Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar (nnzeb)

Transkript

1 Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar (nnzeb) Giriş Bu çalışmada yüksek enerji performanslı net sıfır enerjili binalar (nzeb) ve yaklaşık sıfır enerjili binaların (nnzeb) ne olduğu, nasıl değerlendirilmesi gerektiği üzerinde durulmuştur. Her ne kadar üzerinde çok konuşulsa da net sıfır enerjili bina (nzeb) ve yaklaşık sıfır enerjili bina (nnzeb) kavramı tam olarak tanımlanmış ve içi doldurulmuş değildir. Binalarda enerji performansı yönetmeliği, enerji kimlik belgesi metodolojisi gibi hususlar da bu kavramları açıklamakta yeterli olamamaktadır. Bu durum çoğu binanın nzeb gösterilmesine neden olabilmektedir. Örneğin iç yükleri çok yüksek olan bir bina birkaç PV panel konulmasıyla kolayca nzeb olarak sunulabilmektedir. Ancak yinede %10 civarında ilave masraf yapılarak yakın gelecekte gerçek anlamda nzeb binalar inşa etmek olanaklı olacaktır. (Buradaki %10 ilave yatırımın binada yenilebilir enerji üretimini de kapsamaktadır). Gerçektende dikkatli bir tasarım ve optimizasyon yapılarak basit ve kabul edilebilir çözümlerle bu tip binaların yapılabilir olduğu görülmüştür. Şimdiye kadar yapılan tasarım ve uygulamalarda edinilen olumlu veya olumsuz derslere örnek olarak, bina cephelerinin sızdırmaz yapılmasıyla aşırı ısınma problemleri veya bazen de, tam tersi, yetersiz ısıtma verilebilir. AB Binalarda Enerji Performansı Direktifinde (EPBD), nnzeb, yüksek enerji performansı ve düşük primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi olarak tanımlanmaktadır. (Ülkemizde BEP Yönetmeliği nde ilgili standartlar referans olarak verilmiş olmakla birlikte, bina sınıflarında müsaade edilen primer enerji dikkate alındığında A sınıfı binalar bile bu performanstan çok uzaktır). Bu tür binalarda binanın enerji ihtiyacının bir bölümü binada üretilen yenilenebilir enerjiden sağlanmaktadır. Net sıfır enerjinin anlamı binanın 0,0 kwh/m 2 yıl primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi, yaklaşık sıfır enerjinin anlamı ise binanın yaklaşık olarak 0,0 kwh/m 2 yıl primer enerji tüketimine sahip olmasıdır. Bu kavramlar binada hangi tip enerji akışlarının olduğunu ve nasıl bir primer enerji faktörü kullanıldığını da içerir. Bu ise sistem sınırlarının tanımlanmasını gerektirir. Öte yandan EPBD, 2018 den sonra inşa edilecek binaların yaklaşık sıfır enerjili binalar olmasını öngörmektedir. Terimler ve Tanımlamalar Net sıfır enerjili bina(nzeb): düşük primer enerji kullanan ve üretilen yenilenebilir enerjinin bir kısmını satarak yıllık enerji bilancosunu sıfır yapabilen bir binadır.bir başka ifade ile burada net bilanço olarak primer enerji tüketmi yoktur. Yaklaşık net sıfır enerjili bina (nnzeb): Primer enerji tüketimi >0.0 kwh/m 2 yıl olan binalardır. Bu, binada bir miktar primer (fosil tabanlı enerji tüketildiği anlamına gelir. Binaların enerji performans standardı (EN ; 2007): Binaların tüm enerji kayıp ve kazançlarını tanımlayan bir standarttır. Sağlanan enerji (EN 15603; 2008): sistem sınırlarından binaya giren gaz, elektrik gibi enerji miktarlarını tanımlamaktadır. Bu enerji binanın ısıtma, soğutma, havalandırma, sıcak kullanım suyu, aydınlatma ve cihazlar için kullanılır. Bu enerji binada yenilenebilir enerji kaynağından da üretilmiş olabilir. Satılan enerji (EN 15603; 2008): Bina içinde üretilen ve dışarı verilen enerjiyi ifade eder. Net sağlanan enerji (EN 15603; 2008): Sağlanan enerjiden satılan enerjinin çıkarılması ile kalan enerjidir. Primer enerji: Yenilenemeyen (fosil) veya yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjidir.

