PDF - SAYISAL MİMAR

GÜNEŞ GÖLGE VE IŞIMA ANALİZİ
Performansa Dayalı Mimari Tasarım
PROF. DR. SALİH OFLUOĞLU
www.sayisalmimar.com
Sunum Özeti
1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler
2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler
3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -02-
1. Bölüm
1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler
2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler
3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -03-
Yüksek performanslı bina için solar stratejiler
• Işık kaynağı olarak
güneş:
• Doğal ışık
kullanımı
• Işığa erişim ve
gölge etkisi
• Güneşin ışınım
(radyasyon) etkisi:
• Isı kazanımı ve
ısıdan korunma
• PV ile enerji
üretimi
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -04-
Güneş ışığına erişim hakkı
• Işık hakkı ve güneş kabuğu
• Işık hakkı ve güneş erişimi yoğun
şehir dokusunda önemlidir. Güneş
kabuğu, bina çevresinde yapının
çevreye gölge bırakmayacağı
hayali sınırlar tanımıdır.
• Güneşe erişim hakkı ile
ilgili türkiye’de yasal
bir düzenşeme yoktur.
Bazı ülkelerde bu hak
korunmuştur (örnek
İngiltere, ancient
lights/right to light:
Prescription Act 1832).
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-05-5-
Güneş rotası ve önemli tarihler
• Güneş rotası
• Önemli zamanlar:
Gün dönümleri (Solstice)
(Gölge oluşturma
ve ışık miktarında
en ekstrem zamanlar)
Yaz / Kış gün dönümü
Ekinoks zamanları
(Güneş rotasında
ortalama zamanlar) Arsanın enlemi
İlkbahar / Sonbahar
Ekinoksu
21 Aralık
Kış Gündönümü
21 Haziran
Yaz Gündönümü
Yaz Gün Dönümü
21 Haziran
Sonbahar Ekinoksu
21 Eylül
Kış Gün Dönümü
21 Aralık
İlkbahar Ekinoksu
21 Mart
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-06-6-
Güneşin konumu
• Güneş konumunu
altitude ve azimuth
olarak bilmek:
• İrtifa (altitude)
güneşi yer
düzlemiyle yaptığı
düşey açıdır
(0<x<90)
• Azimut güneş ve
gerçek kuzey
arasındaki açıdır (180<x<180
kuzeyden saat
yönünde pozitiftir)
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -07-
Mevsimsel ve günlük güneş etkisi
• Mevsimsel etkiler:
•
Kış ayları: Pasif
olarak binayı ısıtmak
için güneşin etkisini
arttırmak
Yaz ayları: Pasif
olarak binayı
soğutmak için
güneşin etkisini
azaltmak
Günlük etkiler:
Sabah: Alçakta olan güneşin
ısısını kazanma ve kamaşmayı
önleme
Öğle: Gün ortası yüksek güneş
ısısından oluşacak aşırı ısınma
ve soğutma yükünü azaltmak,
farklı yerler ısıyı kazanma ve
enerji üretme
Öğleden sonra: Aşırı ısınma ve
kamaşmadan kaçınma
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-08-8-
2. Bölüm
1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler
2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler
3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -09-
Binanın yönü
Görsel ve ısısal konfor için binanın uzun
yüzeyinin batı-doğu yönünde olması
istenir. Bu yönlenme tutarlı bir şekilde
günışığı alınımı ve uzun yön boyunca da
kamaşmayı kontrol etme imkanı verir.
•
Güney ve Kuzey cephelerine gelen solar ışınım
Doğu ve Batı cephelerine gelen solar ışınım
•
Binanın farklı yüzlerinde gelen yıllık
güneş ışınımı- Batı-doğu yüzleri güneş
gün boyunca hareketli olduğu için çok
değişken, kuzey ve güneyde daha
tutarlıdır.
Solar yönlenme açısından iyilik sırası : 2 / 3 / 1
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-010-10-
Bina rengi
Beyaz çatı koyu renkli
çatılara göre %50;
Beyaz duvar renkli
çatılara göre %35
daha az ısı
kazanımına yol açar.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-011-11-
Bina biçimi ve kütlesi
•
Yapının şekli ve boyutu
ısısal konfor sağlanması
ve günışığı elde
edilmesinde önemlidir.
