Yaklaşık Sıfır Enerjili Binalar (nnZEB)

23 Haziran 2011 | DOSYA 7. Sayı (Mayıs - Haziran 2011)

Dr. İbrahim Çakmanus Çakmanus Mühendislik Enerji San. ve Tic. Ltd. Şti.
Giriş
Bu çalışmada yüksek enerji performanslı net sıfır enerjili binalar (nZEB) ve yaklaşık sıfır enerjili binaların (nnZEB) ne olduğu, nasıl değerlendirilmesi gerektiği üzerinde durulmuştur. Her ne kadar üzerinde çok konuşulsa da net sıfır enerjili bina (nZEB) ve yaklaşık sıfır enerjili bina (nnZEB) kavramı tam olarak tanımlanmış ve içi doldurulmuş değildir. Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği, Enerji Kimlik Belgesi metodolojisi gibi hususlar da bu kavramları açıklamakta yeterli olamamaktadır. Bu durum, çoğu binanın nZEB gösterilmesine neden olabilmektedir. Örneğin iç yükleri çok yüksek olan bir bina birkaç PV panel konulmasıyla kolayca nZEB olarak sunulabilmektedir. Ancak yine de yüzde 10 civarında ilave masraf yapılarak yakın gelecekte gerçek anlamda nZEB binalar inşa etmek olanaklı olacaktır (Buradaki yüzde 10 ilave yatırım binada yenilebilir enerji üretimini de kapsamaktadır). Gerçekten de dikkatli bir tasarım ve optimizasyon yapılarak basit ve kabul edilebilir çözümlerle bu tip binaların yapılabilir olduğu görülmüştür. Şimdiye kadar yapılan tasarım ve uygulamalarda edinilen olumlu veya olumsuz derslere örnek olarak, bina cephelerinin sızdırmaz yapılmasıyla aşırı ısınma problemleri veya bazen de tam tersi, yetersiz ısıtma verilebilir.

AB Binalarda Enerji Performansı Direktifinde, nnZEB, yüksek enerji performansı ve düşük primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi olarak tanımlanmaktadır (Ülkemizde BEP Yönetmeliği’nde ilgili standartlar referans olarak verilmiş olmakla birlikte, bina sınıflarında müsaade edilen primer enerji dikkate alındığında A sınıfı binalar bile bu performanstan çok uzaktır). Bu tür binalarda binanın enerji ihtiyacının bir bölümü binada üretilen yenilenebilir enerjiden sağlanmaktadır. Net sıfır enerjinin anlamı binanın 0,0 kwh/m2yıl primer enerji (fosil tabanlı enerji) tüketimi, yaklaşık sıfır enerjinin anlamı ise binanın yaklaşık olarak 0,0 kwh/m2yıl primer enerji tüketimine sahip olmasıdır. Bu kavramlar binada hangi tip enerji akışlarının olduğunu ve nasıl bir primer enerji faktörü kullanıldığını da içerir. Bu ise sistem sınırlarının tanımlanmasını gerektirir. Öte yandan EPBD, 2018’den sonra inşa edilecek binaların yaklaşık sıfır enerjili binalar olmasını öngörmektedir.

Terimler ve Tanımlamalar
Net Sıfır Enerjili Bina (nZEB): Düşük primer enerji kullanan ve üretilen yenilenebilir enerjinin bir kısmını satarak, yıllık enerji bilançosunu sıfır yapabilen bir binadır. Bir başka ifadeyle burada net bilanço olarak primer enerji tüketimi yoktur.

Yaklaşık Net Sıfır Enerjili Bina (nnZEB): Primer enerji tüketimi >0.0 kwh/m2yıl olan binalardır. Bu, binada bir miktar primer (fosil tabanlı) enerji tüketildiği anlamına gelir.

Binaların Enerji Performans Standardı (EN 15316-1; 2007): Binaların tüm enerji kayıp ve kazançlarını tanımlayan bir standarttır.

