BİNA ENERJİ SİMÜLASYONU Dr. İbrahim ÇAKMANUS 1 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 gerçekleştirilebilirdir. 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 koymaya çalışan programlardır. Günümüz bina enerji simülasyon programları bina kabuğu, klasik ısıtma, soğutma, havalandırma ve aydınlatma gibi sistemleri büyük ölçüde 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 vb. tam olarak modellenememektedir. Ancak bu yönde çalışmalar ve gelişmeler devam etmektedir. 1. Simülasyonun Tarihsel Gelişimi Simülasyon tarihi WEİCH şeklinde adlandırılan Çin Savaş Oyunlarından, 5000 yıl öncesinden gelir ve 1780 lere kadar devam eder. Bu tarihlerden sonra Prussian lar da bu oyunları ordularında kullanmaya başlamışlardır. O zamandan beri, tüm askeri güçlerin yöneticileri, simüle edilmiş çevre koşulları altında askeri stratejileri test etmek için savaş oyunlarını kullanmaktadırlar. 1: ÇAKMANUS Müh. Enerji Ltd. Şti. (www.cakmanus.com.tr)
İkinci Dünya Savaşı esnasında matematikçi Jhon Van Neumann tarafından bu teknik askeriyeden ve operasyonel oyunlardan daha farklı ve yeni bir teknik olan Monte Carlo Simülasyon Tekniği geliştirilmiştir. Bir nicelik miktar tekniği olarak Los Alamos Scientific Laboratuarında nötronlarla çalışılırken, Van Neumann Simülasyonu, elle veya fiziksel modellerle analizi karmaşık ve pahalı olan fizik problemlerini çözmede kullanılmıştır. Nötronların raslantısal yapısı ihtimallerle uğraşmada rulet tekeri kullanımını önermiştir. Oyun yapısı nedeni ile Van Neumann, Kanunların değişimi çalışmasını MonteCarlo Modeli olarak adlandırmıştır. 1950 lerde iş bilgisayarlarının gelişi ve birleşik kullanımı ile simülasyon bir yönetim aracı olarak gelişmiştir. Uzmanlaşıp, özelleşen bilgisayar dilleri, geniş ölçekli problemleri daha etkili ele almak için 1960 larda geliştirilmiştir. 1980 lerde kuyruğa girmiş icatlardan durumları dizmeyi ele almak için yazılmış simülasyon programları geliştirilmiştir. XCELL, SLAM, WITNESS, MAP/1 gibi değişik isimlerle genel simülasyon programları ortaya çıkmıştır. 2. Bina Enerji Simülasyonu Genel olarak söylendiği üzere ısıtma, soğutma, aydınlatma ve diğer bina sistemlerinde dünyadaki fosil tabanlı enerjinin %40 ından fazlası kullanılmaktadır. Bu durum enerji kaynaklarının tükenmesine ve çevre kirliliğine sebep olmaktadır. Bu nedenle yeni veya mevcut binalarda enerji performansının artırılması günümüzde üzerinde en çok durulan konulardandır. Binalar bulundukları iklim bölgesinin, fonksiyonunun, kabuğunun fonksiyonu olarak yıllık belirli bir miktar enerji tüketimine ihtiyaç duyarlar. Binaların enerji performansının artırılması için verilen bu özellikler altında bir binanın pik durumda ve yıllık bazda ne kadar enerji tüketeceğinin belirlenmesi gerekmektedir. Hesaplanan performans yetersiz ise bunun ne şekilde iyileştirilebileceğinin de hesaplanabilmesi gerekir. Bu bağlamda bina enerji simülasyonu binaların enerji tüketimlerinin önceden belirlenmesinin en önemli araçlarından birisidir. Bu programlar gerçekçi hesap yapabilmeyi ve doğru sonuca kolay biçimde ulaşabilmeyi sağlar. Tasarımın ilk aşamalarından başlayarak mümkün olduğunca çok sayıda deneme gerçekleştirmek ve bunların içinden optimum olanı seçmek ilk yatırım maliyetlerinin ve işletme maliyetlerinin optimize edilmesi yönlerinden çok önemlidir. Böylece binanın ömür boyu maliyeti minimize edilebilmektedir. Bunun tersine, sorunların farkına sonuç aşamasında (veya yapım veya işletme aşamalarında) varılması veya hiç varılamaması durumunda maliyetler çok yüksek olabilmekte ve ancak bu aşamalardaki iyileştirmelerin maliyetleri çok yüksek olmaktadır. Bunun temel nedeni eğer sistemler doğru seçilmemişse iyileştirmek için tekrar yatırım yapılması gereğidir. Bu gibi nedenlerle tasarımın