2 CO 2 emisyon katsayısı (EN 15603; 2008): Binanın tükettiği primer enerjiden kaynaklı CO 2 salınımlarını hesaplamak için kullanılan katsayı olup, yakıt cinsine göre değişir. Sistem sınırı: enerji aktivitesini içine alan sınırlardır. Örneğin binanın oturma alanı. Şekil 1 de yaklaşık sıfır enerjili bina için sistem sınırı ve net enerji girişini göstermektedir. Şekil 1. Sistem sınırları. Net sıfır enerji performansı 0.0 kwh/m 2 yıl primer enerji tüketimini gerektirir. Yaklaşık sıfır enerji terimi ise aşağıdakileri de ihtiva eden primer enerji tüketimi > 0.0 kwh/m 2 yıl tanımını içerir. Burada Kabul edilebilir düzeyde bir yatırım ile primer enerjinin azaltılması, Hangi oranda primer enerjinin yenilenebilir kaynaklardan karşılandığı, Tanımların kesinliği, gibi hususlar önemlidir. Şekil 1 dikkate alındığında primer Enerji aşağıdaki gibi tanımlanabilir. ( E del f ( E ) E, i del, i ) - f exp, i exp, i Burada, E; : Primer enerji tüketimi, Edel,i : i tipindeki enerji temini, Eexp,i : i tipinde enerji şatışı, fdel,i : i tipinde satın alınan enerjinin katsayısı, fexp,i : i tipinde satılan enerjinin katsayısı. Değerlendirme Bir binanın ısıtma, soğutma, sıcak su, havalandırma, aydınlatma ve diğer yüklerden oluşan hesaplanan enerji ihtiyacı ile bunları karşılamak üzere kullanılan ve ölçülen primer veya yenilenebilir enerji kaynakları şekil 2 de görülmektedir.

3 Şekil 2. Bina enerji ihtiyacının karşılamak üzere kullanılan enerji. AB de bina standartları yaklaşık sıfır enerjili binaların yapınına doğru gitmektedir. Burada bina sınırları içindeki spesifikasyonlar ve yapılacaklar EN 15603; 2008 de verilmiştir. Bu standart genel bir çerçeve olup, daha detaylı çalışmaların ülkeler bazında yapılması öngörülmektedir. Sistem sınırları içinde kayıplar eksplicit biçimde dikkate alınırken, sistem sınırı dışında dönüşüm faktörü (primer enerji dönüşüm faktörü) şeklinde dikkate alınır. Bu standart güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji sistemlerini enerji balansı için yardımcı enerji kaynağı olarak ele alır. Yenilebilir enerji binanın net enerji ihtiyacından çıkarılarak fosil yakıt tüketimini bundan sonra hesaplanır. Binada enerji tanımlamaları, bina sınırları ve enerji tüketim ilişkileri Şekil 3 de görülmektedir. Şekil 3. Bina enerji sınırları ve tanımlamalar. Enerji ihtiyacı, bina içindeki ısıtma, soğutma, havalandırma, sıcak su, aydınlatma ve diğer iç yükleri göstermektedir. Isıtma için enerji ihtiyacı ısı kayıplarından oluşmakta olup güneş ve ısı kazançları ile bu değeri azaltmaktadır. Buradaki net enerji ihtiyacı=enerji ihtiyacı ısı kazançları şeklinde hesaplanır. Binaya sağlanan enerji elektrik sisteminden, doğalgaz sisteminden, bölgesel ısıtma, bölgesel soğutma, dışarıdaki bir yenilenebilir enerji sisteminden vb. sağlanabilir. Bu bağlamda

