A new approach to increase energy efficiency of luxury high-rise residential blocks in complex buildings by utilizing advanced HVAC systems

Abstract

Dünya geneline bakıldığında, artan insan nüfusu inşaat sektöründe büyük gelişmeler meydana getirmiş ve bina sayısının büyük oranda artmasına neden olmuştur. Bina sayısındaki bu artış ise gelecekte daha fazla enerji kaynağına ihtiyaç olacağı anlamına gelmektedir. Bununla birlikte, mevcut enerji kaynakları her geçen gün azalmakta ve daha fazla enerji kaynağı daha fazla CO2 salımı anlamına gelmektedir. Binalar, Avrupa Birliği'nde (AB) enerji tüketiminin yaklaşık %40'ından ve %36 oranında CO2 salımından sorumludur. Bu nedenle, özellikle binalarda enerji performansının iyileştirilmesi son yıllarda önemli bir konu haline gelmiştir.Binalarda enerji verimliliğinin arttırılması ve binaların enerji sınıflarının belirlenerek sertifikalandırılması için AB tarafından 2002 yılında `Binalarda Enerji Performans Yönetmeliği` (EPBD) yayınlamıştır. 2010 yılında bu yönetmelik güncellenmiş ve yeni yönetmelik (EPBD-recast) kapsamında `maliyet optimum enerji verimliliği` kavramı ortaya konulmuştur. EPBD-recast ile Avrupa ülkelerine binalarda maliyet optimum enerji verimliliği seviyelerini hesaplama zorunluluğu getirilmiştir. Bu yönetmelikte yer alan çerçeve yönteme göre, her ülkenin referans binaları ulusal bina stoğu dikkate alınarak tanımlanmalıdır. Daha sonra, bu binaların yıllık birincil enerji tüketimleri hesaplanmalı ve bu binaların enerji performanslarını geliştirmek için enerji iyileştirme önlemleri tanımlanmalıdır. Son olarak, ekonomik göstergeler dikkate alınarak duyarlılık analizleri yolu ile bu binaların ekonomik ömürleri boyunca uzun dönem toplam maliyetleri değerlendirilmelidir.EPBD 2010/31/EU yönetmeliğine göre, 2020 yılına kadar enerji tüketimini %20 oranında azaltmak ve sera gazı salımının tamamının 1990 seviyelerinin en az %20 altında kalmasını sağlamak amacıyla AB'nin enerji verimliliği artırılacaktır. Bu nedenle, toplam enerji tüketiminde yenilenebilir kaynaklarından elde edilen enerjinin oranı artırılacaktır. Türkiye, AB üyeliğine aday bir ülke olduğu için bu direktifte yer alan yükümlülükleri yerine getirmesi gerekmektedir. Bu nedenle, 2017 yılında Türkiye tarafından Ulusal Enerji Verimliliği Eylem Planı hazırlanarak, bina ve hizmetleri, enerji, ulaştırma, endüstri, teknoloji ve tarım alanlarında enerji tasarrufu hedeflenmiştir. Bu plana göre Türkiye'de yenilenebilir enerji kaynaklarının yüzdesi artırılarak 2023 yılına kadar enerji tüketimi azaltılacaktır.Bunun yanında, Türkiye'de 2013 yılında İTÜ'deki bir grup doktora öğrencisi tarafından EPBD-recast'da gösterilen bu çerçeve yöntem esas alınarak `Binalarda Maliyet Optimum Enerji Verimliliği Seviyesi için Türkiye Koşullarına Uygun Yöntemin ve Referans Binaların Belirlenmesi` başlığında TÜBİTAK destekli ulusal bir araştırma projesi başlatılmıştır. 2015'te tamamlanan araştırma sonunda yüksek katlı lüks konut binalarının enerji iyileştirmesinin arttırılabilmesi için daha ileri seviye de bir çalışma yapılması gerektiğine karar verilmiştir. Bu tez çalışması, ulusal araştırmanın bu sonucu temel alınarak geliştirilmiştir.Bu ulusal araştırmada, enerji performansına etki eden bina parametrelerinin belirlenmesi ve derlenmesi için birçok farklı bina tipolojisinin bir arada bulunması nedeniyle İstanbul iklim bölgesi seçilmiştir. Bu bölgedeki mevcut ve yeni binalara bakıldığında konut binalarının yoğunluğu diğer bina tiplerine göre daha yüksek olduğu için bu araştırmada konut binaları değerlendirilmiştir. Ayrıca, Direktif de çalışmalara konut binalarından başlamayı önermektedir. TÜİK'in (Türkiye İstatistik Kurumu) mevcut yapı stoku ile ilgili verileri kullanılarak araştırma için üç yapı tipi belirlenmiştir: tekil aile konutları, standart apartmanlar ve yüksek katlı lüks konut binaları. Daha sonra, bu binaların enerji performansları analiz edilmiş ve mevcut enerji performansları