Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar Ve Entegre Tasarım Dr. İbrahim ÇAKMANUS 1 Özet Bu çalışmada net sıfır enerjili binalar (nzeb) ve yaklaşık sıfır enerjili binalar (nnzeb) ve bu tip binaların tasarımı için izlenebilecek bir yol olan entegre üzerinde durulmuştur. Üzerinde çok konuşulsa da sıfır enerjili binalar kavramı tam olarak tanımlanmış ve içi doldurulmuş değildir. Ülkemizde binalarda enerji performansı yönetmeliği, enerji kimlik belgesi metodolojisi gibi konular da bu kavramları açıklamakta yeterli olamamaktadır. Bu durum performansı düşük binaların bile nzeb (yüksek enerji performanslı) gösterilmesine sebep olmaktadır. Örneğin iç ısı kazançları çok yüksek bir bina bile birkaç PV panel konulmasıyla kolayca nzeb olarak sunulabilmektedir. Ancak yinede %10 civarında ilave ilk yatırım masrafı yapılarak yakın gelecekte gerçek anlamda nzeb binalar inşa etmek olanaklı olacaktır. (Bu %10 ilave yatırım binada yenilebilir enerji üretimini de kapsamaktadır). Gerçektende entegre ve 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 dersler de vardır. Buna örnek olarak bezen bina cephelerinin sızdırmaz yapılmasıyla aşırı ısınma problemleri veya tam tersi olarak örneğin tümü ile bir cam bina yapılması halinde hem ısıtma hem de soğutma enerji ihtiyacı yüksek olacaktır. 1. Giriş AB Binalarda Enerji Performansı Direktifinde (EPBD) yaklaşık sıfır enerjili binalar (nnzeb), yüksek enerji performansı veya düşük primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi olarak tanımlanmaktadır. Ülkemizde ise BEP Yönetmeliği nde benzer standartlar referans olarak verilmişse de müsaade edilen primer enerji dikkate alındığında A sınıfı binalar bile olması gereken 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. 2. Terimler ve Tanımlamalar Net sıfır enerjili bina(nzeb): düşük primer enerji kullanan ve üretilen yenilenebilir enerjinin bir kısmını satarak yıllık enerji bilançosunu sıfır (0.0 kwh/m 2 yıl) yapabilen bir binadır. 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 15316-1; 2007): Binaların tüm enerji kayıp ve kazançlarını tanımlayan bir standarttır. 1: Mak. Y. Müh. ÇAKMANUS MÜH. ENERJİ SAN LTD. ŞTİ. (www.cakmanus.com.tr)
Sağlanan enerji (EN 15603; 2008): sistem sınırlarından binaya giren gaz, elektrik gibi fosil tabanlı enerjiyi tanımlamaktadır. Bu enerji binanın ısıtma, soğutma, havalandırma, sıcak kullanım suyu, aydınlatma ve diğer 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. CO2 emisyon katsayısı (EN 15603; 2008): Binanın tükettiği primer enerjiden kaynaklı CO2 salınımlarını hesaplamak için kullanılan katsayı olup, yakıt cinsine göre değişir. Sistem sınırı: enerji aktivitesini içine alan sınırlardır. Örneğin binanın oturma alanı olabilir. Şekil 1, yaklaşık sıfır enerjili bir bina için sistem sınırı ve net enerji girişini göstermektedir. Şekil 1. Sistem sınırları. Burada; Kabul edilebilir düzeyde bir yatırım ile primer enerjinin minimize edilmesi, Hangi oranda primer enerjinin yenilenebilir kaynaklardan karşılandığı, Tanımların kesinliği, gibi hususlar önemlidir. Şekil 1 ile 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. 2. Yaklaşık Sıfır Enerjili Binaların Değerlendirilmesi Bir binanın ısıtma, soğutma, sıcak su, havalandırma, aydınlatma ve diğer yüklerden oluşan hesaplanan enerji ihtiyacı ile bunları karşılamak üzere kullanılan fosil tabanlı primer enerji veya yenilenebilir enerji kaynakları şekil 2 de görülmektedir.
