Assessing The Architectural Design and Implementation Potential of Local Residential Buildings with Net Zero Energy Approach: Cold Climate Region

Öz

With the COVID-19 pandemic, residences have taken on a multifaceted function, encompassing activities such as working, producing, and pursuing personal development, in addition to their sheltering function, leading to much longer periods spent indoors. This situation has also caused an increase in the amount of energy needed to maintain the continuity of residential life. Due to the ecosystem starting to suffer damage, and this damage posing a threat to human life, environment-related studies have accelerated worldwide. In this context, the "Energy Performance of Buildings Directive" (EPBD) was enacted in the European Union in 2002, and the revised directive (EPBD-Recast) in 2010, to assess and certify the energy performance of buildings and thereby increase energy efficiency. The concepts of "nearly zero-energy building" and "net zero-energy building" were introduced within the scope of the revised directive. In this context, the aim of this study is to investigate the conditions and methods of using NZEB (Net Zero Energy Building) solutions, developed by considering the parameters affecting the energy performance of residences and design variables, in housing production in Turkey for the cold climate region, towards solving these problems and to develop an optimum housing design approach towards NZEB. Sivas province, located in the cold climate region, was chosen as the study area. Within the scope of the study, design decision steps including passive design criteria, passive systems, active systems, and energy production systems specific to the cold climate region were created. A prototype residential building design was made according to the design decision steps within the developed guide. The energy efficiency improvement study of the obtained housing design was carried out and simulated through the DesignBuilder program, and the energy consumption-production analysis results were evaluated. The study demonstrates the potential of residential buildings to reach the NZEB standard, specifically in cold climate regions.

Anahtar Kelimeler

• Zero energy building
• Residence
• Cold climate region
• DesignBuilder
• Energy efficient design

Yerel Konut Binalarının Net Sıfır Enerji Yaklaşımı ile Mimari Tasarım ve Uygulama Potansiyelinin Değerlendirilmesi: Soğuk İklim Bölgesi

Öz

COVID-19 pandemisiyle birlikte konutlar, barınma işlevinin yanında çalışma, üretme, kişisel gelişim sağlama gibi faaliyetlerin de dahil olduğu, çok daha uzun zamanların geçirildiği çok yönlü bir işleve sahip olmuştur. Bu durum konut hayatının sürekliliğinin sağlanmasına dair ihtiyaç duyulan enerji miktarının artmasına da sebep olmuştur. Ekosistemin zarar görmeye başlaması ve bu zararın insan yaşamı için tehdit oluşturması sebebiyle tüm dünyada çevre ile ilgili çalışmalar hızlanmıştır. Bu bağlamda, Avrupa Birliği’nde, binaların enerji performansını değerlendirmek, sertifikalandırmak ve bu yolla enerji verimliliğini artırmak amacıyla 2002 yılında “Binalarda Enerji Performansı Direktifi” (EPBD), 2010 yılında ise revize direktif (EPBD-Recast) yürürlüğe girmiştir. Revize direktif kapsamında “yaklaşık sıfır enerjili bina” ve “net sıfır enerjili bina” kavramları ortaya konulmuştur. Bu kapsamda problemlerin çözümüne yönelik olarak konutların enerji performansını etkileyen parametreler ile tasarım değişkenleri dikkate alınarak geliştirilecek NZEB (Net Sıfır Enerjili Bina) çözümlerinin Türkiye’de soğuk iklim bölgesi için konut üretimlerinde kullanılma koşullarının ve yöntemlerinin araştırılması ve NZEB’e doğru optimum konut tasarım yaklaşımının geliştirilmesi bu çalışmanın amacını oluşturmaktadır. Çalışma alanı olarak soğuk iklim bölgesinde bulunan Sivas ili tercih edilmiştir. Çalışma kapsamında soğuk iklim bölgesi özelinde pasif tasarım kriterleri, pasif sistemler, aktif sistemler ve enerji üretim sistemlerini içeren tasarım karar adımları oluşturulmuştur. Geliştirilen kılavuz kapsamında tasarım karar adımlarına göre prototip bir konut binası tasarımı yapılmıştır. Elde edilen konut tasarımının enerji verimli iyileştirme çalışması yapılmış ve DesignBuilder programı aracılığıyla simüle edilerek enerji tüketim- üretim analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Çalışma konut yapılarının soğuk iklim bölgesi özelinde NZEB standardına ulaşabilme potansiyelini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Sıfır enerjili bina
• Konut
• Soğuk iklim bölgesi
• DesignBuilder
• Enerji etkin tasarım

