Enerjinin yeterli, zamanında, ekonomik, güvenilir ve temiz olarak sağlanması, günümüzde ülkelerin gelişmişlik düzeylerini belirleyen en önemli göstergelerden biridir. Yapay ışığın bulunması, bilim tarihinde insanlığın modern hayata geçişinde rol oynayan en önemli unsurlardan biri olarak kabul edilir. Doğal aydınlatma kullanımı, enerji verimliliği kapsamında özellikle son 10 yılda inşa edilen yapılarda ön plana çıkmaya başlanmıştır. Doğal ışığın var olduğu zamanlarda aydınlatma gereken mekânlarda kullanımı büyük ölçüde enerji tasarrufu sağlayacaktır. Doğal aydınlatma sistemleri ile uyumlulukları ve enerji kullanımındaki verimliliğinin artırılması yönelik çalışmalar günümüzde hız kazanmaktadır. Bu kapsamda düşük enerji tüketimleri, ışık akısı verimlilikleri ve uzun süre aynı ışık akısı değerlerini koruyabilme özelliği ile LEDler öne çıkmaktadır.
1.Giriş
Günümüzde tüketilen enerjinin yaklaşık %35inin binalarda kullanıldığı belirtilmektedir. Bu durum binalardaki enerji kullanımının ve verimliliğinin oldukça önemli olduğu göstermektedir. Yapı tasarımında çevre verilerine bağlı yöntemler kullanılırken, malzeme seçimi ve yapıya entegre edilecek sistemlerle, yapıda gereksinim duyulan enerjinin üretimine katkı da sunulmuş olacaktır. Avrupa ülkelerindeki mevcut binaların Avrupann 2050 yılında binalarda kullanacağı enerjinin 2/3ünü tüketeceği tahmin edilmektedir [1]. Aydınlatma konusunda enerji tasarrufu sağlamak amacıyla, doğal ve yapay ışık kaynaklarının birlikte kullanılması, yapay aydınlatma kontrolünün önemini artırmıştır. Yapara göre [9]; Tüketilen elektrik enerjisinin endüstriyel işletmelerde %20si, mağazalarda %30u, ofislerde ise yaklaşık %40ı aydınlatma amaçlı harcanmaktadır. Aydınlatmanın enerji tüketimi ve enerji harcamalarındaki payı ısıtma ve soğutma sistemlerinden sonra en büyük kalemi oluşturmaktadır. Modern anlayışla oluşturulan binalarda aydınlatmaya harcanan elektrik enerjisinin %50 civarında olduğu göz önüne alınırsa aydınlatmada enerji tasarrufunun önemi daha iyi anlaşılır. Bu bakımdan, uygun yapay aydınlatma kontrol sistemlerinin mekân içinde kullanımının, hem kullanıcı için gereken iyi görme koşullarını oluşturacağı, hem de enerji tasarrufu sağlayacağı unutulmamalıdır [2].
Yüzyıllar boyunca binaların biçimlendirilmesinde gün ışığından yararlanma amacı etkin rol oynamıştır. Elektrik enerjisi, teknolojik gelişmeler sonucunda aydınlatma amacıyla kullanılmaya başlamış ve yaygınlaşmıştır. Bu nedenle gün ışığının etkin kullanımı ve aydınlatma enerjisi tüketiminin azaltılmasına yönelik çözümlerin üretilmesi günümüz mimarlığının en önemli konularından bir tanesi haline gelmiştir [3]. İnsanlar, çeşitli şartlardan dolayı kapalı hacimlerin içine girdikçe yaşamını burada da dış ortamdaki konfor koşullarında sürdürebilmek için çeşitli arayışlara girmişlerdir. Bu noktada öncelikle gün ışığına bağımlılıktan dolayı pencere gibi yapı elemanlarına ihtiyaç duyulurken, teknolojinin gelişimiyle yapay ışık kaynakları ortaya çıkmıştır [4]. Binaların gün ışığı ile aydınlatılması genellikle pencereler veya