedia, 101, 208–215, 2016.
5. 5. Ascione, F., Bianco, N., Iovane, T., Mastellone, M., & Mauro, G. M., Conceptualization, development and validation of EMAR: A user-friendly tool for accurate energy simulations of residential buildings via few numerical inputs, Journal of Building Engineering, 44, 102647, 2021.
6. 6. Corrado, V., Ballarini, I., Paduos, S., & Tulipano, L., A new procedure of energy audit and cost analysis for the transformation of a school into a nearly zero-energy Building, Energy Procedia, 140, 325- 338, 2017.
7. 7. Lorenzati, A., Ballarini, I., De Luca, G., & Corrado, V., Social Housing In Italy: Energy Audit And Dynamic Simulation Towards A nZEB Policy, 16th IBPSA International Conference and Exhibition, Roma- İtalya, 4990-4997, 4 Eylül, 2019.
8. 8. Mora, T. D., Pinamonti, M., Teso, L., Boscato, G., Peron, F., & Romagnoni, P., Renovation of a School Building: Energy Retrofit and Seismic Upgrade in a School Building in Motta Di Livenza, Sustainability, 10 (4), 969, 2018.

9. 9. Penna, P., Prada, A., Cappelletti, F., & Gasparella, A., Multi-objectives optimization of Energy Efficiency Measures in existing buildings, Energy and Buildings, 95, 57–69, 2015.
10. 10. Ferreira, M., Almeida, M., & Rodrigues, A., Impact of co-benefits on the assessment of energy related building renovation with a nearly-zero energy target, Energy and Buildings, 152, 587–601, 2017.
11. 11. Ferreira, M., Almeida, M., & Rodrigues, A., Cost-optimal energy efficiency levels are the first step in achieving cost effective renovation in residential buildings with a nearly-zero energy target, Energy and Buildings, 133, 724–737, 2016.
12. 12. Ferreira, M., Almeida, M., Rodrigues, A., & Silva, S. M., Comparing cost-optimal and net-zero energy targets in building retrofit, Building Research & Information, 44 (2), 188–201, 2016.
13. 13. Ferreira, M., Almeida, M., & Rodrigues, A., Cost optimality and net-zero energy in the renovation of Portuguese residential building stock-Rainha Dona Leonor neighbourhood case study, International Journal of Sustainable Building Technology and Urban Development, 5 (4), 306–317, 2014.
14. 14. De Luca, G., Ballarini, I., Lorenzati, A., & Corrado, V., Renovation of a social house into a NZEB: Use of renewable energy sources and economic implications, Renewable Energy, 159, 356-370, 2020.
15. 15. Ascione, F., Bianco, N., De Masi, R. F., Mauro, G. M., & Vanoli, G. P., Cost-Effective Refurbishment of Italian Historic Buildings, Cost-Effective Energy Efficient Building Retrofitting, Elsevier, 553-600, 2017.
16. 16. Ascione, F., De Masi, R. F., de Rossi, F., Ruggiero, S., & Vanoli, G. P., NZEB target for existing buildings: Case study of historical educational building in Mediterranean climate, Energy Procedia, 140, 194-206, 2017.
17. 17. Mauro, M., Zuzana, P., Umberto, B., Silvana, F. L., Felipe, P.-A., & Teresa, B., The energy retrofit of building façades in 22@ innovation district of Barcelona: Energy performance and cost-benefit analysis. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 609 (7), 2019.
18. 18. Ascione, F., Bianco, N., Iovane, T., Mastellone, M., & Mauro, G. M., The evolution of building energy retrofit via double-skin and responsive façades: A review, Solar Energy, 224, 703–717, 2021.
19. 19. Assimakopoulos, M.-N., De Masi, R. F., Fotopoulou, A., Papadaki, D., Ruggiero, S., Semprini, G., & Vanoli, G. P., Holistic approach for energy retrofit with volumetric add-ons toward nZEB target: Case study of a dormitory in Athens, Energy and Buildings, 207, 109630, 2020.