•
Büyük ve geniş
yapılarda ise boşluklar
sağlayarak gün ışığı
arttırılır.
•
Daha iyi ışık alımı için
ince uzun bina
tasarımı tercih edilir.
İnce ve özellikle yüksek
binalarda ışınıma bağlı
ısınma daha az olur;
çünkü çatı alanları
daha azdır.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-012-12-
Pencere boyutları ve yerleşimi
•
Güneye bakan yüzeylerde
geniş pencereler ve ısısal
kütleli (malzemeler) ile
güneş ısı kazanımı sağlanır.
•
Gün doğuşu ve batımında
sıcaklığı dengelemek için
doğuda daha fazla cam,
batıda ise küçük camlar
ve gece ısısını yaymak için
ısı tutan malzemeler seçilir.
•
Gelişmiş camlar günışığını
ısısından ayırabilir. Az
güneş gören cephelerde
dahi, yüksek yalıtımlı
camlarlar az ısı kaybıyla
günışığı elde edebilirler.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-013-13-
Güneş kırıcılar ve ışık rafları
• Bu elemanlar, gün ışığı seviyesini ve güneş ısısı
kazanımını kontrol ederler. Yazın (güneşin
açışı dik) güneşi engeller ve kışın (güneşin
açışı eğik) izin verir.
• Kırıcılar pencereden gelen doğrudan güneş
ısısı ve kamaşmasını önlemek için kullanılır. İç
Kırıcılar güneş ısı geçişini önleyemezse de
kamaşmayı önler ve ışık dağılımını dengeli
yapar.
• En sık karşılaşılan kırıcı şekli sabit yatay
konsollardır. Binanın güneş rotasının olduğu
yüzünde bazen doğu ve batı cephelerinde
kullanılır. Ancak genellikle doğu ve batı
yüzeyleri alçak açılı güneşi önlemek için
düşey kanatlara ihtiyaç duyarlar.
Doğu ve
özellikle
Batıı
cephelerinde
Düşey panjur
veya
kanatlar
Standart
yatay
konsol
Alçak güneş
açısı için
Konsoldan
sarken ilave
panjur
Masif konsol
Yerine gölge
etkisii
sürerken daha
fazla
ışık alan panjur
Konsol
ucu
profili ile
daha az
ışık
geçirimi
Daha az ışık
geçirimi için
meyilli konsol
Konsolun parçalanarak
Işık geçiriminin daha da fazla
azaltılması
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-014-14-
Güneş kırıcılar ve ışık rafları
• Işık rafları hem kamaşmayı
önleyen bir kırıcı, hem de ışığı
yukarı yansıtarak ışığın
erişimini ve dağılımını arttıran
elemanlardır.
• Işık rafı pencereyi göz
seviyesinin üstünden altta
manzara alanında ve üstte
gün ışığı alanında bölen
genellikle yatay bir
elemandır.
Işık rafı kamaşmayı önleyerek
Işığın mekanın daha derinine girmesini sağlar
• Işık raflarının optimal genişliği
ve yeri arazinin konumu ve
iklime göre değişir. Genel
olarak ışık rafının derinliği rafın
üstünden pencerenin üstüne
olan yüksekliktir.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-015-15-
3. Bölüm
1. Bölüm: Güneşin rotası, konumu ve bazı önemli tarihler
2. Bölüm: Binalar için solar stratejiler
3. Bölüm: Güneş ışınımı ile Fotovoltaik yollu enerji üretimi
PERFORMATIF TASARIM - PROF. DR. SALIH OFLUOĞLU -016-
Güneş ışınımı (radyasyonu) ile ısı kazanımı
1. Binalarda ısı iletkenliği veya geçişi (conduction) kabuğu
meydana getiren elemanların temas ettiği yüzeylerde olur.
2. Taşınım (convection), rüzgar ve basınç farklılıkların dayalı hava
hareketleriyle gerçekleşir.
3. Işınım (radiation) güneş ışınlarının bina içine ulaşarak meydana
getirdiği sıcaklıkla kendini gösterir.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-017-17-
Güneş ışınımı ile enerji elde etme
•
Güneş ışınımının şiddeti, doğal
iklimlendirme dışında arsada
düşük karbonlu enerji için de
önemlidir.
