Theoretical Modeling Of The Energy Efficiency Of A Shopping Mall
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: HAMZA ABUALESS
Danışman: Kadir Bilen
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:MNG Alışveriş Merkezi'nin enerji ayak izini azaltmak için yaptığı çalışmaları anlatıyor. Isıtma ve soğutma ayar noktası sıcaklıklarındaki değişiklikler, HVAC sistemi için ısı geri kazanımı eklenmesi, VAV'ın CAV hava dağıtım sistemine dönüştürülmesi ve duvar yalıtımı ve bağlantı programlarının değiştirilmesi kullanıldı. Bu prosedürlerin etkinliği, yakın gözlem ve istatistiksel analiz yoluyla ölçülmüştür. Alışveriş merkezi, her şeyi kapsayan bir strateji benimseyerek enerji faturasında çok para kazanmayı başardı, operasyonlarında daha verimli hale geldi, çevre üzerinde daha az etkiye sahip oldu ve sürdürülebilir bir kültürü teşvik etti. Bu vaka çalışmasından elde edilen içgörüler, diğer ticari binaların enerji verimliliklerini iyileştirmelerine yardımcı olabilir. Enerji verimli inşaat ve yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda irdelenmektedir. Binalar için temiz enerji üretimine örnek olarak güneş panelleri, rüzgar türbinleri ve jeotermal sistemler verilebilir. MNG Alışveriş Merkezi binası beş kattan oluşmaktadır; ilk iki kat otopark, zemin katın yarısı otoparka, diğer yarısı birinci katta perakende mağazalara, ikinci kat ise restoranlara ayrılmıştır. Toplam kullanım alanı yaklaşık 160 bin m2'dir. MNG 39.95 enlem, 41.17 boylam ve 4B ASHRAE iklim kuşağıdır. MNG Alışveriş Merkezi'nin dış yapısı, Malzemelerde İçeren Karbon ve Envanter için eşdeğer CO2 alt toplamının 59204916,8 (kgCO2) ve Gömülü Karbon Ara Toplamının 6826838,0 (kgCO2) olduğunu detaylandırır. Yapılarda Oluşan Karbon ve Envanter için eşdeğer CO2 ara toplamı 6826837,00 (kgCO2) ve Yapılaşmış Karbon Ara Toplamı 6599610,18'dir (kgCO2). Ve Glazing Gömülü Karbon ve Envanter için ara toplam eşdeğeri CO2 121491,7 (kgCO2) ve Gömülü Karbon Alt Toplamı 121491,7 (kgCO2)'dir. Ve MNG Alışveriş Merkezi için alt toplam eşdeğeri CO2 6948328,7 (kgCO2) ve Gömülü Karbonun Alt Toplamı 6721101,8 (kgCO2)'dir. DesignBuilder modelleme Bu tez çalışmasında MNG Alışveriş Merkezi binasının enerji performans analizi 160 bin m 2 inşaat alanına sahiptir. MNG Alışveriş Merkezi binası beş kattan oluşmaktadır; ilk iki kat otopark, zemin katın yarısı otopark, diğer yarısı ise perakende satış mağazaları; birinci kat perakende mağazaları, ikinci kat restoranlar yapılmıştır. Bu amaçla yapı ilk olarak Revit programında üç boyutlu olarak modellenmiş ve tanıtılmıştır; ardından EnergyPlus v8.9 simülasyon motoru ile DesignBuilder v6.1.0.6 programına aktarılmıştır. Bina kat kat Revit'te modellendi ve par ile modellenmeye başlandı; yer altındadır. Otopark katları hariç tüm katlar aynı koşullarda modellenmiştir. Ardından DesignBuilder programlarına aktarılmıştır. Çalışma mevcut bir bina için yapıldığından tüm mimari ve mekanik tesisat projeleri verilmiş ve bu projeler binanın DesignBuilder'da tanıtılmasında kullanılmıştır. Ayrıca binada ve binanın bulunduğu alanda saha çalışması yapılarak yapının tüm bölümleri gezildi. Bina enerji yöneticisi ile istişare edilerek, projeden farklı olan sistemlerdeki değişiklikler not edilerek