Bina enerji performansı değerlendirme araçları enerji simülasyonu

Bugün artık tüm dünyada, binaların tıpkı makineler gibi performanslarına dayalı olarak sınıflandırıldığı standartlar, yönetmelikler ve kodlar geliştirmekte ve uygulanmaktadır. 2002 yılında yayınlanan Avrupa Birliği Bina Enerji Performansı Direktifi doğrultusunda, Türkiye’de de son on yılda önemli yasal düzenlemeler hayata geçmiştir.

Bu bildiri kapsamında öncelikle performans simülasyonlarının genel tanımına yer verilmiş, çeşitli detay düzeyindeki bazı programlar hakkında bilgi verilmiştir. Bina enerji performansı yönetmeliklerinin genel gereklilikleri ile ülkemizde 2009 yılında yürürlüğe giren “Bina Enerji Performansı Yönetmeliği” incelenmiştir.

Dünyada geniş kullanım olanağı bulmuş olan 6 simülasyon programının kapasiteleri, yönetmeliğin beklentileri çerçevesinde sorgulanmıştır. Ayrıca BEP-tr ulusal yazılımı da bu çerçevede eleştirel olarak ele alınmıştır. Sonuç değerlendirme, hem ilgili değerlendirme araçlarının Türkiye’de kullanılabilme potansiyellerini ortaya çıkarmakta, hem de ulusal hesaplama yöntemi ile uyumlu yazılımlar için gerekenlerin tanımlanmasını sağlamaktadır.

1. Giriş

Bina performansının değerlendirilmesinde, söz konusu olan enerji performansı olduğunda, binanın hangi kriterlere dayalı olarak enerji etkinliğinin belirleneceğinin, standartlarca tanımlanması, yönetmelik ve yönergelerle de uygulama koşullarının açıklanması gerekir. Enerji etkin bina kavramı çerçevesinde, her ülkenin kendi yerel koşulları içinde geliştirdiği standart, yönetmelik ve yönergeleri vardır. Bina enerji yönetmelik ve standartları, binalarda enerji korunumu potansiyelinin farkına varılmasına ve binalarda enerji etkin tasarıma ilişkin talebin artmasına yardımcı olmaktadır. Bu aynı zamanda enerji etkin politikaların geliştirilmesi için bir temel oluşturulmasını sağlamaktadır.

Enerji etkin binanın başarısı, tasarımının başından itibaren, disiplinler arası bir ekip tarafından binaya, “entegre sistemler bütünü” olarak yaklaşılması ile sağlanır. Bu noktada performansın sınanması için tasarım sürecinin her aşamasında performans hesaplamaları gerçekleştirmek ve sonuçları tanımlı sınır değerler bağlamında yorumlamak üzere performans simülasyonlarından destek almak önemlidir.

Böylece farklı uzmanlık alanlarına sahip tasarım ekibinin ortak bir dil üzerinden tasarım performansının iyileştirilebilmesine yönelik karar alabilmesi sağlanır. Bu çalışma ile binalarda enerji performansının iyileştirilebilmesine yönelik kullanılan enerji simülasyon programlarının genel bir tanımı yapılarak, ülkemizde 2009 yılında yürürlüğe giren “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği” [1] çerçevesinde bu programların kullanılabilme kapasiteleri araştırılmaktadır.

2. Enerji simülasyonu nedir?

“Benzeşim” olarak da türkçeleştirilebilen simülasyon, karmaşık bir sistemin basitleştirilmiş bir modelini oluşturarak, gerçek sistemin davranışını tahmin etmek ve analiz etmek üzere bu modeli kullanma süreci olarak tanımlanabilir. Simülasyonun temel amacı, gerçek sistemden dikkatlice çekip çıkartılarak, sadece belirli gereklerle ilgili elemanların dikkate alınması ve göreli olarak daha önemsiz olanların göz ardı edilmesi ile gerçek sistem davranışını doğru olarak tahmin etmek üzere kullanılabilen bir model geliştirmektir [2].

