Doğadan İlham Alan Uyarlanabilir ‘Solar Gate’ Gölgelendirme, HVAC Verimliliğini Artırıyor

İklim krizi, hem çevremiz hem de hayatlarımız için büyük bir tehdit oluşturuyor. Bu şimdiden azaltılmasını sağladı karbondioksit (CO2) emisyonlarını acil bir küresel zorunluluk haline getirdi. 

Yapı ortamı aslında yıllık küresel CO2 emisyonlarının yaklaşık %42’si yıllık küresel CO2 emisyonları. Bina operasyonları bunun büyük kısmını oluştururken, bina ve altyapı malzemeleri de burada büyük bir rol oynar.

Bu iklim değişikliğinin itici gücü olmasını sağlıyor; olumsuz etkileri zaten görülüyor sık ve daha yıkıcı hava olaylarında.

Bu nedenle, sadece aktif ısıtma ve soğutma ihtiyacını azaltma potansiyeline sahip uyarlanabilir cepheler inşa etmekle kalmayıp, aynı zamanda iklim değişikliğinin getirdiği zorluklara dayanabilecek daha dayanıklı bir mimari de oluşturmalıyız.

Bu tür uyarlanabilir cepheler inşa etmek için mimarlar, benzersiz yerel çevresel özellikleri içeren tasarım stratejileri kullanmalıdır. Bu basitçe iklime duyarlı mimariyi önceliklendirmek anlamına gelir.

Bu tür mimari, inşa edildikleri iklime uygun enerji verimli binalar tasarlamaya odaklanır. Bu mevsimsellik, doğal gölgelendirme, yağış desenleri, nem gibi faktörleri göz önünde bulundurmayı gerektirir.

Yerel iklimle mücadele etmek yerine, iklime duyarlı binalar bölgesel koşullarla uyum içinde çalışarak, mümkün olan en az enerjiyle sakinine maksimum konfor sağlar. 

Pasif tasarım stratejilerini uygulama yaklaşımını benimseyerek, kasaba ve şehirler iklim değişikliğinin sonucu olan şiddetli hava olaylarının artan sıklığı ve vahşetinden korunacak şekilde inşa edilebilir.

Binaların hem hava koşullarına hem de doğal felaketlere daha iyi dayanacak şekilde dayanıklılığını artırmanın yanı sıra, iklime duyarlı mimari, doğal pasif sistemleri kullanarak işletme maliyetlerini azaltma avantajı da sunar.

Gün ışığı ve doğal havalandırma, elektrik kullanan sistemler yerine kullanıldığında, enerjiyle ilgili işletme maliyetleri önemli ölçüde düşürülebilir. Bu pasif sistemlerin yoğun kullanımı enerji tüketimini %90’a kadar azaltma kapasitesine sahiptir. Doğal hava akışı gibi bu pasif sistemler, aynı zamanda kullanıcıların verimliliğini artırmaya da yardımcı olur.

Enerji verimliliğini artırarak, karbon emisyonlarını azaltarak ve doğal kaynakları koruyarak, bu mimari aynı zamanda çevresel sürdürülebilirliği destekler. 

Bununla birlikte, iklime duyarlı binalar, sürdürülebilir malzemelerin kullanımı ve uzun, karmaşık inşaat süreci nedeniyle yüksek ön maliyetler gibi zorluklar da getirir. Ayrıca düzenleyici engeller de bir sorundur. 

Elbette, hükümetler girişimlerde bulunuyor ve HVAC enerji verimliliği ve termal yalıtım konusundaki düzenlemeler ilerledi, ancak iklime duyarlı tasarımlar için hâlâ yeterli destekleyici kurallar yok. Bu mimarilerin benimsenmesini artırmak aynı zamanda eğitim ve ilgili uzmanlığa yatırım yapılmasını gerektiriyor. 

Zorluklara rağmen, bu tür binalara olan ilgi giderek artıyor. Bu uyarlanabilir tasarımın temel unsurları arasında hava akışı ve havalandırma için doğal kaynakların kullanılması, güneşin konumunu dikkate alan pasif bir güneş tasarımı, ahşap ve bambu gibi doğal sürdürülebilir malzemeler ve çatı ve duvarlarda yeşil özellikler yer alıyor.