çatı ışıklıkları kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu yöntemlere ek olarak günümüzde görsel konfor koşullarını ve enerji tasarrufunu sağlamak amacıyla ışık rafları, ışık tüpleri ve çeşitli özelliklere sahip cam türleri gibi teknikler geliştirilmiştir. Bu şekilde belirlenen uygun yöntemlerle binalara alınan günışığı miktarının artırılması, ancak uygun bir kontrol sistemi ile gün ışığı-yapma ışık entegrasyonu sağlandığında görsel konfor ve enerji tasarrufu açılarından optimum sonuç verecektir [3]. Günümüzde doğal aydınlatmanın tüm özelliklerini bünyesinde tutan bir aydınlatma elemanı henüz bulunmamaktadır. Bu nedenle, gözü yormaması gibi üstün özelliği ile de mekanlarda mümkün olduğunca doğal aydınlatma tercih edilmelidir [5]. Doğal ışığın var olduğu zamanlarda aydınlatma gereken mekanlarda kullanımı büyük ölçüde enerji tasarrufu sağlayacaktır. Bu çalışma ile aydınlatma amaçlı kullanılan enerjiden tasarruf etmek amaçlanmıştır. Bu kapsamda son yıllarda dahili aydınlatma projelerinde kullanılmaya başlanılan ışık boruları ve LED hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca ışık borusu LED konfigürasyonlu Türkiyeden ve dünyadan başarılı dahili aydınlatma uygulamalarına yer verilmiştir.
2. Işık Boruları ile Aydınlatma
Doğal aydınlatma sistemleri, oda içindeki gün ışığı dağılımını düzenlerler ve direkt gelen güneş ışığını kontrol ederek çalışma düzleminde gereken aydınlık düzeyini sağlarlar. Bu sistemler, pencereden giren güneş ışığı miktarını artırmaz. Amaç sadece güneş ışığının kullanım verimini artırmaktır. Güneş ışığının insan bünyesi üzerinde fizyolojik ye psikolojik pozitif katkıları vardır. Doğal aydınlatma ile aydınlatılan ortamlarda bireylerin çok daha verimli oldukları gözlemlenmiştir [5].
Işık boruları, ışığı binaların içlerindeki güneş ışığı girmeyen yerleri aydınlatmayı sağlayan boş bir tüp olarak tanımlanabilir. Ticari olarak elde edilebilen ışık borularının çapları aydınlatılacak yerin büyüklüğüne göre 200 mm ile 1500 mm arasında değişirken, uzunlukları ise 9 mye kadar olabilmektedir. Çatı penceresi ve pencerelerle karşılaştırıldığında daha az ısı iletimi vardır. Aydınlatmaya ek olarak, doğal veya mekanik havalandırma sistemlerine sahip ışık boruları da mevcuttur [4, 6].
Işık tüpleri, 2 farklı şekilde tasarlanmaktadır (yandan ışıyan ve uçtan ışıyan ışık tüpleri). Yandan ışıyan ışık tüpleri, çatıya ya da yapının dışına, güneşi takip edecek şekilde monte edilen ve gün ısısını yoğunlaştırmak için kullanılan bir heliostat ünitesi, toplanan ışığı tüpe iletmek için tüpün giriş kısmına yerleştirilmiş ikincil bir ayna ve ışığı iletmek için kullanılan bir ışık borusu olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Bu sistemler, ışığı bir çekirdekte ve binanın tüm katlarına hizmet verecek şekilde tasarlandıkları için gün ısısını bina içine almadan önce yoğunlaştırmaya ve güçlendirmeye ihtiyaç duyulmaktadır [3]. Şekil 1ada yandan ışıyan ışık borusu, 1bde uçtan ışıyan ışık borusu görülmektedir.
Şekil 1. a) Yandan Işıyan ışık borusu. b) Uçtan ışıyan ışık borusu.