•
Güneşten gelen ısı veya FV panel
tarafından üretilen elektriktir.
•
Miktarı atmosfer koşullarından ve
güneş ışığının yüzeye çarpan
açısından etkilenir.
•
Işınımı bir alan başına düşen
enerji miktarıdır (W/m2 veya
BTU/hr/ft2 / 1 BTU/ft2= 317,15
kwh/m2). Günlük veya yıllık
hesaplanabilir (kWh/m2/gün
veya kWh/m2/yıl).
•
Tüm dünyada anlık güneş ışıması
ortalaması 240 w/m2’dir.
Vasari/Revit’de güneş ışınım analizi
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-018-18-
Güneş ışınımı hesabı
1. Direkt ışınım:
Güneşin ışınlarına dik ölçülür.
direct beam radiation = Ib
2. Dolaylı (yaygın) ışınım: bulut
ve atmosfer ve yüzey önündeki
zemine yayılmış ışınımdır. Yatay
yüzeyde ölçülür.
diffuse sky radiation = Id
•
•
Analiz yazılımları direkt ve dolaylı
ışınım verisini hava dosyasından
(weather) alır, bina geometrisi ve
analiz yapılan süreyi dikkate alır.
Analiz yazılımları ayrıca çevre
objelerin gölgelerini (Fshading),
yüzey tarafından gökyüzünün
gözüken kısmını (Fsky), güneş ve
analiz edilen yüz arasındaki geliş
açısını dikkate alır (theta).
Işıma miktarı:
Ib x Fshading x cos(theta) + (Id x Fsky) + Ir
Ib: direkt güneş ışıması : güneşe dik ölçülür
Id= dolaylı ışıma, yatay düzlemde hesaplanır
Ir= yerden yansıyan ışıma
Fshading=gölge değeri (Nokta gölgelenmemişse 1
gölgelenmişse 0, yüzeyden hesaplandığında yüzde
kullanılır.
Fsky=görülebilen gökyüsü değeri (gölge maskesine göre
yüzde)
Theta=güneş ve analiz edilen yüz arasındaki geliş açısı
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-019-19-
Enerji üretimi için FV’ler
Güneş hergün yeryüzünü tüm insanlığın
kullanabileceğinden 5000 kez daha fazla
enerji sağlar.
Fotovoltaikler (FV) güneş ışığından
doğrudan elektrik yaratır. En yaygın
kullanılan düşük karbonlu enerji üretim
biçimidir.
PV panelleri farklı etkinliklerde bulunabilir.
Maliyetleri genelde yüksektir ve tüm
iklimler için uygun değildir.
FV yollu enerji üretimini
etkileyen bileşenler:
1. Mevkinin koşulları:
enlem, boylam ve
yerel hava durumu
2. Panellerin yönü ve
güneşe erişimi
3. Panellerin verimi
4. Paneller için mevcut
alan
5. Güç dönüştürme
elektroniği
FV Panel dizisi
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-020-20-
Fotovoltaik bileşenleri
1- Mevkinin
koşulları:
•
•
Bölgenin güneş
ışıması alma
miktarıdır.
Genellikle Wh/m2
gün veya
kWh/m2 yıl
üzerinden ölçülür.
Binaların yıllık PV
potansiyeli
derecelendirmesi:
Kaynak: ENergy Efficiency
and Renewable energies
inthe BUILDing Sector… The
Alpine Space Programme
Bir arsa için
kWh/m2 yıl
değerini bilmek
binanın enerji
ihtiyacını
karşılamada FV
dizisinin ne kadar
büyük ve etkili
olacağını tahmin
etmeye yarar.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-021-21-
Fotovoltaik bileşenleri
2- Panelin yönü
•
Güneş panellerine ne kadar çok
direkt güneş ulaşırsa daha fazla
enerji yaratırlar.
•
Yıl boyunca optimal güç yaratımı
için PV panellerinin açısı için genel
bir kural enlem ile aynı açıyı
(derece olarak) kullanmaktır. Kış
üretimini arttırmak için 15 derece
eklenir. Yaz üretimini arttırmak için
15 derece çıkartılır.
