GÜNIŞIĞI-YAPAY IŞIK ENTEGRASYONUNU SAĞLAYAN IŞIK RAFI SİSTEMİNİN İNCELENMESİ Duygu ÇETEGEN, Dilek ENARUN, Alpin KÖKNEL YENER, Alp BATMAN Investigation of the Light Shelf System Accomplishing The Integration of Daylight And Artificial Light Intelligent daylight utilisation in buildings by using innovative daylighting systems in combination with daylight responsive control of electric lighting positively effects both human response and cost evaluation of the lighting system, and increases energy efficiency. In this study, Light Shelf System is examined under the geographical and climatic conditions of Istanbul. Since the sun elevation in Istanbul is high compared with the northern latitudes, and the building, where the Light Shelf System is installed, has a horizontal extension, the amount of daylight entering the offices is limited. In spite of these disadvantages, The Light Shelf System improves the distribution of daylight in the test room. In order to save energy, the artificial light sources in the test room are dimmed by the automatic control system. The investigations indicate that using the Light Shelf System and the automatic control system, the energy savings are 25% in spring and autumn, 19.5% in winter and 11.4% in summer. Anahtar Sözcükler: Aydınlatma, Gelişmiş Doğal Aydınlatma Sistemleri, Işık Rafı Sistemi, Enerji Tasarrufu 1. GİRİŞ İnsanın evrimleşme tarihi incelendiğinde, insanların yerleşik sistemde yapay aydınlatma kullanarak yaşadıkları sürenin, ilk insanlardan günümüze dek geçen süreye oranla oldukça az olduğu görülür. Yerleşik yaşama geçişin sonucu olarak, kalıcı konutlar inşa etmeye başlayan insanoğlu, doğal ışıktan mümkün olduğunca fazla faydalanabileceği şekilde bina yapısını düzenlemiştir. Fenerler, tepe pencereleri kullanılmışlardır. Elektriğin ve yapay ışık kaynaklarının icadının ardından, hacimlerde doğal ışıktan mümkün olduğunca faydalanma özeninden, uzaklaşılmaya başlanmıştır. Yapay ışığın istenen hacimde istenen düzeyde aydınlatma sağlayabilmesinin sonucu olarak, zaman içinde doğal ışığın aydınlatma amacıyla kullanılması neredeyse unutulmuştur. Doğal ışığın insan fizyolojisi ve psikolojine sağladığı olumlu etkiler ve geleceği açıkça görülen enerji krizi sebebiyle, günümüzde doğal aydınlatmaya dönüş yaşanmaktadır. Doğal ışığın yapay ışık ile desteklenerek hacimlerin aydınlatmasında kullanılmasını sağlayan tren istasyonları, ticari binalar, okullar ve iş merkezlerinde uygulanan gelişmiş aydınlatma sistemleri mevcuttur [1,2]. Doğal aydınlatma sistemlerinin, bölgenin coğrafyasına ve iklim koşullarına uygun seçilmesine dikkat edilmelidir. Yerel şartlara uygun olmayan sistemler kullanıldığında, sistemden sağlanacak verim düşük olacaktır. Seçilmiş günışığı sistemleri ve elektronik kontrol sistemlerinin farklı iklim bölgeleri için optimizasyonuna ve geliştirilmelerine ilişkin çalışmalar yapılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, Berlin Teknik Üniversitesi ve Siteco nun katkıları ile İstanbul Teknik Üniversitesinde, Işık Rafı Sistemi (IRS) ve otomatik kontrol düzenekleri ile donatılmış bir deney odası ve karşılaştırma yapabilmek amacıyla bir referans oda tesis edilmiştir. Bu çalışmanın amacı, IRS ve otomatik kontrol sisteminin enerji tasarrufu analizini yapmaktır. Yapılan analizlerde, test odasında şebekeden çekilen güç baz alınmıştır.