Uçtan ışıyan ışık tüpleri ise genellikle tek katlı binalarda uygulanan çözümler ki, bu örneklere dünyanın farklı yerlerinde sıkça rastlamak mümkündür. Üç ana bölümden oluşan bu tipin ilk bölümü, polikarbonat ya da akrilikten meydana gelen saydam bir kubbedir. Güneşin zararlı ışınları olan ultraviyole ışınlarını süzerken, tüpün içine toz ve suyun girmesini engellemektedir. İkinci kısım, ışık tüpü, iç içe geçen tüplerden oluşturulmuştur. Işığın iç mekana yayılmasını sağlayan bir aydınlatma aygıtı veya dağıtıcı ünite ise sistemin üçüncü bölümünü oluşturmaktadır [3]. Güneş ışığının ortama verdiği ısı boru ile üretim sürecinde dışarı alınır. Sonuç, serin bir aydınlatma yöntemidir. Güneşin en tepede olduğu saatlerde, geleneksel bir binada, iklimlendirme için maksimum elektrik sarf edilir. Oysa güneşin en tepede olduğu saatlerde ışık borusu sisteminin en verimli saatleridir ve iklimlendirme çalışma mekanizması ayarlanarak, fazla elektrik masraflarından kaçılabilir [5].
3. LED Armatürlerin Aydınlatmada Kullanımı
Ev aydınlatma sistemlerinde güç tüketiminin dünya enerji tüketiminde önemli bir yeri vardır [7, 8]. Bundan dolayı son yıllarda, bina içi aydınlatmalarında enerji tasarrufuna gitme eğilimleri artmıştır [9]. Enerji tasarrufu açısından yüksek parlaklıkları ile HP-LEDler daha elverişlidir ve geleneksel flüoresan lambaların yerini almaktadır [10]. LEDin teknolojik gelişimi son 40 yılda sürekli olarak artmaktadır. Esas olarak ışık ekstraksiyonunda, iç ve dış kuantum etkilerde, dönüşüm etkinliğinde ve bileşik yarı iletkenlerin yapısında iyileştirilmeler yapılmıştır [11]. Dolayısıyla, HP-LED aydınlatmalar akkor halojen, flüoresan ve gaz/ark lambalara ve katı-durum ışık kaynaklarına göre pek çok potansiyel yarar sağlamakta olup, yeni nesil tarafından muhtemelen en yaygın kullanılacak aydınlatma olacaktır [12, 13].
Aydınlatma sektöründe insan sağlığına da önemli ölçüde etkileri olan gıda alanlarının aydınlatılmasına da çok titizlik gösterilmelidir. LEDli armatürler ile gerçekleştirilen aydınlatma, mağaza raflarına, gıda maddeleri ve diğer bozulabilen ürünler de dahil olmak üzere her türlü üründen birkaç milimetre uzağa rahatlıkla yerleştirilebilmektedir [16]. Şekil 2de LEDli dahili aydınlatma uygulamaları görülmektedir.
Şekil 2. LEDli dahili aydınlatma uygulamaları.
Günümüz teknolojisinde LEDlerin birim güç başına sağladığı ışık akısı flüoresan armatürlerin 2 katına akkor flamanlı lambaların ise 10 katına ulaşmıştır. Bu yüksek verim oranı LEDlerin aydınlatma alanında kullanımının hızla yaygınlaşmasına yol açmıştır [14]. Geleneksel aydınlatma elemanlarının çoğunda görünür ışık, ****l flamanların ısıtılmasıyla veya bir gaz boşalmasındaki morötesi ışımanın görünür ışığa dönüştürülmesiyle ortaya çıkan bir yan üründür. LEDlerde ise bunun aksine, elektrik akımı, ışık vermesine neden olacak şekilde katı bir kristal içerisinden geçirilir [15]. Şekil 3te LEDli harici aydınlatma uygulamaları görülmektedir.
Şekil 3. LEDli harici aydınlatma uygulamaları.
LED aydınlatma sistemleri bunların dışında; ofislerde, toplantı salonu ve lobilerde, mağaza ve vitrin aydınlatmasında bina cephelerinin aydınlatılmasında, ışıklı reklam panolarında, yönlendirme tabelalarında, solar sistemle birlikte işaret levhaları gibi birçok farklı alanlarda kullanılmaktadır [17].
