Bina simülasyonları kullanılarak enerji etkin bina tasarımı. Dipl.-Ing. Stefan Krämer, Dr. İbrahim Çakmanus

Transkript

1 Bina simülasyonları kullanılarak enerji etkin bina tasarımı Dipl.-Ing. Stefan Krämer, Dr. İbrahim Çakmanus Özet Simülasyon genel bir terim olup; a) bir sistemin simülasyonu, bu sistemi temsil edebilecek bir model oluşturma işlemidir, b) Simülasyon, gerçek sistemin modelinin tasarımlanması ve bu model ile sistemin işletilmesi amacına yönelik olarak, sistemin davranışını anlayabilmek veya değişik stratejileri değerlendirebilmek için deneyler yürütülmesi sürecidir, c) Simülasyon geliştirilen veya yeniden düzenlenen sürecin proses işlemlerini tamamlamada ve deneme çalışmalarını yürütmede ve süreçlerin hata zamanlarını tahmin etmek için yapılan çalışmadır. Bu şekilde yeni sürecin değişikliklere gösterdiği olası reaksiyonlar da anlaşılabilir. gibi bakış açıları ile tanımlanabilen bir işlemdir. Eskiden simülasyon esas sistemin bir modeli yapılarak gerçekleştirilebilirdi. Son yıllarda ise bilgisayar kapasitelerinin ve programlarının büyük ölçüde gelişmesi ile simülasyon denildiğinde akla bilgisayar simülasyonları gelmektedir. Artık hemen her alanda gerçek prosesi veya olayı büyük ölçüde temsil edebilecek nitelikte simülasyon programları bulunmaktadır. Bina enerji programları da binanın enerji performansını ortaya koyabilen programlardır. Günümüz bina enerji simülasyon programları bina kabuğu, ısıtma, soğutma, havalandırma ve aydınlatma gibi sistemleri gerçeğe yakın modelleyebilmektedir. Ancak doğal havalandırma, free cooling, gün ışığı aydınlatması, yüksek ekserji performansına sahip hibrid mekanik tesisat sistemleri (trijenerasyon, ısı pompaları, ısıl depolama, güneş enerjisi, kazan, chiller), gölgeleme gibi binalara değer katan ve enerji tüketimini azaltan sistemleri modelleye programların sayısı azdır. Diğer yandan yeni bir bina çok dikkatli planlanmış olsa bile, kullanıcıların tüm gereksinmeleri karşılanmamış olabilir. HVAC sisttemlerinin enerji maliyeti, yazın aşırı ısınma ve istenmeyen havalandırma gibi sorunlar bunlardan en çok rastlanananlarıdır. Bu sorunların temel nedenleri, bina planlamasının sınırları ve olanakları içerisindedir. Durumu çözüme kavuşturmak için yeni yöntemler önermek ve yeni teknolojiler geloiştirmek için geniş bir çaba harcanması gerekmektedir. Örnek: Londra daki İsviçre bankası tasarım yanlışları nedeniyle dan fazla kayba uğramıştır. Dünya nın hemen her ülkesinde benzer durumlarla kaşılaşmak olasıdır. Sonuç olarak bina planlaması ve inşaatı ile ilgili değişik bireyleri olaya dahil etmek için binaların bütüncül planlaması gibi yeni bir kavram geliştirilmiştir (IPB). Buradaki amaç, uzmanlarımızın ve bina simülasyonları yapan modern bilgisayar sistemlerimizin yardımıyla yatırım ve işletme maliyetlerinin düşürülmesidir. Bütüncül planlama her proje partnerinin (mimar, mühendis, inşaatçı ve yatırımcı) gereksinimlerinin erkenden saptanmasını içerir.

