Mimaride Güneş Enerjisinin Önemi ve Yapılarda Kullanımı

Mimaride Güneş Enerjisinin Önemi ve Yapılarda Kullanımı


Yrd. Doç. Dr. Nazım Koçu  /  Mimarlık Bölümü - Güzel Sanatlar Fakültesi - Konya KTO. Karatay Üniversitesi


Özet

Ülkemizde ve dünyada ortaya çıkan enerji sorunu, bilim adamlarını güneş enerjisinden yararlanma yoluna yöneltmiştir. Güneş enerjisinden yararlanma yeni bir düşünce tarzı değildir. İnsanlar var olduklarından bu yana güneşle ilgilenmişler ve yapılarını güneşe göre yönlendirmişlerdir. Doğada fosil yakıtların sınırlı ve tükenebilir olması, mimarları ve mühendisleri yapılarda güneş enerjisine dayalı tasarımlar yapmaya yöneltmiştir.


Temiz enerjili bir uygarlığın gelişmesi, çağdaş kentlerin ve kirletmeyen üretim biçimlerinin oluşması, güneş enerjisinin bol ve yaygın kullanılması ile yakından ilgilidir. Türkiye, Avrupa ülkelerine oranla daha fazla güneş enerjisine sahiptir. Daha düşük düzeyde doğal güneş enerjisine sahip ülkeler bile güneş enerjisinden yararlanma yoluna gitmektedirler. Türkiye’nin Avrupa karşısında bu tartışılmaz üstünlüğüne rağmen yapılarda güneş enerjisinden yeterince yararlanılmaması düşündürücüdür. Bunun esas nedeni tasarımcıların güneş enerjisine gereken önemi vermemesi, ülkemizin daha çok dışa bağımlı olmasını sağlayacak ve çevreyi daha çok kirletecek projelerin desteklenmesi gösterilebilir.


Yapılan araştırmada mimaride güneş enerjisinin önemi ve yapılarda kullanımı konusunun incelenmesi hedeflenmiştir. Bu araştırmada; mimaride güneş enerjisinin önemi, binalarda güneş enerjisi kazancı ve kullanımı, örnek olarak Konya için güneş yörüngesi diyagramı ve yönlendirme açıklanmıştır. Sonuç bölümünde ise binalarda güneş enerjisi kullanımının arttırılması konusunda önerilerde bulunulmuştur.


1. Giriş

Güneş enerjisinin mimaride kullanımı, uzun süreli çalışmalar sonucunda ortaya çıkmıştır. Günümüzde insanların güneş enerjisinden yararlanması kaçınılmaz görünmektedir. Güneşe yönelmeyi sadece bir enerji gereksinimi olarak düşünmek yeterli değildir. Güneş yaşamın bizzat kaynağı ve bu kaynağa bağlı olarak gelişen bütün değerlerdir. Bu değerler kirli olmayan, temiz, sağlıklı kentler ve çağdaş mimari yapılar olmalıdır.


Enerji maliyetlerinin pahalı olması, çevre kirliliği gibi etkenler, ülkeleri daha az enerji tüketen yapılar yapmaya zorlamaktadır. Bu kapsamda; yapıların güneş enerjisinden daha iyi yararlanacak şekilde tasarlanması, enerji tasarrufuna gereken önemin verilmesi, güneş enerjisinden yararlanabilen fotovoltaik panellerin, güneş kontrollü camların mimaride yaygın olarak kullanılması gerekmektedir. Gelişmiş ülkelerde devlet destekli araştırma fonları sayesinde bu konuda önemli ölçüde bilgi ve teknoloji birikimi oluşmuştur [1].


Tasarımcılar, binalarda kullanılan kirletici enerjiler yerine temiz, yenilenebilir enerji sistemlerine yönelmişlerdir. Fosil enerji kaynaklarının tükenebilir ve pahalı olmaları, çevreyi kirletmeleri nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının araştırılmasına başlanmıştır. Özellikle toplam enerji tüketiminde çok önemli bir yüzdesi olan binaların ısıtılması ve aydınlatılmasında kullanılan güneş enerjisi gelişmiş ülkelerde üzerinde araştırma yapılan önemli konulardan biridir. Yaygın ve tükenmez olan bu güneş enerjisinin, başka bir enerji türüne çevrilirken veya doğal aydınlatmada kullanılırken çevreyi kirletmemesi nedeniyle yapılarda kullanımının arttırılması gerekmektedir.