Sağlanan Enerji (EN 15603; 2008): Sistem sınırlarından binaya giren gaz, elektrik gibi enerji miktarlarını tanımlamaktadır. Bu enerji binanın ısıtma, soğutma, havalandırma, sıcak kullanım suyu, aydınlatma ve cihazlar için kullanılır. Bu enerji binada yenilenebilir enerji kaynağından da üretilmiş olabilir.

Satılan Enerji (EN 15603; 2008): Bina içinde üretilen ve dışarı verilen enerjiyi ifade eder.

Net Sağlanan Enerji (EN 15603; 2008): Sağlanan enerjiden satılan enerjinin çıkarılması ile kalan enerjidir.
Primer Enerji: Yenilenemeyen (fosil) veya yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjidir.

CO2 Emisyon Katsayısı (EN 15603; 2008): Binanın tükettiği primer enerjiden kaynaklı CO2 salımlarını hesaplamak için kullanılan katsayı olup, yakıt cinsine göre değişir.

Sistem Sınırı: Enerji aktivitesini içine alan sınırlardır. Örneğin binanın oturma alanı.
Şekil 1’de yaklaşık sıfır enerjili bina için sistem sınırı ve net enerji girişini göstermektedir.
Net sıfır enerji performansı 0.0 kwh/m2yıl primer enerji tüketimini gerektirir. Yaklaşık sıfır enerji terimi ise aşağıdakileri de ihtiva eden primer enerji tüketimi > 0.0 kwh/m2yıl tanımını içerir. Burada

•    Kabul edilebilir düzeyde bir yatırım ile primer enerjinin azaltılması
•    Hangi oranda primer enerjinin yenilenebilir kaynaklardan karşılandığı
•    Tanımların kesinliği

gibi hususlar önemlidir. Şekil 1 dikkate alındığında Primer Enerji aşağıdaki gibi tanımlanabilir.
Burada,
E; :    Primer enerji tüketimi,
Edel,i:    i tipindeki enerji temini,
Eexp,i:    i tipinde enerji şatışı,
fdel,i:    i tipinde satın alınan enerjinin katsayısı,
fexp,i:    i tipinde satılan enerjinin  katsayısı.

Değerlendirme
Bir binanın ısıtma, soğutma, sıcak su, havalandırma, aydınlatma ve diğer yüklerden oluşan, hesaplanan enerji ihtiyacı ile bunları karşılamak üzere kullanılan ve ölçülen primer veya yenilenebilir enerji kaynakları Şekil 2’de görülmektedir.

AB’de bina standartları yaklaşık sıfır enerjili binaların yapımına doğru gitmektedir. Burada, bina sınırları içindeki spesifikasyonlar ve yapılacaklar EN 15603; 2008’de verilmiştir. Bu standart genel bir çerçeve olup, daha detaylı çalışmaların ülkeler bazında yapılması öngörülmektedir. Sistem sınırları içinde kayıplar eksplicit biçimde dikkate alınırken, sistem sınırı dışında dönüşüm faktörü (primer enerji dönüşüm faktörü) şeklinde dikkate alınır. Bu standart güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji sistemlerini enerji balansı için yardımcı enerji kaynağı olarak ele alır. Yenilenebilir enerji, binanın net enerji ihtiyacından çıkarılarak fosil yakıt tüketimi bundan sonra hesaplanır. Binada enerji tanımlamaları, bina sınırları ve enerji tüketim ilişkileri Şekil 3’te görülmektedir.

Enerji ihtiyacı, bina içindeki ısıtma, soğutma, havalandırma, sıcak su, aydınlatma ve diğer iç yükleri göstermektedir. Isıtma için enerji ihtiyacı ısı kayıplarından oluşmakta olup, güneş ve ısı kazançları ile bu değeri azaltmaktadır. Buradaki net enerji ihtiyacı=enerji ihtiyacı – ısı kazançları şeklinde hesaplanır.

Binaya sağlanan enerji elektrik sisteminden, doğalgaz sisteminden, bölgesel ısıtma, bölgesel soğutma, dışarıdaki bir yenilenebilir enerji sisteminden vb. sağlanabilir. Bu bağlamda standartta ısı pompaları da (kompresörde tüketilen elektrik enerjisi dikkate alınmalı kaydı ile) yenilenebilir enerji kaynağı sayılmaktadır. Öte yandan binada üretilen yenilenebilir enerji dışarı satılıyorsa, net alınan enerji= alınan enerji-satılan enerji olarak ele alınır.

