An approach for active energy system optimization in office buildings
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, MİMARLIK ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: BARAN TANRIVERDİ
Danışman: Gülay Zorer Gedik
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Küresel iklim acil durum değerlendirmesi kapsamında, binalarda artan enerji ve karbon emisyonu talepleri nedeniyle, genel karbon emisyonunun, enerji tüketiminin ve binanın yaşam döngüsü boyunca kullanımının analiz edilmesinin önemi artmıştır. İnsan merkezli tasarımda ofis yapılarında ısıl konforun sağlanması bir zorunluluk haline geldiğinden bu içerik zamanla daha da önem kazanmıştır. Bu nedenle, bir tasarımın veya renovasyonun erken aşamalarında karbon emisyonunun ve enerji tüketiminin azaltılmasını destekleyen kararlar, bu hedeflere önemli bir katkı sağlar. CAPEX ve OPEX calismalari , malzeme maliyetlerindeki ve enerji fiyatlarındaki artış nedeniyle karar alma sürecindeki diğer iki önemli katkıdır. Literatür taraması, binalarda enerji verimliliği optimizasyonu ile ilgili araştırma sayısının son yıllarda önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Yine de bu çalışmaların büyük bir kısmı bina formu, yönlendirme ve bina kabuğu gibi pasif tasarım yaklaşımlarına odaklanmıştır. Bu çalışmalarda, binaların işlevi ve iklim koşulları dikkate alınarak bina formunun etkisi, cephe şeffaflık oranları, gölgeleme elemanları ve yalıtım değerleri optimize edilmiş ve önemli bulgular ortaya konulmuştur. Tipik olarak, bu çalışmaların temel amacı, pasif önlemler kullanarak operasyonel ve gomulu karbonu azaltmaktır. Diğer bir itici faktör, HVAC sistemlerinde bina enerji verimliliğidir. Bina kabuğu iyileştirmeleri, yeni binalarda birincil öneme sahiptir. Ancak bu iyileştirmeler mevcut binalarla sınırlıdır. Yönlendirme ve form ile ilgili iyileştirmeler mümkün olmamakla birlikte, bina kabuğunun iyileştirilmesi karmaşık ve maliyetli olabilir. Bu gibi durumlarda gerekli konforu sağlamak için kullanılan HVAC gibi aktif sistemlere odaklanmak önemlidir. Bu çalışma, Londra'daki mevcut bir ofis binası üzerindeki farklı HVAC sistemlerinin operasyonel enerjisinin, gomulu karbonunun ve ilk yatirim maliyetinin etkisine odaklanmaktadır. Bu sistemlerin işletme enerji tüketimleri ve karbon emisyonları ile gömülü enerji ve karbon analizlerinin değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Tüm yaşam döngüsündeki enerji tüketim rakamlarının yanı sıra ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin karşılaştırılması da amaçlanmaktadır. Çalışma iki aşamalı bir modelleme yaklaşımı izlemektedir. İlk aşamada, Londra'daki mevcut bir ofis binası bilgisi kullanılarak temel bir bina enerji simülasyon modeli oluşturulur. Model, binadan alınan BMS verileri ullanılarak kalibre edilir. Kalibre edilmiş ısıtma ve soğutma talebi, alternatif HVAC sistemleri ve bileşenleri, gomulu karbon ve CAPEX için kutuphane oluşturmak üzere kullanılır. Alıştırmanın karmaşıklığından dolayı, farklı HVAC çözümlerinin ve bileşenlerinin etkisi, calisma geliştirilmiş matematiksel parametrik model EBM içinde NSGA-ii optimizasyon algoritması aracılığıyla analiz edilir. Çalışma, 3 hedef fonksiyonunu minimize etmeye odaklandı: önerilen HVAC sistemleri ve bileşenlerinin operasyonel enerji tüketimi, gomul karbon ve CAPEX. Birinci asama analizi, modelleme için girdilerin doğruluğunun önemini ve ölçüm verileriyle modellemenin kalibrasyonunu kanıtlar. Sonuçlar, binanın gerçek talebini anlamak için bu adımın önemini göstermektedir. Temel ve kalibre edilmiş model arasındaki soğutma talebi farkı %30'dur. Ikinci asama sonuçları, çelişen amaç fonksiyonları birlikte değerlendirildiğinde bir HVAC tasarımının karmaşıklığını gösterir. Bu durumlarda sonuçlar, sistem ve bileşen değişkenleri nedeniyle HVAC tasarımında birden fazla optimum çözüm olduğunu göstermektedir. Uzun vadeli gelecek tahmininde karbon ve maliyet faktörlerinden dolayı ısıtmanın elektrifikasyonunun en iyi genel performansı verdiği sonucuna varılmıştır. Önerilen çözümler, işletme enerjisinde %45'e, karbonda %35'e ve ilk yatirim maliyetinde %48'e varan tasarruf sağladı. ASHP, ısıtma ve soğutma birlikte düşünüldüğünde, önerilen sistemler arasinda genel olarak en iyi performansı vermektedir. Hava tarafı için DOAS sistemi, AAHS sistemine göre ortalama olarak %9 daha az enerji kullanır ve %21 daha az CAPEX gerektirir. Tasarım sınırlaması içindeki hava besleme sıcaklıklarının etkisi, su besleme ve dönüş sıcaklıkları ile karşılaştırıldığında toplam tüketimler üzerinde daha az etkiye sahiptir. Ayrıca, HVAC sistemlerinin işletme enerji tuketimini mevcut binanın toplam enerji tüketiminin %12-16'sı aralığında yer aldığı göz önüne alındığında. Anahtar Sözcükler: HVAC sistemleri, işletme enerjisi, gömülü karbon, CAPEX, NSGA-ii çok amaçlı optimizasyon