Enerjisini Etkin Kullanan Bir Bina Yapıyoruz
Yrd.Doç.Dr.Rana Kutlu İKÜ Sanat ve Tasarım Fakültesi
Enerji etkinliği, çağımızda binaların olmazsa olmazı. Sevindirici olan şu ki, artık mimarlık eğitiminde bu konu üzerinde titizlikle durulan konulardan biri haline gelmiş durumda.
Bu konuya odaklı çalışmalardan biri de geçtiğimiz sene İstanbul Kültür Üniversitesi’nde İç Mimarlık ve Çevre Tasarımı Bölümü son sınıf öğrencileri tarafından Yrd.Doç.Dr. Rana Kutlu yürütücülüğünde gerçekleşti. Binanın enerji etkinliği en başta hangi iklim bölgesinde yapıldığına ve bu iklim bölgesinin gerektirdiği ana tasarım kararlarının alınıp alınmadığına bağlı. Bu çalışma, tüm bu parametreleri bize bir kez daha önemle hatırlatıyor.
Çalışma kapsamında öğrencilerden, Türkiye’nin 5 farklı iklim bölgesinde (sıcak nemli, sıcak kuru, ılımlı nemli, ılımlı kuru, soğuk), her iklim bölgesine ait pilot ilde (Antalya, Mardin, İstanbul, Ankara, Erzurum) yer aldığı kabul edilen, enerji etkin tasarım anlayışına sahip konut tasarlamaları istenmiştir. Seçilen örnekler, farklı iklim bölgeleri için önerilen yaklaşımlar, fiziksel çevre öğeleri, bina formu, kütle, hacim organizasyonu, bina cepheleri (kabuk), enerji etkin pasif, aktif sistemler ve bu sistemlerin kullanım olanakları, malzeme seçimi gibi başlıklar altında incelenmiştir.
1. Sürdürülebilir Tasarımda İklime İlişkin Parametreler Dış iklimsel koşullar yapma çevrede iç iklimsel ve görsel konfor koşullarını belirleyeceğinden iklime ilişkin parametreler çalışılan iklim bölgelerine göre değerlendirilmiştir. Çalışmada ele alınan 5 farklı iklim bölgesi için yöresel iklimsel etkilerden optimum düzeyde yararlanmayı amaç edinen yapma çevreler oluşturulmaya çalışılmıştır. Bu amaçla yerleşme ölçeğinden başlayarak yapının bulunduğu yerey parçasının eğimi, yönü, çevresindeki doğal ve yapay engeller gibi parametrelere ilişkin değerler her iklim bölgesi için iklimsel özelliklerden optimum düzeyde yararlanacak şekilde kabul edilmiştir. Bu doğrultuda, yapıların, bulunduğu arazinin seçiminde; güneye bakan yamaç üzerinde iklim bölgeleri için, güneş ışınımı, rüzgar ve dış hava nemliliği gibi iklimsel karakterlerden optimum düzeyde yararlanacak ya da bu iklimsel karakterlerden korunacak biçimde konumlandığı kabul edilmiştir (Şekil 1).
Enerji etkin tasarımda binalar arası mesafeler, binaların birbirlerine göre konumlarının, dış bitki örtüsü ve engel yüzeylerinin özelliklerinin dikkate alınması gerekliliği bilinmekle beraber bu çalışma bir yapı örneği ve yakın çevresi ölçeğinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, yapı ölçeğinde, sürdürülebilir tasarım için mimarın kontrolünde olan parametreler; binaya ilişkin, cepheye (kabuğa) ilişkin ve malzemeye ilşkin parametreler olmak üzere ayrı ayrı sınıflandırılarak ele alınmıştır.
2. Sürdürülebilir Tasarımda Binaya İlişkin Parametreler Sürdürülebilir tasarımda, binanın bulunduğu bölgenin enlem-boylam gibi coğrafi özelliklerinin belirlediği iklimsel özellikleri tasarımcının kontrolü dışında olup, bu parametreleri dikkate alarak tasarımını şekillendireceği; binanın yönlendiriliş durumu; binanın formu; hacim organizasyonu gibi faktörler binaya ilişkin parametreler başlığı altında incelenmiştir.
İklim bölgelerine göre; kabuk aracılığı ile kazanılan ya da kaybedilen ısı miktarları değişim göstereceğinden hacimlerin pasif yolla ısıtılması ve soğutulmasında, binanın yönlendirilişi ile beraber bina formu da etkili olmaktadır.