Biyojenik Hava Koşullarına Duyarlı Uyarlanabilir Gölgelendirme

İklime duyarlı mimaride, uyarlanabilir gölgelendirme sistemleri, dış hava koşullarına yanıt olarak şekil, yönelim veya termal özelliklerini dinamik olarak değiştirerek iç iklimi daha verimli bir şekilde düzenlemenin harika bir yoludur.

Ancak, bu kinetik gölgelendirme sistemlerinin çok sayıda hareketli parçayı yönlendiren elektro-mekanik cihazları etkinleştirmek için işletme enerjisine dayanması sorunu ortaya çıkar. Bu karmaşık montajlar arızalara karşı hassastır ve maliyetli onarımlar gerektirir.

Pasif renkli anti-güneş camı gibi alternatifler olsa da, çok fazla doğal ışığı filtrelerler. Peki çözüm nedir? Doğadadır.

Bir yeni çalışma¹ Freiburg ve Stuttgart Üniversitelerindeki araştırmacılar tarafından doğaya yönelerek zaten uyum için çözümler bulunduğunu ortaya koydu. Biyolojik malzemelerden ilham alıyorlar ve dış uyarılara pasif olarak yanıt veriyorlar. 

Araştırmacıların model olarak benimsediği çözüm, tamamen ölü malzeme sistemlerine sahip olmalarına rağmen çevreye tepki verip şeklini değiştiren çam kozalakları oldu. Çam kozalakları, sıcaklık ve nemdeki değişimlere metabolik enerji harcamadan açılıp kapanır. 

Çam kozalaklarını model alarak, araştırmacılar havaya pasif olarak uyum sağlayan yeni, enerji özerk bir cephe sistemi geliştirdi. “Solar Gate” olarak adlandırılan bu sistem, Freiburg Üniversitesi’nin livMatS Biyomimetik Kabuk’unda kuruldu. livMatS, ‘Yaşayan, Uyarlanabilir ve Enerji-özerk Malzeme Sistemleri’ (livMatS) anlamına gelen bir araştırma binasıdır.

Mimari cephelerde yanıt verebilirlik için çoğu girişimin “karmaşık teknik cihazlara” bağımlı olmasının aksine, bu araştırma “malzemenin kendisinin yanıt verebilirliğini ileri düzey hesaplamalı tasarım ve eklemeli imalat yoluyla nasıl kullanabileceğimizi araştırıyor,” dedi Stuttgart Üniversitesi’nde Hesaplamalı Tasarım ve İnşaat Enstitüsü (ICD) başkanı Prof. Achim Menges.

Menges’e göre, aynı zamanda Mükemmellik Kümesi Entegre Hesaplamalı Tasarım ve Mimari İnşaat (IntCDC) sözcüsü olan, yaklaşımları hava değişikliklerine yanıt olarak otonom bir şekilde açılıp kapanan bir gölgelendirme sistemi elde etmelerini sağladı.

Bu etki gerçekleştiriliyor herhangi bir mekatronik unsur veya işletme enerjisi kullanılmadan. Burada, “biyomalzeme yapısı kendisi makinedir.”

Bu hava koşullarına duyarlı, uyarlanabilir gölgelendirme sistemi, elektrik enerjisi kullanmadan çalışan ilk sistemdir. Biyojenik tasarımın yanı sıra, araştırmacılar “Solar Gate” için doğal malzemeler ve yaygın olarak erişilebilir teknolojiler kullandılar.

Burada kullanılan teknoloji, karmaşık şekil ve formların üretimine olanak tanıyan 3D baskı (eklemeli imalat) idi. Bu süreçte, dijital bir dosyadan ardışık malzeme katmanları biriktirilerek üç boyutlu nesneler oluşturulur. 3D baskı, hızlı prototipleme, özelleştirme, maliyet tasarrufu ve yüksek doğruluk sağlar ve tasarım özgürlüğü sunar.

Ekip, bitki dokularındaki selülozun yön bağımlı yapısını yeniden oluşturmak için standart 3D yazıcılar kullandı.

Selüloz, Dünya üzerindeki en bol biyokütledir. Aynı zamanda doğal, düşük maliyetli, biyobozunur ve yenilenebilir bir malzemedir; en önemlisi, içsel higromorfik özelliklere sahiptir, bu da uyarlanabilir gölgelendirmenin sürdürülebilir olmasını sağlar.

Bu higromorfik özellik, nemdeki değişimlerle şişme ve büzülmeyi temsil eder ve doğada sıkça görülür. Çam kozalaklarının pulunun açılıp kapanması bunun bir örneğidir.