2. Mimaride Güneş Enerjisinin Önemi

Mimaride, iç mekanlara güneş ışığının girmesiyle doğal ay-dınlatma, doğal havalandırma ve görsel konfor sağlamak amacıyla dış yüzeylerde bırakılan boşluklar önemlidir. Boşluklardan geçen direkt güneş ışınları mekan ısısının yükselmesine, dolayısıyla iç iklim koşullarının değişmesine neden olur. Bu nedenle direkt güneş ışınlarının etkileri için dış yüzey boşluklarında alınan önlemler yapının mimarisi açısından önem kazanmaktadır.

Mimaride güneş enerjisinden fotovoltaik panellerle yararlanılıp enerji üretilebilir. Bu paneller giydirme cephelerde, perde duvarlarda, parapetlerde, yatayda veya eğimli olarak çatılarda monte edilebilir, çatı kaplaması olarak kullanılabilir veya yapı dış yüzey boşluklarında cephe elemanı olarak kullanılabilir.

Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre avantajları; güneş bol ve tükenmeyen enerji kaynağıdır, temiz enerji türüdür, çevreyi kirletici duman, gaz, karbon monoksit, kükürt ve radyasyon gibi atıkları yoktur. Enerjiye ihtiyaç duyulan hemen her yerde güneş enerjisinden yararlanmak mümkündür. İşletme masrafları azdır. Binalarda uygulamalar için elverişlidir [2].

Bugüne kadar geliştirilen güneş enerjisi sistemleri en çok mimarlık alanında uygulama olanağı bulmuştur. Bugün dünyanın birçok ülkesinde, bu niteliklere sahip yüzlerce yapı yapılmıştır ve bu yapıların sayısı hızla artmaktadır. Bu ülkelerde güneş enerjili bina yapmak için gerekli altyapılar kurulmuş, bilgisayar sistemleri geliştirilmiş ve kredi olanakları sağlanmıştır. Örneğin İsveç’te, İngiltere’de ya da İspanya’da herhangi bir mimardan güneş enerjili bina yapmasını isteyebilirsiniz. Mimar, o güne kadar bir tecrübesi olmasa bile, güneş enerjisinin kullanımı için gerekli bilgileri veren devlet, özel kuruluşlar ve enstitülerden yararlanıp mimari projesini geliştirebilmektedir.

Güneş enerjisinin yapılarda kullanımı, uzun süreli çalışmalar sonucunda geliştirilmiş yeni yöntemleri içermektedir. Güneş sistemleri, basitten karmaşıklığa doğru birçok ayrı sistem içermektedir. Örneğin, güneye bakan pencereler konması güneş enerjisinden en basit yararlanma biçimidir. Diğer bir yöntem olan güneşten elektrik enerjisi elde eden güneş pilleri, teknik olarak daha zor sistemlerdir. Bu sistemlerde önemli olan; güneş enerjisinin tutulması, tutulan enerjinin depolanması, enerjinin iç mekanlara aktarılması ve kullanılmasıdır. Güneş enerjisinin yeterli olmadığı durumlarda, bu sistemlere ilave sistemler ve enerji gerekir.