modelleme ve bina tanıtımında kullanılmıştır. EnergyPlus simülasyon motoru EnergyPlus, hesaplamalarında saatlik iklim verilerini kullanır ve geri bildirimleri dikkate alarak ısıtma ve soğutma yüklerini entegre bir şekilde hesaplar. Hesaplama sonuçları tercihe göre saatlik, aylık veya yıllık olarak alınabilir. Bu, EnergyPlus simülasyon motorundan ayrıntılı hesaplama sonuçları almayı mümkün kılar. Simülasyon sonucunda HVAC sistem tasarımlarının bina yükleri, CO2 üretimi ve enerji tüketimleri yıllık, aylık ve saatlik olarak hesaplanmıştır. simülasyon sayesinde elde edilen enerji tüketimleri, ölçülen gerçek enerji tüketimleri ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra makul yatırımlar ile tüm enerji tüketim sistemlerindeki enerji ihtiyacı minimize edilmiştir. Ayrıca binanın CO2 üretimi de incelenmiştir. Binanın ısıtma ve sıcak su ihtiyacı için doğalgaz tüketiminden CO2 üretimi hesaplanmıştır. CO2, elektrik tüketimi üretiminden kaynaklanırken, EnergyPlus hesaplamasında bulunan algoritmada ve binanın karbon emisyon faktörü ile toplam elektrik tüketimi çarpılarak elde edilir. Bina modellenirken ve tanıtılırken, binanın geometrisi, binanın yönü, HVAC ve aydınlatma sistemlerinin özellikleri, bina bileşenlerinin tanımı, bölgelerin kullanım amacı, iç ısıl kazançlar, konfor koşulları ve binanın bulunduğu yere ait saatlik güncel meteorolojik veriler programa girilir. Araştırma Sonucu ve Tartışma MNG Alışveriş Merkezi binası beş kattan oluşmakta olup, ilk iki kat otopark, zemin katın yarısı otopark, diğer yarısı perakende mağazalar, birinci kat perakende mağazalar, ikinci kat ise restoranlar olarak hizmet vermektedir. Toplam kullanım alanı yaklaşık 160 bin m2'dir. Bu tez çalışmasında, incelenen bina design-builder v6 (EnergyPlus v8.9) ile simüle edilmiş ve binanın enerji tüketimi, dahili ısı kazançları, ısı kayıpları, ısıtma yükü ve CO 2 üretimi hesaplanmıştır. simülasyondan elde edilen enerji tüketimi (doğal gaz ve elektrik) ile gerçek enerji tüketimi karşılaştırılmıştır. MNG binasının aylık fiili doğal gaz tüketimini, MNG alışveriş merkezi binasının tüm yıllara ait gerçek enerji tüketim değerleri olarak gösterir. 2018'den 2021'e kadar olan enerji tüketim değerleri kullanılarak tüm yıllar için gerçek aylık güç kullanımı. Örneğin, aylık tüketim değeri yıllık ortalamadır. her ay, tüm yıllar boyunca MNG binaları tarafından tüketilen ortalama fiili doğal gazı gösterir. binanın enerji tüketimini en aza indirmek için yapılacak çalışmalar kapsamında, tüm yıllar için aylık ortalama fiili elektrik tüketimi. Güç ölçerdeki okumalar, tesisin enerji yöneticisinin binanın tüketimi olarak kaydettiği değerlerdir. bu bulgular MNG alışveriş merkezinin yıllık enerji tüketiminin 36.549.082,95 kwh olduğunu göstermektedir. Bu kullanımın yüzde 71,86'sını doğalgaz, yüzde 28,14'ünü ise elektrik oluşturuyor. Bina yıllık olarak tahmini 228,43 kwh/m2 enerji tüketimi kullanmaktadır. Simulasyon sonuçları EnergyPlus binanın aydınlatma, ısıtma, soğutma, havalandırma ve iklimlendirme sistemlerini ve sıcaklık, hız ve basınç dağılımını simüle edebilir. Isıtma ve soğutma planı, yaşanması beklenen en soğuk ve en sıcak sıcaklıklarla başa çıkmak için gerekli ısıtma ve soğutma sistemlerinin boyutunu