View

GÜNIŞIĞI-YAPAY IŞIK ENTEGRASYONUNU SAĞLAYAN IŞIK RAFI
SİSTEMİNİN İNCELENMESİ
Duygu ÇETEGEN, Dilek ENARUN, Alpin KÖKNEL YENER, Alp BATMAN
Investigation of the Light Shelf System Accomplishing The Integration of Daylight And
Artificial Light
Intelligent daylight utilisation in buildings by using innovative daylighting systems in combination with daylight
responsive control of electric lighting positively effects both human response and cost evaluation of the lighting
system, and increases energy efficiency. In this study, Light Shelf System is examined under the geographical
and climatic conditions of Istanbul. Since the sun elevation in Istanbul is high compared with the northern
latitudes, and the building, where the Light Shelf System is installed, has a horizontal extension, the amount of
daylight entering the offices is limited. In spite of these disadvantages, The Light Shelf System improves the
distribution of daylight in the test room. In order to save energy, the artificial light sources in the test room are
dimmed by the automatic control system. The investigations indicate that using the Light Shelf System and the
automatic control system, the energy savings are 25% in spring and autumn, 19.5% in winter and 11.4% in
summer.
Anahtar Sözcükler: Aydınlatma, Gelişmiş Doğal Aydınlatma Sistemleri, Işık Rafı Sistemi,
Enerji Tasarrufu
1.
GİRİŞ
İnsanın evrimleşme tarihi incelendiğinde, insanların yerleşik sistemde yapay aydınlatma
kullanarak yaşadıkları sürenin, ilk insanlardan günümüze dek geçen süreye oranla oldukça az
olduğu görülür. Yerleşik yaşama geçişin sonucu olarak, kalıcı konutlar inşa etmeye başlayan
insanoğlu, doğal ışıktan mümkün olduğunca fazla faydalanabileceği şekilde bina yapısını
düzenlemiştir. Fenerler, tepe pencereleri kullanılmışlardır. Elektriğin ve yapay ışık
kaynaklarının icadının ardından, hacimlerde doğal ışıktan mümkün olduğunca faydalanma
özeninden, uzaklaşılmaya başlanmıştır. Yapay ışığın istenen hacimde istenen düzeyde
aydınlatma sağlayabilmesinin sonucu olarak, zaman içinde doğal ışığın aydınlatma amacıyla
kullanılması neredeyse unutulmuştur.
Doğal ışığın insan fizyolojisi ve psikolojine sağladığı olumlu etkiler ve geleceği açıkça
görülen enerji krizi sebebiyle, günümüzde doğal aydınlatmaya dönüş yaşanmaktadır. Doğal
ışığın yapay ışık ile desteklenerek hacimlerin aydınlatmasında kullanılmasını sağlayan tren
istasyonları, ticari binalar, okullar ve iş merkezlerinde uygulanan gelişmiş aydınlatma
sistemleri mevcuttur [1,2].
Doğal aydınlatma sistemlerinin, bölgenin coğrafyasına ve iklim koşullarına uygun
seçilmesine dikkat edilmelidir. Yerel şartlara uygun olmayan sistemler kullanıldığında,
sistemden sağlanacak verim düşük olacaktır. Seçilmiş günışığı sistemleri ve elektronik
kontrol sistemlerinin farklı iklim bölgeleri için optimizasyonuna ve geliştirilmelerine ilişkin
çalışmalar yapılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, Berlin Teknik Üniversitesi ve Siteco’ nun
katkıları ile İstanbul Teknik Üniversitesinde, Işık Rafı Sistemi (IRS) ve otomatik kontrol
düzenekleri ile donatılmış bir deney odası ve karşılaştırma yapabilmek amacıyla bir referans
oda tesis edilmiştir.
Bu çalışmanın amacı, IRS ve otomatik kontrol sisteminin enerji tasarrufu analizini yapmaktır.
Yapılan analizlerde, test odasında şebekeden çekilen güç baz alınmıştır.
2.
