Düşük Enerjili Sistemler: Yüksek Performanslı Binalar ve Toplum

9 Mayıs 2011 | DOSYA 6. Sayı (Mart - Nisan 2011)

Dr. İbrahim Çakmanus / Çakmanus Müh. Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti.
1. Giriş

Günümüzde binaların ve sistemlerin enerji verimliliğinin artırılması konusundaki yoğun çabalar devam etmektedir. Çünkü binalardaki ısıtma, soğutma ve aydınlatma sistemlerinde, dünyadaki fosil tabanlı primer enerjinin yüzde 30’undan fazlası kullanılmaktadır. Bu bağlamda mevcut bina stoku çevresel problemlerin en büyük sebeplerinden birisidir. Bu probleme karşın binalarda enerjinin daha verimli kullanılmasına yönelik büyük bir potansiyel de bulunmaktadır. Bu potansiyelin anlaşılabilmesi için uygulamada (pratikte) yeni bir kavramdan, -ekserji kavramından- yararlanılmaktadır.  

Ekserji, bir enerji türünün (örneğin elektrik, ısıtma, soğutma enerjisi) iş yapabilme veya farklı işlerde kullanılabilme kapasitesi olarak tanımlanabilir. Örneğin bir binadaki ısıtma kazanında enerji verimliliği yüzde 90’ın üzerinde olabilirken, ekserji verimliliği yalnızca yüzde 8 civarında bulunmaktadır. Bu durum, bina sistemlerindeki iyileştirme potansiyelinin nerelerde olduğunu göstermektedir. Aynı şey topluma yönelik mevcut enerji temin ve dağıtım sistemi için de geçerlidir. Buradaki potansiyelin anlaşılması, fosil tabanlı ve büyük miktarda CO2 emisyonu yayan mevcut enerji sistemlerinin yenilenebilir enerji sistemlerine geçişe yardımcı olacaktır. Bunun için yeni ve ekonomik sistemlerin geliştirilmesi ve enerjinin üretiminden nihai kullanımına kadar yüksek verimle dönüştürülmesi gerekmektedir. Bunun sonucu öncelikle ısıtma, soğutma havalandırma, aydınlatma vb. için kullanılan enerji azaltılabilir. Yenilenebilir enerji teknolojileri, ısı pompaları, kojenerasyon sistemleri, termal olarak aktive edilmiş bina ekipmanları, yüksek sıcaklıklı soğutma ve düşük sıcaklıklı ısıtma teknolojileri, termal depolama, atık ısının kullanımı bunun için yararlanılması gereken sistemlerdir.

Buradaki dönüşüm düşük ekserjili bir çevre yaratılmasına katkı sağlayacaktır. “Ekserji” dönüşümünün, örneğin ısıtma enerjisi ve elektrik enerjisi üretimi gelecekte tüm bina enerji sistem üzerinde önemli etkisinin olacağını değerlendirmekteyiz. Bu kavramın bizler için yeni bir kavram olduğunu biliyoruz. Ancak, örneğin bundan 15 seneden daha önceleri, “enerji verimliliği” konusu da bilinmiyordu ama şimdi toplumda hemen herkes bunu tartışabilir hale geldi. Gelecekte de ekserji kavramının yaygınlaşacağını düşünmekteyiz.

2. Binalar için Ekserji Analizi Konsepti

Bir enerji türünün, ekserji verimliliği veya kalitesi o enerji türünün başka enerji formlarına (örneğin mekanik forma) dönüşebilme kapasitesini göstermektedir. Bir başka ifadeyle ekserji konsepti enerji akışının iki parçasını ortaya koymaya yardımcı olur. Bu parçalar enerji ve anerjidir. Enerjinin sadece ekserji bileşeni diğer enerji formlarına dönüştürülebilir. Örneğin elektrik enerjisi ekserjisi çok yüksek bir enerjidir. Çünkü ısıtma, soğutma, elektrik motorlarının tahriki, aydınlatma, müzik, elektronik cihazların çalıştırılması gibi çok değişik amaçlarla kullanılabilmektedir. Buna karşın örneğin binayı ısıtmak için kazanda ısıtılan su sadece ısıtma amacıyla kullanılabilir, başka bir amaçla kullanılması mümkün değildir. Benzer şekilde yüksek basınçlı buhar elektrik enerjisi üretilmesi için uygundur. Eğer buhar, bina ısıtması, bulaşık yıkama gibi amaçlarla kullanılırsa enerji çok düşük kalitede kullanılmış olur. Anerji, enerjinin bu durumunu ifade eder. Eğer uygun bir ekserji kullanımı bulunamazsa, örneğin binalarda üretilen atık ısı (enerjinin düşük kaliteli kısmı), mevcut enerji kullanım şekli çevreye atılmaya devam edilirse, geri dönülemez biçimde çevre üzerinde etkileri olmaya devam edecektir.