4. Işık Borusu & LED Aydınlatma Uygulamaları
Güneş ışığı, son derece yüksek bir konfordur. Bu ışık, yapıların güzel görünmesini sağlar ve iş verimini artırabilir. Binalardaki doğal ışık, elektrik kullanımını azaltmaktadır. Elektriğin az tüketilmesi ile de çevre kirliliği azaltılmış olmaktadır. Bu faydası bile sadece kendi başına binalarda doğal ışığın kullanılması için çok önemli faktördür. Bugün elektroniğin getirdiği çeşitli olanaklar doğal aydınlatmanın kullanımı sırasında pek çok seçenek sunmakta, farklı aydınlatma düzenlerinin yaratılmasını da olanaklı kılmaktadır. Yaşam niteliği ve insan psikolojisi açısından da hoşa giden bu durum enerjinin uygun kullanımı yönünden de önem taşımaktadır [5]. Şekil 4te Passivent firması Sunscoop gün ışığı difüzörü & LED aydınlatma armatürü görülmektedir.
Şekil 4. Işık borusu ve LED kullanılarak tasarlanmış aydınlatma armatürü [18].
Işık borularından gelen gün ışığını iç mekana üniform bir şekilde yaymak amacı ile tasarlanmış ürün, UV filtreli polikarbon malzemeden 3 mm kalınlığında imal edilmiştir. 350 mm çapında olan armatürde 18 W multi çekirdek power LED vardır. Armatür U-v değeri 2.2 W/mKdir. Ayrıca aydınlık sensörü, PIR sensör ve aydınlık kontrolörü bulunan armatür ile aydınlatmada yüksek oranda tasarruf amaçlanmıştır. Yansıtma katsayısı en az %98 ışık boruları ile kullanılan armatür düşük ışık kaybına sahip ve 25 yıl garantilidir [18]. Şekil 5ada Solatube Daylighting System eko ev uygulaması, 5bde Milanoda drama okuluna uygulanan proje görülmektedir.
Şekil 5. a) Solatube Daylighting System eko ev uygulaması. b) Milanoda drama okuluna uygulanan proje.
Aydınlatma kontrolü, mekânın fiziksel özelliklerine bağlı olarak doğal aydınlatma ile ya da ışık kaynaklarının bir takım özelliklerinde değişiklik ya da ekler yapılarak yapay aydınlatma ile sağlanabilir. Yapay aydınlatma kontrol sistemini oluşturan elemanlar, aydınlatma kaynaklarının yanında; hareket, gün ışığı, ısı algılayıcıları (sensörleri), dimmerleme (karartma) birimleri, zaman anahtarları (zamanlayıcılar) ve bilgisayar kontrol birimleri şeklinde sıralanabilir [2]. Şekil 6ada Budapeşte Saliris Hotel SPA ve Konferans Salonu uygulaması, 6bde Los Angeles Uluslararası Havaalanı uygulaması görülmektedir.
Şekil 6. a) Budapeşte Saliris Hotel SPA ve Konferans Salonu uygulaması. b) Los Angles Uluslararası Havaalanı uygulaması.
Gün ışığı tasarımlarında ve araştırmalarında günışığı aydınlık değeri temel bir unsur olmaktadır. Gün ışığı aydınlık değerlerinin ve bunların iç mekanlarda dağılımının bilinmesi, binanın enerji etkinliği ve görsel konforunun da değerlendirilmesi açısından önemlidir. Bu amaçla, çeşitli tasarım araçları önerilmiştir. Bunlar, çeşitli standartlar, matematiksel hesaplama yöntemleri, bilgisayar programları ve maket yapımıdır [19]. Şekil 7ada İskoçya/Borders Hastanesi ofis aydınlatma projesi, 7bde Hindistanda DLPS firması fabrika aydınlatma projesi görülmektedir.
Şekil 7. a) İskoçya/Borders Hastanesi ofis aydınlatma projesi. b) Hindistanda DLPS firması fabrika aydınlatma projesi.
Yapay ışığa ihtiyaç duyulan iç mekânlarda, kullanıcının mekân içinde bulunduğu saatler ve mekânın doğal aydınlatmadan yararlanabildiği saatler göz önünde bulundurularak, kontrol sisteminin programlanmasıyla yapay aydınlatma otomatik olarak kontrol edilebilir. Böylece insan eliyle kontrol edilen aydınlatmada karşılaşılan problemler ortadan kalkar. Doğal aydınlatmayla birlikte kurgulanan aydınlatma senaryolarıyla aydınlık düzeyi, günün her saatinde istenilen düzeyde tutulacağı için elektrik enerjisinden tasarruf edilmiş olur [2].
