GÜNEŞ GÖLGE VE IŞIMA ANALİZİ Performansa Dayalı Mimari Tasarım PROF. DR. SALİH OFLUOĞLU www.sayisalmimar.com
Sunum Özeti 1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler 2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler 3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -02-
1. Bölüm 1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler 2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler 3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -03-
Yüksek performanslı bina için solar stratejiler Işık kaynağı olarak güneş: Doğal ışık kullanımı Işığa erişim ve gölge etkisi Güneşin ışınım (radyasyon) etkisi: Isı kazanımı ve ısıdan korunma PV ile enerji üretimi PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -04-
Güneş ışığına erişim hakkı Işık hakkı ve güneş kabuğu Işık hakkı ve güneş erişimi yoğun şehir dokusunda önemlidir. Güneş kabuğu, bina çevresinde yapının çevreye gölge bırakmayacağı hayali sınırlar tanımıdır. Güneşe erişim hakkı ile ilgili türkiye de yasal bir düzenşeme yoktur. Bazı ülkelerde bu hak korunmuştur (örnek İngiltere, ancient lights/right to light: Prescription Act 1832). OFLUOĞLU-05-5-
Güneş rotası ve önemli tarihler Güneş rotası Önemli zamanlar: Gün dönümleri (Solstice) (Gölge oluşturma ve ışık miktarında en ekstrem zamanlar) Yaz / Kış gün dönümü Ekinoks zamanları (Güneş rotasında ortalama zamanlar) Arsanın enlemi İlkbahar / Sonbahar Ekinoksu 21 Aralık Kış Gündönümü 21 Haziran Yaz Gündönümü Yaz Gün Dönümü 21 Haziran Sonbahar Ekinoksu 21 Eylül Kış Gün Dönümü 21 Aralık İlkbahar Ekinoksu 21 Mart OFLUOĞLU-06-6-
Güneşin konumu Güneş konumunu altitude ve azimuth olarak bilmek: İrtifa (altitude) güneşi yer düzlemiyle yaptığı düşey açıdır (0<x<90) Azimut güneş ve gerçek kuzey arasındaki açıdır (180<x<180 kuzeyden saat yönünde pozitiftir) PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -07-
Mevsimsel ve günlük güneş etkisi Mevsimsel etkiler: Kış ayları: Pasif olarak binayı ısıtmak için güneşin etkisini arttırmak Yaz ayları: Pasif olarak binayı soğutmak için güneşin etkisini azaltmak Günlük etkiler: Sabah: Alçakta olan güneşin ısısını kazanma ve kamaşmayı önleme Öğle: Gün ortası yüksek güneş ısısından oluşacak aşırı ısınma ve soğutma yükünü azaltmak, farklı yerler ısıyı kazanma ve enerji üretme Öğleden sonra: Aşırı ısınma ve kamaşmadan kaçınma OFLUOĞLU-08-8-
2. Bölüm 1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler 2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler 3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -09-
Binanın yönü Görsel ve ısısal konfor için binanın uzun yüzeyinin batı-doğu yönünde olması istenir. Bu yönlenme tutarlı bir şekilde günışığı alınımı ve uzun yön boyunca da kamaşmayı kontrol etme imkanı verir. Güney ve Kuzey cephelerine gelen solar ışınım Doğu ve Batı cephelerine gelen solar ışınım Binanın farklı yüzlerinde gelen yıllık güneş ışınımı- Batı-doğu yüzleri güneş gün boyunca hareketli olduğu için çok değişken, kuzey ve güneyde daha tutarlıdır. Solar yönlenme açısından iyilik sırası : 2 / 3 / 1 OFLUOĞLU-010-10-