belirlenmiştir. Binaların mevcut enerji performanslarını iyileştirmek için önlemler geliştirilmiş ve sonrasında ise EPBD-recast'da belirtidiği gibi binanın ekonomik ömrü boyunca, ilk yatırım, bakım, işletme, enerji vb. maliyetlerin de içinde bulunduğu uzun dönem toplam maliyetleri hesaplanmıştır. Son olarak, yenilenen binaların enerji performanslarının ve uzun dönem toplam maliyetlerinin sonuçlarının eş zamanlı olarak karşılaştırılmasıyla bu binaların maliyet optimum enerji verimliliği seviyesi belirlenmiştir. Sonuçlara bakıldığında, yüksek katlı lüks konut binalarının enerji performansının diğer konut tiplerine göre beklenmedik bir şekilde değiştiği görülmüştür.Yüksek katlı lüks konut binaları, dünya genelinde üst-orta ve üst gelir gruplarının yaşadığı şehirlerde popüler hale gelmiştir. Ancak bu binaların inşa edilmesi ve işletmesi büyük miktarda enerji gerektirmektedir ve küresel ısınmaya neden olan önemli miktarda karbon salımına ve hava kirliliğine sebep olmaktadır. Yüksek katlı bu binalar çok fazla çelik ve çimento tüketir ayrıca bu malzemeleri üretmek çok fazla enerji gerektirir ve çok miktarda karbondioksit üretilmesine neden olur. Ayrıca, bu yüksek binaların inşası sırasında damperli, kamyonlar, güçlü vinçler ve pompalar gibi ağır makine ve ekipmanların kullanılması nedeniyle (örneğin, su ve betonun üst katlara pompalanması) önemli miktarda enerji tüketilirken yüksek oranda da karbondioksit üretilir. Ayrıca, yapı malzemelerini uzak mesafelerden (bazen dünyanın dört bir yanından) taşımak da yüksek enerji tüketimine ve muazzam karbondioksit üretimine sebep olmaktadır. Alternatif çevre dostu malzemeler (örneğin, çelik ve betondan daha küçük ekolojik ayak izine sahip olan yerel ahşap, toprak, kil veya çakıl), yüksek katlı lüks konut binalarının inşa edilmesi için uygun değildir. Dahası, lüks yüksek katlı konut binaları gerek mekanik gerek aydınlatma gerekse de güvenlik sistemleri sebebiyle yüksek oranda elektrik tükettiği için büyük miktarda enerji tüketir ve sera gazı üretirler. Mimarların, ısıl performansı iyi olmayan ve doğal havalandırma yapılamayan yüksek katlı bu binaları inşa etmesi bina sahiplerinin konforlu iç mekânlara sahip olabilmeleri için yaşadıkları mekânları sürekli olarak (yaz ve kış mevsimleri boyunca) ısıtmaları ve soğutmaları gerekliliğini getirmiştir. Böylelikle, bu binaları ısıtmak ve soğutmak için ihtiyaç duyulan enerji sadece pahalı olmakla kalmaz, aynı zamanda çevrede de büyük miktarda karbondioksit oluşturarak çevreye zarar verir. Bunlara ek olarak, kentsel ısı adası (KIA) etkisi, yoğun şehir içi mekânlarda sıcaklıktaki artışa işaret eder. Kentsel alanlardaki ısının yoğunluğu veya KIA, sıcaklığı 10-12 Fahrenheit artırabilir. Genel olarak, aşırı ısı meydana geldiğinde, yüksek katlı binaların bulunduğu şehirler diğer yerlerden daha fazla soğumaya ihtiyaç duymakta, bu da bina alanlarını serinlemek için daha fazla enerji ihtiyacı yaratmaktadır. Ayrıca, ısı dalgaları hem iç hem de dış mekân ısıl konforsuzluğu şiddetlendirir ve insan vücudu gece serinleyemediğinde bu, insanların sağlığını olumsuz yönde etkiler. Üstelik bu yapı tipleri, aşırı yükseklikleri nedeniyle rüzgâr yüklerinden tekil aile konutlarına ve apartmanlara kıyasla fazla etkilemektedir, dolayısıyla kullanıcıları değişen rüzgâr etkisi ve hava basıncından korumak için bu binalarda genellikle açılabilir pencere bulunmamaktadır. Sonuç olarak, bu binaların havalandırması doğal havalandırma ile mümkün olmamaktadır.Bu nedenle, bina kullanıcılarının ihtiyacı olan temiz havanın karşılanması amacıyla bu binalar için mekanik havalandırma sistemleri tasarlanmıştır. Ancak, mekanik havalandırma sisteminin yatırım maliyetine bu binaların diğer iklimlendirme sistemleri maliyetleri eklendiğinde, lüks yüksek katlı konut binalarının ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemi yatırım maliyeti diğer konut yapı tiplerine göre daha yüksek olmaktadır.TUBİTAK araştırmasının