Bu özelliği avantaja çeviren ekip, biyobazlı selüloz liflerini özel olarak tasarladı ve ardından çam kozalakları pulundan ilham alarak 4D baskı ile iki katmanlı bir yapıya dönüştürdü.

Araştırmacılar ayrıca, FFF 3D yazıcı üzerinden selülozik malzemelerin ekstrüzyonunu kontrol etmek için bir hesaplamalı imalat tekniği geliştirdi. 

Burada üretilen malzeme sistemleri, dış uyarılara yanıt olarak şekillerini otonom bir şekilde değiştirebilir. Selülozik malzemeler nem yüksek olduğunda suyu emer ve genişleyerek elemanların kıvrılmasına ve açılmasına neden olur. Düşük nemde ise bu malzemeler nemi serbest bırakır ve büzülerek basılmış elemanların düzleşip kapanmasını sağlar. 

“Çam kozalaklarının pulunun ve gümüş dikenin higroskopik hareketlerinden ilham alarak, Solar Gate yalnızca biyolojik modellerin yüksek işlevselliğini ve dayanıklılığını biyojenik bir gölgelendirme sistemine dönüştürmekle kalmadı, aynı zamanda bitki hareketlerinin estetiğini de yansıttı.”

– Prof. Thomas Speck, livMatS sözcüsü ve Freiburg Üniversitesi’nde Bitki Biyomekanik Grubu başkanı

Biyojenik uyarlanabilir gölgelendirme sistemi, işlevselliği ve dayanıklılığı açısından gerçek dünyada zaten test edildi. Ekip, bunu livMatS Biyomimetik Kabuk’un güney cepheli tavan penceresine kurdu; bu, binanın iç iklim düzenlemesine yardımcı oluyor.

Süreçte bir yıldan fazla süresince, gözlemlendi ki kış aylarında 4D baskılı gölgelendirme elemanları açılarak güneş ışığını içeri alıp doğal ısıtma sağlar ve yaz aylarında kapanarak güneş radyasyonunu azaltır.

‘Solar Gate’ yalnızca hava döngüleriyle çalışır ve herhangi bir elektrik enerjisi gerektirmez; bu, geleneksel gölgelendirme sistemlerine göre kaynak verimli ve enerji-özerk bir alternatiftir. Biyojenik 4D baskılı gölgelendirme sistemi ayrıca düşük maliyet, düşük malzeme tüketimi, hafif yapı ve artan işletme dayanıklılığı gibi avantajlar sunar.

Araştırmacılara göre, bu sistemin sadece bina cephelerinden çok daha geniş etkileri var. Mimarlık, mühendislik ve inşaatın daha geniş alanlarını da etkileyebileceğini belirttiler. 

Gelecek çalışmalarında, araştırmacılar UV kaynaklı bozulma ve uzun vadeli etkileri ile Solar Gate üzerindeki mekanik aşınmayı daha derinlemesine inceleyecek ve iç iklim düzenlemesindeki iyileşmeyi nicel olarak belirleyecekler.

İç prototipleme için çoklu malzeme eklemeli imalatın nasıl bir yol açtığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Uyarlanabilir Çatı Kiremitleri

Geçmişte, aynı zamanda nasıl sbilimciler at the University of California, Santa Barbara, uyarlanabilir çatı kiremitleri geliştirdi. Bu kiremitler enerji maliyetlerini büyük ölçüde azaltabilir. Sırları, dış sıcaklığa tepki vererek ısıtma ve soğutma modları arasında geçiş yapan bir “radyatif anahtar”dır. Kiremitler hedefin 3 derece Celsius içinde ayarlanır. Ve normal sistemlere kıyasla, 2,5 kat daha verimlidirler. Sonuç, daha düşük faturalar ve fosil yakıtlara daha az bağımlılık.

At the core of this innovation is a small, 4-inch square device. It adjusts how much heat it radiates depending on the weather. The goal is to keep indoor temperatures steady—around 65°F (18°C) without the need for constant power. However, this technology isn’t on the market yet, but when it does, it would be able to save energy, cut costs, and help make buildings greener.

Şirketler 

Şimdi, enerji verimliliği, bina sürdürülebilirliği ve malzeme performansı konularında yenilikçi çözümlere odaklanarak uyarlanabilir mimaride yer alan birkaç halka açık şirketi inceleyelim.

