Türkiye'deki Konut Binalarının Enerji İhtiyaçlarını, Sera Gazı Salınımlarını ve Enerji Maliyetlerini Azaltmak İçin Pencere Termo-Fiziksel Özelliklerinin Optimize Edilmesi

Öz

Bina kabuğunun iklime ve bina tipine göre seçimi, binaların enerji verimliliği için önemli bir pasif tasarım stratejisi olarak kabul edilmektedir. Bina standartlarındaki bina kabuğu termo-fiziksel özelliklerinin yeniden değerlendirilmesi, ısıl performans üzerindeki önemli etkileri nedeniyle, hem yeni hem de mevcut binaların enerji performansını iyileştirebilir ve de ülkelerin 2030 Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri'ne (SKH) ulaşmasında önemli bir ivme sağlayabilir. Bu çalışma, Türkiye'deki konut binalarının sürdürülebilirliğini artırmak amacıyla, 2030 SKH'lerinin 11., 12. ve 13. hedefleri ile uyumlu olarak, TS825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları standardında yer alan pencere referans termo-fiziksel özelliğini (U-değeri: 2.4 W/m².K) üç ayrı termo-fiziksel kategori (U-değeri, SHGC ve T-vis) temelinde yeniden değerlendirmiştir. Buna göre, TS825 standardında belirtilen referans pencere tipinin enerji performansı, standardın 2. derece gün bölgesinde bulunan İstanbul'daki bir örnek konut binası için DesignBuilder bina enerji simülasyon aracı kullanılarak test edilmiştir. Daha sonra, 2030 SKH'lerinin 11. hedefi doğrultusunda, çeşitli yeni pencere tipleri (çerçeve + cam) önerilmiş ve bunların örnek binanın yıllık enerji ihtiyacı üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. İkinci aşamada, bu pencere sistemlerinin enerji maliyetleri üzerindeki etkileri, 12. hedefe uygun olarak incelenmiştir. Son olarak, üçüncü aşamada, sera gazı emisyonları üzerindeki etkileri 13. hedef ile ilgili olarak değerlendirilmiştir. Araştırma neticesinde, yıllık enerji talebini, enerji maliyetini ve bina emisyonlarını optimize eden pencere tiplerinin W7 (U-değeri: 1.783 W/m².K, SHGC: 0.402, T-vis: 0.608), W17 (U-değeri: 1.156 W/m².K, SHGC: 0.478, T-vis: 0.591) ve W19 (U-değeri: 1.071 W/m².K, SHGC: 0.359, T-vis: 0.474) olduğu tespit edilmiştir. Bu pencereler Kripton gaz dolgulu olup, çerçeve malzemeleri PVC'dir. W7'nin cam malzemesi Low-e iken, W17 ve W19 polimerdir. W7, W17 ve W19 pencere tipleri, sırasıyla binanın toplam yıllık enerji talebinde %11.58, %18.38 ve %21.29 oranında iyileşme sağlamıştır.

Anahtar Kelimeler

• 2030 Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri
• Bina yönetmelikleri
• Enerji performansı
• Enerji maliyeti
• Sera gazı salınımı

Optimizing Window Thermophysical Properties for Reducing Energy Demands, Energy Costs, and Greenhouse Gas Emissions in Residential Buildings of Türkiye

