1- Çalışmaları doğal ve bakımları basittir,

2- Prensipleri basit ve kolay anlaşılabilmektedir,

3- Sistem maliyetleri, masif depolayıcı elemanları destekleyen uygun zemin şartları mevcutsa aktif sistemlerden daha düşüktür,

4- Pasif dizaynların bazıları estetik yönünden alışılagelmiş güneş toplayıcılarından daha ilgi çekici ve kullanıcıları tarafından daha çok tercih edilir,

5- Sistem, faydalı sistemin devre dışı kalmasında bile çalışmasına devam eder.

Pasif sistemlerin temel dezavantajı ise yapının mimarisi içinde depolama ve güneş enerjisi toplama fonksiyonlarının genellikle bu dizaynlarla bütünleştirilmesine yöneliktir. Bundan dolayı güneş enerjisi sistemleri yapının diğer bölümleriyle bütünleştirilir. Fonksiyonların birbirleriyle bütünleştirilmesi mimariye dayalı dizaynlarda çağdaş bir yaklaşım olmamaktadır ve yapının dizaynı sırasındaki felsefik değişimler pasif tekniklerden önce yapılarak binanın enerji tüketimini çoğunlukla etkiler.

Pasif güneş enerjisiyle ısıtma sistemleri, genelde güneye yönlendirilmiş cam alanlarının içinde enerji toplanımı, bina kütlesindeki veya özel depolama elemanlarında depolanımı, mekanik ekipmanlar (pompalar, düşük güçlü fanlar...)'dan minimal faydalanılarak, radyasyon, kondüksiyon (iletim) ve konveksiyon gibi doğal yollarla enerjinin dağıtımı, yüksek ve düşük sıcaklıklardaki enerji akımını yine doğal yollarla (yöntemlerle) kontrol edebilme olgularını içeren uygulama türüdür. Pasif güneş enerjisi ile ısıtılan bir binada mekanik ekipmanların ve geleneksel enerji kaynaklarının minimize edilmesi gerekir ve doğal enerji akımlarının karlılığı maximize edilerek dizayn yapılmalıdır. Buna da pasif sistemlerin dizayn dengesi diyebiliriz.

2.1. DİREKT KAZANÇ SİSTEMLERİ

Güneş enerjisini toplamak ve depolamak için kullanılan en basit sistemdir. Güneş radyasyonunun direkt olarak güneye doğru yönlendirilmiş geniş cam alanlarına vurması, camın fiziksel özelliğinden yararlanılarak hacme kısa dalga boylu ısı ışınları şeklinde geçmesi prensibine dayanmaktadır. Güneye yönlendirilmiş geniş cam alanlarından geçen enerji gündüzleyin mimarinin izin verdiği ölçüde yapının duvarlarında, döşemesinde veya çatısında ya da hepsinde birden depolanır ve geceleyin bu enerji, ihtiyacın ortaya çıkması halinde hacme konveksiyonla dağılır.

Isı kazançlarının çok olduğu ve ısıtmaya ihtiyaç duyulmayan yaz aylarında sistem, ısı girişinin gerçekleşdiği pencerelerin dışardan mimari özellik taşıyan veya taşımayan gölge araçları (panjurlar, storlar, dikey ve yatay güneş kırıcıları,...) ile gölgelendirilerek ısı kazançları minimuma indirilmeye çalışılır. Yapı içerisinden yapılacak hareketli ve sabit gölgeleme araçları ile de düşük güneş radyasyonu periyotlarında aşırı ısı kayıplarını önlemede önemli bir yer tutar. Ayrıca bu gibi gölgelemeler direkt güneş radyasyonunun yapı içersinde kullanılan malzemelere zarar vermesini önler.

Örnekleri dünyada pek çok olan direkt kazanç sistemlerinin en çarpıcı örneği, İngiltere Liverpool yakınlarındaki Wallese'deki St. Georges okuludur. Mimar Emslie A.Morgan tarafından dizayn edilen yapı 1962 yılında tamamlanmıştır. Yapının %50'si güneş enerjisiyle, geri kalanı ise ışık ve solunum ile ısıtılması sağlanmaktadır (Şekil 1).

