Yeni tasarım ve içeriğiyle okurlarıyla buluşan Türkiye’nin en köklü inşaat dergisi olan İnşaat Dünyası dergisi, Türkiye’nin lokomotif sektörü olan inşaat ve yapı sektörünün uluslararası gelişimini ana misyonu olarak görür ve yıllardır ödün vermediği yayıncılık çizgisini sürekli geliştirerek bu misyonu gerçekleştirmeyi hedefler.

Akıllı yapı kabukları

1. GİRİŞ

21. yüzyılın başlarında en önemli var sayılabilecek global çevresel problemler bizi greenhouse etkisi ve iklim değişiklikleri sonucu ortaya çıkan tehdit edici potansiyel risklerle yüz yüze getirmiştir. Bunlar, kırılabilir ekosistemler üzerinde zorlayıcı hasarlar oluşma ihtimali yaratmakta, gelişmeyi, kaynak kullanımını artırmakta, zararlı ultraviyole ışınların alt atmosfer tabakasına girmesinden kaynaklı olarak ozon tabakasının delinmesine, buna paralel olarak da özellikle kentlerde hava kalitesinde genel bir bozulmaya neden olmaktadır. İyi tasarlanmış akıllı binalar çevre üzerinde ciddi bir mesuliyete sahiptir. Direk ve endirek olarak bu belirgin ve olası çevresel sorunları engelleme rolüne sahiptir.

Bina tanımındaki ekolojik hedef, bina konfor sistemlerini çalıştırmak, yenilenebilir kaynaklarını, doğal ısı kazançlarını ve konfor koşullarını korumak için minimum düzeyde enerji kullanımı ile başlangıçtaki toplam enerji ihtiyacını minimuma ve hatta sıfıra indirmek için çabalamak olmalıdır. Bina kabuğunun kendi kendinden yararlanması ile ısıtma, soğutma, aydınlatma ve dışarıdan enerji alınmasını gerektiren diğer sistemlerde yapay enerji kullanımı minimuma indirilebilir veya enerji kaybı tamamen önlenebilir. İdeal olanı binanın kendi kendinin “güç istasyonu” olmasıdır.

Enerji etkin akıllı yapı kabuklarında enerji denetimi sağlayan sistemler, ısıtma, soğutma, havalandırma ve aydınlatma için gerekli enerji miktarını azaltmaktadır. Kullanıcı ihtiyacı, kullanılan yapım-üretim ve malzeme teknolojisine bağlı olarak enerji üretimine imkan vermektedir.

Bu bağlamda, doğal havalandırma ve güneş kontrol elemanlarının otomatik hareketleri sonucu binanın havalandırma, soğutma ve aydınlatması için harcanan enerji yüklerini minimuma indiren ve bu yolla kullanıcı konforunu optimum seviyede tutan akıllı kabuklar tasarımcılar tarafından tercih edilen ve ilgi gören sistemler halini almıştır.

2. AKILLI YAPI KABUÐU

2.1. Akıllı Yapı Kabuğunu Ortaya Çıkaran Fikir Ve Kavramlar

Akıllı yapı kabuklarını detaylı olarak incelemeye başlamadan önce, akılı kabukların içeriği ile farklı olan; ancak tamamen bağımsız olmayan fikirler ve kavramlardan da bahsetmek gerekmektedir.

Akıllı tasarımın nosyonu, insan tasarımcılarının (human designer) akıllı bileşenlerin montajı yerine, kendi kendine akıllı olabilen bir mimari üretmesidir. Walter Kroner tarafından ortaya atılan bu fikir, hassas iklimsel tasarım aracılığı ile iç konfor üretmek için çevre mühendisleri ile uyumlu bir çalışma ile bio-klimatik tasarımın temel önceliklerini yenilemektir. (WIGGINTON M. – HARRİS J.- 2004-s. 24)

Akıllı binalar; pasif sistem olarak mekanik ve elektrik-elektronik sistemlerine en az gereksinme duyacak şekilde tasarlanmış, güneş, rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından gerektiğinde yararlanmak, gerektiğinde korunmak üzere kendi kendini ayarlayabilen, pasif sisteme ek olarak ısıtma, havalandırma ve aydınlatma sistemlerine gereksinim duyulduğu takdirde bu sistemlerin pasif sistem öğeleriyle eşgüdümlü olarak tasarlandığı ve işletildiği, işletim sisteminin otomatik olarak kontrol edildiği binalardır. (YILMAZ Z -2005- s. 392)

