Pasif güneş sistemlerini mimari projelerinize nasıl uygulayabilirsiniz?

Merve BOZBEY
Mimar
www.popularch.com

Pasif güneş enerjisi, güneşten doğal yollarla elde edilen enerjinin yüzeylerde toplanması ve dağıtılmasıdır. Basit bir ifadeyle, pasif bir güneş sistemi, güneşe en çok maruz kalan yöne bakan alanlardan ısıyı toplar ve ısıyı, kütle olarak ısı depolayan malzemelerde tutar. İyi tasarlanmış bir pasif güneş sistemi, bu depolardaki ısıyı kullanarak yapıların ısıtma ve soğutma yüklerini azaltır.

Pasif güneş enerjisi uygulaması bir yapıyı güneşe yönlendirmek, uygun termal kütle veya ışık yayma özelliklerine sahip malzemeler seçmek ve havayı doğal olarak dolaştıran alanlar tasarlamak pasif güneş sistemleri entegre edilmiş tasarımlardan oluştur.
Bu makalede, tasarımlarınızda basit pasif güneş sistemlerinin uygulana-bileceği yöntemler içeren bir rehber sunuyoruz.

Pasif sistemler nelerdir?
Pasif sistemler ‘enerjiyi mekanik olmayan, doğal yollarla toplar ve taşır.’
Güneş ışınları Dünya’nın yüzeyine çarptığında: ışınlar emilebilir, yansıtılabilir ve iletilebilir; fakat tüm malzemeler güneşten gelen etkiye aynı şekilde tepki vermez. Örneğin: cilalı ya da parlak bir yüzey ışığı, mat yüzeylerden daha büyük miktarlarda yansıtacaktır. Benzer şekilde, karanlık yüzeyler ısıyı, aydınlık olanlardan daha büyük miktarlarda emer. Şeffaf-malzemeler en fazla güneş ışınımını yayar; bununla birlikte, yarı saydam malzemeler güneş ışınımı kadar yayılırlar, fakat aynı zamanda içinden geçen ışınımı dağıtırlar.

Bazı yüzeyler ısıyı iletir ve aynı zamanda depolar; böylelikle “sera etkisi” olarak bildiğimiz şeyi yaratır. Bu sistem de güneşten elde ettiği ısıyı depolar ancak sonraki aşamada sahip olduğu ısıyı dağıtır ya da dönüştürür.
Pasif güneş sistemlerinin arkasındaki yapılanma üç türden oluşur: doğrudan kazanç, dolaylı kazanç ve izole kazanç.
Doğrudan kazanç: Doğrudan kazanç, pasif güneş sistemlerinin en temel yöntemidir. Doğrudan kazançlı bir tasarımda, güneş ışığı eve bakan pencerelerden girer, güneş ısısını emen ve depolayan yığma zeminlere, duvarlara çarpar. Oda gece soğudukça, termal kütle ısıyı eve bırakır.
Dolaylı kazanç: Dolaylı bir kazanç sisteminde, termal kütle güneş ve yaşam alanı arasında bulunur. Termal kütle, ona çarpan güneş ışığını emer ve iletim yoluyla yaşam alanına aktarır.
İzole kazanç: İzole kazanç, enerjiyi emmek için alternatif mahal kullanımını içeren bir doğal kolektif döngüdür. Doğrudan kazanç ve dolaylı kazanç sistemi özelliklerinin bir kombinasyonunu kullanır. Evin temel yaşam alanından ayrı, en çok güneş alan yüzeye konumlandırılmış, sera etkisi taşımayan, yaşam alanına da dönüştürülebilecek güneş odaları kullanılarak oluşturulur. Güneş odasına giren güneş ışığı odanın termal kütlesi ve havasında tutulur. Güneş ışığı, güneş odasının arkasındaki ortak bir kütle duvarından iletim yoluyla veya güneş odası ile yaşam alanı arasındaki havanın konveksiyonla değiştirilmesine izin veren havalandırma kanalları vasıtasıyla iletilir.

