Bina Tasarım ve İşletmesinde Enerji Modellemesi Kullanımı

Aşağıdaki yazı BEST dergisinin gelecek sayısında yayınlanacak. Sürdürülebilir binalar ile yakından ilgili olduğu blog'umuzda da bulunmasını istedik.

---------------------------------------------------------------

Bina sahiplerinin ve işletmecilerinin son senelerde karşılaştıkları enerji maliyetlerindeki sürekli artış, yapı sektörünü daha az enerji tüketen çözümler yaratmaya itmiştir. Aynı zamanda toplam enerji kaynaklarının %40'ının binalar tarafından tüketildiği gerçeği, fosil kaynaklı enerji tüketiminden ortaya çıkan çevresel problemlerin ve sera gazı salımlarının azaltılması için yapı sektörüne önemli bir sorumluluk yüklemektedir.

Binaların kullanım ömürlerinin uzunlukları da, yatırım sırasında alınacak enerji verimliliği önlemlerinin uzun vadeli ve yadsınamayacak boyutta etkilerinin olmasına yol açmaktadırlar. Bundan seneler sonra bugünün konvansiyonel enerji kaynaklarının maliyetlerinin katlanarak artmış olacakları riski, bu konvansiyonel kaynakları kullanarak işleyen bir binanın gelecekteki şartlar da göz önüne alınarak tasarlanmasını kaçınılmaz yapmaktadır.

İşte bu sebeplerle binalarda enerji verimliliği, ülkemizde de olmak üzere tüm dünyada en hızlı gelişen konulardan biri haline gelmiştir. Geçmişte sadece çevreci hassasiyetlere sahip mimarların eğildiği bu konu, bugün inşaat sektörünün tüm oyuncularının ana gündem maddesi haline gelmiş bulunmaktadır. Dünya çapında yeşil bina hareketinin gelişmesi ve LEED, BREEAM gibi sertifikalara sahip bina sayısının çok kısa bir sürede katlanarak artması bunun göstergelerinden biridir.

Konumuz olan enerji modellemesi, 1970'lerde ortaya çıkan bir disiplindir ve son zamanlara kadar akademik camia dışında fazla yer bulmamıştır. Ancak binalarda enerji verimliliği konusunun gelişmesi ve enerji modellemesi yoluyla işletme maliyetlerinin önemli oranda azaltılabilir hale gelmesi, enerji modellemesini bina tasarım ve işletmesinde sıklıkla kullanılan bir araç haline getirmiştir.

Kısaca enerji modellemesi, bir binanın bilgisayar ortamında soyut bir modelinin yaratılması ve bilgisayarların hesaplama gücünden yararlanarak bu modelin çeşitli deneylere tabi tutulmasıdır. Enerji simülasyonu da diyebileceğimiz bu analizlerin esasen diğer mühendislik dallarında yapılan ve karmaşık bir sistem içerisinde bir veya birden fazla parametrenin değiştirilmesi ile sonuçların analizini sağlayan simülasyon çalışmalarından fazla bir farkı yoktur.

Binalarda enerji tüketimi; mekanik sistemler, elektrik sistemleri, bina kabuğunun özellikleri gibi önceden tahmin edilebilen alt sistemler ile atmosfer koşulları ve bina sakinlerinin davranışları gibi önceden tahmini zor olan olguların bir araya gelmesi ve karşılıklı etkileşimi sonucu meydana gelmektedir. Ortaya çıkan son derece karmaşık ve olasıklara dayalı sistemin güvenilir bir analizinin yapılması sadece simülasyon yoluyla olabilmektedir.

Örneğin bir ofis binasının senelik enerji tüketimi konusunda bir fikir elde etmek için hazır mühendislik denklemleri mevcut değildir. Sistemleri ayrı ayrı incelemek de iyi bir sonuç vermeyecektir çünkü sistemler arasındaki etkileşimlerin mutlaka dikkate alınması gerekmektedir.

Burada bir parantez açarak enerji modellemesinin bina enerji tüketimlerinin bire bir tahmini için değil, bina performanslarının farklı alternatifler arasında karşılaştırılması için kullanımının yaygın olduğunu berlitmek gerekir. Tüm enerji modellemesi çalışmaları, ne kadar detaylı yapılırsa yapılsınlar, varsayımlar içerirler. Bu varsayımların gerçek hayatta öncede tahmin edilemez farklar göstermeleri (ör. kış aylarının sert geçmesi veya çalışanların bazılarının odalarındaki termostatları çok yüksek seviyelere ayarlamaları) normaldir ve bu sebeple enerji modellemesinin sonucunda kesin enerji tüketim bilgileri beklemek doğru bir yaklaşım olmayacaktır.

