Değişik İklim Şartlarında Bina İçerisinde Pasif Isıtma Ve Soğutma
Transkript
Değişik İklim Şartlarında Bina İçerisinde Pasif Isıtma Ve Soğutma
Değişik İklim Şartlarında Bina İçerisinde Pasif Isıtma Ve Soğutma Sistemlerinin Kullanılabilirliği Koray TUNÇALP1 Mehmet SUCU2 Yüksel OĞUZ3 1 Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe-İstanbul TÜRKİYE koray@marmara.edu.tr 2 Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe-İstanbul TÜRKİYE mehmetsucu@marmara.edu.tr 3 Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe-İstanbul TÜRKİYE yukseloguz@marmara.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, farklı iklimlerde pasif güneş ısıtma ve soğutma sistemlerinin dizaynı ile ilgili açıklamalarda bulunulmuştur. Pasif güneş ısıtma ve soğutma sistem dizaynının seçiminde değişik iklim şartları göz önüne alınmıştır. Bu dizayn seçim kriterleri yapılan çalışma ile tanıtılmıştır. Aynı zamanda, bu çalışma ile güneş enerji sistemi içersinde yer alan termal ısı depolama ve soğuk hava depolama materyalleri tanıtılmıştır. Anahtar Kelimeler : Güneş Enerjisi; Pasif Isıtma; Pasif soğutma. ABSTRACT In this paper, it is found in explanations related to the design of passive solar heating and cooling systems in composite climate. The different climate conditions are taken into consideration the design choices of passive solar heating and cooling system. This design choices criteion is described in this paper. Also, this paper describes thermal storage and cooling storage materials taken place inside of solar energy systems. Key Words: Solar Energy; Passive Heating; Passive Cooling. 1. GİRİŞ Ülkemizde giderek artan sanayileşme ve bireylerin daha iyi yaşam istekleri günümüzde enerji tüketimini önemli ölçüde arttırmaktadır. Bu artan enerji ihtiyacının karşılanmasında fosil yakıtlar öncelikli olarak kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların kullanılması sırasında karşımıza iki büyük sorun çıkmaktadır; bunlardan biri, bu yakıtların yakın bir gelecekte tükenme olasılığıdır, ikinci sorun ise, sanayiinin belirli yörelerde yoğunlaşması sonucunda büyük oranda fosil yakıtların kullanımının çevre kirliliğini arttırmasıdır. Enerji konusundaki bu önemli sorunların aşılabilmesi için yeni enerji kaynaklarının araştırılması ve mevcutların yeni kullanım alanları geliştirilmelidir [1]. Mevcut binalarımızda ısıtma ve soğutmada kullanılan enerji tüketimi oldukça yüksektir. Burada harcan enerji bina dizaynına pasif ısıtma ve soğutma elemanları entegre edilerek minimum seviyeye çekilebilir. Pasif güneş ısıtma ve soğutma sistemleri, binaların değişik iklim şartlarına göre ısı gereksinimlerini en ekonomik şekilde sağlayan yöntemlerden biri olarak görülmektedir. Genellikle çatı üzerine düşen güneş enerjisi, evin içerisinde tüketilen toplam enerji miktarından daha fazladır. Çatıya düşen bu güneş enerjisinin kullanılması ile ev içerisinde harcanan enerjiden büyük ölçüde tasarruf sağlanabilir. Pasif güneş ısıtma ve soğutma sistemleri, bina inşa edilirken binanın toplam maliyetine ek bir yük getirmemektedir. Pasif güneş ısıtma ve soğutma sistemleri, mevcut inşa edilmiş binalara da sonradan uygulanabilir. Binalardaki pasif güneş enerji sistemlerinin verimliliğini etkileyen en önemli faktörler pencere dizaynı ve cam seçimidir [2]. 