2. TEST HACİMLERİNİN TANIMLANMASI Deney amacıyla kullanılan referans oda ve test odası bitişik hacimler olup, 41 6.3 kuzey enlemi ve 29 1.46 doğu boylamında bulunan İTÜ Ayazağa kampüsü Elektrik-Elektronik Fakültesi binasının üçüncü katındadırlar. Hacimler güneyden 10 lik sapma açısıyla güneybatı doğrultusunda yer almaktadırlar. Şekil 1-3 de, şehir merkezi ile çevrelenmiş düz açık alanda bulunan deney hacimlerinin, dış cephe ve iç hacim görüntüleri verilmiştir. Binayı çevreleyen açık alan çimenle kaplı olup, kışın toplam iki haftayı geçmeyen süre boyunca karla kaplanmaktadır. Test odası ve referans oda başlangıçta birbirlerinin aynı iki hacim iken, test odasında tavanın alçaltılması ve pencerelerin üst kısımlarını IRS nin kapatması sonucu, hacimlerin özellikleri farklılaşmıştır. Hacimlerde ölçümler tek noktada yapıldığından ve aydınlık düzeyinin dağılımı incelenmediği için bu durum bu çalışmada herhangi bir sakınca oluşturmamaktadır. Test odası ve referans odanın uzunlukları 7.3 m ve genişlikleri 3.35 m dir. Test odasının yüksekliği 3 m olup, referans odanın yüksekliği, fakülte binasındaki standart hacim yüksekliği olan 4 m dir. Tavan gelişmiş doğal aydınlatma sisteminin bir parçasıdır ve tavanın IRS nin ikincil yansıtıcısı olarak kullanılabilmesi için test odasında tadilat yapılmıştır. Referans oda ve test odasındaki pencere alanları sırasıyla, 3 m 2 ve 1.6 m 2 dir. Şekil 1. Güneye bakan cephenin dış görünüşü
Şekil 2. Test odası Şekil 3. Referans oda IRS, pencerelerin üst bölümlerine monte edilen, içerisinde hem doğal ışık yansıtıcılarını hem de yapay ışık kaynaklarını barındıran bir sistemdir. Doğal ışık yansıtıcıları, pencerenin üst bölümünden gelen ışığı tavana yansıtıp, doğal ışığı tavandan hacmin daha derin bölgelerine iletmektedir. Sistemin içinde yer alan yapay ışık kaynaklarının ışıkları da benzer bir yöntemle endirekt olarak çalışma düzlemine erişmektedirler. Amaç, çalışma düzleminde istenen aydınlık düzeyine ulaşmak için, mevcut doğal ışığı, yapay ışık ile desteklemektir. Test odası ve referans odaya ait yansıtma katsayıları ölçülmüştür ve aşağıdaki değerler bulunmuştur. Test odası ve referans odanın beyaz tavan ve duvarlarının yansıtma katsayıları %85 dir. Test odasının zemini açık gri renkli halı ile kaplanmış olup, yansıtma katsayısı %35; referans odanın zeminini kaplayan açık yeşil halının yansıtma katsayısı ise %15 dir. Her iki hacimde de yansıtma katsayıları %18 olan çalışma masaları bulunmaktadır. Test odası ve referans odada kullanılan mobilyaların yansıtma katsayıları sırasıyla, %10-%15 ve %15- %35 arasında değişmektedir.