2 1. Binaların Bütüncül Planlaması Bir binanın enerji tüketimi, projenin başlangıç aşamalarında bir mimari öneriyle aşağı yukarı belirlenmiştir. İnşaat alt yapısının ve bu değerlerin değişmesi olasılıklsrı oldukça sınırlıdır. Buna göre teknik planlamacılar ve mühendisler, proje tasarımını fazla değiştirmeksizin ellerinden geleni yapmalıdır. Müşteri Yatırımcı Mimar Mühendis İnşaat Bu bağlamda bilgisayar simülasyon programları; Tasarım seçeneklerini değerlendirmek ve tasarım optimizasyonunu araştırmak, Yeni fikirlerin araştırılmasına olanak sağlamak, Binanın ilgili yönetmeliklere uygunluğunu denetlemek, Binanın enerji performansının önceden belirlenmesi, Ekonomik analizler yapmak, gibi işlevlere hizmet eder. Programların çalıştırılabilmesi için bina kütle formu, boyut, bileşenler, HVAC sistemlerine ilişkin özellikler, dış havaya ilişkin verilerin vb. girilmesi gerekmektedir. Bina enerji simülasyon programları yeşil bina tasarımının ve LEED sertifikasyon sürecinin de önemli araçlarından olup, yapılması zorunlu tutulmuştur. Bina enerji simülasyonu ASHRAE 90.1 enerji standardına göre yapılmaktadır. Bu standart da enerji simülasyon programlarında aranan asgari belirli şartlar aşağıdaki gibidir. Yılda minimum 1400 saatlik hesap yapabilme kabiliyeti, Saatlik değişimler (yüklerin ve sistem performansının saatlik hesaplanması), Minimum 10 termal zon, Isıl kütle etkisinin dikkate alınması (bina kütlesi bünyesine aldığı enerjiyi belirli bir gecikme ile mekana verir), Kısmi yük performansı, Mekanik sistemlerin simülasyonu için düzeltme eğrileri (sıcaklık, nem gibi parametrelere bağlı olarak), Ekonomizer (otomatik kontrollü su ve hava tarafı ekonomizer çevrimini dikkate almaları gerekmektedir), İşletme maliyetlerinin ve CO 2 emisyonlarının hesaplanabilmesi, Tasarım değerlerinin hesaplanabilmesi. Bir binanın enerji gereksinimi geniş ölçüde bina kabuğuna bağlı olup, tasarım sürecinde belirlenir. Bugün, belirli bir tasarım için optimal bir enerji kavramı geliştirmek mühendisin temel görevidir. Porjenin başından itibaren yatırımcı, mimar, mühendis ve simülayon uzmanı arasındaki koordinasyon enerji ihtiyacını ve sonuçta bina ilk yatırım maliyetini azaltmakta olup, en yüksek iç mahal konforu ve işletme giderlerinin azaltılması bağlamında anahtar görevi görmektedir. Bütüncül (ya da bütünler planlama) binanın mimari potansiyelini, HVAC ekipman ve tesisatını opttimalleştirmek üzere ilgili her kesimin ilgilerini yönetmek, ortaya mükemmel bir ürün koymak adına yatırımı, işletme maliyetlerini optimalleştirmek üzere bir yol ortaya koyar. Diğer bir değişle, yılın her saatinde iç mahal konforu sağlayan ve işletme maliyetleri azalmış bir optimal bina elde etmek olanaklı olmaktadır.

3 Mimar Müşteri Yatırımcı Binalara bütüncül planlama Mühendis İnşaatçı Bu bağlamda en önemli uzmanlık aracı, simülasyon yazılımlarıdır. Bina simülasyonu, kritik tasarım kararları alınmadan önce optimal bina performansını desteklemek üzere önemli bir görüş sağlar. Çalışmamızda; konforlu bir iç mahal iklimi ile işletme (aydınlatma, ısıtma, soğutma, havalandırma) ve sermaye maliyetlerinin azaltılmasına odaklanırız. Aynı zamanda gün-ışığından yararlanma ya da hava hızı/hava çekmeleri ile iligli değişik yazılımları da kullanırız.