1. Johnson Controls International (JCI )

Johnson Controls, daha konforlu, sağlıklı ve sürdürülebilir bina ortamları için en geniş HVAC ekipmanı ve kontrol portföyünü sunar. Şirketin HVAC çözümleri ölçülebilir temiz hava sağlayabilir ve tam iklim kontrolü sunar. Öngörücü ve tanılayıcı hizmetleri ise sismik sorunlardan kaynaklanan hasar oluşmadan önce yapı ile ilgili problemleri tespit eder. Ayrıca planlı ve önleyici bakım ve uzaktan bina yönetimi de sunar.

Karbon azaltma yarışının sürdüğü bu dönemde, Johnson Controls, etkili iklim kontrolü ve optimize edilmiş enerji kullanımı sağlayan verimli ısıtma ve soğutma sistemleriyle sürdürülebilirliği güvence altına alır. Şirketin HVAC ekipman portföyü enerji verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için tasarlandı. 

HVAC’ların yanı sıra, şirket ayrıca OpenBlue adlı bir IoT platformu sunar; bu platform akıllı ve proaktif işletme ve optimizasyonu mümkün kılar. Platform, dakikada bir milyon veri noktasını işleyebilir ve binaları daha akıllı ve daha verimli hâle getirmeyi amaçlar.

Johnson Control, kurumsal, ticari ve konut ortamları için güvenlik çözümlerinde AI’ı yoğun bir şekilde kullanıyor. Şirket, OpenBlue Enterprise Manager’da AI yeteneklerini daha da genişletti; bu da veri içgörülerini bir sonraki seviyeye taşıma hedefiyle. Bu iyileştirmeler, ekipman yükseltmeleri ve proaktif hizmetlerle birlikte, müşterilere enerji harcamasında %30’a kadar azalma, bakım harcamasında %20’ye kadar azalma ve alan kullanımında %10 daha iyi optimizasyon sağlıyor.

“Bu yeni AI destekli özellikler yalnızca operasyonel verimliliği ve sürdürülebilirliği artırmakla kalmaz, aynı zamanda bina sahiplerine ve işletmecilerine benzeri görülmemiş düzeyde içgörü ve kontrol sağlar. Müşterilerimiz için otomasyonu yönlendiren ve daha akıllı, daha duyarlı ortamlar yaratan yeniliklerin öncüsü olmaya kararlıyız.”

– CTO Vijay Sankaran

Yazı itibarıyla, JCI hisseleri $82.10 seviyesinde, YTD %4.02 artışla işlem görüyor ve piyasa değeri $54.19 milyar. Johnson Controls, 2.09 EPS (TTM) ve P/E (TTM) oranı 39.27’ye sahiptir. Şirket, %1.80 temettü verimi ödemektedir.

Son rapor edilen çeyreği, yani 2024 Q3 için, Johnson Controls’un geliri beklentilerin altında kalarak $6.25 milyar gerçekleşti. Ancak hisse başına $1.28 olan non-GAAP karı, analistlerin tahminlerini %2.6 aşarak beat etti. O dönemde CEO ve Başkan George Oliver, “çift haneli organik satış büyümesi ve güçlü marj genişlemesi” sağladıkları için “çok memnun” olduklarını paylaştı.

Göre Statista, Johnson Controls 2023 mali yılında yaklaşık $26.8 milyar küresel net satış elde etti; bu, bir önceki yıla göre yaklaşık %6 artış anlamına geliyor.

En son, şirket Hollanda merkezli Webeasy’i, enerji verimli ve sürdürülebilir bina çözümleri yenilik misyonuyla uyumlu bir bina otomasyon ve kontrol sağlayıcısı olarak satın aldı.

2. Owens Corning (OC )

Bir bina ve inşaat malzemeleri sağlayıcısı olan Owens Corning, dört iş koluna sahiptir: çatı, kapı, kompozit ve yalıtım. 

Şirketin yalıtım çözümleri, dış duvarlar, çatı sistemleri ve HVAC dahil olmak üzere neredeyse her bina durumu için uygundur. Bina çözümleri enerji ve bina kodu uyumluluğu, yüksek termal performans, hava/su direnci, nem kontrolü ve akustik performans sunar.

Kullanıcılar, şirketin yalıtım hizmetlerini enerji verimliliği, dayanıklılık, uzun ömürlü performans, kolay kurulum ve minimum bakım nedeniyle tercih eder.

