model based building energy optimization using meta-heuristics a thesis submitted to the graduate

226 Pages·2015·7.69 MB·English

MODEL BASED BUILDING ENERGY OPTIMIZATION USING
META-HEURISTICS

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
THE MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

MURAT ALTUN

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN
CIVIL ENGINEERING

AUGUST 2015

Approval of the thesis:

MODEL BASED BUILDING ENERGY OPTIMIZATION USING
META-HEURISTICS

submitted by MURAT ALTUN in partial fulfillment of the requirements for the
degree of Master of Science in Civil Engineering Department, Middle East
Technical University by,

Prof. Dr. Gülbin Dural Ünver
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences

Prof. Dr. Ahmet Cevdet Yalçıner
Head of Department, Civil Engineering

Asst. Prof. Dr. Aslı Akçamete Güngör
Supervisor, Civil Engineering Dept., METU

Examining Committee Members:

Prof. Dr. M. Talat Birgönül
Civil Engineering Dept., METU

Asst. Prof. Dr. Aslı Akçamete Güngör
Civil Engineering Dept., METU

Prof. Dr. Gökhan Arslan
Civil Engineering Dept., Anadolu University

Assoc. Prof. Dr. Rıfat Sönmez
Civil Engineering Dept., METU

Asst. Prof. Dr. Çağla Meral
Civil Engineering Dept., METU

Date: 31.08.2015
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all
material and results that are not original to this work.

Name, Last name: Murat Altun

Signature :

iv
ABSTRACT

MODEL BASED BUILDING ENERGY OPTIMIZATION USING
META-HEURISTICS

Altun, Murat

M.S., Department of Civil Engineering

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Aslı Akçamete Güngör

August 2015, 206 pages

Energy efficiency plays a key role in minimizing energy usage cost and its
environmental impacts. Life cycle thinking guides decision makers to develop energy-
efficient solutions in building early design stage; however, in practice, energy analysis
is done according to technical specifications’ limits due to inefficient tools and lack of
methodologies to response frequent changes in design. Therefore, alternative design
solutions with different objectives cannot be generated. In this study, two energy
optimization models are developed to solve existing energy analysis problems in
practise. In the first model, a graphical user interface called EnrOpt that can be fast
and flexible enough to be applied to multiple multi-objective problems and any
building types is developed by strengthening weaknesses of practically applied TS 825
Turkish Thermal Standard. The metaheuristics with different position update strategies
such as Differential Evolution, Particle Swarm Optimizer and Modified Cross Entropy
Method are used to provide a flexible model. In the second model, Dynamo based BIM
integrated energy simulation optimization model is proposed. This model offers
effective communication between stakeholders to avoid possible problems
encountered in early design while providing efficient energy analysis by updating

v
frequent changes in design. Performance of energy optimization models are tested by
case studies and Pareto optimal results are obtained. Parametric analysis of design
parameters that affect energy model or optimization model on EnrOpt are performed.
Results indicates that elaboration in climate and geometric data and energy use
scheduling influences building energy estimation significantly. These two models can
be applied to different building types by analyzing a vast of alternative designs using
different meta-heuristics.

Keywords: Building Energy Optimization, Building Energy Estimation,
Metaheuristics, BIM, Dynamo

