Giriş

“Küresel ısınma” ve “iklim değişikliği” insanlığın karşılaştığı en büyük sorunlardan biri olarak karşımızda durmaktadır. Doğanın dengesinin bozulması, karbondioksit salınımının artması, çevre kirliliği, enerji ihtiyacımızın sürekli artması ve fosil tabanlı yakıt kaynaklarının tükenmek üzere olması, bize “Ne yapabiliriz?” sorusunu sorduruyor.

Sürdürülebilir Bir Gelecek İçin

Sürdürülebilirlik: Çevresel, sosyal ve ekonomik olarak günümüz ihtiyaçlarını karşılarken gelecek nesillerin de kendi ihtiyaçlarını karşılayabilirliklerini tehdit etmeyen gelişimdir.

1996 yılında kimya dalında Nobel ödülünü almış olan Richard Smalley, “Gelecek 50 Yılda İnsanlığın En Büyük On Sorunu” adlı çalışmasında listesine “enerji” ile başlar. Çünkü sürdürülebilir bir dünya için ulaşılabilir, ucuz, bol, temiz ve güvenli enerji, diğer bütün problemlerin çözümünü mümkün kılabilir. Örneğin, ucuz enerjiniz varsa deniz sularını tuzundan arındırıp uzun mesafelere pompalayabilir ve ihtiyacı olanlara temiz su kaynağı olarak götürebilirsiniz. Hayatın kaynağı olarak nitelenen su probleminin çözülmesi; tarım alanlarının sulanmasıyla yiyecek, daha yeşil bir ortam yaratılmasıyla çevre, temizlik sağlayacağı için sağlık probleminin ve benzeri şekilde birbirine bağlı diğer problemlerin çözümüne büyük katkı sağlayacaktır. Su, yiyecek ve temiz bir çevre yardımıyla, yoksulluk kontrol altına alınabilir, eğitim yaygınlaştırılabilir ve farkındalık artırılabilir. Böylece, listedeki diğer problemlerin çözümüne de adım adım yaklaşılmış olur.

Sürdürülebilir bir gelecek için bir yandan ucuz, bol, ulaşılabilir, temiz ve güvenli enerji kaynakları yaratmak için uğraşırken, diğer yandan da var olanı en verimli nasıl kullanabiliriz, diye düşünüp ona göre hareket etmeliyiz.

Enerjinin Temelleri

En basit ve kabul edilen tanımıyla enerji, bir maddenin ya da makinenin iş yapabilme yeteneğidir. Eski Yunan dilindeki εν (en)= aktif ve εργονí (ergon)= iş kelimelerinden türemiş daha sonraları iş yapma yeteneği anlamında kullanılmaya başlanmıştır. Doğada farklı şekillerde bulunan enerji, ekosistemde sürekli bir devinim içindedir, bir biçimden diğerine değişir. Doğayı taklit eden insan da benzer şekilde enerjiyi yaşadığı ortam içinde bir biçimden diğerine değiştirmenin yollarını arar. Örneğin, bir elektromanyetik enerji olan güneş ışınlarını (güneş enerjisi), evimizde aydınlatmada kullanmak için elektrik enerjisine ya da kimyasal enerji olan petrolü (benzin), harekete yani kinetik enerjiye ve benzeri şekilde diğer enerji türlerini de kullanılabilir bir şekle çevirmek isteriz.

Enerji verimi elektrik santralinde olduğu gibi, bir çeşit enerjiyi (örneğin, kömürdeki kimyasal enerji), kullanışlı başka çeşit enerjiye (örneğin, taşıma hattındaki elektrik enerjisi) dönüştüren bir sistemin verimi, sistemden çıkan kullanışlı enerji miktarının, o sisteme giren toplam enerjiye oranı olarak tanımlanır.