sonuçlarına göre, uygulanan standart verimlilik önlemlerinin tekil aile konutlarının ve standart apartmanların enerji performansını arttırmak için uygun ve yeterli olduğu görülmüştür. Ancak, aynı önlemlerin yüksek katlı lüks konut binalarının enerji performansını artırmakta yeterli olmadığı ve enerji kullanımındaki yıllık düşüşün tekil aile konutları ve standart apartmanlar kadar yüksek olmadığı tespit edilmiştir. Bu nedenle bu tez araştırmasında, genel olarak farklı fonksiyonlara sahip bina gruplarıyla aynı yapı içinde bulunan bulunan yüksek katlı lüks konut binlarının enerji verimliliğini arttırmak için ileri düzeyde önlemler geliştirilerek ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemlerinin enerji kullanımını gerek yenilenebilir enerji sistemlerini gerekse binalardan meydana gelen kayıp ısı enerjileri geri kazanımından faydalanarak azaltılması hedeflenmiştir.Bu araştırmaya başlamadan önce oldukça geniş kapsamlı bir kaynak araştırması yapılmış ve farklı ülkelerdeki binaların uzun dönem toplam maliyetlerini azaltarak enerji performansını arttırmaya yönelik farklı yöntemlerin sunulduğu çalışmalara ulaşılmıştır. Ancak Türkiye iklim şartlarındaki yüksek katlı lüks konut bina tipleri için uygulanan iyileştirme önlemlerinin yeterli olmadığı durumda ileri düzey iyileştirme önlemlerinin geliştirildiği ve binanın ısıtma, soğutma, havalandırma ve sıhhi sıcak su sistemlerinin enerji verimliliğini yenilenebilir enerji sistemlerinden ve binalardan meydana gelen kayıp ısı enerjisinin geri kazanımından faydalanarak arttırıldığı herhangi bir araştırmaya ratlanmamıştır.Bu tez araştırmasında sunulan yaklaşımda, karma yapı içinde bulunan yüksek katlı lüks konut binlarında kullanılan mekanik tesisat sistemlerinin tükettiği enerjinin hem yenilenebilir enerji sistemlerinden hem de çevredeki binaların kayıp ısı enerjilerinin geri kazanımından faydalanarak azaltılması ve bu yolla binanın ekonomik ömrü boyunca maliyetlerinin düşürülmesi adına farklı bir yöntem önerilmektedir. Ayrıca bu yeni yöntemde, binalarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanım oranının arttırılması ve her yıl binaların ısıtma sistemlerinin bacalarından atılan kayıp ısı enerjinin geri kazanımı hedeflenmektedir. Böylece gerek AB'nin EPBD 2010/31/EU direktifinde tanımlı 2020 hedefleri gerekse Türkiye'nin bu direktife göre geliştirdiği Ulusal Eylem Planı'nda yer alan 2023 hedeflerine ulaşabilmesi için bir yöntem önerisi sunulmaktadır. Bu amaçla, araştırma için 2 adet referans bina seçilmiştir. Birincisi, İstanbul'da yüksek katlı lüks konut binalarını temsil eden mevcut bir binadır. İkinci bina da aynı binadır; ancak binanın mekanik havalandırması, Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Standardı'nda (TS 825) konutlar için belirlenmiş olan taze hava oranına bağlı olarak yeniden tasarlanmış ve birinci binanın toplam taze hava miktarının yarıya düşürüldüğü bir bina haline getirilmiştir. Böylece, bu çalışmada önerilen sistemlerin verimliliğinde tasarım koşullarının da etkisi ortaya konulmuştur.Sonuç olarak, binanın ısıtılması, soğutması, havalandırılması ve sıhhi sıcak su ihtiyacı için önerilen sistemlerin yüksek katlı lüks konut binalarının yıllık birincil enerji tüketiminin düşürülmesinde standart/geleneksel önlemlerden çok daha verimli olduğu görülmüştür. Bununla birlikte önerilen bu yeni yöntem gerek Türkiye'deki gerekse Akdeniz iklimindeki konut binalarının mekanik sistem tasarımı için bir referans olacaktır. Bu konut tipi gerek farklı kullanım amaçlarına sahip binalarla aynıyapı içinde bulunması gerek karmaşık yapıdaki mekanik sistemleri gerekse diğer konut tipleriyle kıyaslandığında saydamlık oranının daha yüksek olması nedeniyle ticari binalara da benzerlik göstermektedir. Bu nedenle, bu araştırma neticesinde elde edilen yeni yaklaşım ile gelecekte Türkiye'deki ticari binaların enerji verimliliğinin arttırılması için yapılacak olan çalışmalara da rehberlik edecektir.