Çalışmada, iklimle dengeli, sürdürülebilir tasarım için, iklimsel elemanlardan güneş ışınımı ve rüzgar yöne bağlı olarak değişim gösterdiğinden; yapının bulunduğu yerin iklimsel özelliklerine göre güneş ışınımının ısıtıcı, rüzgarın serinletici ve nemi dağıtıcı etkilerinden faydalanmak ya da korunmak üzere binaların yönlendirilmesi ve buna bağlı hacim organizasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, 5 farklı iklim bölgesine ait pilot illerde yapılan çalışmalar aşağıda ayrı ayrı ele alınmaktadır.
2.1. Sıcak-Nemli İklim Bölgesi: Sıcak Nemli iklim bölgesinde bol yağışın neden olduğu yüksek nemlilik oranları rüzgardan yararlanacak bina formu ve hacim organizasyonlarını gerekli kılmaktadır. Bu nedenle, ortamda nemin dağıtılması ve serinletme amacıyla kuzey yönünden gelecek hakim rüzgarlardan daha çok yaralanmak üzere, ince uzun cephesiyle dikdörtgen geometriye sahip bina formu tercih edilmiştir. Ayrıca, binanın rüzgar hareketlerinden daha çok yararlanabilmesi için, zeminden ayaklar ile yükseltilmesi bu yolla döşemenin soğutulması, çatıda yer alan rüzgar bacasıyla yapı içi doğal vantilasyonun sağlanması amaçlanmıştır. Çatı formu ise yağışlara uygun olacak şekilde eğimli ve güneş kontrolü sağlamak amacıyla geniş saçaklı olarak tasarlanmıştır. Çatının üst kat döşemesine oturduğu yerde doğal vantilasyon sağlayacak şekilde detaylandırılması sağlanmıştır (Şekil 2a).
Hacim organizasyonunda, güneşlenme açısından güneyli yönler öneme sahiptir ancak mekanların kullanım saatleri göz önünde bulundurulduğunda, yatak odaları ve mutfağın öğleden sonraki güneş ışınımından etkilenmemesi için bu mekanların doğu ve kuzey yönlerine yerleştirilmesine dikkat edilmiştir (Şekil 2b).
2.2. Sıcak-Kuru İklim Bölgesi: Bu iklim bölgesinde sıklıkla uygulanan avlulu bina formu ile içeride sağlanan gölgeli büyük boşluklar ısıtmanın istenmediği dönemde cephelerin güneş ışınımından korunacak şekilde gölgelenmesini getirmektedir. Bu iklim bölgesi için geliştirilen iki çalışmadan biri avlulu formda diğeri ise ısı kayıp ve kazançlarını minimize edecek kompakt formda tasarlanmıştır (Şekil 3).
İklim bölgesinin kuru olmasından dolayı nem ihtiyacının karşılanması için, çalışmada geliştirilen avlulu ve kompakt plan tipinde iç ortamda nemlilik oranının arttırılmasına yönelik olarak avluda ya da hakim rüzgar yönünde su öğesi kullanımı sağlanmıştır. Her iki örnekte çatı formu düz dam olacak şekilde iklimle dengeli geleneksel mimari örnekleri referans alınarak belirlenmiştir. Avlulu plan tipinde, güneş pilleri ile kollektörlerini yapı kabuğuna entegre etmek üzere; çatının güney bölümü eğimli hale getirilmiştir. Bina, gün boyu güneşin görüldüğü cephelerde, geleneksel mimaride uygulanan revaklar gibi hacimlerin ikincil mekanlar ile gölgenmesine olanak tanıyacak biçimde tasarlanmıştır.
2.3. Ilımlı-Nemli/Ilımlı-Kuru İklim Bölgesi: Ilımlı iklim bölgelerinde ısıtmada güneş ışınımından maximum yararlanma hedeflenirken, ısıtmanın istenmediği dönemde de güneş ışınımından korunma amaçlanır. Bu nedenle, ılımlı iklim bölgesinde yapılan her iki çalışmada bina formu ve yönledirilmesinde, bu kriter göz önünde bulundurulmuştur. Her iki iklim bölgesinde bina formu ve yapı kabuğu açısından benzerlikler bulunmaktadır. İklimsel özellikler bina formunun esnek tasarım anlayışı ile şekillenmesine olanak tanır. Buna dayanarak, çalışmada, cephede girinti-çıkıntılar ile hareketlilik ve geniş saçaklı eğimli çatı ile serbest bir tasarım anlayışına gidilmiştir.
