Binalarda Fotovoltaik (PV) Bileşenli Gölgeleme Elemanları Kullanımı

Bu tüketim, enerji üretimi genelde fosil yakıtlardan karşılandığı için çevreye zarar verir. Ancak bu tüketim birtakım önlemlerle azaltılabilir. Bu tüketimi, çevreye zarar vermeyen enerji kaynaklarıyla ve binanın kendi bünyesinde alınacak önlemlerle azaltmak, böylelikle daha konforlu iç mekanları olan binalarda yaşamak, güneş enerjisinden elektrik üreten fotovoltaik bileşenlerin, yapıların cephelerinde gölgeleme elemanı olarak kullanılmasıyla mümkündür. Bu sebeple bu çalışmanın amacı, fotovoltaik bileşenlerin binalarda gölgeleme elemanı olarak kullanımını örneklerle inceleyerek, bu uygulama ile binanın enerji ihtiyacının azaltılmasını irdelemektir.

Bunun için öncelikle fotovoltaik bileşenlerin mimaride kullanımı incelenecek, daha sonra bu bileşenlerin cephede gölgeleme elemanı olarak kullanımı ele alınarak bu uygulama, seçilen üç örnek bina üzerinde irdelenerek maliyetler ve ekonomik durum tartışılacak, son olarak da bu tür uygulamaların ülkemiz için uygunluğu tartışılarak gelecek için öneriler getirilecektir.

1. Giriş

1970?li yıllarda yaşanmış olan enerji krizi sonrasında, günümüzde daha az enerji harcayan binalar inşa etmek çok önemli bir konu haline gelmiştir. Şu an enerji kaynağı olarak genelde fosil kaynaklı yakıtlar kullanılmaktadır. Ancak bunların rezervleri sınırlı miktardadır ve çevreye de zarar vermektedirler. Önümüzdeki 100 (veya belki 50) yıl içerisinde bunların tükeneceği söylenmektedir. Bu sebeple, en kısa sürede yeni enerji kaynaklarının bulunması ve kullanılmaya başlanması gerekmektedir. Bu yeni enerji kaynakları bir yandan sınırsız kullanıma olanak verirken, diğer yandan çevreye zarar vermemelidir. Çünkü dünya atmosferinde CO2  gibi sera gazlarının emisyon değerlerinin yükselmesi, atmosferin daha çok ısınmasına sebep olmaktadır. Bu olay "Sera Etkisi" olarak adlandırılır ve bunun sebep olduğu küresel ısınmayla buzullar erimekte, dünyada iklimler değişmektedir. Bu sebeple, kullanılması gereken bu tür enerji kaynaklarına "Yenilenebilir Enerji Kaynakları" diyoruz.<B>(1)</B>

Yapılara en kolay entegre edilebilen yenilenebilir enerji kaynağı Güneş Enerjisi?dir. Güneş enerjisi yapılarda aktif ve pasif olarak kullanılabilir. Pasif kullanım yapının kendi bünyesinde alınan birtakım önlemler ve birtakım müdahalelerle sağlanırken, aktif kullanımda ise kollektörler gibi birtakım elemanlar kullanılmaktadır.