TEST HACİMLERİNİN TANIMLANMASI
Deney amacıyla kullanılan referans oda ve test odası bitişik hacimler olup, 41°6.3´ kuzey
enlemi ve 29° 1.46´ doğu boylamında bulunan İTÜ Ayazağa kampüsü Elektrik-Elektronik
Fakültesi binasının üçüncü katındadırlar. Hacimler güneyden 10° lik sapma açısıyla güneybatı
doğrultusunda yer almaktadırlar. Şekil 1-3’de, şehir merkezi ile çevrelenmiş düz açık alanda
bulunan deney hacimlerinin, dış cephe ve iç hacim görüntüleri verilmiştir. Binayı çevreleyen
açık alan çimenle kaplı olup, kışın toplam iki haftayı geçmeyen süre boyunca karla
kaplanmaktadır.
Test odası ve referans oda başlangıçta birbirlerinin aynı iki hacim iken, test odasında tavanın
alçaltılması ve pencerelerin üst kısımlarını IRS’ nin kapatması sonucu, hacimlerin özellikleri
farklılaşmıştır. Hacimlerde ölçümler tek noktada yapıldığından ve aydınlık düzeyinin dağılımı
incelenmediği için bu durum bu çalışmada herhangi bir sakınca oluşturmamaktadır.
Test odası ve referans odanın uzunlukları 7.3 m ve genişlikleri 3.35 m’ dir. Test odasının
yüksekliği 3 m olup, referans odanın yüksekliği, fakülte binasındaki standart hacim yüksekliği
olan 4 m’ dir. Tavan gelişmiş doğal aydınlatma sisteminin bir parçasıdır ve tavanın IRS’ nin
ikincil yansıtıcısı olarak kullanılabilmesi için test odasında tadilat yapılmıştır. Referans oda
ve test odasındaki pencere alanları sırasıyla, 3 m2 ve 1.6 m2’ dir.
Şekil 1. Güneye bakan cephenin dış görünüşü
Şekil 2. Test odası
Şekil 3. Referans oda
IRS, pencerelerin üst bölümlerine monte edilen, içerisinde hem doğal ışık yansıtıcılarını hem
de yapay ışık kaynaklarını barındıran bir sistemdir. Doğal ışık yansıtıcıları, pencerenin üst
bölümünden gelen ışığı tavana yansıtıp, doğal ışığı tavandan hacmin daha derin bölgelerine
iletmektedir. Sistemin içinde yer alan yapay ışık kaynaklarının ışıkları da benzer bir yöntemle
endirekt olarak çalışma düzlemine erişmektedirler. Amaç, çalışma düzleminde istenen
aydınlık düzeyine ulaşmak için, mevcut doğal ışığı, yapay ışık ile desteklemektir.
Test odası ve referans odaya ait yansıtma katsayıları ölçülmüştür ve aşağıdaki değerler
bulunmuştur. Test odası ve referans odanın beyaz tavan ve duvarlarının yansıtma katsayıları
%85’ dir. Test odasının zemini açık gri renkli halı ile kaplanmış olup, yansıtma katsayısı
%35; referans odanın zeminini kaplayan açık yeşil halının yansıtma katsayısı ise %15’ dir.
Her iki hacimde de yansıtma katsayıları %18 olan çalışma masaları bulunmaktadır. Test odası
ve referans odada kullanılan mobilyaların yansıtma katsayıları sırasıyla, %10-%15 ve %15%35 arasında değişmektedir.
2.1. Yapay Aydınlatma Sistemi
Test odasında yapay aydınlatma 4 adet 58 W, 6510 lm’ lik sıcak beyaz ışık renkli fluoresan
lamba ile sağlanmaktadır. Pencereden 2.5 m uzaklıkta ve çalışma düzleminde bulunan ölçme
noktasındaki aydınlık düzeyi, doğal ışık olmadığında ve yapay ışık kaynakları tam kapasite ile
çalıştıklarında sağlanan 500 lx’ dür. Referans odadaki yapay aydınlatma 12 adet 40 W’ lık
fluoresan lamba ile sağlanmaktadır. Yapay ışık kaynaklarının referans odada yatay aydınlık
düzeyinin ölçüldüğü noktada sağladıkları ortalama aydınlık düzeyi 500 lx’ dür.
