Bahçedeki Ağaç Yapı Enerji Kullanımına Nasıl Etki Eder?

Department of Energy’nin (DOE) geliştirdiği EnergyPlus ve Lawrence Berkeley National Laboratory tarafından geliştirilen Radiance açık kaynak yazılımları kullanılarak yapıların ısıtma ve soğutma yükleri, yüzeylerinde oluşan sıcaklık değerleri, güneşlenme ve gölgeleme saatleri, iç ortam aydınlatma miktarları, şeklinde detaylı nümerik hesaplamalar yapılabilmektedir.

Tüm bu hesaplamalar yıllık olarak (8760 saat için) yapı malzeme bilgisinin(kalınlıklar, ısı iletkenlik değerleri, yüzey ışınım miktarları vb.), iklim verilerinin, konum bilgilerinin tanımlanmasıyla iteratif yollarla çözdürülmektedir.

Yapının konfor mertebesi ve enerji tüketimi arasındaki denge noktası, henüz tasarım aşamasındayken bu analizlerin yapılmasıyla iyileştirilmektedir. Dünya’da tüketilen enerjinin yaklaşık %40’ının binalardan kaynaklandığını düşündüğümüzde tasarımın enerji ve konfor performansını artırıcı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD-Computational Fluid Dynamics) ve Yapı Enerji Simülasyonları (BES-Building Energy Simulation) gibi metodlar gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Bu iki yöntemin birleştirilmesiyle kurgulanacak tasarım konfor&enerji tasarrufu açısından çok daha iyi bir seviyeye erişecektir. Simülasyonlar esnasında çok küçük detaydaki farklı pasif ya da aktif sistem değişikliklerinin dahi ciddi kazanımlar sağlayabileceği hesaplanabilmektedir.

Bu çalışmada, çevresel faktörlerin yapının ısıtma ve soğutma yüklerindeki enerji tüketimine nasıl etkisi olabileceği üzerine yoğunlaşılmıştır. İlk olarak örnek proje evinin bahçesine dikilecek bir ağacın yerinin ve türünün BES yöntemiyle parametrik olarak analiz edilmesi hedeflenmiştir. Bu hedef iki temel soru altında birleştirilmiştir; Enerji tüketimini azaltabilmek için bahçenizdeki ağacın en uygun:

1)Yeri neresidir?
2)Yaprak dökme mevsimi hangisidir?

İki farklı analizin çaprazlanarak optimize edilmesi bu iki sorunun cevapları ile mümkün olacaktır.

İkincil olarak ise enerji etkin sonuç veren durumda, ağacın olması ve olmaması durumunda sadece tek ağaç üzerinden rüzgar dağılımının nasıl değiştiği CFD analiziyle çözümlenmiştir.

Analiz yapılan örnek evin bulunduğu konum Bursa’nın İznik ilçesindedir. Yıllık iklim verilerinin çalışma bölgesine en yakın istasyondan alınması ve doğru bir şekilde analize girdi olarak aktarılması sonuçların tutarlılığı açısından oldukça önemlidir. Bursa Yenişehir Havalimanı’ndan alınan uzun dönem iklim verisi örnek evin bulunduğu konuma 26 km kuş uçuşu uzaklıktadır.

Güneşin yıl içinde izlediği yol her enlemde farklılık göstermektedir. Dolayısıyla çevresel etmenlerin örnek ev üzerinde oluşturacağı gölgeleme de her enlemde farklı olmaktadır. Bu durum da farklı konumdaki optimizasyonların ayrı ayrı ele alınması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Aşağıdaki görselde yıl içinde güneşin izlediği yolun farklı enlem/boylamlarda nasıl değiştiğini görmek mümkündür.

Ağacın olduğu ve olmadığı durum arasındaki oransal farkı anlamak adına ilk analiz ağaç olmadan gerçeklenmiştir, sonuç olarak 83540 kWh yıllık tüketim bunulmuştur. Bundan sonra yapılacak optimizasyon analizlerinde bu sonuç kıstas alınarak yüzdelik karşılaştırmalar verilmiştir.

828 farklı opsiyonun denendiği birinci analiz sonucunda, birbirine yakın 6 en iyi konum seçilmiştir. Görselde belirtilen 1,3 ve 5’inci konumlar bahçenin güneybatısında, 2 ve 4’üncü konumlar güneydoğusunda ve 6’ncı konum güneyinde kalmaktadır.