Öz

Selecting the right building envelope based on climate and building type is considered an important passive design strategy for energy efficiency of buildings. Revision of thermo-physical properties of building envelope in the building codes given their significant effects on thermal performance can reduce the annual energy demands, energy costs, and greenhouse gas emissions of all the buildings, ensuring a significant momentum towards achieving the 2030 Sustainable Development Goals (SDGs). This study reevaluated the reference thermo-physical property of windows (U-value: 2.4 W/m2.K) in the TS825 Thermal Insulation Requirements in Buildings standard based on three separate thermo-physical categories (U-value, SHGC, and T-vis) to recommend an optimum window option to improve the sustainability of residential buildings in Turkey align with the 11th, 12th, and 13th goals of 2030 SDGs. Accordingly, the energy performance of reference window type referred in TS825 standard was tested for a sample residential building in Istanbul, located in the standard 2nd degree day region using the DesignBuilder building energy simulation tool. Afterwards, in alignment with the 11th goal of the 2030 SDGs, various new window types (frame + glass) were proposed, and their impact on the annual energy demand of a sample building was analyzed. In the second phase, the effects of these window systems on energy costs were examined in accordance with the 12th goal. Finally, in the third phase, their impact on greenhouse gas emissions was assessed in relation to the 13th goal. The research identified that the window types optimizing the annual energy demand, energy cost, and greenhouse gas emissions of the building are W7 (U-value: 1.783 W/m².K, SHGC: 0.402, T-vis: 0.608), W17 (U-value: 1.156 W/m².K, SHGC: 0.478, T-vis: 0.591) and W19 (U-value: 1.071 W/m².K, SHGC: 0.359, T-vis: 0.474). These windows are filled with Krypton gas, and the window frame materials are PVC. The glazing material of W7 is Low-e, whereas W17 and W19 are polymer. The W7, W17 and W19 window types achieved improvements of 11.58%, 18.38% and 21.29% in the building's total annual energy demand, respectively.

Anahtar Kelimeler

• 2030 Sustainable Development Goals
• Building codes
• Energy performance
• Energy cost
• Greenhouse gas emission

Kaynakça

1. Akgüç. A., (2020). EnergyPlus ve DesignBuilder Simülasyon Araçlarının İşlevi ve Kullanımına Yönelik Genel Bir Bakış. HVAC Sistem Seçimi, Türk Tesisat Mühendisleri Derneği, Teknik Yayın No:38, İstanbul, ISBN: 978-975-6263-42-6.
2. Akgüç, A., & Atik, Ş. (2022, May). A Comparison of Energy and Daylighting Performances of Different Window Glazing Types Used in the Traditional Harput House. In Proceedings of the International Conference of Contemporary Affairs in Architecture and Urbanism-ICCAUA (Vol. 5, No. 1, pp. 6274-6274).
3. Akgüç, A., & Yilmaz, A. Z. (2024). Evaluating Cost-Optimality of High-Rise Buildings by Considering Outdoor Air Rates in TS825 Standard. In Advanced Optimization Applications in Engineering (pp. 97-115). IGI Global.
4. Altun, T. D. A. (2007). Geleceğin Mimarlığı: Bilimsel-Teknolojik Değişimlerin Mimarlığa Etkileri. Dokuz Eylül University Faculty of Engineering Journal of Science and Engineering, 9(1), (77-91). Akkaşoğlu, E., Karasu, B., (2018). Organik Camlar. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 5, 2, (512-536)
5. Australian Government. (2023). Your Home: Australia’s guide to environmentally sustainable homes. https://www.yourhome.gov.au/
6. Bektaş, B., & Aksoy, U. T. (2005). Soğuk iklimlerdeki binalarda pencere sistemlerinin enerji performansı. Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi, 17(3), (499-508).
7. British Standards Institution. (2021). BS EN 12464-1:2021 – Light and lighting – Lighting of workplaces – Part 1: Indoor workplaces.
8. British Standards Institution. (2018). BS EN 17037:2018 – Daylight in buildings.