4 standartda ısı pompaları da (kompresörde tüketilen elektrik enerjisi dikkate alınmalı kaydı ile) yenilenebilir enerji kaynağı sayılmaktadır. Öte yandan binada üretilen yenilenebilir enerji dışarı satılıyorsa net alınan enerji= alınan enerji- satılan enerji olarak ele alınır. Örnek. Şekil 4 deki yaklaşık net sıfır enerjili(nn ZEB) binayı ele alalım. Binanın Paris te olduğu kabul edilirse kwh/m 2 yıl olarak spesifik enerji tüketimlerinin aşağıdaki gibi olduğu kabul edilmiştir. 3,8 kwh/m 2 yıl ısıtma için net enerji ihtiyacı( sıcak su ve havalandırma dahil) 11,9 kwh/m 2 yıl soğutma için net enerji ihtiyacı 21,5 kwh/m 2 yıl iç yükler için net enerji ihtiyacı 10,0 kwh/m 2 yıl aydınlatma için net enerji ihtiyacı 5,6 kwh/m 2 yıl havalandırma için net enerji ihtiyacı Şekil 4. nnzeb için hesap örneği. Bu binada sezonluk verimi %90 olan bir kazan kullanılmaktadır. Soğutmanın, 1/3 ü toprak kaynaklı ısı pompası, kalanı ise bir chiller ile karşılanmaktadır. Isı pompasının sezonluk verim oranı 10, chillerin sezonluk verim oranı 3.5 alınmıştır. Havalandırmada spesifik fan gücü 1.2 kw/(m 3 s) ile 5.6 kwh/m 2 yıl fan enerjisi alınmıştır. Burada 15.0 kwh/m 2 yıl değerinde bir PV sistemi bulunmaktadır. Bunun 6.0 kwh/m 2 yıl kısmı binada kullanılmakta, 9.0 lık kısmı ise şebekeye satılmaktadır. Burada %90 verimdeki kazan 4.2 kwh/m 2 yıl yakıt enerjisi üretmektedir. Free cooling, mekanik soğutma, havalandırma, aydınlatma ve cihazlar için kwh/m 2 elektrik enerjisi kullanılmaktadır kwh/m 2 yıl değerindeki güneş PV enerjisi dışarıdan satın alınan net enerjiyi 24.8 kwh/m 2 yıl kadar azaltmaktadır. Net sağlanan primer enerji (doğal gazın kalorifik değeri) ise 4.2 kwh/m 2 yıl dır. Bu iki net sağlanan enerjinin toplamı 66 kwh/m 2 yıl olmaktadır. Yaklaşık sıfır enerjili binaların temel özellikleri çok iyi yalıtılmış olmaları, hava sızdırmazlığı ve yazın güneş ısı kazançlarından çok iyi biçimde korunma şeklindedir. Kalan net enerji ihtiyacı ise yenilebilir enerji kaynaklarından karşılanabilir. Örneğin güneş enerjisi destekli (absorbsiyon cihazı kullanılarak) Thermally Activated Systemlerin (bina gövde betonunu ısıl