2.1. Yapay Aydınlatma Sistemi Test odasında yapay aydınlatma 4 adet 58 W, 6510 lm lik sıcak beyaz ışık renkli fluoresan lamba ile sağlanmaktadır. Pencereden 2.5 m uzaklıkta ve çalışma düzleminde bulunan ölçme noktasındaki aydınlık düzeyi, doğal ışık olmadığında ve yapay ışık kaynakları tam kapasite ile çalıştıklarında sağlanan 500 lx dür. Referans odadaki yapay aydınlatma 12 adet 40 W lık fluoresan lamba ile sağlanmaktadır. Yapay ışık kaynaklarının referans odada yatay aydınlık düzeyinin ölçüldüğü noktada sağladıkları ortalama aydınlık düzeyi 500 lx dür. 2.2. Ölçme Düzeni Test odasında 4 adet algılayıcı kullanılmıştır. 1 numaralı algılayıcı hacim içinde insan varlığını algılayıp bilgisayara, pencere duvarından 2.5 m uzaklıkta tavana yerleştirilmiş olan 2 numaralı algılayıcı, çalışma düzlemindeki parıltıyı algılayıp, kontrol sistemine iletir. 3 numaralı algılayıcı pencere duvarından 2.5 m uzaklıkta çalışma düzlemine yerleştirilmiştir ve çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyini algılayıp bilgisayara iletir. 4 numaralı algılayıcı ise cephedeki düşey aydınlık düzeyi bilgisini bilgisayara ulaştırır. Tüm ölçümler 2 dakikada bir alınmıştır. Referans odada kullanılan 3 adet algılayıcının hepsi verilerini bilgisayara iletmektedirler. Pencere duvarından 2.5 m uzaklığa ve zeminden 3 m yüksekliğe yerleştirilen 5 numaralı algılayıcı, hacimdeki lambaların açık olup olmadıklarını algılayabilmek için, lambalara yakın bir yükseklikteki aydınlık düzeyini ölçer. Çalışma düzleminde pencere duvarından 2.5 m uzaklığa yerleştirilen 6 numaralı algılayıcı ise, çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyi ölçümünü yapmaktadır. 7 numaralı algılayıcı hacim içinde insan varlığını algılayıp bilgisayara iletmektedir. Şekil 4. Test odasındaki ölçme düzeneği
2.3. Otomatik Kontrol Sistemi Şekil 5. Referans odadaki ölçme düzeneği IRS nin kontrolünde European Instabus Integral Tipi Kontrol Sistemi (EIB) kullanılmıştır. Loşlaştırma birimi loşlaştırma sinyalini 1-10 V arasında alır. Bu sistem bir grup yapay ışık kaynağını tek bir sistem olarak kabul ederek, doğal aydınlık düzeyine göre kontrol sağlar. Bir EIB yazılımı ile programlanır ve kalibrasyonu yapılır. Kontrol sisteminin ışık algılayıcısı filtre edilmiş BPW21R tipi Si-Diyottur [3]. 3. YÖNTEM Bu araştırmada çalışma saatleri 8:00-18:00 arası kabul edilmiştir. İki dakikada bir ölçüm yapılmıştır. Sekiz algılayıcının her birinden alınan 99600 veri kullanılmıştır. Toplam veriden hatalı 9900 adet veri kullanılmayıp değerlendirme dışı bırakılmıştır. Referans odada yapay ışık kullanımına ilişkin yapılan incelemelerde aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir. Hacim çalışanlarca kullanılmadığında ve/veya çalışma düzleminde referans aydınlık düzeyi doğal aydınlatma ile sağlanmasına rağmen, yapay aydınlatma kullanılmıştır. Şekil 6 da referans odaya ait, 09/04/2003 tarihli ölçüm sonuçları verilmektedir. Çalışma düzlemindeki doğal ve yapay aydınlık düzeyi, doğal aydınlık düzeyi, hacmin kullanımına ilişkin bilgi, yapay ışık kaynaklarının kullanılma süreleri ve referans aydınlık düzeyi olan 500 lx şekilde grafik halinde verilmiştir. Günün başında çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyi 1050 lx olmasına rağmen, ışıklar yakılmış ve ancak akşam mesai bitiminde oda terk edilirken kapatılmışlardır.