Günümüz mimarisinde artan oranda kullanılan "büyük pencere açılımları ve giydirme cephe"ler sebebiyle gölgeleme araçlarına, yani güneş kontrolüne artan bir ihtiyaç vardır. Bu uygulama eski Yunan ve Roma uygarlıkları döneminden beri kullanılmaktayken<B>(2)</B>, çok sonraları teknolojinin hızlı ilerlemesi sebebiyle daha geniş pencere açıklıkları yapımının mümkün hale gelmesi ile kullanımı bırakılmış, hatta tam tersine daha geniş açıklıklar uygulanmaya başlanmış, bu da binaların iç mekan konfor koşullarını oldukça olumsuz yönde etkilemiştir. Ancak 1970?lerden sonra eskiye dönüş olmuş, pasif tasarım ilkeleri bina tasarımlarında kullanılmaya başlanmıştır. Pasif tasarım ilkelerini dikkate alarak tasarlanmış bu tür binaların çoğunda, pencerelerini bir miktar örterek güneşin fazla ışınlarından, dolayısıyla istenmeyen fazla enerjiden korunmak için gölgeleme elemanları mevcuttur. Bu gölgeleme elemanları, fotovoltaik (PV) modüllerle oluşturulduğu taktirde, zaten strüktürü hazır olduğu için yapıya ek bir yük getirmedikleri gibi, PV sisteminin toplam maliyetini de düşürür. Bu amaçla, değişik şekillerdeki PV bileşenler, pencere üstlerinde veya yapının cephesinde, istenmeyen güneş ışınlarını kesen gölgeleme elemanı olarak kullanılabilirler. Bu şekilde hem binada konfor koşulları sağlanırken hem de istenmeyen bu fazla güneş ışınımı istenen bir enerji türü olan elektrik enerjisine dönüştürülerek ek bir kazanç sağlanmış olur. Böylelikle binada kullanılacak gölgeleme elemanları iki fonksiyonlu hale geldikleri için, bir katma değere sahip olurlar. Ayrıca bu kullanım hem pasif hem de aktif yöntemleri biraraya getirmektedir. Bu sebeple bu çalışmada, yapıların cephelerinde, yapıda konfor şartlarını sağlamak üzere kullanılan PV gölgeleme elemanı kullanımı ve uygulamaları irdelenecektir.

2. Binalarda Kullanılan Fotovoltaik Yapı Bileşenleri

"Fotovoltaik hücreler, güneş ışığından direkt olarak elektrik enerjisi üreten yarı-iletken malzemelerdir. Güneş hücreleri olarak da bilinen fotovoltaik hücrelerin boyutları ve formları üretim özelliklerine göre değişse de genelde boyutları 10x10 cm?dir ve kalınlıkları ise mikronmetre ile ölçülecek kadar incedir. Bunların birden fazlasının biraraya getirilmesiyle fotovoltaik modüller oluşturulmaktadır."<B>(3)</B> Yapılarda kullanılan fotovoltaik modüllere, aynı zamanda bir yapı bileşeni de oldukları için "fotovoltaik yapı bileşenleri" de denilebilir.

Fotovoltaik bileşenler yapılarda farklı bölümlerde ve farklı şekillerde kullanılabilirler. İlk etapta yapıda kullanıldıkları yere göre "çatıda", "cephede" ve "farklı yapı bölümlerinde (giriş saçağı, parapet, korkuluk, vb)" olmak üzere üç grupta incelenebilirler. Üretim biçimlerine göre ise, modüler ve çerçeveli hazır panel eleman olarak; mimarın tasarımına göre hazırlanmış 2 cam tabaka arasında lamine olarak; ince metal levha kaplama malzemesinin üzerine monte edilmiş halde ve hazır shingle şeklinde kullanımları mümkündür.<B>(5) </B>

3. Binalarda Konfor Koşulları

Yukarıda bahsedilen konfor koşullarının sağlanmasında amaç, "insan ihtiyaçlarının saptadığı esaslara uygun bina biçimi ve bina kabuğu belirlemektir."<B>(6) </B>Uygun bina biçimi ve kabuğunu belirlemek için yapılması gereken, en sıcak devrede en az ısı kazanan, en az sıcak devrede ise en az ısı kaybeden bina biçimini saptayabilmektir. Böylelikle bina içinde konfor koşulları sağlanırken aynı zamanda binanın enerji ihtiyacı da önemli ölçüde azaltılmış olmaktadır.

