Kentsel tasarımda güneş enerjisinden optimum yararlanma konusunda bir araştırma ve İstanbul`da çeşitli uygulama örnekleri

Abstract

- Ill - ÖZET Son yıllarda tüm dünyada ortaya çıkan petrol bunalımı, giderek bi lim adamlarını, yeni enerji kaynakları arayışına zorlamış ve böylece alı şılmamış birçok enerji kaynağı ile birlikte güneş ener j isinden yararlanma konusu yeniden güncellik kazanmıştır. Bugün birçok teknolojik alan dışın da, konutların da enerji gereksinimini güneş enerjisinden aktif ve pasif sistemlerle karşılama çabaları sürdürülmektedir. Bu konuda, özellikle ülkemizde, yapılan çalışmalar henüz uygulama aşamasının başındadır. Bu çalışmada, geleneksel planlamanın özü aynı kal mak koşuluyla, güneş ışınımından optimum yararlanabilmek açısından kent planlamasına getirilecek yenilikler ve bu konu ile ilgili üç ayrı imar planı uygulaması örneği üzerinde yapılan bir araştırma yeralmaktadır. Tez girişle birlikte dört bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde, kentsel tasarımda bölge özelliklerine en uyumlu çözümün gerçekleştirilmesi ve böylece konfor koşullarının sağlanmasında kullanılacak ek enerji kaynaklarının en aza indirilmesinin amaçlandığı belirtilmektedir. Birinci bölüm, konunun tanıtımı ve ülkemiz için önemini içeren dört kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda, kent planlamada ek harcamaya gerek göstermeyen, çoklukla geleneksel planlama için saptanan yoğunluğu sağlayabilen, ancak düzenlemedeki farklılıklarla yararlanılabilecek ve böylece konfor koşul larını sağlamada ek ısıtma ve soğutma yükü harcamalarını en aza indire bilecek, güneş enerjisinden yararlanma konusunun önemi hatta zorunluluğu anlatılmaktadır. İkinci kısımda güneş enerjisinden yararlanmanın tarihsel gelişi minden ve mimarlık alanında, bu konudaki ilk çalışmalardan sözedilmektedir. Üçüncü kısımda umutla bağlanılan güneş, tanıtılmakta ve bilimsel araştırmaların sonuçlarına dayanılarak, güneşin 4 milyar yıl daha enerji kaynağı olmaya devam edeceği belirtilmektedir. Bu bölümde özetle; Güneşin yapısı nasıldır, enerjisi ne kadardır, güneş ışınımının değişiminde ne gibi etkenler rol oynamaktadır, Türkiye güneş ışınımların dan yararlanabilme açısından yerküre üzerinde nasıl bir konuma sahiptir? sorularının yanıtları yeralmaktadır. Bölümün sonunda birinci bölümün içeriğinden elde edilen sonuçlar yeralmaktadır. İkinci bölüm de, güneş etkisine bağlı kentsel tasarım ve yerleşim alanının seçimi, binaların ve kentlerin yönlendirilmesi, ulaşım akslarının düzenlenmesi, binaların göreli konumlarının belirlenmesi, binaların bi-- IV - çîmlendirilmesi ve kent strüktiiriinün belirlenmesi, kent planlamada güneş r enerjisinin optimizasyonunda arazi düzenlemenin etkilerinden oluşan `gü neş etkisine bağlı kentsel tasarım parametreleri` tanıtılmakta ve her bi rinin yerleşim üzerindeki güneş ışınımı etkisinin optimizasyonımdaki yeri konu edilmektedir. Doğal olarak, yeni bir kent ya da mevcut kentlerin gelişiminin plan lanması öncelikle yerleşim için uygun alan seçimi ile başlar. Güneş etki sine bağlı kentsel tasarımda amaç, bulunulan iklim bölgesinde iklim ve iklimin en önemli elemanı olan güneşin bölge üzerindeki etkilerini opti mize etmek olduğundan, yerseçiminden arazi düzenlemeye değin tüm tasarım parametreleri, ülkemiz için saptanan beş iklim bölgesi için ayrı ayrı etüd edilmiştir. - - İkinci bölümün birinci kısmında, iklim bölgeleri tanıtılmış ve yerleşim alanının seçiminde rolü olan etkenler ve bunların farklı iklim bölgelerinde yerseçimindeki rolleri açıklanmıştır. Yönü ve eğim yüzdesi ile topografik düzen, yerleşim alanının seçiminde en önemli etkendir. Farklı yönlere eğimi olan arazilerin güneş ışınımlarından yararlanma ola nakları farklıdır. Bulunulan iklim bölgesine göre, atmosfer koşulları, mevcut bitki örtüsü, küçük ya da büyük su kitleleri ve yükselti de yerle şim alanının seçiminde önemli rol oynamaktadır. Tüm bu etkenler yanında arazi formasyonunun dolaylı etkisi ile oluşan rüzgarların da yerseçimin deki rolleri belirtildikten sonra, birinci kısmın sonunda, farklı iklim bölgeleri için, yeri eşil ebilecek en uygun arazi konumları ve ılımlı-nem- li iklim bölgesi için bir uygulama çalışması yeralmıştır. Güneş etkisine bağlı kentsel tasarımda ikinci aşama, binaların do layısıyla kentlerin optimum yöne açılmasını sağlamaktır. Binaların yön lendirilmesi, en çok kullanılan hacimlerinin, en sıcak dönemde an az, en az sıcak dönemde de en fazla güneş ışınımı alacak yöne açılması demektir. Kentin optimum yöne açılmasını sağlamak için, öncelikle uygun yer seçmek gerekmektedir. Daha sonra kentin strüktürünü oluşturan ve en önemli kent sel tasarım parametresi olan ulaşım akslarının uygun düzenlemesi de, ken tin iyi yönlendirilmesini kolaylaştıracaktır. Bu