Enerji Etkin Ekolojik Bina Tasarımı

Celal OKUTAN, Makina Yüksek Mühendisi, Okutan Mühendislik

Yapılarda “ekolojik” tasarımla ilgili dökümanlar incelendiğinde, “Enerji Etkin Ekolojik Bina Tasarımı” konulu bir bilgi aktarımının zorluğu görülür. Özellikle mühendislerin sorunlara yaklaşımlarında olduğu gibi basit formüller, pratik kriterler sunulamaz. Bu anlamda genel bir yaklaşım, karmaşık konunun çok boyutlu, karmaşık teknolojik araştırmalara dayalı bir tasarım olduğunu göstermektedir.

Ekoloji; insanlığın var oluşundan bugüne kadar bilinen, insan yaşamına girmiş uygulamaları içeren çok yeni bir bilim dalıdır. İnsanlığın doğa ile ilişkisinden doğan, çevre bilimlerini kapsayan, disiplinler arası bir bilim olarak tanımlanır. Ekoloji, Alman bilimcisi Haeckel tarafından Yunanca Oikos (evcik) ve Logos (bilim) kökenlerinden türemiştir.

Ekolojide enerji; ekonominin para birimi anlamında işlev görür. Ekolojide enerji etkinliklerinin temel ilkesi sistem seçimine uygun yöntem arayışına dayanır. Günümüzde enerji etkinlikleri ekolojinin uygulamalı tasarımda önemli bir yer tutmaktadır. Yapı teknolojisinde ekoloji çevre ile birlikte ele alındığında belirli araştırmaların katkısı ile sağlıklı kentlerde sağlıklı yapılara endekslenmiştir. Bu anlamda yapılarda ekonomik, düşük enerji kullanan yaşanabilinir kullanılabilir yapılaşmayı hedeflenmektedir.

Yapı teknolojisinde öncelikli şehir ekolojisi, yerleşke ekosistemleri ele alınmalıdır. Mimar Le Corbusier 1911 yılında İstanbul’u gördüğünde New York ile kıyaslayarak, İstanbul’u cennete, New York’u da cehenneme benzetmiştir. Bugün o değerlerini kaybeden İstanbul’un ekolojisi, büyük sorunlarla karşı karşıyadır. Bu nedenle şehir ekolojisinde öncelik sadece yeşil alanlar olmayıp, geleneksel mimari değerleri taşıyan yapı tekniği ağırlık kazanmıştır. Bu doğrultuda ekoloji çok eski buna karşın teknolojinin katkısı ile çok yeni bir bilim dalı sayılmalıdır.

Yöresel ve geleneksel mimari, temel ilkeleriyle doğaya ve çevre koşullarına uygun yapım sanatıdır. Çözümler doğada mevcut uygulamalar bulunarak şekillendirilip, biçimlendirilmek suretiyle yaratıcı ekolojik tasarıma dönüşmüştür. Bunun Anadolu’da uygulanan pek çok örnekleri görülür. Antep, Şanlıurfa, Diyarbakır illerinde eski kesimin dar sokaklı, yüksek ve kalın duvarlı geleneksel mimarisinin çevreye uyumu, yapıların ortak duvarların güneş etkisini azaltan, gündüz depoladığı ısıyı gece yayarak gece-gündüz ısı farkını aza indiren görevi ilginçtir. Geleneksel Akdeniz mimarisi özelliklerinden, iç avlulu evler, avluyu çevreleyen duvarların koruma etkisi yanı sıra serinlik olanakları, ayrıca avludaki mutfağın duman, yangın ve koku önlemleri, su sebil ve havuzlarının buharlaşma etkisi; avlu ve köy evlerindeki taşlık veya sıkışmış topraktan oluşan girişlerde sulama ile sağlanan serinleme yapılarda ekolojik uygulamaları gösterir. Aynı yaklaşım Osmanlı saray mimarisinde çok gelişmiş, estetikle zenginlenmiş, şadırvan, avlu, çeşme, fıskiyeli havuzlar, saray bahçelerinin çok güzel örneklerini sergilemiştir. Akdeniz mimarisi özelliklerini içeren kafeslere; Şanlıurfa, Gaziantep, Kahramanmaraş, Safranbolu evlerinde rastlanmaktadır. Geleneksel yapıların İstanbul tipi rüzgarlık, evin en fazla rüzgar alan cephesinde en üst katta camsız pencere gibi açıklık bırakılarak oluşmuş, oradan giren rüzgarın hava dolaşımı sağlanmış günümüz iç hava kalitesi standartlarının öncüsü olmuştur. Bu tür hava delikleri önüne konan su dolu büyük çömlek küplerin sıcak iklimlerdeki serinletme etkisi mikro-klima sistemlerinin ilk örnekleridir. Camilerdeki kubbeler ve benzer tarzda kubbeli yapılardaki deliklerle atılan pis hava, kubbe altı havuz ve şadırvan imkanları yapılarda doğal havalandırmanın öncüleri sayılmalıdır. Bu nedenle ekolojik tasarım yapı mimarisi ile başlamıştır. Arazide yapı oriyantasyonu, klimatolojik koşullar, güneş etkisi, güneş ışınların açısı, etki süresi, dış hava sıcaklığı, nem, yağış, rüzgar ve çevre koşulları dikkate alınmalıdır. Bu doğrultuda Kastamonu ve Safranbolu evlerinin sofa yönlendirmesi doğaya uygun serinletme sistemlerinin en güzel örneğidir.