20. 20. Pihelo, P., Kuusk, K., & Kalamees, T., Development and Performance Assessment of Prefabricated Insulation Elements for Deep Energy Renovation of Apartment Buildings, Energies, 13 (7), 1709, 2020.
21. 21. Kuusk, K., Pihelo, P., & Kalamees, T., Renovation of apartment buildings with prefabricated modular panels, E3S Web of Conferences, 111, 03023, 2019.
22. 22. Pihelo, P., Kalamees, T., & Kuusk, K., NZEB Renovation with Prefabricated Modular Panels. Energy Procedia, 132, 1006–1011, 2017.
23. 23. De Luca, G., Ballarini, I., Paragamyan, A., Pellegrino, A., & Corrado, V., On the improvement of indoor environmental quality, energy performance and costs for a commercial nearly zero-energy Building, Science and Technology for the Built Environment, 27 (8), 1056–1074, 2021.
24. 24. De Luca, G., Ballarini, I., Paragamyan, A., Pellegrino, A., & Corrado, V., Optimized Solutions For Thermal And Visual Comfort In The Design Of A Nearly Zero-Energy Building. 16th IBPSA International Conference and Exhibition, Roma-İtalya, 5037–5044. 2- 4 Eylül, 2019.
25. 25. Ballarini, I., De Luca, G., Paragamyan, A., Pellegrino, A., & Corrado, V., Integration of Thermal and Visual Comfort in the Retrofit of Existing Buildings, 2018 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2018 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe), Palermo- İtalya, 1-6, 12- 15 Haziran, 2018.
26. 26. Ballarini, I., De Luca, G., Paragamyan, A., Pellegrino, A., & Corrado, V., Transformation of an office building into a nearly zero energy building (nzeb): Implications for thermal and visual comfort and energy performance, Energies, 12 (5), 895, 2019.
27. 27. Guerra-Santin, O., Bosch, H., Budde, P., Konstantinou, T., Boess, S., Klein, T., Silvester, S., Considering user profiles and occupants’ behaviour on a zero energy renovation strategy for multi-family housing in the Netherlands, Energy Efficiency, 11 (7), 1847–1870, 2018.
28. 28. Escandón, R., Silvester, S., Konstantinou, T., Evaluating the environmental adaptability of a nearly zero energy retrofitting strategy designed for Dutch housing stock to a Mediterranean climate, Energy and Buildings, 169, 366–378, 2018.
29. 29. Guerra-Santin, O., Boess, S., Konstantinou, T., Romero Herrera, N., Klein, T., Silvester, S., Designing for residents: Building monitoring and co-creation in social housing renovation in the Netherlands, Energy Research & Social Science, 32, 164–179, 2017.
30. 30. Asdrubali, F., Ballarini, I., Corrado, V., Evangelisti, L., Grazieschi, G., Guattari, C., Energy and environmental payback times for an NZEB retrofit, Building and Environment, 147, 461–472, 2019.
31. 31. Penna, P., Prada, A., Cappelletti, F., Gasparella, A., Multi-objective optimization for existing buildings retrofitting under government subsidization, Science and Technology for the Built Environment, 21 (6), 847–861, 2015.
32. 32. Cappelletti, F., Mora, T. D., Peron, F., Romagnoni, P., Ruggeri, P., Building Renovation: Which Kind of Guidelines could be Proposed for Policy Makers and Professional Owners? Energy Procedia, 78, 2366–2371, 2015.
33. 33. Semprini, G., Ferrante, A., Cattani, E., Fotopolulou, A., New strategies towards nearly zero energy in existing buildings: The ABRACADABRA Project, Energy Procedia, 140, 151–158, 2017.
34. 34. Ferrante, A., Ungaro, F., Semprini, G., Dragonetti, L., Agliardi, E., Fotopoulou, A., Deep renovation up to zero energy through Add-ons: The ABRACADABRA Project, 252–262, 2019.