“Akıllı binalar” deyimi genellikle “Akıllı yapım” ve “Akıllı donanım” deyimleriyle eş anlamlı olarak kullanılmaktadır. Oysa bunların “akıllı binalar” ile eş anlamlı kullanılması doğru değildir. Bu tanımlar bina yapım sürecindeki belli aşamaları ve/veya bölümleri tanımlamaktadır. “Akıllı yapım-intelligent bauen” binanın uygulama aşamasındaki işlemleri tanımlayan bir süreci tariflerken, “akıllı donanım-intelligente einrichung” bina içi konforu ve binanın içindeki işlevlerin gerçekleştirilmesinin kolaylaştırılmasını sağlamak amacıyla binaya uygun olarak tasarlanmış dijital teknolojili ürünü olan bina yönetim sistemleridir. Bina yönetim sistemi binanın beynidir. Bu sistemler binanın güvenlik, ısıtma, klima, sıhhi tesisat, yangından koruma, haberleşme sistemlerinin kontrollerini bir merkezden yönetebilir. Örneğin, eğer bir bina uygun bir şekilde tasarlanmış ve uygun donanımlarla da desteklenmiş ise, kişi binaya uğramadan bilgisayar ile telefon üzerinden binada bulunan kontrol sistemine sinyal gönderip, kazanın sıcaklığını yükselterek, klima santralini çalıştırarak, sıcak suyu hazır tutarak, pencerelerin açılmasını veya kapanmasını sağlayarak binayı kullanıma hazır hale getirebilir. Bina yönetim sistemleri aracılığıyla sadece yapı sistemlerinin idaresi değil, bina merkezlerinde verimli işletmenin sağlanabilmesi, bina işletme bütçesi çerçevesinde optimum işletmenin rejimlerinin tayini konusu da incelenmektedir. Ancak bütün bunlar binayı akıllı binalar kapsamında değerlendirmeye yetmez. Bu sistemler binanın işletme sistemlerinin çağdaş teknolojilerle donatılmasını tanımlamaktadır. (TÖNÜK S.-2001-s.103-104)

“Akıllı malzemeler” gibi kavramlar ile genelde yeni teknolojiler ve de özellikle bilgi teknolojileri ile mümkün kılınan kişisel-ayarlama ve duyarlılık ile bağlantılı fikirlerin tasarım prensiplerine girişini temsil eder. (OÐUZ O.-2007-s.23)

Akıllı binaların en önemli bileşeni, pasif sistem olarak binanın enerji performansını etkileyen en önemli tasarım parametresi olan bina kabuğudur. Bir binanın cephe maliyetinin toplam bina maliyeti içerisindeki payının %15-%40 arasında olmasına karşın, bina cephesinin bina işletim maliyeti üzerindeki etkisi %40 veya daha fazla olabilmektedir. O nedenle, son yıllarda fosil enerji kaynaklarının elde edilmesindeki sıkıntılar, bu kaynakların kullanılmasının yarattığı çevre sorunları, bir ülkedeki toplam enerjinin %40-50 gibi çok önemli payının binalarda kullanılıyor olması ve dolayısıyla binalarda enerji verimliliğinin önem kazanmasıyla birlikte, yapı ve malzeme teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak akıllı kabuk tasarımı gündeme gelmiştir. Akıllı kabuk, ülkemizde henüz akıllı bina tasarımında yeteri öneme kavuşmamış olmakla birlikte tüm dünyada akıllı bina tasarımının vazgeçilmez öğesi olarak kabul edilmektedir. (YILMAZ Z.-2005- s. 392)

“Akıllı” kelimesi kabuk için, binanın temel enerji harcamasını azaltabilmesi amacıyla, değişen günlük ve mevsimsel iklim şartlarına göre uyum sağlayabilme yeteneğini işaret etmektedir. Bina tasarımında sık kullanılan bir terim haline gelmiş olan akıllı bina kabuğu, kullanıcıların konforu ile enerji kullanımı arasında optimum bir denge kurmak amacıyla, iç ortama dinamik ısıtma, soğutma, aydınlatma, ve taze hava sağlamak anlamında yapay zeka kullanan binalar için ortak payda halini almıştır. (OÐUZ O.-2007-s.38)

Akıllı cepheler, yeni tanımlanmış akıllı binaların, içinde yaşanılanı örtme fonksiyonunu gerçekleştiren içsel bir parçasıdır. Biyolojik metaforlara göre, insan derisi (epidermis) ile benzerliğini vurgulamak ve bu elemanı akıllı kabuk olarak tanımlamak daha uygun görünmektedir. (WIGGINTON M. – HARRİS J.- 2004-s.23)