3. Binalarda Güneş Enerjisi Kazancı ve Kullanımı

Ülkemizde, yapılarda enerji tasarrufu yaparken yaşam kalitesini de arttırabilmek için sadece yalıtım yapmak tek başına yeterli değildir. Türkiye’nin yarısından daha büyük bir bölümü ısınmaya ek olarak yazın da soğutma gerektirecek bir iklime sahiptir. Yapılarda ısı yalıtım kurallarının hesabında güneş enerjisi kazancı TS. 825’e göre hesaplanmaktadır. Güneş enerjisi kazancı ile ilgili terimler Tablo 1.’de verilmiştir. Hesaplamalarda 3. iklim bölgesinde ve 37.87 enlem derecesinde bulunan Konya örneği üzerinde durulmuştur. Ay-lık güneş ışınım şiddeti değerleri Tablo 2.’den alınmaktadır. Hesaplanmış değerler yoksa ri,ay’ın ısıtma peryodu boyunca sabit kaldığı kabul edilir ve binanın bulunduğu veya inşa edileceği yerleşim bölgesinin özelliğine göre Tablo 3.’teki değerlerden biri seçilir. Yapıların dış cephelerinde tasarlanan pencere, kapı veya cam kaplamalar gibi yapı elemanları güneş enerjisi kazancı hesabında dikkate alınmalıdır. Güneş enerjisi ile yapılarda ısı tasarrufu sağlanması konusunda mimarlar TS. 825’te belirtilen güneş ile ilgili bilgilere hakim olmalı, tasarım ve detaylarını bu bilgilere göre şekillendirmelidirler.



Güneş enerjisi geçirme faktörü (gi,ay) = Fw. g┴ Burada Fw camlar için düzeltme faktörüdür. Fw = 0.8 alınır [3]. g┴: Laboratuvar şartlarında ölçülen ve yüzeye dik gelen ışın için güneş enerjisi geçirme faktörüdür. Ölçü değerlerinin olmaması durumunda "g┴” camlar için aşağıdaki değerler kullanılır (Tablo 4).





Haziran, Temmuz, Ağustos aylarında yapıda güneş enerjisi kazancının fazla olması nedeniyle ısı kaybı olmadığı kabul edilebilir. Kazanç kayıp oranı (KKOay) 2,5 ve üzerinde olduğunda o ay için yapıda ısı kaybı olmadığı kabul edilir. Yapılarda kullanım alanı başına düşen yıllık ısıtma enerjisi hesabında güneş enerjisi kazancı hesabı yapılmaktadır. Olması gereken en büyük ısı kaybı Q’ (kWh/m2), hesaplanan Q ile karşılaştırılır ve projenin ısı kaybı açısından uygunluğu hesaplanır. Q < Q’ olduğu zaman hesaplanan yıllık ısıtma enerjisi ihtiyacının olması gereken en büyük değerin altında olduğunda bu projenin verilen hesap metoduna göre uygun olduğu anlaşılmış olur [3].

Yapılarda güneş enerjisinden yararlanabilmek için güney yönde pencere alanının arttırılması aynı zamanda güneş enerjisi kazancı değerlerini artıracaktır. Güney yönden sonra batı veya doğu yönlerde güneş enerjisinden maksimum yararlanılmalıdır. Kuzey yönde ise pencere ve kapı gibi alanların minimum düzeyde kalması sağlanmalıdır. Özellikle tasarım projeler hazırlanırken güneş enerjisi kazançları dikkate alınmalıdır.

Yapıların güneş enerjisinden yararlanabilmesi, güneş kontrolü sağlayabilmesi için yapının dış yüzey boşluklarında, yapının içinde, pencere doğramalarında mimari detayların ve sistemlerin çözümlenmesi gerekmektedir. Yapılarda güneş enerjisi kullanımı için; pasif sistemler, aktif sistemler ve cam malzemelerden yararlanılmaktadır.

Pasif sistemler, iki bölümde incelenebilir, bunlar; Doğrudan Kazanç Yöntemi ve Dolaylı Kazanç Yöntemi’dir.

Doğrudan Kazanç Yöntemi: En basit güneşten yararlanma biçimidir. Bu yöntemde güneş ışınımı doğrudan iç mekanlara aktarılır. Bu sistemde güneş enerjisi teras çatıdan, eğimli çatıdan, testere dişli çatıdan veya düşey duvarlardan ya-pıya aktarılır.


Dolaylı Kazanç Yöntemi: Pasif güneş enerjisi sistemleri için kullanılan ikinci yol, ışınımı ve ısıl kazançlarını bir tampon bölge yardımıyla elde etmektir. Bu sistemde, güneş radyasyonu doğrudan içeri girmekte, ancak bina ile dış mekan arasında oluşturulan ara mekanlar yardımıyla enerji elde edilmektedir.