Looking at the worldwide, the construction industry has undergone major developments and the building quantity has been rising gradually due to increasing human population so that more energy resources will be needed in the future. However, current energy resources are reducing day by day, and more energy resources mean more CO2 emissions. Buildings are responsible for approximately 40% of energy consumption and 36% of CO2 emissions in the European Union (EU). Therefore, the improvement of energy performance has become an important issue especially in the buildings recently.In order to improve the energy efficiency of the buildings through assessing energy performance and certificate them, the EU published Energy Performance of Buildings Directive (EPBD) in 2002. This directive was revised and `cost optimum energy efficiency` concept was presented within the scope of EPBD-recast (EPBD 2010/31/EU) that has become valid by the revision of EPBD in 2010. The recast of the Directive introduced a comparative methodological framework for calculating cost optimal levels of minimum energy performance requirements. Furthermore, in all EU countries, it has been obliged to calculate the cost optimum energy efficiency levels of buildings by this recast directive. According to the methodological framework in this directive, the reference buildings of each country should be defined considering national building stock. Then, the annual primary energy consumptions of these buildings should be calculated and the energy improvements measures should be defined in order to develop the energy performance of these buildings. Finally, the global costs of these buildings should be assesed during the buildings' economic life taking into account the economic indicators by sensitivity analyzes.According to EPBD 2010/31/EU, the energy efficiency will be increased in the Union so as to achieve the objective of reducing by 20% the Union's energy consumption and allover the greenhouse gas emmisions will be at least 20% below 1990 levels by 2020. Therefore, the percentage of energy from renewable sources in the total energy consumption will be increased. Turkey is a candidate country for the membership of EU and should perform the obligations explaned in this directive. That's why, National Energy Efficiency Action Plan was prepared by Turkey in 2017 targeting energy savings in buildings and services, energy, transport, industry and technology and agriculture. With this plan, the energy consumption will be reduced until 2023 by enhanging percentage of renewable energy sources in Turkey.Therefore, in order to adapt this methodology in this directive, a group of Ph.D student from Istanbul Technical University (ITU) were began to study on the national research project which is entitled `Determination of Turkish Reference Buildings and National Method for Defining Cost Optimum Energy Efficiency Level of Buildings` supported by The Scientific and Technological Research Council of Turkey (TUBITAK) in Turkey in 2013. When the research was completed in 2015, itwas decided that further study should be performed in order to increase the energy improvement of high-rise luxury residential buildings in Turkey. This thesis study was improved considering this result of the national research.In this national research, Istanbul climate region was selected due to presence of many different building typhologies to define and collect the building parameters affecting the energy performance. Considering the existing and new buildings, the density of residential buildings is higher than the other types of buildings in Istanbul, so the residential buildings were evaluated in this research. Besides, the Directive suggests starting from residential buildings. The three residential building types were defined for the reaearch by utilizing of TUIK (Turkish Statistical Institute) data related to building stock: single family houses, standard apartments, luxury high-rise residential buildings. Then, energy performances of these buildings were analyzed and determined their current energy performance. Accordingly, the retrofit measures were developed to improve the their current energy performances then the global costs of these renovated buildings which includes initial investment, maintenance, running, energy costs and etc… were calculated during the economic life of building as specified in EPBD-recast. Finally, cost optimum energy efficiency level of these renovated buildings was determined by comparing the results of energy performances and global costs simultaneously. Looking at the results, it was seen that the energy performance of luxury high-rise residential buildings has changed unexpectedly compared to other residential building types.The luxury high-rise residential buildings have become popular in cities in which lives upper-middle and upper income groups in the world. However, these buildings' construction and operation require great energy and generate significant amounts of carbon emission and air pollution that contribute to global warming. They consume lots of steel and cement—manufacturing these materials requires lots of energy and generates large amounts of carbon