Bir binanın ısıtma ve soğutma ihtiyacını karşılamak için gerekli enerjinin ekserji bileşeni çok düşüktür. Bunun nedeni konfor şartları olan 20-24 oC’nin çevre sıcaklığına çok yakın olmasıdır. Buna karşın geleneksel sistemlerde yüksek kaliteli enerji (örneğin fosil yakıtlar) düşük ekserjili olan bu ihtiyacı karşılamak amacıyla kullanılmaktadır. Ekonomik ve çevresel açıdan bakıldığında ekserji, endüstride yüksek ekserjili üretim (örneğin elektrik üretimi) için kullanılmalıdır. Şekil 1’de binalar ve endüstri için arzu edilebilecek bir enerji/ekserji akım şeması görülmektedir. Buradan, binalarda düşük kaliteli (örneğin atık ısı) veya bedava (örneğin güneş enerjisi) enerji kullanılması gerektiği sonucu çıkarılır. Yüksek kaliteli enerji ise proses, elektrik üretimi gibi enerjinin daha yararlı formları için kullanılmalıdır. Örneğin binalarda, elektrik santrallerindeki atık ısıların kullanımı bu amaca hizmet eder.

Bu yönüyle bakıldığında dünya enerji tüketiminin yüzde 30’undan fazlasını gerçekleştiren binalarda önemli düzeyde enerji tasarruf potansiyeli bulunmaktadır. Ekserji analizi, mevcut enerji temin zincirinin verimliliğinin yükseltilmesine önemli katlı sağlayacaktır. Bu süreç ayrıca, yeni teknoloji ve konseptlerin geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. Günümüzde genelde çabalar, binaların enerji ihtiyaçlarının azaltılmasına yöneliktir. Eğer bu durum gerçekten sağlanabilirse bundan sonraki adım, kalan net termal enerji ihtiyacının düşük kaliteli enerji ile karşılanması olmalıdır. Bu gerçekleştirildiği ölçüde küresel fosil enerji ihtiyacı önemli ölçüde azaltılabilecektir. Ancak bu süreç için araçlar, rehber kitaplar, öneriler, en iyi uygulamaların gösterilmesi, bilgisayar programları vb. geliştirilmesi gerekmektedir. Bu yöndeki çabaların yalnız teknik alanda değil, politik alanda da sürdürülmesi gerekir. Ekserji konsepti yönünden ilerleme kaydedilebilmesi için toplam CO2 emisyonlarının önemli ölçüde düşürülmesi mümkündür. Bu yeni konsept gelecekteki bina stokunun dönüşümünü de sağlayabilecektir.

3. Gelecekte yapılabilecek çalışmalar

Bina stokunun enerji ve ekserji kalitesinin yükseltilmesi için yapılabilecek çalışmalar aşağıda özetlenmiştir.
•    Kombine enerji/ekserji analizleri yapılmalıdır
•    Düşük ekserjili dağıtım için optimizasyon süreçleri gerçekleştirilmelidir
•    Yerel, yenilenebilir enerji teknolojilerinin geliştirilmesi ve kullanımın yaygınlaştırılması, yeni bilgisayar programları geliştirilmesi sağlanmalıdır
•    Bina ekserji veriminin artırılmasına yönelik daha iyi kontrol ve otomasyon sistemleri geliştirilmelidir
•    Uzun vadede sürdürülebilirlik ve ekonomik çözümler için ekserji anahtar göstergedir
•    Binalarda iç konfor şartları mümkün olan en düşük ekserji talebi ile karşılanmalıdır.

4. Sonuç

Ülkemizde enerjinin yüzde 70’inin ithal edildiği, nüfus artışı ve ekonomik gelişmeye bağlı olarak ihtiyacın her geçen gün arttığı bilinmektedir. Bu bağlamda 2010 yılında enerji ithalatına ödenen bedel 40 milyar USD üzerindedir. Buna karşın, yukarıdaki verilerden de anlaşılacağı üzere bu enerjinin dağıtım ve kullanım ekserjisi çok düşüktür. Örneğin;
a) 1500oC’lerde yakılan doğalgazın enerjisi 40-80oC’de sıcak suya dönüştürülerek kullanılmaktadır
b) Doğalgaz elektrik üretim santrallerindeki atık ısılardan yaralanılamamaktadır
c) Yenilenebilir enerji kaynakları yeterince değerlendirilememektedir. (Yenilebilir enerji teknolojilerine dönüşüm süreci aynı zamanda yeni ve yerli istihdam alanları yaratma potansiyeline de sahiptir).