Binalarda eskiden geleneksel mimaride çok iyi sağlanabilen iç mekan konfor şartları, günümüz mimarisinde artan büyük pencere açılımları ve giydirme cephe kullanımları sonucu artık sağlanamaz olmuştur. Bunun tekrar sağlanabilmesi için birtakım önlemler almak gerekmektedir. Genellikle bu amaçla klima, elektrikli ısıtıcılaar, vb. gereçlerle, fosil yakıtlar kullanılarak yapılan iklimlendirme ile konfor koşulları sağlanmaya çalışılmakta, ancak bu da binaya ek bir enerji yükü getirmektedir. Bu enerji ihtiyacı, pasif yöntemlerle azaltılabilirken, PV bileşen kullanımı gibi aktif yöntemlerle de azaltılan enerji ihtiyacının bazen bir kısmı, bazen tamamı, bazen de daha fazlası güneş enerjisinden sağlanabilmektedir.

4. Örnek Binaların İrdelenmesi

Bu bölümde, konfor koşullarını tasarımlarıyla sağlarken, aynı zamanda cephelerinde kullanılan PV bileşenler yardımıyla enerji ihtiyacını azaltan üç adet bina ele alınarak bu örnekler incelenecektir. Bunlardan bir tanesi Freiburg?daki (Almanya) bir PV malzeme üreticisinin fabrika ve yönetim binasıdır. Bu binanın cephesinde PV bileşenler, güneş kırıcı olarak kullanılmışlardır. Ayrıca çatısında da PV bileşenler kullanılmıştır. İkinci örnek ise yine bir PV malzeme üreticisinin Lyon (Fransa) yakınlarındaki fabrika ve yönetim binasıdır. Bu binada da PV bileşenler gölgeleme elemanı olarak kullanılmışlardır. Böylelikle her iki firmanın da teknolojisi, ürettiği bileşenler kullanılarak binasının üzerinde sunulmuş olmaktadır. Üçüncü örnek ise yine PV bileşenlerin gölgeleme elemanı olarak kullanıldığı Roma?daki (İtalya) Çocuk Müzesi?dir. Bu örnek, diğer iki örnek binadan farklı olarak bir müze, daha da önemlisi bir "Çocuk Müzesi"dir. Bir çocuk müzesi olarak en önemli özelliklerinden bir tanesi ise çocuklara yenilenebilir enerji kaynaklarını tanıtmak, enerji kavramını onların hayatına daha 12 yaşının altındayken dahil etmek gibi bir amaç ile inşa edilmiş olmasıdır.

4.1. Solar-Fabrik Fabrika ve Yönetim Binası, Freiburg-Almanya

Freiburg?daki Solar-Fabrik binası, 56,5 kWp?lik monte edilmiş PV sistem kapasitesi ile PV modüller üreten bir binadır. Freiburg şehri, Almanya?da, Fransa ile İsviçre sınırında yer alan, güneş enerjisini günlük hayatlarında mümkün olduğu kadar çok kullanmaya çalışan, kendini "Çevresel Başkent (Environmental Capital)<B>(8)</B>" olarak tanımlayan bir şehirdir. Genel olarak "Güneş Şehri (Solar City)" olarak da tanınmaktadır. Şehirde son yıllarda, çevreye duyarlı, doğaya zarar vermeyen yapıların inşasına önem verilmiştir. Solar-Fabrik binası da bu tür binaların en iyi örneklerden bir tanesidir.

Bina, toplam 475 m2?lik PV alanı ile yılda 40 MWh elektrik üretebilecek kapasitededir. PV sistem,      50 000 kWh ile yıllık enerji ihtiyacının yaklaşık % 25?ini karşılar (180 MWh/a). Bunun ötesinde, Solar-Fabrik için ihtiyaç duyulan termal ve elektrik enerji, kolza-yağı (CHP) ile üretilir. Bu sistem,  yılda 130 000 kWh elektrik ve 180 000 kWh termal güç sağlar.<B>(9)</B>

Yapı, yönetim bölümü ve üretim holü olmak üzere iki bölümden oluşmakta olup, PV bileşenlerle oluşturulan gölgeleme elemanlarının uygulandığı bölüm yönetim binasıdır. Bu binada fabrikanın kendi üretimi olan PV bileşenler, cephede gölgeleme elemanı olarak kullanılmıştır. Böylelikle hem istenmeyen fazla güneş ışınımından kurtulup iç mekanın aşırı ısınması önlenirken, hem de bu istenmeyen ışınımdan binanın enerji ihtiyacının bir kısmı karşılanmaktadır. Böylelikle binanın, şehrin elektrik şebekesinden olan enerji ihtiyacı önemli bir ölçüde azaltılmıştır. Ayrıca yapılan cephe tasarımıyla, firmanın üretimi ve teknolojisi gösterilirken, estetik bir yapı da elde edilmiştir.

