Kentsel Isı Adası Etkisinde: Kentsel Yüzey Malzemeleri ve Serin Çatılar

1. Giriş

Değişen kentleşme ve tüketim anlayışıyla birlikte bozuluma uğrayan kent iklimi, küresel iklim değişiminin de etkileriyle birlikte insanın konfor şartlarının dışına çıkan iklimsel davranışlar sergilemektedir [1]. Kentler iklim değişikliğinin en çok hissedildiği alanlardır. Kentlerde bitki örtüsünün ve buharlaşma yüzeylerinin azalması, beton, asfalt gibi yapısal yüzeylerin artması doğanın topoğrafyasını, ekolojik yapısını, atmosferik özelliklerini değiştirmekte, farklı bir ekoloji ve atmosfer yaratmaktadır. Bu çalışma kapsamında öncelikle kentleri çevresindeki diğer alanlardan ayıran en önemli iklim olayı olan kentsel ısı adası etkisi anlatılması amaçlanmış ve kentsel ısı adası etkisinde yüzey malzemelerinin özellikleri ve serin çatı çözümleri üzerinde durulmuştur.

2. Kentsel Isı Adası

Kentsel alanların yüzey özellikleri kırsal alanların çevresine göre, arazi örtüsü, yüzey karakteristikleri ve insan etkinliği aktiviteleri nedeniyle farklılık göstermektedir. Bu tür farklılıklar kentsel ve kırsal alanlarda farklı yüzey ve hava sıcaklıklarına yol açabilecek ısı üretimini ve transferini etkilemektedir [2]. Kentlerde yoğunlaşmış ısı üreten kaynakların yer alması, kentsel yüzey malzemelerinin gündüz saatlerinde güneşten gelen ısıyı depolayıp, geceleri bırakması, yaz ve kış aylarında kullanılan iklimlendirme cihazları gibi  etkiler sonucunda kent üzerinde toz kubbeleri oluşmaya başlamıştır (Şekil 2.1). İnsan aktivitlerininde bir sonucu olarak kentler doğal ortamlardan farklı atmosfer sıcaklığına neden olarak kendilerine özgü iklimleri olan alanlar haline gelerek bölgesel ısınmalara neden olmaktadır.

Şekil 2.1. Kent Isı Adası Oluşumu.

Kentsel ve kırsal bölge arasında farklı iklim olaylarına etken olan nedenlerden biri kentsel yüzey malzemeleri ve yüzey özellikleridir. Kırsal alanlarda güneş enerjisi herhangi bir engele takılmaz iken bitki ve topraktaki suyun buharlaşmasında kullanılır. Kentlerde ise bitki örtüsünün ve doğal arazi örtüsünün az olması nedeniyle gelen güneş radyasyonun bir kısmı kentlerde yüksek katlı binalar, sokak genişlikleri gibi kent geometrisini etkileyen unsurlar tarafından absorbe edilerek, geri yayılımında gecikmelere neden olmaktadır. Kentteki yapılar ve asfalt yollar tarafından gün boyu emilen ışıma daha sonra ısıya dönüşerek tekrar ortama salınır ve kentteki hava sıcaklığını arttırır. Gece olduğunda kentteki yapılar ve asfalt yollar gün boyu absorbe ettikleri güneş enerjisini yavaş bir şekilde atmosfere gönderirler.

Şekil 2.2. Kırsal Alan ve Kentsel Alan

Dolayısı ile atmosferin sıcaklığı kırsal alanlarda çabuk soğur iken, kentlerde yavaş gerçekleştiğinden belirgin sıcaklık değişikliklerine neden olmaktadır. Açık alanda, kent merkezinde kalan konuma göre geceleri daha fazla soğuma meydana gelmektedir. Kent merkezindeki binalarla çevrili alandaki gece sıcaklığının açık alandakine göre farkının 4°C’ye kadar çıktığı gözlenmektedir [3]. Bunun sonucunda kentlerde iklim değişikliğine neden olarak kent ve kırsal alanlarda önemli ölçüde sıcaklık değişimleri meydana gelmektedir. Kentsel alanların etraftaki doğal alanlardan daha sıcak olmasına neden olan bu sıcaklık olayı “Kentsel Isı Adası” olarak tanımlanmıştır [4].