Kaynakça

1. [1] Kaplan, S. (1995). The restorative benefits of nature: Toward an integrative framework. Journal of Environmental Psychology, 15(3), 169-182.
2. [2] URL- 1. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2022). Türkiye Ulusal Enerji Planı. https://enerji.gov.tr/Media/Dizin/EIGM/tr/Raporlar/TUEP/T%C3%BCrkiye_Ulusal_Enerji_Plan%C4%B1.pdf. Last Accessed: 01.09.2024
3. [3] Kısa Ovalı, P., Türkiye İklim Bölgeleri Bağlamında Ekolojik Tasarım Ölçütleri Sistematiğinin Oluşturulması “Kayaköy Yerleşmesinde Örneklenmesi”, Doktora Tezi, Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Edirne, (2009).
4. [4] URL-2. Energy Performance of Buildings Directive- EPBD (2002/91/EC). https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2002/91/oj Last Accessed: 04.10.2024
5. [5] URL-3. Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/ 2008/12/20081205-9.htm Last Accessed: 04.10.2024
6. [6] URL-4. Energy Performance of Buildings Directive- EPBD- Recast (2010/31/EU). https://eur-lex.europa.eu/eli/dir/2010/31/oj Last Accessed: 04.10.2024
7. [7] URL-5. Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı. https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018 /01/20180102M1-1-1.pdf Last Accessed: 20.07.2024
8. [8] Dörter, C. H., Konutlarda Isınma Enerjisi Korunumu Amaçlı Mimari Tasarıma Yön Verici İlkelerin ve Çözümlerin Belirlenmesinde Bir Yaklaşım Araştırması, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (1994).