görüş açısından hareket le ikinci bölümün ikinci ve üçüncü kısımlarında ulaşım aksların düzenlen mesi ve binalar ve kentlerin yönlendirilmesi konusu incelenmiştir. Deği şik iklim bölgelerinde binaların yönlendirilmesini etkileyecek ulaşım akslarının doğrultularının ne şekilde olması gerektiği belirtilmiş ve mevcut yerleşimlerdeki uygun doğrultuda olmayan ulaşım akslarına bitişik parsellerde bina yönlendirilmesi için pratik çözümler önerilmiştir. Soğuk iklim bölgelerinde ve ılımlı iklim bölgelerinde en sıcak dö nemler dışında, güneş ışınımlarından her zaman yararlanmanın sözkonusu ol duğu rahatlıkla söylenebilir. Ilımlı iklim bölgelerinde, he Cûrbusier'in de sözünü ettiği gibi en az sıcak dönem koşullarını dikkate almak ve ge rekiyorsa en sıcak dönemde binada alınan önlemlerle güneş ışınımlarından korunma yoluna gitmek, daha önemli olmaktadır. Bu da binaların göreli ko numlarının uygun bir şekilde belirlenmesi, dolayısıyla güneş ışınımına en fazla gerek duyulan ancak, binaların ya da her türlü engelin gölgesinin en uzun olduğu 21 aralıkta güneş ışınımlarından yararlanabilmeyi sağlamakla gerçekleştirilir.- V - İkinci bölümün beşinci kısmında, binaların biçimlerinin iklimlere göre güneş ışınımlarından yararlanmaya etkileri ve her iklim bölgesi için yeğlenen kent strük- türlerinden sözedilmektedir. Farklı iklim bölgelerinde yeralacak binaların en uygun biçimleri bilim adam larınca değişik yöntemlerle saptanmış ve kütle etkisinin ısı kazanç ve kayıplarını en aza indirdiği, yüksek apartmanlarda ısı kayıplarının az, buna karşın ince ve yük sek yapıların kalıcı gölgelerinin uzun ve alçak binalara oranla daha az olduğu or taya konmuştur. Ayrıca soğuk iklim bölgelerinde, kareye yakın biçimlerin uygun ol ması dışında, öteki iklim bölgelerinde, ancak iklim bölgesine göre değişik oranlar da olmak koşuluyla doğu-batı aksında uzun olan binaların en avantajlı biçim olduğu sonucuna varılmıştır. Sıcak iklim bölgelerinde rüzgara açık ancak oldukça gölgelenmiş, soğuk iklim bölgelerinde ise, güneş ışınımlarından en fazla yararlanmayı sağlayan hakim rüzgara kapalı kent strüktürleri yeğlenmelidir. Ilımlı iklim bölgeleri ise, güneş etkisine bağlı kentsel tasarım ölçütleri dikkate alınmak koşuluyla,,değa ile kaynaşmaya olanak sağlayan serbest.planlamaya,.en uygun bölgelerdir., Bu bölümde son olarak, gölgeleme elemanları, yansıtıcılar, nemlendiriciler, rüzgar kırıcı ve yönelticileri ile arazi düzenleme araçları ve bunların kentsel ta sarımdaki rolleri tanıtılmıştır. Arazi düzenleme çalışmaları, yer seçiminde uygun yöne açılan arazi parçalarında bütünlük sağlamak amacıyla topografyanın düzenlenmesinden, rüzgar yönünü değiştirmek için arazi üzerinde tepecikler oluşturmaya kadar birçok alanı içermektedir. Bunlar arasında en önemlisi, binalardaki ısı kayıplarına etkisinin fazla olduğu bilinen ha kim rüzgarın yönünü değiştirmek ya da etkisini azaltmaktır. Diğer önemli konu ise, yerleşim üzerindeki güneş ışınımını etkileyecek engellerin istenilen koşulları sağ lamaya yönelik olarak yerleştir ilmesidir. Bölümün sonunda ikinci bölümün içeriğinden elde edilen sonuçlar yeralmakt-adır. Kentsel tasarımda güneş ışınımlarından optimum yararlanma konusu bu şekilde ta nıtıldıktan sonra, son bölümde, kentsel tasarımın tüm parametrelerini içermemekle birlikte, konunun önemini vurgulamak için, kentsel tasarım ölçütlerinin gözetildiği bir uygulamanın, güneş ışınımlarından yararlanmadaki katkısı bir araştırma ile or taya konmak istenmiştir. Bu amaçla ilk olarak, İstanbul il sınırları içerisinde üç ayrı imar planı uy gulamasına örnek olarak seçilen, Nişantaşı (bitişik nizam), Yeşilyurt (ayrık nizam) ve Kadı köy -Erenköy ' de (KAKS -1.8) birkaç yapı adasından oluşan inceleme birimlerin de mevcut ve imar planına göre gelecekteki durumları belirlenmiş ve her birim için kritik gölgenin sözkonusu olduğu 21 aralıktaki gölge durumları araştırılmıştır. Da ha sonra farklı esaslardan hareket edilerek yapılan üç ayrı yeni düzenleme için gölge durumları belirlenmiş ve güneş ışınımı etkileri dikkate alınarak yapılan düzen lemelerin güneşlenme durumlarındaki farklılıklar sayısal değerlerle belirlenmiştir. Böylece imar planlarının uygulamalarında kullanılan yönetmeliklerin yetersiz oldukları ortaya konulmuş, güneş enerjisinden yararlanma konusunda bu üç tür yer leşimin daha olumlu duruma nasıl getirilecekleri araştırılmıştır. Çıkarılan sonuç lar İstanbul için geçerli olmakla birlikte, aynı yöntem her kent için kendi para metreleri gözönünde tutulmak koşulu ile uygulanabilecektir. Yukarıda açıklanan amaç doğrultusunda geleneksel planlamanın özü aynı kalmak koşuluyla güneş enerjisinden optimum yararlanabilmek açısından imar planı tasarımcılarının dikkat etmesi gere ken hususlar ortaya konulmuş bulunmaktadır.