4 Bina projesinde enerji tasarruflu planlama ya da etkin enerji yönetimine gore tasarımda aşamalar aşağıdaki gibi olmalıdır. Konunun analizi: Teknik ve ekonomik sınır koşullarının (boundary conditions) analizi. Ayrıntılı mührndilik ve mimari analiz: Enerji tasarrufu potansiyelinin belirlenmesi, amortisman hesapları. Sözleşme hazırlanması: Planlanan adımların gerçekleştirilmesi, binanın işletimi/yönetimi, tasarruf edilen enerji maliyetleri bağlamında amortisman sürelerinin belirlenmesi.

5 2. Bina simülasyonu Bina simülasyon programları konfor ve enerji verimliliğini bir arada sağlamaya önemli ölçüde yardımcı olabilmektedir. Örneğin aşağıdaki resimlerde görüldüğü üzere Ankara da cam cepheli bir binada hava sıcaklığı normal değerlerde iken (el ile hesaplar veya tasarım programları bu değerleri esas almaktadır), güneş radyasyonu nedeniyle iç mekanlarda yüzey sıcaklıkları yüksek olabilmektedir. Bu gibi durumlar simülasyon programları ile tasarımın başında tespit ve böylece konfor sağlanması, ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin optimize edilebilmektedir. (Konu ile ilgili daha geniş bilgi daha sonra verilmiştir). Girdiler Yeni veya mevcut bir binada, iç mahal konforunu sağlamak, ekipman boyutlandırması yapmak, ve enerji talebini belirlemek için bina simülasyonu, meslek adamlarının değişik ısıtma/sooğutma alternatiflerini karşılaştırma olanağı veren ve değişik cephe tasarımı yapmaya olanak sağlayan tam bir süreçtir.

6 Öncelikle gerek duyulan şey; bir 3-D modelleme yapabilmek veya bir CAD-dosyası import edebilmek için binanın planlarıdır. Adım1 - Geometri Binanın 3D-modelini yarattıktan sonra zonları grafik olarak oluştururuz. Bir zon, bir ofis, bir daire, bir giriş holü,ya da bir alış-veriş alanı olabilir ve buraların iç koşulları, kulllanım programları (schedule) ve hava değişimleri belirlenir. Adım 2 zonlar Bundan sonra, doğrudan ve dağınık radyasyonun hessaplanması için yılın her saatine göre bina yerleşimi, çevredeki binalar ve ufuk çizgisi dikkate alınarak binanın bir gölgeleme simülasyonu yapılır. Adım 3-3-D-model ve gölgeleme durumu 3D simülasyon modelimiz, gerçekeçi biçimde fiziksel dünyayı temsil eder. Doğal hava akışını ve bina yapısından gün ışığı geçişini tahmin edebilir binanın dinamik tepkisini belirlenir. Isıl kütlenin etkin kullanımı, güneşten korunma ve doğal ya da karışık mod havalandırma rejimlerinin hepsi, bütüncül bir simülasyonda görülebilir. Pencerelerin açılması, güneş kontrollerinin kullanımı, meskun mahal ve dış iklime göre bir dizi performans parametresine göre programlanabilmektedir.

7 İç koşullar Bir binadaki insan sayısı, değişik günler ve kullanım programlarına gore bir takvim oluşturur. Adım 4 İç koşullar / Isıtma yükleri. Dış hava koşulları Dünya genelinde 2,500 den fazla kayıtlı hava istasyonuna ulaşabilmekteyiz Bunlardan elde edilen veriler kuru tremometre, yaş termometre sıcaklıkları, güneş radyasyanonu saatlik değerleri, sıcaklık, nem, rüzgar hızı ve yönü vb dir. Adım 5 Pencereler, çatı pencereleri ve çift camlı cepheden doğal havalandırma. Isıtma/ HVAC Bir eleman kitaplığından [component library] seçilen simgelerle bir sistem diyagramı oluşturulur. Bu basit süreç, sistem ve kontroller için bir simülasyon modeli oluşturur. Binanın ve tesisin birleşik simülsyonu ekipman büyüklüklerini, hava debilerini, ekipman ve tesis bağlamında enerji tüketimini otomatik olarak verir. Fanlar, chiller ler, kazanlar vb nın kısmi yük karakteristikleri açıklanabilir. Aşağıdaki şekilde bir klima sistemi modeli görülmektedir.