9. [9] Zeren, L. Berköz, E., Küçükdogdu, M., Ok, V., Yılmaz, Z., Türkiye’de Yeni Yerleşmeler ve Binalarda Enerji Tasarrufu Amacıyla Bir Mevzuat Modeline İlişkin Çalışma, Çevre ve Şehircilik Uygulama- Araştırma Merkezi, İ.T.Ü., İstanbul, (1987)
10. [10] Orhon, İ., Küçükdoğu, M. Ş., Ok, V., Doğal İklimlendirme, Toplu Konut İşletmesi Proje Planlama Tasarım El Kitabı, TUBİTAK YAE, U.9, Ankara, 1-22. (1988)
11. [11] Hossein, O. ve Abdul, K. M., “Optimization of building energy performance through passive design strategies”, Brit. J. of App. Sc. & Tech. 13(6): 1-16, (2015)
12. [12] Demir, S., Ilıman nemli iklim bölgesi için tasarlanan konut yapısında değişken yapı kabuğu performansının değerlendirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2017)
13. [13] Bayazıt, M. O., Enerji Korunumu, İklimsel Konfor ve İnşaat Maliyetleri Açısından En Uygun Bina Kabuğunun Seçilmesi, Yayınlanmamış Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 10- 19, (1997)
14. [14] Ayçam, İ., Utkutuğ, G., “Farklı Malzemelerle Üretilen Pencere Tiplerinin Isıl Performanslarının İncelenmesi ve Enerji Etkin Pencere Seçimi”, VII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, 61-73, (2005).
15. [15] Aydın. Ö., Yapı düşey dış kabuğu ısı yalıtım uygulamaları ile enerji verimliliği arasındaki ilişkinin incelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, (2011)
16. [16] Khalfan, M., An Assessment of the Passivhaus Standard for a Hot and Arid Climate: A Case Study in Qatar, PhD Thesis, Faculty of Humanities and Social Sciences, School of the Arts University of Liverpool, UK, (2017)
17. [17] Sartori I, Napolitano A, Marszal A J, Pless S, Torcellini P and Voss K., “Criteria for definition of net zero energy buildings” Int., Conf. on Solar Heating, Cooling and Buildings, Graz, Austria, 1-8, (2010)
18. [18] Zorer, G., Dersliklerde Edilgen Sistemle Isısal Konforun Sağlanmasında Tasar Ölçütü Olarak Bir Değerlendirme Yöntemi Oluşturulması, Yayınlanmamış Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 6-34, (1995)
19. [19] Ay, İ., Khanları, A., “Güneş Duvarı Sisteminin Çalışma Prensibi ve Türkiye’deki Uygulanabilirliği”, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 3(3): 525- 533 (2015)
20. [20] Wachberger, M., Wachberger, H., Güneş ve Konut-Güneş ile İnşa Etmek, Pasif Güneş Enerjisi Kullanımı, E+P Dergisi, 1. Basım, Yaprak Yayınevi, Ankara, 12-23, 1988
21. [21] Göksal, T., Ülgen, K., “Güneş ve Mimari Bağlamında Enerji Korunumlu Cephe Kuruluşlarında Isıl Davranışların Deneysel Araştırılması”, Anadolu Üniversitesi Araştırma Projesi No: 980 207, 10-52, Eskişehir, (2000)
22. [22] Özdemir, B. B., Sürdürülebilir Çevre İçin Binaların Enerji Etkin Pasif Sistemler Olarak Tasarlanması, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2005)
23. [23] Erengezgin, Ç., Güneş Enerjisinin Mimari Uygulamaları, EUROSOLAR Türkiye 5. Güneş Enerjisi Çalıştayı, Çeşme, İzmir, (2005)
24. [24] Sayın, S., Yenilenebilir Enerjinin Ülkemiz Yapı Sektöründe Kullanımının Önemi ve Yapılarda Güneş Enerjisinden Yararlanma Olanakları, Yüksek Lisans Tezi, Konya Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya, (2006)
25. [25] Gündüz, Ö., Sürdürülebilirlik Bağlamında Alışveriş Merkezi Yapılarının Enerji Etkinliğinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, (2014)
26. [26] Çakır, M. T. ve Yelmen, B., (2011). “Yenilenebilir ve etkin enerji kullanımının yapılarda uygulanması”, 2. Ulusal Enerji Verimliliği Forumu ve Fuarı, İstanbul, (2011)
27. [27] URL-6. MGM Sivas province climate data. https://www.mgm.gov.tr/veridegerlendirme/il-ve-ilceler-istatistik.aspx?m=SIVAS Last Accessed: 20.07.2024
28. [28] URL-7. Weatherspark Sivas province climate data. https://tr.weatherspark.com/y/100260/Sivas-T%C3%BCrkiye-Ortalama-Hava-Durumu-Y%C4%B1l-Boyunca Last Accessed: 20.07.2024
29. [29] Kutlu C, Zhang Y, Elmer T, Su Y, Riffat S., “A simulation study on performance improvement of solar assisted heat pump hot water system by novel controllable crystallization of supercooled PCMs”. Renew Energy, 152(601),12, (2020)
30. [30] Ünlü, K., Hava ve Toprak Kaynaklı Isı Pompalarına Etki Eden Parametrelerin İncelenmesi, Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, (2005)
31. [31] Lakot Alemdağ, E., Beyhan, F., “A Research on Construction Systems of Double Skin Facades”. Gazi University Journal of Science, 30(1): 17- 30, (2017)
32. [32] Lakot Alemdağ E., Saydam yalıtımlı yapı dış kabuğu ısıl performansının deneysel incelenmesi, Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, (2013) [33] Özcan, U., “Yapıda HVAC Sistem Seçimi”, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 23(1): 212- 217 (2019)
33. [34] Yılmazoğlu, M.Z., “Kojenerasyon ve Trijenerasyon Sistemleri”, Türk Tesisat Mühendisleri Derneği Dergisi (133): 3- 12, (2022)
34. [35] Lakot Alemdağ, E. (2011). "Güneş Enerjili Isıtma Sistemleri: Solar Wall Örneği." Yapı Dünyası, 186, 43-47. (2011)
35. [36] Kapsalaki, M., Economic- Efficient Design of Residential Net Zero Energy Buildings with Respect to Local Context, Phd Thesis, Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia, Porto (2012)
36. [37] Pittakaras, P., Zero Energy Buildings Theoretical Investigation and Applied Analysis for the Design of Zero Energy Building in Hot Climate Countries, Phd Thesis, University Of Manchester Faculty Of Engineering And Physical Science, England, (2013)
37. [38] Ganiç Sağlam, N., Mevcut Bina İyileştirmelerinde Ulaşılabilir Yaklaşık Sıfır Enerji Hedeflerinin Belirlenmesi, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2017).
38. [39] Yıldız, Ö.F., Erzurum Havalimanı Terminal Binasının Enerji Analizi ve Net Sıfır Enerjili Bina Formuna Dönüştürülmesinin İncelenmesi, Doktora Tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum, (2017).
39. [40] Diker, B., Türkiye’deki Mevcut Konut Binalarının Enerji Verimliliği İyileştirmeleri ile nSEB’e Dönüştürülmesi: Finansal Bariyerler ve Çözüm Önerileri, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, (2024).
40. [41] Barnett, L., & Barnett, M., The Passivhaus Handbook: A Practical Guide To Constructing And Retrofitting Energy-Efficient Homes. Green Books, (2017)
41. [42] Hootman, T., Net Zero Energy Design: A Guide For Commercial Architecture, (1st Edition). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons Inc., 186, (2012)