5 depo olarak kullanan yerden radyant ıstma ve soğutma sistemleri) düşük sıcaklıklı ısıtma ve yüksek sıcaklıklı soğutma şeklinde çalıştırılması burada önemli bir alternatiftir. Ancak burada havalandırma önemli bir enerji tüketim kaynağı olmaktadır. Bu ise, havalandırma enerjisi temini ve ısı geri kazanımının çok iyi irdelenmesi gerektirmektedir. Buradaki soru, havalandırmada ısı geri kazanımı kullanımı ve enerjinin yenilenebilir kaynakları enerji talebini karşılayabilirmi? Bu sorunun kesin bir cevabı yoktur. Ancak; Dışarıdan alınan dış hava ısı pompası gibi yenilenebilir bir enerji kaynağı ile ön ısıtma ve soğutma yapılabilir. Burada egzos havası da ısı kaynağı olarak kullanılabilir ve bu daha verimlidir. Pencereler vasıtasıyla pasif güneş kazançları, insanlardan kazançlar, şebekeden alınan yenilenebilir enerji ısıtmada yenilenebilir enerji kaynakları olarak kabul edilebilir. Isı geri kazanım sistemi ile içerideki enerji bir çevrimde döndürülebilir. Böylece havalandırma için ihtiyaç duyulan enerjinin %40 tan fazlası çok pahalı olmayan bir biçimde yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanabilir. Şekil 5 te yenilenebilir kaynaklar kullanılarak havalandırmadan yapılabilecek ısı geri kazanım görülmektedir. Şekil 5. Yenilenebilir kaynaklarla havalandırmadan ısı geri kazanım. nzeb binalarda binanın net enerji ihtiyacı azaldığı için toplam enerji verimliliği geleneksel binalara göre çok daha önemli hale gelmektedir. Bu nedenle entegre bina tasarımına ve binanın çevre ile daha uyumlu bir duruma getirilmesine ihtiyaç vardır. Diğer bir ifade ile tasarım enerji tasarrufundan enerji optimizasyonuna doğru kaymalıdır. Öte yandan Türkiye de güneş radyasyonu ve güneşlenme süreleri fazla olduğundan, bu tür binalar iyi yalıtıldığından ve iç yükler giderek arttığı için aşırı ısınma tehlikesi çok yüksek olacaktır. Çünkü Mart ayından Ekim ayına kadar cam yüzeylerden içeri giren güneş radyasyonu yüzlerce W/m 2 yi bulmaktadır. Burada mimaride uygun malzeme seçimi ve gölgeleme ilk adımdır. Kalan soğutma ihtiyacı aktif ve pasif sistemlerle karşılanabilir. Isı pompası teknolojileri düşük enerji binalar için uygun cihazlardır. Isı pompalarının performansı ısıtma ve soğutma sistemlerine önemli ölçüde bağlıdır. Yenilenebilir enerji teknolojilerinin ve ısı pompalarının verimli biçimde çalıştırılabilmeleri için sulu döşemeden düşük sıcaklıklı ısıtma yüksek sıcaklıklı soğutma sistemleri günümüzde anahtar teknolojidir. Örneğin Şekil 6 da ıs pompalarının akışkan sıcaklığına bağlı olarak sezonluk performansı

6 görülmektedir. Görüldüğü üzere ıstmada sistemde dolaşan su sıcaklığı düştükçe ısı pompasının performansı %50 ye kadar artmaktadır. Şekil 6. Is pompalarının sezonluk performansı. Enerji verimliliği bağlamında çoğu iklim bölgelerinde ve yılın çoğu zamanlarında dış havalandırma havası klima santralı içinde evaporatif soğutma ile soğutulabilir. Bu durum hem havanın neminin yükselmesini önler hem de enerji ekonomisi sağlar. Is Sonuç Yukarıda açıklandığı üzere AB 2018 den sonra yeni binaların net sıfır enerjili (nzeb) binalar olmasını hedeflemektedir. Yine açıklandığı üzere bu binaların yapılması çok büyük yatırımlar gerektirmemektedir. Bu bağlamda için bina kabuğunun performansının artırılması (ısıtma, soğutma ve havalandırma yükleri minimize edilmeli), kalan yükler için free cooling, ısı geri kazanım, ısıl depolama, doğal havalandırma, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, yeksek verimli HVAC sistemleri kullanımı, test, ayar, dengeleme vb. yapılması gerekir. Bütün bunlar HVAC sistemlerinin kapasitelerini düşürdüğü için böylesi binaların ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olacağı şeklindeki değerlendirmeler doğru olmamakta, buradaki ilk yatırım maliyeti artışı %10 mertebesini geçmemektedir. Ayrıca CO 2 salınımları minimize edildiği çin bu binalar çevre dostu binalardır. Kaynaklar [1] ASHRAE Standard 90.1, Energy Standard of the buildings. [2] EN 15603; 2008 Energy performance of the buildings- ovarall energy use and definition of energy ratings. [3] Kurnutski vd, How to define nearly net zero energy buildings, Rehva Journal, May [4] Handel C, Ventilation with heat recovery is a necessaty in nearly zero energy buildings, Rehva Journal, May 2011.