ENERJİ ETKİN BİNA TASARIMINA GİRİŞ* *[HongKong Üniversitesi, Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Lisans Programı, Çevresel Kontrol dersi notlarından alıntıdır] [http://www.arch.hku.hk] 1. Giriş 1.1 Bina Enerji Verimliliğinin Önemi Binalar, enerjinin önemli kullanıcılarıdırlar ve binalarda enerji verimliliği bir çok ülkede büyük öneme sahiptir. Global enerji kaynakları bir sona sahip olduğundan ve fosil yakıtlardan(kömür, petrol gibi) enerji üretiminin çevreye karşı zararlı etkilerinden ötürü enerjinin verimli kullanılması önemlidir. Yapı sektöründe enerji tasarruflarının potansiyeli büyüktür. 1.2 Varsayım Enerji etkin bina tasarımı lokasyona bağlıdır. Uygun tasarım stratejileri belirlenirken yerel iklim göz önüne alınmalıdır. Burada, soğutma gereğinin olduğu iklim(hongkong gibi) bir lokasyon öngörülmüştür. Fakat bazı genel ilkeler diğer iklim koşullarında da uygulanabilir. 2 Temel İlkeler 2.1 İklim ve Mahal İklim, bina performansı ve enerji harcamında önemli etkiye sahiptir. Enerji-bilinçli tasarım, iklimin iyice anlaşılmasını gerektirir. Binalar doğal iklim ortamına iki yolla tepki verir; - Bina yapısının termal tepkisi(ısı transferi ve termal depolama) - Bina sistemlerinin tepkisi(ish ve aydınlatma sistemleri gibi) Yerel iklimden azami kazanç sağlamak için, bina tasarımı iklime uygun yapılmalıdır. İstenmeyen iklim koşullarıyla karşılaşıldığında, en uygun yerleşim tasarımı ile problemler çözülebilir. Yerleşim unsurlarının aşağıdakileri içerdiği varsayılır; - Arazi bilgisi : Eğimler, vadiler, tepeler ve bunların yüzey şartları - Bitki örtüsü : Bitki türleri, dokusu, kütleleri - Bina biçimleri : Çevredeki binalar ve yapılar - Su : Soğutma etkisi, yer altı suları Binaların ısı ve enerji performansını etkileyen mimari planlama bakış açıları; - Yer seçimi - Yerleşim - Şekil - Hacim - Yönelim - Karşılıklı ilişkiler
Mimari ve peyzaj tasarımları birbirlerine uyum sağlamalıdır. Mümkünse soğuk kışta rüzgarı kesmeli, yazın ise soğuk hava akımlarına izin vermelidir. 2.2 Bina kabuğu Bina kabuğu elemanları (koruyucu kabuk) - Dış duvarlar - Pencereler - Çatı - Yapı temeli Şekil 1 - Mahal analizinde rüzgar kontrolü Bina kabuğundaki ısı akışını üç faktör tanımlar; - Sıcaklık farkları - Binanın açıkta kalan alanları - Açıkta kalan alanların ısı transferi değerleri Uygun ısıl kütle ve ısıl izolasyonun kullanımı, ısı akışını yönetmek için önemlidir. Bina kabuk elemanlarının, değişken çevre koşullarına dinamik cevaplar vereceğini hatırlayalım. Bazıları, seçim yaparken oluşum enerjisi (üretim ve taşıma için enerji içeren) göz önüne alabilir. Şekil 2 Bina kabuğu tasarımı, pasif solar, günışığı ve organik bahçenin kombinasyonu
2.3 Bina sistemleri ISH sistemleri, yaşayanların konfor, sağlık ve güvenliklerini sağlar. Genelde en önemli enerji tüketicileridirler. Tasarımları mimari özellikler ve yaşayanların ihtiyaçlarından etkilenir. Enerji verimliliği uygulanırken, ISH sistemleri, gelecekteki değişimler vs. için esnek sınırlara sahip olmalıdır. Uygun enerji verimliliğine ulaşmak için, tasarımcılar şunları değerlendirmelidir; - Isıl konfor kriterleri - Isıl yük hesaplamaları - Sistem karakteristikleri - Ekipman ve tesis operasyonu(kısmi yük) Aydınlatma sistemleri, diğer önemli enerji tüketicisidir ve aydınlatma elemanlarının ürettiği ısıyı mahalden uzaklaştırmak için ek bir soğutma için ortamdan ısı çekilmesine ihtiyaç duyulacaktır. Enerji verimli aydınlatma şunları sağlamalıdır; - Aydınlatma aşırı fazla olmamalıdır. - Gereksiz