Bina rengi Beyaz çatı koyu renkli çatılara göre %50; Beyaz duvar renkli çatılara göre %35 daha az ısı kazanımına yol açar. OFLUOĞLU-011-11-
Bina biçimi ve kütlesi Yapının şekli ve boyutu ısısal konfor sağlanması ve günışığı elde edilmesinde önemlidir. Büyük ve geniş yapılarda ise boşluklar sağlayarak gün ışığı arttırılır. Daha iyi ışık alımı için ince uzun bina tasarımı tercih edilir. İnce ve özellikle yüksek binalarda ışınıma bağlı ısınma daha az olur; çünkü çatı alanları daha azdır. OFLUOĞLU-012-12-
Pencere boyutları ve yerleşimi Güneye bakan yüzeylerde geniş pencereler ve ısısal kütleli (malzemeler) ile güneş ısı kazanımı sağlanır. Gün doğuşu ve batımında sıcaklığı dengelemek için doğuda daha fazla cam, batıda ise küçük camlar ve gece ısısını yaymak için ısı tutan malzemeler seçilir. Gelişmiş camlar günışığını ısısından ayırabilir. Az güneş gören cephelerde dahi, yüksek yalıtımlı camlarlar az ısı kaybıyla günışığı elde edebilirler. OFLUOĞLU-013-13-
Güneş kırıcılar ve ışık rafları Bu elemanlar, gün ışığı seviyesini ve güneş ısısı kazanımını kontrol ederler. Yazın (güneşin açışı dik) güneşi engeller ve kışın (güneşin açışı eğik) izin verir. Kırıcılar pencereden gelen doğrudan güneş ısısı ve kamaşmasını önlemek için kullanılır. İç Kırıcılar güneş ısı geçişini önleyemezse de kamaşmayı önler ve ışık dağılımını dengeli yapar. En sık karşılaşılan kırıcı şekli sabit yatay konsollardır. Binanın güneş rotasının olduğu yüzünde bazen doğu ve batı cephelerinde kullanılır. Ancak genellikle doğu ve batı yüzeyleri alçak açılı güneşi önlemek için düşey kanatlara ihtiyaç duyarlar. Doğu ve özellikle Batıı cephelerinde Düşey panjur veya kanatlar Standart yatay konsol Alçak güneş açısı için Konsoldan sarken ilave panjur Masif konsol Yerine gölge etkisii sürerken daha fazla ışık alan panjur Konsol ucu profili ile daha az ışık geçirimi Daha az ışık geçirimi için meyilli konsol Konsolun parçalanarak Işık geçiriminin daha da fazla azaltılması OFLUOĞLU-014-14-
Güneş kırıcılar ve ışık rafları Işık rafları hem kamaşmayı önleyen bir kırıcı, hem de ışığı yukarı yansıtarak ışığın erişimini ve dağılımını arttıran elemanlardır. Işık rafı pencereyi göz seviyesinin üstünden altta manzara alanında ve üstte gün ışığı alanında bölen genellikle yatay bir elemandır. Işık rafı kamaşmayı önleyerek Işığın mekanın daha derinine girmesini sağlar Işık raflarının optimal genişliği ve yeri arazinin konumu ve iklime göre değişir. Genel olarak ışık rafının derinliği rafın üstünden pencerenin üstüne olan yüksekliktir. OFLUOĞLU-015-15-
3. Bölüm 1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler 2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler 3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -016-
Güneş ışınımı (radyasyonu) ile ısı kazanımı 1. Binalarda ısı iletkenliği veya geçişi (conduction) kabuğu meydana getiren elemanların temas ettiği yüzeylerde olur. 2. Taşınım (convection), rüzgar ve basınç farklılıkların dayalı hava hareketleriyle gerçekleşir. 3. Işınım (radiation) güneş ışınlarının bina içine ulaşarak meydana getirdiği sıcaklıkla kendini gösterir. OFLUOĞLU-017-17-