Aktif sistemlerden en önemlileri olan fotovoltaik (PV) bileşenler, güneş ışınlarından elektrik enerjisi elde etmeye yarayan güneş hücrelerinden oluşur. Güneş hücresi, ya da fotovoltaik hücre, güneşin ışık enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine yani doğru akım elektriğe dönüştüren yarı iletken aygıtlardır. Fotovoltaik modüller, bir yapıda yapı elemanı veya yapı bileşeni olarak çatıda, cephede veya diğer yapı bileşenleri (Örn: parapet, korkuluk, giriş saçağı, güneş kırıcı, vb.) yerine kullanılabilir. Böylece enerji üretimi için kullanılan elemanlar yapı dış kabuğu ile birlikte bütünleştirilmiş olur [4].

Cam malzemeler; güneş ışınlarının istenilen performans doğrultusunda denetlenebilmesi amacıyla üretilmiş olan camlar, güneş kontrol camları olarak adlandırılmaktadır. Pencere doğramalarında camdan geçen ışınların ısıl yönden denetlenmesi "Güneş Kontrol Camları” ile sağlanır. Camlar güneş ışınlarına ve kullanım yerine göre; renkli camlar, iklim kontrol camları, Low-E kaplamalı camlar gibi adlar altında mimaride kullanılmaktadır [5].

4. Konya İçin Güneş Yörüngesi Diyagramı ve Yönlendirme

Güneş ışını yapılara radyasyon ve iletim yoluyla girer. Camlar ve yapı kabuğu, bu girişin en önemli yollarıdır. Yapı tasarımında; güneş enerjisinden yararlanan yapılara yönelmek, enerji tasarrufu açısından önemlidir. Şu anda yaşanmakta olan kentlerimizde yapılarda güneş enerjisini toplayıcı sistemleri uygulamak iki nedenle zorlaşmaktadır. Bunlardan birincisi, yapıların uygun olmayan yönleri, ikincisi uygunsuz yapılaşma ile binaların birbirlerinin güneş enerjisinden yararlanmasını engellemesidir. Güneş ışınlarından daha iyi yararlanmak için yapılarda geniş yüzeyler güney yönü doğrultusunda planlanabilir. Buna karşın bütün yapıların aynı yöne dönmesinden doğacak tekdüzelik arazi olanaklarıyla ortadan kaldırılabilir. Böylece her yapı, güneş enerjisinden yararlanabilecek şekilde tasarlanmış olur.

Ülkemiz, TS. 825’e göre beş iklim bölgesine ayrılmıştır. Konya üçüncü iklim bölgesinde bulunmaktadır. Farklı iklim bölgelerindeki yapı tipleri, kendine özgü karakterleri ile bölge mimarisine etki ederek planlama, projelendirme ve uygulamada farklılıklara sebep olmuştur. Doğu Anadolu yapılarının, Karadeniz, Akdeniz, İç ve Batı Anadolu yapılarından farklı oluş nedenlerinden en önemlisi iklim tipi, coğrafi enlemi, yükselti, arazi eğimi, yönlendirme, yöresel malzemeler ve güneş enerjisinden yararlanabilmedir [6].

Günümüz mimarisinde güneş enerjisinden yararlanma ve yönlendirme konusu ihmal edilmiştir. Yapılarda güneş enerjisinden yararlanmada tasarımı, yerleşimi ve malzeme seçiminde öncelikle aşağıdaki noktalar dikkate alınmalıdır [1].

1. Kuzey yarım kürede pencereler güneş ışını alacak şekilde güney yönüne yerleştirilmeli, yapının kuzey cephesinde ise az pencere kullanılmalıdır. Kış aylarında güneş enerjisinin yapı içine girmesi sağlanmalıdır. Böylece pencerelerden giren güneş ışınları içerdeki eşyalar tarafından emilir ve yapının ısı kayıplarının bir bölümü bu şekilde karşılanabilir.