Bina simülasyon programları, genellikle hesap yöntemlerine, modelleme düzeylerine, kullanım alanlarına göre sınıflandırılabilmektedir. Hendricx [3], bina simülasyonlarını binanın tasarımı sırasındaki boyut, biçim vb. bilgilerinin değerlendirilebildiği modelleme araçları, tasarım alternatiflerinin geliştirilmesine yardımcı tasarım araçları ve bina performansı yaklaşımlarını (enerji akışı, strüktürel dayanım, akustik vb.) değerlendiren analiz araçları olarak üçe ayırmaktadır.

Binaların performansa dayalı tasarımı söz konusu olduğunda, her üç kategori de önem kazanmakta ve tasarım süreci boyunca entegre bir bütün olarak çalışmaları ve değerlendirmeye dâhil edilmeleri gerekmektedir. Modelleme, tasarım ve analizi bir arada bulunduran, büyük, çok zonlu binalar ve bunların spesifik alanlara ait değerlendirmesini sağlayan, genellikle saatlik bazda ve her mekân için ayrı hesaplamalar gerçekleştirebilen araçlar, binanın entegre bir bütün olarak performansını analiz edebilen bina performans simülasyon programlarıdır.

Bu detaylı simülasyon programları, çoğunlukla ısıl sistemlerin etkileşimi, ısıtma ve soğutma yükleri ile enerji tüketim hesaplamaları için kullanıldığından “bina enerji simülasyon programları” olarak nitelendirilmekte ve genelleştirilmektedir.

Oysa ki günümüzde yaygın olarak, mekanların akustik performansı, yapay ve doğal aydınlatma performansı, bileşenler bazında malzeme performansı, yaşam döngüsü değerlendirme, yangın kaçış yolları vb. gibi yine detaylı analiz gerektiren farklı alanlardaki performans sorgusu da “bina performans simülasyonları” yardımıyla gerçekleştirilebilmektedir. Bina performans simülasyonu adım adım ilerleyen ve geri dönüşlerle beslenen bir süreçtir. Problemin analizi ile başlayıp, sonuçların tasarım sentezine dönüştürüldüğü bu süreç, aşağıda sıralanan adımlardan biri veya birkaçını içermektedir [2]:

  • Problemin veya tasarım gereklerinin analizi,
  • Modelden beklentiyle örtüşecek uygun simülasyon yazılımının seçilmesi,
  • Binanın ve sistemlerinin gerçeğe uygun, ilgili elemanlarına ve niteliklerine dayalı modelleme gerçekleştirilmesi,
  • Modelin yazılım gereklerine uydurulması (modelin kalibrasyonu),
  • İlgili koşulların (iç ortam konfor koşulları, iklim verisi vb.) düzenlenerek simülasyonun gerçekleştirilmesi,
  • Birçok değişken (enerji gerekliliği, maksimum yük, konfor parametreleri, emisyonlar vb.) yardımıyla simülasyon sonuçlarının analizi,
  • Sonuçların ilgili tasarım bilgisine dönüştürülmesi. Bugün, bina performans simülasyonunun tasarımcılara uzmanlıklarını daha etkin kullanma, genişletme ve iyileştirme olanağı sunduğu kabul edilmektedir. Simülasyon, tasarımcılar için sadece fikirlerin test edilmesinde değil, aynı zamanda yeni fikirlerin geliştirilmesi ve sunulmasında da önemlidir.
  • Bina ve sistemlerinin entegre tasarımının disiplinler arası bir ekiple yürütülmesi şarttır ve simülasyon, farklı disiplinler arasındaki iletişimi sağlamaya yönelik oldukça önemli bir teknoloji olarak da düşünülmelidir. Bina performans analizine yönelik pek çok simülasyon programı vardır ve gerek hesaplama yöntemleri, gerekse kullanıcı ara yüzleri bağlamında çeşitli detay düzeylerinde olmak üzere geniş bir yelpaze içinde yer almaktadırlar. Bir konuya ilişkin bir simülasyon programının seçimi,
  • (a) projenin gereklerine,
  • (b) analizin maliyeti ve süresine,
  • (c) kullanıcının deneyimine
  • (d) uygun simülasyon aracı verilerinin olanaklarına bağlıdır.
  • 3. Bina enerji performansı yönetmeliği