Şekil 6. Referans oda ölçüm sonuçları, 09/04/2003 Referans oda ile test odası enerji kullanımı bakımından karşılaştırılırken, referans oda çalışma düzlemindeki doğal aydınlık düzeyi 500 lx den az olduğunda yapay ışık kullanılacağı varsayımı yapılmıştır. Böyle bir varsayım yapılmasının birden fazla nedeni vardır. Örneğin üniversitemizde çalışan kişiler sıklıkla doğal aydınlatmadan kaynaklanan aydınlık düzeyine dikkat etmeden, sabahleyin odaya girdiklerinde ışıkları açmaktalar ve bu ışıklar akşam oda terk edilene kadar açık kalmaktadırlar. Ayrıca, referans odada çalışan kişiler bir laboratuarda da çalışmak mecburiyetinde olduklarından, bazı günler odayı kimse kullanmamaktadır. Referans odada yapay aydınlatma için, 40W +9 W gücünde 12 adet fluoresan lamba kullanılmaktadır. Referans odada şebekeden çekilmesi muhtemel enerji Wh cinsinden hesaplanmıştır. Test odasında lambaların kontrol gerilimleri ölçülmektedir. Kontrol gerilimi ile şebekeden çekilen güç arasında lineer kabul edilebilecek bir bağıntı mevcuttur. 10 V luk kontrol gerilimi şebekeden çekilen 360 W a karşılık gelmektedir. Bu bilgiden yola çıkılarak, test odasında sistemin harcadığı enerji Wh cinsinden hesaplanmıştır. Şekil 7. Kontrol sisteminin standart loşlaştırma eğrisi, şebekeden çekilen bağıl güce karşılık ışık kaynaklarının verdiği bağıl ışık akısı [3]
3. DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRİLMESİ Yapılan incelemeler sonucu elde edilen sonuçlar Şekil 8 de verilmiştir. Referans odaya ilişkin değerler siyah, test odasına ait değerler gri çubuklarla gösterilmiştir. Tablo 1 ve 2 de verilen 10, 11, 12. ay verileri 2002 yılına, 1-9 aylarının verileri 2003 yılına aittirler. Aralık ayına ait 15 günlük veri, ayın diğer yarısında benzer değerler beklendiği için tüm aya tamamlanmıştır. Tablo 1 ve 2 de verilen referans odaya ait değerler, referans odada aydınlatma için yapılan varsayım altında, harcanması öngörülen aylık toplam enerji miktarlarıdır. Test odası değerleri, test odasında aydınlatma amacıyla harcanan aylık toplam enerji miktarlarıdır. Tasarruf olarak ifade edilen oran, test odasındaki sistemin, referans odaya göre sağladığı enerji tasarrufudur [4]. Tablo 1. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri, yılın ilk altı ayı için, Wh cinsinden [4] 1 2 3 4 5 6 referans oda 124597.2 93844.8 63739.2 71324.4 32124.38 37220.4 test odası 82022.4 79052.4 49975.2 57880.8 26793.241 32692.561 tasarruf [%] 34 16 22 19 17 12 Tablo 2. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri, yılın ikinci altı için, Wh cinsinden [4] 7 8 9 10 11 12 referans oda 31301.18 38553.22 55624.8 65660.02 69129.22 75067.961 test odası 31013.881 30411.839 43426.8 40514.4 45068.4 68604.242 tasarruf [%] 1 21 22 38 35 9 Tablo 3. Mevsimlere göre ve yıllık ortalama % cinsinden tasarruf oranları [4] bahar ayları 25 kış ayları 19.5 yaz ayları 11.4 yıllık 20.4 referans odaya ait olacağı kabul edilen ve test odasına ait şebekeden çekilen enerji (Wh) enerji (Wh) 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ay Şekil 8. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri [4]