35. 35. Ascione, F., Bianco, N., Mauro, G. M., Napolitano, D. F., Knowledge and energy retrofitting of neighborhoods and districts, A comprehensive approach coupling geographical information systems, building simulations and optimization engines, Energy Conversion and Management, 230, 113786, 2021.
36. 36. Ascione, F., Bianco, N., Mauro, G. M., Napolitano, D. F., Vanoli, G. P., Comprehensive analysis to drive the energy retrofit of a neighborhood by optimizing the solar energy exploitation – An Italian case study, Journal of Cleaner Production, 314, 127998, 2021.
37. 37. Teso, L., Dalla Mora, T., Romagnoni, P., Peron, F., European projects on district energy-renovations and Italian best practices, E3S Web of Conferences, 111, 03004, 2019.
38. 38. Rose, J., Thomsen, K. E., Domingo-Irigoyen, S., Bolliger, R., Venus, D., Konstantinou, T., Mlecnik, E., Almeida, M., Barbosa, R., Terés-Zubiaga, J., Johansson, E., Davidsson, H., Conci, M., Mora, T. D., Ferrari, S., Zagarella, F., Sanchez Ostiz, A., San Miguel-Bellod, J., Monge-Barrio, A., Hidalgo-Betanzos, J. M., Building renovation at district level – Lessons learned from international case studies, Sustainable Cities and Society, 72, 103037, 2021.
39. 39. 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanunu, T.C. Resmî Gazete, sayı: 26510, 2 Mayıs 2007.
40. 40. T.C. Resmî Gazete, Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, sayı: 27075, 5 Aralık 2008.
41. 41. T.C. Resmî Gazete, Binalarda Enerji Performansı Ulusal Hesaplama Yöntemine Dair Tebliğ, EK: Bina Enerji Performansı Hesaplama Yöntemi, Bina Enerji Performansı – Isıtma ve Soğutma için Net Enerji İhtiyacının Hesaplanması, sayı: 30227, 1 Kasım 2017.
42. 42. U. Acar, Net Sıfır Enerjili Binaların Türkiye İklim Koşullarında Uygulanabilirliğinin Araştırılması, Doktora Tezi, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Osmaniye, Türkiye, 2023.
43. 43. A. Çelik, Soğuk İklim Bölgelerinde Yaklaşık Sıfır Enerji Bina (nZEB) Konseptinin Bir Eğitim Binası İçin Çok Kriterli Karar Verme Yöntemleriyle İncelenmesi, Doktora Tezi, Erzurum Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, Türkiye, 2022.
44. 44. C. N. Arıkan, AB'nin 20/20/20 Hedeflerinin Türkiye'de Uygulanabilirliği Üzerine Bir İnceleme: Neredeyse Sıfır Enerjili Otel Binaları, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2021.
45. 45. M. Sattari, Yaklaşık Sıfır Enerjili Binaların (nSEB) Türkiye'de Uygulanabilirliği Üzerine Bir İnceleme, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, Türkiye, 2021.
46. 46. N. Ganiç Sağlam, A New Approach to Identify Achievable Nearly-Zero Energy Building Targets for Existing Building Retrofits, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2017.
47. 47. E. Kalaycıoğlu, A New Approach to Evaluate the Nearly Zero Energy Concept of EPBD Recast at District Scale, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2017.
48. 48. Türkiye İstatistik Kurumu. Yapı İzin İstatistikleri. https://biruni.tuik.gov.tr/yapiizin/giris.zul. Erişim tarihi Mart 20, 2021.
49. 49. The European Parliament and the Council of the European Union, Directive 2010/31/EU of The European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast), Official Journal of the European Union, L153/13, 2010.
50. 50. EN 13790:2007, Energy Performance of Buildings – Calculation of Energy Use for Space Heating and Cooling, European Committee for Standardization (CEN), 2007.
51. 51. Building Performance Institute Europe, Cost-Optimality. Discussing Methodology and Challenges within the Recast Energy Performance of Buildings Directive, BPIE, Brüksel-Belçika, 2010.
