MEHMET BALCI CAMPUS EDUCATION BUILDING
3. GüneĢ Kabuğu Biçimlendirme Yöntemleri
Güneş kabuklarının oluşumunda yararlanılan üç yöntemden söz edilebilir. Bunlardan ilki kendi içerisinde geometrik yöntem ve profil açısı yöntemi olarak ikiye ayrılan betimsel yöntemdir. Güneş ışınlarının geliş açılarına göre kabuğun geometrik biçimini tanımlamaya odaklanan bu yöntem, yapı yükseklikleri ile çekme mesafelerini düzenler. Ay-gün-saat dilimlerine göre belirlenen zaman aralıklarında güneş ışınlarının yatay ve düşey açılarının hesap makinası ve açıölçer kullanılarak hesaplandığı bu yönteme yardımcı olmak üzere fiziksel modeller de oluşturulabilmektedir. Şekil 3a‟da güneş kabuğunun geometrik yönteme göre biçimlendirme süreci görülmektedir. Zaman içerisinde SolVelope, CalcSolar ve SolCAD gibi yazılımlar ile bilgisayar ortamında geliştirilmeye başlanan betimsel yöntemler, güneş kabuğu biçimlendirme sürecinde daha etkin ve hızlı uygulamalar için önemli kolaylıklar sağlamıştır [9]. Güneş kabuğunun biçimlendirilmesinde yararlanılan yöntemlerden bir diğeri ise performans yöntemidir. Bu yöntem güneş kabuğu ışınım saat sayısı ile gereken ışınım şiddetinin düzeyini belirlemektedir. Karma yöntem ise betimleyici ve performans yöntemlerin içeriklerinin birlikte ele alınması nedeniyle parametre sayısının arttığı daha karmaşık bir yöntemdir [10]. Son yıllarda simülasyon programlarının hızla gelişmesi, karmaşık işlemler gerektiren karma
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
73
yöntem için çok sayıda program seçeneğinin geliştirilmesine olanak sağlamıştır [11]. Şekil 3b‟de gün ışığı ve enerji simülasyonları için geliştirilmiş olan DIVA-for-Rhino programı ile biçimlendirilen güneş kabukları ile bu kabukların sınırları içerisinde belirlenen kat yüksekliklerine göre oluşturulan yapılardan örnekler görülmektedir.
ġekil 3. a) Güneş kabuğunun betimsel yönteme göre biçimlenme süreci [12];
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
74
4. “GüneĢ-Kabuğu” Biçimlendirmesi Ġçin Bir Yöntem Önerisi
Bu çalışmada uzaktan eğitim öğretim ortamında dünyanın herhangi bir noktasında mimari tasarım stüdyolarında kavramsal tasarım aşamasında web ortamının sunduğu olanaklardan yararlanarak “Güneş-Kabuğu” için bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemde yapı alanının yüzey eğim analizi için “Google Earth Pro”, alanın iklim verileri için “Climate.OneBuilding.Org” web sitesinden .epw (EnergyPlus Weather Format) uzantılı veriler ile bu verilerin analiz edilmesi için “Climate Consultant 6.0”, yapı alanının dakika, derece ve saniye değerleri ile enlem ve boylamın noktasal değerlerinin belirlenmesi için interaktif bir uygulama olan “SunEarthTools”, yapı tasarımlarının modellenmesi için “Sketchup Make 2017” ile güneş kabuğu oluşturmada yararlanmak üzere bu programın uzantıları olan “Curic Sun” ile “nz_sunhine” ve yüzeylerin güneşlenme süresini analiz etmek için “SunHours” uzantısı kullanılmıştır. Güneş kabuğu tasarım yönteminde kullanılan programlar ve bu programların işlevsel ilişkileri ile tasarım sürecinin aşamalarını gösteren şema Şekil 4‟te gösterilmektedir.
ġekil 4. Güneş kabuğu yönteminde kullanılan programlar ile bu programların kullanım aşamalarını
gösteren şema
Geliştirilen yöntem, İstanbul Rumeli Üniversitesi “Mehmet Balcı Yerleşkesi Eğitim Yapısı” örneğinde (Şekil 5a) uygulanmıştır. Uygulamanın ilk aşamasında Google Earth ile İstanbul Rumeli Üniversitesi Mehmet Balcı Yerleşkesi Eğitim Yapısı ve yapı alanı için “yapı alanının geometrik biçimi, boyutları ve yüzey eğim profili” SketchUp programında modellenmek üzere analiz edilmiştir (Şekil 5b).
ġekil 5. a) İstanbul Rumeli Üniversitesi “Mehmet Balcı Yerleşkesi” Eğitim Yapısı; b) Yapı alanının
Google Earth ortamında yükseklik profili
Güneş kabuğunun oluşturulmasında en önemli aşama yapı içi ve yakın çevresinde yıl içinde gereksinim duyulan güneşlenme süresi analiz edilerek, bu sürenin yapı alanının enlem ve iklim verilerine göre etkin bir biçimde karşılanabileceği zaman dilimlerinin belirlenmesidir. Bu nedenle bu
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
75
sürecin kavramsal tasarım aşamasında uygulama kolaylığı açısından yapılaşma alanının enlem-boylamı ile hava sıcaklık değerleri, doğrudan gelen güneş ışınım şiddeti ve gökyüzü bulutluluk düzeyinin yıl içerisindeki değerlerinin ilişkilendirilmesi yeterli olacaktır.