4.2. Total Energie Fabrika ve Yönetim Binası,

Lyon-Fransa

Total Energie, PV bileşenler üreten ve hızla gelişmekte olan bir firmadır ve Lyon şehrinin kenarında yeni bir bina inşa etmek istediğinde bunun hem ekonomik bir bina olmasını, hem de kendi ürettiği PV bileşenlerin, teknolojisinin göstergesi olarak bu yeni yapıya entegre edilmesini istemiş. Böylelikle tasarlanan ve inşa edilen binanın yıllık enerji tüketimi, kışın 138,944 kWh iken, yazın 27,275 kWh olarak gerçekleşmiştir. 120 500 x 1000 mm modüller, 40¡ eğimle güney cephesine yerleştirilmiştir. Binanın üst kısmında ise bu gölgeleme elemanlarından ayrı olarak 36 m2?lik PV modüller yerleştirilmiştir. Tüm bu PV bileşenler, binanın enerji ihtiyacının % 20?sini      karşılamaktadır. <B>(11) (12) (13)</B>

Yapı, iki ana bloktan oluşmakta, bu iki bina birbirine galvanize çelik bir köprü ile bağlanmaktadır. Bu binada da Solar-Fabrik örneğinde olduğu gibi fabrikanın kendi üretimi olan PV bileşenler, cephede gölgeleme elemanı olarak kullanılmıştır. Benzer şekilde bu örnekte de hem istenmeyen fazla güneş ışınımından kurtulup iç mekanın aşırı ısınması önlenirken, hem de bu istenmeyen ışınımdan binanın enerji ihtiyacının bir kısmı karşılanmaktadır. Böylelikle bu binada da şehrin elektrik şebekesinden olan enerji ihtiyacı azaltılmıştır. Ayrıca firmanın üretimi ve teknolojisi gösterilirken, estetik bir yapı da elde edilmiştir.

4.3. Çocuk Müzesi,

Roma-İtalya

İlk iki örnekten farklı olarak bu bina yeni bir bina değil, Roma?nın tarihi merkezinde yer alan eski bir toplu taşıma depo binasının yenilenmesiyle oluşturulmuş bir yapıdır. PV sistemi, gölgeleme elemanları ve çatı kaplaması olmak üzere iki gruba ayrılmıştır. PV gölgeleme elemanları sabit ve hareketli olmak üzere iki farklı şekilde tasarıma entegre edilmiştir. Her biri 555x1215 mm?lik 108 adet standart modülden oluşturulmuştur. PV gölgeleme elemanlarından oluşan sistem, 76 m2?lik alanı ile 7,2 kW güce sahiptir. Sistemin toplam gücü (15,2 kW), müzenin sergilerinin işletilmesi için gerekli enerjinin % 30?unu veya toplam yapay aydınlatmanın % 60?ını karşılamaktadır.<B>(3)</B>

Bu örnekte, yapının güney cephesi cam ve çelikten oluşturulduğu için, konforlu bir iç mekan yaratılması için gölgeleme elemanlarına ihtiyaç duyulmuştur. Bu gölgeleme elemanları ise, yapının tasarım kriterlerinden biri olan PV bileşen kullanımı gereği PV bileşenlerden oluşturulmuştur. Böylelikle yapının iç mekanının aşırı ısınması önlenirken, bu istenmeyen güneş ışınımı ile de yapının elektrik enerjisi ihtiyacının önemli bir bölümü elde edilmektedir. Buna ek olarak, üretilen elektrik enerjisi miktarı, yapı içinde bir ekranda sürekli verildiği için, çocukların daha 12 yaşına gelmeden, genelde yenilenebilir enerji kaynakları özelde ise güneş enerjisinin mimaride kullanımı konusunda bilinçlendirilmesine de hizmet etmektedir. Bütün bunların yanısıra, oldukça estetik bir bina da elde edilmiştir.