Güneş radyasyonu alan iç yüzeylerde kullanılacak malzemeler güneş enerjisini depolayacak nitelikte olmalıdır. Zaman içerisinde depolanan enerjinin ortama verilmesiyle homojen sıcaklık dağılımı sağlanabilir.
Pasif güneş evleri, güney yönünden kazanılan ısının binanın diğer bölgelerine aktarılabilmesi için açık büro şeklinde yapılabilir.
Yapının güney cephesi ısıtma sezonunda güneş yörüngesi diyagramından yararlanarak sabah güneş doğuşundan, güneşin batışına kadar güneş ışınlarını alacak şekilde yerleştirilmelidir.
Yapıda az kullanılan kiler, banyo, depo, atölye vb. odalar kuzey cepheye yerleştirilirken, çok kullanılan ve daha fazla güneş ışığı alması istenilen bölümler güney yönüne yerleştirilmelidir.
Kışın güneşten en üst düzeyde yararlanma tercihi, binanın yazın istenmeyen ölçüde ısınmasına neden olabilir. Bu durumu engellemek için dış yüzeylerde gölgelikler, jaluziler vb. kullanılabilir.
Ülkemiz güneş kuşağı adı verilen bölgede yer almaktadır. Bölgelere göre güneş enerjisi potansiyeli dağılımına göre yatay yüzeye gelen toplam güneş ışınları ile ilgili bilgiler Tablo 6’da verilmektedir.



Güneş enerjisinden yararlanmak için mimarlar, şehir plancıları, makina mühendisleri, teknik aydınlatma proje yöneticileri tasarımın ilk aşamasından son aşamasına kadar uygun metot ve tekniği geliştirmek, koordine etmek üzere ortak bir çalışma gerçekleştirmelidirler. Teknolojinin sunduğu estetik ve enerji tasarruflu yapılar geliştirmelidirler. Konya kentinde yapılarda güneş enerjisinden yeterli düzeyde yararlanılmadığı, yapıların yönlendirilmesinde güneş yörüngesinin dikkate alınmadığı tespit edilmiştir. Güneş yörüngesi diyagramında güneşin doğuş ve batış saatleri, aylara göre güneşin güneye göre geliş ve yatay düzleme göre yükseliş açılarını bilmek mümkündür. Fotovoltaik malzeme, güneş ışığını elektrik enerjisine çevireceğinden, veriminin en yüksek olması için, güneş ışığını dik alması gerekir. Fotovoltaik panellerin tasarımda, detaylandırmada yapıların güneş yörüngesi diyagramından yararlanarak yönlendirilmesi fonksiyon ve form açısından önemlidir. Bu durum mimaride estetik binaların gelişmesine katkıda bulunacaktır [8].

Zengin bir güneş enerjisi potansiyeline sahip ülkemizde, enerji ve çevre sorunlarının çözümünde en etkili yollardan birisi, güneş enerjisinden yapılarda maksimum olarak yararlanılmasıdır. Güneş enerjisinden yapılarda yararlanılması ve yaygınlaştırılması, yapı sektöründe ihtiyaç duyulan enerjinin minimum maliyetle sürekli olarak sağlanabilmesine olanak verecektir. Yapı sektöründe elde edilecek enerji tasarrufunun başka sektörlere aktarılması neticesinde ülke ekonomisinin gelişmesi sağlanacaktır [9].

5. Sonuç ve Öneriler

Gelişmiş ülkelerin yapılarında güneş enerjisinden yararlanma konuları geniş uygulama alanı bulmaktadır. Bu uygulamalar önemli derecede enerji tasarrufu sağlamaktadır. Ya-pılarda fosil yakıtların tüketilmesi çevre kirliliğinin en büyük sebeplerinden biridir. Bundan dolayı yenilenebilir, temiz enerji kaynaklarının mimaride yararlanılması kaçınılmaz olmuştur. Özellikle temiz bir kaynak olan güneşten ya-pılarda yararlanmak, sürdürülebilir mimarlık ve sürdürülebilir çevre olgularının devamlılığı için gereklidir.