Örnek:
Şekil 4’teki yaklaşık net sıfır enerjili (nnZEB) binayı ele alalım. Binanın Paris’te olduğu kabul edilirse kWh/m2 yıl olarak spesifik enerji tüketimlerinin aşağıdaki gibi olduğu kabul edilmiştir.

•    3,8 kwh/m2 yıl ısıtma için net enerji ihtiyacı (sıcak su ve havalandırma dahil)
•    11,9 kwh/m2 yıl soğutma için net enerji ihtiyacı
•    21,5 kwh/m2  yıl iç yükler için net enerji ihtiyacı
•    10,0 kwh/m2 yıl aydınlatma için net enerji ihtiyacı
•    5,6 kwh/m2 yıl havalandırma için net enerji ihtiyacı
 
Bu binada sezonluk verimi yüzde 90 olan bir kazan kullanılmaktadır. Soğutmanın, 1/3’ü toprak kaynaklı ısı pompası, kalanı ise bir chiller ile karşılanmaktadır. Isı pompasının sezonluk verim oranı 10, chillerin sezonluk verim oranı 3.5 alınmıştır. Havalandırmada spesifik fan gücü 1.2 kw/(m3 s) ile 5.6 kwh/m2yıl fan enerjisi alınmıştır. Burada 15.0 kwh/m2 yıl değerinde bir PV sistemi bulunmaktadır. Bunun 6.0 kwh/m2yıl kısmı binada kullanılmakta, 9.0’lık kısmı ise şebekeye satılmaktadır. Burada yüzde 90 verimdeki kazan 4.2 kwh/m2yıl yakıt enerjisi üretmektedir. Free cooling, mekanik soğutma, havalandırma, aydınlatma ve cihazlar için 35.8 2 kwh/m2  elektrik enerjisi kullanılmaktadır. 15.0 kwh/m2yıl değerindeki  güneş PV enerjisi dışarıdan satın alınan net enerjiyi 24.8 kwh/m2yıl kadar azaltmaktadır. Net sağlanan primer enerji (doğalgazın kalorifik değeri) ise 4.2 kwh/m2yıl’dır. Bu iki net sağlanan enerjinin toplamı 66 kwh/m2yıl olmaktadır.

Yaklaşık sıfır enerjili binaların temel özellikleri çok iyi yalıtılmış olmaları, hava sızdırmazlığı ve yazın güneş ısı kazançlarından çok iyi biçimde korunma şeklindedir. Kalan net enerji ihtiyacı ise yenilebilir enerji kaynaklarından karşılanabilir. Örneğin güneş enerjisi destekli (absorbsiyon cihazı kullanılarak) Thermally Activated Sistemlerin (bina gövde betonunu ısıl depo olarak kullanan yerden radyant ıstma ve soğutma sistemleri) düşük sıcaklıklı ısıtma ve yüksek sıcaklıklı soğutma şeklinde çalıştırılması burada önemli bir alternatiftir. Ancak burada havalandırma önemli bir enerji tüketim kaynağı olmaktadır. Bu ise havalandırma enerjisi temini ve ısı geri kazanımının çok iyi irdelenmesini gerektirmektedir. “Havalandırmada ısı geri kazanımı kullanımı ve enerjinin yenilenebilir kaynakları enerji talebini karşılayabilir mi?” sorusunun kesin bir cevabı yoktur. Ancak;

• Dışarıdan alınan dış hava ısı pompası gibi yenilenebilir bir enerji kaynağı ile ön ısıtma ve soğutma yapılabilir. Burada egzoz havası da ısı kaynağı olarak kullanılabilir ve bu daha verimlidir.
• Pencereler vasıtasıyla pasif güneş kazançları, insanlardan kazançlar, şebekeden alınan yenilenebilir enerji ısıtmada yenilenebilir enerji kaynakları olarak kabul edilebilir.
• Isı geri kazanım sistemi ile içerideki enerji bir çevrimde döndürülebilir.