2.2.1. ISI DEPOLAYICI DUVARLAR

Isı depolayıcı duvarlar, yapıların güney cephesine yerleştirilmekte ve önü bir miktar hava boşluğu kalacak şekilde tek veya çift camla kapatılmaktadır. Isı depolayıcı duvarlar, mimarinin izin verdiği ölçüde beton, tuğla, taş, kerpiç gibi malzemelerin yanında su tanklarından da imal edilmekte ve güneş radyasyonunu en yüksek düzeyde absorblamak amacıyla koyu bir renkle boyanmış masif duvarlardan oluşturulmaktadır. Camdan geçen ve duvarla cam arasında kalan ısıyı konveksiyonla yaşam hacmine iletebilmek için masif duvarın alt ve üst kısımlarına transfer kanalları açılır. Güneş enerjisi ile kazanılan ısı, depolayıcı duvardan yaşam hacmine radyasyon ve konveksiyon ile, yaşam hacmindeki soğuyan ısı da cam ve masif duvar arasındaki hacme doğal veya zorlanmış konveksiyonla transfer edilir.

Isı depolayıcı duvarlara en güzel örnek Fransa Odeillo'da mimar Jacques Michel ve Felix Trombe tarafından 1967'de dizayn edilen ve yapılan Michel-Trombe evidir (Şekil 2).

Michel-Trombe evinin çalışma prensibi, evin güney cephesindeki masif duvarın gündüz ısıyı depolaması, geceleyin de bu ısıyı masif duvardan yaşam hacmine radyasyon ve konveksiyonla iletilmesi şeklindedir. Gündüz yaşam hacmindeki soğuk hava, masif duvarın alt tarafındaki transfer kanallarından ara hacme girer, ara hacimde soğuk hava ısınarak yukarıya doğru çıkar ve masif duvarın üst tarafındaki transfer kanallarından tekrar yaşam hacmine dönerek doğal bir sirkülasyon sağlar. Yazın Michel-Trombe evinin aşırı ısınması evin kuzey cephesinde mevcut olan duvardaki havalandırma kanallarının açılmasıyla yaşam hacmine soğuk hava alınarak giderilmektedir.

Güneşsiz periyotlarda ve geceleri ısı kayıplarını önlemek için hareketli izolasyonlar faydalı olabilir. Gölgelikler, perdeler, izolasyon için hareketli plastik köpük veya cam yünü panelleri ya da Harrison (1975) tarafından geliştirilen "BEADWALL" gibi uygulamalar kullanılabilir. "BEADWALL" uygulamasında, ara hacme çok hafif plastik toplar pnömatik olarak doldurulur.

Eğer izolasyon mekanik hareketli ise mutlaka kontrolü gerekir. Kabul edilebilen limitler içersinde iç şartlar korunurken, kontrol noktaları ve dedektörler, elde edilebilecek net kazancın maximize edilebilmesi için düzenlenebilirler. Efektif ısı depolama elemanı olan bir duvar yüksek ısı depolama kapasitesine ve yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır. Su duvarı uygulamasında ise ısı depolayıcı malzeme olarak, teneke kutular, variller, şişeler veya çeşitli kaplara konan su kullanılır. Koyu renkle boyanmış bu su duvarına gelen güneş ışınları absorblanarak suda depolanır.

Isı depolayıcı duvarlar iç yüzeylerine ısıyı yavaş iletirler, betonun ısı ataletinden dolayı duvar yüzeyi hızla ısınmasına rağmen iç yüzeyler soğuk kalır. Buna rağmen su duvarında ısınan su yukarı doğru çıkarken bir konveksiyon akımı oluşturur, hacme sürekli ve anında ısı verilir (Şekil 3).

Isı toplayıcı-depolayıcı duvar sistemi, direkt kazanç sisteminin dezavantajlarını ortadan kaldırır. Fakat binanın güney cephesinin bir duvarla kapanması, bu sistem için bir dezavantajdır.