Yapılarda ısınmak için kömür, odun ve petrol ürünü fosil ya-kıtlar ve doğal gaz kullanılmaktadır. Bu nedenle ülkemizin bazı yörelerinde ve illerinde özellikle kış aylarında hava kirliliğinin maksimum seviyelere çıktığı görülmüştür. İnsanların rahat, huzurlu bir ortamda çalışabilmeleri ve dinlenebilmeleri için doğal çevre ile uyumlu yeşil, temiz bir atmosfer için, güneş enerjisinden maksimum ölçüde yararlanabilen mimari eserlerin olduğu kentler planlanmalıdır. Yapıların güneş enerjisinden daha fazla yararlanması için, kentin çevre ile beraber düşünülmesi ve iklim şartlarının dikkate alınması gerekir. Yapıların dış yüzeylerinde bırakılan pence-re, cam, boşluklar vb. yapı elemanlarından sağlanacak güneş enerjisi kazancı TS.825’ e göre hesaplanmalı, boşluklar ve büyüklükler bu hesaba göre şekillendirilmelidir. Mimarlar ve mühendisler özellikle güneş enerjisi kazancı hesaplarına hakim olmalı ve eserlerini bu hesaplamalara göre tasarlamalıdır. Mimaride cephelerle uyumlu güneş enerjisinden yararlanabilen panellerin kullanımına geçilmelidir. Bu-


nun yanında kenti oluşturan yapı adalarının, binaların, güneş yörüngesi diyagramı dikkate alınarak yönlendirilmesi, mimari tasarımlarının geliştirilmesi ve detaylandırılması gerekmektedir.

Ülkemiz enerjide dışa bağımlı bir konumdadır. Ancak bulunduğu coğrafi konum itibariyle güneş enerjisinden yararlanan birçok ülkeden daha fazla yararlanabilecek durumdadır. Uzun dönemli kullanımlarında ilk yatırım maliyetini amorti eden güneş enerjisi sistemlerinin mimaride yaygınlaştırılması için çalışmalar hızlandırılmalıdır.

Yapılara sonradan yapılan ek güneş enerjisi sistemlerden tam verim alınamamaktadır. Bu nedenle, yapının tasarımından itibaren disiplinler arası işbirliği içinde yapılara entegre edilecek olan sistemlerle, artık yapılar enerji tüketen değil üreten duruma geçeceklerdir. Mimaride güneş enerjisinden yararlanılması ülke ekonomisine, çevre kirliliğinin önlenmesine önemli katkılar sağlayacaktır. Güneş enerjisinden yararlanma uygulamalarının ülkemizde yaygınlaşması için projelerin tasarımını yapan mimarlara, mühendislere, yerel yönetimlere, üniversitelere, basın ve yayın kuruluşlarına önemli görevlerin düştüğü görülmüştür.

Kaynaklar

[1]. Çakmanus, İ., Böke, A., "Binaların Güneş Enerjisi İle Pasif Isıtılması ve Soğutulması” Yapı, Sayı 235, Haziran, İstanbul, ss.83-88, 2001. [2]. Köse, F., "Yenilenebilir Enerji Kaynakları”, S.Ü. Müh-Mim. Fak. Yayın No:51, 1.Baskı, Konya, 2002. [3]. Anonim, TS.825, "Binalarda Isı Yalıtım Kuralları”, Ankara, Aralık 2013. [4]. Altın, M., "Geleceğin Yapı Malzemesi, Fotovoltaik Paneller, Geleceğin Mimari Akımı, Enerji Mimarlığı”, TMMOB. Mimarlar Odası İstanbul Büyükkent Şubesi,1. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi ve Sergisi, 9-13 Ekim, Kongre Bildirileri II, ss.701-709, İstanbul, 2002. [5]. Reman, O., "Yapı Kabuğu Camlar ve Özellikleri”, Yapı, Sayı 178, Eylül, ss.116-120, İstanbul, 1996. [6]. Demir, A., "Güneş Işınımlarından Korunmak ve Yararlanmak Amacıyla Mimaride Alınan Tedbirler Üzerine Bir Araştırma”, M.S.Ü. Yayın No:12, İstanbul, 1986. [7]. Koçar, G., Özbalta, N., "Yenilenebilir Enerji Kaynakları Potansiyelimiz”, Güneş Enerjisi Enstitüsü Dergisi, Eğe Üniversitesi, Sayı 3, s.81-89, İzmir, 1999. [8]. Koçu, N., Dereli, M., "Mimaride Güneş Enerjisinden Yararlanma Teknikleri ve Fotovoltaik Panellerin Yapılar İçin Önemi”, II. Ulusal Ege Enerji Sempozyumu, 26-28 Mayıs, ss. 10-17, Kütahya, 2004. [9]. Koçlar, Oral, G.,