Enerji tüketimindeki düşüş bu konumlar için %2.44 ile %2.73 arasındadır. Birinci analizde ağacın yaprağını hiç dökmediği 8760 saat için gölgeleme yaptığı varsayılmıştır. Ön analizin bir diğer amacı da ikincil yapılacak analizin süresini azaltmaktır. Eğer iki analiz beraber yapılsaydı 9 farklı ağaç için 7452 farklı analiz yapılmak zorunda kalınacaktı.

Bu çalışmadaki 9 ağaç tipi Bursa mevsiminde yetişebilen 7’si yapraklarını döken 2’si iğne yapraklı ağaç türleridir. Güneşin her enlemde farklı yolu izlemesi gibi ağaçların yaprak dökme mevsimleri de her iklimde farklılık göstermektedir. Bu ağaçlar belli bir hacme ulaşabilen çınar, söğüt, karaağaç, gürgen, dut, ıhlamur, kavak, çam ve selvidir. Yetişkin bir ağacın ortalama hacmi 73,5m³ (3.5m x 3.5m x 6m) olarak kabul edilmiş ve analizlerde bu hacim esas alınmıştır. İkinci analize geçmeden önce bu ağaç tipleri için yaprak dökme algoritması ağacın saydamlık oranları 8760 satırlık kod şeklinde saatlik analiz için hazır hale getirildi.

Ağaçların geçirgenlik değerlerine göre hazırlanan plandan sonra ikinci analiz 54 farklı opsiyon (6 en iyi konum x 9 farklı ağaç) için başlatılmıştır. Analiz sonucunda enerji tüketimindeki azalma ağaç tipleri için %2.50 ile %2.63 arasındadır. Her iki analizin sağladığı enerji tüketimindeki kazanımlarını topladığımızda elde ettiğimiz değer %5.30’a ulaşabilmektedir.

Enerji analizinin tamamlanması ve tek tip ağaç ve konum için ideal yerin belirlenmesiyle birlikte ağaçlı ve ağaçsız durumda yapı etrafında rüzgâr nasıl dağılım göstermiş, analiz edilmiştir.

Yapının güneyinde ağaç olmadığı durumda, insan boyu ortalamasındaki kesit üzerinde gösterilen hız dağılımı

10m referans yükseklikte 5m/s ile esen güney rüzgârının dağılımı analiz edilmiştir. Akabinde ise enerji analizinde belirlenen konuma ağacın oluşturacağı basınç kayıp etkisi de eklenerek analiz aynı koşullarda tekrarlanmıştır.

Ortalama insan boyu yüksekliğinde alınan kesitte hız dağılımı

İki durum neticesinde basınç bölgelerinin değişmesiyle birlikte bir tek ağaç dahi olsa hava hareketlerinin değişimi görülmektedir. Özellikle yapı güney ön bölgesinde hızlarda yavaşlama olmuştur. Bununla birlikte CFD analizlerinden ilerleyen dönemde çözümleme hızlarının artmasıyla, yapının rüzgâr tarafından yüzeylerinde oluşan ısı taşınım katsayılarının (U değeri) değişimi de mevsimsel olarak hesaplanıp, enerji analizlerine adapte edilebilir hale gelecektir.

Tamamlanan bu çalışmada yapı dışındaki peyzaj değişikliğinin, enerji tüketimine olan etkisi üzerinde durulmuştur. Aynı sayısal yöntemle cephe şekli, seçilen camlar, güneş kırıcılar, iç ortamda yer alan malzemelerin yerleşimi vb. senaryolar da analiz edilebilir. Ayrıca CFD analizleriyle de yaya seviyesinde rüzgâr konforu ve yüzey ısı taşınım katsayılarının değişimleri irdelenebilir. Burada belirtilen BES metoduyla tasarım aşamasındaki optimizasyon çalışmaları enerji etkin binaların performansını belirlemede önemli araçlar haline gelecektir. Böylece uzun vadede alt yapısı kurulmuş yapının dijital halinin, işletilmeye başlamasıyla birlikte karşılaştırmalı geri bildirimleri de analiz yazılımlarına geriye işlenerek sistem çalışırken de gerekli optimizasyonlara olanak sağlayacaktır. Buradan elde edilecek doğrulanmış veri ise bir sonraki tasarım için çok daha yüksek nitelikli yapıların tasarlanabilmesinin önünü açıp, sürecin hızlanmasını da sağlayacaktır. Artan şehirleşme, buralardaki kullanıcı yoğunluğu ile beraber insan yaşam kalitesinin arttırılması ve karbon ayak izinin düşürülmesi bu ve benzeri veri işleme yöntemleriyle mümkün hale gelecektir.