Sıfır enerji bina tasarımı ve optimizasyonu - Düzcan, Abdullah (Bursa Teknik Üniversitesi, 2025)
Bu çalışmada, Türkiye koşullarında sıfır enerji bina (ZEB) hedefi doğrultusunda, yıllık toplam ısıtma ve soğutma talebini azaltmak amacıyla güney duvarında faz değişim malzemesi (PCM) entegre edilmiş Trombe duvarı olan 120 m2'lik müstakil bir binanın termal performans analizi ve ekonomik optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla hem ısıtma hem de soğutma gereksinimi için toprak kaynaklı ısı pompası (GSHP) kullanılmaktadır. Türkiye'nin üç farklı iklim bölgesi için üç farklı bina konfigürasyonu TRNSYS programında incelenmiştir. Bu konfigürasyonlar arasında, PCM-entegre Trombe duvar binası (TWB), standart binaya (SB) kıyasla en düşük yıllık enerji tüketimine sahiptir. Şebekeye bağlı fotovoltaik-termal (PV/T) sistem ve rüzgar türbini (WT) ile binanın yıllık elektrik tüketiminin tamamı karşılanarak, net sıfır enerji bina (ZEB) elde edilmiştir. GenOpt yazılımındaki parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO) algoritması ile binanın yıllık enerji ihtiyacı ve kullanım sıcak suyu (DHW) gereksinimlerini karşılayan PV/T ve WT sisteminin boyutu ekonomik olarak optimize edilmiştir. Buna göre, PCM-entegre TWB'nin, SB'ye kıyasla yıllık elektrik enerjisi azaltım oranı Bursa, Ankara ve Erzurum illeri için doğal taşınımlı da sırasıyla %11,9, %18 ve %34,3 iken, zorlanmış taşınımlı da ise %9,8, %12,8 ve %33,3'tür. PV/T ve WT sistemlerinin saatlik seviyelendirilmiş toplam sermaye yatırım maliyeti oranı Bursa, Ankara ve Erzurum'da doğal taşınımlı PCM-entegre TWB'de 0,35 $/h, 0,42 $/h ve 0,40 $/h iken, zorlanmış olanda ise 0,35 $/h, 0,46 $/h ve 0,39 $/h olarak hesaplanmıştır. Doğal taşınımlı PCM-entegre TWB'de Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti (LCOE), 0,05 $/kWh, 0,07 $/kWh ve 0,03 $/kWh olarak hesaplanırken, zorlanmış taşınımlı da ise 0,06 $/kWh, 0,1 $/kWh ve 0,03 $/kWh olarak Bursa, Ankara ve Erzurum için sırasıyla hesaplanmıştır. Geri ödeme süresi (PBP), doğal taşınımlı PCM-entegre TWB de 11,6 yıl, 13,7 yıl ve 8,4 yıl iken zorlanmış taşınımlı da ise 13,02 yıl, 16,48 yıl ve 8,64 yıl olarak Bursa, Ankara ve Erzurum için sırasıyla hesaplanmıştır. Yıl boyunca birkaç gün hariç hem zorlanmış hem de doğal taşınımlı PCM-entegre TWB'de PMV indeksi -0,5 ile 0,5 arasında kalırken, PPD indeksi %10'un altında kalmakta ve tüm illerde kabul edilebilir termal konfor koşullarına işaret etmektedir.

In this study, thermal performance analysis and economic optimization of a 120 m² detached building with phase change material (PCM) integrated Trombe wall on the south wall is carried out to reduce the total annual heating and cooling demand in line with the zero energy building (ZEB) target under Turkish conditions. For this purpose, a ground source heat pump (GSHP) is used for both heating and cooling requirements. Three different building configurations for three different climatic zones of Turkey are investigated in TRNSYS. Among these configurations, the PCM-integrated Trombe wall building (TWB) has the lowest annual energy consumption compared to the standard building (SB). A grid-connected photovoltaic-thermal (PV/T) system and a wind turbine (WT) cover the entire annual electricity consumption of the building, resulting in a net zero energy building (ZEB). The particle swarm optimization (PSO) algorithm in GenOpt software is used to economically optimize the size of the PV/T and WT system to meet the annual energy and domestic hot water (DHW) requirements of the building. Accordingly, the annual electricity energy reduction rate of PCM-integrated TWB compared to SB is 11.9%, 18%, and 34.3% for Bursa, Ankara, and Erzurum provinces for natural convection, while it is 9.8%, 12.8%, and 33.3% for forced convection, respectively. The hourly levelized total capital investment cost ratios of PV/T and WT systems are 0.35 $/h, 0.42 $/h, and 0.40 $/h for the natural convection PCM-integrated TWB in Bursa, Ankara, and Erzurum, while they are 0.35 $/h, 0.46 $/h, and 0.39 $/h for the forced convection. Levelized Cost of Energy (LCOE) is calculated as 0.05 $/kWh, 0.07 $/kWh and 0.03 $/kWh for the natural convection PCM-integrated TWB and 0.06 $/kWh, 0.1 $/kWh and 0.03 $/kWh for forced convection for Bursa, Ankara and Erzurum respectively. Payback period (PBP) is calculated as 11.6 years, 13.7 years and 8.4 years for the natural convection PCM-integrated TWB and 13.02 years, 16.48 years and 8.64 years for forced convection for Bursa, Ankara and Erzurum respectively. Except for a few days throughout the year, the PMV index in both forced and natural convection PCM-integrated TWB remains between -0.5 and 0.5, while the PPD index remains below 10%, indicating acceptable thermal comfort conditions in all cities.
Design and optimization of zero energy building
Keywords: Enerji; Energy