Termodinamik yasalarıyla açıklamak istersek burada anlatılanları şu şekilde özetleyebiliriz: Termodinamiğin birinci yasası; enerjinin korunumu olarak da bilinen bu yasaya göre enerji yoktan var edilemez; var olan enerji de yok edilemez; sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Termodinamiğin ikinci yasasına göre ise sıcaklık farkı olan iki cisimden soğuk olandan sıcak olana kendiliğinden ısı transferi gerçekleşmez; burada ısı transferinin olabilmesi için mutlaka bir işe ihtiyaç olduğu vurgulanmak istenilmiştir.

Enerji Kaynakları

Enerji kaynaklarını sınıflandırmak konunun anlaşılması açısından en iyi yoldur. Enerji kaynakları, niteliklerini değiştirip değiştirmemesi, elde edilme şekli, ticari olup olmaması, madde hâli (katı-sıvı), oluşturdukları köken (organik-inorganik), depo edilebilirliği ve yer altı-yer üstü kaynak olması açısından çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. Birincil enerji kaynaklarını ise başlıca üç gruba ayırabiliriz:

1.Fosil tabanlı (yenilenemeyen) enerji kaynakları

2.Yenilenebilir enerji kaynakları

3.Nükleer enerji kaynakları

Fosil Tabanlı (Yenilenemeyen) Enerji

Kömür, petrol ve doğal gaz yatakları olarak günümüzde kullanılan bu kalıntılar, fosil tabanlı enerji kaynakları olarak tanımlanırlar. Dünya enerji üretiminin %68’i, tüketiminin ise %87,1’i bu üç kaynağa bağlıdır. Sürekli artan enerji talebiyle bu kaynakların çok kısa zamanda tükeneceği gerçeği kaçınılmaz olarak karşımıza çıkıyor. Buna ek olarak kolay ulaşılabilir kaynaklar tükendiği ve daha zor olanları çıkartmak zorunda kaldığımız için hem doğaya verdiğimiz zarar artıyor hem de bunlar daha pahalı kaynaklar hâline geliyor. Sonuçta birbirine bağlı bu zincir, bize fosil tabanlı kaynakların gün geçtikçe daha az verimli olduklarını söylüyor.

Fosil tabanlı enerji kaynaklarının tüketilmesinin bir diğer önemli sonucu da çevreye verdiği zarardır. Çünkü bu kaynakların yanmasıyla ortaya sera gazı olarak bilinen, karbondioksit (CO2 ), metan (CH4 ) ve fosforlu bileşikler çıkıyor ve bu da küresel ısınmaya katkı sağlıyor.

Yenilenebilir Enerji Kaynakları

Yenilenebilir enerji doğada sürekli var olan, herhangi bir üretim sürecine ihtiyaç duyulmadan elde edilebilen enerji türüdür.

Güneş Enerjisi: Güneş enerjisi hidrojenin, füzyon yoluyla helyuma dönüşmesidir. Dünyanın oluşumundan beri ısı ve ışık olarak dünyayı besleyen güneş enerjisi, günümüzde çok değişik alanlarda temiz enerji kaynağı olarak değerlendirilmektedir.

Rüzgâr Enerjisi: Rüzgârı oluşturan hava akımının, kullanışlı/yararlı bir enerjiye çevrilmesiyle elde edilen enerji çeşididir. Rüzgâr türbinleri kullanılarak rüzgârın sahip olduğu kinetik enerji, elektrik veya mekanik enerjiye çevrildiği için, bu süreçte atmosfere herhangi bir sera gazı salınmaz.

Su (Hidrolik) Enerjisi: Hidrolik enerji, suyun statik enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesiyle elektrik enerjisi üretilmesidir. Yani suda var olan potansiyel enerjinin açığa çıkarılmasıyla elde edilir.

Jeotermal Enerji: Yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş ısının oluşturduğu, kimyasal maddeler içeren sıcak su, buhar ve gazlara jeotermal kaynak, bu kaynaklardan çeşitli şekillerde faydalanmaya imkân veren tüm enerji kaynaklarına da jeotermal enerji denir. Jeotermal kaynakları besleyen yağmur, kar, deniz ve magma suları var olmaya devam ettikçe, yenilenebilir ve sürdürülebilir özelliklerini korurlar.