Binanın yönlendirilmesi ve hacim organizasyonunda, güneş ışınımı kazancı yönünden I., II., III. derece öneme sahip; güneyden batıya ve doğuya doğru değişen yönler tercih edilmiştir. Bununla birlikte, ısıtmanın istenmediği dönemler için alınan önlemler kabuğa ilişkin parametreler kısmında ayrıca ele alınmıştır.
Ilımlı iklim bölgelerinde de sıcak iklim bölgelerinde olduğu gibi, mekanların kullanım zamanları dikkate alınarak hacim organizasyonuna gidilmiştir. Bu iklim bölgelerinde üzerinde güneş kontrolünün düşünüldüğü sera uygulamaları ile dış ve iç ortam arasında tampon bölge oluşturularak enerji tasarrufu açısından ısı kayıp ve kazançlarının kontrol altında tutulduğu yani konfor koşullarının pasif yollarla sağlandığı bir yaşama mekanı oluşturulmaya çalışılmıştır (Şekil 4).
2.4. Soğuk İklim Bölgesİ: Soğuk iklim bölgesinde, ısı kayıplarının minimize edilmesinde dış kabuk yüzey alanının en az olduğu kompakt, kareye yakın formlar tercih edilmiştir. Hakim rüzgar yönüne doğal engeller yerleştirilerek rüzgarın kabuk yüzeyinden ısı kaybına yol açmasının önüne geçilmeye çalışılmıştır. Bu iklim bölgesinde, yılın büyük bir kısmında yoğun kar yağışlarının olduğu dikkate alınarak çatının eğimi oldukça yüksek tutulmuştur. Çatının eğiminin belirlenmesinde, bulunulan enlem dikkate alınarak, çatıya yerleştirilecek güneş panelleri ile güneş pillerinin, yıllık güneşlenme sürelerine göre belirlenen ve güneş ışığından maksimum yararlanmasını sağlayacak açılar uygulanmıştır. Saçaklar ise, güneş ışığının cepheye gelmesini engellemeyecek boyutlardadır (Şekil 5).
Hacim organizasyonunda iklimin sert etkilerinden korunabilmek için odalar ve yaşam alanları güney yönlerine bakacak şekilde yerleştirilmiştir. Mutfak, banyo gibi hizmet alanları kuzeye yönlendirlmiştir.
3. Sürdürülebilir Tasarımda Cepheye (Kabuğa) İlişkin Parametreler
Sürdürülebilir mimaride tasarımcının kontrolü altında bulunan bina kabuğunun termofiziksel özellikleri; saydam–opak yüzeylerin boyut, konum, tipleri; cephede uygulanacak güneş kontrol araçlarının boyut, konum, tipleri ile fiziksel özellikleri kabuğa (cepheye) ilişkin pasif tasarım parametrelerindendir. Bu parametrelerin yanısıra; çalışmada, kabuğa ilişkin tasarım kararlarının içerisinde pasif ve aktif sistemlerde ayrı ayrı ele alınmıştır. Bunlar arasında, trombe duvarı, çatı havuzu, seralar, güneş odaları, termosifon sistemler gibi mekanik araç-gereç kullanılmaksızın, ek bir enerji tüketimi olmaksızın bina bileşenlerinin güneş ışınımını toplaması, depolaması, dağıtması, kontrol etmesi amacıyla geliştirilen [2] ve iç mekan hava kalitesini etkileyen ’’Pasif Sistemler’’ yer almaktadır.
Isıtma ve aydınlatma amaçlı enerjinin üretildiği güneş kollektörleri ile güneş pilleri gibi sistemler; ’’Aktif Sistemler’’ altbaşlığı ile kabuğa ilişkin parametreler arasında olup kabuk üzerinde düşünülerek kabuğa entegre edilmiş yani kabukla birlikte ele alınmıştır. Özellikle güneş pillerinin uygulanmasında; farklı iklim bölgelerinde PV’lerin ürettiği yıllık enerji miktarlarına göre performanslarının değerlendirildiği bir çalışmada, ılımlı kuru ve soğuk iklim bölgelerinde güneş pillerinin performansının en iyi olduğu, sıcaklığın artmasının pillerin performansını olumsuz etkilediği ifade edilmiştir. Bu nedenle çalışmada, tüm iklim bölgelerinde güneş pilli modüllerinin sisteme entegre edilmesinde elemanlar ya kabuğun bir kısmını oluşturacak şekilde ya da kabuğa ilave olarak tasarlanmıştır[3]. Bu bağlamda 5 farklı iklim bölgesi için geliştirilen tasarım önerilerinde, kabuk düzeninde pasif ve aktif sistemlere ilişkin alınan kararlar aşağıda anlatılmaktadır.