Akıllı kabuk, bina bileşenlerinin hareketsiz olduğu fikrinde birleşmektedir, fakat binaların enerji gereksinimini azaltmak için, kendini dinamik bir şekilde değiştirebilmektedir. Bu gibi binaların ilk sürümleri manüel olarak elde edilen değişimlerle ilgili konulara yönlenmiştir. Binaların hareketsiz doğasını manüel olarak değiştirme fikri, somatik bir tepki olarak görüşülmüştür ve yüzyıllardır var olan fikre eşdeğerdir. Bunu yansıtan en basit bileşenler kepenkler, Venedik panjurları ve açık pencerelerdir. Manüel değişimlerin kullanılabilirliği günümüzde, mekanik, otomatik ve motorize değişimler için kapasite olarak gelişmiştir ve geçmişe oranla daha içgüdüsel otomatik ayarlardır.

Akıllı kabuk, dış mekanı sınırlayan, binanın fonksiyonlarını bireysel veya kümülatif ayarlı olarak sunan, çevresel varyasyonları tahminen etkileyen, daha az enerji kullanımı ile konforun sürekliliğini sağlayan dış hava koşullarından koruyan konstrüksiyon elemanlarının kompozisyonu olarak da tanımlanmaktadır.

Akıllı kabuk, kullanım kalıpları ile belirli iklim şartlarına verilecek en uygun tepkiyi öğrenmek için yetenekler geliştirebilir. Bu, akıllı binanın evriminin bir parçasıdır. Akıllı bina bu zorluğu ortadan kaldırmaktadır, çünkü kendine nasıl bakacağını bilir ve de aynı zamanda kullanıcı kontrolünü kolaylaştırıp yönlendirebilir. Kullanıcının değişen çevre koşullarına uyum sağlama ve konfor gereksinimleri yüzünden sisteme müdahalesi sınırlandırılmış ve gereksiz enerji kullanımı engellenmiştir.(OÐUZ O.-2007-s.45)

Akıllı kabuk; tıpkı canlı derisi gibi kendisini ayarlayarak dış koşullara uyum sağlayan ve bu yolla bina içi çevrede ışık, ses, iklim ve hava kalitesi gibi kullanıcılar için vazgeçilmez ihtiyaçların sağlanmasında, dolayısıyla enerji harcamalarının azaltılıp kullanıcı konforunun yükseltilmesinde en önemli rolü oynayan yapı elemanlarıdır. Akıllı kabuklar en basit şekliyle doğal havalandırma ve güneş kontrol elemanlarının otomatik hareketiyle binanın havalandırma, klima ve aydınlatma enerjisi yüklerini en aza indirgeyen ve kullanıcı konforunu olabildiğince doğal yollarla sağlayan kabuklardır. (YILMAZ Z.- 2005- s. 392)

Richard Rogers ve ortakları tarafından 1978-1986’ da Londra’da yapılan Lloyds Binası da bu sisteme önemli bir örnektir. Büro seviyelerindeki cephede mekanik olarak havalandırmalı pencereleri vardır. Odalardaki sıcak hava, aydınlatma elemanlarına doğru yükselir, böylece hava ek ısısını da içeri almış olur. Daha sonra bu hava, kat yüksekliğindeki havalandırılan pencere boşluklarına verilir. Burada hava tekrar, camın ısısıyla ısıtılarak, pencerenin altından alınır ve binanın havalandırma sistemine verilir. Aydınlatma ve boşlukların alt ve üstünden ısının çekilmesinin amacı, soğuk aylarda mümkün olduğunca sıcak havanın temin edilmesidir. Cephe 1.80 m x 3.35 m prefabrike ünitelerden yapılmıştır. Dışta 6 mm yalıtımlı cam, 12 mm genişliğinde boşluk ve 6 mm lowe kaplamalı levhada içte bulunmaktadır. Mekanın içine temiz havayı veren ve içerideki kirli havayı dışarı atan borular yapının dışından algılanmaktadır. Asma tavan içinden kirli hava emici boruların çıkışları buradaki lambaların bulunduğu bölüme yerleştirilmiştir. Buradan kirli hava emilir ve yapının dışına aktarılır. Yapının dışarıdan algılanan kirli hava emici boruları, üçgen çelik kafes kirişlerin köşeleriyle birleştirilmiş kentilever çelik kelepçelerle taşınmaktadır. Temiz hava ise yine dışarıdan algılanan borular vasıtasıyla, yükseltilmiş döşeme altından pencere kenarlarındaki ızgaralardan mekana verilmektedir.