Güneş kuşağında bulunan ülkemizin eski Anadolu evlerinin konumu incelendiğinde pencerelerin güneye baktığı görülür. Gün boyunca güney cepheden etkili kış güneşi dar açılı ışınları ile evi ısıtır. Yazın dik gelen ışınlara karşı gerekli önlemler alınmış pencereler, tente ve perdeler yanı sıra çevre ağaçları tarafından korunmuştur. Günümüzde “pasif” güneş enerjisi olarak adlandırdığımız bu yöntem modern yapılarda yapı kabuğunun izolasyonu ile gündeme gelmiş, ayrıca ekolojik tasarımla yapıların güneş alabilmesi olanakları sağlanmıştır. Ayrıca aktif güneş enerjisinin kullanımına dönük yüksek teknoloji uygulamaları etkili olmuş, tasarım güneş evleri ve akıllı bina teknolojisine yönelmiştir.

Ekolojik tasarım, belirli “know-how” içeren araştırma, deneyim ve simülasyon araştırmasına dayalı yaratıcı bir dizayn olup, bu anlamda yüzlerce teknik kitap ve tebliğ yayımlanmıştır. Araştırmaların bir kısmı başarısız, bazıları ise ekonomik görülmemiş olmasına karşın dünyanın çeşitli yörelerinde çok başarılı uygulamalara rastlanmaktadır. Bu yönleri ile uygulamada dikkatli olmak, yanlış uygulamalardan kaçınmak gerekir. Ayrıca tasarımcıların temel bilgiler yanı sıra mimari ve mimari ile uyumlu tasarımda yapı teknolojisi kurallarına uyması doğa ilişkisinde ekolojik verileri sağlıklı değerlendirmesi gerekir. Bu anlamda reklam ve pazarlamaya yönelik sorumsuz yaptırımların önlenmesi gereklidir. Bu nedenle ekolojik tasarım, enerji, çevre etkinlikleri, hijyen, sağlık, iç mekan zenginlikleri ve konfor düzenini sağlayan mekanik tesisat verimliliğini arttıran bir yöntemdir.

Mekanik tesisat yönünden ekolojik tasarım; enerji tasarrufu, enerji verimliliği, enerji geri kazanımı, çevre etkinlikleri, hijyen, sağlık ve konfora yönelik ekonomik ilkeleri hedefler. Bu amaçla mikro klima sistemleri, doğal havalandırma yöntemleri, otomatik kontrol, otomasyon, yapı fiziği ilkelerine uygun yalıtımdan başlayıp, kapalı ortamlarda yaşanabilirlik ve kullanılabilirlik standartlarına kadar uzanan dizgide ekolojik tasarım kriterleri dikkate alınmalıdır. Bu yaklaşım geçerli zorunlu standartların üstünde hızla gelişen teknolojiye uygun yaratıcı tasarımı zorunlu kılar.

