Binalarda Enerji Verimliliği ve Sürdürülebilirlik Energy Efficiency and Sustainability in Buildings"

Transkript

1 Binalarda Enerji Verimliliği ve Sürdürülebilirlik Energy Efficiency and Sustainability in Buildings" Barış YILMAZ, Ahmet ARISOY Özet Günümüzde binalar, enerji tüketen en önemli unsurlardan biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Çalışmada örnek bir ofis binası için, paket bilgisayar programları yardımıyla saatlik temelde bina enerji simülasyonu yapılarak, binada farklı amaçlarla tüketilen enerji miktarı, enerji maliyeti ile neden olunan karbondioksit emisyonları hesaplanmıştır. Bina için yıl boyunca, ısıtma, soğutma, havalandırma, aydınlatma, ofis ekipmanları ve pişirme amaçlı enerji tüketimi dikkate alınmıştır. Saatlik enerji simülasyonu için Carrier HAP paket programından yararlanılmıştır. Referans binada tüketilen enerjinin ve üretimine neden olunan karbondioksit miktarının en aza indirilmesi amacıyla, farklı çözüm alternatifleri geliştirilerek her bir alternatif için, tüketilen enerji miktarı ile üretimine neden olunan karbondioksit miktarları karşılaştı rı I m işti r. Her alternatif için ekonomik etkenler göz önünde bulundurulmuştur. Referans binanın maliyeti baz değer kabul edilip, her alternatifin getirdiği fazla maliyet bunun üzerine eklenmiştir. Referans bina için önerilen alternatifler, binanın mimari planlanmasında uygulanabilecek iyileştirmeler, binanın mevcut HVAC sisteminin iyileştirilmesi veya değiştirilmesi, binada elektrik ve ısıtma ihtiyacını aynı anda karşılamaya yönelik kojenerasyon uygulaması ve yenilenebilir enerji teknolojisi örneği olarak fotovoltaik sistem uygulamasıdır. Önerilen alternatifler için elde edilen sonuçlar değerlendirilerek sürdürülebilirlik ile maliyet arasındaki ilişki verilmeye çalışılmıştır. Alternatifler arasından binanın mimarisine ilişkin iyileştirmeler en ekonomik olurken, binada uygulanabilecek elektrik üretimine yönelik yemlenebilir enerji teknolojileri en ekonomik olmayan çözümler olarak karşımıza çıkmıştır. Önerilen farklı yüksek verimli HVAC sistemleri ile de maliyet fazla artı rı I maksızı n karbondioksit üretimi ve enerji tüketimi azaltı labi I mekted ir. Fosil yakıt kullanan kojenerasyon uygulaması yenilenebilir enerji kaynakları gibi tam sürdürülebilir bir yaklaşım olmasa da enerji maliyetini azaltabilmektedir. Anahtar Kelimeler: Enerji verimliliği, sürdürülebilirlik, enerji simülasyonu Abstract Today, buildings appear to be one of the major contributors to energy consumption. In this study, consumption level of energy for various reasons, the cost of energy, and the carbon dioxide emissions were obtained for a model office building by making hourly computer simulations. Yearly energy consumption due to heating, cooling, ventilation, lighting, office equipments, and cooking were considered for the model. Carrier HAP software was used to simulate the energy consumption of the building. 4 a In order to minimize the consumed energy and emitted carbon dioxide by the building, alternative solutions were developed and compared on the basis of consumed energy and carbon dioxide emissions. The economical factors were also taken into account for each alternative. The cost of the reference building was taken as the base and the cost increase demanded by each alternative was added onto it. The suggested alternatives for the building are those that modifications on the current architectural plan, enhancement or replacement of the current HVAC system of the building, application of cogeneration for supplying electric and heating demands of the building, and using renewable energy technologies. Only photovoltaic electricity production is considered as the renewable system application. The correlation between sustainability and cost are presented for the suggested alternatives. While the alternatives related to the architecture of the building are cost effective, renewable energy technologies applicable to building appear to be uneconomical solutions. The suggested high efficiency HVAC systems can minimize carbon dioxide emissions and energy consumption without adding significant cost penalties. Although not a fully sustainable approach, application of fossil fuel based cogeneration can decrease the cost of energy at a respectable level. Keywords: Energy efficiency, sustainability, energy simulation HMD Temmuz Ağustos 2010