4. SONUÇLAR Bu çalışmada, Berlin Teknik Üniversitesi Işık Tekniği Enstitüsü ve Siteco Beleuchtungstechnik GmbH ile birlikte İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi tarafından ortaklaşa yürütülen Işık Rafı Sistemi ile Günışığı-Yapay Işık Entegrasyonunun İklim Koşullarına Bağlı Optimizasyonu isimli araştırma projesinin bir bölümü konusunda bilgi verilmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. İstanbul Teknik Üniversitesi nde kurulu sistem incelendiğinde, pencerenin üzerinde dışarıya doğru geniş çıkıntıların olması durumunda, hacme giren doğal ışık miktarının kısıtlandığı görülmektedir. Bunun nedeni üzerinde bulunduğumuz enlemde güneş yükseklik açısının kuzey enlemlerine nazaran daha büyük olmasıdır. Bu sakıncaya rağmen IRS hacimdeki doğal ışık dağılımını düzenlemektedir ve doğal ışığın kullanım verimini arttırmaktadır. IRS nin hacmin doğal aydınlatmasına katkılarının yanında, kullanılan otomatik kontrol sistemi ile, istenen aydınlık düzeyi olan 500 lx değerine günışığı ile ulaşılabildiğinde, ışık kaynaklarının loşlaştırılmaları sağlanarak, enerji tasarrufu elde edilmektedir. Referans oda ve test odasından toplanan verilerin incelenmesi sonucunda, Işık Rafı Sistemi ile Günışığı Yapay Işık Entegrasyon Sisteminin kullanımı ile bahar aylarında % 25, kış aylarında % 19.5, yaz aylarında % 11.4 olmak üzere, yıllık ortalama % 20 oranında tasarruf sağlandığı görülmüştür. 5. KAYNAKLAR [1] Daylight in Buildings, A Source Book on Daylighting Systems and Components, A Report of IEA SHC Task 21 / ECBCS ANNEX 29, July 2000 [2] Çetegen D, Enarun D, Doğal aydınlatma konusundaki yeniliklere bir bakış, 3. Ulusal Aydınlatma Kongresi, İstanbul, sayfa 30-35, 23-24 Kasım 2000 [3] BELENDORF Heiko, Fortschritt-Berichte der VDI Zeitschriften, 2003 [4] ÇETEGEN Duygu, Doğal Işığın Hacim İçinde Etkin Kullanımını Sağlayan Düzeneklerin İstanbul İklim Koşulları Altında İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Ocak 2004 Teşekkür Bu çalışma, Berlin Teknik Üniversitesi Işık Tekniği Enstitüsü ile İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi nin ortaklaşa yürüttükleri Işık Rafı Sistemi ile Günışığı-Yapay Işık Entegrasyonunun İklim Koşullarına Bağlı Optimizasyonu isimli araştırma projesi kapsamında, SİTECO Beleuchtungstechnik GmbH firması ve İTÜ Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir. Odalarını deneylerimizin yürütülebilmesi amacıyla kullanımımıza açan Prof.Dr. Serhat ŞEKER, Y.Doç.Dr. Emine AYAZ, Öğr.Gör.Dr. Ramazan ÇAĞLAR a ve test odasının tadilatının yapılmasının yanısıra bize her konuda destek olarak bu çalışmanın yapılmasına olanak sağlayan SİTECO Aydınlatma Tekniği Ticaret ve Sanayi Ltd. Şirketi ne en içten teşekkürlerimizi sunarız. Duygu ÇETEGEN 1), Dilek ENARUN 2), Alp BATMAN 4) İstanbul Teknik Üniversitesi, Elektrik- Elektronik Fakültesi, 34469, Maslak, İstanbul 1) Tel: 0 212 285 60 20 e-posta: dcetegen@elk.itu.edu.tr 2) Tel: 0 212 285 69 53 e-posta: dilek@elk.itu.edu.tr 4) Tel: 0 212 285 60 27 e-posta: batman@elk.itu.edu.tr Fax: 0 212 285 67 00 Alpin KÖKNEL YENER 3) İstanbul Teknik Üniversitesi, Mimarlık Fakültesi, Taşkışla, 34437, Taksim, İstanbul. Tel: 0 212 293 13 00 / 21 60 Faks: 0 212 251 48 95 e-posta: alpin.yener@itu.edu.tr