SUMMARY Oil crisis of the recent years has forced the scientists, all over the world, to search for new sources of energy. Thus along with other unexploited sources of energy, exploitation of solar energy has once again gained immediate attention. Apart from technological fields there is an endeavour, today, for the use of solar energy, by means of active and passive systems, for the energy requirements ^ of habitations. The research that is being carried out in our country on the subject is only at the beginning of the application phase. In the present work, certain new ideas on city planning are presented in order to obtain optimum benefit from sunlight, without altering the fundamental character of traditional planning, and a research on the application projects of three seperate reconstruction plans is included. The thesis is composed of four parts including the introduction. In the introduction, realisation of the Urban project most suitable for regional characteristics, and the minimization of additional energy sources to be used in order to supply modern accomodations have been presented. The first part is composed of four sections that cover the exposition of the subject and its importance for our country. In the first section, the importance of exploiting solar energy which does not impose additional expences or considerable alterations on the densely planned traditional projects- VII - but which can be used by taking advantage of the differences of building positions and which can minimize the expences of heating and cooling needed for modern accomodations has been explained and the necessity of exploration of solar energy is emphasized. In the second section, the historical development of the use of solar energy and the first architectural studies on the subject have been mentioned. In the third section, a further examination of the sun has been made in the light of scientific research, and in the same light it is proven that the object of our expectations, the sun, has the capacity of supplying us with energy for five billion years to come. * In this section briefly} The structure of the sun, its energy potential, the forces that can alter its rays, the position of Turkey on the globe and its possibilities of benefiting from sun rays have been explored. At the end of the section, the conclusions derived from the contents of the first part have been presented. In the second part, city planning in accordance with the sun and the selection of habitation areas, orientation of the cities, regulation of transportation problems, determination of the city structure and `The parameters of city projects in accordance with the sun` which consist of landscaping in city planning for the optimization of solar exploitation have been introduced and the importance of each on the optimization of solar energy has been indicated.-VIII- Planning of a new city or development of a present one, naturally starts with selection of a suitable area. As the object of city planning in accordance with the sun is to optimize the effect of the sun on a particular area, all the project parameters from the selection of the area to land adjustments have been studied for the five climate regions of our country. In the first section of part two, the various climate regions have been presented and different factors that effect the selection of areas in each climate regions have been explained. Topographic layout with direction and ratio of slope is the most important factor in the selection of habitation areas. Areas with various direction of slope have different possibilities of benefiting from sun rays. Atmospheric conditions, vegetation, natural water resources (sizes of lakes and rivers), elevation of each climate region play an important part in area selection. Together with all these factors mentioned, the role of air circulations and winds, indirectly effected by the land formations, on the area selection has been indicated. At the end of the first section the most favourable habitation areas for various climate regions have been specified and an application study for a moderately humid climate region has been presented. The second important step in city planning in accordance with the sun is to insure the most favourable orientation of the buildings, and inturn cities to obtain optimum sun rays. Host favourable orientation means having the most habited spaces situated so as to get the least sun rays in the hottest season and the most in the coolest period. It is imperative to select the most favourable area in- IX - order to obtain optimum orientation. Next step is the proper arrangement of the streets which is the most important design parameter that