9. Cho, K., Cho, D., Koo, B., & Yun, Y. (2023). Thermal Performance Analysis of Windows, Based on Argon Gas Percentages between Window Glasses. Buildings, 13(12), 2935.
10. Cuce, E. (2018). Accurate and reliable U-value assessment of argon-filled double glazed windows: A numerical and experimental investigation. Energy and Buildings, 171, (100-106).
11. Cüce, A. P. M., Güçlü, T., Beşir, A. B., & Cuce, E. (2019). Enerji Verimli Binalar için Sürdürülebilir ve Çevre Dostu Pencere ve Cam Teknolojileri: Son Gelişmeler ve Uygulamalar. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 24(3), (503-522).
12. Delarami, A., Mohammadbeigi, A., & Gharib, M. R. (2024). The influence of the climate, the materials of the walls, and the gas effects of double and triple-glazed windows in terms of energy evaluation and economic expenses. Results in Engineering, 23, 102793.
13. Didoné, E. L., & Wagner, A. (2013). Semi-transparent PV windows: A study for office buildings in Brazil. Energy and Buildings, 67, (136-142).
14. Duran, S., & Kartal, S. (2021). Enerji Performansı Yüksek Yapı Bağlamında Pasif Evler–Almanya/Berlin Örneği. Engineering and Natural Sciences (IOCENS’21), 200.
15. Egrican, N., & Akguc, A. (2011, January). Thermal performance estimation of the office building with the building integrated photovoltaic system. In Energy Sustainability (Vol. 54686, pp. 91-101).
16. Energy Market Regulatory Authorit. (2023). https://www.epdk.gov.tr
17. European Committee for Standardization (CEN,) EN 13790 - Energy performance of buildings — Calculation of energy use for space heating and cooling (ISO 13790:2008).
18. Ghisi, E., & Tinker, J. A. (2005). An ideal window area concept for energy efficient integration of daylight and artificial light in buildings. Building and environment, 40(1), (51-61).
19. Gülaçmaz, Ö., Başdemir, H., & Gülaçmaz, E. (2022). Mevcut bir eğitim yapısında enerji verimliliğini iyileştirmeye yönelik bir analiz. Düzce University Journal of Science & Technology, 10(1), (325-341). International Energy Agency. (2021). Turkey 2021: Energy policy review. https://www.iea.org/reports/turkey-2021
20. İstanbul Gaz Dağıtım Sanayi ve Ticaret A.Ş. (2023) https://www.igdas.istanbul/serbest-tuketici-satis-2023-oncesi
21. Khataybeh, M. A. H., & Akgüç, A. (2023). Relationship Between Changes in Building Culture and the Carbon Footprint from Past to Present: A Case Study from Şanlıurfa-Turkey. In The Role of Design, Construction, and Real Estate in Advancing the Sustainable Development Goals (pp. 151-168). Cham: Springer International Publishing.
22. Kibar, A. (2017). Radyatör Arkasındaki Duvardan Isı Kaybının Yansıtıcı/Yutucu Yüzey Kullanılarak Önlenmesinin Deneysel Olarak İncelenmesi. Niğde Ömer Halisdemir Journal of Engineering Sciences, 6(2), 692-699.
23. Koyun, T., & Koç, E. (2017). Bir Binanın Değişken Cam ve Dış Duvar Tiplerine Göre Pencere/Duvar Alanı Oranlarının Bina Isı Kayıplarına Etkisi. Engineer and Machinery, 58(688), (1-14).
24. Krarti, M., Erickson, P. M., & Hillman, T. C. (2005). A simplified method to estimate energy savings of artificial lighting use from daylighting. Building and environment, 40(6), (747-754).
25. Lee, J. W., Jung, H. J., Park, J. Y., Lee, J. B., & Yoon, Y. (2013). Optimization of building window system in Asian regions by analyzing solar heat gain and daylighting elements. Renewable energy, 50, (522-531).
