Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Güneş Enerjisinin Konutlarda Kullanımı

İnsanların yaşamlarını kolaylaştıran ve gerekli konfor koşullarını sağlamada kullanılan enerjinin kullanımı insanlığın varoluşuyla başlamıştır. İlk çağlarda insanlar ateşi keşfetmiş ve ondan faydalanmışlardır. Çinliler tarafından bulunan kömür, 19. yüzyıla kadar temel enerji kaynağı olarak kullanılmış, daha sonra Amerika'da petrolün bulunmasıyla fosil yakıtların kullanımı artmış ve günümüze kadar gelinmiştir (Erengezgin, 2003). Dünyadaki enerji tüketiminin yüzde 90?ının fosil yakıtlardan sağlandığı bilinmektedir. Kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil yakıtlar sınırlı kaynaklardır; bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Enerji üretimi ve tüketimi sırasında çevreye verilen zarar bu ilginin en önemli nedenlerinden biridir. Fosil yakıtlar atmosfere bıraktıkları zehirli gazlar nedeniyle bulundukları çevreyi kirletirken, oluşturdukları sera gazları nedeniyle iklim değişikliklerine sebep olmakta ve küresel olarak tüm dünyayı tehdit etmektedir.

Yenilenebilir enerji "doğanın kendi evrimi içinde, bir sonraki kısa süreçte aynen mevcut olan enerji kaynağı" olarak tanımlanabilir (Özdoğan, 2005). Yani yenilenebilir enerji kaynakları doğal olarak yenilenen, hiç bitmeyecek enerji kaynaklarıdır. Başlıca yenilenebilir enerji kaynakları güneş enerjisi ve onun türevleri olan rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, su enerjisi, biyokütle enerjisi, hidrojen enerjisi gibi enerji kaynaklarıdır. Bunlardan güneş ve rüzgar enerjisi ülkemizde ve dünyada yaygın olarak kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarıdır.

Konutlarda Güneş Enerjisinin Kullanımı

Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin, yapılarda kullanımına dair ilk örnekler çok eskilere dayanır. M.Ö. 470-399 yılları arasında yaşamış olan Sokrates'in "Megaron Evi" bu örneklerden biridir. Kompakt yapısı, kuzey cephesini azaltan plan şeması ve araziye yerleşimi, güneş enerjisinden maksimum fayda elde edilecek şekildedir. Güneşten uzak bir köşeye yerleştirilen depo, yaşama mekanı için tampon bölge görevi yapmaktadır. Zemin, duvar ve çatıda ısı depolayıcı malzemeler kullanılmıştır. Kışın güneş ışınları yeryüzüne eğik gelmekte, böylece yapının içine alınabilmekte; yazın ise dik geldiği için güneş ışınları yapının çatısına düşmektedir. Çatının güney cephesinde yer alan saçak, yazın güneşten korunma sağlamaktadır (Tokuç, 2003). Günümüzde ise güneş enerjisi, tükenmeyen, temiz bir enerji kaynağı oluşu ve kolaylıkla elde edilebilmesi gibi üstünlükleri nedeniyle son yıllarda çok tercih edilen bir enerji kaynağı olmuştur.

Güneş enerjisi, konutlarda ısıtma-soğutma sistemlerinde ve elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaktadır ve güneş enerjisinden iki şekilde yararlanılmaktadır:   

·   Pasif sistemler yardımıyla ısı enerji elde edilmesi

·   Aktif sistemler yardımıyla ısı enerjisi elde edilmesi

Güneşten ısı enerjisi elde edilirken pasif ve aktif sistemlerle ısı toplanmakta, depolanmakta ve dağıtılmaktadır. Pasif sistemlerle ısı elde edilmesi mimari elemanlar aracılığıyla, aktif sistemlerle ısı elde edilmesi ise teknik elemanlar aracılığıyla sağlanmaktadır. Bazı durumlarda her iki sistem birarada kullanılarak hibrid çözümlere gidilmektedir (Uzunali, 2003).

1. Pasif Güneş Sistemleri

Pasif güneş sistemleri güneşten enerji elde etmenin en basit yoludur. Yapının tasarım özelliklerinden faydalanılarak ve uygun malzeme kullanılarak, güneş enerjisinin yapı içerisine alınması ve bunun sayesinde ısı enerjisi elde edilmesi ilkesine dayanmaktadır. Tasarım sırasında çevre ve iklim verileri önem kazanmaktadır. Güneşten gelen ışınların kış mevsiminde yatık, yaz mevsiminde ise dik konumda gelmesi konutların yönlenmesinde önemli bir faktör oluşturmaktadır.