Bina ekserji analizi için, bina enerji simülasyon programlarına benzer biçimde ekserji hesaplama programları da geliştirilmektedir. “Building Information Modeling (BIM)” programı, energy ve exergy programı olan “Design Performance Viewer (DPV)” buna örnek olarak verilebilir. BEP yönetmeliği kapsamında hazırlanmaya çalışılan BEP-TR yazılımından istenilen sonuç henüz alınamamış olsa da, enerji simülasyonu konusunda bir bilinirlik sağlamıştır. Buradaki sorun, kendini kanıtlamış bir programın satın alınarak kullanıma açılmasıyla çözülebilir. Benzer şekilde “ekserji analiz” programlarının da artık kullanılmaya, konumun bilinirliğini artırmaya ihtiyaç vardır. Gerek enerji simülasyonu, gerekse ekserji analizi için genel anlamda kullanılacak programların Autodesk Revit gibi programlarla entegre edilebilmesi halinde harcanacak emek, zamanın azaltılması, çıkacak sonuçların güvenirliliği yönlerinden çok önemlidir. Bu tür programlar tasarımın tüm safhaları için çok önemlidir. Böylece tasarımcı, yaptığı değişikliklerin yıllık enerji tüketimini ve binanın enerji performansını nasıl etkileyeceğini görebilir. Benzer şekilde ekserji analiz programları da enerjinin kullanım kalitesini ortaya koyacaktır.

Diğer yandan, bu tür programların ülkemizde yaygın biçimde kullanımının önündeki engellerden birisi istatistiki işlemlerden geçirilmiş güvenilir ve bu programların okuyabileceği formatta dış hava bilgilerinin bulunmamasıdır. En kısa sürede, örneğin Bayındırlık ve İskan Bakanlığı tarafından yetkin bir kuruma (örneğin İTÜ Meteoroloji Mühendisliği Bölümü) bu çalışmanın yaptırılarak kamuoyu ile paylaşması çok yararlı olacaktır. Ayrıca bilinçlenme ve genç mühendislerin eğitimi için binaların enerji performansı ve ekserji analizleri konularında ilgili kurum ve derneklerin rehber kitapçıklar yayınlaması gerekmektedir. Bu kitapçıklarda konu hakkında bilgiler, referanslar, programların tanıtılması ülkemizden ve dünyadan iyi örnekler verilmelidir. Ayrıca bu kitapçıklar ücretsiz veya düşük bedellerle kullanıma sunulmalı, zaman içinde geliştirilmelidir. Bu tür çalışmalar projeler halinde yürütülebilirse daha sağlıklı ve hızlı sonuçlar ortaya çıkabilecektir. Bu bağlamda toplantılar, atölye çalışmaları haberler, internet gibi yöntemlerle bu çalışmalar kamuoyuyla paylaşılabilir. Sonuçta bu gibi çabalar bina sektöründen kaynaklanan CO2 emisyonlarının azaltılmasına ve örneğin yenilebilir enerji teknolojilerine dönüşüme (yeni isitihdam olanaklarına), enerjinin ekserji verimliliği yüksek biçimde üretilerek (örneğin kojenerasyon ve trijenerasyon sistemleri) dağıtılıp kullanılmasına yönelik önemli katkılar sağlanabilir.

5. Diğer Aktiviteler

Ekserji konusunu geliştirmek ve tanıtmak amacıyla “The International Society of Low Exergy Systems in Buildings (LowEx Net)’ adlı bir kurum kurulmuştur. Bu kurumun üyeleri ekserji alanındaki farkındalığı geliştirmeye çalışmaktadırlar. Benzer şekilde, ASHRAE Technical Group 1 (TG1) “Exergy Analyses for Sustainable Buildings” da bu amaçla teknik bilgi üretmek için çalışmalar yürütmektedir.

Kaynakça
1.    D. Schmidt and M. Shukuya (2003) “New Ways Towards Increased Efficiency in the Utilization of Energy Flows in Buildings”. In: Proceedings to the Second International Building Physics Conference 2003, September 14-18,2003, Leuven, Belgium. pp. 671-681.
2.    Annex 49 (2007) “Energy Conservation in Buildings and Community Systems-Low Exergy Sstems for High Performance Buildings and Communities” , Homepage.
3.    D. Schmidt (2004) “Design of Low Exergy Buildings-Method and a Pre-Design Tool”. In:The international Journal of Low Energy and Sustainable Buildings, Vol. 3 (2004), pp. 1-47.
4.    M. Shukuya and A. Hammache (2002) “Introduction to the Concept of Exergy-for a Better Understanding of Low- Temperatur-Heating and High-Temparature-Cooling Systems”, VTT Research Notes 2158, Espoo, Finland.
5.    ECBCS (2007) “Energy Conservation in Buildings and Community Service Program”. International Energy Agency. Homepage: http://www.ecbcs.org.
6.    LowExNet (2007) “Network of the International Society for Low Exergy Systems in Buildings”. Homepage: http://www.lowex.net.





 

---

R E K L A M