2.2. Ölçme Düzeni
Test odasında 4 adet algılayıcı kullanılmıştır. 1 numaralı algılayıcı hacim içinde insan
varlığını algılayıp bilgisayara, pencere duvarından 2.5 m uzaklıkta tavana yerleştirilmiş olan 2
numaralı algılayıcı, çalışma düzlemindeki parıltıyı algılayıp, kontrol sistemine iletir. 3
numaralı algılayıcı pencere duvarından 2.5 m uzaklıkta çalışma düzlemine yerleştirilmiştir ve
çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyini algılayıp bilgisayara iletir. 4 numaralı algılayıcı ise
cephedeki düşey aydınlık düzeyi bilgisini bilgisayara ulaştırır. Tüm ölçümler 2 dakikada bir
alınmıştır.
Referans odada kullanılan 3 adet algılayıcının hepsi verilerini bilgisayara iletmektedirler.
Pencere duvarından 2.5 m uzaklığa ve zeminden 3 m yüksekliğe yerleştirilen 5 numaralı
algılayıcı, hacimdeki lambaların açık olup olmadıklarını algılayabilmek için, lambalara yakın
bir yükseklikteki aydınlık düzeyini ölçer. Çalışma düzleminde pencere duvarından 2.5 m
uzaklığa yerleştirilen 6 numaralı algılayıcı ise, çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyi
ölçümünü yapmaktadır. 7 numaralı algılayıcı hacim içinde insan varlığını algılayıp
bilgisayara iletmektedir.
Şekil 4. Test odasındaki ölçme düzeneği
Şekil 5. Referans odadaki ölçme düzeneği
2.3. Otomatik Kontrol Sistemi
IRS’ nin kontrolünde European Instabus Integral Tipi Kontrol Sistemi (EIB) kullanılmıştır.
Loşlaştırma birimi loşlaştırma sinyalini 1-10 V arasında alır. Bu sistem bir grup yapay ışık
kaynağını tek bir sistem olarak kabul ederek, doğal aydınlık düzeyine göre kontrol sağlar. Bir
EIB yazılımı ile programlanır ve kalibrasyonu yapılır. Kontrol sisteminin ışık algılayıcısı
filtre edilmiş BPW21R tipi Si-Diyottur [3].
3.
YÖNTEM
Bu araştırmada çalışma saatleri 8:00-18:00 arası kabul edilmiştir. İki dakikada bir ölçüm
yapılmıştır. Sekiz algılayıcının her birinden alınan 99600 veri kullanılmıştır. Toplam veriden
hatalı 9900 adet veri kullanılmayıp değerlendirme dışı bırakılmıştır.
Referans odada yapay ışık kullanımına ilişkin yapılan incelemelerde aşağıdaki sonuçlar elde
edilmiştir. Hacim çalışanlarca kullanılmadığında ve/veya çalışma düzleminde referans
aydınlık düzeyi doğal aydınlatma ile sağlanmasına rağmen, yapay aydınlatma kullanılmıştır.
Şekil 6’da referans odaya ait, 09/04/2003 tarihli ölçüm sonuçları verilmektedir. Çalışma
düzlemindeki doğal ve yapay aydınlık düzeyi, doğal aydınlık düzeyi, hacmin kullanımına
ilişkin bilgi, yapay ışık kaynaklarının kullanılma süreleri ve referans aydınlık düzeyi olan 500
lx şekilde grafik halinde verilmiştir. Günün başında çalışma düzlemindeki aydınlık düzeyi
1050 lx olmasına rağmen, ışıklar yakılmış ve ancak akşam mesai bitiminde oda terk edilirken
kapatılmışlardır.