    3.1. Binalarda Enerji Performansı ile İlgili Avrupa Birliği Direktifi Avrupa Komisyonu’nun Kasım 2000’de yayınladığı “Avrupa’nın Enerji Kaynaklarına Ait Strateji” başlıklı Yeşil Bildiri’de (Green Paper), üç önemli noktaya değinilmiştir;

    Avrupa Birliği üye ülkelerinin dış enerji kaynaklarına bağımlılığı giderek artmaktadır ve genişleme süreci de bu durumu güçlendirmektedir. Eğer önlem alınmaz ise, 2030 yılında dışa bağımlılık %70’lere varacaktır.

    Bugün, Avrupa Birliği’nde sera gazı emisyonu artış eğilimdedir ve bu, iklim değişimine karşı geliştirilen tavır ve Kyoto Protokolü taahhütleri ile çelişmektedir.

    Avrupa Birliği, enerji kaynaklarına ait mevcut koşulları değiştirebilmek üzere sınırlı bir alana sahiptir. Talep açısından bakıldığında, Avrupa Birliği’nin, özellikle binalarda ve ulaşım sektöründe enerji korunumunu geliştirmek adına müdahalede bulunması şarttır [6].

    İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR: Bina uygulamalarında yıldırım ve aşırı gerilim koruması

    Bu görüşler ışığında enerji kullanımında, mümkün olan her alanda tasarruf etmek zorunluluğu için yeterli gerekçenin olduğu görülmektedir. Konut sektörü ve üçüncül sektör (endüstri binaları dışında kalan ofis, alışveriş, otel, restoran, okul, hastane, spor merkezi, kapalı yüzme havuzu vb. binaları kapsayan sektör) özellikle ısıtma, aydınlatma ve çeşitli ekipmanın en yoğun kullanıldığı alanlar olarak tespit edilmiş ve yapılan çeşitli araştırmalar ve uygulamalar sonucunda, diğer sektörlere kıyasla bu alanda önemli enerji tasarruf potansiyeli olduğu görülmüştür.

    Yeşil Bildiri, bu noktadan hareketle, yeni teknolojilerin desteklenmesi ve teşviki için yürütülen Birlik programlarının pek çok üye ülkede enerji etkin binalar için yeni standartların uygulanmasını ortaya çıkaracak başarıya ulaşamadığını ifade etmektedir.

    Aynı zamanda Mart 2000’de yürürlüğe giren Avrupa İklim Değişikliği Programı’nın en önemli başlıkları da binalardaki enerji korunumu ve buradaki potansiyeli değerlendirecek olası önlemlere ilişkindir. Tüm bu gerekçeler göz önünde bulundurularak, Mayıs 2001’de teklif olarak Komisyon’a sunulan “Binaların Enerji Performansı” ile ilgili direktif, 16 Aralık 2002’de Avrupa Birliği resmi yayın organında yayınlanarak yürürlüğe girmiştir.

    3.2. Türkiye’de Durum Türkiye de Avrupa Birliği ülkeleri ile benzer yaklaşımlar içinde, Avrupa Birliği’ne uyum süreci içerisinde, yeni yasal düzenlemeler getirmekte, mevcut yasalarını revize etmekte, enerji tasarrufu ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına ilişkin düzenlenen yeni standart ve yönetmelikleri uygulamaya sokmaktadır.

    Bu yasal düzenlemelerin en önemlisi “Binalarda Isı Yalıtımı Yönetmeliği”ni yürürlükten kaldıran “Binalarda Enerji Performansı (BEP) Yönetmeliği”dir. Avrupa Birliği’nin 2002/91/EC sayılı çerçeve direktifi doğrultusunda Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği 05 Aralık 2008 tarihinde Resmi Gazete’de yayımlanarak 05 Aralık 2009 tarihinde yürürlüğe girmiştir.