İnsanoğlu, asırlardır klima ortamlarına uygun, yaşam koşulları sağlamaya çalışarak, sürdürülebilinir yerleşim bölgelerinde yaşanabilirlik standartlarını araştırmıştır. Diğer parametreler de dikkate alındığında verilen bu çabanın başında iklim koşullarına uygun yerleşimlerde, çevre etkinlikleri öncelik kazanmaktadır. Ayrıca yapının yerleşim ve mimari tasarımında zararlı etkenleri azaltan, zorunlu ihtiyaçları sağlayan sağlıklı yapı ve çevre koşulları içinde “mikro-klima” sözcüğü yer almıştır. Dolayısıyla “mikro-klima” yapılaşma ve yapıya dönük mimari tasarım sözcüğü sayılmaktadır. “Mikro-klima” olgusu bütün yönleri ile özgün bilimsel bir tasarım sanatıdır. Yapıların rüzgar, yağmur, kar ve güneş ile etkileşimleri doğal havalandırma ve aydınlatma olanakları çevre koşulları dikkate alınarak sağlanır. Yapı teknolojisinde günümüze kadar gösterilen çaba, teknolojinin yardımı ile günümüzde yapay mekanik tesisatının teknolojik gelişimiyle ısıtma, havalandırma, sıhhi tesisat dışında iç hava kalitesi, ısı, rutubet, koku, gürültü önlemleri gibi yapı içi iklimlendirme standartlarına dönüşmüştür. Bu gelişim sonucu 20. yüzyılda Amerikalıların “air-conditioning”, Avrupalıların “klima” ismini verdikleri sektör dünyada büyük bir sanayi durumuna gelmiştir. XX. asrın ilk yarısına kadar yapıda lüks yaşamın simgesi olan klima, asrın ikinci yarısında günümüzün büyük bir kısmını geçirdiğimiz kapalı ortamlar, endüstriyel üretim ve sağlık tesisleri için vazgeçilemez ihtiyacı haline gelmiştir. Bu nedenle tasarımı, üretimi, uygulaması ve işletmesi büyük bir ihtisas gerektiren klima sektöründe, en küçük detaylara inen araştırma ve gelişimler her gün yeni bir buluş ile uygulama yöntemlerini bütün boyutlarıyla gündeme getirmiş bulunmaktadır.

Mikro-klima imkanları her ülkenin yaşam koşulları, geçerli standartları klimatolojik verileri ve yerel koşullarına uygun tarzda denenmiş uygulanmış olmakla beraber ileri teknoloji akışında ilk kez Avrupa’da özellikle kuzey ülkelerinde başlamıştır. XX. yüzyıla damgasını vurmuş olan Amerikan teknolojisi üretim enflasyonu içinde enerji ve verimlilik konusunda Avrupa kadar titiz davranmamış tüketiciyi korumaya yönelik kalite konusunda imalatları sınırlamamıştır. Diğer bir deyim ile enerjinin maliyeti ve yetersizliği Avrupa ülkelerinde daha önce hissedilmiş, araştırmalar bu hedefe yönelmiştir. Özellikle bazı yörelerde klima cihazlarının kullanımını kısıtlama çabalarına giren İsviçre, İsveç, Danimarka, Hollanda, gibi ülkeler yapılarında sıra ile doğal havalandırma, iç hava kalitesi, enerji geri kazanım sistemlerinin verimliliğine dönük araştırmalarda önemli aşamalar elde etmişler, Avrupa Birliği standartlarıyla bu gelişim desteklemiş, üretimde ekonomi ve verimliliğe yönelik değerler ön plana çıkmıştır. “Mikro-klima” sisteminin teknik tanımı aynı mahalde belirli bölümlerin (özel koşullarda) ekonomik klimalandırması olarak kabul edilmelidir. Bu yaklaşım gelişen teknoloji ile mahallerin hava şartlarını kontrol etmeyi kolaylaştırmış, buna yönelik buluş ve uygulamalar popüler olmuştur.

