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
[email protected]
2
Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe-İstanbul TÜRKİYE
[email protected]
3
Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe-İstanbul TÜRKİYE
[email protected]
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.