Pasif Güneş Enerjisi Tasarlama

1. Konum ve planlama: Maksimum enerji performansı için saha planlamasının temel amacı, güney tarafının kış aylarında mümkün olduğunca güneşe maruz kalmasına izin vermektir. Güneş enerjisini doğrudan sağlayabilmek için optimum güneş emilimi çok önemlidir, bu nedenle projenin hem yaz hem de kış ayların-da güneşten tam olarak yararlanacak şekilde konumlandırılması temel şartlardan biridir. Nispeten büyük bir güneş arkı içinde iyi bir solar enerji yönelimi mümkündür, bu nedenle enerji performansı ile alanın eğimi, bireysel ev planı, hâkim yön gibi diğer önem-li faktörler arasında uygulanabilir bir denge elde etmek için esnek bir plan-lama yapmak önemlidir. Tabii ki, tüm noktalar bu tür optimum güneş erişimini karşılayacak kadar büyük değildir, bu nedenle en az tavizi vermek için daha küçük partilerdeki gölgeleme desenlerini dikkatlice değerlendirmek önemlidir. Güneş erişimini korumanın en kolay yolu, doğu-batı 25 derece içinde uzanan sokaklara sahip parsellerde konumlanmaktır.
2. Termal kütle: Gün boyunca sıcaklık dalgalanmalarını azaltmaya yardımcı olabilecek, böylece gün boyunca yapının kendisinin ısıtma ve soğutma ihtiyacını azaltacak, yapı içindeki malzemeyi ifade eder. Termal kütle malzemeleri bu etkiyi, yüksek güneşe maruz kalma dönemlerinde ısıyı emerek ve çevredeki hava soğumaya başladığında ısıyı serbest bırakarak elde eder. Pasif güneş ısıtma ve soğutma teknolojilerine dahil edildiğinde, termal kütle binaların enerji kullanımını azaltmada büyük rol oynayabilir.

Su ve faz değişim ürünleri gibi termal kütle malzemeleri ısı depolamada daha verimlidir, ancak yapının içeri-sinde kullanılan duvarları termal kütle malzemesi olarak kullanmak yapı-sal bileşen olarak da kullanıldığı için daha fazla avantaj sağlayacaktır.

Ilıman iklim bölgelerinde yer alan iyi yalıtılmış yapılarda, mobilyaların ve bitiş malzemelerinin doğasında bulunan termal kütle yeterli olabilir, bu da ek termal depolama malzemelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Termal kütleden maksimum verim elde edebilmek için direkt güneş alan pasif güneş sistemi malzemelerinin güneş ışığı alma alanlarının engellenmemesine dikkat etmek gereklidir.

Çoğu malzeme için, zemindeki veya iç duvardaki termal kütlenin etkinliği yaklaşık 10 cm kalınlığa kadar orantılı olarak artar, bundan sonra etkinlik önemli ölçüde artmaz.
5 cm’lik bir kütle tabanı, doğrudan kazanma sisteminde 10 cm’lik bir kütle tabanı ile kıyaslandığında üçte iki kadar daha az etkili olacaktır. Ancak 15 cm’lik bir kütle tabanı, 10 cm’lik bir zeminden sadece yüzde sekiz daha iyi performans gösterecektir. Aşağıdaki şekilde termal kütlenin yoğunluk ve kalınlığa göre etkinliği gösterilmektedir. Dikey eksen, doğrudan kazancın her bir kare karesi için kaç metre kare kütle alanına ihtiyaç olduğunu gösterir.

3. İç mekanların tasarlanması: Odaların farklı mevsimlerde ve günün farklı saatlerinde nasıl kullanılacağını düşünerek oda yerleşimini planlama enerji tasarrufu sağlayabilir ve konforu artırabilir. Pasif güneş enerjisi özellikli evlerde, odaların yerleşimi ve birden fazla oda içerebilen iç bölgeler için özellikle önemlidir.

Genel olarak, güneş enerjisinden faydalanmak için güneyde yaşam alanları ve diğer yüksek aktiviteli odalar bulunmalıdır. Dolaplar, depolama alanları, garaj ve daha az kullanılan diğer odalar kuzey sahili boyunca tampon görevi görebilir, ancak giriş yolları rüzgârdan uzakta olmalıdır. Banyoları, mutfaklar ve çamaşır odalarının su ısıtıcı sis-temlerin yakınında bulunması daha uzun su hatlarından kaybedilecek ısıyı koruyacaktır.
Bir başka genel prensip, açık bir kat planı ile toplanan güneş ısısının doğal konveksiyon yoluyla serbestçe dolaşmasına izin verilmesidir.
Buna ek olarak : İç kütle duvarlarını, kuzey-güney bölmeleri olarak yönlendirerek termal kütlenin maksimum kullanımını sağlamak ; Termal kütle için doğu-batı bölme duvarı kullanmak ( ancak iç mekanın çok ısınabilecek bir güney bölgesine ve çok soğuyabilecek bir kuzey bölgesine bölünmemesi gereklidir.); Termal depolama duvarları kullanmak ( duvarlar tüm gün enerji depolar ve yavaşça onu serbest bırakır); Güneş enerjisini evin bir bölgesinde toplamak ve açık bir kat planı ile fanlar veya doğal konveksiyon ile başka bir yere taşımak iç mekanların oluşturulmasında solar enerjinin maksimum kullanımında basit ancak etkili yöntemlerdir.