2 1. Giriş Dünyamız, artan enerji ihtiyaçlarına paralel olarak son yıllarda ciddi bir küresel ısınma tehdidiyle karşı karşıya kalmıştır. Küresel ısınma için bir an önce bir dizi önlem alınmalıdır. Fosil yakıt rezervlerinin kısıtlı olduğu düşünüldüğünde, alternatif enerjilere yönelmek önem arz etmekte ve mevcut fosil yakıt kullanımının derhal terk edilmesi gerekmektedir. Çevremizin ve doğal kaynaklarımızın sürdürülebilirliği gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Sürdürülebilirlik kelimesi her anlamda nsan hayatına girer olmuştur. Uluslarası Enerji Ajansı'na göre araştırmalar göstermektedir ki binalar, enerji tüketen en önemli unsurlardan biri olarak, dünyada toplamda kullanılan elektriğin yarısını, doğalgazın ise üçte birini tüketirken, ayrıca, toplamda atmosfere salınan sera gazlarının da üçte birinden sorumludurlar.[1] Binalar büyük oranda enerji tüketimi ve sera gazları emisyonlarına neden olduklarından, son zamanlarda salınan sera gazları emisyonlarını düşürme amaçlı çalışmalar yapılmaktadır. Ancak bu tip çalışmalarda maliyet göz ardı edilmemelidir. Maliyetin göz ardı edilmesi halinde önlemlerin kabul görmesi ve yapılacak uygulamaların başarılı olması şansı zayıftır. ABD tüketicileri üzerinde yapılan bir araştırmaya göre, sürdürülebilir ürünler aldıklarında veya sürdürülebilir pratikle uğraştıklarında, ekonomi, tüketicinin çevresel kaygıların üzerinde yer almaktadır ve birinci önceliğini oluşturmaktadır. Bu araştırmada insanlara enerji tüketimini azaltmalarındaki en önemli neden sorulduğunda araştırmaya katılanların %73'ü "faturamı düşürmek/maliyetleri kontrol etmek" şıkkını seçmişlerdir. Sadece %26'sı "çevreye yaptığım olumsuz etkiyi azaltmak" şıkkını seçmişlerd i r[2]. Bir bina için geçerli mevcut fiziksel, iklimsel, sosyal ve ekonomik koşullar çerçevesinde alternatif çözümler değerlendirildiğinde; önerilen uygulamalara karşılık binanın ürettiği COz miktarı belirlenebilir. CO2 azalmasına karşılık maliyet bir eğri olarak işaretlendiğinde, eğri eğer bir minimumdan geçiyorsa bu en uygun bir çözümün varlığını gösterir. CO2 üretimi azalması ancak sürekli artan maliyetler karşılığında gerçekleşebiliyorsa, bu durumda en uygun çözümün belirlenmesi farklı olacaktır. ilk yatırım maliyetleri yanında enerji maliyetlerinin de değerlendirilmesi gerekmektedir. Sadece ilk yatırım maliyetini dikkate almak, tam bir değerlendirme için uygun değildir. Yıllık enerji maliyetlerindeki avantajları da değerlendirmeye katmak gerekir. Bu nedenle 10 yıllık veya ömür boyu maliyetleri dikkate almak daha gerçekçi bir yaklaşım olacaktır. Enerji maliyetlerinden yapılan tasarruflarla yatırım maliyetleri kısa sürede karşılanabiliyorsa, çeşitli teşviklerle ilk yatırım maliyetlerinin kredilendirilmesi mümkün olabilir. Enerji tüketimini azaltmak üzere sürdürülebilir bina kavramına yaklaşırken temel olarak üç olanak bulunmaktadır [3]: 1. Bina tasarımına ve yapısına bağlı mimari pasif uygulamalar 2. Daha verimli HVAC sistemlerinin kullanımı (enerji geri kazanımı, kojenerasyon veya trijenerasyon da buna dâhildir) 3. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı. Bu çalışmada örnek bir ofis için, yıl boyunca saatlik temelde bina enerji kullanım simülasyonu yardımıyla, binalarda önerilen çeşitli enerji verimliliği ve sürdürülebilirlik kalitesini artırmaya yönelik çözümlerin, maliyetleri de dikkate alarak değerlendirilmesi yapılmıştır. Bu değerlendirmelerde binada yıl boyunca tüketilen tüm enerji çeşitleri dikkate alınmıştır. Bu sonuçlara dayanılarak optimum çözüm önerileri tartışılmıştır. 2. Referans Bina ve Farklı Sürdürülebilir Alternatif Önerileri 2.1 Referans Bina Referans bina olarak İstanbul'da ofis olarak kullanılan 12 katlı ve m2 kapalı kullanım alanına sahip bir ofis binası ele alınmıştır. Binaya ait genel özellikler Tablo 1 'de verilmiştir. Referans bina dış duvarları ya I ıt ı m s ız delikli tuğladır (UD =1,572 W/m2K), pencerelerin UP değeri 2,9 W/m2K ve gölgeleme katsayıları (SC) 0,8 olarak alınmıştır. Referans binanın HVAC sistemi dört borulu fan-coil sistemidir ve klima santrallerinde ısı geri kazanımı yoktur. Borulama sisteminde birincil devreler sabit devirli, ikincil devreler ise değişken devirli pompalar ile çalışmaktadır. Bu binanın maliyeti referans değeridir. Bu referans değer sıfır kabul edilerek, farklı alternatiflerin maliyeti bunun üzerinden hesap edilmiştir. Yapının brüt hacmi Tablo 1. Bina genel özellikleri m3 Yapı net kullanım alanı m2 i ki i m lend i ri len yapı alanı m2 Pencerelerin toplam yüzey alanı Toplam dış duvar alanı 7245 m m2 Cam-dış yüzey oranı 0.65 Yapının dışarı açık çatı alanı Yapının toprağa oturan döşeme alanı m m2 HMD Temmuz Ağustos 2010