2.2.2. ÇATI HAVUZLARI

Literatürde Dam Havuz Sistemi olarak da ifade edilen bu sistem aslında bir ısıl depolama sistemidir. Ancak sistem çok özgün bir fikre sahip olduğu için, ayrı bir başlık altında sunulmaktadır. Çatı havuzları ile ısınan bina içinde konfor şartlarının çok iyi düzeyde olduğu söylenmektedir. Evin çatısına yerleştirilmiş içi su dolu havuzun veya plastik torbaların doğrudan depoladığı enerjiyi, geceleri binaya vererek ısı kaynağı oluşturmaktadır. Ayrıca bunların üstüne açılıp kapanabilen kepenkler konmuştur. Kışın gündüzleri kepenkler açılarak su dolu torbalar güneş enerjisi ile ısıtılmakta, geceleyin ise örtü örtülerek ısının dışarıya kaçması önlenmektedir. Gündüz ısıtılan torbalar gece radyasyonla içerisini ısıtmaktadır. Yazın ise gündüzleri üzeri kapalı olduğundan güneşin olumsuz etkileri önlenmekte, gece ise kepenkler açılmakta ve bina içinden dışarıya doğru bir ısı geçişi ile soğutma yapılabilmektedir (Şekil 4).

2.2.3. ENTEGRE (BİRLEŞTİRİLMİŞ) SERA SİSTEMLERİ

Pasif güneş enerjisi sistemlerinden olan entegre seralar, direkt ve indirekt sistemlerin kombinasyonu olarak tanımlanmaktadır. Seranın yapılardan ayrılması için kitle duvarıyla yapının güney yönünde inşaa edilir. Sera fonksiyonu gören direkt kazanç sistemleri güneş ışınları ile direkt olarak ısıtılır. Temelde, güneş ışını seranın içinde depolanarak ısıya dönüştürülür. Buradaki ısının bir kısmı veya tamamı yapının diğer hacimlerine veya yapı dışına gönderilir. Sistem, özellikle güneye bakan cephelere ve ısıtılması düşünülen hacimlere doğru orantılı olarak yerleştirilir. Başka hacimlere ısı transferi de entegre seralar ile ısıtılması düşünülen hacimle arasına açılacak olan küçük transfer kanalları yardımıyla gerçekleştirilir (Şekil 5).

Birleştirilmiş sera uygulamalarında dizayn esnekliğinin izin verdiği ölçüde çeşitli olasılıklar mümkündür. Örneğin, seralardaki sıcak hava kanallarında, hacimlerde oluşan ısı, seranın kuzey duvarına yerleştirilen kaya yatağında depolanır. Isı daha sonra zemin yüzeyinden konveksiyonla ve radyasyonla hacimlerden geçirilerek dağıtılır (Şekil 6).

Entegre seralar hem daha önce yapılmış binalara, hem de yeni yapılacak olan binalara monte edilebilme özelliklerine sahiptirler. Ancak yeni yapılacak olan binalara sera entegre etmek pek fazla sorun çıkarmamaktadır. Çünkü binalar dizayn edilirken bu kez entegre seralarında fonksiyonel avantajları dikkate alınacak ve ona göre projelendirilecektir. Fakat yapılmış olan bir binaya entegre edilmeye çalışılacak seralarda bazı problemler doğmaktadır.

Bunların başında, binanın güney cephesinde sera için gerekli olan alan olup olmadığı ve seranın binaya monte edilmesi sırasında yapıya vereceği hasar ve seranın yapının mimari görünüşünü bozabileceğinin araştırılması gelmektedir. Bunları önlemek için, entegre seraların daha proje safhasında prefabrike olarak tasarlanması ve üretilmesi gerekmektedir. Entegre seraların prefabrike olarak tasarlanması ve üretilmesi, hem pazarlayıcı firmalar, hem de kullanıcı kişiler açısından büyük önem kazanmaktadır.

2.3. AYRILMIŞ KAZANÇ SİSTEMLERİ

Bu sistemde güneş enerjisini toplayıp depolayan kısım yaşam hacimlerinden ayrı olarak ve ısı kayıplarını minimum düzeyde tutacak şekilde izole edilerek imal edilmiştir. Doğal dolaşım tekniğinde, ısınan akışkan kendiliğinden yükselip yer değiştirmesi özelliğinden yararlanılmıştır. Bu teknik güneye eğimli arazilerde kolayca uygulanabilir.

Zira toplayıcı yüzeyi ile ısıl depo binanın altında olacak şekilde yerleştirilmiştir. Toplayıcıda ısınan hava, yükselerek depoya veya doğrudan binaya gitmekte ve burada soğuyarak tekrar toplayıcıya dönmektedir. Isı depolama malzemesi olarak çakıl taşlan veya kaya bloklarından yararlanılmaktadır. Isı transfer akışkanı olarak su veya hava kullanılmaktadır (Şekil 7).