4.Pencereler: Güneye bakan camlar pasif güneş sistemlerinin önemli bir bileşenidir. Sistem, kışın iyi performans için yeterli güneş alan cam içermelidir, ancak yaz aylarında soğutma performansından ödün verilecek kadar fazla olmamalıdır. Güneş camı miktarı da termal kütle miktarı ile dikkatlice ilişkilendirilmelidir. (Güneş temperli evler, tipik bir evin duvar kaplaması ve mobilyalarından daha fazla termal kütle gerektirmez. Standart yapılanmanın aynı özelliklere sahip olması için ek termal kütle gereklidir.)
Bir evde etkili bir şekilde kullanılabilecek güney cephe camı miktarı üzerinde iki tip sınır vardır. Birincisi, güneş temperli evler için cam miktarı sınırıdır. Bu sınır (termal kütle eklenmeden) evin toplam kat alanının %7’sidir.Pasif güneş enerjisi kullanımı planlanan yapılardaki doğrudan kazanç sistemleri için, ne kadar ek ter-mal kütle sağlandığına bakılmaksızın, maksimum güney cephe camı miktarı toplam taban alanının% 12’sidir.Tipik olarak, güneş enerjisini toplayan pencereler, güneşi tam karşılayan yönün 30 derece içinde yerleştirilmeli ve ısıtma mevsimi boyunca sabah 9’dan akşam 3’e kadar diğer binalar veya ağaçlar tarafından gölgelenmemelidir. İdeal olarak, yapının camları, gerçek güneyin her iki tarafında 60 derecelik bir yay içinde hiçbir engel olmadan güneş ışığına maruz bırakılmalıdır, bu mümkün olmadığında ise camın 45 derecelik bir yay içinde gölgelenmemesi durumunda makul derecede iyi güneş erişimi sağlanabilir.

5. İç su duvarı: Su duvarı pasif güneş binaları genellikle pasif güneş evlerinin en çekici türüdür. Pasif bir güneş evi için anahtar unsur termal kütledir ve su bu kütleyi beton veya faz değişim malzemelerinden daha düşük bir maliyetle sağlar. Su duvarları bir dizi başka nedenden dolayı caziptir:
   a. Yeni yapıya kolay ve ekonomik olarak monte edilebilirler
   b. Özellikle soğuk gece sıcaklıkları olan alanlarda ısıtma ve soğutma için duvardan daha etkilidirler
   c. Faz değişimi depolamasından daha esnektirler çünkü soğutma ve ısıtma için çalışırlar ve kritik bir çalışma sıcaklığına sahip değildirler.
   d. Pratik olarak tasarımı etkilememek adına kolayca gizlenebilir ya da tasarıma dahil edilebilirler.
   Binada bir iç su duvarı kullanırken, duvarın yoğun saatlerde (11: 00-15: 00) güneş ışığına bakan bir yerde bulunması önemlidir. Güneş emilimini optimize etmek için koyu renkli bir duvar tercih edilmelidir..

Trombe Duvarı: Trombe duvarı, güneşten gelen “daha kısa dalga boyu ve daha yüksek enerjili UV radyasyonu” şeklindeki ısının duvarın önündeki cam panelden geçip emdiği temel sera prensibi üzerinde çalışan bir “dolaylı kazanç” sistemidir. Duvar ve cam arasındaki hava iletim yoluyla ısıtılır. Hava ısıtıldığında, konveksiyon yoluyla odayı ısıtan üst havalandırma deliğinden geçer ve aynı zamanda soğuk hava, güneş tarafından ısıtılan alt havalandırma deliğinden çekilir ve tekrar yükselir. Bu, ılık hava akışı döngüsü oluşturur.