3 2.2 Tasarım Kriterleri Simülasyon hesaplarına dahil edilen kısımlar, HVAC ihtiyacından gelen yükler, aydınlatma ile ofis ekipmanlarından gelen yükler ile pişirme ve ekstra kullanıma ait yüklerden oluşmaktadır. Sıcak su kullanımı amacıyla enerji tüketimi hesaplarda dikkate alınmamıştır. Isıtma ve soğutma yükleri hesabı, ASHRAE Fundamentals, Transfer Function Method [4] 'a göre, havalandırma hesabı ise ASHRAE [5] 'e göre yapılmaktadır. Aydınlatma, ofis ekipman yükleri, m2 başına Tablo 2'de yapılan kabuller doğrultusunda, belirlenen tasarım takvimine göre yapılmaktadır. ASHRAE [5] ve Standardı'na [6] göre tasarım yapılan binada havalandırma şartları Tablo 2 'de verilmiştir. Mahal Tanımı Min. Taze Hava İhtiyacı Tablo 2. Mahal Tasarım Koşulları Kişi Yoğunluğu (kişi/100 m2) Isıtma Sıcaklığı ( C) Soğutma Sıcaklığı ( C) Aydınlatma W/m2 İç Kazançlar Ekipman W/m2 Ofis Alanları 10 l/s. kişi 12, Ortak Sirkülasyon Alanları ve Giriş Lobileri 8 l/s. kişi CO2 Üretimi Yanma sonucu oluşan CO2 miktarları yakıt cinsine göre değişir. Yakıttaki karbon oranı arttıkça birim yakıttan oluşan CO2 oranı artmaktadır. Literatürde çeşitli enerji kaynaklarının tüketimiyle üretilen CO2 miktarları dönüşümü hakkında bilgiler verilmektedir. Hesaplamalarda, CO2 dönüşüm katsayıları şebeke elektriği için 0,354 kg/kwh, doğalgaz için ise 0,202 kg/kwh olarak dikkate alınmıştır. [7] değiştirilmesi alternatifleridir. ikinci grupta yer alan alternatifler, binanın mevcut HVAC sisteminin değiştirilmesi veya iyileştirilmesine yönelik alternatifler olarak karşımıza çıkmaktadır. Üçüncü grupta ise binada ısı ve elektrik enerjisi ihtiyacını aynı anda karşı layabi len kojenerasyon uygulaması ile binadaki elektrik enerjisi ihtiyacının bir kısmını karşı layabi len fotovoltaik sistem uygulaması yer almaktadır. 2.3 Alternatif Çözümler Öncelikle ele alınacak alternatifler, binanın mimari özelliklerine ilişkin alternatiflerdir. Bunlar binaya 5 ve 10 cm kalınlığında dıştan izolasyon yapılması, binanın cephesinde kullanılan cam cephelerin özelliklerinin iyileştirilmesi ve binanın mevcut oryantasyonunun Tablo 3. Alternatif Çözüm Önerileri Binada enerji ihtiyacı nedeniyle oluşan CO2 üretimini azaltmak için düşünülen alternatif çözümler aşağıda sıralanmıştır. Bu alternatif çözümler tek başına uygulanacaktır. Sonuç olarak ele alınacak 11 alternatif durum Tablo 3'te toplu olarak verilmiştir. 44 Alternatif - 0 Alternatif - 1 Alternatif - 2 Alternatif - 3 Alternatif -4 Alternatif - 5 a/b/c Alternatif - 6 Alternatif - 7 Alternatif - 8 Alternatif - 9 Alternatif- 10 a/b Alternatif - 11 Referans bina Binaya dıştan 5cm kalınlıkta izolasyon uygulanması Binaya dıştan 10cm kalınlıkta izolasyon uygulanması Bina cam cephesinin daha iyi özelliklere sahip bir cam cephe ile değiştirilmesi Bina cam cephesinin Alternatif-3'te kullanılan cam cepheden daha iyi özelliklere sahip bir cam cephe ile değiştirilmesi Binanın bulunduğu yönden 90,180 ve 270 derece döndürülerek inşa edilmesi Binada kullanılan klima santrallerinde ısı geri kazanım ünitelerinin kullanılması Binada kullanılan pompalarda değişken devi r teknolojisinin kullanılması Bina HVAC sisteminin Su Kaynaklı Isı Pompası sistemi ile değiştirilmesi Bina HVAC sisteminin Değişken Hava Debili sistem ile değiştirilmesi Binaya fotovoltaik panelleryerleştirilerek, elektrik ihtiyacının bir bölümünün fotovoltaik paneller ile karşılanması (Kullanım dışı zamanlarda üretilen ihtiyaç fazlası elektriğin şebekeye satılması) Binada paket kojenerasyon ünitelerinin kullanılması. Bu durumda kışın ısıtma ihtiyacı ve elektrik enerjisi tüketimi buradan karşılanacaktır. Kış dönemindeki elektrik enerjisi tüketimi esas alınacak ve elektrik enerjisi için ideal bir durum kabul edilecektir

