Dr. Ibrahim ÇAKMANUS, Çakmanus Mühendislik Ltd.  

Arif KÜNAR, EDSM Enerji Ltd.

Gökhan TOPRAK , ESER Taahhüt ve Sanayi A.Ş.

Ayşe GÜLBEDEN, ESER Taahhüt ve Sanayi A.Ş.

Bu makalede, Ankara’da yerleşik ESER Taahhüt ve Sanayi A.Ş’nin yeni yönetim binasında gerçekleşen yüksek performanslı, yeşil HVAC tasarım optimizasyonu sunulmaktadır. Optimal bir yeşil mekanik sistem; rüzgar türbini, binaya entegre ve çatı güneş pilleri (PV), güneş kolektörleri, güneş ışık bacaları, toprak kaynaklı ısı pompası, enerji depolama sistemleri ile soğurmalı soğutma makinesini içeren doğal gaz tahrikli üçüz-üretim (tri-generation) sistemi, yerden ısıtma gibi yenilenebilir ve sürdürülebilir mekanik elemanlar ve sistemlerle oluşmaktadır. 

Birleşik ısı-güç sistemleri (CHP); binanın elektriksel yükünü izleyerek toprak kaynaklı ısı pompasıyla soğurmalı chiller’i tahrik etmektedir. Bunun yararlı ısı çıktısı, temelde ısıtma amaçlı olarak kullanılmaktadır. Isıl depolama (TES), yani buz, soğuk ve sıcak-su tankları da kullanılmaktadır. Bunlar, pik yük zamanlarının dışında CHP birimi, soğurmalı-chiller ve toprak kaynaklı ısı pompasının atık ısısını kullanarak enerji depolamaktadır. Bu sistemlerin tümü, gece ve gündüz verimleri maksimum ve geri ödeme süresi kısalmış biçimde, hemen hemen pik kapasitede çalışmak üzere seçilmiş ve boyutlandırılmıştır. 

Binadaki yeşil-mekanik- sistem; geleneksel yoğuşma birimleri, yedek kazanlar ve merkezcil (centrifugal) kompresörlü chiller ve yedek kazanlar ile desteklenmekte ve tamamlanmaktadır. Toprak kaynaklı ısı pompası ısıtma ve soğutma temelli olarak kullanılan CHP sistemi ile tahrik edilmektedir. Binada ayrıca, yağmur suyu toplama sistemi ile klozetlerde kullanmak üzere gri-su dönüşüm (cycling) sistemleri bulunmaktadır. Birkaç sistemin hibrit bir bileşimi olan bu yeşil-mekanik-sistemin amacı, en yüksek verimi elde etmenin yanı sıra, minimum ekserji yıpranması ve yaşam-çevrim maliyeti (LCC) gibi hedefleri yakalamaktır. Parametrik araştırmalar bu tür bir tasarım yaklaşımının, çok düşük karbon yayınımına (emmission) sahip, daha çevre-dostu tasarımlara giden ikinci nesil binalar için, güçlü bir adım olduğunu göstermektedir. Bu projenin diğer bir önemli ve temel amacı Ankara’daki ilk LEED Altın belgesini almaktır. Başvuru yapılmıştır.

1. Giriş

Binalar; LEED gibi sertifikasyon sistemleri ile altın, platin, gümüş gibi veya “Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği”’nde olduğu üzere A, B, ..G şeklinde sınıflandırılmaktadır. LEED ve BREEAM sınıflandırma sistemlerinde, binanın enerji performansının yanında yapı malzemelerinin karbon ayak izi, ulaşım, toprak kullanımı, su kullanımı gibi önemli diğer unsurlar da puanlamaya dahil edilmektedir.   

Binanın sürdürülebilirlik puanının hesaplanmasında, binanın enerji performansı olduğu kadar, LEED ve BREEAM sınıflandırma sistemleri, kullanılan malzemeler, karbon etkilenme alanı, arazi kullanımı, su kullanımı gibi diğer bazı önemli hususlar dikkate alınmıştır. Bu binada kullanılan değerleme işlemleri Tablo 1’de özetlenmiştir.

2.  Eser A.Ş. Binası 

2.1. Mimari Özellikler 

Yapı, ilgili imar kural ve yönetmeliklerine uygun, kullanım amaç ve ihtiyaçlarına cevap verebilen, özellikle çevre-iklim şartları ile enerji mimarlığına ve enerji verimliliğine duyarlı bir anlayışla tasarlanmıştır. Bu özellik, yapının minimum dış yüzey alanlı bir dikdörtgen prizma olmasında görülebilir. Bina şeması, bir ana sirkülasyon çekirdeği ile iki adet servis çekirdeği etrafında şekillenen hacimlerden oluşmaktadır. Özetle bina;l 51 araçlık kapalı otoparkın yer aldığı 2. bodrum kat, l Kat holü, özel misafir odası, toplantı salonu ile özel ofis hacimlerinin yer aldığı çatı arası katı olmak üzere toplam 7 kattan oluşmaktadır. Yapı toplam alanı yaklaşık 6500 m², ısıtılan ve soğutulan alan toplamı ise yaklaşık 5000 m²’dir.   