Güneş ışınımı ile enerji elde etme Güneş ışınımının şiddeti, doğal iklimlendirme dışında arsada düşük karbonlu enerji için de önemlidir. Güneşten gelen ısı veya FV panel tarafından üretilen elektriktir. Miktarı atmosfer koşullarından ve güneş ışığının yüzeye çarpan açısından etkilenir. Işınımı bir alan başına düşen enerji miktarıdır (W/m2 veya BTU/hr/ft2 / 1 BTU/ft2= 317,15 kwh/m2). Günlük veya yıllık hesaplanabilir (kwh/m2/gün veya kwh/m2/yıl). Tüm dünyada anlık güneş ışıması ortalaması 240 w/m2 dir. Vasari/Revit de güneş ışınım analizi OFLUOĞLU-018-18-
Güneş ışınımı hesabı 1. Direkt ışınım: Güneşin ışınlarına dik ölçülür. direct beam radiation = Ib 2. Dolaylı (yaygın) ışınım: bulut ve atmosfer ve yüzey önündeki zemine yayılmış ışınımdır. Yatay yüzeyde ölçülür. diffuse sky radiation = Id Analiz yazılımları direkt ve dolaylı ışınım verisini hava dosyasından (weather) alır, bina geometrisi ve analiz yapılan süreyi dikkate alır. Analiz yazılımları ayrıca çevre objelerin gölgelerini (Fshading), yüzey tarafından gökyüzünün gözüken kısmını (Fsky), güneş ve analiz edilen yüz arasındaki geliş açısını dikkate alır (theta). Işıma miktarı: Ib x Fshading x cos(theta) + (Id x Fsky) + Ir Ib: direkt güneş ışıması : güneşe dik ölçülür Id= dolaylı ışıma, yatay düzlemde hesaplanır Ir= yerden yansıyan ışıma Fshading=gölge değeri (Nokta gölgelenmemişse 1 gölgelenmişse 0, yüzeyden hesaplandığında yüzde kullanılır. Fsky=görülebilen gökyüsü değeri (gölge maskesine göre yüzde) Theta=güneş ve analiz edilen yüz arasındaki geliş açısı OFLUOĞLU-019-19-
Enerji üretimi için FV ler Güneş hergün yeryüzünü tüm insanlığın kullanabileceğinden 5000 kez daha fazla enerji sağlar. Fotovoltaikler (FV) güneş ışığından doğrudan elektrik yaratır. En yaygın kullanılan düşük karbonlu enerji üretim biçimidir. PV panelleri farklı etkinliklerde bulunabilir. Maliyetleri genelde yüksektir ve tüm iklimler için uygun değildir. FV yollu enerji üretimini etkileyen bileşenler: 1. Mevkinin koşulları: enlem, boylam ve yerel hava durumu 2. Panellerin yönü ve güneşe erişimi 3. Panellerin verimi 4. Paneller için mevcut alan 5. Güç dönüştürme elektroniği FV Panel dizisi OFLUOĞLU-020-20-
Fotovoltaik bileşenleri 1- Mevkinin koşulları: Bölgenin güneş ışıması alma miktarıdır. Genellikle Wh/m2 gün veya kwh/m2 yıl üzerinden ölçülür. Binaların yıllık PV potansiyeli derecelendirmesi: Kaynak: ENergy Efficiency and Renewable energies inthe BUILDing Sector The Alpine Space Programme Bir arsa için kwh/m2 yıl değerini bilmek binanın enerji ihtiyacını karşılamada FV dizisinin ne kadar büyük ve etkili olacağını tahmin etmeye yarar. OFLUOĞLU-021-21-
Fotovoltaik bileşenleri 2- Panelin yönü Güneş panellerine ne kadar çok direkt güneş ulaşırsa daha fazla enerji yaratırlar. Yıl boyunca optimal güç yaratımı için PV panellerinin açısı için genel bir kural enlem ile aynı açıyı (derece olarak) kullanmaktır. Kış üretimini arttırmak için 15 derece eklenir. Yaz üretimini arttırmak için 15 derece çıkartılır. Ekvatordan uzaktaki enlemlerde güneşin açısında yerleştirilen paneller düz yerleştirilen panellerden %20 daha fazla elektrik yaratır. Güneş takip eden FV kurulumu Bazı FV sistemleri gün boyunca doğudan batıya güneşi takip edecek motorize sistemler bulundurur. Bu takip sistemleri verimliliği %35 kadar yükseltebilse de önemli bir maliyet eklerler. OFLUOĞLU-022-22-