52. 52. Ballarini I., Corgnati S.P., Corrado V., Talà N., Building typology brochure–Italy. Italian TABULA, Ekim, 2011.
53. 53. Corgnati, S. P., Fabrizio, E., Filippi, M., Monetti, V., Reference buildings for cost optimal analysis: Method of definition and application, Applied Energy, 102, 983-993, 2013.
54. 54. T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Bina Sektörü Enerji Verimliliği Teknoloji Atlası, ÇŞB, Ankara, Türkiye, 2021.
55. 55. TÜİK, “İstatistiklerle Aile 2021,” https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Istatistiklerle-Aile-2021-45632, erişim tarihi: 15 Eylül 2023.
56. 56. Türk Standartları Enstitüsü, TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları [Thermal Insulation Requirements for Buildings]. Ankara, Aralık 2013.
57. 57. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Neredeyse Sıfır Enerjili Binalar İçin Rehber Kitap, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara, Türkiye, Kasım, 2020.
58. 58. Rea, M. S., & Illuminating Engineering Society of North America (Ed.), The IESNA lighting handbook: Reference & application (9. ed), IESNA, New York, ABD, 2000.
59. 59. Sümengen, Ö. & Yener, A. K., Konutlarda Aydınlatma Enerjisi Performansı ve Görsel Konfor Koşulları, 7. Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, İzmir- Türkiye, 184-203, 21-24 Kasım, 2015.
60. 60. T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı. Elektrik Enerjisinin Birincil Enerji ve Sera Gazı Salımı Katsayıları 2021 Yılından İtibaren Kullanılmak Üzere Güncellenmiştir. https://meslekihizmetler.csb.gov.tr/elektrik-enerjisinin-birincil-enerji-ve-sera-gazi-salimi-katsayilari-2021-yilindan-itibaren-kullanilmak-uzere-guncellenmistir-duyuru-411795. Yayın tarihi Aralık 28, 2020, Erişim tarihi Mayıs 25, 2022.
61. 61. European Commission, Financing the energy renovation of buildings with Cohesion Policy funding, Final Report, 2014.
62. 62. DesignBuilder, Help. https://designbuilder.co.uk/helpv7.0/index.htm, Erişim tarihi Eylül 15, 2023.
63. 63. EN 15459-1, Energy performance of buildings - Economic evaluation procedure for energy systems in buildings - Part 1: Calculation procedures, 2017.
64. 64. Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu. Elektrik Faturalarına Esas Tarife Tabloları, https://www.epdk.gov.tr/Detay/Icerik/3-1327/elektrik-faturalarina-esas-tarife-tablolari. Erişim tarihi Aralık 1, 2022.
65. 65. İstanbul Gaz Dağıtım Sanayi ve Ticaret Anonim Şirketi (İGDAŞ). Tarifeler. https://igdas.istanbul/tarifeler/tr-tr. Erişim tarihi Aralık 1, 2022.
66. 66. Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası. Gösterge Niteliğindeki Merkez Bankası Kurları. https://www.tcmb.gov.tr/wps/wcm/connect/TR/TCMB+TR/Main+Menu/Istatistikler/Doviz+Kurlari/Gosterge+Niteligindeki+Merkez+Bankasi+Kurlarii/ Erişim tarihi Aralık 1, 2022.
67. 67. T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı. 2022 Yılı İnşaat Birim Fiyat Analizleri. Yüksek Fen Kurulu Başkanlığı, Ankara, 2022.
68. 68. European Union, Notices From European Union Institutions, Bodies, Offices And Agencies, Official Journal of the European Union, 2012/C 115/01, 19.04.2012.
69. 69. Commission Delegated Regulation (EU) No 244/2012 of 16 January 2012 Supplementing Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings by Establishing a Comparative Methodology Framework for Calculating Cost-Optimal Levels of Minimum Energy Performance Requirements for Buildings and Building Elements, 2012.