yanan ışıkları söndürebilmelidir. - Aydınlatma verimli bir şekilde sağlanmalıdır. Aydınlatma tasarımı için genel tasarım ilkeleri; - Genel ve kısmi aydınlatma kombinasyonu - Gün ışığına entegre elektrikli aydınlatma - Enerji verimliliğine sahip ampul ve aydınlatma elemanlarının kullanımı - Oda yüzeylerinde açık renk kullanımı Enerji harcayan diğer bina sistemi elemanları; 3. Teknolojiler - Elektrik tesisatı - Asansörler - Sıhhi tesisat - Gaz tesisatı 3.1 Pasif soğutma ve güneş kontrolü Pasif sistemler- iç koşullar, bina biçimi ve dokusuna göre değiştirilmiştir. Pasif ısıtma ve soğutma için genel planlar; - Soğuk kış; güneş ışınımı kazanımı azami hale getirilmelidir. - Sıcak yaz; güneş kazanımı en aza indirgenmelidir, ısı transferi azami hale getirilir. - Doğru bina yönelimi ve pencerelerin doğru kullanımı - Uygun miktarda ısıl kütle ve izolasyon - Doğal havalandırmanın sağlanması
Gölgeleme ve güneş kontrolü için stratejiler; - Dış koruma (sundurmalar vs.) - Dış sistemler (pencere çerçevesiyle bütünleşik yada bina yüzeyine eklenmiş panjurlar gibi) - Özel işlem görmüş camlar, örneğin ısı absorbe edebilen yada yansıtabilen cam. - İç iyileştirmeler; opak yada yarı-opak, perdeler gibi. HongKong gibi sıcak ve nemli bir iklimde, tüm yıl boyunca, havalandırmayı etkilemeyen, geniş gölgelendirmeye ihtiyaç duyulur. Özellikle sağ ve sol cephelerin gölgelendirilmesi daha önemlidir. 3.2 Günışığı Gün ışığı, elektrikle elde edilen ışığı çoğaltmak için yada onun yerine tercih edilir. Verimli günışığından yararlanma tasarımı için; - Gökyüzü koşulları - Mahal çevresi - Bina hacmi ve şekli - Cam sistemleri - Yapay aydınlatma sistemleri - Klima sistemleri(hava şartlandırma vs.) Gün ışığı, elektrikli aydınlatma ve ISH sistemleri arasındaki karmaşık etkileşim, arzu edilen bir çözüme ulaşılması için, dikkatle etüt edilmelidir. Şekil 3 Bir avluda günışığı tasarımı Pencere camlarının optik özelliklerini değiştirip, böylece günışığını istediğimiz gibi kontrol edebileceğimiz, ileri pencere teknolojileri geliştirilmiştir. Aynı zamanda yenilikçi günışığı teknolojileri halen araştırılmaktadır. - Işık tüpü sistemi - Işık rafları - Ayna sistemleri - Prizmatik camlar - Holografik dağılımlı sistemler
3.3 Isıtma soğutma havalandırma sistemleri Bir çok ISH alt sisteminin ve ekipmanlarının(havalandırma sistemi, sıhhi tesisat, merkezi ısıtma ve soğutma sistemleri gibi) enerji verimlilikleri geçen yıllarla birlikte geliştirilmiştir. Enerji verimlilikleri ISH sistemleri bugün aşağıdaki gibi kullanılmakta ya da etüt edilmektedir. - Değişken hava hacmi(vav) sistemleri, fan enerji harcamını azaltmak için - Sıcaklık/Entalpi seviyesi ile dış hava kontrolü - Isı pompası verimi ve ısı geri dönüşüm sistemleri - Bina enerji yönetimi ve kontrolü sistemleri - Doğal havalandırma ve soğutma sistemleri Şekil 4 Chiller ünitesinde atık ısı kazanımı Isıl depolama sistemleri gibi sistemler de enerji maliyetinde tasarruf için etüt edilmektedir. Prensip olarak enerji verimliliğini arttırmayacağına rağmen, talep taraflı yönetim için uygundur. 3.4 Aktif solar ve fotovoltaikler Solar ısıl sistemler(aktif) düşük sıcaklıklarda, yararlı ısı sağlarlar. Bu teknoloji oturmuştur ve sıcak su, mahal ısıtma, yüzme havuzu ısıtma ve mahalden emilim ile soğutmada kullanılabilir. Sistem, solar kolektörler, ısı depolama tankı ve su dağıtım borularından oluşur. Ayrı bir depolama tankına gerek duymayan, kolektör sistemi ile bütünleşik bir tanka sahip olan bir sistem de son zamanlarda geliştirilmiştir.