Trombe duvarı yazları ve kışları farklı çalışır:

a) Yaz aylarında Trombe duvarları: Yaz mevsiminde duvar çıkıntı ile gölgelenir ve doğrudan güneş ışığı almaz. Bir Trombe duvarı korunaklı olduğunda, serin kalacaktır ve içsel nitelikleri yerin geri kalanını daha serin tutmak için ısıyı emecektir. Bu tür duvarlardaki malzemeler kademeli ısı emilimi ve transferinden sorumludur ve oluşturulan çıkıntı alanları yaz güneşinin Trombe Duvarı’na çarpmasını engeller.

b) Kışın Trombe duvarları: Kışın, güneş ışığı duvara çarptığında, güneşin içindeki ısıyı transfer ederek evi ısıtmak için kullanılır. Trombe duvarındaki termal kütle, ısı enerjisini emdikçe kademeli olarak artacak ve daha sonra yavaşça serbest bırakacaktır. Kış aylarında, ortam hava sıcaklığı gece düştüğünde, termal kütle depolanan ısı enerjisini serbest bırakacak ve bu da gün batımından sonra daha uzun süre inşaatın nispeten sıcak kalmasına yardımcı olacaktır.

Yaygın bir Trombe duvarı aşağıdaki teknik özelliklerden oluşur:

• 10 – 41 cm kalınlığında yığma du-var, çoğunlukla siyah renkli koyu, ısı emici bir renkle boyanır.
• Yalıtımlı bir cam (çift cam) veya düşük emisyonlu cam ile kaplanmıştır.

• Cam, küçük hava alanı oluşturmak için duvardan 2 – 5 cm uzağa yerleştirilir.
• Güneye bakmalıdır
• Ekvatorun güney tarafındaki evler için, en fazla güneş ışığına maruz kalacak taraf olduğu için maksimum verimlilik ve en yüksek verimlilik için Trombe duvarları kuzeye doğru bir yönde monte edilmelidir.

7.Gölgelendirme: Çok çeşitli binalar ve içinde bulunabilecekleri iklim çeşitleri göz önüne alındığında, gölgeleme cihazlarının tasarımı hakkında kapsamlı genellemeler yapmak zordur. Bununla birlikte, aşağıdaki tasarım önerileri mevcut yapılanma sistemlerine uygunluk göstermektedir:

• Doğrudan ışın güneş ışınımını kontrol etmek için güneye bakan camda sabit çıkıntılar kullanın.
• Mümkün olduğunca büyük ölçüde, gölgelenmesi güney camından daha zor olduğu için doğu ve batı camı miktarını sınırlayın. Doğu ve batı pozlarını gölgelemek için peyzaj kullanımını düşünün.
• Gölgelemenin gün ışığını etkilediğini unutmayın; ikisini aynı anda düşünün. Örneğin, hafif bir raf, alt pencereleri gölgelendirirken doğal ışığı yüksek pencerelerden bir odaya derinlemesine sıçrar.

• Güneşlikler zaten çalışma alanına girdiği için jaluziler veya dikey panjurlar gibi iç gölgeleme cihazlarının soğutma yüklerini azaltmasını beklemeyin. Bununla birlikte, bu iç cihazlar parlama kontrolü sunar ve iş yerinde görme keskinliğine ve görsel rahatlığa katkıda bulunabilir.
• Güneş açılarını inceleyin. Güneş açılarının anlaşılması, temel bina oryantasyonunun belirlenmesi, gölgeleme cihazlarının seçilmesi ve Bina Entegre Fotovoltaik (BIPV) panellerin veya güneş kolektörlerinin yerleştirilmesi de dahil olmak üzere tasarımın çeşitli yönleri için kritiktir.
• Gölgeleme cihazlarının dayanıklılığını dikkatlice düşünün. Zamanla, çalıştırılabilir gölgeleme cihazları önemli miktarda bakım ve onarım gerektirebilir.
• Gölgelendirme için peyzaj elemanlarına güvenirken, peyzaj bakım maliyetini ve yaşam döngüsü maliyetini koruduğunuzdan emin olun.
• Bir enlemde iyi çalışan gölgele-me stratejileri, farklı enlemlerdeki diğer siteler için tamamen uygun olmayabilir. Gölgeleme fikirlerini bir projeden diğerine uygularken dikkatli olun.

Referanslar :
https://www.energy.gov/energy-saver/energy-efficient-home-design/passive-solar-home-design
https://energyeducation.ca/encyc-lopedia/Thermal_mass
https://sustainablesources.com/energy/passive-solar-design/
Passive Solar Industries Council – National Renewable Energy Labora-tory :Charles Eley Associates

Görseller:

1. Bruce Damonte: Kaiser Permanente Radiation Oncology Center

2. Liesbet Goetschalckx: Passive House Blanden

3. Park passive House/Nk architects
4. Neutelings Riedijk Architects Begins Construction on Largest Passive Office
5. Jan Siefke: Passive House Bruck