Yapı dış kabuğunda kuzey, güney, doğu ve batı yönlerine göre farklı malzeme ve güneş kırıcı vb. detaylarla, gerekli doğal ısı ve güneş kontrolü sağlanmıştır. Özellikle ısı izolasyon detaylarında, mevcut yönetmelik gereklerinin % 30 üzerinde, uluslararası standartlara uygun malzeme ve kalınlıklar kullanılmıştır. Binanın yapı malzemelerinin seçiminde çevre, sağlık, hijyen, en yakın bölgeden temin, yerli ürün kullanımı, düşük enerji ile üretilen, karbon ayakizi az olan malzeme ve geri dönüşüm gibi kriterler dikkate alınmıştır. İnşa edilerek, 2010 yılı başında iskana açılan Eser A.Ş. İdare Merkez binasının farklı yönlerden  görünümleri Resim 1’de verilmiştir.

2.2. İklimsel Özellikler

Ankara’da kış kuru termometre sıcaklığı -12 ºC, yazın ise 33 ºC, yazın yaş termometre sıcaklığı 22 ºC’dir. Bina haftada 6 gün 8.30–18.30 arasında kullanılmaktadır. İç konfor sıcaklıkları kışın 22 ºC, yazın 24 ºC alınmıştır.

2.3. Binanın Enerji Performansı

Binanın enerji performansının artırılması için; 

a. Tasarımın ve projelerin standartlara uygunluğu,

b. Enerji verimliliği yüksek olan cihazlar seçilmesi, 

c. Projelerin tam olarak uygunlanmasının sağlanması,

d. Otomasyon senaryoların oluşturularak sistemlerin projelere ve senaryolara uygun olarak çalışmasının sağlanması, 

e. Devreye alma, ölçüm ve doğrulama testleri yapılarak cihazların ve sistemlerin projelere ve senaryolara uygun biçimde çalıştığı ve enerji verimliliğinin sağlanması gerekir. Binanın performansında enerji verimliliğinin yanında iç hava kalitesi, gün ışığı, gürültü gibi etkenler de önemli olmaktadır.

Bu hususlar için Tablo 1 kullanılmıştır. Binanın enerji performansının artırılması amacıyla; duvarlarda 80 mm, çatıda 120 mm, döşemede 60 mm yalıtım yapılmıştır. U=1,8 W/m²K ve SGF=0.46 değerlerinde güneş kontrollü üçlü cam ve doğrama sistemi seçilmiştir. Binadaki değişken yükler tüm yıl içerisinde bir ana yük CHP ve GSHP sistemi, doğal gazla çalışan üç kazan ve TES’ler tarafından karşılanmıştır. 100 kW GSHP+CHP birleşimi soğutma ve ısıtmadaki ana yük değerinde yılda 7500 saatin üzerinde çalışır. Kazanlar maksimum verimlerini koruyacak biçimde tandem olarak çalıştırılır. Aynı şeyler GSHP+CHP bileşimi için de geçerlidir. 

Yüksek performanslı binalarda karbon salınımının ciddi boyutlarda azaltılmasında en önemli parametre, kaynak ekserji’nin; binanın talep ekserjisi ile örtüştürülmesidir. Bu bağlamda, bu araştırmanın bir yüzü de; bina ekserji talebinin azaltılmasıdır. Bu başarılabilirse, bina düşük-ekserjili bina olacaktır. Bina düşük-ekserjili bir konuma yaklaştığında, yine düşük ekserjili enerji kaynakları olarak bilinen güneş, rüzgar, atık ısı ve benzeri yenilenebilir enerji kaynaklarının binanın ekserji talebi ile uyuşturulması da olanaklı hale gelir.  