Fotovoltaik bileşenleri 3-Panel verimi: Farklı tipte panel bulunur. Panel tipi güneş ışığı elektriğe çevirmede verimliliği belirler. Kristalize silikon, ince film ve konsantre paneller temel tiplerdir. Genellikle kritalize silikon paneller ince film panellerden daha yüksek etkinlik sunar. Ancak yaş, üretim süreci ve güneş ışığı koşulları vb. faktörler de etkide bulunur. Kristalize silikon sistemler kapalı gökyüzü ve kısmi gölge koşullarında ince film panellere göre performansında düşüş gösterir. Konsantre paneller genelde tam direk güneş gerektirir. Tipik ticari FV panelleri %15-20 arasında etkinlik gösterir. Herhangi bir panel watt cinsinden nominal güç değerine sahiptir. Bu, yerel arazi koşullarına ait iklim verisini kullanarak tahmini yıllık enerji üretimi çevrilmelidir. Ardından sistemin boyutu tahmin edilir. Farklı FV panelleri: kristalize silikon, amorf silikon, boya hassaslaştırılmış OFLUOĞLU-023-23-
Fotovoltaik bileşenleri 4-Sistem alanı: FV panelleri genellikle çatılara yerleştirilirler, Güneş panelleri için ayrılan alan sistem için sınırlayıcı olabilir. Bir FV sistemi için alan, panellerin etkinliği ve güneş ışığı miktarına bağlıdır. Bu da maliyete yansır. Daha ucuz paneller daha az etkin olduğundan daha fazla alana ihtiyaç duyarlar. FV ler ayrık aygıtlar olmadan da bina malzemelerine eklenerek de oluşturulabilirler. Örnek: Çatı kiremitleri ve pencereler gibi. Bunlara bina tümleşik FV leri (buildingintegrated photovoltaics) adı verilir. Bunlar hem daha fazla alan yarattıkları, hem de kurulum masrafını azalttıkları için faydalıdır. Sadece PV penelleri olanlara göre m2 başına maliyetleri yüksek olsa da işçilik masrafları azdır. Bina yüzeyindeki FV pencereler OFLUOĞLU-024-24-
Fotovoltaik bileşenleri 5-Güç dönüştürme: FV üretimini belirlemek için invertere ve sistemin elektrik şebekesine (güneş hücrelerinden düşük voltajlı DC gücünü duvar prizlerinin orta voltajlı AC gücüne çeviren parçalar) kayıpları tahmin etmek gerekir. Bunlar genellikle oran azalma faktör (derating factor) parçası olarak düşünülürler ve sistemin boyutunu %5-25 arası arttırmanız gerektirirler. Güç çevirim etkinliği etkin bir inverter, diğer bileşenler ve bazı panellerinin güneş alması diğerlerinin gölgede kalmasından doğan devre dengesizliklerini önlemek için şebeke panelleri birlikte seçilerek arttırılabilir. Bir FV inverter inin içi Kristalize silikon gibi bazı tip paneller yakın ağaç veya nesnelerden gelen gölgelerin voltajlarını önemli ölçüde düşürmeleri ve devre dengesizliklerine yol açması nedeniyle diğer tiplere göre şebekeye daha duyarlıdır. Bu durumda elektrik şebekesi önemli bir fark yaratır. Mikro-inverter gibi aygıtlar panelleri birbirinden izole ederek üretimi maksimize ederler. OFLUOĞLU-025-25-