    BEP Yönetmeliği’nin amacı, “dış iklim şartlarını, iç mekân gereksinimlerini, mahalli şartları ve maliyet etkinliğini de dikkate alarak bir binanın bütün enerji kullanımlarının değerlendirilmesini sağlayacak hesaplama kurallarının belirlenmesini, birincil enerji ve karbondioksit emisyonu açısından sınıflandırılmasını, yeni ve önemli oranda tadilat yapılacak mevcut binalar için minimum enerji performans gereklerinin belirlenmesini, yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulanabilirliğinin değerlendirilmesini, ısıtma ve soğutma sistemlerinin kontrolünü, sera gazı emisyonlarının sınırlandırılmasını, binalarda performans kriterlerinin ve uygulama esaslarının belirlenmesini ve çevrenin korunmasını düzenlemek” olarak belirtilmiştir [1]. Burada söz konusu olan birincil enerji için, binaların ısıtma enerjisi tüketimi, soğutma enerjisi tüketimi, aydınlatma enerjisi tüketimi ve sıhhi sıcak su üretimi için harcanan enerjinin toplamından söz edilmektedir.

    İLGİNİZİ ÇEKEBİLRİ: Bina ve Sanayide Enerji Yönetimi’ni “…-mış” gibi değil gerçekten yapmak için…

    Bu Yönetmeliğin bir gereği de her bina için “Enerji Kimlik Belgesi” hazırlanmasıdır. Enerji Kimlik Belgesi’nin hazırlanmasında kullanılacak olan Bina Enerji Performansı Hesaplama Yöntemi, binanın enerji tüketimine etki eden tüm parametrelerin, binaların enerji verimliliğine etkisini değerlendirmek ve enerji performans sınıfını belirlemek için konutlar, ofisler, eğitim binaları, sağlık binaları, oteller ile alışveriş ve ticaret merkezleri gibi yönetmeliğin kapsamındaki mevcut ve yeni tüm bina tipleri için enerji performansını değerlendirmek amacıyla oluşturulmuştur.

    Bina Enerji Performansı Hesaplama Yöntemi;

    • 1. Binanın ısıtılması ve soğutulması için ihtiyacı olan net enerji miktarının hesaplanmasını,
    • 2. Net ısıtma ve soğutma enerji ihtiyacını karşılayacak sistemlerden olan kayıpları ve sistem verimlerini de göz önüne alarak binanın toplam ısıtma ve soğutma enerji tüketiminin belirlenmesini,
    • 3. Havalandırma enerjisi tüketiminin belirlenmesini,
    • 4. Binalarda günışığı etkileri göz önüne alınarak, günışığından yararlanılmayan süre ve günışığının etkili olmadığı alanlar için aydınlatma enerji ihtiyacının ve tüketiminin hesaplanmasını,
    • 5. Sıhhi sıcak su için gerekli enerji tüketiminin hesaplanmasını kapsamaktadır [7]. Bu hesaplama yöntemine dayalı olarak, Türkiye şartları için uygun ulusal bir yazılım geliştirilmiştir. Bu yazılımın, binalarda enerji kimlik belgesinin düzenlenmesini öngören ilgili yönetmelikte, kimlik belgesi vermekle yetkilendirilmiş uzmanlar tarafından kullanılması zorunlu kılınmıştır. BEP-tr ulusal yazılımında, binaların ısıtılması ve soğutulması için ihtiyaç duyulan enerjinin hesaplanmasında temel alınan standart, TS EN ISO 13790’dır.