2.GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ Türkiye, güneş kuşağı adı verilen ve güneş enerjisince zengin sayılan bir bölgede olmasına karşın güneş enerjisinden yeterli ölçüde faydalanamamaktadır. Türkiye’de yıllık ortalama güneşlenme süresi 2651.5 saattir, yıllık güneş enerjisi ışınım şiddeti ise 1344.5 kWh/m2 olarak belirlenmiştir. Türkiye’de ki coğrafi bölgelere göre yıllık ortalama güneş ışınım şiddetleri ve güneşlenme süreleri Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1. Türkiye’de ki coğrafi bölgelere göre yıllık ortalama güneş ışınım şiddetleri ve güneşlenme süreleri [1]. Yıllık Ortalama Güneş Işınım Şiddetleri (kWh/m2) Yıllık Ortalama Güneşlenme Süreleri (saat) Güney Doğu Anadolu Bölgesi 1491.2 3015.8 Akdeniz Bölgesi 1452.7 2923.2 İç Anadolu Bölgesi 1432.6 2711.5 Ege Bölgesi 1406.6 2726.1 Doğu Anadolu Bölgesi 1398.4 2692.5 Marmara Bölgesi 1144.2 2525.7 Karadeniz Bölgesi 1086.3 1965.9 Coğrafi Bölgeler Bu veriler dikkate alındığında Türkiye’nin güneş enerjisi açısından zengin bir ülke olduğu görülmektedir. Bu zenginliğin, bina dizaynında ufak değişikliklerle pasif ısıtma ve soğutma sistemleri kullanılarak verimli hale getirilmesi ile enerjiden büyük ölçüde tasarruf sağlanabilir. 3. İKLİMLE UYUMLU BİNA TASARIMI İnsanoğlu ilk çağlardan beri çevresini denetim altına almak, amaçlarına ve etkinliklerine uygun olarak şekillendirmek çabasındadır. İklim, yapay çevreyi şekillendirmekte en önemli etkenlerden olmuştur. . İklim koşulları yüzyıllar boyunca bina tasarımı ve yapımı süreçlerinde göz önünde tutulmuştur. M.Ö. 470-399 yıllarında yaşayan Socrates güneye bakan evlerde kış güneşinin içeriye alınabildiğini ama yazın güneşin tepemizden ve çatıların üstünden geçtiğini, böylece gölgede kaldığını söylemiş; bu durumda kış güneşini alabilmek için güney cephesinin yüksek, soğuk rüzgarlardan korunabilmek için de kuzey cephesinin alçak yapılmasını önermiştir. Değişik iklim bölgelerine sahip olan ülkemizde de, iklime göre mimarlık çeşitlenmekte ve zengin yöresel mimarlık örnekleri görülmektedir. Çok sert yaz koşullarına sahip olan Güney-doğu Anadolu bölgesinde yüzyılların birikimiyle bina tipi ve malzeme açısından iklime son derece iyi cevap veren binalar yapılmıştır. İyi bir mikro klima sağlayan avlu çevresinde gelişen evlerin çatı ve duvarlarında kullanılan ağır ve kalın malzeme gün boyunca ısınmakta, bu ısı içeriye ulaşana kadar iç mekan serin kalmakta, gün batımına doğru yaşam avlu ya kaymakta, teras çatılar uyuma amacıyla kullanılmakta, gece serinliği ısısını kaybetmeye bırakan duvarlar iklimsel açıdan konforlu bir mekan için ertesi güne hazırlanmaktadır. Bina içinde ve avluda kullanılan küçük havuz, sel sebil, serdar gibi bir su elemanı çok kuru olan havayı nemlendirmekte ve buharlaşma yoluyla serinletmekte yararlı olmaktadır. Soğuk bölgelerde kış iklim şartlarından korunabilmek amacıyla ısı kayıplarını olabildiğince azaltmak amacıyla küçük pencereli, derli toplu plan tipine sahip ve korunaklı binalar yapılmıştır. Endüstrileşmeyle birlikte yapı sektöründe yeni malzemelerin üretilmesi ve enerjinin ucuz ve tükenmez gibi görünmesi, binalarda büyük cam yüzeylerin yön ve amaç gözetmeksizin kullanılmasına, böylece ısı kazanç ve kayıplarıyla baş edebilmek için enerji kullanımının artmasına neden olmuştur [3]. Binaların yer seçimi ve projelendirme sürecinde bilinçli olmak, yani yapının güneşten yararlanmasını sağlayacak şekilde tasarımlar gerçekleştirmek, enerji gereksinimini azaltacak ve ekonomi sağlayacaktır. Yeni bir binanın yapımında, başlangıçta arsa seçiminde alınacak doğru bir karar, yapıya güneşle