Şekil 5 Güneş enerjili sıcak su sistemi şeması Fotovoltaik(PV) sistemler, yarı iletken malzemeler kullanarak, güneş ışınlarını elektriğe dönüştürürler. PV sistemlerin avantajları; - Makul dönüşüm verimleri (6-18%) - Verimli şekilde, görsel olarak fazla zarar vermeden binalara entegre edilebilir. - Modülerlikleri ve statik karakterleri - Yüksek dayanım ve uzun ömürleri - Düşük bakım maliyetleri Pratikte, PV teknolojisi merkezi elektrik üretimi yada binalarla bütünleşik sistemler olarak kullanılabilir. Sistemler şebekeden bağımsız, hibrid yada şebekeye bağlı olabilir. PV sistemlerin fiyatları halen yüksek olmasına rağmen, yakın gelecekte makul düzeye gelecektir. Şekil 6 Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem şeması
4 Değerlendirme metodları 4.1 Biyoiklimsel Tasarım Tasarım, iklim ve insan konforu- mimari bölgeselciliğe biyoiklimsel hedef- ilk olarak 1950 lerin ortalarında Victor-Alader Olgyay tarafından ortaya atılmıştır. Burada maksatları, mimari tasarımın insanların konforunun fizyolojik ihtiyaçlarının anlaşılması ile başlaması gerektiği ve bu ihtiyaçları doğal ve verimli olarak optimize etmek için yerel iklimsel elementlerden yararlanılmasının altını çizmekti. Bina tasarımı, kendi başına, çevresel kaliteyi, mahaline geri kazandıran doğal enerji sistemi olarak ele alınmaktadır. Amaç, gelişen bölgesel ve global çevreye katkıda bulunan, destekleyici ve üretici bir çevre yaratmaktır. 4.2 Bina ısı ve enerji simülasyonu Günümüzde, bina enerji tasarımı, karmaşık tasarım senaryolarını etüt etmek için sık sık analitik güce ihtiyaç duymaktadır. Bilgisayar tabanlı bina enerji simülasyonları bu gücü sağlayacak ve tasarım sürecinde büyük esnekliğe imkan tanıyacaktır. Simülasyon metodu, ISK tasarımlarındaki yük ve enerji hesaplamaları üzerindne yapılır. Bunun amacı, binaların ve sistemlerin enerji karakteristiklerini belirlemek ve etüt etmek etmektir. Tüm enerji korunum ölçütlerinin maliyet açısından verimliliği, ilk yatırım, bakım ve enerji maliyetleri arasında uyum içinde olacaktır. Simülasyon teknikleri, enerji performansları ve ömür maliyetlerine dayalı, farklı tasarım seçenekleri oluşturmak için araçlar sağlayabilirler. 4.3 Bina enerji denetçileri Binanın enerji denetlemesi, inşası tamamlanmış ve kullanımda olan bir bina, gerçek enerji harcamının ölçülmesi ve kaydedilmesi (enerji birimlerinde, parasal birim değil) olarak tanımlanabilir. Temelde amaç enerji kullanımını en aza indirgemektir. Enerji denetçileri, enerjinin verimli kullanıldığı yada boşa harcandığı yerleri belirlerler ve en fazla enerji tasarrufu potansiyeline sahip alanlara dikkat çekerler. Harcam örnekleri oluşturmak, binanın nasıl enerji harcadığını anlamak, sistem elemanlarının bina ile ilişkisini incelemek, dış çevrenin binayı nasıl etkilediği açısından faydalıdır. Tam bir bina enerji denetimi için farklı yaklaşımlar mevcuttur., fakat genelde aşağıdaki adımlar kabul görür. - Adım 1- Eksi verilerin denetlenmesi - Adım 2- Gözlem, muayene - Adım 3- Detaylı araştırma ve analiz Uygun bir enerji denetimi, enerji korunum hedeflerinden daha önemlidir. Enerji denetçileri aşağıdaki alanlarda çalışabilir; - Veri bankası ve harcam kayıtları oluşturulması - Enerji maliyeti tahminleri - Harcam yapıları ve ücret tarifelerini belirlemek - İşletme altında genel açıklama oluşturma
5. Sonuçlar Bina enerji tasarımı, bina tasarımcılarının, iklim, yönelim, gün ışığından faydalanma ve çevresel kaliteyi, tasarım kavramlarının bir parçası olarak düşünmelerini gerektirmektedir. Aynı zamanda, erken tasarım sürecinde mimari ve mühendislik disiplinlerinin bir takım olarak çalışması ve binayı bir sistem olarak kavramlaştırmayı gerektirir. Enerji tasarım konseptlerini ve metodlarını kendi tasarım projeleri ile birleştiren mühendis ve mimarları, yaşamlarımızda sürdürülebilir enerji yapısına ulaşmamızda ve enerji harcamlarının indirgenmesinde önemli rol oynayabilir. Çeviren; HASAN YALKI yalkihasan.tripod.com 0 1 / 2 0 1 0 Detaylı kaynaklar; Watson, D. (Ed.), The Energy Design Handbook, The American Institute of Architects Press, Washington, DC, 1993. Watson, D. and Lab, K., Climatic Design: Energy-efficient Building Principles and Practices, McGraw-Hill, New York, 1983. State Projects, Building Energy Manual, NSW Public Works, Australia, 1993. Goulding, J. R., Lewis, J. O. and Steemers, T. C. (Edited by), Energy Conscious Design: A Primer for Architects, B. T. Batsford, London, 1992. Goulding, J. R., Lewis, J. O. and Steemers, T. C. (Edited by), Energy in Architecture: The European Passive Solar Handbook, B. T. Batsford, London, 1992. Tuluca, A. (Ed.), Energy Efficient Design and Construction for Commercial Buildings, McGraw-Hill, New York. Givoni, B., Man, Climate and Architecture, Second Edition, Applied Science Publishers, London, 1976. Littlefair, P. J., Designing with Innovative Daylighting, Building Research Establishment, London, 1996. Baker, N., Fanchiotti, A. and Steemers, K., Daylighting in Architecture: A European Reference Book, James & James, London, 1993.