3.1. Sıcak-Nemli İklim Bölgesi: Bu iklim bölgesinde nemlilik oranı çok yüksek olduğu için nemi dağıtmak üzere iç hava hareketlerini artıracak şekilde, hakim rüzgarlara açık, hacimde doğal vantilasyonu sağlayacak düzende geniş saydam yüzeyler, pencereler kabuk üzerinde yerleştirilmiştir. Sıcak nemli iklim bölgesinde, özellikle ısıtmanın istenmediği dönemde, cephe üzerinde ısı geçişlerine daha az direç gösteren saydam yüzeylerin güneş ışınımından korunmasını sağlayacak şekilde düzenlemeler yapılmıştır. Pencerelerin direkt güneş ışınımından korunması için kuzey yönü hariç diğer yönlere bakan pencereler için bulunulan enleme göre tasarlanmış uygun güneş kontrol araçları uygulanmıştır. Buna göre, güney, doğu, batı yönlerinde,enleme ve yöne göre parça adedi, boyut ve konumları belirlenen çok parçalı, hareketli, dış güneş kontrol araçları*4+ pencereler ile birlikte düşünülerek tasarlanmıştır (Şekil6). Güneş kontrol araçlarının hareketli olması, ısıtmanın istendiği dönemde direkt güneş ışığının hacme alınması ile iç mekanda pasif yolla, iklimsel ve görsel konfor koşullarına katkıda bulunulmasını sağlayacaktır.
Kabuğun hem termofiziksel özelliği açısından düşük ısı tutuculuğa sahip hem de ekolojik açıdan geri dönüşümü olanaklı kılan malzemeden seçilmesine dikkat edilmiştir. Kabuk kesiti diğer iklim bölgelerine göre daha ince tutulmuş bununla birlikte ısı korunumu açısından ısı yalıtımı uygulanmıştır. Dış cephe rengi, güneş ışınımını en az düzeyde absorbe ederek, çoğunu yansıtacak şekilde açık renk seçilmiştir.
Tasarım sırasında pasif yolla kazanç sağlayacak sistemlerin yanısıra aktif sistemlerde kabuk dizaynı ile birlikte ele alınmıştır. Çalışmada, bu iklim bölgesi için, yenilenebilir enerji kaynaklarından en önemlisi olan güneş ışığından yararlanmak üzere, güneş kollektörleri ile güneş pilleri kabuk üzerinde kabuğa entegre hatta kabuğu oluşturacak şekilde düzenlenmiştir (Şekil 6). Güneş ışınımının ısıtıcı etkisinden faydalanarak sıcak su elde eden güneş kollektörleri ile hem sıcak su ihtiyacının karşılanması hem de hacim ısıtmasına destek olacak şekilde faydalanılması amaçlanmıştır. Güneşin ışıksal gücünü elektrik enerjisine dönüştüren güneş pilleri –fotovoltaik paneller ile enerji tüketiminin azaltılması hedeflenmiştir.
3.2. Sıcak-Kuru İklim Bölgesi: Mekanda ilkimsel açıdan konfor koşullarının pasif yollarla gerçekleştirilmesinde özellikle kalın kabuk kesiti uygulanmış, böylece yüksek termal kütleye sahip kabuğun ısı geçişlerine karşı direnç göstermesi ve yüksek zaman geciktirme faktörüne sahip olması sağlanmıştır. Kabuk üzerinde açılan saydam yüzeylerin boyutları daha küçük ve sayıları daha az tutularak ısı geçişlerine karşı kabuğun direncinin yüksek olmasına gayret edilmiştir. Bu iklim bölgesi için, Sıcak nemli iklimde de bahsedildiği üzere, ısıtmanın istenmediği dönem için enleme ve yöne bağlı olarak belirlenen çok parçalı, hareketli, dış güneş kontrol araçları [4] tercih edilmiştir.
Sürdürülebilir tasarımın önemli bir ilkesi olan yerel ve geri dönüşüm esasına dayalı malzeme seçimi görüşüne dayanarak kabuk malzemesi doğal taş olarak belirlenmiştir. Kabuk üzerinde üst kotlarda bırakılan vantilasyon açıklığı ile doğal havalandırma sağlanmıştır. Kabuk ve çatı; uygun yalıtılmış, çatı düz dam olacak şekilde düzenlenmiş, üzerine aktif sistemde enerji üretecek güneş kollektörleri ile güneş pilleri yerleştirilmiştir. Ayrıca, cephede kullanılan güneş pillerinden güneş kontrol amacıyla da faydalanılmıştır (Şekil7). Sıcak iklim bölgelerinde, güneş pilleri performansının yüksek olması için modüllerin arkasından hava akışını sağlayacak konstrüksiyon sistemi düşünülmüştür.