Pasif sistemler üç ana fonksiyona dayanmaktadır:

·       Toplama: Güney-doğu ve güney-batı yönünde açılan pencereler, kış bahçeleri, seralar vb. yöntemler sayesinde güneş enerjisinin mekan içerisine alınmasıdır.

·       Depolama: Mekan içerisine alınan ısının ihtiyaç fazlasının zemin ve duvarlarda daha sonra kullanılmak üzere depolanmasıdır.

·       Dağıtma: Depolanan ısının mekana dağıtılmasıdır. Bu işlem ışınım veya taşınım yoluyla olabildiği gibi fanlar kullanılarak da yapılabilmektedir (Bekar, 2007).

Pasif sistemler de kendi içinde genel olarak iki ana başlık altında incelenebilir:

·       Doğrudan kazanç sistemleri

·       Dolaylı kazanç sistemleri

Doğrudan kazanç sistemleri güneş enerjisinin toplanması ve depolanması için kullanılan basit ve etkili bir yöntemdir. Gündüz saatlerinde konut içerisine alınan fazla güneş enerjisi duvar, tavan ve döşeme gibi yapı bileşenlerinde depolanır. Depolanan bu ısı gece saatlerinde içeri alınır. Güneş enerjisi güneye bakan cephelere yerleştirilen pencereler, kış bahçeleri, seralar ve çatı pencerelerinden içeri alınmaktadır.

Dolaylı kazanç sistemlerinde ısı enerjisi, kullanılacağı mekana yakın bir elemanda elde edilir, depolanır ve ihtiyaç duyulduğunda diğer bölümlere aktarılır. Güneş ışınları doğrudan mekan içine girmemekte, iç ve dış mekan arasında oluşturulan güneş ışığını emen elemanlarda toplanmaktadır. Isıl kütle duvarları, çatı havuz sistemi ve yalıtılmış alanlar (kış bahçesi, sera vb.) güneş ışığını emmesi için tasarlanan elemanlardır.

Isıl kütle duvarları, konutun masif ısı depolama özelliğine sahip güneye bakan koyu renkli duvarının önüne cam yerleştirilerek güneş enerjisinin toplanması ve duvarın üstünde ve altında yer alan deliklerden yaşam alanı içerisine alınması prensibine dayanmaktadır. Isıl kütle duvarlarında, duvar tarafından emilmeyip yansıyan güneş ışınları camdan dışarı çıkamayarak arada yer alan boşluğun ısınmasını sağlar. Bu sıcak hava, duvarın üst kısmındaki deliklerden içeri alınarak sahip olduğu ısı enerjisini yaşam alanı içerisine bırakır ve soğuyarak aşağıya iner. Kullanılan hava, duvarın alt kısmında bulunan deliklerden yeniden ısıtılmak üzere duvar ile cam arasındaki boşluğa alınır. Bu döngü duvarda enerji olduğu sürece devam eder. Depolama özelliğine sahip duvarlar gündüz topladıkları ısı enerjisini gece iç mekana aktarırlar. Geceleri saydam tabakadan ısı kaçışlarını engellemek için saydam yalıtım (low-e vb.) veya hareketli yalıtım tabakaları kullanılabilir (Tokuç, 2003).

Güneş ışınları, konutun güney cephesinde yer alan kış bahçesi ve sera gibi yalıtılmış alanlarda bulunan havanın ısınmasını sağlamaktadır. Yaşam alanı ve yalıtılmış alanı birbirinden ayıran duvarın alt ve üst kısmında delikler bırakılarak hava hareketinin sağlanması hedeflenmektedir. Isınarak yükselen sıcak hava, depolama görevini üstlenen duvarın üzerindeki deliklerden yaşam alanı içerisine girerken, soğuyan ve aşağıya inen oda içerisindeki hava alt kısımdaki deliklerden geçerek tekrar ısınmak üzere yalıtılmış alan içerisine dönmektedir (Katırcı, 2003). Çatı havuzu sisteminde ısı depolayan kütle görevini, çatıda bulunan su kütlesi üstlenmektedir. Su genel olarak geniş camla kaplı plastik veya fiberglas kaplar ya da plastik torbalar içinde yer almaktadır. Güneş ışınları vasıtasıyla ısınan suyun depoladığı ısı enerjisini yaşam alanına iletmesi prensibine dayanmaktadır. Bu sistemin, strüktüre ek yük getirmesi gibi olumsuz bir etkisi vardır (Esin, 2006).