Böylece havalandırma için ihtiyaç duyulan enerjinin yüzde 40’ından fazlası çok pahalı olmayan bir biçimde yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanabilir.

Şekil 5’te, yenilenebilir kaynaklar kullanılarak havalandırmadan yapılabilecek ısı geri kazanımı görülmektedir.   
nZEB binalarda binanın net enerji ihtiyacı azaldığı için toplam enerji verimliliği geleneksel binalara göre çok daha önemli hale gelmektedir. Bu nedenle entegre bina tasarımına ve binanın çevre ile daha uyumlu bir duruma getirilmesine ihtiyaç vardır. Diğer bir ifadeyle tasarım, enerji tasarrufundan enerji optimizasyonuna doğru kaymalıdır. Öte yandan Türkiye’de güneş radyasyonu ve güneşlenme süreleri fazla olduğundan, bu tür binalar iyi yalıtıldığından ve iç yükler giderek arttığı için aşırı ısınma tehlikesi çok yüksek olacaktır. Çünkü mart ayından ekim ayına kadar cam yüzeylerden içeri giren güneş radyasyonu yüzlerce W/m2’yi bulmaktadır. Burada mimaride uygun malzeme seçimi ve gölgeleme ilk adımdır. Kalan soğutma ihtiyacı aktif ve pasif sistemlerle karşılanabilir.

Isı pompası teknolojileri düşük enerjili binalar için uygun cihazlardır. Isı pompalarının performansı, ısıtma ve soğutma sistemlerine önemli ölçüde bağlıdır. Yenilenebilir enerji teknolojilerinin ve ısı pompalarının verimli biçimde çalıştırılabilmesi için sulu döşemeden düşük sıcaklıklı ısıtma, yüksek sıcaklıklı soğutma sistemleri günümüzde anahtar teknolojidir. Örneğin Şekil 6’da ısı pompalarının akışkan sıcaklığına bağlı olarak sezonluk performansı görülmektedir. Görüldüğü üzere ısıtmada, sistemde dolaşan su sıcaklığı düştükçe ısı pompasının performansı yüzde 50’ye kadar artmaktadır.

Enerji verimliliği bağlamında çoğu iklim bölgelerinde ve yılın çoğu zamanlarında dış havalandırma havası klima santrali içinde evaporatif soğutma ile soğutulabilir. Bu durum hem havanın neminin yükselmesini önler hem de enerji ekonomisi sağlar.

Sonuç
Yukarıda açıklandığı üzere AB 2018’den sonra yeni binaların net sıfır enerjili (nZEB) binalar olmasını hedeflemektedir. Yine açıklandığı üzere bu binaların yapılması çok büyük yatırımlar gerektirmemektedir. Bu bağlamda, bina kabuğunun performansının artırılması (ısıtma, soğutma ve havalandırma yükleri minimize edilmeli), kalan yükler için free cooling, ısı geri kazanım, ısıl depolama, doğal havalandırma, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması, yüksek verimli HVAC sistemleri kullanımı, test, ayar, dengeleme vb. yapılması gerekir. Bütün bunlar HVAC sistemlerinin kapasitelerini düşürdüğü için böylesi binaların ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olacağı şeklindeki değerlendirmeler doğru olmamakta, buradaki ilk yatırım maliyeti artışı yüzde 10 mertebesini geçmemektedir. Ayrıca CO2 salımları minimize edildiği için bu binalar çevre dostu binalar olurlar.

Kaynaklar
[1] ASHRAE Standard 90.1, Energy Standard of the Buildings.
[2] EN 15603; 2008 Energy Performance of the Buildings- Overall Energy Use and Definition of Energy Ratings.
[3] Kurnutski vd, “How to Define Nearly Net Zero Energy Buildings”, Rehva Journal, May 2011.
[4] Handel C, “ Ventilation with Heat Recovery is a Necessaty in Nearly Zero Energy Buildings”, Rehva Journal, May 2011.

 

---

R E K L A M