Bunun yerine bina performansının gerçek veya teorik diğer binalarla karşılaştırılmaları şu sorulara cevap verilebilmesini sağlamaktadır:

- Avam proje safhasında farklı alternatiflerin arasından hangisinin en yüksek enerji verimliliğine sahip olduğunun belirlenmesi (özellikle bina yerleşiminin ve yöneliminin seçiminde),
- Tasarım ve proje safhasında alınan mimari kararların ve malzeme ile ekipman seçiminin bina enerji performansı üzerindeki etkilerinin belirlenmesi,
- Binada kullanılacak farklı mekanik sistemlerin ve enerji kaynaklarının, bina ömrü süresince nasıl bir ekonomik performans göstereceklerinin karşılaştırılmalı olarak belirlenmesi (“lifecycle costing”),
- Varolan bir binada alınacak enerji verimliliği önlemlerinin kazançlarının ne olacağı (önlemin alınmamış olduğu duruma göre karşılaştırılmalı) ve geri dönüş süresinin hesaplanması,
- LEED veya BREEAM gibi yeşil bina sertifikalandırma sistemleri ile TS825 gibi yasal standartlara uyumun gösterilmesi,
- Bina ve işletmelerin karbon ayakizlerinin belirlenmesi ve “benchmark”lar ile karşılaştırılması,
- Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının bina enerji kullanım ve yük profiline nasıl bir etkisinin olacağının belirlenmesi,
- İnşaat malzemelerinin sürdürülebilirliğe olan katkılarının belirlenmesi (ör. farklı ısı izolasyon ürünlerinin standard tipolojiye sahip bir bina bazında karşılaştırılmaları).

Ayrıca, özellikle gelişmiş ülkelerde, mal sahibinin tasarlanan bir yapının referans bir yapıya göre ne kadar iyi enerji performans göstermesi gerektiğini proje şartnamelerinde belirtmeleri uygulaması yerleşmiştir. Enerji modellemesi, bu noktada tasarlanan binanın ve referans binanın enerji performanslarının belirlenmesinde ve karşılaştırılmasında kullanılmaktadır.

Bugün ABD'de yeni yapılan binalarda enerji performansının henüz avan proje aşamasında belirlenmesi ve bundan sonraki tüm proje ve inşaat süreçlerinin bu performansı yakalayacak şekilde sürdürülmesi gerekmektedir. Bu genellikle, binaların enerji performansları konusunda minimum değerler belirleyen ASHRAE 90.1 standardı referans alınarak yapılmaktadır. Bir örnek ile anlatmamız gerekirse, mal sahibinin binanın ASHRAE 90.1 standardında belirlenen referans binaya göre %25 daha az enerji harcaması kriterini daha projenin başında koyduğunu varsayalım. Tasarım ekibi bu projeyi geliştirirken, enerji analistleri binanın enerji modelini geliştirirler. İlk aşamalarda çoğunlukla varsayımlara dayalı olarak gelişen bu analiz, hem tasarlanan bina, hem de ASHRAE 90.1 referans binası olmak üzere iki model üzerinden süregelir. Proje aşamasında, her iki model de tasarlanan binanın yapı, form ve konum özelliklerine sahiptir, ancak referans bina ASHRAE 90.1 standardında verilen minimum kabuk özelliklerine (duvar, pencere ve çatı ısı izolasyon değerleri, pencere günışığı gölgeleme performansları, vs.) ve elektromekanik sistem verimliliklerine sahiptir. ASHRAE 90.1 standardı aynı zamanda referans binada kullanılacak iklimlendirme ve havalandırma sistemlerini detaylı olarak açıklamaktadır; burada tasarım ekibi bu referans binadan %25 daha az enerji tüketen bir tasarıma ulaşmakla sorumludurlar. Tasarım ekibinin bunu gerçekleştirmek için önünde çok sayıda olasılık vardır, örneğin düşük ısıl iletkenliğe sahip pencere camlarının seçilmesi, yaz aylarında soğutma yüklerinin azaltılması için çeşitli otomatik veya manuel gölgelendirici yapı elemanlarından faydalanılması, ısıtma ve soğutmada yenilenebilir enerji kaynakları veya ısı pompası gibi yüksek verimliliğe sahip mekanik ekipmanların kullanılması, bina konumlandırılmasında pasif önlemlerin alınması gibi. Enerji analisti, tasarım ekibine her bir olasılığın tasarlanan binada nasıl bir enerji performansı iyileşmesine yol açabileceğini enerji modellemesi yoluyla söyleyebilmektedir ve tasarım ekibinin karar verme süreçlerinde somut kriterler kullanabilmesini sağlamaktadır.

