Enerji etkin tasarım yaparken enerji tüketimi ile enerji talebininin birarada çözülmesi gerekmektedir. Kullanım aşamasında, enerji gereksinimini minimize edecek çözümlere gidilirken, maksimum enerji verimliliğini sağlamak ve enerji tüketimini de minimumda tutmak gereklidir.
Yapı kabuğu performansı, iklimsel koşullara ve buna bağlı olarak yapı kabuğu teknolojisi ve kesit özelliklerine bağlıdır. Yapı yaşam döngüsü boyunca, yapının tüm aşamalarında (üretim, yapım, kullanım, yıkım, geridönüşüm), yüksek oranda enerji tüketimi söz konusudur. Bu yüksek oran, yapı malzemesinin enerji etkinliği ile doğrudan ilişkilidir.
Malzemeden kaynaklı CO2 emisyonlarının %30’u yapılardan kaynaklanmaktadır. Bu
nedenle yapının toplam maliyetinde sadece yatırım maliyeti etken değildir. Yapı kullanım aşamasında, ısı kazanç ve kayıpları toplam enerji maliyetinde önemli bir etki oluşturmaktadır.
2.6.1 Isıl Analiz (IA)
Günümüzde istatistikler, yüksek çevresel sorunların, yenilenemeyen enerji kaynaklarının kullanımından ve yeni yapıların yapım aşmasından kaynaklanan çevresel sürdürülebilirlik sorunlarından dolayı, yapı endüstrisinden kaynaklandığını göstermektedir. Yapıların toplam enerji harcamalarının %50’si ısıtma ve soğutma enerjisinden kaynaklanmaktadır [25]. Yapının kullanım aşamasında, yapı kabuğu
52
yoluyla sıcak ve soğuk hava koşullarında ısı kazanç ve kayıpları olmaktadır. Soğuk hava şartlarında, yapı içinden dış hacime doğru ısı akışı oluşmaktadır. Bu durumda ısı kaybı söz konusudur [66]. Isı kaybının aza indirilmesinde en önemli etken, yapı kabuğunun ısısal direncinin yüksek olmasıdır. Isısal direncin yüksek oluşu, kabuk kesitini oluşturan ürünlerin ısı iletkenlik katsayısı ve kalınlığı ile doğrudan ilgilidir. Sıcak hava koşullarında ise dış ortamdan yapı içine ısı transferi olmaktadır. Bu durumda yapı kabuğunun yüksek performans göstermesi gerekmektedir. Sağlıklı iç ortam koşullarına ve farklı dış iklim koşullarına bağlı kalarak, yapılardan konfor şartlarını sağlaması beklenmektedir. Buna bağlı olarak, ısıtma ve soğutma için ilave enerji kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. Yapı kabuğu yoluyla sağlanacak enerji kazancı ve enerji korunumu, yapının kullanım sürecinde ısıtma, soğutma ve havalandırma aşamalarında, ısı kayıplarının azaltılması ve enerji harcamasını ön plana çıkarmaktadır.
Isıl Analiz (IA), (Thermal Analysis-TA) Yapının kullanım döneminde yapı kabuğu yoluyla
ısı kazanç ve kayıplarının belirlenmesi için yapılan analize dayanmaktadır.
Yapı Kabuğunun ısıtma-soğutma- havalandırma hesaplamalarında iki ayrı yöntem kullanılmaktadır.
Birincisi, sürekli durum (sabit rejim) için kullanılan ısı akışı denklemidir. Bu denklem sıcaklıkların zamana bağlı değişmediği durumlarda geçerlidir. İç mekan sıcaklıklarının değişken olarak kabul edildiği durumlarda, bu yöntemin bazı sınırlamaları vardır.
Duvarın ısı depolama yeteneğinin göz önüne alınmadığı sürekli rejimde, ısı geçişi aşağıdaki bağlantı ile hesaplanır.
q= U ( Ti-Td ) (2.1)
q: Isı kazanç ve kayıpları, kW
U: Yapı elemanlarının toplam ısı geçiş katsayısı ,W/m2K Ti: İç havanın yüzeyle temas halinde olduğu sıcaklık, 0C
Td: Dış havanın yüzeyle temas halinde olduğu sıcaklık, 0C
53
(2.2) 1/αi: İç yüzeyin yüzeysel ısıl iletim direnci, m2K/W
d: Yapı bileşeninin kalınlığı, m λ: Isıl iletkenlik hesap değeri, W/mK
1/αd: Dış yüzeyin yüzeysel ısıl iletim direnci, m2K/W
Kabuk elemanının termofiziksel özelliklerinin belirlenmiş değerlerine bağlı olarak birim alanından kaybedilen ve kazanılan günlük ortalama saatlik ısı miktarları (q) aşağıdaki bağıntı aracılığıyla hesaplanabilir [4].