4 3. Alternatif Sistem Hesapları 3.1 Referans Bina Hesabı Referans binada iki tip enerji tüketilmektedir. Bunlardan birincisi elektrik diğeri ise yakıt enerjisidir. Yakıt olarak doğalgaz kullanılmaktadır. Amaca göre enerji tüketimi ise HVAC kaynaklı ve HVACdışı olarak ikiye ayrılmaktadır. Hesaplanan bina enerji tüketim değerleri detaylı olarak Tablo 4'te verilmiştir. Ay Tablo 4. Referans Bina Yıllık Enerji Tüketim Değerleri HVAC Dışı Enerji Tüketimi Elektrik (kwh) Doğalgaz (kwh) HVAC Kaynaklı Enerji Tüketimi Elektrik (kwh) Doğalgaz (kwh) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Toplam (kwh/yıl) Toplam (kwh/m2/yıl) 66,27 1,89 45,22 48,68 Soğutma elektrik vasıtası ile yapıldığından yaz döneminde tüketilen elektrik enerjisi, kış döneminde tüketilenden oldukça fazladır. Buna karşın kışın ısıtma doğalgaz yakılarak yapıldığından kışın da doğalgaz tüketimi daha fazla olmaktadır. HVAC kaynaklı olmayan enerji tüketimleri mevsimlere göre değişmemektedir. Bileşen bazında yıllık enerji maliyetlerine Tablo 5'te yer verilmiştir. Tablo 5. Referans Bina Bileşen Bazında Yıllık Enerji Tüketim Değerleri Bileşen Maliyet(TL) Havalandırma fanları Soğutma Isıtma Pompalar HVAC Ara-Toplam Aydınlatma Elektrikli Ekipmanlar Muhtelif Elektrik Muhtelif Doğalgaz HVAC-Dışı Ara-Toplam Genel Toplam

5 Burada dikkati çeken durum söz konusu bina için HVAC dışı olan enerji maliyetlerinin HVAC kaynaklı enerji maliyetlerinden daha fazla olmasıdır. Referans bina Tablo 6. Referans Bina CO2 Emisyon Değerleri 1 karbondioksit üretimi değerleri Tablo 6 d a gösterilmektedir. Karbondioksit Karbondioksit Toplamdaki Oran Bileşen Emisyonu (kg/yıl) Emisyonu (kg/m2/yıl) (%) HVAC Elektrik ,96 32,21 HVAC Doğalgaz ,81 19,80 HVAC Ara-Toplam ,77 52,01 HVAC Dışı Elektrik ,40 47,22 HVAC Dışı Doğalgaz ,38 0,77 HVAC-Dışı Ara-Toplam ,78 47,99 Genel Toplam , Yıllık bina karbondioksit üretimi büyük oranda HVAC dışı kaynaklardan olan elektrik tüketiminden kaynaklanmaktadır. HVAC ve HVAC dışı amaçlar ile üretilen karbondioksit oranları ise neredeyse birbirine yakındır. Referans bina için hesaplanan enerji tüketim değerleri ile karbondioksit emisyonları, CIBSE tarafından ofis binalarnda enerji tüketim kıyaslaması amacı ile yayınlanan Energy Consumption Guide : Energy Use In Offices [7] rehberindeki değerler ile kıyaslanarak, rehberin sınırlandırdığı değerler arasında kaldığı görülmüştür. Doğal Havalandırma Standart Ofis Mekanik Havalandırma Standart Ofis Mekanik Havalandırma Prestijli Ofis Enerji Kullanımı (kwh/m2) Enerji Maliyeti (TLVm2) CO2 Emisyonu (kg C02/m2) Mimari Alternatifler Referans bina için önerilen mimaride uygulanabilecek farklı alternatifler, yalıtım, kullanılan cephe camları ve binanın oryantasyonu şeklinde üç grupta toplanmıştır. Mimari alternatif maliyetleri hesaplarında Bayındırlık Bakanlığı tarafından yayınlanan inşaat ve tesisat birim fiyat tariflerinden [9] yararlanılmıştır. Tablo 7. izolasyon Alternatifleri Kıyaslaması Yalıtım Alternatifleri Bina dış duvarlarına yapılan izolasyon kalınlıkları değiştirilerek enerji simülasyonu yapılmıştır. Kullanılan farklı yalıtım kalınlıkları 5 cm ve 10 cm kalınlığında polistren köpük levhalarıdır. Referans bina ve farklı izolasyon alternatifleri için hesaplanan değerler Tablo 7'de verilmektedir. Baz Bina Alt. - 1 Alt Isıtma ihtiyacı kwh/yı Soğutma ihtiyacı kwh/yı HVAC Kaynaklı Enerji Tüketimi HVAC Dışı Enerji Tüketimi CO2 Emisyonu Yatırım Maliyeti Enerji Maliyeti Elektrik kwh/yı Doğalgaz kwh/yı Elektrik kwh/yı Doğalgaz kwh/yı HVAC (ton/yıl) HVAC Dışı (ton/yıl) Toplam (ton/yıl) TL TLVyıl Geri Ödeme Süresi yıl 1,7 1,9

6 izolasyon kalınlığının artmasıyla, HVAC kaynaklı enerji tüketimi ile CO2 üretiminde düşüşler meydana gelmektedir, izolasyon kalınlığının artırılması yıllık bazda soğutma ihtiyacının artmasına ancak pik ısıtma ve soğutma yüklerinin azalmasına neden olmaktadır Cam Cephe Alternatifleri Referans bina için üç farklı cam alternatifi kullanılarak Tablo 8. Cam Alternatifleri Kıyaslaması enerji simülasyonu yapılmıştır. Bunlardan ilki, referans bina üzerinde yer alan cam tipi, diğer ikisi ise özellikleri daha iyi olan cam tipleridir.cam alternatifleri için Isıcam firması kataloglarından [8] yararlanılmıştır. Farklı cam alternatifleri için hesaplanan değerler Tablo 8'de yer almaktadır. Alt. - 0 Alt. - 3 Alt. - 4 Isıtma ihtiyacı kwh/yı Soğutma ihtiyacı kwh/yı HVAC Kaynaklı Enerji Tüketimi Elektrik kw h/y ı Doğalgaz kwh/yı HVAC Dışı Elektrik kwh/yı Enerji Tüketimi Doğalgaz kwh/yı HVAC (ton/yıl) CO2 Emisyonu HVAC Dışı (ton/yıl) Toplam (ton/yıl) TL Yatırım Maliyeti TLVyıl Enerji Maliyeti yıl 7,1 4,5 Basit Geri Ödeme Süres Cam özelliklerinin iyileştirilmesi ile elektrik enerjisi tüketim değerlerinde azalma söz konusudur. Ancak ısıtma göz önüne alındığında, alternatif 4'ün doğalgaz tüketimi alternatif 3'ten daha fazla olmaktadır. Bu farklılık ASHRAE Transfer Function hesap metodunda belirtilen kışın gerçekleşen ısı kazancı hesaplarından kaynaklanmaktadır. Cam alternatiflerinin iyileştirilmesi ile HVAC kaynaklı Tablo 9. Oryantasyon Alternatifleri Kıyaslaması emisyonlarda %17, toplam emisyonda ise %9 oranında tasarruf sağlanabilmektedir Oryantasyon Alternatifleri Referans binanın farklı konumlarda yönlenerek inşa edilmesi durumları için enerji analizleri yapılmıştır. Binanın farklı durumlarda inşa edilmesinin aydınlatma ve iç kaynaklarlar gibi etkenleri değiştirmediği varsayılmıştır. Bileşen Referans Bina Alt. - 5a Alt. -5b Alt. - 5c HVAC Bileşenleri Elektrik (kwh) Doğalgaz (kwh) HVAC Dışı Bileşenler Elektrik (kwh) Doğalgaz (kwh) Toplam Elektrik (kwh) Doğalgaz (kwh) CO2 Emisyonu (ton/yıl) HVAC HVAC Dışı Toplam