Pasif güneş enerji sistemlerinin verimli bir şekilde çalışabilmesi ve güneş enerjisinden optimum düzeyde faydalanabilmek için yapıların inşaasında uyulması gereken bazı kurallar mevcuttur. Bu kurallar Bölüm 3'te anlatılmıştır.

3. PASİF SİSTEMLE ISITILAN BİNALARIN TASARIM PARAMETRELERİ

Enerji korunumlu binaların güneş enerjisinden optimum düzeyde yararlanabilmesi .için aşağıda belirtilen özelliklere uyması gerekmektedir. Bu özellikler, enerji korunumlu binaların kullanım amaçlarına göre tasarlanmasını, yerleştirilmesini ve şekillendirilmesini sağlayacaktır.

3.1. BİNALARIN YERLEŞTİRİLMESİ

Kış ayları esnasında, güneş zamanına göre saat 9.00 ve 15.00 saatleri arasında güneş enerjisinin yaklaşık %90'ından yararlanılmaktadır. Bu nedenle bu saatler arasında maksimum güneş enerjisinden yararlanılacak olan alanlar saptanır ve yapının ön yüzleri daima güneye bakacak şekilde tasarlanır. Şekil 8'de değişik yapı formlarının güneye göre konumlan verilmiştir.

Yukarıdaki şekilde iki farklı formda ve altı ayrı konumda düşünülen bina çeşitlerinin, birbirlerine göre güneş enerjisi ile olan ilişkileri vurgulanmaya çalışılmıştır. Burada güneş enerjisinden optimum şekilde faydalanılan bina formu ve konumu C tipi'dir. Buradan da şu sonucu çıkarmak mümkündür; Pasif sistemle bina ısıtılmasında, binayı doğu-batı uzantısında ve dikdörtgen formunda tasarlamak en iyi sonucu verecektir. Bununla birlikte binaların düşey ya da yatay gelişimlerinin de iyi analiz edilmesi gerekmektedir. Düşey gelişimler sonucu binaların birbirlerini gölgeleme oranlan artacağından, bu tip binaların gölge analizleri yapılarak birbirlerini gölgelemeyecek şekilde araziye aplike edilmesi gerekmektedir.

3.2. YAPI ŞEKLİ VE YÖNLENDİRME

Düzgün olmayan bir binanın şekillendirilmesine karar verildiğinde, binanın içine girmesine izin verilen güneş ışını hakkında ister istemez düşünülür. Doğu-Batı yönü boyunca uzatılan bir bina kışın güneş radyasyonunun toplanması için güney kısmından daha fazla yüzey alanına sahip olması gerekmektedir. Bundan dolayı iklimlerin çoğunda, etkin şekillendirmeyle yazın soğutmada, kışın da ısıtmada ihtiyaçlar minimize edilir. Kuzey yüzü boyunca ısı kesici alanlar ve binanın güney yönü boyunca maksimum ışıklandırma ve ısıtma ekipmanları olan hacimler yerleştirilir. Bir Binanın Optimum şekli, yazın ısıdan minimum kazanç ve kışın ise minimum kayıp sağlanması yönündedir.

3.4. PENCERELERİN ALANLARIN TESPİTİ

Binaların enerji tüketimini etkileyen en önemli faktörlerden biri de, pencerelerin büyüklükleri ve yerleştirilme şekilleridir. Güneye yönlendirilmiş bir bina için, güneş enerjisinden optimum düzeyde faydalanabilmek amacıyla binanın güney cephesine büyük (max.) pencere alanları, doğu ve batı cephelerine de orta (middle) pencere alanları yerleştirmek gerekmektedir. Kışın ısı kayıplarının minimize edilmesi için kuzey cephesine de küçük (min.) pencere alanları yerleştirilmelidir (Şekil 10).

Binanın güney cephesindeki 30 °C'ye kadar olan sapmalar sistem verimini pek fazla değiştirmemektedir. Bu yüzden binaların konumu, şehir yerleşim düzenine göre bu sapma değerinin içinde kalacak şekilde aplike edilebilir.

Pasif güneş enerjili sistemlerin seçiminde bize bir fikir veren binaların tasarım parametrelerinin yanı sıra, sistem seçimini etkileyen bazı faktörler mevcuttur. Bu faktörleri kısaca irdeleyecek olursak;