EkoYapı Dergisi - Ekolojik Yapılar ve Yerleşim Dergisi

Aydınlatmada Nanoteknoloji

Yrd.Doç.Dr. Rana Kutlu, Yrd.Doç.Dr. Banu Manav İstanbul Kültür Üniversitesi, Sanat ve Tasarım Fakültesi, İçmimarlık ve Çevre Tasarımı Bölümü

İnsanoğlu doğal ve yapma fiziksel çevre ile sürekli ve birebir etkileşim içerisinde olup, mimarlık mesleği aracılığıyla kullanıcıların her türlü konfor gereksinmelerine cevap verecek şekilde çevreyi yeniden şekillendirmektedir. Yapma çevrenin şekillendirilmesinde doğanın korunması ve doğal kaynakların etkin kullanımına dayanan “Sürdürülebilir Tasarım”, “Enerji Etkin Tasarım” anlayışı ile kaynak enerji etkinliği, sağlıklı bina-malzeme, ekolojik, sosyolojik açıdan duyarlı arazi kullanımı ve estetik duygulara cevap verecek çözüm arayışları birbirleriyle entegre edilmektedir.

Enerji etkin tasarım anlayışında yapma çevre bir yandan, mekanik ve elektrik sistemlerinin otomasyonu ile enerji yönetiminin gerçekleştirildiği diğer yandan yenilenebilir enerji kaynaklarından optimum yararlanılan pasif sistemler olarak tasarlanmaktadır. Tüm dünyada binalarda konfor koşullarının sağlanması için kullanılan enerjinin payı, tüketilen enerjinin büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Bu oran ülkelerin gelişmişlik düzeylerine göre farklılıklar göstermektedir. Binaların aydınlatma açısından pasif sistemler olarak tasarlanmasında farklı ölçekler ve tasarım süreçleri dikkatle ele alınmalıdır. Yerleşme ölçeğinde, yer seçimi; binaların birbirine göre konumu; Bina ölçeğinde, bina formu, binanın baktığı yönler; Hacim ölçeğinde ,hacim boyutları ve biçimi ve yüzey özellikleri; Yapı elemanı ölçeğinde, bina kabuğu, cephenin sahip olduğu saydamlık oranı, doluluk-boşluk ilişkisi, pencerelerin konumu ve biçimi, pencerelerin ışık geçirgenliği, yansıtıcılığı, doğrama çarpanı ve bakım faktörleri hacimde elde edilen günışığı miktarları ve dağılımı açısından belirleyici olmaktadır. Ayrıca kabuğa entegre edilecek gelişmiş günışığı sistemleri, güneş kontrol araçları da hacimdeki doğal aydınlatmanın nitelik ve niceliği üzerinde direkt olarak etkilidir. Enerji etkin aydınlatma tasarımında, doğal aydınlatma sistemleri ile yapma aydınlatma sistemleri birbirini tamamlar biçimde bütüncül bir bakış açısıyla değerlendirilmelidir. Buna göre, aydınlatmada günışığından etkili bir biçimde yararlanarak yapma aydınlatma sistemlerini tasarlamak ve enerji yüklerini azaltmak mümkün olabileceği gibi ısıtma ve soğutma yükleri de azaltılabilir.

Geleneksel yolla hacimlere günışığı alınmasını sağlayan pencereler ve tepe açıklıkları iklimsel ve görsel konfor koşullarını sağlamada yetersiz kalmakta olup tasarımda enerji etkinliğinin ve konfor koşullarının arttırılması bakımından gelişmiş sistemler ile beraber donatılarak (anidolik ışık rafları ve tavan sistemleri, ışık tüpleri ve nano teknolojinin kullanıldığı gelişmiş cam teknolojileri, fotovoltaik paneller v.b.) aktif ve pasif sistemler bir araya getirilmekte, enerji etkin tasarım ilkelerine uygun bütünleşik kabuk sistemleri oluşturulmaktadır. Bu yazı kapsamında bütünleşik kabuk sistemlerini oluşturan aydınlatma sistemlerinden nano teknoloji ile üretilen gelişmiş cam teknolojileri, saydam fotovoltaik paneller ve nano-pv malzemeler uygulama örnekleri üzerinden anlatılarak tanıtılacaktır.