    4. Değerlendirme

    BEP Yönetmeliği esaslarına dayalı olarak, Yönetmelik gereğince, BEP-tr ulusal yazılımının kullanılması zorunlu olsa da, büyük, karmaşık yapıda, çok zorlu binaların gerçeğe yakın enerji tahminleri ile performanslarının daha iyi bir noktaya taşınabilmesini sağlamak üzere, detaylı simülasyon programları desteğine de ihtiyaç duyulmaktadır. Erten ve Yılmaz [8] da söz konusu olan enerji analizi olduğunda basitleştirilmiş hesap yöntemleri ile elde edilen sonuçların yanıltıcı olabileceği ve binanın sonuç performansının iyileştirilmesinde kullanılamayacağını belirtmektedir. Bu nedenle bu çalışma ile yeni tasarlanacak binaların performansının belirlenebilmesinde performans simülasyonlarının önemi vurgulanmak istenmektedir.

    Sonuç

    Binalarda enerji performansının iyileştirilebilmesine yönelik yapılacak analiz çalışmalarında beklentinin, tasarım süreci başından itibaren alternatifler içinden seçim yapmaya dayalı bir yaklaşım olması gerekmektedir. BEP-tr yazılımı gibi proje tasarımı sona erdikten sonra performans doğrulamasının yapılacağı analiz araçları bile, farklı uygulamalarla sonuçlardaki değişimin ve iyileştirmenin görülmesini sağlayabilecek nitelikte olmalıdır.

    Enerji analiz programları çoğunlukla süreç içinde “Bunu nasıl gerçekleştirebilirim” sorusunun cevabını değil, “Bunu yaptığımda ne olur” sorusunun cevabını aramak için kullanılmaktadır. Eğer tasarımcı en iyi tasarım seçeneğini yakalayabilmek için tasarım seçeneklerini test etmek isterse, her bir öneri seçeneği ayrı ayrı simüle ederek sonuçlarını karşılaştırmak zorundadır.

    Tasarımcının ulaşmak istediği asıl amaca bağlı olarak, tasarım seçenekleri içinden seçim yapmak üzere, parametre değerleri azaltılarak veya çoğaltılarak ve sonuçları karşılaştırılarak en iyi sonucu vereni bulmaya çalışmaktadır. Sonuçta aslında tasarımcı analiz programına “Bunu yaptığımda ne olur” sorusunu sorup, analiz ve karşılaştırma gerçekleştirerek “Bunu nasıl gerçekleştirebilirim” sorusunun cevabını bulmaya çalışmaktadır. Bu nedenle tasarım araçları halen çeşitli tasarım parametreleri değiştirilerek sonuçlarının karşılaştırılması ve değerlendirilmesine yönelik pratik yarar sağlamaktadır [2]. Bu çerçeveden bakıldığında, BEP-tr gibi ulusal bir yazılımın tasarım sürecinin başından itibaren hem mimarlarca hem de ilgili mühendislerce kullanılması son derece önemlidir.

    Aslında, BEP ulusal hesap yönteminde ayrıntısıyla yer alan çoğu parametrenin (içsel kazançlar, hava değişim oranları, güneş kazançları, ısıl kapasite vb.), kullanıcının seçimine bırakılmadan varsayılarak hesaplamalara dâhil edilmesi önemli sıkıntıları beraberinde getirmektedir.

    Enerji analiz programlarının modelleme ve hesaplama sürecinde, BEP-tr yazılımından beklenenler aşağıda sıralanmaktadır [9]: Modelleme: Her ne kadar basit bir model kurgulanması yeterli olacaksa da, modelden beklenen, gerçeğe uygun boyut, biçim ve yüzey özellikleri gibi değerlendirmede önemli parametreleri göz ardı edecek kadar basitleştirilmiş olamaz. “Varsayım” zorunluluğunu en aza indirecek önlemler geliştirmek ve kullanıcının seçimini etkin kılacak bir arayüz oluşturmak gereklidir.