q=Uo.(ti-teoo).(1-x)+Uc.(ti-teco) (2.3) q : kabuk elemanının birim alanından kaybedilen veya kazanılan günlük ortalama saatlik ısı miktarları, W/m²
Uo : Opak bileşene ait toplam ısı geçirme katsayısı, W/m²°C Uc : Saydam bileşene ait toplam ısı geçirme katsayısı, W/m²°C ti : İç hava sıcaklığı konfor değeri,°C
x : Saydamlık oranı
teoo : Opak bileşeni etkileyen günlük ortalama sol-air sıcaklık,°C teco : Saydam bileşeni etkileyen günlük ortalama sol-air sıcaklık,°C
Diğer bir yöntem olarak, kararsız durumda (periodik rejimde ısı hesapları) ısı akışlarını hesaplamak üzere model geliştirilmiştir. Bu yöntemde değişken rejimde ısı iletimi, ısı akısının 24 saatlik bir periyotla sinüzoidal değişim gösterdiği periyodik rejim şartlarında yapılmaktadır [67]. Gözlenen sinüzoidal değişim opak duvar elemanının termofiziksel özelliklerine bağlı olarak duvar derinliğince giderek azalmakta ve duvarın iç yüzeyine başlangıçtaki değerinden küçülmüş olarak ulaşmaktadır. Yapı kabuğunu oluşturan katmanlarıb kalınlıkları, isı iletkenlikleri, özgül ısıları ve yoğunlukları kabuğun birim alanından geçen ısıyı etkiler. Yapı kabuğunun opak alanları için geçerli olan zaman
54
gecikmesi ve genlik küçültme faktörü yapı bileşeninin ısı depolama kapasitesinin bir ölçüsüdür [68].
Bilgisayar programları ile periyodik rejimde ısıtma ve soğutma yükü hesapları yapılarak, yapı kullanım süresinde yapı kabuğu yoluyla oluşan, ısıtma ve soğutma enerjisi ortaya konulabilmektedir.
2.6.2 Kullanım Enerjisi Analizi (KEA)
Yapı Kabuğu Kullanım Enerjisi Analizi (KEA), ısıl analiz hesap sonuçları baz alınarak
ulaşılmaktadır. Bu aşama, malzemenin kullanım evresinde, ısıtma-soğutma enerjisi ve çevresel etkilerinin azaltılmasına yönelik analizdir.
Bu süreçte, ısıtma ve soğutma döneminde, enerji gereksiniminin hesaplanması gerekmektedir. Yapı kullanım süresinde, ısıtma ve soğutma enerjisinden kaynaklanan aylık/yıllık enerji kullanımı hesapları E, derece gün degeri DG, duvarın toplam ısı tasınım katsayısı U (W/ m2 K) ve ısıtma sisteminin verimi olmak üzere aşağıdaki formülle hesaplanmaktadır [25].
E: q x Dm x hd x 3600 / ε, MJ (2.4)
q: Isı kazanç ve kaybı , W Dm : Gün sayısı
hd: ısıtma / soğutma ekipman çalışma saati ε: verim
Derece gün yöntemi, ısıtmanın sürekli olduğu küçük ölçekli yapılardaki yakıt gereksiniminin hesaplanmasında daha gerçekçi sonuçlar vermektedir [6].
Isı kayıpları ısıtma sistemi ve ısı kazançları da soğutma sistemi ile karşılanacağı için enerji analizi hesaplarında yapı kabuğu yoluyla oluşacak enerji ihtiyacı değerlendirilmektedir.
2.6.3 Kullanım Emerjisi Değerlendirmesi (KED)
Bir ürün yaşam döngüsü sürecinin her evresinde yenilenemeyen enerji ve kaynak tüketmekte ve olumsuz çevresel etkilere neden olmaktadır. Yaşam döngüsü analizi ile
55
yapım-bakım ve kullanım aşamalarındaki maliyetleri bulabilmekteyiz. Ancak bu çalışmalarda, biyosfer tarafından sağlanan çevresel kaynakların etkisi fazla değildir. Bu aşamada, çevresel hesap yöntemi (environmental accounting) binaların yaşam döngüsü boyunca tükettikleri enerjiyi ve çevresel etkilerini ölçmek ve değerlendirmek için kullanılan bir analiz yöntemidir.
Çevresel Muhasebe Yöntemi yani emergy değerlendirme (ED), çevresel kaynakların kullanımını (enerji ve malzeme akışı), doğrudan ve dolaylı olarak, değerlendirmek için yapı kabuğu yapımı için gerçekleştirilmektedir.
Soğutma (klima) sisteminin ısıl veriminin yanı sıra, yapı kabuğu termal özelliğine bağlı sabit bir akış bina ömrü boyunca enerji kullanımı olarak değerlendirilmektedir.
Emerji Değerlendirmesi ısıtma ve soğutma için kullanılacak ekipmanların ısıl verimliliği
için enerji analizi sonuçları baz alınarak oluşturulmaktadır. Emerji girdileri yıl boyunca yapı kabuğundan doğal gaz ve elektrik harcamalarını belirler. Yaz döneminde soğutma sistemi için gerekli elektrik harcaması, kış döneminde ise ısıtma sistemi için doğal gaz kullanımı hesaba katılmaktadır.
ED hesapları ile enerji kullanımı güneş enerjisi joule (sej) olarak gaz ve elektrik enerjisinin eşdeğer uev değerine dönüştürülmektedir. Uluslararası kaynaklardan alınan d.gaz ve elektrik harcamasının özgül emerji değerleri [25] aşağıdaki gibidir.
Doğal gaz 6.72 104 sej/J Elektrik 2.07 105 sej/J
Kullanım Aşaması Emerji Ddeğerlendirmesi (KED) kış dönemi için doğal gaz gereksinimi ve yaz dönemi için elektrik tüketimi olmak üzere aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır. KEDkış (sej)= KEA (J) x doğalgaz harcamasının özgül emerji değeri (sej/J) (2.5) KEDyaz (sej)= KEA (J) x elektrik harcamasının özgül emerji değeri (sej/J) (2.6)
56