form the city structure. This arrangement will constitute another important factor of proper orientation of a city. From this standpoint, in the second and third sections of part two, questions of arrangements of streets and orientation of buildings and cities have been explored. Composition and direction of streets that influence the orientation of the cities have been indicated and practical solutions have been suggested for building orientation for the lots next to the unsuitably oriented streets in the present habitation centers. It can be easily stated that moderate and cool climate regions can profit from sun rays even during the coolest periods. As it has been stated by Le Corbusier, it is more important to consider the hottest periods in the moderate climate regions and to take precautions to protect the buildings from sun rays during this period. This can be achieved by determining the relative positions of the buildings suitably and by assuring the benefit of sun rays when they are most needed, that is on 2lst December when shades of buildings and other obstacles are the longest. In the fifth section of part two, the effect of the designs of buildings on the possibilities of benefiting from sun rays and the preferable city structures for each climate region have been presented. Most suitable shapes of buildings for different climate regions have been determined by scientists and the fact that mass effect minimizes heat gain and loss, and that-X - thin and high buildings have less durable shades in comparison with low and wide ones has been proved. It has also been concluded that for the cool regions square buildings are more suitable and for other climate regions, in proportion with the climate, buildings with higher east-west axes are more advantageous. In warm climate regions city structures may be relatively shady and exposed to the wind, but in cool regions they should not be exposed to the wind and maximum access to the sun rays should be insured. In moderate climate regions relatively free planning which can best harmonize with nature, within the boundaries of city planning in accordance with the sun, can be used. Finally in this section, shading elements, reflectors, wind breaks and orientators and landscaping equipments and their role in city planning have been presented. Landscaping comprises many different fields from topography leveling in order to obtain a unity of land plots, to forming small hills to change the direction of the wind. The most important of these, is to change the direction of the wind or to decrease its effect which plays a very important role in heat loss of buildings. Another important point is the suitable arrangement of obstacles that may block sun rays in the habitation area. Conclusions of the contents of part two have been presented at the end of the second part. Following the presentation of the importance of optimum use of sun rays in city planning projects, the last part of the thesis deals with all the parameters of city planning and to emphasize the importance of the subject} a research has been presented to demonstrate how a project where city- XI - planning criteria has been taken into consideration, can contribute to draw maximum benefit from sun rays. To further demonstrate the point three construction systems used in Istanbul have been chosen; Nişantaşı (continuous row system), Yeşilköy (detached system) and Kadıköy-Erenköy (flat area/no of storeys = 1.8). In these districts units composed of a few building blocks have been examined in their present condition and their future states according to the present construction plan have been determined. The state of these units of three different construction systems on the 21st of December when the most critical shadows fall, has been examined. The three construction systems mentioned above have been examined again but in a new arrangement plan where different principles were used and shade conditions determined and the difference of planning in which the effects of sun rays is taken into consideration has been presented in mathematical values. Thus revealing the inadequacies of the present application regulations of city planning, positive changes than can enable these three systems to profit from solar energy have been examined. Although the results drawn are valid for Istanbul, they can also be applied in any city by taking each of their specific parameters into consideration. In accordance with the objectives mentioned above the important points that should be taken into consideration by the city project designers, in order to obtain optimum profit of solar energy, within the boundaries of traditional city planning, have been presented.