Şekil 6. Referans oda ölçüm sonuçları, 09/04/2003
Referans oda ile test odası enerji kullanımı bakımından karşılaştırılırken, referans oda çalışma
düzlemindeki doğal aydınlık düzeyi 500 lx’ den az olduğunda yapay ışık kullanılacağı
varsayımı yapılmıştır. Böyle bir varsayım yapılmasının birden fazla nedeni vardır. Örneğin
üniversitemizde çalışan kişiler sıklıkla doğal aydınlatmadan kaynaklanan aydınlık düzeyine
dikkat etmeden, sabahleyin odaya girdiklerinde ışıkları açmaktalar ve bu ışıklar akşam oda
terk edilene kadar açık kalmaktadırlar. Ayrıca, referans odada çalışan kişiler bir laboratuarda
da çalışmak mecburiyetinde olduklarından, bazı günler odayı kimse kullanmamaktadır.
Referans odada yapay aydınlatma için, 40W +9 W gücünde 12 adet fluoresan lamba
kullanılmaktadır. Referans odada şebekeden çekilmesi muhtemel enerji Wh cinsinden
hesaplanmıştır. Test odasında lambaların kontrol gerilimleri ölçülmektedir. Kontrol gerilimi
ile şebekeden çekilen güç arasında lineer kabul edilebilecek bir bağıntı mevcuttur. 10 V’ luk
kontrol gerilimi şebekeden çekilen 360 W’ a karşılık gelmektedir. Bu bilgiden yola çıkılarak,
test odasında sistemin harcadığı enerji Wh cinsinden hesaplanmıştır.
Şekil 7. Kontrol sisteminin standart loşlaştırma eğrisi, şebekeden çekilen bağıl güce karşılık ışık kaynaklarının
verdiği bağıl ışık akısı [3]
3.
DENEY SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRİLMESİ
Yapılan incelemeler sonucu elde edilen sonuçlar Şekil 8’ de verilmiştir. Referans odaya
ilişkin değerler siyah, test odasına ait değerler gri çubuklarla gösterilmiştir.
Tablo 1 ve 2’de verilen 10, 11, 12. ay verileri 2002 yılına, 1-9 aylarının verileri 2003 yılına
aittirler. Aralık ayına ait 15 günlük veri, ayın diğer yarısında benzer değerler beklendiği için
tüm aya tamamlanmıştır. Tablo 1 ve 2’ de verilen referans odaya ait değerler, referans odada
aydınlatma için yapılan varsayım altında, harcanması öngörülen aylık toplam enerji
miktarlarıdır. Test odası değerleri, test odasında aydınlatma amacıyla harcanan aylık toplam
enerji miktarlarıdır. Tasarruf olarak ifade edilen oran, test odasındaki sistemin, referans odaya
göre sağladığı enerji tasarrufudur [4].
Tablo 1. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri, yılın ilk altı ayı için, Wh cinsinden [4]
referans oda
test odası
tasarruf [%]
1
124597.2
82022.4
34
2
93844.8
79052.4
16
3
63739.2
49975.2
22
4
71324.4
57880.8
19
5
6
32124.38
37220.4
26793.241 32692.561
17
12
Tablo 2. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri, yılın ikinci altı için, Wh cinsinden [4]
7
8
referans oda 31301.18 38553.22
test odası 31013.881 30411.839
tasarruf [%]
1
21
9
55624.8
43426.8
22
10
65660.02
40514.4
38
11
69129.22
45068.4
35
12
75067.961
68604.242
9
Tablo 3. Mevsimlere göre ve yıllık ortalama % cinsinden tasarruf oranları [4]
bahar ayları
kış ayları
yaz ayları
yıllık
25
19.5
11.4
20.4
referans odaya ait olacağı kabul edilen ve test
odasına ait şebekeden çekilen enerji (Wh)
140000
enerji (Wh)
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ay
Şekil 8. Referans oda ve test odasına ait enerji değerleri [4]
11
12
4. SONUÇLAR
Bu çalışmada, Berlin Teknik Üniversitesi Işık Tekniği Enstitüsü ve Siteco
Beleuchtungstechnik GmbH ile birlikte İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi tarafından ortaklaşa
yürütülen “Işık Rafı Sistemi ile Günışığı-Yapay Işık Entegrasyonunun İklim Koşullarına
Bağlı Optimizasyonu” isimli araştırma projesinin bir bölümü konusunda bilgi verilmiştir.