8 Adım 6 Havalandırma sistem şeması Gün-ışığı analizi Simülasyon modeli gün-ışığı analizine de uygulanır. Radyasyon hesapları için hazırlanmış üçgen haldeki ızgara (mesh) yapısına sahip değişik konstrüksiyon ve cam türleri de eksport edilebilir. Gökyüzü koşullarını belirleyerek, binayı herhangii bir tarih ve zamanda dünyanın herhangi bir yerine yerleştiririz. Aydınlatma simülasyonu bittiğinde, sadece bir görünüş değil bütün binaya ait fotoğraf kalitesinde model oluşturulur. Bu model, herhangi bir konumdan görüntülenebilir ve bölümler arasında geçiş yapılabilir. Gün-ışığı analizi, herhangi bir iç yüzydeki gün ışığı düzeylerini belirlemek üzere mahallere göre de yapılabilir.

9 Bu çerçevede aydınlatma lüks düzeyleri sınır çizgileri veya renkli harita görünümü ile verilebilmektedir. 3. Sonuçlar Isıtma ve soğutma yüklerinin belirlenmesi mühendisin önemli görevlerindendir. Değişik ısıtma ve soğutma stratejilerinin yararlarını karşılaştırmak için simülasyonu kulolanırız. Bu yolla, standart fancoil veya VAV sistemleri de dahil olmak üzere, yer-değiştirme havalandırması, soğuk tavanlı mahallerde taze havanın döşemeden verildiği daha yeni sistemler de analiz edilebilmektedir. Öncelikle aşırı yaz ve kış performsndlsrını belirlemek için tipik hava koşulları araştırılır. Adım 1: Tipik yaz ve kış durumlarını gösteren diyagram Yeşil çizgiler: Güneş radyasyonu (W/m²) Kırmızı çizgiler: Dış sıcaklık ( C) Mavi bölgenin içinde en iyi konforu garanti edilebilir. Sarı bölgenin içinde konfor oldukça iyi durumdadır. Renkli bölgenin dışında sıcaklıklar çok yüksek veya çok düşüktür.

10 Adım 2: Konfor dış (x ekseni) ve iç (y ekseni) sıcaklığa bağlıdır. Her işaret ölçülen bir değeri ifade eder. Bu diyagram, yılda 250 saatten fazla konfor zonunda kalışı göstermektedir. Birçok gün boyunca, sıcaklık dış mahal sıcaklığından 8 C ye kadar yüksektir. Burada gölgelemenin yeterli olup olmadığı, soğutma sistemine gerek olup olmadığı kontrol edilir. Adım 3: Bütüncül planlamanın yararları, parasal tasarruf sağlamak üzere son derece geniştir. Simülasyon için harcanan ek bedeller, elde edilen tasarruflarla ortalama 1-3 yıl gibi kısa sürede karşılanır. Özetle bilgisayar simülasyon programları, yeni bina tasarımı, mevcut binaların renovasyonu esnasında binaların enerji performanslarının ortaya konulmasında olmazsa olmaz araçlarındandır. Enerji simülasyonu işi tasarım aşamasında bir danışmanlık maliyeti getirse de binanın yıllık enerji tüketiminin optimize edilebilmesi ve konfor performansının tasarım aşamasında çözümlenmesi mümkün olabilmektedir. Kaynaklar 1 ASHRAE Green Guide, 2006, The Design, Construction, and Operation of Sustainable Buildings, Elsevier, New York.

11 2 ASHRAE Standard 90.1, 2007, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, Atlanta. Yazarlar: Adı Soyadı: Dr. İbrahim ÇAKMANUS ÇAKMANUS MÜH. ENERJİ LTD. ŞTİ. Ivedik OSB Hasemek Koop Sok. No:69 Ostim/Ankara Tel: Fax: Ibrahim@cakmanus.com.tr Dipl.-Ing. Stefan Krämer, Company: Integral Ingenieure Address: Oranienstr Aachen Germany Telephone: (+49) s.kraemer@integral-ingenieure.de