Avrupa ülkelerinde yine benzer bir yaklaşım kullanılmakta, ancak referans binalar özellikle kıta Avrupa'sında çok daha sınırlı şekilde tanımlanmaktadırlar. Amerikan yaklaşımında tasarım ekibinin aldığı kararlar referans binayı da etkilerken, Almanya gibi ülkelerde referans binaların enerji tüketim değerleri yasalarda mutlak değerler olarak verilmektedirler (örneğin belli bir kat sayısına sahip ve belli bir coğrafi bölgede bulunan bir ofis binasının ısıtma için kullandığı enerjinin senede maksimum 25 kWh/m2 olması gibi). Enerji modellemesi, tasarlanan binanın bu “benchmark” değerler ile karşılaştırılmasında kullanılmaktadır.

Enerji modellemesinin kullanımı bina tasarım ile sınırlı değildir. Binanın faaliyete geçmesinin ardından, yukarıda bahsettiğimiz kesin enerji tüketiminin hesaplanmasındaki hassasiyet eksikliği, enerji modellemesinin kalibrasyonu yoluyla aşılabilmektedir. Enerji modellemesi kalibrasyonu, binadaki tüm elektromekanik sistemlerin enerji tüketimlerinin, binanın çeşitli yerlerine dağılmış elektrik ve ısıl enerji sayaçları ile gerçekleştirilmektedir. Bu sayaçlar, örneğin bir sene boyunca tüm sistemlerin tek tek saatlik enerji tüketimlerini kaydetmektedirler (bina otomasyon sistemi bulunması durumunda bilgiler bu sistemde toplanmaktadırlar). Saatlik enerji tüketimleri, aynı bir senelik dönemdeki iklim bilgileri (dış hava sıcaklığı, güneş ışıması, rüzgar hızları) ile bir araya getirilerek, soyut enerji modellemesindeki ilişkiler daha hassas bir şekilde tanımlanabilmektedirler. Bu kalibrasyon, yine deneyimli enerji analistleri tarafından yerine getirilmektedir ve sonucunda varolan enerji modeli, hem beklenen enerji tasarrufunun yerine getirilip getirilmediğinin doğrulanmasında, hem de binanın gelecek operasyonel sürecinde verilecek kararların tam olarak ne gibi etkilerinin olacağının ortaya çıkarılmasında faydalı olmaktadır.

Tarafımızdan yapılan enerji modellemesi çalışmalarından birinde, İstanbul'da bulunan ve uluslarası bir firmaya ait mevcut bir binada yapılacak değişiklikler sonucunda senelik toplam enerji maliyetinde oluşacak yüzdelik azalmalar hesaplanmıştır. Toplam enerji maliyetinin simülasyonunda, bina iç ve dış aydınlatması, havalandırma ve egzoz fanları, yoğuşmalı kazan ve hava soğutmalı chiller ile beslenen iki borulu fan coil sistemi, su ve yangın pompalarının tüketimleri yanında, binada bulunan bilgisayarlar ve televizyon gibi tüketici elektroniği ürünleri ile bain marie, bulaşık makinesi, kahve makinesi gibi mutfak ekipmanlarının tüketimleri de dikkate alınmıştır. Yapılan farklı simülasyon çalışmaları ile, aşağıdaki enerji verimliliği önlemlerinin yıllık enerji tüketiminde % kaçlık azalmaya yol açacağı, hem her bir önlem için tek tek, hem de önlemlerin birlikte uygulanmaları durumları için hesaplanmıştır:

- Çatı izolasyonun arttırılması,
- “Low-E” düşük yayılım performansına sahip pencere camlarının takılması,
- Mevcut iklimlendirme sisteminin ısı pompalı VRF sistemi ile desteklenmesi,
- Tüm sistemlerin haftasonu ve geceleri otomatik olarak devreye sokularak bina içi sıcaklıkların 15 ºC'nin üzerinde tutulması,
- Su pompalarının frekans kontrollü pompalar ile ve fan coil ünite vanalarının iki yollu vanalar ile değiştirilmeleri,
- Tüm oda termostatlarının normalden bir derece düşük ısıtma ve bir derece yüksek soğutma değerlerine ayarlanması.

Bu enerji modellemesi çalışması sonunda mal sahibi, hangi önlemleri uygulaması durumunda en kısa geri dönüş süresine sahip olacağı bilgisine kesin bir şekilde ulaşmış ve kararlarını verirken bu çalışmanın sonuçlarından faydalanmıştır.

Ülkemizde enerji modellemesi yeni bir konu olmakla beraber, belli bir büyüklüğün üzerindeki projelerde uygulanma ihtiyacı, hem enerji performansına mal sahipleri tarafından verilen önem, hem de LEED veya BREEAM gibi yeşil bina sertifikasyon sistemlerinin gereksinimleri nedeniyle kendini göstermektedir. Buna karşılık, üniversitelerde veya meslek odalarında bu konuda herhangi bir mesleki eğitim verilmemektedir. Yapı sektörünün enerji tüketimini önemli derecede azaltmasına yol açabilecek bu konunun yapı sektörünün tüm oyuncuları tarafından yakından tanınmasının faydasının farkına varılması gerekmektedir.