belirler. Erzurum için DesignBuilder program hesaplaması, HVAC bileşenlerinin çalışması gereken sıcaklık aralığı için minimum -29,1°C ve maksimum 30°C'yi kullanır. MNG sahasının koordinatları (39.95, -41.17) ve ASHRAE iklim sınıflandırması 4B'dir. Erzurum açık hava kuru termometre sıcaklığı. Ortalama kuru termometre sıcaklığı, Ocak ayında yaklaşık -2,82 santigrat derece ile Temmuz ayında yaklaşık 25,6 °C arasında değişmektedir. Atmosferik basınç değerinin aylara göre değişimi. Şekilden de görüleceği üzere atmosfer basıncı Şubat ayında 85765,66 Pa ile en düşük değerine ulaştı. Sahibi olurken -en yüksek değerine Aralık ayında 86712.01Pa ile ulaşıyor.Rüzgarın yön değişimi görülür. Aylara göre rüzgar yönü, çok şey değiştirir. Rüzgar yönü genellikle 54,57° ile 129,91° arasında değişmektedir. Bölgenin rüzgar hızı 1,88 m/s ile 5,04 m/s arasında değişmektedir. Rüzgar hızı kışın düşük iken, ilkbahar ve yaz aylarında nispeten daha yüksektir.MNG binasına gelen aylık güneş enerjisi miktarındaki değişim. Direkt normal güneş enerjisi yaz aylarında artarak maksimuma ulaşır ve Haziran ayında maksimum 119,46 kWh/m2'ye ulaşmıştır. Yayılan yatay güneş enerjisi ise, yazın Temmuz ayındaki artışla ayda 116,7 kWh/m2 ile maksimum seviyeye ulaştı. MNG Alışveriş Merkezi binası iç ısı kazançları, bölge duyulur ısıtma ve bölge duyulur soğutma yüklerinin aylara göre değişimi. En yüksek dahili ısı kazancı aydınlatmadan oluşur. Bu dahili ısı kazancını, dış pencere güneş enerjisi kazancı ve insanlardan, cihazlardan ve yemek pişirmeden elde edilen kazançlar takip eder. En yüksek bölge duyulur ısıtma yüküne 1,14 GWh ile Ocak ayında ulaşıldı.Enerji tüketiminin gerçekleştiği sistemler ve bu sistemlerde enerji tüketim miktarlarının aylara göre değişimi. En yüksek enerji tüketimi ısıtma yükünü karşılamakta ve 3,32 GWh ile Ocak ayında en yüksek değerine ulaşmaktadır. Kullanılan ısıtma yükünün karşılanmasında, kış aylarında doğalgaz tüketimi artarken soğutma grubu elektrik tüketimi sıfırdır. Yaz aylarında ısı üretiminde kullanılan doğalgaz tüketimi azalırken, soğutma grubunun elektrik tüketimi artıyor. Diğer değişkenlerin enerji tüketimi yıl boyunca neredeyse sabittir. Oluyor. MNG Alışveriş Merkezi binasının sistemlere göre yıllık enerji tüketim değerleri. MNG Alışveriş Merkezi'nde tüketimi en fazla olan sistemler ısıtma ve aydınlatma sistemleridir. Isınma için tüketilen enerji 12,06 MWh iken, aydınlatma için tüketilen enerji 7,23 MWh'dir. MNG Alışveriş Merkezi binasının aylık CO 2 üretimi. Binanın doğal gaz ve elektrik tüketimi sonucunda CO2 üretimi oluşmaktadır. Şekilden de görüleceği üzere CO2 üretimi kış aylarında artarken yaz aylarında azalmakta ve yıllık toplam CO2 üretimi 1.211.803 kg'a ulaşmaktadır. Senaryolar ve Stratejiler MNG Alışveriş Merkezi binasının CO2 üretimini ve enerji tüketimini azaltmak için beş senaryo ve strateji bulunmakta ve sonucu gösterilmektedir: 1. Isı geri kazanımı ekleme Mevcut klima santrallerine ısı geri kazanımı eklenerek toplam enerji tüketimi azaltılabilir. 2. Isıtma ayar noktası sıcaklıklarını değiştirin. Toplam enerji tüketimi, zeminin ısıtma ayar noktası sıcaklıklarını önerilen aralıklara düşürerek veya artırarak azaltılabilir. 