ilk aşamalarından başlayarak bilgisayar programları ile modellemelerinin yapılması çok ama çok önemlidir. 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 CO2 emisyonlarının hesaplanabilmesi, Tasarım değerlerinin hesaplanabilmesi (örneğin Carrier HAP aynı zamanda bir tasarım programıdır). 3. Sürdürülebilir Tasarım Bir binanın ömür boyu maliyet analizini yaparak alternatifler içinden en uygun olanını (optimum) seçme işlemi karmaşık bir süreçtir. Sürdürülebilir tasarımda sistemlerin doğru
biçimde ele alınması, maliyetlerinin çıkarılması ve sistemin bütününe dahil edilmesi gerekir. Ömür boyu maliyet için amaç fonksiyonunun çözümünde, Isı kayıp ve kazançlarının minimize edilmesi, Alternatif bina cepheleri (opak yüzeyler, tek cephe, çift cam kabuklar vb.) ve cephe optimizasyonu, Gölgeleme şekilleri, Doğal havalandırma yapılacaksa yöntemi, Güneş enerjisi, ısı pompaları vb. yenilenebilir enerji kaynaklarının entegrasyonu, Isıl depolama, Free cooling, Alternatif HVAC sistemlerinin belirlenmesi, Her alternatif için ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin hesaplanması, Ömür boyu maliyetlerin hesaplanması, gibi hususlar dikkate alınır. Enerji simülasyonlarında yeni yapılacak veya mevcut binalarda iklim bölgesinin özellikleri, bina projesi (yön, duvar/pencere oranları, kullanılan HVAC ve aydınlatma sistemleri), yapı malzemelerinin özellikleri (ısıl dirençler, cam özellikleri, cihaz verimlilikleri, yenilenebilir enerji kullanımı vb.) dikkate alınarak binanın bir yılda ısıtma, soğutma, aydınlatma, kullanım sıcak suyu, aydınlatma, fanlar, pompalar vb. için ihtiyaç duyulan enerji hesaplanır. Mevcut binalarda ise ister enerji tüketimleri ile ilgili veri olsun, ister olmasın mevcut durumda binanın enerji performansının hesaplanarak benchmark olabilecek binalarla karşılaştırılır, gerçek tüketimlerin fazla olup olmadığı, fazla ise nerelerden kaynaklanmış olabileceği gibi hususların analizi yapılabilir. Örneğin bina kabuğunun enerji performansı iyi iken gerçek tüketimler yüksek ise burada tesisat sistemlerinin verimsiz çalıştığı veya uygun olmadığı gibi bir sonuç çıkarılabilir. Veya tersine olarak, kabuk enerji performansı zayıf olduğu halde tüketim az ise bu durum sistemlerin kapatılmış olabileceğini, konfordan fedakarlık yapıldığını gösterir. Binanın enerji simülasyonu yapıldıktan sonra tipik bir yaz ve kış günündeki günlük enerji ihtiyaç profili çıkarılır. Binanın kullanım amacı (ofis, hastane, eğitim binası, otel vb.), ilk yatırım maliyetleri, işletme maliyetleri, ömür boyu maliyet, çevreye olan CO2 emisyonu gibi hususlar dikkate alınarak kullanılabilecek kojenerasyon, yenilenebilir enerji teknolojileri, ısıl depolama ve kalanının da fosil tabanlı yakıtlardan karşılanması gibi hususlar bu eğri üzerinden analiz edilir. Her bir seçenek için bina enerji simülasyon programı yeniden