Biyokütle Enerjisi: Odun (enerji ormanları), yağlı tohumlu bitkiler (ayçiçeği, kolza, soya vb.), karbonhidrat bitkileri (patates, buğday, mısır, pancar vb.), elyaf bitkileri (keten, kenef, kenevir, sorgum vb.), bitkisel artıklar (dal, sap, saman, kök vb.), hayvansal atıklar, kentsel atıklar ve endüstriyel atıklar gibi kaynakların oksijensiz ortamda fermente olması ile elde edilen enerjiye biyokütle enerjisi denir.

Nükleer Enerji

Başlı başına bir tartışma konusu olan nükleer enerji, aslında yenilenemeyen bir enerji kaynağı olmasına rağmen çok az ham maddeyle yüksek miktarlarda enerji üretilebildiği için ayrı bir kategoride değerlendirilir. En iyi bilinen kullanım alanı olan nükleer santrallerde, uranyum yakıt olarak kullanılır ve elektrik enerjisi üretilir.

Enerji Etkin Bina Tasarımı

İstatistikler, dünyada enerjinin yaklaşık %34 gibi büyük bir kısmının binalar tarafından tüketildiğini gösteriyor. Türkiye’de bu oran 2010 yılındaki verilere bakıldığında %24,2 civarındadır. Dünya çapında sera gazı salınımlarının %10’u da yine binalar tarafından yapılmaktadır.

Peki, enerji etkin bina ne demektir? En kısa ve genel ifadeyle enerji etkin binalar, bir yandan yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanan, diğer yandan da kullanılan enerjiyi korumaya yönelik tedbirlerin alındığı yapılardır. Şimdi, bir binanın tam anlamıyla çevreye duyarlı ve enerji etkin olabilmesi için üzerinde durulan aşamalara kısaca göz atalım:

Tasarım: Binaların tasarım aşamasında alınan kararlar, binanın ve yapımında kullanılan malzemelerin tüm ömürleri boyunca ihtiyaç duyacağı, tüketeceği enerji miktarını belirler. Bu aşama, aşağıda tanımlanan diğer süreçlerin organize edildiği, ayrıntılarının belirlendiği zamandır. Doğru belirlenmiş hedefler çizgisinde, ekonomik, teknolojik, bilimsel, yaratıcı ve estetik yaklaşımların bir arada en iyi şekilde kullanıldığı süreçtir.

Yapım ve öncesi: Bina yapımında kullanılacak malzemelerin doğadaki ham madde hâlinden, kullanıma hazır hâle gelinceye kadar tüketilen enerjinin verimli kullanılmasını ve bu süreçlerin çevreye duyarlılığını kapsamaktadır. Ayrıca, binanın inşa edilmesi için kullanılan enerji de toplam tüketim hesabına katılır.

Kullanım ve işletim: Binanın yapımı bitip kullanıma açıldıktan sonraki dönemde tüketilen toplam enerjinin düşünüldüğü süreçtir. Bu aşama, kullanıcının konfor dâhil her tür gereksinimini karşılamak, yapının bakım ve onarımını yapmak için enerjinin verimli kullanılmasını kapsamaktadır. Yapılan tasarımlarda, enerjinin korunumu hedef olmalı, kışın ısıtma, yazın soğutma yükünün azaltılması sağlanmalıdır.

Yapının yıkımı ve sonrası: Enerji etkin bina tasarımında, binaların kullanım sonrasındaki yıkım sürecinde kullanılacak enerjinin miktarı ve bu işlemin çevreye etkisi de üzerinde durulması gereken unsurlardandır. Özellikle yapı malzemelerinin yeniden kullanıma kazandırılması, bu malzemelerin bir kısmı için ham madde kaynaklarının yenilenemeyen kaynaklar olması ve rezervlerin hızla tükeniyor olması bakımından önemlidir.