ısıtma ya da soğutma olanakları sağlayacaktır. Soğuk bir iklimde güneşe açılmak ve yaşama mekanlarını güneye yönlendirmek ısıtma yükünü azaltacaktır. Sıcak iklimde bir bina inşa ediliyorsa, serin yaz rüzgarlarına açılmak ve karşılıklı pencereleri açarak nemi azaltmak, doğal soğutma ve havalandırmayı sağlamak mümkün olacaktır. Bir toplu konut projesi için yer seçiminde, güneşten yararlanmak isteniliyorsa, arsa olarak güney yamaçlar yeğlenmeli, bina aralıkları birbirlerini gölgelemeyecek şekilde planlanmalıdır. Konutlarda yaşam mekanları olabildiğince en iyi (optimum) yöne (Türkiye için genellikle güney ve güneyin doğusu-batısı), mutfak, kiler gibi serin olması gereken mekanlar kuzeye bakmalıdır. 4. PASİF ISITMA VE SOĞUTMA SİSTEMLERİ İklimlerin oluşmasında ekten olan güneşin dünyaya geliş açısının değişmesinin mimari tasarımda akılcı kullanılışı ile binalarda yaz ve kış için ısıl açıdan en uygun koşulların oluşturulması olanaklıdır. Kış güneşinin yatık, yaz güneşinin dik gelmesi, kuzey yarım kürede güneye bakan yüzlerin kışın daha fazla güneş ısınımı almasını, yazın da kolayca korunabilmesini sağlamaktadır. Bu nedenle güneye bakan cepheler mimaride en değerli cepheler olarak ortaya çıkmaktadır. 4.1. Direkt Kazanç Sistemleri Güneş enerjisini toplamak ve depolamak için kullanılan en basit sistemdir. Güneş ışığının direkt olarak güneye doğru yönlendirilmiş cam ile kaplanmış yüzeylere çarpması, camın fiziksel özelliğinden faydalanarak bina içerisine ısı ışınları şeklinde geçmesi prensibine dayanmaktadır [4]. Direkt kazançlı sistemde kullanılan başlıca bina tasarımları ve elemanlar; pencereler, seralar ve çatı açıklılarıdır. Direkt kazanç sisteminin prensip şeması Şekil 1’de verilmiştir. Şekil 1. Direkt kazanç sistemi prensip şeması [6]. 4.1.1. Pencereler Pencerelerin kullanımı aynı zamanda havalandırma, doğal aydınlatma, manzaraya açılma gibi zaten gerekli olan bir çok amaca hizmet etmekte; yapım maliyetine fazla bir yük getirmemektedir. Kışları soğuk geçen iklim bölgelerinde kapı ve pencere açıklıklarının kuzeye yerleştirilmeleri, güneşten ısı kazancının göz ardı edebilecek kadar az olması ve kış rüzgarlarının genellikle kuzeyden esmesiyle hava sızmalarının artması nedeniyle, ısı kaybının artması yüzünden tercih edilmez. Doğu ve batıya yerleştirilen açıklıklardan, kışın güney cephesine kıyasla az olmak la birlikte, bir miktar güneş kazancı elde etmek olanaklıdır. Fakat, yaz güneşinin sabah ve öğleden sonraki saatlerde yatık gelmesi nedeniyle, bu açıklıkları korumak çok güçtür ve aşırı ısınma sorunuyla karşılaşıla bilinir. Güneye bakan pencereler ise, kışın yatık gelen güneş ışınlarından neredeyse gün boyu yararlanılabilir; yazın ise daha dik gelen ışınlardan korunmaları kolaydır. Dolayısı ile açıklıkların güney cephesinde büyük, kuzey, doğu ve batı cephelerinde ise, doğal aydınlatma ve havalandırmayı sağlamak koşuluyla, olabildiğince küçük tutmaları önerilir. Güney duvarı pencere ile kaplanmış olan bir ev Şekil 2’de gösterilmiştir [3]. Tüm bu nedenlerle, güney pencereleri güneşten yararlanmada çok yaygın olarak kullanılabilen sistemlerdir. Ancak, duvarlarla karşılaştırıldığında, zayıf yalıtım özelliklerinden ötürü, ısı kaybına ve kazancına çok daha fazla açık olduğu için, kış ve yaz önlemlerinin alınması gerekmektedir. Güneşli kış günlerinde ısı kazancını arttırmalarına karşın, özellikle kapalı saatlerde dışarıya olan kayıpları engellemek için, kış ve yaz önlemlerinin