7 En uç değerler arasındaki fark bina toplam karbondioksit emisyonlarında %2,5, HVAC kaynaklı karbondioksit emisyonlarında ise %5,5 seviyesindedir. Projelendirme esnasında en uygun bina yönünün araştırılması ve binanın buna göre inşa edilmesi gerekmektedir. 3.4 HVAC Sistemi Alternatifleri Referans binada kullanılan PIVAC sistemi Fan-coil sistemidir. Bu sisteme alternatif olarak su kaynaklı ısı pompası (WSHP) ile değişken hava debili (VAV) sistem önerilmiştir. Simülasyon ve analizler sonucu elde edilen değerlertablo 10' da verilmiştir.. PIVAC sistemi ile ilgili olan maliyet ve hesaplamalarda ilgili üretici ya da satıcı firma kataloglarından [10-12] yararlanılmıştır. Tablo 10. HVAC Sistem Alternatifleri Sonuçları Baz Bina Alt. - 1 Alt. - 2 Isıtma ihtiyacı kwh Soğutma ihtiyacı kwh HVAC Kaynaklı Enerji Tüketimi HVAC Dışı Enerji Tüketimi COz Emisyonu Yatırım Maliyeti Enerji Maliyeti Elektrik kwh/yıl Doğalgaz kwh/yıl Elektrik kwh/yıl Doğalgaz kwh/yil HVAC ton/yıl HVAC Dışı ton/yıl Toplam ton/yıl TL TİVyıl Basit Geri Ödeme Süresi yıl 7,8 8 Önerilen HVAC sistemleri ile, HVAC kaynaklı doğalgaz tüketimlerinde sırasıyla %23 ve %46 oranlarında tasarruf sağlanabilmiştir. Buna karşılık olarak elektrik tüketimlerinde ise %1 civarında artış söz konusudur. WSHP Sistemi ile bina toplam CO2 üretiminde %4, VAV sistemi ile %9 civarında birtasarruf elde edilebilmektedir. Referans binada kullanılan HVAC sistemi olan Fan-coil sistemi için klima santrallerinde ısı geri kazanma ve pompalarda değişken devir teknolojisinin kullanımı alternatifleri önerilmiştir. Simülasyon ve analizler sonucu elde edilen değerler Tablo 1 1'de verilmektedir. Tablo 11. Isı geri kazanımı ve değişken devir teknolojisi alternatifleri enerji tüketimleri Baz Bina Alt. -6 (HR) Alt. - 7 (VSD) Kazan Kapasites kw Chiller Kapasitesi kw HVAC Kaynaklı Enerji Tüketim Elektrik kwh/yıl Doğalgaz kwh/yıl HVAC Dışı Enerji Tüketimi Elektrik kwh/yıl Doğalgaz kwh/yıl CO2 Emisyonu HVAC ton/yıl HVAC Dışı ton/yıl Toplam ton/yıl Yatırım Maliyeti TL Enerji Maliyeti TİVyıl Basit Geri Ödeme Süres yıl 2,1 1,8

8 Klima santrallerinde ısı geri kazanımı ile pik yüklerde büyük oranlarda azalma meydana gelmektedir, aynı zamanda ısıtma kaynaklı doğalgaz tüketiminde de %47 oranında bir tasarruf sağlanabilmektedir. Pompalarda değişken devir teknolojisinin kullanımı pik yüklerde değişim meydana getirmemiş ancak, pompalar için harcanan elektrik enerjisinde tasarruf sağlayabilmiştir. 3.5 Fotovoltaik Sistem Alternatifi Referans bina için elektrik tüketim profiline göre pik elektrik ihtiyacı soğutma sezonunda 1500kW olarak gerçekleşmektedir. Kullanılacak olan fotovoltaik sistem baz elektrik tüketim değerini karşılayacak şekilde seçilmelidir. Baz elektrik tüketimi 750 kw olarak hesaplanmıştır. Fotovoltaik tertibat için sınırlayıcı özellik panel alanlarıdır. Referans bina için öngörülen panel alanı çatı seviyesinde 2000m2, bahçe seviyesinde 2000m2 ve güney cephesinde 1 000m2'd i r. Panellerin güney cephesinde cephenin bir bölümünü kaplayarak dikey şekilde ve çatı ve bahçelerde ise optimum açıda yerleştirildiği varsayılarak hesap yapılmıştır. Tablo 12. Fotovoltaik Sistem Karakteristikleri Fotovoltaik Sistem Maliyeti 6400 TL7kW Pik Elektrik Gücü 1000 kw Toplam Kurulum Maliyet TL Sistem Verimi 15% Sistem Ömrü 30 yıl Malzeme Poli-Kristalin Toplam Panel Alanı 5000 m2 Fotovoltaik tertibata ilişkin, aylara göre üretilebilen, ihtiyaç olan ve şebekeden alınan ve şebekeye satılabilen elektrik enerjisi değerleri Tablo 1 3'te verilmiştir. Yaz aylarında, yeryüzüne gelen güneş ışınımı arttığından, fotovoltaik sistem ile üretilebilen elektrik enerjisi kış aylarına oranla oldukça fazladır. Buna karşılık yaz aylarındaki soğutma ihtiyacına paralel olarak artan bir elektrik tüketimi mevcuttur. Maliyet hesapları yapılırken ihtiyaç olmadığı zamanlarda üretilebilen elektrik enerjisi şebekeye satılabilir veya satılamaz olarak iki farklı alternatif olarak düşünülmüştür. Şebekeye elektrik satımı, alımdan daha ucuz olduğu gibi, satmak için gerekli tertibatın da bir maliyeti söz konusudur. Ay Tablo 13. Fotovoltaik sistem ile aylara göre elektrik enerjisi üretim Üretilebilen Elektrik Enerjisi kwh İhtiyaç Olan Elektrik Enerjisi kwh Şebekeden Alınan Elektrik Enerjisi kwh Şebekeye Satılabilen Elektrik Enerjisi kwh Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Toplam HMD Temmuz Ağustos 2010