Pasif ve Aktif Enerji Sistemleri

Enerji etkin sürdürülebilir bir çevre oluşturmada etkili olmayı hedefleyen bina tasarımlarında kullanılan yaklaşımlar genel olarak pasif ve aktif sistemler olarak isimlendirilebilirler. Bu terimler, gerekli enerjinin kullanım yöntemini açıklar. Pasif sistemlerde (ya da tasarımlarda), bina, çevresiyle sürekli etkileşim içindedir.

Pasif sistemler yönlendirme, yalıtım, pencere yerleşimi gibi yaklaşımlarla konutun enerji giderlerini azaltır. Aktif sistemlerde ise enerji depolama birimleri, transfer mekanizmaları ve enerji dağıtım sistemleri (pompa, fan gibi) kullanılır. Binanın toplam ısıtma ve soğutma gereksinimlerinin, pasif sistemler tarafından tam olarak karşılanamadığı durumlarda, pasif ve aktif sistemler birlikte kullanılır.

Yer seçimi, bina biçimi ve yönü (pasif): Binanın yapılacağı arazinin ve bu arazi üzerindeki konumunun seçimi, yörenin iklim özelliklerine uygun olarak yapılmalıdır. Bu sayede, binaların güneş ve rüzgâr gibi doğal enerji kaynaklarından yararlanması sağlanarak ısıtma, soğutma ve havalandırma sistemlerinin kuruluş ve kullanım maliyetleri en aza indirilebilir.

Doğal havalandırma (pasif): Bina çevresindeki basınç veya sıcaklık farklılıkları kullanılarak, yapı içinde hava hareketi sağlanarak doğal havalandırma yapılabilir. Bina içine alınan hava için ayrı bir çıkış açıklığının yapılması, sürekli hava değişimi sağlar. Bu sistem genel olarak binaların soğutma yükünü azaltmak amaçlı kullanılır.

Bölgeleme (pasif): Bina içindeki mekânların, ortak gereksinimlerine göre bir araya toplanması, pasif anlamda enerji etkinliğinin sağlanmasına yardımcı olacaktır. Örneğin, bir iş merkezi binasında ofisler binanın iki dış cephesine bakacak şekilde sıralanıp bina içinde birbirlerine bakan kısımları da servis bölgesi olarak kullanılabilir.

Bina kabuğu (pasif): Binaların yapı kabuğunda (dış duvarlar, pencereler, çatı ve temel döşemeleri) ısı yalıtım malzemelerinin kullanılması, ısı kayıplarını azaltacağından binaların hem ısıtma hem de soğutma yüklerini azaltacaktır. Bina kabuğunda en fazla ısı kayıp ve kazançları pencerelerden olmaktadır. Camlı yüzeylerin soğuk dönemlerde ısıtma amaçlı kullanılmasını hedefleyen tasarımlarda, yaz dönemlerinde karşılaşılan istenmeyen yüksek ısı durumunun da düşünülmesi gerekmektedir. Bu amaçla, binaların camlı yüzeylerinde güneş kontrol ve gölgeleme sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemler, kişi tarafından el ile ya da bina otomasyonu tarafından otomatik olarak yapılabilen hareketli sistemler olabilir.

Avlu ve iç bahçeler (pasif): Mimarlıkta atriyum olarak da adlandırılan avlular; genellikle ofis binaları içinde camla kaplanmış tavanları olan geniş ve yüksek alanlardır. Bina yüksekliğince devam eden avlu yapılar, baca etkisi gösterdiğinden özellikle yaz aylarında sıcak havanın dışarıya atılmasıyla doğal serinletme sağlar. Kış dönemlerinde ise sera etkisiyle ısınan bu bölgelerdeki sıcaklığın yükselmesi, ısı kayıplarını azaltır.