Doğal havalandırma yöntemleri ise XX. Asrın ikinci yarısında yerlerini mekanik tesisat sistemlerinin havalandırma ve klima yöntemlerine bırakmış görülmesine karşın dünyanın bir çok yöresinde önemini korumuş durumdadır. Özellikle İngiltere, Kuzey Avrupa ülkeleri, İsviçre, Almanya ve Rusya’da uygulanan bu sistemler, yılın her döneminde dört mevsim yaşayan ülkemizde olduğu gibi ekvator kuşağındaki ülkelerde, uzak doğuda, yazın kavrulan Afrika ve Ortadoğu ülkelerinde yer yer uygulanmıştır. Doğal havalandırma eski Türk evlerinde de görülmektedir. Tarihsel yapılarda boğaz ve yalılarda, Safranbolu evlerinde, Diyarbakır yöresinde görülen örnekler yakın tarihlere kadar il ve ilçelerde geçerli imar yasalarımızda yer almış, yapıların her odasında tesisat bacaları zorunlu kılınmıştır. Çoklarının soba bacası amaçlı zannettiği bu yöntem gerçekte baca etkisi ile havalandırma amaçlı bir uygulamadır. Nitekim Rusya’da geçerli SNIP kuralları konutlarda bu tür bacaları zorunlu kılmakta, mahallerin ortam havasını 1 ila 2 kez değiştirmek suretiyle kapalı ortamlarda iç hava kalitesini (IAQ) sağlamaktadır. Son yıllarda yapılarda ekolojik tasarımla bu imkanlar çok gelişmiştir. Malezyalı Mimar Dr. Ken Yeang uygulamaları ve benzeri örnekler bunların güzel ve başarılı uygulamalarını sergilemektedir. Bu bağlamda İngiltere’de Battle Mc Corthy araştırma projesi Imperial College Aeronautieal Department (DETR) tarafından finanse edilmiş “Academy Editions Detail” dergisinin yapı serisinde “Guide” olarak yayımlanmıştır. Yapıların mimari tasarımı için yararlı bir rehber olan yayın pratik kullanım alanlarını sergilemekte tasarımda yol göstermektedir. Ancak, bu yaklaşımlar fonksiyonel tasarımdan öte teknolojik bir çözüm görünümündedir. Ekolojik tasarım amaçlı doğal havalandırma sistemlerinde konfor kuleleri olarak adlandırılan rüzgar yönlendiricileri; tasarımcılara yoğuşmadaki ısı kazançlarını sınırlandırmak amaçlı kullanılmaktadır. İlk bakışta yapıda mekanik havalandırma sistemlerine karşıt bir çözüm olarak görülmesine rağmen rüzgar yönlendiricileri ve konfor kuleleri mekanik tesisattaki ısıl yükleri azaltıcı rol oynamaktadır. Verimliliği artıran baca etkisi ve doğal havalandırma yöntemleri ile yeni buluşlar mekanik tesisat sistemlerinin bir parçası haline gelmeye başlamıştır. Ancak, yılın bazı dönemlerinde ve yapının bazı bölümlerinde ısı kazancını sınırlama amacıyla gölgelendirmeyi hesaba katan doğal havalandırma uygulamaları ani yük değişimlerinde mekanik havalandırma veya soğutma sistemlerinin desteğine ihtiyaç gösterir. Bu yönleri ile konfor kulelerinin performansları tam kesinleşmemiş teknolojik uygulama olanakları yaygınlaşmamış bulunmaktadır.

Genel olarak doğal havalandırmaya yönelik konfor kuleleri yağmur etkilerinden korunmalı, tepesi atmosfere açık, havayı dışarıya yönlendiren cihazlardır. Bütün rüzgar yönlerinde çalışır. Yapıya hava girişleri, oda pencereleri, kapılar, açıklıklar ve rüzgar kepçelerinden sağlanır. Rüzgar kepçeleri baca bağlantı boşlukları olan rüzgarı yakalamayı sağlayan aygıtlardır. Geleneksel kepçeler bir yöne sabitlenmiştir. Fakat dönen kepçeler rüzgar vanalı olup, rüzgar geliş istikametine göre hareket edebilmeleri nedeniyle daha kullanışlı olup, rüzgarı hunilerinden geçirerek akışın yüksek hızlara erişmesini sağlayabilirler. İngiltere’de Stephen Gage ve ekibi tarafından yoğun şehir merkezlerindeki binalarda konfor kuleleri rüzgar yönlendiricilere ve rüzgar kepçeleri üzerinde araştırmalar yapılmış, çatılardan dış hava alan sistemlerin ısıtma, soğutma ve iç hava kalitesi yönleri ile test edilmiştir. Bu havalandırma sistemlerinde öncelikle rüzgarın yakalanması gereklidir. Ancak geleneksel rüzgar yakalayıcıların kompakt şehir merkezlerinde olduğu gibi rüzgar yönünün sürekli değişmesi nedeniyle verimsiz oldukları görülür. Bu nedenle dört veya fazla parçalı split rüzgar yakalayıcı kullanarak rüzgar terminalinin alış ve veriş noktalarında pozitif ve negatif basınç yaratılmıştır. Bu yöntem rüzgar çıkış yönündeki değişimlerden bağımsız rüzgar yakalama ve yönlendirme olanağını sağlamıştır.