Gelişmeler ve Enerji Etkin Kabuk Tasarımı

I. Nanoteknoloji ve Gelişmiş Cam TeknolojileriNanoteknoloji, atomik-moleküler boyutta maddenin mühendisliğinin yapılarak yeni özelliklerinin açığa çıkartılmasıdır. Nanoboyutlara inildiğinde madde makro-boyutlardan çok daha farklı fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler kazanmaktadır. Nano-sistemlerin fabrikasyonu ile, tıp, endüstri, mimari gibi farklı alanlarda daha önce varlığı bilinmeyen çeşitli fonksiyonlar ortaya çıkartılmaktadır. Günümüzde nanoteknoloji ile özellikle malzeme ölçeğinde önemli gelişmeler kaydedilmektedir. Maddenin halleri arasında değişim esasına dayanan, opaklık ve şeffaflığın kontrol edilebildiği çalışmalar nanoteknolojik malzemelere örnek verilebilir. Malzemenin boyutu nanometre ölçütlerine indiğinde, maddenin kimyasal ve fiziksel özellikleri de değişebilmektedir. Kimyasal ve fiziksel özellikler atom yapısına bağlı olarak, sisteme katılan yeni bir atomun cinsine ve atomların diziliş biçimine göre farklı davranışlar sergilemektedir. Bunun sonucunda güneş ışınımına, ısıya, elektrik enerjisine duyarlı yeni kompozit malzemeler üretilmektedir. Bunlar arasında; gelişmiş cam teknolojileri , saydam fotovoltaik paneller ve nano-pv malzemeler sayılabilir.

II. Gelişmiş Cam Teknolojileri
Günışığı geleneksel pencereler aracılığıyla hacmin sınırlı mesafelerdeki derinliklerine alınabilirken, yeni aydınlatma teknolojileri sayesinde güneş ışığını kontrol ederek yönlendirme ile pencere duvarından hacmin daha uzak mesafelerine yeterli düzeyde ve nitelikte günışığı almak mümkün olmaktadır. Bu sayede bir yandan hacimde iklimsel konfor koşulları sağlanırken, diğer yandan günışığı dağılımının nitelik ve nicelik açısından iyileştirilmesi ile görsel konfor koşulları da sağlanmış olmaktadır.

Güneş ışınımının kontrolü, günışığının kontrollü olarak içeriye alınması, güneş ışınımından ısı kazancı sağlanması, dış görüşün sağlanması ve güneş ışınımının hacimlerde yarattığı ısıtıcı etkinin kontrolünü amaçlayan gelişmiş cam teknolojileri, kullanılan camın çalışma prensibine göre pasif ve aktif olmak üzere ikiye ayrılabilir.

a) Pasif Sistemler
Amaca uygun bir biçimde optik yasaları kullanarak çalışan açısal seçici ve tayfsal seçici cam türleri, holografik optik elemanlar, prizmatik paneller, lazer kesimli paneller, gelişmiş cam teknolojileri içinde pasif sistemler başlığı altında sıralanabilir. Tayfsal Seçici Camlar, camın günışığı geçirgenliğini olabildiğince yüksek tutabilmek amacıyla yalnızca spektrumun görülemeyen bölümü için etkili olan bazı özel boya ve kaplamalar kullanılarak üretilmektedir[1],[2]. Lowe camlar olarak da bilinen tayfsal seçici camlar (spectral selective glazing), Şekil 1 de gösterildiği gibi görülebilen ışınımı olabildiğince geçiren fakat kızılötesi ve morüstü ışınımı büyük oranlarda yutan veya yansıtan camlardır Şekil 1. Açısal Seçici Camlar, sıcak dönemde güneş yükseliş açısı dik veya dike yakın iken gelen ışığı geçirmemekte, küçük yükseliş açılarıyla gelen ışığı geçirmektedir. Bu camların tepe ışıklıklarında kullanılması da yine benzer bir etki yaptığından sıcak iklim bölgeleri için uygun bir çözüm olarak kullanılmaktadır [4]. Şekil 2, açısal seçici camların kullanılmasına bir örnektir. (Şekil 2.) [3]

Holografik Optik Elemanlar, lazer yardımıyla ince bir film tabakası üzerine bazı desenlerin işlenmesi ve bu filmin iki cam tabakası arasında lamine edilerek uygulanmasıyla elde edilmektedir. Bu elemanlar, üzerlerine gelen direkt güneş ışığını yansıtıcı, yaygın gök ışığını geçirici bir özellik taşımaktadır. Bazı çalışmalarda, cephede Holografik Optik Elemanların kullanıldığı bir pencere sisteminin hacimde daha yansıtıcı bir tavan ile birlikte kullanılmasıyla mekanın derin bölgelerine iki kat daha fazla günışığı iletildiği belirtilmektedir[5].Şekil 3 ‘te pencere üst kısmında çift cam arasına holografik eleman uygulaması yapılmış bir ofis görülmektedir. (Şekil 3)

Kullanım amacına göre bu elemanlar pencere dışında düz ya da açılı konumdaki güneş kontrol araçları üzerinde de yerleştirilebilir (Şekil 4). HOE uygulamaları, yaygın günışığını hacmin derinliklerine yönlendirerek hacimde aydınlığın düzgün dağılımına yardımcı olurken, parıltı farklılıklarından kaynaklanan kamaşma sorununu da azaltmaktadırlar. Bu özellikleri ile kapalı gök koşullarının hakim olduğu bölgelerde, göğün tepe bölgesinden gelen yayınık ışığın hacmin derinliklerine yönlendirilmesinde uygun bir sistem olarak görülmektedir. (Şekil 4)