Şekil 2. Bina enerji ihtiyacını karşılamak üzere kullanılan enerji. AB de bina standartları yaklaşık sıfır enerjili binaların yapımına doğru gitmektedir. Bu bağlamda bina sınırları içindeki spesifikasyonlar ve yapılacaklar EN 15603; 2008 de tanımlanmıştır. 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 değerlendirir. Yenilenebilir enerji binanın net enerji ihtiyacından çıkarılarak fosil tabanlı enerji (primer enerji) tüketimi 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 sonucu miktarı azalmaktadır. 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 standartda ısı pompaları da (kompresörde tüketilen elektrik enerjisi dikkate alınmak kaydı ile) yenilenebilir enerji kaynağı sayılmaktadır. Diğer 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 (nnzeb) binayı ele alalım. Binanın kwh/m 2 yıl olarak spesifik enerji tüketimleri aşağıdaki gibi 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 35.8 2 kwh/m 2 elektrik enerjisi kullanılmaktadır. 15.0 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. Enerji ihtiyacı minimize edildikten sonra kalan net enerji ihtiyacı yenilebilir enerji kaynaklarından karşılanabilir. Örneğin güneş enerjisi destekli (absorbsiyon cihazı kullanılarak) Thermally Activated Building Systems -TABS (bina gövde betonunu ısıl depo olarak kullanan yerden radyant ıstma-soğutma sistemleri) düşük sıcaklıklı ısıtma ve yüksek sıcaklıklı soğutma şeklinde çalıştırılması bu amaca yönelik rada önemli bir alternatiftir. Ancak bina gövdesi sızdırmazlığı artırıldıkça havalandırma önemli bir enerji tüketim kaynağı olarak ortaya çıkmaktadır. Bu ise, havalandırma enerjisi temini ve ısı geri kazanımının çok iyi irdelenmesini 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 havanın, ısı pompası gibi yenilenebilir bir enerji kaynağı ile ön ısıtması ve soğutması 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. 3. Entegre Bina Tasarımı nzeb binalarda enerji verimliliği geleneksel binalara göre çok daha önemli olmaktadır. Bu nedenle entegre bina tasarımına ve binanın çevre ile daha uyumlu bir duruma getirilmesine ihtiyaç vardır. Burada tasarımın, enerji tasarrufu amacından enerji optimizasyonuna doğru kayması gerekmektedir. Öte yandan Türkiye de güneş radyasyonu ve güneşlenme süreleri fazla olduğundan, nnzeb çok iyi yalıtıldığından ve iç yükler giderek arttığı için yazın aşırı ısınma tehlikesi ortaya çıkacaktır. 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 yapılması gerekmektedir. Binanın net enerji ihtiyacı minimize edildikten sonra kalan enerji 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 düşük sıcaklıklı ısıtma yüksek sıcaklıklı soğutma sistemleri (TABS) günümüzde anahtar teknolojidir. Örneğin Şekil 6 da ıs pompalarının akışkan sıcaklığına bağlı olarak sezonluk performansı görülmektedir. Görüldüğü üzere ısıtmada sistemde dolaşan su sıcaklığı düştükçe ısı pompasının performansı %50 ye kadar artmaktadır. Şekil 6. Is pompalarının sezonluk performansı. Bina kabuğunun enerji performansının artırılarak nzeb binalara ulaşmanın en kolay yolu çok iyi yalıtım yapmaktır. Bu bağlamda örneğin eğer mimar veya mal sahibi camdan bir bina yapmak istiyorsa, bu binanın enerji performansının artırmanın yolu, binanın bulunduğu ilklim bölgesine bağlı olarak, üçlü camlar, düşük ısı transferi katsayılı (U-W/m 2 K), gölgeleme faktörü (SHGF) düşük camlar, gölgeleme, çift kabuk cephelerle doğal havalandırma, Trombe duvarı gibi olanaklarla binanın performansı artırılabilir. Bina kabuğunun enerji performansının artırılması binadaki HVAC sistemlerinin kapasitelerini düşürerek daha ilk yatırım aşamasında parasal tasarruf yapmak mümküdür. Bu, bina kabuğuna yapılacak ilave yatırımın bir bölümünü karşılayabilir. Burada işletmede elde edilecek kazançlar da işin diğer bir yönüdür. Buna karşın tasarım ekibi üyeleri sadece kendi işine odaklanır, diğer disiplinlerle ilgilenmezse ortaya performansı çok düşük binalar ortaya çıkacaktır. Örneğin Ankara da %80 i ısı cam ve bir kısmı tek cam olarak yapılan bir genel müdürlük binasında gerçekleşen primer enerji tüketimi 400 kwh/m 2 yıl değerinin üzerinde olmuştur. Buna karşın iyi bir binada bu değer 100 kwh/m 2 yıl civarında olacağını belirtmekte yarar vardır. Bu gibi yaklaşımların günümüz çevre bilinci ve saygısı ile bağdaşmadığını belirtmekte yarar vardır. Öte yandan entegre tasarım konusunda henüz bir satandart bulunmamaktadır. Buna karşın LEED sürecinin esas aldığı ASHRAE 189.1 (High Performance Buildings) standardı bu amaçla kullanılabilir. Yukarıda belirtildiği üzere nzeb binaların önündeki en önemli bariyerlerden birisi, bu tür binaların çok pahalı olduğu yönündeki genel kanaattir. Diğer bir bariyer de tasarımın başından itibaren alınan kararların ve tasarımın binanın enerji, su tüketimi, ilk yatırım maliyetleri,
enerji maliyetleri gibi tasarım parametrelerinin ne yönde etkilendiğini hesaplayabilen programların pahalılığı ve yetişmiş personel sorunlarıdır. nnzeb binaların tasarımında anahtar yöntem entegre tasarımdır. Burada disiplinler arası sıkı iş birliği, konsept aşamasından itibaren enerji tüketiminin hesaplanarak adım adım uygulama projeleri tamamlanmalıdır. Ayrıca tasarım aşamasında başlanarak uygulama ve işletme ile devam eden bir comissioning süreci de takip edilmelidir. Eğer entegre tasarım süreci yürütülebilirse nnzeb binalar fazla bir ilave ilk yatırım maliyeti ortaya çıkmadan yapılabilecektir. Sonuç Yukarıda açıklandığı üzere AB 2018 den sonra yeni binaların net sıfır enerjili (nzeb) binalar olmasını hedeflemektedir. Bu binaların yapılması çok büyük yatırımlar gerektirmemektedir. Burada 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, yüksek verimli HVAC sistemleri kullanımı, test, ayar, dengeleme vb. yapılması gerekmektedir. Bütün bunlar HVAC sistemlerinin kapasitelerini düşürdüğü için böylesi binaların ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olacağı şeklindeki değerlendirmeler doğru olmamaktadır. Buradaki ilk yatırım maliyeti artışı %10 mertebesini geçmemelidir. Ayrıca CO2 salınımları minimize edildiği için bu tür 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 2011. [4] Handel C, Ventilation with heat recovery is a necessaty in nearly zero energy buildings, Rehva Journal, May 2011. [5] Todesco, G, Integrated designs and HVAC equipment sizing, ASHRAE Journal, September 2011.