Bu durumda, Rasyonel Ekserji Yönetimi Modeli Verim artarken, sonuç olarak doğrudan ve kaçınılabilir karbon salınımları da önemli ölçüde azaltılır [2]. Doğalgazlı kazan sistemi ile ısıtılan ve geleneksel bir chiller sistemi ile iklimlendirilen tipik bir ofis binasında verim; % 6’dan yüksek değildir [3]. Bunun nedeni, yüksek ekserjili doğalgaz ile yine yüksek ekserjili elektriksel enerjinin düşük-ekserji talebine sahip konfor-soğutması ve diğer soğutma işlevlerinde kullanılmasıdır. Düşük ekserjili bir bina, düşük ekserjili yenilenebilir kaynakların sıcaklığını binanın talebi ile uyuşturarak, elektriksel güç ve fosil yakıt kullanımını ciddi biçimde azaltabilir. Eser binasında, yeni bir dengeleme düşüncesi (felsefesi) kullanılmıştır [2]. Arz ve talep taraflarındaki sıcaklıkların kaskatlanmasına dayanan bu dengeleme biçimi; Şekil 1’de gösterilmiştir. Bu dengeleme sisteminin gerçekleştirilmesi ile rasyonel ekserji yönetimi verimi; % 6’dan, en az % 55’e artmıştır. Şekil 1’e göre, besleme (arz) sisteminin temeli; ısı talebini izleyen bir doğalgaz motoru içeren doğalgazlı CHP birimidir. Üretilen elektrik enerjisi güneş ve rüzgar enerjileri ile desteklenir [4]. Elektriksel güç, temelde toprak kaynaklı ısı pompasını (TKIP-GSHP) tahrik etmekte kullanılır. TKIP (GSHP) CHP birimi tarafından üretilen ısıya bir ek ısı ekler. Yazın TKIP (GSHP) soğuk enerjisi üretir ve binayı soğuturken elde edilen enerjiyi, gelecek ısıtma mevsimi için toprakta depolar (Mevsimsel TES). Günlük ve saatlik TES sistemleri, binanın ısıl yükünün traşlanmasına yardım eder. Isı ve soğuk-enerjisi önce makine dairesindeki sıralı tanklara gider. TKIP’nın COP’sini artırmak için, bu eleman orta sıcaklık değerlerinde çalıştırılır (düşük-ekserji çalışması).

Bununla birlikte CHP birimi, yüksek sıcaklıkta kullanım suyu sağlar (yüksek-ekserji). Böylece, ısıtma konumunda iki farklı TES tankı kullanılır. Bunlardan birisi düşük-ekserjili, diğer ise yüksek-ekserjilidir. Soğutmada da benzeri bir yaklaşımdan yararlanılır, TKIP(GSHP) orta sıcaklıklarda soğutma sağlarken (soğuk depolamaya), küçük seçilmiş geleneksel chiller’ler buz depolama tankındaki talebi karşılamak için kullanılır. Yazın, CHP biriminden gelen fazla ısı bir soğurmalı chiller’de kullanılır. Güneş kolektörleri de, öncelikle evsel sıcak su gereksinimini (DHW)  karşılamakta kullanılır.  

3. Sonuç

Yukarıda açıklanan sistemler ilk yatırım maliyetini yaklaşık olarak % 15 artırmıştır. Buna karşın binanın cephelerinin iyileştirilmesi, ısı geri kazanım sistemleri, yenilenebilir enerji teknolojileri, birleşik ısı güç ve verimli HVAC sistemleri kullanımı, bunların otomasyon sistemleri ile verimli biçimde çalışmaları fosil yakıt tüketimini, CO2 emisyonlarını ve ömür boyu maliyetlerini yaklaşık olarak; % 30 düşürmüştür. 

Teşekkür

En başta, sonuna kadar projenin yüksek performanslı olması için hertürlü desteği sağlayan ve inanan Eser Taahhüt ve Sanayi A.Ş. Yönetim Kurulu Başkanı İlhan Adiloğlu, YK. Üyeleri Can Adiloğlu, Cem Adiloğlu ve projede-uygulamada fiilen yer alan, gerçekten olağanüstü çabalar sergileyen tüm Eser Grubu Yönetimine ve tabii ki enerji etkin mimarlık anlayışı ile projeyi gerçekleştiren ve binanın; “yeşil bina” olmasını sağlayan ODTÜ Mimarlık Fakültesi Dekanı Prof. Haluk Pamir’e, bilgilerini ve deneyimlerini bizlerle paylaşan ASHRAE Yüksek Performans Metrikleri Komite Üyesi, ODTÜ-MATPUM Danışmanı ve Başkent Üniversitesi öğretim üyesi Prof. Dr. Birol Kılkış’a teşekkür ederiz.

Kaynaklar

[1] Stein B., Reynolds, J. S.. Grondzik, T. W., Kwok, G. A., 2006, Mechanical and    Electrical Equipment   for Buildings, John Wiley and Sons Inc., Canada. 

[2] ASHRAE Fundamentals Handbook 1997, “Nonresidantial Cooling and Heating Load Calculation”, Part 26.

[3] Kılkış, B., 2009, “What is a High Performance Building and What is not? Description, Definitions and Basic Functions”, TTMD Journal, March-April 2009.

[4] Kılkış, Ş. 2009. Kılkış Ş. “A Rational Exergy Management Model for Sustainable Buildings to Reduce Compound CO2 Emissions” Proceed 40th Congress on HVAC&R – KGH, pp. 391-412.[5] Jalalzadeh, A., 2007, “A Comparison of Electrical and Thermal Load Following CHP System”, TTMD Journal, March-April 2007.