Yazı itibarıyla, OC hisseleri $187.57 seviyesinde, YTD %10.13 artışla işlem görüyor ve piyasa değeri $16.09 milyar. Owens Corning, 11.76 EPS (TTM) ve P/E (TTM) oranı 15.96’ya sahiptir. Şirket, %1.47 temettü verimi ödemektedir.

Şirket finansallarına gelince, 2024 üçüncü çeyreği için net satışları $3 milyar oldu; bu, bir önceki yıla göre %23 artış demektir. Yeni edinilen kapı iş kolu bu gelirin yarım milyar dolarından fazlasını sağladı. Şirketin dağıtılmış hisse başına kârı $3.65 ve düzeltilmiş hisse başına kâr $4.38 oldu. Bu dönemde serbest nakit akışı $558 milyon olarak gerçekleşti.

Owens Corning, temettüler ve hisse geri alımları aracılığıyla hissedarlarına toplam $252 milyon geri verdi. Finansal gücünden bahsederken, CFO Todd Fister şunları söyledi:

“Güçlü kazanç gücünü ve nakit üretim potansiyelini gösterdik. Ekibimiz, sınıfının en iyisi ticari ve operasyonel yürütme sayesinde üst ve alt satır büyümesini sağladı.”

Şirketin sürdürülebilirlik çabalarına gelince, Owens Corning’in ürün portföyü müşterilerine enerji tasarrufu ve emisyon azaltımı sağlıyor. 2023 sürdürülebilirlik raporunda, Owens Corning’in ürünlerinin 14’ü %100 yenilenebilir elektrikle üretilmiş olarak sertifikalandı ve bu ürünler şirketin toplam gelirinin dörtte birini oluşturdu.

Şirket, 2018 baz yılına göre Scope 1 ve 2 emisyonlarında %28 azalma sağladığını ve 2030 hedefi olan GHG emisyonlarını %50 azaltma hedefine daha da yaklaştığını bildirdi. Ayrıca Owens Corning, bu on yılda ABD’de yıllık iki milyon ton çatı kireti geri dönüştürme hedefine de ilerleme kaydetti.

İnşaat malzemeleri şirketi, sektöre sürdürülebilir ve daha güçlü bina malzemeleri sağlamak için 52.000 metrekarelik bir cam mat üretim tesisine yatırım yaptı.

Sonuç

Küresel karbon emisyonları hızla artıyor, bu da Dünya sıcaklığının yükselmesine ve aşırı hava olayları, artan orman yangınları ve gıda arzında kesintilere yol açıyor. Binalar küresel karbon emisyonlarının önemli bir kısmını oluşturduğundan, ısıtma, soğutma ve havalandırma için gereken enerjiyi azaltmak son derece önemlidir. Aynı zamanda yapılar iklim felaketlerine dayanabilecek kapasitede olmalıdır. 

Bu iki ihtiyaca yanıt, iklime duyarlı mimaridir; bu, bölgenin iklim ve coğrafi özelliklerine dikkat etmeyi ve bunları bina tasarımlarına dahil etmeyi gerektirir. İklime duyarlı mimarinin sektördeki küresel karbon emisyonlarını azaltma ve atık üretimini sınırlama konusundaki yüksek potansiyeli göz önüne alındığında, düzenleyici destek ve sürekli yenilik gereklidir.

“Solar Gate” gibi çalışmalar, çevresel zorlukları ele alabilecek ve inşa edilmiş ortamın fonksiyonel ihtiyaçlarını karşılayabilecek umut verici çözümler sunar. Ayrıca eklemeli imalat gibi erişilebilir teknolojilerin ve selüloz gibi bol ve yenilenebilir malzemelerin sürdürülebilir mimari çözümlere katkısını vurgular.

Doğal malzemeleri ve biyojenik tasarımları benimseyerek, dijital üretim tekniklerini kullanarak güvenli, uzun ömürlü yapılar ve dayanıklı bir gelecek inşa edebiliriz!

ABD’de ev sahipliğinin önündeki engelleri aşmak için 3D baskının nasıl yardımcı olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Çalışma Referansı:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Biyobazlı ve biyojenik higromorfik malzemelerle hava koşullarına duyarlı uyarlanabilir gölgelendirme. Nature Communications, 15, Makale 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}