Buradan elde edilen sonuçlar tartışılmıştır.
İstanbul Teknik Üniversitesi’ nde kurulu sistem incelendiğinde, pencerenin üzerinde dışarıya
doğru geniş çıkıntıların olması durumunda, hacme giren doğal ışık miktarının kısıtlandığı
görülmektedir. Bunun nedeni üzerinde bulunduğumuz enlemde güneş yükseklik açısının
kuzey enlemlerine nazaran daha büyük olmasıdır. Bu sakıncaya rağmen IRS hacimdeki doğal
ışık dağılımını düzenlemektedir ve doğal ışığın kullanım verimini arttırmaktadır. IRS’ nin
hacmin doğal aydınlatmasına katkılarının yanında, kullanılan otomatik kontrol sistemi ile,
istenen aydınlık düzeyi olan 500 lx değerine günışığı ile ulaşılabildiğinde, ışık kaynaklarının
loşlaştırılmaları sağlanarak, enerji tasarrufu elde edilmektedir. Referans oda ve test odasından
toplanan verilerin incelenmesi sonucunda, Işık Rafı Sistemi ile Günışığı –Yapay Işık
Entegrasyon Sisteminin kullanımı ile bahar aylarında % 25, kış aylarında % 19.5, yaz
aylarında % 11.4 olmak üzere, yıllık ortalama % 20 oranında tasarruf sağlandığı görülmüştür.
5. KAYNAKLAR
[1] Daylight in Buildings, A Source Book on Daylighting Systems and Components, A
Report of IEA SHC Task 21 / ECBCS ANNEX 29, July 2000
[2] Çetegen D, Enarun D, Doğal aydınlatma konusundaki yeniliklere bir bakış, 3. Ulusal
Aydınlatma Kongresi, İstanbul, sayfa 30-35, 23-24 Kasım 2000
[3] BELENDORF Heiko, Fortschritt-Berichte der VDI Zeitschriften, 2003
[4] ÇETEGEN Duygu, Doğal Işığın Hacim İçinde Etkin Kullanımını Sağlayan Düzeneklerin
İstanbul İklim Koşulları Altında İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri
Enstitüsü, İstanbul, Ocak 2004
Teşekkür
Bu çalışma, Berlin Teknik Üniversitesi Işık Tekniği Enstitüsü ile İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi’ nin
ortaklaşa yürüttükleri “Işık Rafı Sistemi ile Günışığı-Yapay Işık Entegrasyonunun İklim Koşullarına Bağlı
Optimizasyonu” isimli araştırma projesi kapsamında, SİTECO Beleuchtungstechnik GmbH firması ve İTÜ
Araştırma Fonu tarafından desteklenmiştir.
Odalarını deneylerimizin yürütülebilmesi amacıyla kullanımımıza açan Prof.Dr. Serhat ŞEKER, Y.Doç.Dr.
Emine AYAZ, Öğr.Gör.Dr. Ramazan ÇAĞLAR’ a ve test odasının tadilatının yapılmasının yanısıra bize her
konuda destek olarak bu çalışmanın yapılmasına olanak sağlayan SİTECO Aydınlatma Tekniği Ticaret ve
Sanayi Ltd. Şirketi’ ne en içten teşekkürlerimizi sunarız.
Duygu ÇETEGEN1), Dilek ENARUN2) , Alp
BATMAN4)
İstanbul Teknik Üniversitesi, ElektrikElektronik Fakültesi, 34469, Maslak, İstanbul
1)
Tel: 0 212 285 60 20
e-posta: [email protected]
2)
Tel: 0 212 285 69 53
e-posta: [email protected]
4)
Tel: 0 212 285 60 27
e-posta: [email protected]
Fax: 0 212 285 67 00
Alpin KÖKNEL YENER3)
İstanbul Teknik Üniversitesi, Mimarlık
Fakültesi, Taşkışla, 34437, Taksim,
İstanbul.
Tel: 0 212 293 13 00 / 21 60
Faks: 0 212 251 48 95
e-posta: [email protected]