Bu çalışmaya konu olan alan için Climate.OneBuilding.Org web sitesinden. epw uzantılı verilerden (Şekil 6a) elde edilen değerlerin Climate Consultant 6,0‟da elde edilen kuru termometre ortalama sıcaklıkları (Şekil 6b), doğrudan gelen ortalama radyasyon şiddeti (Şekil 6c) ile gökyüzü kapalılık oranını (Şekil 6d) içeren grafiklere bakıldığında, Haziran, Temmuz, Ağustos ve Eylül ayları dışındaki aylarda kuru termometre sıcaklık değerlerinin ısıl konfor sınırlarının altında kaldığı, doğrudan gelen radyasyon şiddetinin ise yıl boyu saat 10:00 ile 14:00 arasında en yüksek düzeye ulaştığı görülmektedir. Ancak Aralık, Ocak ve Şubat aylarında gökyüzü kapalılık oranının oldukça yüksek olması, bu radyasyondan Mart ile Kasım ayları arasındaki dönemde etkin olarak yararlanılabileceğini göstermektedir. Bu nedenle çalışılan alan için başlangıç tarihi 21 Şubat olarak kabul edilmiştir. Ayrıca en sıcak dönem için gelen ışınların yatayla yaptığı açının kabuk biçimlenmesine etkisinin önemli düzeyde olmadığı görülerek analize dahil edilmemiştir.
ġekil 6. a) Google Earth ortamında .epw verilerinin dağılımı; b) Aylara ve saatlere göre ortalama
radyasyon şiddeti ile kuru termometre sıcaklıkları; c) Aylara ve saatlere göre doğrudan gelen ortalama radyasyon şiddeti; d) Aylara ve saatlere göre gökyüzü kapalılık oranı
Sonraki aşamada SunEarthTools programı ile alanın “41° 4' 43.348" N” enlem ve 28° 16' 12.199" E boylam değerleri (Şekil 7a) girilerek “SketchUp 2017 Make” programın bir uzantısı olan “Curic Sun” ile elde edilen üç boyutlu “güneş yol diyagramı” oluşturulmuştur. Bu diyagram ile, “SketchUp 2017 Make” ortamında modellenen yapı alanının yönlenme konumu belirlenmiş, güneş ışınlarının yüzeye geliş doğrultusu ve açılarına ilişkin bir ön değerlendirme çalışması yapılmıştır (Şekil 7b). İklim verileri gözetilerek yapılan bu çalışmaya göre saat 10:00–14:00 arasının diğer zaman aralıklarına göre, süre ve yüzeylere gelen güneş enerjisi ile güneş kabuğu hacmi ilişkisine göre en etkin aralık olduğu görülmüş ve bu aralıktaki doğrultuların yere yaptığı açıların saat 10:00 için 29.0°, saat 14:00 için 33.5° olduğu belirlenmiştir. Bu değerlendirme sonuçlarına göre programın bir diğer uzantısı olan “nz_Sunshine” ile oluşturulan doğrultular, alanın köşe noktalarına yerleştirilmiştir. Üç boyutlu sınırları bu doğrultular ile tanımlanan saat 10:00 kabuğu ile saat 14:00 kabuklarının kesiştirilmesi ise bu zaman dilimine ait güneş kabuğunu sınırlarını vermektedir (Şekil 7c). Elde edilen bu kabuk, alandaki mevcut yapının sınırları düşey doğrultuda uzatılarak oluşturulan üçüncü bir kabuk ile kesiştirilerek son şeklini almıştır (Şekil 7d).
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
76
ġekil 7. a) SunEarthTools programında enlem boylam değerleri; b) “SketchUp 2017 Make” ile eğitim
yapısının modellenmesi ve “Curic Sun” ile elde edilen üç boyutlu “güneş yol diyagramı”;
c) “nz_Sunshine” ile güneş kabuğu oluşturma aşamaları; d) Güneş kabuğu ile yapılaşma sınırları düşey kabuğunun kesişmesi
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
77
Çalışmanın bundan sonraki aşamasında mevcut yapı kabuğu güneş kabuğu ile karşılaştırılmıştır (Şekil 8a, 8b). Buna göre, oluşturulan güneş kabuğu daha fazla yapılaşma alanı sağlarken, mevcut yapı kabuğu ise belirlenen zaman aralıkları içerisinde yatay yüzeylere daha fazla gölge yaparak alanın sınırları dışına çıkmaktadır (Şekil 8a). Her iki yapı kabuğu için Parsel Alanı, Yapı Taban Alanı, Toplam Yapı Alanı, TAKS, KAKS, Güneş Gören Düşey Yüzey, Güneş Görmeyen Düşey Yüzey ve Kat Adedine göre yapılan karşılaştırmada, güneş kabuğunun mevcut yapı kabuğuna göre daha yoğun ve yüksek yapılaşma sağlarken güneşten daha fazla yararlandığı Şekil 8b‟deki yüzeylerin Tablo 1‟de görülen sayısal değerlerinden anlaşılmaktadır.
