Header Reklam
Header Reklam

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri

05 Ekim 2013 Dergi: Ekim-2013

Binalarda Enerji Verimliliğinin Önemi

Binalar, enerjinin öncü kullanıcılarıdır ve binalarda enerji verimliliği birçok 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 tasarrufunun potansiyeli büyüktür.
 
Enerji etkin bina tasarımı öncelikli olarak lokasyona bağlıdır. Uygun tasarım stratejileri belirlenirken yerel iklim göz önüne alınmalıdır.

Temel İlkeler: İklim ve Mahal, Bina Kabuğu, Bina Sistemleri

İklim, bina performansı ve enerji harcamalarında önemli etkiye sahiptir. Enerji farkındalığı ile yapılan tasarım, iklimin iyi 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)

Mahal koşullarından azami kazanç sağlamak için, bina tasarımı iklime uygun yapılmalıdır. İstenmeyen iklim koşullarıyla karşılaşıldığında, uygun yerleşim tasarımı ile problemlerin büyük bir kısmı çözülebilir. Yerleşim unsurlarını sıralarsak;

-      Arazi bilgisi: Eğimler, vadiler, tepeler ve bunların yüzey koşulları
-      Bitki örtüsü: Bitki türleri, dokusu, kütleleri
-      Yapı formları: Çevredeki binalar ve diğer yapılar
-      Su: Soğutma etkisi, yeraltı suları

Binaların ısı ve enerji performansını etkileyen mimari planlamanın 6 önemli kriteri;

-      Yer seçimi
-      Yerleşim
-      Şekil
-      Hacim
-      Yönelim
-      Etkileşim

Mimari ve peyzaj tasarımları birbirleri ile bütünleşmelidir. Tasarımlar soğuk kış mevsiminde rüzgârın binaya girişini engellemeli, yaz mevsiminde ise soğutucu hava akımlarının dolaşımına izin vermelidir.

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri 

Şekil 1 - Mahal analizinde rüzgâr kontrolü

Bina kabuğu elemanları (koruyucu kabuk);

-      Dış duvarlar
-      Pencereler
-      Çatı
-      Yapı temeli

Bina kabuğundaki ısı akışını üç faktör tanımlar;

-      Sıcaklık farkları
-      Binanın açıkta kalan alanı
-      Açıkta kalan alanın ısı transferi değerleri

Uygun ısıl kütle ve ısıl izolasyonun kullanımı, ısı akışını yönetmek için önemlidir. Bina kabuğu elemanlarının, değişen çevre koşullarına dinamik cevaplar vereceğini hatırlayalım. Seçim yaparken yapı malzemelerinin “kütle enerjisi” (enerji üretimi ve taşınmasını içeren) göz önüne alınabilir.

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri 

Sekil 2 – Bina kabuğu tasarımı - pasif solar, günışığı ve organik bahçenin kombinasyonu

 

Binalardaki ISH sistemleri, yaşayanların konfor, sağlık ve güvenliklerini sağlar. Genelde yapının en önemli enerji tüketicileridirler. Tasarımları, yapının mimari özelliklerine ve yaşayanların ihtiyaçlarına göre şekillenir. ISH sistemleri enerji verimliliğini sağlayıp korurken, gelecekte ortaya çıkabilecek ek ihtiyaçlar için değiştirilmeye elverişli tasarlanmalıdır.

Uygun enerji verimliliğine ulaşmak için tasarımcılar şunları değerlendirmelidir;

-      Isıl konfor kriterleri
-      Isıl yük hesaplamaları
-      Sistem karakteristikleri
-      Ekipman ve işletme       

Aydınlatma sistemleri diğer önemli enerji tüketicisidir ve bu sistemlerin ürettiği ısıyı mahalden uzaklaştırmak için ek soğutmaya (mahalden ısı çekilmesine) ihtiyaç duyulur.

Enerji verimliliğine sahip aydınlatma şunları sağlamalıdır;

-      Aydınlatma aşırı fazla olmamalıdır.
-      Gereksiz yanan ışıklar söndürülebilmelidir.
-      Aydınlatma verimli bir şekilde sağlanmalıdır.

Genel aydınlatma tasarım ilkeleri;

-      Genel ve kısmi aydınlatma kombinasyonu
-      Gün ışığı ile bütünleşik elektrikli aydınlatma
-      Düşük enerji tüketen ampul ve aydınlatma elemanlarının kullanımı
-      Oda yüzeylerinde açık renk kullanımı

Enerji harcayan diğer bina sistemi elemanları;

-      Elektrik tesisatı
-      Asansörler
-      Sıhhi tesisat
-      Gaz tesisatı

Teknolojiler

Pasif soğutma ve güneş kontrolü

Pasif sistemler - İç koşullar, bina biçimi ve dokusuna göre değişmektedir. Pasif ısıtma ve soğutma için genel ilkeler;

-      Soğuk kış; güneş ışınım kazanımını azami hale getirmek, ısı kaybını en aza indirgemek
-      Sıcak yaz; güneş ışınım kazanımını en aza indirgemek, yapıdan ısı çekilmesini azami hale getirmek
-      Doğru bina yönelimi ve pencerelerin doğru kullanımı
-      Uygun miktarda ısıl kütle ve izolasyon
-      Doğal havalandırmanın sağlanması

Gölgeleme ve güneş kontrolü ilkeleri;

-      Dış koruma (sundurmalar vs.)
-      Dış sistemler (pencere çerçevesiyle bütünleşik ya da bina yüzeyine eklenmiş panjurlar gibi)
-      Özel işlem görmüş camlar, örneğin ısı absorbe edebilen yada yansıtabilen cam
-      İç iyileştirmeler; opak ya da yarı-opak, perdeler gibi

Günışığı

Günışığı, elektrikle elde edilen ışığı çoğaltmak için ya da onun yerine kullanılır. Verimli günışığı tasarımı için;

-      Gökyüzü koşulları
-      Mahal çevresi
-      Bina hacmi ve şekli
-      Cam sistemleri
-      Yapay aydınlatma sistemleri
-      Klima sistemleri (hava şartlandırma vs.)