2. Aktif Güneş Sistemleri

Aktif güneş sistemleri, güneş enerjisini istenilen biçimdeki enerjiye dönüştürmek amacıyla kullanılan çeşitli mekanik ve elektronik sistemlerin bütünüdür. Bu sistemler sayesinde güneş ışınımı ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Aktif sistemlerin yapıya tasarım aşamasında dahil edilmesi önemlidir; çünkü sonradan uygulanması yapı estetiğinin bozulmasına neden olmaktadır. Güneş ışınımlarını enerjiye dönüştüren sistemler ikiye ayrılır: (Yüksek ve Esin, 2009)

·       Güneş enerjili ısıtma sistemleri (güneş kolektörleri)

·       Elektrik enerjisi üreten sistemler (Fotovoltaik sistemler)

Güneş enerjili ısıtma sistemleri, kolektörler vasıtasıyla güneş ışınımlarından elde ettikleri ısı enerjisini su vb. akışkan bir maddeye ileterek enerjinin kullanımına imkan sağlayan sistemlerdir (Sakınç ve Sözen Şerefhanoğlu, 2008). Güneş kolektörleri çift cam bir üst yüzey, cam ile emici tabaka arasında bırakılan boşluk, metal ya da plastik emici tabaka, arka ve yan kısımlarda yalıtım tabakası ve bütün bu bölümleri içine alan kasadan oluşmaktadır. Güneş ışınları kolektör üzerindeki emici yüzeyi ısıtır ve bu yüzeyle bağlantılı olan borular içindeki sıvının ısınmasını sağlar. Isınan bu sıvı bir pompa vasıtasıyla su deposuna aktarılır ve depoya bağlı kullanım suyunu ısıtır. Isınan su konutun ısıtma sisteminde de kullanılabilir. 

Güneş kolektörleri konutlarda, güneş duvarı oluşturacak şekilde duvarda, çatıda, zeminden daha düşük bir kotta ve yapının dışında uygulanabilir. Duvarda yapılan uygulamalarda mekanların ışıksız kalmaması için kolektörlerin bir kısmı yerine pencere açılabilir. En yaygın kullanım biçimi olan çatılar için aşırı kar yükünün verebileceği zarar dikkate alınmalıdır (Bozdoğan, 2003).

Elektrik enerjisi üreten sistemler olan fotovoltaik sistemler -güneş pilleri- yüzeylerine gelen güneş ışınımlarını doğrudan elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Güneş hücreleri olarak da isimlendirilen bu hücrelerin boyutları ve formları farklılıklar gösterse de genelde boyutları 10X10 cm; kalınlıkları ise mikronmetre ile ölçülecek kadar incedir. Birden fazlası bir araya gelerek kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen fotovoltaik modülleri oluştururlar (Altın, 2003). Güneş hücreleri bir katmanı pozitif, diğer katmanı negatif olan iki katmandan oluşan yarı iletken bir maddedir. Güneş ışığı yüzeyle temas ettiğinde katmanların önünde ve arkasındaki temas noktalarında elektrik gerilimi meydana gelmekte, bu temas noktalarının bağlanması ile de akım oluşmaktadır.

Fotovoltaik sistemler, konutlarda genellikle çatı ve cephelerde kullanılmaktadır. Çatı uygulamalarında elde edilen verim daha yüksektir. Bunun nedeni panellerin eğimli olarak yerleştirilebilmesine imkan vermesi ve çatıya düşen gölge miktarının cepheye düşenden daha az olmasıdır (Bekar, 2003). Fotovoltaik sistemler cephelerde kabuk üzerine monte edilebilirler ya da doğrudan yapının kabuğunu oluşturan bir eleman olarak tasarlanabilirler. Bina cephesinin cam olması halinde doğal ışığı denetleme görevini üstlenen gölgeleme elemanı olarak veya doğal ışığı yapı içine kontrollü bir şekilde alabilmek için yarı şeffaf ya da opak pencere olarak kullanılabilirler (Göksal Özbalta, 2005).

Sonuç

Dünyada toplumun her alanında yaşanan teknolojik gelişmeler olumlu etkilerinin yanında çevre kirliliği ve kaynakların tüketilmesi gibi problemleri de beraberinde getirmiştir. Bu teknolojik gelişmelere paralel olarak artan enerji ihtiyacı ve dünyadaki enerji kaynaklarının hızla tükenmekte olması, fosil yakıtların kullanımından kaynaklanan yüksek karbondioksit oranı ve buna bağlı olarak yaşanan iklimsel değişiklikler toplumları her sektörde üretim ve tüketim biçimlerini tekrar gözden geçirmeye yöneltmiştir. Uzun yıllardan beri yaşanan enerji krizi, enerji tüketimini minimuma indirmeyi ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını amaçlayan tasarım yaklaşımının önemini artırmıştır. Yapı sektörü enerji tüketimi konusunda bu sektörler arasında önemli bir paya sahiptir. Özellikle ülkemizde konut sektörünün enerji tüketimindeki payı yüksektir ve bu enerjinin büyük bir kısmı tükenmekte olan fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Bu nedenle enerjinin etkin bir şekilde kullanımı ve böylece tüketimin azaltılması konutlar için önem taşımaktadır. Konutlar enerji verimliğini artırmak için gerekli olan fiziksel çevre kontrolünü kendi kendine sağlayan, çevreye karşı duyarlı özellikte olmalıdır.