9 Üretilebilen elektrik enerjisi ihtiyaç olmadığı durumlarda kullanılamamaktadır. Bu sebepten ötürü kullanılamayan elektrik enerjisinin şebekeye satıldığı ikinci bir alternatif önerilmiştir. Ayrıca üretilebilen elektriğin ihtiyaçtan fazla olması durumunda da ihtiyaç fazlası şebekeye satılabilir. Öte yandan ihtiyaç olan elektrik enerjisi özellikle yaz aylarında üretilebilen elektrik enerjisinden oldukça fazladır. Elektrik enerjisi fotovoltaik sistem ile üretildiğinde atmosfere karbondioksit emisyonu olmamaktadır. Üretilen elektrik enerjisi baz sistem ile kıyaslandığında karbondioksit emisyonundan tasarruf edilmektedir. Tablo 1 4'te fotovoltaik sistem karbondioksit emisyonuna ilişkin bilgileryer almaktadır. Tablo 14. Fotovoltaik sistem ile bina karbondioksit emisyonları CO2 Emisyonuna Sebep Olan Enerji Baz Bina Tüketilen Doğalgaz Şebekeden Alınan Elektrik Enerjisi Toplam (Alternatif - 10a) Şebekeye Satılan Elektrik Enerjisi Toplam (Alternatif - 10b) (*) Referans Bina (Alternatif - 0) (*) : Şebekeye elektrik enerjisi satımı gerçekleşiyor ise Miktar ton/yıl Baz bina CO2 üretiminde, doğalgaz tüketimi ve şebekeden alınan elektrik enerjisi rol oynamaktadır. Fotovoltaik sistem kullanımının bina CO2 üretimini %39 oranında azalttığı sonucuna ulaşılmıştır, ancak ihtiyaç olmadığı zamanlarda şebekeye elektrik enerjisi satımı gerçekleştirilebilirse ve şebekeye satılan elektriğin toplam bina karbondioksit emisyonundan çıkarıldığı varsayımı yapılırsa bu oran %58'lere kadar çıkmaktadır. Görüldüğü gibi yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi CO2 emisyonlarını en etkin olarak azaltan önlemlerdir. 3.6 Kojenerasyon Sistemi Alternatifi Bina baz elektrik ihtiyacı 750 kw 'tır. Yaz aylarında soğutma sezonuna geçildiği için, su soğutma grupları elektrik tüketimini pik olarak 1200 kw'a kadar artırmaktadır. Baz bina için 750 kvv'lık baz elektrik tüketimi olduğundan bu yükü karşılayacak şekilde 2 adet 400 kvv'lık paket kojenerasyon üniteleri seçilmiştir[13j. Seçilen üniteye ait karakteristik özel I i kler Tablo 15'te verilmiştir. Üniteler binaya ait bütün ısıtma ihtiyacının büyük çoğunluğunu karşılamaktadır. Tablo 15. Önerilen paket kojenerasyon ünitesi özellikleri E Özellik Miktar Elektrik Gücü 402 kw Isıtma Gücü 563 kw Doğalgaz Tüketim 1073 kw Elektriksel Verim 37,5 % Isıtma Verimi 52,5 % Toplam Verim 90% Güç-lsı Oranı 0,71 Bakım Süres saat Yatırım Maliyeti $/kw Toplam Yatırım Mal TL Carrier HAP ile yapılan simülasyon sonucu elde edilen 8760 saatlik enerji tüketim değerleri, Excel'de oluşturulan bir hesap sayfasına entegre edildikten sonra, hesap edilen elektrik ve yakıt enerjisi tüketim değerleri Tablo 16'da verilmektedir.

10 Ay Tablo 16. Paket kojenerasyon ünitesi ile enerji üretim ve tüketim değerleri İhtiyaç Olan Elektrik Enerjisi kwh Üretilen Elektrik Enerjisi kwh Şebekeden Alınan Elektrik Enerjisi kwh Kojenerasyon Doğalgaz Tüketimi kwh Kazan Doğalgaz Tüketimi kwh Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Toplam Bina tarafından tüketilen doğalgaz ile elektrik enerjisine karşılık gelen karbondioksit emisyonları Tablo 17'de verilmektedir. Tablo 17. Paket kojenerasyon ile bina karbondioksit üretim CO2 Emisyonuna Sebep Olan Enerji Kojenerasyon Tarafından Tüketilen Doğalgaz Ekstra Isıtma Amacıyla Tüketilen Doğalgaz Şebekeden Alınan Elektrik Enerjisi Toplam, Alternatif - 11 Referans Bina, Alternatif - 0 Bir yıllık süre zarfında paket kojenerasyon ünitesi kullanımı ele alınan baz bina için karbondioksit emisyonu değerlerinde %12'lik azal maya sebep olmuştur. Absorbsiyonlu soğutma grubu kullanılarak yazın kullanılmayan artık ısı vasıtasıyla bina için soğutma enerjisi karşılanabilmesi, hem kojenerasyon ünitesinden faydalanma oranını artıracak, hem de sistem geri ödeme süresini azaltacaktır. Alternatif İlk Yatırım Maliyeti (TL) Tablo 18. Alternatif önerileri özet tablo Yıllık Enerji Maliyeti (TL/yıl) Miktar ton/yıl Değerlendirme Referans bina ve önerilen alternatifler için önceki bölümlerde detaylı olarak verilen maliyet ve neden olunan karbondioksit emisyonları Tablo 18'de özet olarak verilmiştir. Yıllık C02 Emisyonu (ton C02/yıl) Baz Basit Geri Ödeme Süresi (yıl) Geri Ödeme Süresi (yıl) Yalıtım ,7 2,6 Yalıtım ,9 3 Cam ,1 6,5 Cam ,5 4,6