Çift Cam Arasına Yerleştirilen Prizmatik Paneller, üzerlerine gelen direkt güneş ışınlarını optik performansları sayesinde yönlendirerek hacim içerisine alan sistemlerdir. Şekil 5 de, bir ofis hacminde tepe açıklığında çift cam arasına uygulanan paneller gökışığını ve güneş ışığını, hacme yansıtma ve kırılma ilkelerini kullanarak dağıtmaktadır. [6]. (Şekil 5)

Çift Cam Arasına Yerleştirilen Prizmatik Filmler, çok ince prizmatik elemanların ince bir film tabakası üzerine basılarak cam panel üzerine uygulanması ile kurulmaktadır. Sistemin amacı, üzerine belirli bir açı ile gelen direkt güneş ışığını engelleyerek, kırıp hacmin tavanına doğru yönlendirmektir. Güneş ışığını hacme yönlendirmede prizmatik panellere göre daha seçici olup performansı daha yüksektir. Lazer Kesim Paneller, saydam akrilik bir panel üzerine lazer ile kesikler atılarak elde edilen bir sistemdir. Bu sistemin amacı istenmeyen direkt güneş ışığını dışarıda bırakarak, günışığının hacme alınmasıdır. Paneller genellikle iki cam arasına uygulanır, ancak kesik yüzeyin lamine cam ile korunması halinde dışarıda da kullanılabilirler. Bu ürün, güneşli bölgelerde, direkt güneş ışığından kaynaklanan aşırı ısınma ve kamaşma sorununa bir çözüm bulmak üzere geliştirilmiştir. Şekil 6’da sistemin çalışma prensibi ve bir derslik hacminde tepe penceresinde uygulaması görülmektedir. (Şekil 6) [7]

b) Aktif Sistemler Bu sistemde yer alan camlar içinden elektrik akımının geçmesi sonucunda saydamlık oranı değişen, günışığı kontrolü sağlarken güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren sistemlerden oluşmaktadır. Bunlar arasında, elektrokromik camlar, fotovoltaik paneller- saydam fotovoltaikler, Nano PV malzemeler sayılabilir. Elektrokromik Camlar olarak bilinen Sıvı Kristalli Cam Parçacıklı Camlar (Polymer Dispersed Liquid Crystal), Nanoteknolojik çalışmalar ile üretilmiş ve içinden elektrik akımının geçmesiyle saydamlık oranı değişen cam elemanlardır. Sıvı kristalli cam parçacıklı camlar, iki cam yüzey arasındaki sıvı kristallerin içinden elektrik akımının geçmesi ve saydam cam yüzeyinin saydamlık oranının değişmesiyle üretilmektedir. Görünürlük derecelerinin koyu açık, yarı şeffafşeffaf olması durumuna göre alt türlere ayrılırlar[8]. Tasarımda esneklik sağlayan bu cam paneller, pencere camı, sergi yüzeyi, projeksiyon perdesi, işaret panosu olarak değişik amaçlarla kullanılabilmekte, tuvalet kabini, mağaza vitrini gibi farklı işlevler için üretilmektedir. (Şekil 7) Fotovoltaik Paneller-Saydam Fotovoltaikler, güneş enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üretimi sürecinde çevreyi kirletmezler ve gürültü kirliliğine yol açmazlar. “Sürdürülebilirlik” bağlamında, günümüzde binanın ihtiyacı olan elektrik enerjisinin bir kısmının fotovoltaik sistem ile karşılanması gittikçe yaygınlaşmakla beraber hala istenilen düzeye gelinememiştir. Bu paneller, yapı kabuğuna ayrı veya bitişik monte edilebildiği gibi yapıya bütünleşik bir sistem olarak kabuk önerisi şeklinde de tasarlanabilir. Aşağıdaki şekilde yer alan binanın güney cephesinde hareketli ve sabit gölgeleme aracı olarak kullanılan fotovoltaik paneller, çatıda ışığı geçiren çatı kaplama malzemesi olarak kullanılmıştır (Şekil 8). Çatıda kullanılan panellerin ışık geçirgenliği sayesinde bir yandan iç mekana gerekli günışığı alımı sağlanırken, diğer yandan elektrik üretimi yapılmaktadır. Şekil 8. [9]

