Konut binalarında enerji tüketimini azaltırken iç ısıl konforu iyileştirmek için çok amaçlı optimizasyon

Abstract

Son yıllarda yön gözetmeksizin yüksek cam-cephe oranı ile tasarlanan konut yapıları yaygınlaşmaktadır. Bu tasarım çözümleri başta aşırı ısınma olmak üzere, ısıl rahatsızlık ile yüksek enerji tüketimi ve soğutma yükü gibi sorunlara yol açmaktadır. Bu çalışmanın ana amacı, mevcut bir konut binasının enerji tüketimi ve ısıl konforu üzerinde en yüksek ve en düşük hassasiyete sahip tasarım değişkenlerini belirlemek ve enerji tüketimini azaltırken ısıl konforu iyileştiren optimum yenileme çözümlerini bulmaktır. Akdeniz iklim bölgesinde yer alan, 2019 yılında inşa edilmiş, güneye cepheli bir konut bloğu örnek olarak seçilmiştir. DesignBuilder'da oluşturulan model, saatlik iç mekan sıcaklık izleme verilerine göre sekiz aylık bir dönem için kalibre edilmiştir. Çalışma kapsamında belirsizlik ve duyarlılık analizi yapılmış, analiz sonuçlarına göre duyarlılığı düşük bulunan değişkenler dikkate alınmamıştır. NSGA-II algoritması kullanılmıştır. Altı adet iyileştirme senaryosu tanımlanmıştır: bina zarfı özelliklerini değerlendiren pasif olanlar, HVAC sistemi özelliklerini değerlendiren aktif olanlar ve ilk iki senaryoda alınan tüm tasarım değişkenlerini değerlendiren senaryolar. İlk üç senaryoda enerji tüketimini ve konforsuz saatleri en aza indirmek hedeflenirken, diğer üç senaryoda soğutma yükünü ve konforsuz saatleri en aza indirmek amaçlanmaktadır. Duyarlılık analizi sonuçlarına göre soğutma-ısıtma ayar noktası, gölgeleme tipi, sızma oranı, pencere duvar oranları her iki amaç fonksiyonu için de yüksek hassasiyete sahip değişkenlerdir. Isıtma sistemi çalışma takvimi, soğutma sistemi performans katsayısı, ısıtma sistemi verimliliği, iç duvar tipi ve pencere çerçeve tipi değişkenlerinin duyarlılığının düşük olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Üçüncü ve altıncı senaryolarda her iki amaç fonksiyonunun da temel duruma göre azaldığı optimum çözümler bulunmuştur. Bu senaryolarda, aşırı ısınma problemi hem aktif hem de pasif çözümler değerlendirilerek çözülmüştür.

In recent years, residential buildings designed with high window-to-wall ratios regardless of direction have become widespread. These design solutions cause thermal discomfort, especially overheating, and increased energy consumption and cooling load. The main aim of this study is to determine the most and least sensitive design variables affecting energy consumption and thermal comfort of an existing residential building and to find optimum retrofit solutions reducing energy consumption while improving thermal comfort. The south-facing residential block built in 2019, located in the Mediterranean climate region, was selected as the case. The simulation model created in DesignBuilder was calibrated according to hourly monitored indoor temperature data for eight-months period. Uncertainty and sensitivity analysis was performed due to eliminate the design variables with low sensitivity. NSGA-II algorithm was performed. Six retrofit scenarios were defined: building envelope features as passive ones, HVAC system features as active ones, and all design variables as combination. While the first three scenarios aim to minimize energy consumption and discomfort hours, the other three scenarios aim to minimize cooling load and discomfort hours. In conclusion, cooling-heating set point, shading type, infiltration rate, and window-to-wall ratios were defined high sensitivity variables. The heating system operating schedule, cooling system performance coefficient, heating system efficiency, partition wall type, and window frame type variables have low sensitivity for thermal comfort and energy consumption. Optimum solutions in which both objective functions decreased compared to the base case were found in the third and sixth scenarios. In these scenarios, the overheating problem has been solved by evaluating both active and passive solutions.