ġekil 8.a) Mevcut yapı ile hipotetik yapının dış yüzey alanlarının sayısal karşılaştırması; b) Mevcut yapı ile hipotetik yapının iç yüzey alanlarının sayısal karşılaştırması
Tablo 1.
Mevcut yapı ile hipotetik yapının yüzey alanlarının karşılaştırmasıYÜZEY ALANLARININ KARŞILAŞTIRMASI YAPILAR
Mevcut Yapı (m2) Hipotetik Yapı (m2)
Parsel Alanı 8000 8000
Yapı Taban Alanı 5,000 5,000
Toplam Yapı Alanı 32,000 40,000
TAKS 0,6 0,6
KAKS 4 5
Güneş Gören Düşey Yüzey 4000 4,500
Güneş Görmeyen Düşey Yüzey 3500 1300
Zemin Üstü Kat Adedi 8 16
*alan büyüklükleri yaklaşık değerlerdir
Güneş kabuğu sınırları, imar planı ve yönetmeliğinde tanımlanan 2 boyutlu yapılaşma alanını, bu sınırlar içerisinde çok sayıda tasarım seçeneklerinin oluşturulabileceği üç boyutlu bir ortama
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
78
taşımaktadır. Şekil 9a‟da üç boyutlu bir ortam içerisinde tasarlanan seçeneklerden bazıları görülmektedir. Bunlar; güney cephesi boşaltılmış tip, avlulu tip ve parçalı tip olarak sıralanabilir. Bu hipotetik tasarım seçeneklerinden avlulu tipin 21 Şubat ile 21 Mayıs saat 10:00 ile 14:00 arasında düşey yüzeylerin güneşlenme sürelerinin oranlarının analizi yapılmış, bu tipin mevcut yapıya göre daha yüksek bir güneşlenme süresi sağladığı görülmüştür (Şekil 9b). Bu analizde, iç avlu yüzeyindeki güneşlenme süresinin yüzdelik değerlerinin 1 m x 1 m çözünürlükteki dağılımına bakıldığında, güneşlenme sürelerinin yatay ve düşey yüzeylerde önemli farklar gösterdiği ve güneye bakan düşey yüzeylerde güneşlenme süresinin oldukça yüksek olduğu görülmüştür (Şekil 9c).
ġekil 9. a) Alternatif tasarım seçenekleri: 1-güney cephesi boşaltılmış tip, 2- avlulu tip, 3-parçalı tip; b) Hipotetik avlulu tip ile mevcut yapının düşey yüzeylerinin 21 Şubat ile 21 Mayıs saat 10:00 ile 14:00
arasında güneşlenme sürelerinin karşılaştırılması; c) Hipotetik yapının avlu yüzeylerindeki güneşlenme sürelerini gösteren 1 m x 1 m çözünürlükteki değerlerinin dağılımı
Çalışmanın son aşamasında alternatif tasarım seçeneklerden güney cephesi boşaltılmış tip ile avlulu tiplerin kesişimi ile oluşturulan hibrid tipin ise iç ve dış mekân organizasyonu açısından daha fazla seçenek üretebildiği görülmektedir. Özellikle boşaltılan güney cephesinde oluşan dış mekân kış aylarında güneşlenme olanakları sağlarken (Şekil 10a), yaz döneminde gölgelenme sağladığı anlaşılmaktadır (Şekil 10b). Ayrıca kabuk içerisinde yer alan avlu yıl boyu doğal aydınlatma ve havalandırma olanağı sağlarken, yaz döneminde gölgelenme olanakları ile ısıl konforu yüksek dış mekân seçeneklerini artırmaktadır. Dolayısıyla güneş kabuğu sınırları içerisinde üretilen tasarım örneğinde güney cephesi en soğuk ve en sıcak dönemlerde konforlu bir dış mekân ortamı sağlarken, bu yöne bakan düşey yüzeylerin artış oranına bağlı olarak daha fazla güneşlenme olanağı ile ısıtma yüklerinde önemli düzeyde kazanım sağlayabileceği öngörülebilir. Bununla birlikte, güneş kabuğunun çatı işlevi gören eğimli yüzeyinin kuzeye ve rüzgâra kapalı oluşunun, bu kazanımları daha da artırabileceği anlaşılmaktadır (Şekil 10c).
1. RUMELİ SÜRDÜRÜLEBİLİR ÇEVRE İÇİN ENERJİ VE TASARIM SEMPOZYUMU 4 - 5 ŞUBAT 2021 SİLİVRİ - İSTANBUL
79
ġekil 10. a) Güney cephesindeki dış mekânın kış aylarında güneşlenme düzeyi; b) Güney
cephesindeki dış mekânın yaz aylarında gölgelenme düzeyi;c) Kuzey yönünden perspektif görünüş