Binaya entegre fotovoltaik-ısıl enerji depolamalı çok fonksiyonlu cephe sistemi ve toprak kaynaklı ısı pompasıyla donatılmış sıfır enerji binanın simülasyonu
Simulation of zero energy building equipped with building integrated photovoltaic-thermal energy storage multi-functional facade system and ground source heat pump
- Tez No: 782532
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TAYFUN TANBAY, DR. ÖĞR. ÜYESİ DOMENİCO MAZZEO
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Enerji, Mechanical Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, bina ölçeğinde yıllık net enerji dengesini sıfıra yaklaştırmayı hedefleyen bir sıfır enerji bina (SEB) konsepti geliştirilmiş ve Bursa ile Antalya iklim koşulları için bütüncül bir yaklaşımla modellenerek karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Önerilen sistem mimarisi; (i) aynı anda elektrik üretimi ve ısıl geri kazanım sağlayan binaya entegre fotovoltaik-termal (BIPV/T) alt sistem, (ii) ısı kazançlarını/zamanlamasını iyileştirmek amacıyla cepheye entegre faz değiştiren malzeme (FDM) katmanı ve (iii) yüksek verimli ısıtma/soğutma için toprak kaynaklı ısı pompası (TKIP) ile dikey toprak kaynaklı ısı değiştiricilerinin (TKID) birlikte çalıştığı bir alt sistemden oluşmaktadır. Çalışmanın temel amacı; yalnızca tek bir performans göstergesini iyileştiren tasarımlar yerine, enerji-konfor-maliyet hedefleri arasındaki ödünleşimleri birlikte ele alan ve iklim etkisini açıkça içeren karar destek çerçevesi oluşturmaktır. Modelleme TRNSYS ortamında gerçekleştirilmiş; bina ısıl modeli ile BIPV/T, FDM ve TKIP-TKID alt modelleri dinamik olarak entegre edilmiştir. Sistem bileşenleri için kapsamlı bir tasarım/işletim uzayı tanımlanmıştır. Parametrik analizlerde TKID kuyu sayısı ve kuyu derinliği, BIPV/T hava debisi ve kanal derinliği, FDM kalınlığı ve erime sıcaklığı gibi değişkenlerin; toplam elektrik tüketimi, yıllık net elektrik dengesi (net-sıfıra yakınlık), termal konfor göstergesi (TMO) ve yaşam döngüsü maliyeti (YDM) üzerindeki etkileri incelenmiştir. Böylece, SEB yaklaşımında hem üretim tarafı (BIPV/T) hem yük tarafı (aydınlatma kontrolü, iç kazançlar, HVAC gereksinimleri) hem de depolama/ısıl tamponlama (FDM ve toprak) etkileri aynı değerlendirme çatısı altında birleştirilmiştir. Sonuçlar, iklimin yalnızca ısıtma/soğutma yük büyüklüklerini değil, aynı zamanda sistem değişkenlerinin hedeflere olan duyarlılığını da belirgin biçimde değiştirdiğini göstermiştir. Örneğin gün ışığı kontrolü aydınlatma elektriğini düşürürken iç kazanç profilini değiştirerek ısıtma ve soğutma gereksinimlerini farklı iklimlerde farklı yönlerde etkileyebilmektedir. TKID alanının büyütülmesi (kuyu sayısı/derinliği artışı) enerji performansını ve net-sıfıra yakınlığı iyileştirme eğilimindeyken, yatırım ve YDM üzerindeki artış nedeniyle optimum nokta bütçe ve saha kısıtlarıyla birlikte ele alınmalıdır. BIPV/T tarafında yüksek hava debisi PV modüllerinin soğutulmasını ve ısıl geri kazanımı desteklemekte; ancak fan enerjisi ve bileşen maliyetleri nedeniyle, debi seçiminin kanal derinliği ile birlikte dengelenmesi gerektiği görülmüştür. FDM'de ise kalınlık ve erime sıcaklığı, özellikle termal konfor hedefi dikkate alındığında, bina iç ortam sıcaklık salınımlarını ve iklimlendirme gereksinimini anlamlı ölçüde etkileyen tasarım değişkenleri olarak öne çıkmıştır. Çok ölçütlü karar verme aşamasında, hedef fonksiyonlarının göreli önemlerini veri odaklı biçimde belirlemek amacıyla Shannon entropisi ile ağırlıklandırılmış TOPSIS yöntemi kullanılarak optimum tasarım/işletim kombinasyonları seçilmiştir. Bursa için en iyi çözümler N_sondaj=6, H_sondaj=100m, d_kanal=0,1m, m_dot=0,1kg/s d_FDM=0,024-0,036m ve T_FDM=20-24derece ile elde edilirken Antalya içinse N_sondaj=8, H_sondaj=100m, d_kanal=0,18m, m_dot=0,3kg/s, d_FDM=0,012-0,024m ve T_FDM=20-24derece ile bulunmuştur. Seçimin ağırlık belirsizliğine duyarlılığı Monte Carlo örneklemeleri ile test edilerek, bulunan optimum çözümlerin karar verici tercihleri değişse dahi yüksek oranda tutarlı biçimde üst sıralarda kaldığı gösterilmiştir. Sonuç olarak bu tez; iklim-bazlı duyarlılıkları içeren, dinamik benzetim ve çok ölçütlü karar verme yöntemlerini birleştiren kapsamlı bir SEB tasarım yaklaşımı sunmakta; uygulanabilir tasarım aralıkları ve işletim stratejileri açısından karar vericilere nicel bir çerçeve sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis develops a holistic Zero Energy Building (ZEB) concept and comparatively evaluates its performance under two distinct climates, Bursa and Antalya. The proposed system architecture integrates: (i) a building-integrated photovoltaic/thermal (BIPV/T) that simultaneously generates electricity and recovers useful heat, (ii) a phase change material (PCM) layer embedded in the building envelope to enhance thermal buffering and shift peak loads, and (iii) a ground-source heat pump (GSHP) coupled with vertical borehole heat exchangers (BHEs) to provide high-efficiency space heating and cooling. The primary objective is not merely to improve a single metric, but to establish a climate-aware decision framework that explicitly captures the trade-offs among energy performance, net-zero proximity, thermal comfort, and life-cycle cost. Dynamic simulations are carried out in TRNSYS, where the building thermal model is co-simulated with detailed sub-models of the BIPV/T collector, the PCM layer, and the GSHP-BHE loop. An extensive design/operation space is defined and explored. Key decision variables include the number and depth of boreholes, BIPV/T airflow rate and channel depth, and PCM thickness and melting temperature. System performance is evaluated with respect to total electricity consumption, annual net electricity balance (closeness to net-zero), a thermal comfort indicator (TMO), and life-cycle cost (LCC). This integrated setup allows the thesis to jointly assess supply-side improvements (renewable generation and heat recovery), demand-side measures (internal gains and lighting control), and thermal buffering effects (PCM and ground storage) within a single modeling framework. The results highlight that climate influences not only the magnitude of heating and cooling loads but also the sensitivity of each objective to design variables. For instance, daylight-responsive lighting control reduces lighting electricity consumption while modifying internal heat gains, which can alter heating and cooling requirements in climate-dependent directions. Enlarging the BHE field (increasing borehole number/depth) generally improves energy performance and net-zero proximity; however, the associated investment and LCC increase implies that practical optimum sizing must incorporate budget and site constraints. On the BIPV/T side, higher airflow enhances PV cooling and heat recovery potential, yet it also introduces fan-energy and component-cost penalties, requiring a balanced selection jointly with channel depth. Regarding the PCM layer, both thickness and melting temperature emerge as influential parameters, particularly when comfort targets are enforced, as they govern indoor temperature fluctuations and the timing of HVAC demand. To identify balanced solutions across conflicting objectives, the thesis employs Shannon-entropy-weighted TOPSIS for multi-criteria decision making, enabling data-driven weighting of performance indicators and systematic ranking of design/operation alternatives. For Bursa best solutions arre obtained with N_BH=6, H_BH=100m, d_ch=0,1m, m_dot=0,1kg/s, d_PCM=0,024-0,036m ve T_PCM=20-24deg, while for Antalya, the optimal solutions are found with N_BH=8, H_BH=100m, d_ch=0,18m, m_dot=0,3kg/s, d_PCM=0,012-0,024m ve T_PCM=20-24deg. Robustness of the selected optima is further examined through Monte Carlo sampling under weighting uncertainty, demonstrating that the identified best-performing configurations remain highly ranked across a wide range of preference scenarios. Overall, this work provides a comprehensive, climate-aware ZEB design and operation methodology that combines integrated dynamic simulation with multi-criteria decision making, and it offers quantitative guidance on feasible design ranges and operating strategies for practical implementations.
Benzer Tezler
- Bina enerji modellemesi yöntemiyle konut yapısı enerji analizi: Ankara Yeşiltepe yapı kooperatifi örneği
Energy analysis of housing structure with building energy modeling method: Ankara Yeşiltepe building cooperative example
ALİ ÇAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
MimarlıkNecmettin Erbakan ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA DERELİ
- Effect of solar radiation in office spaces
Solar radyasyonun ofis alanlarındaki etkisi
ALİ CAN YELEKCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. MUSTAFA PINAR MENGÜÇ
DR. ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Binaya entegre fotovoltaik sistem tasarımı ve kurulumu
Building integrated photovoltaic system design and installation
DURSUN AYDÖNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
EnerjiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ATA
- Binaya entegre fotovoltaik (PV) sistemlerin simülasyon ve gerçek üretim verilerinin karşılaştırılması
Comparıson of sımulatıon and real productıon data of buıldıng ıntegrated photovoltaıc (PV) systems
FATMA YETGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MimarlıkKonya Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK SAYIN
- Binaya entegre sabit fotovoltaik gölgeleme sisteminin bina enerji performansına etkisi
The effect of building integrated fixed photovoltaic shading system on building energy performance
MUSTAFA HATEM MOSA MOSA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET ÇAĞLAR
PROF. DR. İBRAHİM ATMACA
PROF. DR. AHMET COŞKUN