•
Ekvatordan uzaktaki enlemlerde
güneşin açısında yerleştirilen
paneller düz yerleştirilen
panellerden %20 daha fazla
elektrik yaratır.
Güneş takip eden FV kurulumu
•
Bazı FV sistemleri gün boyunca
doğudan batıya güneşi takip
edecek motorize sistemler
bulundurur. Bu takip sistemleri
verimliliği %35’ kadar yükseltebilse
de önemli bir maliyet eklerler.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-022-22-
Fotovoltaik bileşenleri
3-Panel verimi:
Farklı tipte panel bulunur. Panel tipi güneş ışığı elektriğe çevirmede verimliliği
belirler. Kristalize silikon, ince film ve konsantre paneller temel tiplerdir.
Genellikle kritalize silikon paneller ince film panellerden daha yüksek etkinlik
sunar. Ancak yaş, üretim süreci ve güneş ışığı koşulları vb. faktörler de etkide
bulunur. Kristalize silikon sistemler kapalı gökyüzü ve kısmi gölge koşullarında ince
film panellere göre performansında düşüş gösterir. Konsantre paneller genelde
tam direk güneş gerektirir.
Tipik ticari FV panelleri %15-20 arasında etkinlik gösterir. Herhangi bir panel watt
cinsinden “nominal güç” değerine sahiptir. Bu, yerel arazi koşullarına ait iklim
verisini kullanarak tahmini yıllık enerji üretimi çevrilmelidir. Ardından sistemin
boyutu tahmin edilir.
Farklı FV panelleri: kristalize silikon, amorf silikon, boya hassaslaştırılmış
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-023-23-
Fotovoltaik bileşenleri
4-Sistem alanı:
FV panelleri genellikle çatılara yerleştirilirler,
Güneş panelleri için ayrılan alan sistem için
sınırlayıcı olabilir. Bir FV sistemi için alan,
panellerin etkinliği ve güneş ışığı miktarına
bağlıdır. Bu da maliyete yansır. Daha ucuz
paneller daha az etkin olduğundan daha fazla
alana ihtiyaç duyarlar.
FV’ler ayrık aygıtlar olmadan da bina
malzemelerine eklenerek de oluşturulabilirler.
Örnek: Çatı kiremitleri ve pencereler gibi.
Bunlara bina tümleşik FV’leri (buildingintegrated photovoltaics) adı verilir. Bunlar
hem daha fazla alan yarattıkları, hem de
kurulum masrafını azalttıkları için faydalıdır.
Sadece PV penelleri olanlara göre m2 başına
maliyetleri yüksek olsa da işçilik masrafları azdır.
Bina yüzeyindeki FV
pencereler
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-024-24-
Fotovoltaik bileşenleri
5-Güç dönüştürme:
FV üretimini belirlemek için invertere ve sistemin elektrik
şebekesine (güneş hücrelerinden düşük voltajlı DC gücünü
duvar prizlerinin orta voltajlı AC gücüne çeviren parçalar)
kayıpları tahmin etmek gerekir. Bunlar genellikle oran azalma
faktör (derating factor) parçası olarak düşünülürler ve
sistemin boyutunu %5-25 arası arttırmanız gerektirirler.
Güç çevirim etkinliği etkin bir inverter, diğer bileşenler ve bazı
panellerinin güneş alması diğerlerinin gölgede kalmasından
doğan devre dengesizliklerini önlemek için şebeke panelleri
birlikte seçilerek arttırılabilir.
Bir FV inverter’inin içi
Kristalize silikon gibi bazı tip paneller yakın ağaç veya
nesnelerden gelen gölgelerin voltajlarını önemli ölçüde
düşürmeleri ve devre dengesizliklerine yol açması nedeniyle
diğer tiplere göre şebekeye daha duyarlıdır. Bu durumda
elektrik şebekesi önemli bir fark yaratır. Mikro-inverter gibi
aygıtlar panelleri birbirinden izole ederek üretimi maksimize
ederler.
DESIGN TOGETHER YARIŞMASIPERFORMATIF
ÖN EĞİTİM PROGRAMI
TASARIM - -PROF.
PROF.DR.
DR.SALIH
SALIHOFLUOĞLU
OFLUOĞLU-025-25-