Doğal (pasif) ve yapay (aktif) aydınlatma: Doğal aydınlatma (pasif), bina içlerinde gün ışığının mümkün olduğunca çok kullanılarak yeterli aydınlık seviyesinin sağlanması için kullanılır. Bu sayede, yapay aydınlatmadan kaynaklı enerji tüketimlerinin ve iç alan ısınma etkilerinin en aza indirilmesi hedeflenir. Yapay aydınlatma (aktif) sistemleri, amaçlarına yönelik ışık üretmenin yanında ısı da üretir. Kullanılan kaynağa ve miktarına göre, üretilen bu ısı, binanın ısıtma ve soğutma yükünü etkileyecek kadar çok olabilir. Bu nedenle, ısı kazancının kontrol edilmesine yönelik farklı tiplerde aydınlatma armatürleri vardır. Yapay aydınlatmanın sebep olduğu ısının istenmediği dönemlerde, bu ısı toplanarak basit bir kanal sistemi ile binanın havalandırma bacalarından dışarı atılabilir.

Güneş enerjisi (aktif): Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren (fotovoltaik) araçlardır. Güneş pillerinin gün boyunca ürettikleri enerji depolanabilir ve geceleyin (örneğin, aydınlatma amaçlı) kullanılabilir. Güneş pillerinin verimleri %6 ile %41 arasında değişmektedir. Ancak, yüksek verimli güneş pillerinin maliyetleri oldukça yüksek olduğu için, bunların kullanımı henüz ekonomik ve enerji etkin olmaktan uzaktır.

Güneş ışınımını faydalı enerji şekline dönüştüren bir diğer araç da güneş toplayıcılarıdır. Toplayıcıların, güneş enerjisinden daha fazla faydalanabilmesi için yönlerinin güneşe doğru olması gerekmektedir.

Yer altı kaynakları: Yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde bulunan sıcak su, buhar, gaz veya sıcak kuru kayaçların sahip olduğu ısıl (termal) enerji, jeotermal enerji olarak tanımlanmaktadır. Jeotermal enerji, binalarda doğrudan ya da dolaylı olarak ısıtma, soğutma ve elektrik üretimi gibi çok amaçlı kullanılmaktadır. Enerji tasarrufu sağlayan bir diğer uygulamada, yerkürenin ısı enerjisini depolama yeteneği kullanılır. Bu kapsamda, var olan sıcak veya soğuk su, ihtiyaç duyulan başka bir zaman kullanılmak üzere geçici bir süre yer altında depolanabilir.

Uygulamalar

Ülkemizde pasif güneş enerjisinden yararlanma çalışmaları 1990’lı yıllarda başlamıştır. Kurumsal olarak ilk uygulamalardan biri TÜBİTAK Ulusal Gözlemevi (TUG) Yerleşkesi misafirhane binasıdır. 1994’de tasarlanan ve 1996’da kullanıma açılan yerleşke Antalya Saklıkent’te, deniz seviyesinden 2500 metre yükseklikte bir konumdadır (Şekil 4.4). Teleskop binalarının bulunduğu, yazın +20°C’ye çıkan ve kışın -25°C sıcaklıklara düşen bölgede yapının, gökyüzü gözlemlerine olumsuz etkilerinden ötürü, baca gazı çıkaran bir ısıtma sisteminin olmaması, özellikle gözlem yapılan gece boyunca binalardan bir geri radyasyon olmaması, gözlem yapılmayan ve aşırı kış koşullarından ötürü binanın boş kalabileceği zamanlarda test cihazlarının zarar görmemesi için iç sıcaklığın hiçbir koşulda “0°C” sıcaklığın altına düşmemesi, dinlenme zamanı olan gün içerisinde ise yapının yaşanabilir konfor şartlarında olması istenmiş ve bu amaçlarla sadece güneş enerjisinden yararlanılması planlanmıştır. Elektrik enerjisi ile ısıtmanın da çok yüksek maliyet getireceğinden bu seçeneği de en az düzeyde tutacak bir çözümleme üzerinde durulması istenmiştir.

