Optimization of energy consumption and thermal comfort in historic buildings: Case study of İzmir National Library building, Türkiye

Abstract

The 'library,' as a building type, is the visiting space of researchers and storage space of wisdom of past and present thinkers. Historic libraries host unique pieces of cultural heritage such as books, manuscripts, documents, maps, artifacts, paintings, sculptures, and frescos from the previous generations. The thesis aims to reduce energy consumption and improve occupants' comfort while paying attention to degradation risks of paper-based collections in the historic İzmir National Library Building, Türkiye. Thus, it examines building retrofit actions with different impact criteria and conducts the optimization tool to define the most optimal ones. First, three degradation risk assessment procedures were determined for the paper-based collections of the İzmir National Library Building. Within the scope of the thesis, the library building was monitored between 01.10.2016 - 01.10.2017. According to the results of the monitoring process, mechanical, chemical and biological degradation risk analyzes were carried out. The digital simulation model of İzmir National Library was prepared in DesignBuilder v. 7.0.0.102 software and calibrated monthly for a year via hourly air temperature data. Three retrofit optimization scenarios, i.e. neutral, low and high risk impact criteria, were defined by grouping different design variables such as glazing type, exterior door material, pitched roof floor construction, exterior wall construction, heating set point and cooling set point of HVAC system. The objective of optimization was reducing energy consumption and discomfort hours at the same time. The simulation results showed that all three retrofit actions reduced energy consumption and discomfort hours. Scenario 3 was the most successful among other scenarios, providing energy savings by 26.6% and reducing discomfort hours by 80.3%, according to the base case. Besides, there was no significant change in the degradation risk analyzes according to the base case.

Bir yapı tipi olarak 'kütüphane', araştırmacıların ziyaret ettiği ve geçmiş ve günümüz düşünürlerin bilgilerinin depolandığı bir alandır. Tarihi kütüphaneler, önceki nesillere ait kitaplar, el yazmaları, belgeler, haritalar, eserler, tablolar, heykeller ve duvar resimleri gibi kültürel mirasın eşsiz parçalarını barındırır. Bu tez, tarihi İzmir Milli Kütüphane Binası'nda bulunan kağıt eserlerin bozulma risklerini dikkat alarak, binanın enerji tüketimini azaltmayı ve bina sakinlerinin konforunu artırmayı amaçlamaktadır. Böylece, tez bina iyileştirme tedbirlerini farklı etki kriterleri ile inceler ve en uygun olanları tanımlamak için optimizasyon aracını kullanır. İlk olarak İzmir Milli Kütüphane Binası'ndaki kağıt eserlere üç adet bozulma risk değerlendirme yöntemi belirlenmiştir. Tez kapsamında, kütüphane binası 01.10.2016 – 01.10.2017 tarihleri arasında izlenmiştir. İzleme sürecinin sonuçlarına göre mekanik, kimyasal ve biyolojik bozunma risk analizleri yapılmıştır. İzmir Milli Kütüphanesi, DesignBuilder v. 7.0.0.102 yazılımında modellenmiş ve izleme sonuçları kullanılarak model kalibrasyonu yapılmıştır. Kalibrasyon sonrasında optimizasyonun tasarım değişkenleri olarak tanımlanan; cam tipi, dış kapı malzemesi, eğimli çatı zemin konstrüksiyonu, dış duvar konstrüksiyonu, ısıtma ayar noktası ve soğutma ayar noktası, nötr, yüksek ve düşük riskli güçlendirme etki değerlendirmesi açısından optimizasyon simülasyonu için kullanılmıştır. Optimizasyon simülasyonunun amacı, aynı anda enerji tüketimini ve konforsuz saatleri azaltmaktır. Simüasyon sonuçları, kütüphane binasına göre, bütün güçlendirme etki değerlendirmesi optimizasyon seçeneklerinin enerji ve konforsuz saatleri azalttığını gösterdi. Senaryo 3 diğer senaryolar arasında kütüphane binasına göre enerji tasarrufunu %26.6'lık oranla ve konforsuz saatleri %80.3'lük oranla azaltarak en başarılı senaryo olmuştur. Her üç optimizasyon senaryosunda da, temel duruma göre bozulma riski analizlerinde önemli bir değişiklik olmamıştır.