dioxide. Furthermore, these buildings' construction requires great energy and generates considerable carbon dioxide because of operating heavy machinery and equipment such as powerful cranes and pumps (e.g., pumping water and concrete to upper floors) and dump trucks. Further, the luxury high-rise residential buildings consume great energy and generate significant greenhouse emission resulting from running mega electrical, mechanical, lighting, and security systems. Architects have built these kind of buildings with poor thermal performance and without natural ventilation, meaning that buildings' owners need to continuously heat and cool indoor spaces (in the winter and summer respectively) to make sure that tenants have comfortable indoor environments. As such, the energy needed to heat and cool these buildings is not only costly but also hurts the environment by generating massive carbon dioxide. Moreover, these building types are affected by wind loads more than single family houses and apartments due to their extreme height so there are no operable windows in these buildings to protect the occupants from variable wind effect and air pressure. As a result, the ventilation of these buildings is not possible via natural ventilation. Therefore, the mechanical ventilation systems are designed for these buildings in order to meet the required fresh air for occupants. When the investment cost of mechanical ventilation system is added to other conditioning systems costs of these buildings, the heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) system investment cost of luxury high-rise residential buildings become higher compared to other residential building types.According to results of TUBITAK research, the standard retrofit measures were suitable and adequate for increasing the energy performance of single family houses and standard apartments. However, these measures were not sufficient to increase theenergy performance of luxury high-rise residential building typology in this research and the increasing of energy improvement of this building type was not as high as single family houses and standard apartments. Therefore, in this thesis research, it is aimed to improve the energy efficiency of the luxury high-rise residential buildings, which are usually one part of the complex buildings'group, by reducing the energy usage of HVAC and DHW (Domestic Hot Water) systems throughout utilizing of the renewable energy systems and lost thermal energy of the buildings in the vicinity.A very comprehensive literature survey was undertaken before this thesis research and many studies were reached that provided different methods for increasing energy performance by reducing global costs during the economic lifetimes of buildings in different countries. However, no further investigation was undertaken which the advanced energy improvement measures are developed for Turkeys' national conditions when the standard/traditional measures for luxury high-rise residential buildings are not sufficient. Accordingly, there isn't any research for increasing the energy efficiency of HVAC and DHW systems used in these buildings in Turkey by utilizing the renewable energy systems and lost thermal energy of the buildings in the vicinity considering EPBD-recast.In this thesis research, a different method is suggested by using a new approach in order to reduce both annual primary energy consumption and global costs during the economic lifetime of the high-rise residential buildings by utilizing the renewable energy systems and the lost thermal energy of the buildings in the vicinity. In addition, it is aimed to reach the EU's 2020 targets defined in EPBD 2010/31/EU Directive and 2023 targets of Turkish National Action Plan by increasing the renewable energy portion in construction sector and recovering the thermal energy of exhaust gas of building heating systems. For this purpose, two case study buildings were chosen as reference building. The first one is an existing building, representing luxury high-rise residential buildings in Istanbul. The second one is also the same building but in this case, the amount of fresh air supplied by the mechanical ventilation system is half as much as the first one. The influence of design conditions has also been revealed on efficiency of the proposed systems in this study.As a result, it has been seen that the advanced renovations that are applied by this new approach for reducing the annual primary energy systems and global costs of luxury high-rise residential buildings are much more efficient than standard renovations. Accordingly, this new approach will become a reference for the proposed design of HVAC and DHW systems in the luxury high-rise residential buildings in both Turkey and Mediterranean climate. These types of residential buildings are similar to commercial buildings due to being part in the same structure with the other buildings that have different usage purposes, their complex mechanical systems and the higher transparency rates compared to other residential building types. Therefore, this approach will also guide the futher researches to improve the energy efficiency of commercial buildings in Turkey.