    Bilgi eksikliği giderilmediği sürece, bilinçsizce yapılan seçimler, yanlış yönlendirmelere ve başarısız sonuçlara neden olabilir. Bu aşamada uzman gerekliliği şarttır. Hesaplama: Net verilerle tanımlanmayan bilgilerin (örneğin HVAC sistem bileşenleri ve işletimi) hesaplamanın çalıştırılabilmesi için kabul edilmesi aşamasında, “akıllı kabuller”in devreye girmesi ve kullanıcının programın kabullerine güveniyor olması gereklidir. Akıllı kabulleri tanımlamak oldukça zordur.

    Sonuçların Analizi

    Elde edilen sonuçlar ile değerlendirmeden beklentilerin çakışabiliyor olması şarttır. Bu beklentinin baştan belirlenmiş olması, karşılaşılacak pek çok sorunu önceden çözecektir. Tüm bunlara ek olarak, ulusal yazılımın bir “tasarım analizi” değil, “sonuç performansı belirleme” programı olduğu düşünüldüğünde, binaya ilişkin tüm detaylı bilginin kullanıcı tarafından tanımlanabilir olması gerekmektedir. Bu noktada “varsayım”a ve “akıllı kabuller”e neredeyse hiç gerek kalmamalıdır. Ulusal yazılımın söz konusu olan sıkıntılarının giderilmesi ile gelişmiş yeni bir ulusal yazılımın elde edilmesi asıl hedef olmalıdır.

    Bu yazılımın geliştirilmesi aşaması devam ederken uluslararası düzeyde kabul görmüş, analizin karmaşıklık düzeyine uygun simülasyon programlarından biri ya da bir kaçı seçilerek, kurslar ve çalıştaylar aracılığı ile kullanıcılar eğitilmeli, BEP Yönetmeliği’ne uygun analizlerin yapılması sağlanmalıdır. Hatta bu seçilen programlara, Enerji Kimlik Belgesi (EKB) için gerek koşulların tanımlandığı bir modülün eklenmesi ile EKB’nin doğrudan bu programlar yardımı ile oluşturulması sağlanabilmelidir.

    KAYNAKLAR
    [1] BEP, Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, Bayındırlık Bakanlığı, 2010.
    [2] Hensen, J. L. M., “Simulating Building Performance: Just How Useful Is It?”, REHVA Journal, nr. 4, Federation of European Heating, Ventilating and Air-conditioning AssociationsREHVA, Brussels, 18-24, 2003.
    [3] Hendricx, A., “A Core Object Model For Architectural Design”, PhD Thesis, Catholic University Louvain, Department of Architecture, Belgium, 28-30, 2000.
    [4] Hui, S. C. M., “Using Performance-based Approach in Building Energy Standards and Codes”, In Proc. Of the Chonqing-Hong Kong Joint Symposium 2002, 8-10 july, Chongqing, China, A52-61, 2002. [5] Briggs, R. S., Brambley M. R., “Whole Building Energy Targets: A Methodology for Future Performance-Based Standards”, Proc. of Building Simulation ’91 Conference, IBPSA, August, 20-22, Sophia-Antipolis, Nice, France,631-637 (1991).
    [6] CEC, “Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings”, Presented by The Commision of the European Communities, Brussel, Belgium, 3-8, 2001.
    [7] Bayram, M., “BEP-tr Hesaplama Yönteminde Referans Bina Kavramı ve Enerji Sınıflandırması”, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 13-16 Nisan, İzmir, 2011.
    [8] Erten, D., Yılmaz, Z., “LEED ve BREEAM Sertifikalarında Enerji Performans Değerlendirmesinin Karşılaştırılması”, X. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, 13-16 Nisan, İzmir, 2011, 1541-1552.
    [9] Ulukavak Harputlugil, “Assessing the Accuracy of National Calculation Methodology of Turkiye (BEP-tr) by Using BESTEST”, ICONARCH-I, Proceedings of International Congress of Architecture-I, 15-17 November, Konya, Turkiye, pp. 66-75, 2012.
    [10] Autodesk Ecotect Analysis, http://www.autodesk.com.
    [11] Energy-10, http://www.nrel.gov/buildings/energy 10.html.
    [12] Doe-2, http://www.doe2.com. [13] Energy-Plus, http://