Kapalı ortamlarda temiz hava, içinde yaşayanlar için vazgeçilmez bir koşuldur. ASHRAE Standart 62-1989, yapılarda gerekli hava kalitesini ve buna bağlı havalandırma oranlarını belirlemiştir. Günün yaklaşık 20 saatini kapalı ortamlarda geçirdiğimiz dikkate alındığında mahallerde insanlardan, eşyalardan ve cihazlardan kaynaklanan toz, koku, gaz, toksin gibi kirlenme sonucu ortaya çıkan unsurların bertaraf edilmesi yaşanabilinir, ortam şartlarını sağladığı gibi hizmette verimliliği de artırır. Bu amaçla öncelikle yapı standartlarına uygun doğal veya yapay havalandırma sistemlerinin uygulanması gerekir. Gelişen teknoloji, şehirlerdeki nüfus artışı, yoğun yerleşim bölgeleri, ülkemizde yapılarda iç hava kalitesi yanı sıra çevre hava kalitesini de düşürmüş, 20. asrın ikinci yarısında şehirlerde hava kirliliği sorunu gündeme gelmiştir. ASHRAE ve benzeri standartlar esas alınarak, yapının pik yüklerine bağlı iç hava kalitesi sağlamak kişi başına belirlenecek taze hava sürekli iç mahallere verildiği takdirde düşük yüklerde gereksiz kapasitede havalandırma yapıldığı gibi, enerji savurganlığına yol açmaktadır. Sinema, tiyatro, konser ve spor salonları gibi değişken insan yüklü çok maksatlı salonlar, fuaye, giriş holleri, lokanta, hipermarket ve benzeri mahallerde (IAQ) iç hava kalitesi standartlarına uygun havalandırma sürekli uygulandığında bu tür yapıların enerji giderlerinin büyük boyutlara eriştiği, enerjinin etkin kullanımı ve enerji tasarrufu sağlanamadığı incelemeler sonucu anlaşılmıştır. Bu amaçla, Talep Esaslı Havalandırma sistemi gündeme getirmiştir.

Talep Esaslı Havalandırma (Demand Controlled Ventilation) bir mahaldeki insan sayısına göre mahaldeki dış hava miktarını düzenleyen bir sistemdir. Kişi sayısını ölçen sensörlerin mahalde insan bulunmadığı zaman ışıkları söndürerek enerji tasarrufu sağlaması gibi, Talep Esaslı Havalandırma mahalde az insan bulunması halinde sistemi ekonomik sınırlara çekerek, enerji tasarrufu sağlayan bir yöntemidir. Ancak bu uygulamanın ekonomik açıdan verimli olabilmesi için, mahaldeki insan sayısının değişken olması, fonksiyon yönünden ısıl yüklerin aralıklı pik yüklere ulaşması gerekir. Örneğin: Ankara, Atatürk Kapalı Spor Salonu, spor musakabaları, konser ve gösteriler dışında özellikle Parti Kongrelerine hizmet vermekte televizyonlarda izlediğimiz üzere binlerce kişi ter, sigara dumanı ve sıcak ortam içinde bulanım geçirmektedir. Parti Liderlerinin gömleklerinden fışkıran ter içindeki görünümleri, ülkemize has yapıların iç hava kalitesi düzeyini sergiler. Buna karşın, Tokyo Olimpiyatlarında kapalı spor salonlarında mimar Tange’in uyguladığı enjekte taze hava sistemi, Finlandiya’da Alvar Aalto’nun Sainatsalo’daki belediye binalarında 50 yıl önce uygulanan iç hava kalitesi yöntemleri ilginç tasarım örnekleridir. İç hava kalitesine dönük standartlar, yapının konumlandığı çevre koşullarına, yerleşim bölgelerine, iklim verilerine, yapının fonksiyonuna kullanıcıların sosyal düzeyine göre değişkendir. Özellikle ülkelerin eriştiği ekonomik düzey ve toplu yaşam koşulları, teknolojinin imkanları ile konfor sistemlerinde büyük olanaklar sağlanmıştır.

Günümüzde ekolojik tasarım; yüksek teknoloji ile bir arada; enerji, çevre etkinlikleri, sağlıklı iç ortam koşulları, sürdürülebilinir malzeme kullanımı, verimli işletme ve yaşanabilirlik şartları dikkate alınarak yapının elde edilmesi amaçlıdır. Bu tür tasarımda over-design denilen ilave teçhizattan kaçınılmakta, akıllı binalara yönelik otomatik kontrol sistemlerinin minimize edilmesi amaçlanmaktadır. Bu anlamda birikimleri değerlendirme amaçlı pek çok araştırma yapılmakta özel ihtisas firmalarının uzmanlıklarından yararlanılmaktadır. Ancak bu tür tasarımda başarılı yapı sayısı parmakla sayılacak düzeyde olup, hemen hemen hepsi uluslararası bağımsız kuruluşlar tarafından değerlendirilip, ödüllendirilmiş bulunmaktadır.