4.4. Örneklerin İrdelenmesi ve Ekonomik Durumunun Tartışılması

Bu üç örnekte de, yılın belirli günlerinde güneş enerjisi yapı içlerinde istenmiyor ve gölgeleme elemanları kullanılarak bina iç mekanlarında konfor koşulları sağlanmaya çalışılıyor. Bu istenmeyen güneş ışınımı, gölgeleme elemanı PV paneller kullanılarak oluşturulduğu için, binanın ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisine dönüştürülüyor. PV sistemin enerji ihtiyacını karşılama oranları ise;  Solar-Fabrik?te toplam enerji ihtiyacının % 20?si, Total Energie?de toplam enerji ihtiyacının %25?i,  Çocuk Müzesi?nde ise sergilerin işletme ihtiyacının %30?u, yapay aydınlatmanın ise %60?ıdır. Görüldüğü gibi PV bileşenlerden oluşan PV sistem, bir binanın elektrik enerjisi ihtiyacının önemli bir bölümünü karşılayabiliyor.

PV malzeme, fiyat itibariyle günümüzde oldukça pahalı bir malzemedir. Her ne kadar yeryüzünde çok miktarda bulunan silisyumdan da üretilse pahalı olmasının sebepleri, pahalı üretim yöntemleri, düşük verimleri ve talep azlığı olarak sıralanabilir. Ancak kullanımı artıp talep yükseldiğinde ve günümüzde sürekli geliştirilen teknolojisi ile verimi arttırılıp daha uygun üretim yöntemleri geliştirildiğinde fiyatların düşeceği beklenmektedir.

Sistemin verimini ve dolayısıyla geri ödeme süresini etkileyen en önemli etkenlerden birisi de sistemin kurulacağı "yer" dir. Yani o bölgenin konumu (enlem, boylam) ve iklim özellikleri, PV sistemin verimini önemli ölçüde etkiler. Ancak PV bileşen üreten firmalar, 20-30 yıla kadar uzayan garanti süreleri vermektedirler. Yani satın alınan bir PV panel, 20 yıl boyunca garanti kapsamında çalışıyor. Burdan da anlaşılacağı üzere, PV panel alan bir kişi, en az 20 yıl elektriğe para ödemiyor. Sistemin geri ödeme süresi ise, sistemin özelliklerine, verimine ve bulunulan yere bağlı olarak farklı sürelerde hesaplanıyor. Ancak çok pahalı olan bazı cephe kaplamaları yerine PV bileşenler cephe kaplaması olarak kullanıldıklarında, eğer yerine kullanıldıkları cephe kaplama malzemesinin m2 maliyetleri PV bileşenlerinkinden fazla veya eşit ise, geri ödeme süresi sıfır oluyor. Çünkü pahalı ve prestijli cephe kaplama malzemelerinin bir kazanımı yokken, PV bileşen güneş ışınımı olduğu süre boyunca elektrik üretiyor. Dolayısıyla, PV bileşenler prestijli olmalarının yanısıra bir katma değere sahipler. Bu sebeple geri ödeme süresi sıfır iken, hem sistem kurulduğu gün enerji üretmeye ve kazandırmaya başlıyor, hem de eğer gölgeleme elemanı olarak tasarlandılarsa, istenmeyen güneş ışınımı kazanımlarından binayı koruyarak iç mekanda konfor koşullarının sağlanmasına katkıda bulunuyorlar.

5. Sonuç

Bu çalışmada görüldüğü gibi, PV bileşenler mimaride gölgeleme elemanı olarak kullanıldığında, binanın istenmeyen enerji kazanımını azaltırken, aynı zamanda da bu istenmeyen enerjiyi kullanıp binanın ihtiyacı olan elektrik enerjisine dönüştürerek binanın enerji ihtiyacını önemli oranlarda azaltmaktadır. Böylelikle hem ülke ekonomisine önemli bir katkıda bulunmakta, hem de fosil kaynaklı yakıt kullanımını önemli ölçüde azaltarak çevreye verilen zararı da yine önemli ölçüde azaltmaktadır.