3. Soğutma ayar noktası sıcaklıklarını değiştirin. Toplam enerji tüketimi, zeminlerin soğutma ayar noktası sıcaklıklarını tavsiye edilen aralıklara düşürerek veya artırarak azaltılabilir. 4. Hava dağıtım sisteminin VAV'dan CAV'a uyarlanması mevcut hava dağıtım sistemini VAV'dan CAV'a uyarlayarak enerji tüketimini azaltın. 5. Poliüretan duvar izolasyonu. MNG Alışveriş Merkezi binasının duvar yalıtım tipi yün taştan Poliüretana değiştirilerek toplam enerji tüketimi azaltılabilir. Senaryolar ve stratejiler ile aralarındaki farklar hakkında bilgiler, örneğin: • Tüm en yüksek CO2 üretim ayları stratejileri arasında en yüksek değer VAV stratejisidir. Ocak ayında yaklaşık 1480181 değerindedir. En yüksek aylık stratejiler arasında CO2 üretiminin en düşük değeri, OCA'da yaklaşık 900065,3 değerinde ısı geri kazanım stratejisi eklemektir. • En düşük ay stratejileri arasında en yüksek CO2 üretimi değeri VAV stratejisidir. HAZİRAN'da yaklaşık 819814,6 değerinde. Tüm en düşük strateji ayları arasında CO2 üretiminin en düşük değeri, HAZİRAN'da yaklaşık 541911,3 olarak değerlenen temel oluşturma stratejisidir. • Tüm stratejiler arasında en yüksek yıllık CO2 üretimi değeri VAV'dır. Yaklaşık 12336878.3 değerindedir. Ve tüm stratejiler arasında en düşük yıllık CO2 üretimi değeri, yaklaşık 8407590,8 değerindeki Poliüretan Duvar yalıtımıdır. • CO2 üretimi için en iyi tasarruf stratejisi, ısı geri kazanımını eklemektir. Yaklaşık 1142461.4 değerindedir. Ve CO2 üretiminin en kötü stratejisi VAV'dır; yaklaşık -3334850.9 değerindedir. • Stratejilerin en yüksek ayları arasında en yüksek enerji tüketimi değeri, OCA'da yaklaşık 4970477 değerle VAV stratejisidir. En yüksek stratejiler arasında en düşük enerji tüketimi değeri ise Temmuz ayında yaklaşık 3582905 değerle ısı geri kazanım stratejisidir. • Stratejilerin en düşük ayları arasında en yüksek enerji tüketim değeri VAV stratejisidir. Nisan ayında yaklaşık 2724284 değerindedir. Temel oluşturma stratejisi, stratejilerin en düşük aylarının tümü arasındaki en düşük enerji tüketimi değeridir. MAYIS ayında yaklaşık 1356465 olarak değerlenir. • Tüm stratejiler arasında en yüksek yıllık enerji tüketimi değeri, yaklaşık 45993784,21 değerindeki VAV'dir. Ve tüm stratejiler arasında en düşük yıllık enerji tüketimi değeri ısı geri kazanımıdır. Yaklaşık 27472593,24 değerindedir. • Enerji tüketiminde en iyi tasarruf stratejisi, ısı geri kazanımını eklemektir. Yaklaşık 4405745.57 değerindedir. Ve enerji tüketiminin en kötü stratejisi, yaklaşık -14115445,4 değerinde bir ısı geri kazanımı eklemektir. SONUÇ Bina Enerji Talebini Azaltma Bina enerji talebini azaltmak için enerji kullanan sistemlerin ve makul bir harcama ile ısı kayıplarının ve kazançlarının meydana geldiği yerlerin iyileştirilmesi önemlidir. MNG perakende merkezinin enerji tüketimini azaltmak için, bu çalışma aşağıdaki sistemlerin değiştirilmesini inceledi ve ardından bu değişikliklerin uygulandığı birkaç farklı gelecek senaryosunu simüle etti ve analiz etti. Isı geri kazanımı ekleme MNG Alışveriş Merkezi'nin mevcut klima santrallerine ısı geri kazanım ünitesi eklendiğinde enerji tüketiminde yıllık tasarruf yüzdesi yüzde 13,8 oluyor. Bu yöntem, binaların enerji maliyetlerinden çok tasarruf etmesine yardımcı olabilir ve başka