1940’ların sonunda Buckminister Fuller eko tasarım için verimli olabilecek, yalnızca pasif anlamda bağımsız bir mikro klima oluşturan ikincil bir örtü gibi kubbe biçimli bir yapıdan meydana gelen geodezik kubbe (bütün bir örtü) fikrini ortaya atmıştır. Dış ortamdan korunmayı sağlayacağını düşünerek, bir çeşit hava balonu şeklindeki bu kubbenin altına çeşitli binalar koymayı önermiştir. Bu fikre göre güneş ve rüzgarın, örtü üzerinde ısıtma, havalandırma ve soğutma etkisi vardır.

Akıllı kabukların gelişim sürecinde ortaya çıkan diğer bir kavram ise, cepheyi gereksinimlere bağlı olarak çevresel koşulların değişimine izin veren, iç yüzey ve dış yüzey arasında bir filtre gibi çalışan düzenleyici bir tabaka olarak tanımlamaktadır. Kolektör cephe (collector facade) olarak bilinen bu cepheler dış ortam koşullarını kullanır ve koşulları binalar için optimum seviyede kullanılması için ulaşılabilir hale getirirler. Bu tip cepheler, ve çevresel enerjiyi çoğunlukla pasif anlamda kullanır. Kolektör cepheler aynı zamanda tabakalar arasında tampon bir bölge içerirler, ancak kavram açıklandığı gibi, önce dış kabuğun içindeki dış iklim ile etkileşim içerisindedir.

“Akıllı kabuk” terimi “Polyvalent duvar” kavramından türemiştir. Teknik realizasyon sorunları henüz çözülmüş olmamasına rağmen, polyvalent duvarlar aynı zamanda yeni cephe teknolojileri için itici bir güç olmuştur ve birçok bilim adamı geçtiğimiz iki 10 yıl içerisinde bu konu ile meşgul olmuştur. (KNACK U, KLEIN T., MARCELL B., AUER T.-2007 s. 89)

1980´li yıllarda Avrupa ve Amerika’da, yapılarda enerji tasarrufuna devlet desteği gelmesi sonucunda çift kabuklu cephelerin kullanımı giderek artmıştır. Bu dönemde yapılan binalarda çevresel kaygılar ön plana çıkmaya başlamıştır. Almanya’daki Düsseldorf City Gate Binası’nın (Stadttor Binası) cephe boşluğu her katta kapatılmıştır. Boşluk her kat hizasında bölündüğü için katlar arasında hava geçişi olmamaktadır. Mekanlar orta boşluktaki doğal havalandırma ile havalandırılmaktadır. Bina yılın %70-75’inde doğal havalandırılabilmektedir. Hava şartlarının olağanüstü olduğu zamanlarda mekanik havalandırma devreye girmektedir. 70 m yüksekliğindeki bina, 20 katlı birbirine paralel büro kulesinden yapılmıştır ve ortada 50 m yüksekliğinde atriyum bulunmaktadır. Binanın tamamı 12 mm kalınlığında float camla kaplıdır. Cephede 95 cm veya 140 cm derinliğinde kat yüksekliğinde boşluklar vardır; bu boşluklara güneş kırıcı dönen jaluziler yerleştirilebilmektedir. Kapaklı dönen delikler sistemi, boşluklarda doğal havalandırmayı sağlamak için tasarlanmıştır. Yazın cephe boşluklarının doğal havalandırılması bürolardaki havalandırma gereksinimini ortadan kaldırmıştır.. Kışın büyük cephe boşlukları tampon bölge gibi davranır, pencerelerin önündeki alan ışınım ve ısı kayıplarını azaltır. Yapılan bu sistemle yüzde 50 enerji tasarrufu sağlanmaktadır. (EŞSİZ Ö., ÖZGEN A.-2004-s.101)