5. Değerlendirme ve Sonuç
Doğal aydınlık, hem yapay aydınlatmaya ihtiyaç bırakmaması yönünden enerji tasarrufu hem de kullanıcılar üzerindeki olumlu etkileri sebebiyle önemli bir yere sahiptir. Doğal ışık görsel konfor koşullarını önemli derecede iyileştirmektedir. Müşteri anket ve araştırmaları, günışığıyla aydınlatılan mağazaların ve diğer mekânların daha geniş, ferah, büyük ve temiz göründüğü sonuçlarını ortaya koymuştur. Tanıtım ve satış mekânlarında; objelerin en doğal şekilde algılanabilmesi için aydınlatma uygulamalarında gün ışığı standartları aranır. Günışığı ile aydınlatılan mekanlar için ise böylesi özel armatür vb. kullanımına ihtiyaç duyulmamaktadır.
Gün ışığı ile aydınlatılan işyerlerinde çalışanlar işyerlerini daha fazla benimsemekte, işyerinde yapay olarak aydınlatılan ortamlara göre, kendini daha iyi hissetmekte ve iş tatmini sağlanmaktadır. Pencere kenarında gün boyunca gün ışığından yararlanarak çalışan işçilerde %20 oranında daha az rahatsızlığa rastlanmaktadır. Bu sonuç, sağlık hizmetleri için gereksiz ve yüksek maliyetli masraf yapmamanın en önemli çözümünün, iş mekânlarını gün ışığı ile aydınlatma olduğunun güzel bir kanıtıdır. İş yerinden çeşitli bahanelerle kaçışın da %25 oranında azalmasının sağlanmasında günışığının etkisi gözlenmiştir. Ayrıca Amerika Birleşik Devletlerinde üç eyalette 21.000 öğrenci üzerinde yapılan test çalışmalarının sonucunda, gün ışığıyla aydınlatılan sınıflardaki öğrencilerin, matematik testlerini çözmede %20; okuma testlerinde ise %26nın üzerinde başarı artışı sağladıkları gözlenmiştir [6, 20].
Sera gazı emisyonunun azaltılması ve enerjiyi etkin kullanma konularında toplumun yaşantı temelini esas alan projelerle toplumsal değişiklikler yaratılmadığı sürece yapılan çalışmaların ve tedbirlerin etkisi, sınırlı ve kısa süreli olacaktır. Toplumdaki bu değişim öncelikli olarak, yaşam alanları olan evlerden başlatılmalıdır. Bu kapsamda değişimin başlangıç noktasını; yenilenebilir enerji kaynaklarını ve üretilen enerjiyi etkin kullanan binaların oluşturulmasıdır.
Türkiye, giderek artan elektrik enerjisi talebine karşı dışa bağımlı fosil yakıtlara dayalı enerji arzı darboğazındadır. İklim olarak güneşlenme ve gün ışığı potansiyeli en iyi ülkelerden biri olan Türkiye, var olan potansiyelini kullanmak açısından yeterli başarıyı sağlayamamıştır. Bununla birlikte, enerji tüketiminde önemli paya sahip aydınlatma giderlerinin büyük kısmı ışık boruları ve alternatif günışığı aydınlatma sistemlerinden karşılanması için Amerika ve Avrupada çalışmalar yapılırken, ülkemizin de bu çalışmaların hızla içinde yer alması gerekmektedir. Aynı zamanda LEDlerin lümen/watt etkinlik faktörlerinin artması ve maliyetlerinin düşmesi ile dahili ortam aydınlatmalarında vazgeçilmez bir araç olacağı kaçınılmazdır. Ülke olarak, bu konularda da çalışmalara destek verilmeli, ışık borusu ve LED konfigürasyonlu aydınlatma uygulamalarının her alanda kullanımları yaygınlaştırılmalıdır.
Engin Kaya
Yrd. Doç. Dr. İsmail Kıyak
Marmara Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Kaynaklar
[1] F. D. Aykal, B. Gümüş and Y.B. Özbudak Akça, Sürdürülebilirlik kapsamında yenilenebilir ve etkin enerji kullanımının yapılarda uygulanması, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu YEKSEM09, Diyarbakır- Türkiye, s. 78-83.