vi
ÖZ

SEZGİSEL ÜSTÜ ALGORİTMALARI KULLANARAK MODEL TABANLI
BİNA ENERJİ OPTİMİZASYONU

Altun, Murat

Yüksek Lisans., İnşaat Mühendisliği Bölümü

Tez Yöneticisi: Yrd. Doç. Dr. Aslı Akçamete Güngör

Haziran 2015, 206 sayfa

Enerji verimliliği, enerji kullanım maliyetinin ve onun çevresel yan etkilerinin
azaltılmasında önemli bir rol oynamaktadır. Yaşam döngüsü düşüncesi, binanın erken
tasarım aşamasında karar vericilerin enerji tasarruflu çözümler geliştirmelerine
rehberlik etmektedir; ama, uygulamada kullanılan araçların verimsiz olması ve
tasarımda sürekli değişiklere hızlı reksiyon gösteren bir metodolojik yaklaşımdan
yoksun olunmasından dolayı enerji analizleri sadece teknik şartnamelerde belirtilen
sınırlara göre yapılmaktadır. Çok yönlü ve alternatifli tasarım değerlendirmeleri
yapılamamaktadır. Bu çalışmada, sezgisel üstü optimizasyon yöntemleri kullanılarak
enerji analizi uygulamalarındaki mevcut sorunların çözümüne yönelik iki enerji
optimizasyon yöntemi geliştirilmiştir. İlk yöntemde, pratikte kullanılan TS 825 Türk
Yalıtım Standardının zayıf kalan yönleri geliştirilerek birden fazla çok amaçlı problem
analizini seri bir şekilde yapabilen, hızlı ve her türlü binaya uygulabilen, esnek bir
enerji optimizasyon modeli bir grafik arayüzü kullanılarak EnrOpt adı ile
geliştirilmiştir. Esnek bir model oluşturulmasından dolayı üç farklı pozisyon
güncelleme yaklaşımları olan Diferansiyel Gelişim, Parçacık Sürüsü Eniyileştirici ve

vii
Geliştirilmiş Çapraz Dağıntı yöntemleri kullanılmıştır. İkinci yöntemde, Dynamo adlı
görsel programlama aracılığıyla Yapı Bilgi Modellemesi araçlarıyla bütünleşik çalışan
enerji simulasyon programından oluşan bir enerji optimizasyon yöntemi
geliştirilmiştir. Bu yöntem, tasarımdaki yapılan sürekli değişimlerin güncellenip enerji
analizinin daha etkin yapılmasını sağlarken, bina projesi paydaşları arasında etkili bir
iletişim sağlayarak erken tasarım sürecinde karşılaşılabilecek sorunları da ortadan
kaldırmaktadır. Enerji optimizasyon modelleri örnek binalarla test edilmiş ve Pareto
optimal çözümler elde edilmiştir. EnrOpt arayüz programına etki eden enerji ve
optimizasyon yönteminde yer alan parametrelerin parametrik analizi yapılmıştır.
Sonuç olarak iklimsel ve geometrik verilerin detaylandırılmasının ve enerji kullanım
takvimi geliştirilmesinin bina performans tahmini büyük ölçüde etkilediği
görülmektedir. Bu iki model, farklı sezgisel üstü optimizasyon yöntemleri
uygulanarak, çok geniş alternatiflerin analiz edilerek farklı bina tiplerine
uygulanabilir.

Anahtar Kelimeler: Bina Enerji Optimizasyonu, Bina Enerji Tahmini,Sezgiselüstü
Optimizasyon Yöntemleri, Yapı Bilgi Modellemesi, Dynamo

viii
Dedicated to my beloved family…

ix
ACKNOWLEDGEMENTS

I would like to express my deep gratitude to my supervisor Asst. Prof. Dr. Aslı
Akçamete Güngör for her brilliant guidance and comments, criticism and
encouragement throughout this study.

I would also like to thank the examining committee members, for their invaluable
ideas.

I would like to gratefully thank to Asst. Prof. Dr. Çağla Meral for her vital guidance
and support. I am also thankful to Asst. Prof. Dr. Onur Pekcan and Mohammad
Rahmani Asl for contributions to my research.

I am grateful to my mother Şahsiye Altun, my father Cemal Altun and my brother Dr.
Mustafa Altun for their supports.

I wish to thank my colleagues Semih Akkerman, Ahmet Bahattin Ersöz, Türker Teke,
Gözde Solmaz, Mert Bilir, Gözde Bilgin, Görkem Eken,Hüseyin Erol, Beste Özyurt,
Gizem Can, Makbule Ilgaç, Yılmaz Emre Sarıçiçek, Batuhan Tezcan, Burak Akbaş,
Berkan Söylemez, Ali Sharefi Abadi, Nizami Özçelik, Bartuğ Kemal Akgül and
Gülçin Dalkıç for their positive energy.

I hope anyone who read this study find valuable information and enjoy it.

This work is supported by TÜBITAK-BIDEB National Graduate Scholarship
Programme 2210.

x