alınması gerekmektedir. Güneşli kış günlerinde ısı kazancını arttırmalarına karşın, özellikle kapalı saatlerde dışarıya olan kayıpları engellemek için çift cam uygulaması büyük önem kazanmaktadır. Gece yalıtımı uygulamaları ise gün batımından sonra oluşacak ısı kayıplarından kurtulmak için gereklidir. Bu hareketli yalıtım elemanları içerinden ya da dışarıdan takılan kepenk, stor ya da jaluzi şeklinde olabilir. Ya da en azından perdelerin sıkıca kapatılmasıyla kayıplar azaltılmalıdır. Yaz gündüzlerinde pencereler, saçak, güneş kırıcı ya da perde yardımıyla kolaylıkla koruna bilir. Şekil 2. Güney duvarı pencere ile kaplanmış örnek bir ev [5]. 4.1.2. Seralar Pencerelerden daha az üstünlüğü olmasına karşın seralar, iç mekanla bahçe arasında geçişi sağlayan, binaya ısı, taze hava ve nem sağlaya bilen ve içinde yaşanabilen toplaçlardır. Güneşe bakan cam yüzeylerin artması kış günlerinde ısı kazancını arttırmasına karşın güneşin olmadığı saatlerde ısı kaybının, yazın da istenmeyen ısı kazancının artması gibi olumsuzluklar getirmektedir. Bu nedenle, kış akşamları için gece yalıtımı, yaz gündüzleri içinde güneşten korunma güney pencerelerine göre daha büyük önem taşımaktadır. Seraya sahip bir ev Şekil 3’de gösterilmiştir. 4.1.3. Çatı Açıklıkları Çatı açıklıkları ısı kazanmak için çok iyi olmamalarına karşın, güney cepheden yararlanılamadığı, ya da güney cephesinin yetersiz kaldığı durumlarda kullanılması tercih edilir. Yükseğe yerleştirilmiş bu açıklıklar ısınan havanın hafifleyerek yükselmesi ilkesinden dolayı kışın ısı kayıplarına çok uygundur ve gece yalıtımı büyük önem taşır. Fakat bu açıklıklar çok iyi bir doğal havalandırma kaynağıdır. Isınan hava yükselerek bu açıklıklardan dışarıya atılır. Şekil 3. Seraya sahip örnek bir ev [3]. 4.2. Endirekt Kazanç Sistemleri Endirekt kazanç sistemlerinde güneş enerjisi direkt kazanç sistemlerinin aksine yapılardaki yaşam hacimlerinin dışında toplanır [4]. Depolanan enerji daha sonra doğal taşınım yollarıyla yaşam hacimlerine iletilir. Endirekt kazanç sistemlerinde enerji depolayıcı sistemler yapının mimari özelliğini bozmayacak şekilde dizayn edilmeli ve yapıya herhangi bir yükümlülük getirmemelidir. Endirekt kazanç sistemlerini güneş duvarları ve çatı havuzları olmak üzere iki ana başlık altında incelenebilir. 4.2.1. Güneş Duvarları Güneş duvarları, yapıların güney cephesine yerleştirilmekte ve önünde bir miktar hava boşluğu kalacak şekilde tek veya çift cam ile kapatılmaktadır. Güneş duvarları, mimarinin izin verdiği ölçüde beton, tuğla, taş, kerpiç gibi malzemelerin yanında su tanklarından da imal edilmekte ve güneş ısısını en yüksek düzeyde emebilmek amacıyla koyu bir renkle boyanmış duvarlardan oluşturulmaktadır. Güneş Duvarının prensip şeması Şekil 4’de gösterilmiştir. Camdan geçen ve duvarla cam arasında kalan ısının yayılım yoluyla yaşam hacmine iletilebilmesi için duvarın alt ve üst kısımlarına transfer kanalları açılır [4]. Uzun yıllar süren araştırmalar sonucunda geliştirilen güneş duvarı, %70’lere varan verimliliği ile yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanarak hazırlanan sistemler arasında, en yüksek verimliliğe sahip sistemlerden biridir [7]. Şekil 4. Güneş Duvarı prensip şeması [6]. 