Mevcut fotovoltaik panellerle iç ve dış mekan arasında net bir görsel ilişki sağlanamazken nanoteknolojik çalışmalar ışığı altında yeni üretilen ve deneme sürecinde olan saydam fotovoltaik camlar ile hem güneş enerjisinden elektrik üretmek, hem de dış ortamla kesintisiz görsel bağlantı sağlamak mümkün olmaktadır (Şekil 9). 80 ile 250 W elektrik üretebilen bu yeni pencere sistemi; sağlamlaştırılmış cam, çok katmanlı fotovoltaik tabakalar ve yalıtımlı doğramalardan oluşmaktadır. Isıtma-soğutma yükünde %50 tasarruf sağladığı, ultraviole ve infrared filtresi olduğu, görsel açıdan görüntü kontrolü sağladığı bilinmektedir. Geleceğin pencere camı olarak nitelendirilen ürünün performans testleri üzerindeki çalışmalar Amerika Birleşik Devletleri’nde devam etmektedir. (Şekil 9) [10]

Nano PV Malzemeler, nano kristal yapısı (Hidrojen Amorf Silikon) ve şeffaf iletken teknolojisi nedeniyle mevcut güneş pillerine göre yaklaşık % 10 daha verimlidir [11]. İnce film üretim teknolojisine dayanan Nano PV malzeme, mimarlara esnek formlar tasarlamada ve boyut konusunda özgürlük tanımanın yanında daha hafif bir malzeme olması sebebiyle yapıya daha az yük olmaktadır. Buna karşın teknolojisinin yeni olması nedeniyle üretim maliyetleri şu an için yüksektir. Nano Pv cam modüller, içbükey formlarda da üretilmektedir. Bu sayede gökdelenler, dairesel formlardaki cephe yüzeylerine de bu cam modüller uygulanabilmektedir. Şekil 10. [10]

Sonuç
Enerji etkin tasarım konusu mimarinin biçimlenişinde etkin bir rol oynarken, kabuk tasarımına da yansımaktadır. Günümüzde doğayı kirletmeden enerji kaynaklarının bilinçli tüketilmesi, çevreye duyarlı tasarım ve sürdürülebilirlik gibi kavramların önem kazanması sonucunda, binaların yapma aydınlatma yükünün olabildiğince azaltılmasını amaçlayan “enerji etkin aydınlatma sistemleri”nin uygulanması güncel bir konu haline gelmiştir. Bina kabuğunun, enerji gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanması, gelişmiş cam teknolojilerinin kullanılması, aktif ve pasif sistemlerin bir arada mimari tasarıma yansıması ve yapıya entegre edilmesi gerekmektedir.Bunun sonucunda, bu sistemlerin içinde yer alan nanoteknolojik gelişmeler, üretilen yeni malzemeler önem kazanmaktadır. Nanoteknolojik malzemeler içinde yer alan cam türleri ve PV malzemeler enerji korunumu açısından olumlu katkılar sağlarken, iç mekanlarda iklimsel ve görsel konfor koşullarının sağlanması, cephe tasarımı ve güneş kontrolü açısından da alternatifler sunmaktadır. Geleceğin cam teknolojileri olarak adlandırılan saydam fotovoltaikler, Nano PV malzemeler esnek mimari tasarımlar sunmak için de gereklidir.

KAYNAKLAR

[1] Köknel Yener, A., Güvenkaya, R., 2005 Binalarda Günışığının Etkin Kullanımı, Tasarım Dergisi, vol.157 s.80-84

[2] Manav, B., Kutlu, R., Küçükdoğu, M.Ş., (2009), “Mimaride Kullanılan Cam Türlerinin Aydınlatma Açısından

İncelenmesi”, Ulusal Elektrik Tesisat Kongresi, V. Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, 7-10 Mayıs 2009, İzmir

[3] http://windows.lbl.gov/materials]

[4] Daylight in Buildings, IEA, Report IEA SHC Task 21,Washington, 2000.

[5] Daglichtsystemen-stand van de techniek(in Dutch),Novem by, the Netherlands,1997

[6] Aizelewood, M. E., 1993, Innovative Daylight Systems: An experimental evaluation; Lighting Research and Technology, Vol 25, No:4, 141-152

[7] Daylighting in Building –ıea c4.pdf.4-43

[8] Sottile, G. M., 2008, Cleantech Daylighting Using Smart Glass:A Survey of LEED Accredited Professionals,pp.201-

204, June 1-5,Massachusetts, USA

[9] www.architectureweek.com/2001/...

[10] RSI Solar, RSI PV-Glass- Window Press Release 12-12-1-2008

[11] Selvan, J.A.A., et.al, 2005, Advanced Nanocrystalline Si:H Solar Cell Structures Using Novel Transparent

Conducting Light Trapping Oxides, Energy Photovoltaics,Inc., Princeton, IEEE, 1492-1495

Yorum yaz...

Teşekkür ederiz. Yorumunuz onaylandıktan sonra yayınlanacaktır.
Üzgünüm. Yorumunuz gönderilemedi. Lütfen tekrar deneyin.
  • (Yayınlanmayacak)