1.      Altın, M. (2003), "Tarih İçinde Teknolojiyi Yaşamak: Enerji Üretiminde Fotovoltaik Hücreler", Yapı 256 /Mart 2003

2.      Bekar, D., (2007), "Ekolojik Mimarlıkta Aktif Enerji Sistemlerinin İncelenmesi", Yüksek Lisans Tezi, YTÜ, FBE, İstanbul, Türkiye.

3.      Bozdoğan, B., (2003), "Mimari Tasarım ve Ekoloji" Yüksek Lisans Tezi, YTÜ, FBE, İstanbul, Türkiye.

4.      Erengezgin, Ç., (2003), "Enerji Yaşamın Çekirdeği", İnterteks İnşaat 2003 Fuarı, İstanbul.

5.      Esin T., (2006), "Yapılarda Pasif Tasarım Yöntemleriyle Yenilenebilir Enerji Kullanımı", İzolasyon Dünyası Dergisi, Sayı: 61

6.      Fisk, M. J. ve Anderson, H. C. W., (1982), "Introduction to Solar Technology", Addison-Wesley Publishing Company, s.13-298.

7.      Göksal Özbalta, T., (2007), "Mimari, Güneş ve Teknoloji İlişkisi", Enerji ve Ekoloji Paneli,  Diyarbakır Büyükşehir Belediyesi, Türkiye.

8.      Göksal Özbalta, T., (25-26 Mart 2005), "Fotovoltaik Teknolojisi ile Bina Kabuğunun Değişen İşlevleri Ve Yüzeyleri", II. Ulusal Çatı&Cephe Kaplamalarında Çağdaş Malzeme ve Teknolojiler Sempozyumu.

9.      http://erg.ucd.ie/thermie.html

10.  http://ruzgarenerjisitr.blogspot.com/2008_08_01_archive.html 

11.  http://www.climatechangeconnection.org/Solutions/images/WindTurbineHome.jpg 

12.  http://ytam.marmara.edu.tr/dosya/Fotovoltaik%20Paneller.bmp

13.  Katırcı, U., (2003) "Çevre ve Yaşam için Yapı Tasarımı:Norman Foster", Yüksek Lisans Tezi, GÜ, FBE, Ankara, Türkiye.

14.  Özdoğan, H.P., (2005), "Ekolojik Binalarda Bina Kabuğunda Kullanılan Fotovoltaik Panellerin Tasarım Bağlamında İncelenmesi", Yüksek Lisans Tezi, YTÜ, FBE, İstanbul

15.  Sakınç, E. ve Sözen Şerefhanoğlu, M., (2008), "Güneş Enerjili Etken Sistemlerin Yapılarda Tasarım Ölçütü Olarak Değerlendirilmesine Yönelik Bir Yaklaşım", Gazi Üniversitesi, Müh. Mim. Fak. Dergisi, Cilt: 23, No: 1, S: 21-31, Ankara, Türkiye.

16.  Tokuç, A., (2003), "İzmir'de Enerji Etkin Konut Yapıları için Tasarım Kriterleri", Yüksek Lisans Tezi, DEÜ, FBE, İzmir, Türkiye.

17.  Uzunali, A., (2003), "Akıllı Evler Düşünceli midir?", Yüksek Lisans Tezi, KTÜ, FBE

18.  Ültanır, M.Ö., (1996), "21. Yüzyılın Eşiğinde Güneş Enerjisi", Bilim ve Teknik, Sayı: 340

Yüksek, İ. ve Esin, T., (Mayıs 2009), "Yenilenebilir  Enerji Kaynaklarının Yapılarda Kullanım Olanakları", 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS?09), Karabük, Türkiye.

Yrd. Doç. Dr. Şenay Boduroğlu / Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi Mimarlık Fakültesi

Yrd. Doç. Dr. Füsun Seçer Kariptaş / Haliç Üniversitesi Mimarlık Fakültesi