11 Ory Ory Ory HR ,1 2,8 VSD ,7 2,5 WSHP ,8 7,5 VAV FV FV Kojenerasyon ,5 7,5 En düşük yıllık enerji maliyetine ve yıllık CO2 üretimine sahip olan alternatif, şebekeye elektrik satabilen fotovoltaik sistemidir. Bu, elektrik üretmek için kullanılan enerjinin tamamen sürdürülebilir olmasından kaynaklanmaktadır. Şebekeye elektrik satışı yapmayan fotovoltaik sistemin geri ödeme sürelerinde en uzun sistem olarak yer alması, günümüzde sürdürülebilir enerji kullanan bu tip sistemlerin oldukça pahalı olmasından kaynaklanmaktadır. Aşağıdaki şekilde, Referans ilk yatırım maliyetine karşılık gelen yıllık enerji maliyetleri grafik verilmektedir. 'E Yalının Mallyflll Yp*ft - En* ı Malıydı fftffcdj bakılacak olursa, bina dış duvar alanının cam alanına oranının düşük seviyede olmasından dolayı cam alternatiflerinin ilk yatırım maliyetleri yüksektir. Bu sebepten mimari cam alternatifleri ikinci grupta yer almıştır. Üçüncü grupta yer alan alternatifler günümüz koşullarında ekonomik değillerdir. Yenilenebilir enerj kaynaklarının kullanılması alternatifleri günümüzde oldukça pahalıdır. Elektrik ve ısı enerjisinin birlikte üretildiği kojenerasyon sistemleri ise yenilenebilir enerji sistemlerine göre nispeten daha ucuz sistemlerdir. Şekil 2'de alternatiflerin ilk yatırım maliyetlerine karşılık gelen yıllık CO2 emisyonları üretim miktarları grafik olarak verilmiştir. * e*ÿ vanm UalYfll' v*hw. UMm Dnknl 1 İ t- * r:: *r,ı f " i- * *!" î~ *. HmmS**faıMı iy(* TLÎ Şekil 1. Referans ilk yatırım maliyeti - yıllık enerji maliyeti karşılaştırılması Alternatiflerin ilk yatırım maliyetlerinin artmasıyla yıllık enerji maliyetlerinde azalan bir eğilim olduğu göze çarpmaktadır. Şekil 1'de verilen grafiğe bakılarak üç tane eğri uydurulabilir. Bunlardan birincisi, bina dış cephe camları ile mevcut HVAC sisteminin değiştirilmesi alternatiflerinin üzerinde yer aldığı eğri, İkincisi ise binaya izolasyon uygulanması ve mevcut HVAC sisteminin iyileştirilmesi alternatiflerinin üzerinde yer aldığı eğri olabilir. Üçüncü eğri ise uzun vadede uygulanabilir gözüken kojenerasyon ile fotovoltaik uygulamalarının üzerinde bulunduğu eğri olmaktadır. Birinci grupta yer alan alternatifler daha düşük ilk yatırım maliyetleri ile aynı oranda sürdürülebilirlik kalitesini yakalayabilmektedirler. Mimari perspektiften H-İ İn IUpij!l. Şekil 2. Referans ilk yatırım maliyeti - neden olunan yıllık C02 üretimi karşılaştırılması Önerilen HVAC yaklaşımlarıyla, sadece HVAC sisteminin neden olduğu CO2 emisyonlarında %1 7, toplam bina CO2 emisyonlarında ise, %11 oranında tasarruf sağlanabilmektedir. Bu hususta, klima santrallerinde ısı geri kazanımı yapılması alternatifi hem ilk yatırım maliyeti, hem enerji maliyetleri, hem de bina CO2 emisyonu açısından oldukça avantajlıdır. Fotovoltaik sistem önerileri referans bina için oldukça yüksek bir ilk yatırım maliyetine sahip olsalar da bina CO2 üretimi söz konusu olduğunda en iyi alternatifler olmaktadır. <1

12 Özellikle ihtiyaç olmadığı zamanlarda şebekeye elektrik satabilen sistem sürdürülebilirlik anlamında en iyi sistem olarak karşımıza çıkmaktadır Kojenerasyon sistemi ile de enerji maliyetlerinde ciddi oranlarda tasarruf edilebilmektedir. Ancak binanın neden CO2 üretimi dikkate alındığında aynı oranlar söz konusu değildir. Bina CO2 üretiminde fotovoltaik uygulamaları ile %58 oranında tasarruf sağlanabiliyor iken kojenerasyon uygulaması ile bu oran %12 seviyesindedir. Önerilen kojenerasyon ünitesinde elektrik, doğalgaz yakılarak, fotovoltaik sistemde ise güneşten elde edilmektedir. On yıllık maliyete karşılık gelen on yıllık karbondioksit emisyonu ilişkilendirildiğinde azalan bir eğri göze çarpmaktadır. Maliyeti aşağı çeken alternatifler sürdürülebilirlik kalitesi açısından da iyi durumda olmaktadırlar. Öte yandan fotovoltaik sistem uygulaması 10 yıllık maliyetler dikkate alındığında da ekonomik olamamaktadır. On*** tosum I Krtââ GAHcaitan m *:ÿ " nr-r - d»- * İ - KrhnMri tafoi 0w C4J Şekil 3. On yıllık maliyete karşılık gelen on yıllık bina CO2 üretimi Yenilenebilir enerji kaynaklarının binalarda kullanımı pahalı fakat sürdürülebilir yaklaşımlardır. Bu tip sistemlerin enerji maliyetleri de düşüktür. Hükümetler tarafından vergi indirimleri veya krediler ile teşvik edilmesi gerekmektedir. Önerilen bir kaç alternatif, referans bina için aynı anda