4.2.2. Çatı Havuzları Çatı havuzları aslında bir ısı depolama sistemidir. Çatı havuzları ile ısınan bina içinde konfor şartlarının çok iyi bir düzeyde olduğu söylenebilir. Binanın çatısına yerleştirilmiş içi su dolu havuzun veya plastik torbaların depoladığı enerjiyi geceleri binaya vererek ısı kaynağı oluşturmaktadır. Ayrıca bu havuzların üzerlerine açılıp kapanabilen kepenkler konulmaktadır. Kışın gündüzleri kepenkler açılarak güneş enerjisi ile ısıtılmakta, geceleri ise kepenkler kapatılarak ısının dışarıya kaçması önlenmektedir. Yazın ise gündüzleri üzeri kapatılarak güneşin olumsuz etkileri önlenmekte gece ise kepenkler açılmakta ve binanın içinden dışarıya doğru bir ısı geçişi ile soğutma yapılabilmektedir [3-4]. 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Hızla artan dünya nüfusu ve sanayileşme toplumların enerji ihtiyacını her geçen gün katlanarak arttırmaktadır. Ancak buna karşın enerji üretmede en önemli kaynak olan fosil yakıtlar her geçen gün büyük bir hızla tükenmektedir. Ancak milyonlarca yıldır parlayan ve bir o kadar daha parlayacak olan güneş bitmek bilmez bir enerji kaynağıdır. Dolayısıyla hem çevre hem de gelecek açısından bu enerjiye yatırım yapmak hiç kuşku yok ki iyi bir seçim olacaktır. Ülkemiz güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça şanslı bir bölgede yer almaktadır. Bunun sonucunda güneş enerjisinden yararlanarak enerji üretmek bizim birinci amaçlarımızdan biri olmalıdır. Güneş enerjisi uygulamalarından olan pasif ısıtma ve soğutma sistemleri, güneş enerjisinin önemli bir dalıdır. Pasif ısıtma ve soğutma sistemleri, binaların değişik iklim şartlarına göre ısı gereksinimlerini en ekonomik şekilde sağlayan yöntemlerden biri olarak görülmektedir. Pasif ısıtma ve soğutma sistemleri, bina inşa edilirken binanın toplam maliyetine ek bir yük getirmemektedir. Bu sistemi, mevcut inşa edilmiş binalara da sonradan uygulamak mümkündür. Bu sebepten, fazla maliyeti olmayan ve verimi yüksek olan bu sistemin uygun binalara en kısa sürede uygulanması, ülke enerji ekonomisi ve enerji harcamalarında rahatlamaya yol açacaktır. 6. KAYNAKLAR 1. Özbalta, N., “Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Uygulamalar”, Yerel Gündem 21 Birlikteliğinde Yenilenebilir Enerji Kaynakları, İzmir, 2001. 2. Arizona Solar Center, “Introduction To Solar Energy”, www.azsolarcenter.com/design Erişim Tarihi: Mayıs-2002 3. Youth For Habitat International Network, “Güneş Mimarlığı”, www.youthforhab.org.tr Erişim Tarihi: Haziran-2002. 4. Sağlam, Ş., “Türkiye’nin Güneş Enerjisi Potansiyelinin ve Kullanım Alanlarının İncelenmesi”, M.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Y.L. Tezi, İstanbul, 2000. 5. National Renewable Energy Laboratory, www.nrel.gov , Erişim Tarihi: Haziran-2002. 6. “Passive Solar Design for the Home”, Energy Efficiency and Renewable Energy Clearinghouse Brochure, 2001. 7. Sayar, H., Çıtıroğlu, A., “Ortam Havasının Isıtılmasında Yeni Bir Yöntem: Güneş Duvarı”, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul, 15-17 Kasım 2000. 8. Göksal, T., “Enerji Korunumlu Binalarda Dış Duvar Kuruluşları”, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul, 15-17 Kasım 2000. 9. Güney, İ., Sağlam, Ş., “Güneş Evleri Tasarım Kriterleri”, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul, 15-17 Kasım 2000. 10. Oral, G., K., “Isı Kayıplarını Etkileyen Bina Tasarım Parametrelerinin Belirlenmesinde Güneş Işınımının Etkisi”, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul, 15-17 Kasım 2000. 11. Aktacir, M., A., Gümüşçü, M., Açıker, Ş., M., “Yapılarda Pasif Soğutma Sistemi Uygulamaları”, Harran Üniversitesi Gap I. Mühendislik Kongresi, 1996.