Arzu edilen çözüme ulaşabilmek için günışığı, elektrikli aydınlatma ve ISH sistemleri arasındaki karmaşık etkileşim dikkatle etüt edilmelidir.

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri 

Şekil 3 – Bir avluda günışığı tasarımı

Günümüzde pencere camlarının optik özelliklerini değiştirerek günışığını istediğimiz gibi kontrol edebileceğimiz, ileri pencere teknolojileri geliştirilmiştir. Ayrıca diğer günışığı kullanım teknolojilerine örnek vermek gerekirse;

-      Işık tüpü sistemi

-      Işık rafları

-      Ayna sistemleri

-      Prizmatik camlar

-      Holografik dağılımlı sistemler

Isıtma Soğutma Havalandırma Sistemleri

ISH sistemlerinin ve ekipmanlarının (havalandırma sistemi, sıhhi tesisat, merkezi ısıtma ve soğutma sistemleri gibi) enerji verimlilikleri her geçen yıl gelişmektedir. Enerji tasarruflu ISH sistemleri bugün aşağıdaki gibi etüt edilmektedir:

-      Değişken hava hacmi (VAV) sistemleri, fan enerji harcamını azaltmak için

-      Sıcaklık/Entalpi seviyesi ile dış hava kontrolü

-      Isı pompası ve ısı geri kazanım sistemleri

-      Bina enerji yönetimi ve kontrolü sistemleri

-      Doğal havalandırma ve soğutma sistemleri

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri 

Şekil 4 – Chiller ünitesinde atık ısı kazanımı

Isıl depolama sistemleri de enerji maliyetinde tasarruf için etüt edilmektedir. Prensip olarak enerji verimliliğini artırmayacaktır, talep yönetimi için uygundur.

Aktif Solar ve Fotovoltaikler

Solar ısıl sistemler (aktif) düşük sıcaklıklarda faydalı ısı sağlarlar. Günümüzde bu teknoloji olgunlaşmıştır ve sıcak su üretiminde, mahal ısıtmasında, yüzme havuzu ısıtmasında ve mahalden ısı emiliminde (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.

 Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri

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, şebeke elektrik üretimi ya da binalarla bütünleşik sistemler olarak kullanılabilir. Sistemler şebekeden bağımsız, hibrid ya da şebekeye bağlı olabilir. PV sistemlerin fiyatları halen yüksek olmasına rağmen, yakın gelecekte makul düzeye gelecektir.

Enerji Etkin Bina Tasarım Temelleri 

Şekil 6 – Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem şeması

 

Değerlendirme Metodları

Biyoiklimsel Tasarım

Tasarım, iklim ve yaşayan konforunun bütünleştirilmesi ilk olarak 1950’lerin ortalarında Victor-Alader Olgyay tarafından ortaya atılmıştır. Maksat mimari tasarımın, insan konforu-fizyolojik ihtiyaçlarının anlaşılması ile başlaması gerektiği ve bu ihtiyaçları doğal ve verimli olarak optimize etmek için yerel iklimsel özelliklerden 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, üretken bir çevre yaratmaktır.

Bina Isı 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 imkân tanımaktadır. Simülasyon metodu, ISH tasarımlarındaki yük ve enerji hesaplamaları üzerine 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 sağlamaktadır.

 

Bina Enerji Denetçileri

Binanın enerji denetlemesi, inşası tamamlanmış ve kullanımda olan bir bina, “gerçek enerji harcamalarının ölçülmesi ve kaydedilmesi” (enerji birimlerinde, parasal birim değil) olarak tanımlanabilir. Temelde amaç enerji kullanımını en aza indirgemektir.
 
Enerji denetçileri, enerjinin verimli kullanıldığı ya da boşa harcandığı yerleri belirlerler ve en fazla enerji tasarrufu potansiyeline sahip alanlara dikkat çekerler. Harcama 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- Geçmiş 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 yardımcı olabilirler:

  • Veri bankası ve harcama kayıtları oluşturulması
  • Enerji maliyeti tahminleri
  • Harcama kademelerini ve ücret tarifelerini belirlemek
  • Operasyonel rapor oluşturma

Sonuç

Bina enerji tasarımı, bina tasarımcılarının, iklim, yönelim, gün ışığından faydalanma ve çevresel kaliteyi, tasarım kavramlarının bir parçası olarak düşünmelerini, erken tasarım sürecinde mimari ve mühendislik disiplinlerinin bir takım olarak çalışmasını, binayı bir sistem olarak kavramlaştırmayı gerektirir.

Enerji tasarım konseptlerini ve metodlarını kendi tasarım projeleri ile birleştiren mühendis ve mimarlar, sürdürülebilir enerji yapısını kavramamıza ve yaşamlarımızda enerji tasarrufu sağlamamızda önemli rol oynayacaktır.


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.