3.3. Ilımlı-Nemli/Ilımlı-Kuru İklim Bölgesi: İklimsel özellikler cephe tasarımında diğer iklim bölgelerine göre daha esnek tasarımı olanaklı kılmaktadır. Cephede saydam yüzeylerin boyut, konum ve oranlarında sağlanan esnekliğe karşın kış aylarında güneş ışınımının ısıtıcı etkisinden faydalanmak, yaz aylarında ise güneş kontrolüne dikkat etmek üzere hacim organizasyonu ve kabuk düzenlemesine, opak ve saydam bileşenlerin termofiziksel özelliklerine dikkat edilmiştir.
Tasarımda, hacmin ısıtılmasında güney yönüne yerleştirilmiş ve pasif yollarla güneş enerjisini toplayarak depolayan bölümün yaşam hacimlerinden ayrı ve ısı kayıplarını minimum düzeyde tutacak şekilde tasarlandığı termosifon sistemlere yer verilmiştir. Çalışmada, hacimlere ısı, taze hava sağlayabilen ve içinde yaşama imkanı sunan güneye yönlendirilmiş seralarda, ısıtmanın ıstenmediği dönemlerde, aktif soğutma yüklerinin arttırılmaması için güneş kontrolü uygulamasına, ısıtmanın istendiği dönemde ise uygun izole edilmiş konstrüksiyon sistemlerine dikkat edilmiştir. Özellikle ılımlı nemli iklim bölgesinde yazın hakim rüzgara açık doğal vantilasyon açıklıkları ile nemin dağıtılması amaçlanmıştır.
Cephe üzerinde pasif tasarım anlayışı ile, yöne ve bulunulan enleme bağlı olarak biçim, konum ve boyutları belirlenmiş dış güneş kontrol araçları tercih edilmiştir *4]. Kabuğun termofiziksel açıdan ısı geçişlerine yani kışın ısı kaybına yazı ise ısı kazancına dirençli olmasını sağlamak üzere çift cidar arası yalıtım ya da kabuğun dışında yalıtım uygulanmıştır (Şekil 8). Pencere camı seçiminde, ısı geçişlerine dirençli Low-E camlar tercih edilmiştir. Ayrıca, güneş kontrol elemanı olarak kabuğa entegre edilen güneş pilleri ile hem enerji üretimi hem de güneş kontrolü sağlanmaya çalışılmıştır. Dış ortam sıcaklığının artması, güneş pillerinin verimini düşürdüğünden, modüllerin arkasından hava akışını sağlayacak konstrüksiyon sistemi tercih edilmiştir.
3.4. Soğuk İklim Bölgesi: Soğuk iklim bölgesinde dış cephe alanı en az olan kareye yakın bina formu ile birlikte kabukta ısı geçişlerine dirençli, ısı depolama kapasitesi yüksek, saydam yüzeylerin oranının minimumda tutulduğu masif duvarlar tercih edilmiştir. Doğal aydınlatma açısından bakıldığında ise hacimlere daha çok günışığı sağlayacak yüksek saydamlık oranına sahip kabuk tasarımı, zorlu iklim şartlarından dolayı bu iklim bölgesinde uygulanamamıştır. Pencere seçiminde ise Low-E camlar gibi ısı geçişlerine dirençli cam türleri tercih edilmiştir.
Tasarımlarda güney, doğu ve batı yönlerde kabuğun pasif yollarla ısıtılmasını sağlayacak trombe duvarı ile güneş enerjisini toplayarak depolayan bölümün yaşam hacimlerinden ayrı ve ısı kayıplarını minimum düzeyde tutacak şekilde tasarlandığı termosifon sistemlere, hem sıcak su üretimi hemde hacim ısıtmasına pasif yolla destek olmak üzere çatı havuzu sistemlerine, iç ve dış ortam arasında tampon bölge oluşturacak, iyi izole edilmiş, güneş odalarına yer verilmiştir. Ayrıca çatının üzerine yerleştirilen aktif sistemlerden güneş kollektörleri ve güneş pilleri ile enerji tüketiminin azaltılmasına çalışılmıştır. Bazı çalışmalarda binanın, ısı kayıplarının fazla olduğu kuzey yönünde kısmen toprağa gömülmesi ile toprağın ısıl kapasitesinden yararlanmaya da gidilmiştir (Şekil 9).