birçok avantajı da vardır. Bir ısı geri kazanım ünitesinin dahil edilmesi, aksi takdirde boşa gidecek olan ısıyı kullandığı için HVAC sisteminin verimliliğini artırır. Bu depolanan ısıyı taze hava girişini ön koşullandırmak için kullanarak, rahat bir sıcaklığı korumak için gereken güç miktarını azaltabiliriz. Yıllık %13,8'lik enerji tasarrufu, bir ısı geri kazanım ünitesi kurmanın önemli etkisinin açık bir göstergesidir. MNG Alışveriş Merkezi, konvansiyonel ısıtma ve soğutma sistemleri yerine geri kazanılan ısıyı kullanarak enerji kullanımını ve kullanım giderlerini en aza indirebilmektedir. Isıtma ayar noktası sıcaklıklarını değişimi. Ne yazık ki, MNG Alışveriş Merkezi'nin ısıtma ayar noktası sıcaklıklarının 23°C'den 22°C'ye düşürülmesi binanın enerji ihtiyacını azaltmadı. Planlanan hedef enerji kullanımını azaltmak olsa da durum bu değildi. Enerji talebinde arzu edilen azalmanın hala gerçekleştirilmesinin gerekmesinin çeşitli nedenleri olabilir. Bazı olası faktörler şunları içerir: • Yolcu Konforu • Sistem Sınırlamaları • Yetersiz Yalıtım • Mevsimsel değişim • Çalışan ve müşteri davranışları • Soğutma ayar noktası sıcaklıklarını değiştirin MNG Alışveriş Merkezi'ndeki soğutma ayar noktası sıcaklığının 26 dereceden 28 dereceye çıkarılmasıyla yıllık yüzde 10,8 oranında tasarruf sağlanabiliyor. Bu değişiklik, MNG Alışveriş Merkezi'nin enerji verimliliğini artırmak ve işletme giderlerini azaltmak için uygulanabilir ve verimli bir strateji örneğidir. MNG Alışveriş Merkezi, soğutma ayar noktası sıcaklığını 2 derece yükseltirse, soğutma talebini ve klimalarının çalışması gereken süreyi azaltabilir. Bu ayarlama sonucunda önemli yıllık enerji tasarrufu sağlanacaktır. Yüzde 10,8'lik kümülatif enerji tasarrufu, bu yükseltmenin getirdiği iyileştirmenin kanıtıdır. Bu ayar enerji tasarrufuna yardımcı olurken, yolcuların konforunu da göz önünde bulundurmak önemlidir. 26 dereceden 28 santigrat dereceye geçerken hava durumu, bina kullanımı ve bireysel tercihleri göz önünde bulundurmak hayati önem taşır. Hava dağıtım sisteminin VAV'dan CAV'a uyarlanması MNG Alışveriş Merkezi, hava dağıtım sistemini VAV'dan (Değişken Hava Hacmi) CAV'ye (Sabit Hava Hacmi) çevirerek bina enerji talebini düşürme hedefine henüz ulaşamamıştır. Bu güçlendirme çabası, enerji kullanımını azaltmayı amaçlasa da başarısız oldu. Enerji tüketimini azaltmak için CAV güçlendirmesinin başarısız olmasının birkaç olası açıklaması vardır: • Bina Tasarımı ile Uyumsuzluk • Sistem Entegrasyon Zorlukları • Yolcu Konforu ile İlgili Hususlar • Yetersiz Enerji Verimliliği Kazanımlar Poliüretan duvar yalıtımı MNG alışveriş merkezindeki duvar yalıtımının taş yününden poliüretana çevrilmesi, yıllık %10,93 tasarruf yüzdesi ile bina enerji talebini azaltmak için etkili bir teknik oldu. Bu değişiklik nedeniyle, binalar için önemli ölçüde enerji tasarrufu ve diğer avantajlar sağlanacaktır. MNG alışveriş merkezi cephesinin termal performansı, taş yünü yerine poliüretan yalıtım kullanılarak büyük ölçüde iyileştirildi. Daha iyi termal direnç ve duvarlardan daha az ısı transferi, poliüretan yalıtımın birçok avantajından ikisidir ve bu aynı zamanda daha düşük enerji kayıplarına ve ısıtma ve soğutma gereksinimlerine katkıda bulunur.