Bunun dışında TÜBİTAK-TUG Misafirhane binası, yaratıcı tasarım özelliğini sürdüren ve dünyanın ilk ekolojik yüksek ofis binası özelliğini taşıyan Frankfurt Commerzbank binası, Londra Hackbridge’de yapılmış BedZED (Beddington Zero Energy Development) binası, Masdar Şehri’nin çekirdeğini oluşturan ve sürdürülebilirlik alanlarında son teknoloji çözümler üreten bir araştırma üniversitesi olan Masdar Bilim ve Teknoloji Enstitüsü çevresinde gelişim göstermekte olan kampüs binaları enerji tasarrufu ve verimliliği açısından incelenmesi gereken şaheserlerdir.

Akıllı Bina ve Bina Otomasyonu

Akıllı binalar kısaca, enerjinin en verimli şekilde kullanılmasını hedefleyen ve bu amaçla kendi çevresini kontrol edebilen binalar olarak tanımlanmaktadır. Bina otomasyon sistemleri (BOS), temel olarak binalardaki soğutma grupları, ısıtma kazanları, pompa grupları, elektrik panoları gibi birimlerin otomatik kontrolünü ve bilgi izlemesini yapan sistemlerdir. Bu sistemlerin maliyetlerinin yüksek olmasından dolayı, akıllı binalar genellikle enerji harcamalarının yüksek ve kullanıcı sayısının fazla olduğu yapılarda tercih edilir. Akıllı binalarda, kullanım ve işletim aşamasında bina otomasyonu yardımıyla temel olarak izleme, kontrol ve raporlama işlemleri yapılır. Bu işlemlerin yapılabilmesi için binaların alt düzeyde birçok algılayıcılarla donatılması, kontrol sistemlerinin kurulması, bilgisayarların haberleşme ve bağlantı tesisatlarının yapılması gerekir. Bu sistemlerin kurulabileceği yerler ve temel işlevleri şunlardır:

İklimlendirme: Binaların ısıtma, soğutma, havalandırma, nemlendirme gibi işlerinden sorumlu cihazların düzeninin ve kontrolünün sağlanmasını hedefler. Binaların iç ve dış alanlarına konulan sıcaklık ve nem algılayıcılardan alınan bilgi, kontrol birimi tarafından önceden verilen değerlerle karşılaştırılır ve sorumlu cihazlara gereken komut gönderilir.

Aydınlatma: Binalarda aydınlatmanın en verimli şekilde yapılmasını hedefler. Yukarıda bahsedildiği gibi, binaların içine ve dışına yerleştirilen ışık şiddetine duyarlı algılayıcılardan alınan bilgiye bağlı olarak yapay aydınlatma kaynaklarına uygun komutlar gönderilir.

Güvenlik: Duman, su, gaz algılayıcılarının bir arada kullanımı ile üst düzey bir güvenlik seviyesi sağlanır. Bu sayede, zamanında ve doğru müdahaleler yapılarak büyük zararların önüne geçilir.

Enerji kontrolü: Binaların enerji tüketimini sürekli izleyerek kontrol altında tutar ve raporlar vererek harcama durumunu bildirirler. Böylece, zaman içinde tüketim kanallarındaki değişiklik fark edilip verimsiz çalışan bölgeler için enerji etkinlik adına müdahalelerde bulunulur.

Bina onarım ve bakımı: Bina içi arızalı bölgeleri, bakım birimlerine zamanında bildirirler. Bu sayede işletme tasarrufu yapılmış olur.

Otomasyon sistemiyle kontrol edilen akıllı binalarda, mevcut ısıtma, soğutma, havalandırma, aydınlatma tesisat ve ekipmanları ancak ihtiyaç olduğu zaman sistem tarafından devreye sokulur. Bu, sisteme girilecek çalıştırma/durdurma, zaman programına göre olabileceği gibi ölçülen değerlerin belirlenen değerlerin altına düşmesine veya üzerine çıkmasına göre otomatik olarak yapılır.