uygulanabilir. Örneğin mimaride alınacak izolasyon ve cephe camlarının iyileştirilmesinin ardından, daha verimli HVAC sistemleri kullanılabilir. Ayrıca, maddi imkanlar el verdiği sürece, elektrik üretiminde kojenerasyon veya fotovoltaik sistem uygulamalarından da yararlanılabilir. Referans bina için 10cm kalınlığında izolasyon, üçüncü cam cephe, ısı geri kazanımı ve fotovoltaik sistem alternatifleri birlikte uygulandığı durumda, toplam bina CO2 emisyonu yılda 127 tona düşmektedir. Halbuki referans bina CO2 emisyonu 892 tondur. Dolayısıyla referans binada önerilen alternatifler aynı anda kullanılırsa; TL ilk yatırım maliyetine karşılık olarak, toplam bina CO2 emisyonunda %86 oranında tasarruf edilebilmektedir. Aynı oran, bina yıllık enerji maliyetleri için de geçerli olmaktadır. Sistemin basit geri ödeme süresi ise 18 yıla inmektedir. Enerji maliyetlerindeki artış dikkate alındığında ise sistem için kümülatif nakit akışı Şekil 19'da verildiği gibi olmaktadır. Tablo 19. Alternatif 2,4,6,10b birlikte kullanımı halinde özet tablo Alternatif -0 Referans Bina Alt a Yatırım Maliyeti (TL) Enerji Maliyeti (TL/yıl) CÖ2 Emisyonu (ton/yıl) Basit G.Ö.S. (yıl) 18 Karışık G.Ö.S. (yıl) 11,8 HMD Temmuz Ağustos 2010

13 Bu çalışma, bir ofis binası için, İstanbul iklim koşullarında ve kullanım sıcak suyu dikkate alınmadan yapılmıştır. Aynı çalışma, otel, konut, alışveriş merkezleri farklı kullanım amacına sahip binalar için, Türkiye'nin farklı iklim koşullarında, ve kullanma sıcak suyu dikkate alınarak yapılabilir. Böylelikle, farklı kullanım amaçlı binalarda ve iklimlerde sürdürülebilirliğin maliyetinin ne derece farklılaştığı ile kullanım sıcak suyunun etkisi de görülebilir. Ayrıca toprak kaynaklı ısı pompası, yakıt pili ile elektrik ve ısıtma ihtiyacının karşılanması gibi alternatifler ile de benzer çalışmalar yapılabilir. Kaynaklar [1], International Energy Agency, Key World Energy Statistics Report 2008 [2], Expertise process research portfolio Suzanne Shelton Press, Shattering the stereotype of the "Green Consumer", August 26, [3], ASHRAE GreenGuide, The Design, Construction and Operation of Sustainable Buildings, 2006 [4], Carrier, Hourly Analysis Program v4.30, Carrier, USA. [5]. ASHRAE Standard 62.1, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, ASHRAE, Atlanta, GA. [6]. ASHRAE Standard 90.1,2007. Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, American Society of Heating, Ventilation and Air Conditioning Engineers, Atlanta, GA. [7], CIBSE, Energy use in offices, Energy Consumption Guide 19, Best Practice Program, U.K., [8], Arısoy, A., Öner, F., Uluçay, U., Binalarda Sürdürülebilir Enerji Kullanımı ve Ekonomik Optimizasyon, 8. Uluslararası Yapıda Tesisat Teknolojisi Sempozyumu, [9], Url < unler.php>, alındığı tarih Ocak [10], T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, inşaat ve tesisat birim fiyat tarifleri, Ankara. [11], Isısan A.Ş., Kişisel Görüşme, 2009 [12], Airfel A.Ş., Kişisel Görüşme, 2009 [13]. WILO A.Ş., Kişisel Görüşme, 2009 [14], SOKRATHERM GmbH & Co. KG Energie- und Warmetechnik, BHKW Sokratherm Kompaktmodule. Kısa Özgeçmiş Ahmet ARISOY 1972 yılında İ.T.Ü. Makina Fakü Itesi'nden Y.Müh unvanıyla mezun olmuştur yılında Makina Mühendisliğinde Doktora derecesi, 1992 yılında Isı Tekniği Bilim Dalında Profesörlük unvanı almıştır yılından bugüne kadar İTÜ Makina Fakültesinde görev yapmıştır arasında A.B.D. Michigan Üniversitesi Makina Mühendisliği ve Uçak-Uzay Mühendisliği bölümlerinde misafir araştırmacı olarak bulunmuştur. Çok sayıda tez yaptırmış ve 3 adet biten doktora tezini yönetmiştir. Yanma ve ısı tekniği alanlarında çalışma yapmakta olup, bu alanlarda çok sayıda (40 civarında) araştırma ve teknolojik uygulama ve ürün geliştirme projesi yönetmiş ve danışmanlık yapmıştır. 8 adet derneğin üyesidir yılında Tesisat Mühendisleri Derneği Hizmet Ödülü, 2003 yılında İSKİD Onur Üyeliği Ödülü almıştır. Danışmanlık ve editörlük yaptığı dergi sayısı 6 adettir. Makale, bildiri, kitap, proje raporu ve seminer notu olarak yerli ve yabancı dilde 150 civarında yayını vardır. Tesisat konusunda 15 kitabın yazılmasına, yenilenmesine ve yayına hazırlanmasına katkıda bulunmuştur. Barış YILMAZ 1984 yılında İstanbul'da doğmuştur yılında İstanbul Üniversitesi Makina Mühendisliği bölümünden mezun olmuştur yılında İ.T.Ü Makina Fakültesinden yüksek mühendis ünvanını almıştır yılından beri Arup Mühendislik ve Müşavirlik firmasında Mekanik Tesisat Proje Mühendisi olarak çalışmaktadır.