çalıştırılarak seçeneklerin sonuçları alınır ve yukarıda belirtilen faktörler dikkate alınarak optimum çözüme karar verilir. Bu süreç hem yeni binalarda hem de önemli oranda renovasyon yapılacak mevcut binalarda uygulanabilir. Aşağıda bina enerji simülasyonu ile çıkarılmış bir yük profili ve bu ihtiyacın ne şekilde karşılanabileceği gösterilmiştir. Bir binanın kış yükü profil (Carrier programından). Bir binanın yaz yükü profil (Carrier programından). Şekillerde görüldüğü üzere ihtiyaç duyulan enerjinin ne kadarının yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılandığı belirlenmektedir. İhtiyaç duyulan enerjiden yenilenebilir enerji
kaynağı ile karşılanan kısım çıkarıldıktan sonra kalan miktar fosil tabanlı yakıtlarla karşılanacak kısım olmaktadır. Dönüşüm katsayıları kullanılarak bu enerji primer enerjiye (örneğin elektrik, doğal gaz) dönüştürülür. Bir binada enerji sınırları ve tanımlamalar. 4. Simülasyon Programları Ve Kapasiteler Günümüzde bu ve diğer gereksinimileri önemli ölçüde sağladığı kabul edilen, ASHRAE Satandart 140 a ve Bench Mark binalarda test edilerek onaylanan onlarca bina enerji simülasyon programı ticari olarak bulunmakta ve kullanılmaktadır. Bu konuda yeni bilgilere erişimde DOE, ESRU, Building Simulation Research Group, IBPSA gibi kurumlar yararlı olmaktadır. Burada Energy Plus, Carrier HAP, EQUEST, ESP-r, DOE-2, TRANSYS gibi çok sayıda simülasyon programı ticari olarak mevcuttur. Bu programların her birinin öne çıkan yanları vardır. Ancak yukarıda belirtildiği üzere hiç bir program bir binanın yıllık enerji performansını tam olarak modelleyemez. Doğal havalandırma ve doğal aydınlatma, free cooling, trijenerasyon sistemleri, termal depolama, gölgeleme, yenilebilir enerji teknolojileri, hibrid sistemler gibi bu konuya örnek verilebilir. Yine bu bağlamda soğutma sistemlerinin verimliliğini artırmak için gece soğutması (night purging, gece termal depolama vb.) ve ısıl kütle iyi yöntemlerdir. Yukarıdaki programlardan birisi program bu faktörlerden bir kısmını iyi modelleyebilirken bir başkasını yapamayabilmektedir. Simülasyon esnasında bir parametre değiştiğinde bağlı parametreler de değişir. Örneğin camların özellikleri değişirse aydınlatma, ısıtma ve soğutma yükleri de değişir.
5. Sonuç Bilgisayar simülasyon programları günümüzde enerji simülasyon programları yeni bina tasarımı, mevcut binaların renovasyonu veya enerji performanslarının ortaya konulmasında olmazsa olmaz araçlarındandır. Tasarım aşamasında bir miktar maliyet getiriyor gibi gözükse de binanın yıllık enerji tüketiminin ve performansının daha tasarım aşamasında görülmesi çok önemlidir. Eğer tüketim fazla ise uygun maliyetle nelerin yapılabileceği ortaya konularak daha proje aşamasında çözüm üretilebilmekte, yeşil bina sertifikası alınması ve binaya değer katılması gibi süreçler garanti edilebilmektedir. Kaynaklar 1 2 3 ASHRAE Green Guide, 2006, The Design, Construction, and Operation of Sustainable Buildings, Elsevier, New York. ASHRAE Standard 90.1, 2007, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings, Atlanta. Ç akmanus, İ., Özbalta, T, 2009, Binalarda Sürdürülebilirlik: Ömür Boyu Maliyete İlişkin Yaklaşımlar, Doğa Sektörel Yayıncılık, İstanbul.