26. Leftheriotis, G., Yianoulis, P., (2012). 3.10 - Glazings and Coatings, In Comprehensive Renewable Energy, edited by Ali Sayigh, Elsevier Ltd.
27. Mantotherm. (2023, Dec 10). Homepage. http://www.mantotherm.com.tr
28. Oğultekin, N., & Koru, M. (2024). Çok katmanlı cam sistemlerinin ısıl performansının farklı parametrelere bağlı sayısal ve deneysel incelenmesi. Gümüşhane University Journal of Science, 14(3), (685-705).
29. Optical & Thermal Measurement (OTM) Solutions Pte Ltd. (2023). Homepage. https://www.otm.sg
30. Özbalta, T., G., Yıldız, Y., (2020). Sıcak-Nemli İklimde Çift Kabuk Cephe Enerji Performansının İncelenmesi. METU Journal of the Faculty of Architecture, 36(1), (137-156).
31. Respondek, Z. (2018). Influence of insulated glass units thickness and weight reduction on their functional properties. Open Engineering, 8(1), (455-462).
32. Sehatek Enerji Verimliliği Danışmanlık Ltd. Şti. (2023). Homepage. https://sehatek.com.tr
33. SolarAVM. (2023). 1 kW kaç TL? Güncel elektrik fiyatı. https://solaravm.com/1-kw-kac-tl-2023#elektrik_1_kw_kac_t
34. Summ, T., Ehrenwirth, M., Trinkl, C., Zörner, W., Pischow, K., Greenough, R., & Oyinlola, M. (2023). Effect of argon concentration on thermal efficiency of gas-filled insulating glass flat-plate collectors. Applied Thermal Engineering, 230, 120657.
35. Trakya Cam ve Plastik Doğrama Sanayi ve Ticaret A.Ş. (2023). Homepage. https://www.trakya-cam.com.tr
36. T.C Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. (2023). Türkiye Elektrik Üretimi ve Elektrik Tüketim Noktası Emisyon Faktörleri; https://enerji.gov.tr//Media/Dizin/EVCED/tr/%C3%87evreVe%C4%B0klim/%C4%B0klimDe%C4%9Fi%C5%9Fikli%C4%9Fi/EmisyonFaktorleri/BilgiFormu.pdf
37. Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası. (2023). Homepage. https://www.tcmb.gov.tr/kurlar/
38. Thalfeldt, M., Pikas, E., Kurnitski, J., & Voll, H. (2013). Facade design principles for nearly zero energy buildings in a cold climate. Energy and Buildings, 67, (309-321).
39. TSE (Turkish Standards Institution). (2008). Thermal Insulation Requirements for Buildings (Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı). TS 825, Ankara.
40. Umaroğulları, F., & Kartal, S. (2005). Binalarda Kullanılan Yüksek Teknoloji Ürünü Saydam Elemanların Isıl Ve Optik Özellikleri. Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 6(2), (1-8).
41. United States Department of Energy. (2023). Homepage. https://www.energy.gov
42. Ünver, Ü., Adıgüzel, E., Adıgüzel, E., Çivi, S., & Roshanaei, K. (2020). Türkiye’deki İklim Bölgelerine Göre Binalarda Isı Yalıtım Uygulamaları. İleri Mühendislik Çalışmaları ve Teknolojileri Dergisi, 1(2), (171-187).
43. Yaman, G. Ö. (2023). Bina cepheleri pencere/duvar oranı ve pencere özelliklerinin enerji performansına etkisi. Journal of the Faculty of Engineering & Architecture of Gazi University, 38(2).
44. Yaman, P., Küçükkaya, S., (2019). Bütünleşik Parabolik Toplayıcı İle Geleneksel Vakum Tüpün Yıllık Optik Performansının Karşılaştırılması’’, 8. Güneş enerjisi sistemleri sempozyumu, Mersin, Türkiye.
45. Yildiz, Y., Özbalta, T. G., & Arsan, Z. D. (2011). Farklı Cam Türleri ve Yönlere Göre Pencere/Duvar Alanı Oranının Bina Enerji Performansına Etkisi: Eğitim Binası, İzmir. Megaron, 6(1).
46. Zhang, A., Bokel, R., van den Dobbelsteen, A., Sun, Y., Huang, Q., & Zhang, Q. (2017). Optimization of thermal and daylight performance of school buildings based on a multi-objective genetic algorithm in the cold climate of China. Energy and Buildings, 139, (371-384).