[2] D. Altuncu and B. Tansel, Aydınlatma kontrol sistemlerinin hastanelerde kullanımı, V. Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, İzmir, Türkiye, 7-10 Mayıs 2009, s. 51-62.
[3] ****. Yener, Binalarda günışığından yaralanma yöntemleri: Çağdaş teknikler, VIII. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, s. 231-241.
[4] S. Görgülü and N. Erken, Energy saving in lighting system with fuzzy logic controller which uses light-pipe and dimmable balast, Energy and Buildings, v. 61, pp. 172-176, 2013.
[5] Ç. Öztürk, Gelişmiş Doğal Aydınlatma Sistemleri ve Uygulama Örnekleri Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Mayıs 2006.
[6] S. Görgülü, S. Kocabey, İ. Yüksek and B. Dursun, Enerji Verimliliği Kapsamında Yapılarda Doğal Aydınlatma Yöntemleri: Kırklareli Örneği, Uluslararası II.Trakya Bölgesi Kalkinma ve Girisimcilik Sempozyumu, Kırklareli, Türkiye, 1-2 Ekim 2010, s. 24-36.
[7] Kıyak, İ.; Topuz, V.; Oral, B.: Modeling of High Power Led Illumination Distribution Using Ann, 6th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa, Türkiye, 5-8 Kasım (2009) 182-186.
[8] Bai, Y.W.; Ku, Y.T.: Automatic Room Light Intensity Detection and Control Using a Microprocessor and Light Sensors, Consumer Electronics IEEE Transactions on, China, 54, August (2008)1173-1176.
[9] Burgos, A.; Bilbao, J.; Miguel, A.: An evaluation of illuminance measurements at Valladolid, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 69, June (2007) 939-946.
[10] Guan, R.; Tian, D.; Wang, X.: Design and Implementation of LED Daylight Lamp Lighting System, Electronic Packaging Technology & High Density Packaging International Conference on, China, July (2008) 28-31.
[11] Pinho, P.; Tetri, E.; Halonen, L.: Synergies of Controller-Based LED Drivers and Quality Solid-State Lighting, Research in Microelectronics and Electronics Conference on, Switzerland, (2006) 405-408.
[12] Steigerwald, D.A; Bhat, J.C; Collins, D; Fletcher, R.M; Holcomb, M.O; Ludowise, M.J.: Illumination with Solid State Lighting Technology , IEEE JSel Top Quantum Electron, 8, (2002) 310320.
[13] Nguyen, F.; Terao, B.; Laski, J.: Realizing LED illumination lighting applications , Proc SPIE, 5941, (2005) 31-37.
[14] Tsao, J.Y.: Solid-state lighting: lamps, chips, and materials for tomorrow, Circuits and Devices Magazine IEEE, 20 (2004) 2837.
[15] Çolak, İ.; Sefa, İ.; Bayındır, R.; Demirtaş, M.: Design of Led Armature Based on Solar Enegy, Journal of Polytechnic, 10 (2007) 347-352.
[16] Lee, K.M.; Li, Q,; Daley, W.: Effects of Classification Methods on Color-Based Feature Detection With Food Processing Applications, IEEE Transactions On Automation Science And Engineering, 4, (2007) 40-51.
[17] Zhou, J.: Experimental investigation on the performance characteristics of white LEDs used in illumination application, Power Electronics Specialists Conference, Orlando, USA, (2007) 75-81.
[18] Passivent, Erişim tarihi: 13.06.2014
[19] Z.T. Kazanasmaz, M. Günaydın and S. Binol, Bürolarda günışığı aydınlık değerlerinin öngörülmesi, IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, s.811-822.
[20] Kıyak, İ., Gökmen, G.; Increase Energy Savings with Lighting Automation using Light Pipes and Power LEDs ICCAE 2013: International Conference on Civil and Architectural Engineering, World Academy of Science and technology, Vol. 79, Pp. 1241- 1248, 13-15, Stockholm/SWEDEN, Jully 2013