Çift tabakalı cephe, caddeden gelen egzoz dumanına karşı korumasına karşılık gerçekte doğal havalandırma için tasarlanmıştır. Atriyumdaki havanın boşluklardan içeri girmesiyle yapı havalandırılır. Aynı zamanda sıcak hava, cephe boşluklarında yükselir ve binanın üstündeki kapakçıklardan dışarı atılır. Bina içindeki hava hareketleri binanın üstünde alçak basınçla daha da ilerler. Kışın dışarıdan alınan hava, dışarıya atılan havadan alınan ısı enerjisini kullanarak ısıtılır. Çift tabakalı cephede ve atriyum hava hareketleri bilgisayar simülasyonları kullanılarak araştırılmıştır. Büroların arkasındaki doğal aydınlatma dağılımı bile iç cephede hafif raflarla ve özel tasarlanan tavan elemanlarıyla sağlanır. Gün ışığı atriyumdan da binanın içine alınır. Isı deposu olarak kullanılan döşemeler gündüz fazla ısıyı alır ve gece doğal havalandırmayla soğutulur. (EŞSİZ Ö., ÖZGEN A.-2004-s.101)

Sabit havalandırma boşluklu çift kabuk cephe sistemleri ile ilgili olarak, ayarlanabilir panjur kullanma fikri, binanın değişken iklimsel koşullara daha iyi adapte olabilmesini sağlar. (COMPAGNO A.-2003-s.245)

Tasarımcılar, 1972 yılınki enerji krizinden sonra, evrensel ve kapalı muhafazalar yerine, konumlarına, bölgelerine ve koşullarına göre binalar üretmeye başlamışlardır. Bu yeni binaların, esnek ve enerji sarfiyatlarını değişen klimatik koşullara özgü bir şekilde uyarlamanın üstesinden gelen, dış kabukları vardır. Artık, yapısal iskelet, binadaki en önemli bileşen, değildir. Bina kabuğu artık enerjiyi değişime uğratan ve mevcut bölgesel koşullara tepki gösteren bir yapı elemanı haline gelmiştir. Küreselleşen dünyamızda son yıllarda, sürekli artış gösteren iklimsel tasarım kavramı; öncelikle mimari gereksinimlere dayalı iken, daha sonraları daha estetik cepheler tasarlama kaygısını da beraberinde getirmiştir. Cepheler günümüzde tasarımcıların ekolojik kaygıların yanı sıra estetik kaygılarını da yanıt verebilmektedir.

Sonuç

Geçmişte yaşanmış enerji krizleri, nüfus artışı, yoğun kentleşme, çevre kirliliği gibi birçok neden tükenebilir enerji kaynaklarının (fosil enerji kaynakları) akıllıca kullanımı ve bu kaynaklar yerine yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmanın gerekliliğini gündeme getirmiştir. Dünyada kullanılan toplam enerjinin büyük bir miktarının yapılarda kullanıldığı gerçeği, tasarımcıları daha az enerji tüketmeyi ve yenilenebilir enerji kaynaklarından maksimum düzeyde faydalanmayı sağlayan akıllı yapı kabuğu tasarımına yönlendirmektedir.

KAYNAKLAR

BEGEÇ HASAN, SAVAŞIR KUTLUÐ -2004-“Akıllı Giydirme Cephe Sistemlerinin Havalandırma Şekillerinin İncelenmesi”-Çatı ve Cephe Fuarı-İstanbul

COMPAGNO ANDREA-2003-“From Double Windows to Double Building Envelopes ” -Gless Proccesing Days 2003, session 14

EŞSİZ ÖZLEM, ÖZGEN AYDAN-2004-“Büro Yapılarında Enerji Tüketimini Azaltan Çift Kabuklu Cam Cephe Sistemleri”- Yapı Dergisi sayı.276-İstanbul

GÖKSAL,T.- “Mimaride Güneş Enerjisi Kullanımı” -Anadolu Üniversitesi Yayınları-No.1041

HARRISON, K.(2001) , MEYER, T.(2002) , ‘Tectonics of the Double-Skin Facades’

KNACK ULRICH, KLEIN TILLMANN, BILOW MARCELL, AUER THOMAS -2007-“ Façades“- Birkhauser Verlag

OÐUZ OLCAY- 2007- “Akıllı Bina Kavramı Ve Akıllı Bina Değerlendirme Metodları”- İ.T.Ü Yüksek Lisans Tezi-İstanbul

TERRİ MEYER- “The techtonics of the double skin”-Wateloo Üniversitesi

TÖNÜK SEDA-2001-“Bina Tasarımında Ekoloji”-Yıldız Teknik Üniversitesi Basım-Yayın Merkezi-İstanbul

WIGGINTON MİCHAEL, HARRİS JUDE-2004-“Intellıgent Skın”- Elsevıer, Architectural Pres-Oxford

YILMAZ ZERRİN- 2005- “Akıllı Binalar ve Yenilenebilir Enerji”-VII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi-İzmir