Ülkemize baktığımızda, Türkiye?de bulunan en bol ve en ucuz temiz enerji kaynaklarından bir tanesi "Güneş Enerjisi"dir. Güneş enerjisinin bir enerji kaynağı olarak kullanım şekillerinden bir tanesi olan fotovoltaik bileşenlerin kullanımı ile elde edilen elektrik enerjisi, dünya üzerindeki değişik uygulamalarda, binanın elektrik enerjisi ihtiyacının bazen bir kısmını, bazen tamamını, bazen de daha da fazlasını karşılayabilmektedir. Türkiye?den daha az güneş gören ülkelerde bu sağlanabildiğine göre, bu malzemenin binalarda kullanımı, ülkemizin artan enerji ihtiyacının önemli bir kısmını karşılayabilecektir. Böylelikle, mimarimizde PV bileşenlerden oluşan gölgeleme elemanları kullanımı gerçekleştirilirse ve yaygınlaştırılırsa, hem daha konforlu binalarda yaşamamız mümkün olacak, hem de enerji ihtiyacımız önemli ölçüde azalacağı için ülke ekonomimize de önemli ölçüde bir katkı sağlanmış olacaktır.

Kaynaklar

(1)<B></B>Altın, M. 2005, Research on the Architectural Use of Photovoltaic (PV) Components in Turkey from the Viewpoint of Building Shape, Dokuz Eylül University, Doktora tezi

(2)Perlin, J. & Butti, K. A Golden Thread.(www.californiasolarcenter.org/

history_passive.html)

(3) Altın, M. 2003, Tarih İçinde Teknolojiyi Yaşamak: Enerji Üretiminde Fotovoltaik Hücreler,

YAPI 256 /Mart 2003, s.88-91

(4)11-19 Ağustos 2006 tarihlerinde Almanya?nın Freiburg şehrinde düzenlenen "ISES (International Solar Energy Society) Summer Workshop 2006: Solar Low-Energy Housing in Europe" çalıştayına katılım.

(5)Altın, M. 2004, Yeni Yapı Malzemesi Fotovoltaik Paneller, Özellikleri ve Tarihçesi, 2. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi ve Sergisi Bildiriler Kitabı, s.438-444

(6)Şen, N. 1972/1973, Yapıda Bölge Şartları, T.C. Devlet Mühendislik ve Mimarlık Akademisi Mimarlık Bölümü Yapı Billgisi Kürsüsü Yayını No:2, K.D.M.M. Akademisi Baskı Atölyesi 72, s.11

(7)Freiburg Solar Energy Guide, Edition 2006, City of Freiburg im Breisgau Environmental Protection Agency.

(8)Dresel, Thomas. 11.08.2006 tarihinde "ISES Yaz Çalıştayı 2006 Ğ Avrupa?da Güneş Enerjisiyle Düşük-Enerjili Konut Üretimi" Çalıştayının açılışında Freiburg Şehrini temsilen yaptığı konuşma.

(9)Detail Dergisi, 1999/3, Solar-Fabrik in Freiburg

(10)12.08.2006 tarihinde Solar-Fabrik binasına düzenlenen teknik geziye katılım

(11)Gauzin-Müller, D. 2002, Sustainable Architecture and Urbanism: Concepts, Technologies, Examples, Birkh?user Ğ Publishers for Architecture, Italy, s. 234-239

(12)www.total-energie.fr

(13)www.jacques-ferrier.com

(14)7-11.Ekim.2002 tarihlerinde Roma?da (İtalya) düzenlenen "Avrupa?da Fotovoltaik: Teknolojiden Enerji Çözümlerine" konferansı kapsamında "Roma Çocuk Müzesi"ne mimarlarından Carlo Vigevano rehberliğinde gerçekleştirilen teknik geziye katılım