3. Kentsel Yüzey Malzemeleri

Kentlerin gelişmesi sonucunda arazi kullanımındaki değişiklikler yeni kentsel yüzeylerin oluşmasına neden olmuştur. Kentsel yüzey malzemelerinin, özgül ısıları ve renkleri kentsel ısınma ve soğumada etkili olan unsurlardır. Yüzeyin rengi, gelen güneş ışınlarını yansıtma ve soğurma özelliğini belirleyebilmektedir. Kentsel alanlarda yapılarda kullanılan malzemeler ya da kentsel yüzeyleri kaplayan malzemelerin termal özellikleri, kırsal alanlarda doğal olarak bulunan malzemelerden çok farklıdır. Örneğin nemli toprağın özgül ısı kapasitesi asfalt ve betondan yaklaşık % 50 daha fazladır [5]. Cisimlerin özgül ısıları da sıcaklık dağılışını etkilemektedir. Birim zamanda, birim hacimde, özgül ısıları farklı cisimlere, aynı enerji verildiğinde, özgül ısısı düşük olan maddenin sıcaklığı daha fazla artar. Aynı şekilde ısı kaybetme döneminde de özgül ısısı düşük olan maddeler daha fazla ısı kaybederek çabuk soğur. Bu özelliğe bağlı olarak, yeryüzünde yan yana iki yüzeyin farklı sıcaklık şartlarına sahip olduğu görülebilir [10]. Kırsal alanlarda, toprak, taş yüzeylerin düşük özgül ısıya sahip olmaları nedeniyle hızlı ısınma ve soğuma görülmektedir. Kentlerde ise asfalt, tuğla, beton gibi malzemelerin yüksek özgül ısıya sahip olması nedeniyle bu alanlarda sıcaklık yavaş artar ve yavaş düşer. Bu nedenle, bu çalışmanın çerçevesini de belirleyen kentsel yüzey malzemeleri önem taşımaktadır. Sıcak güneşli bir yaz gününde çatı ve kaldırım gibi kentsel yüzeyler 27-50°C iken, kırsal alanlar, daha gölgeli ve nemli yüzeylere sahip olması nedeniyle genellikle daha serin olmaktadır [8]. Yoğun yapılaşmanın olduğu alanlarda kentsel ısı adası etkisini azaltabilmek için bina yüzeylerini kaplayan malzemelerin yansıtıcı katsayıları daha yüksek, güneş enerjisini soğurmaya elverişli malzemeler seçilmelidir. Şekil 3.1.’de bina cephesinde tuğla duvarın bir kısmına beyaz şerit uygulanarak termal ölçümle yüzeyin sıcaklık etkisi gösterilmiştir.Tuğla duvardaki beyaz şeritler yaklaşık 3-5°C (5 -10°F) sıcaklığı düşürmekte olup, diğer tuğla duvara göre daha soğuk olmaktadır [8]. Yoğun yapılaşmanın olduğu alanlarda kentsel ısı adası etkisini azaltabilmek için bina yüzeylerini kaplayan malzemelerin yansıtıcı katsayıları daha yüksek, güneş enerjisini soğurmaya elverişli malzemeler seçilmelidir. Şekil 3.1.’de bina cephesinde tuğla duvarın bir kısmına beyaz şerit uygulanarak termal ölçümle yüzeyin sıcaklık etkisi gösterilmiştir.Tuğla duvardaki beyaz şeritler yaklaşık 3-5°C (5 -10°F) sıcaklığı düşürmekte olup, diğer tuğla duvara göre daha soğuk olmaktadır [8].

Şekil 3.1. Yüzeyde Albedo - Sıcaklık Etkisi.

Yeryüzünde sıcaklık dağılımını etkileyen önemli parametrelerden biri güneş ışınlarının gelme açısıdır. Güneş ışınları bir yatay yüzeye ne kadar dik gelirse yüzey tarafından emilme o kadar artar ve dolayısıyla yüzey sıcaklığı artar [11]. Çatılar, kent yüzeylerinde güneş ışınına maruz kalan en açık yüzeylerdir. Bu bağlamda güneş enerjisinin yapılı çevrede ısı enerjisine dönüşmesi sonucu ortaya çıkan kentsel ısı adası oluşumunda, çatılarda kullanılan malzemenin rengi, özgül ısısı, yansıtıcı özellikleri önem taşımaktadır. Yapılan bir araştırmada yüzey sıcaklığı verisinde çok yüksek değerler veren alanların bir kısmının fabrika vb. gibi büyük binalara ait metal malzemenin kullanıldığı çatılar olduğu gözlenmiştir [3]. Bu bağlamda, kentsel ısı adası etkisini azaltacak yöntemlerden biri olan “serin çatılar” değerlendirilecektir.

4. Serin Çatılar ve Serin Malzemeler

Serin çatılar, serin malzemeler kullanılarak güneş ışınlarını yansıtan, özellikle sıcak iklim bölgelerinde yaz aylarında binanın soğutulmasına yardımcı olarak bina kullanıcılarının enerji ihtiyaçlarını önemli bir ölçüde azaltan sürdürülebilir bir çatı teknolojisi olarak tanımlanabilir [6]. Serin çatılar, özgül ısı ve termal yayılım değerleri düşük, termal iletkenlik değeri yüksek yüzeylerdir. Serin çatı malzemelerinin ısı tutma kapasiteleri, geleneksel malzemelere göre daha düşük olabilmektedir. Geleneksel çatı malzemelerinde çatı yüzeylerindeki sıcaklık 66-85°C’ye kadar ulaşarak sıcak yüzeylerin oluşmasına zemin hazırlarlar. Serin çatı malzemeleri ile bu sıcaklıklar 28-33°C’ye kadar azaltılabilir [8]. Serin çatılar binaların soğutma yükünü azaltarak enerji tasarrufu sağlarlar. Özellikle sıcak iklim bölgelerinde iklimlendirme cihazlarının kullanımını azaltır. Ortalama enerji tasarrufu %7 ile %15 arasında değişmektedir [7]. Serin renkli malzeme tanımı ise: Ultraviyole ve kızılötesi ışınlar gözle görünmezler ve renkler üzerinde hiç bir etkileri yoktur. Ancak, gerek görünür gerek görünmez tüm ışıklar emildikleri nesneyi ısıtırlar. Daha fazla solar enerji emen nesne daha fazla ısınır. Tersine, nesnenin bu tip ışınları yansıtması fazlaysa daha az ısınacaktır. İki nesne görünürde aynı renkte görünebilir, fakat kızılötesi spektrumda çok farklı yansıtma özelliklerinde olabilirler. Kızılötesi ışınları yansıtan nesne kızılötesi ışınları emenden daha serin kalacaktır. Ve kızılötesi ışık, güneş ışığının tam olarak yarısını kapsadığından ısı birikmesi söz konusu olduğunda, nesnenin kızılötesi ışığı yansıtması renginden daha önemlidir. Bir başka deyişle, bir nesne güneş ışığı altında serin olması için beyaz olmak zorunda değildir [11]. Yani,serin malzemeler, güneş ışını yansıtıcılık ve emilen/soğurulan ısıyı yayılım yolu ile ortama bırakma özellikleri yüksek malzemelerdir.

4.1. Serin Çatı Kaplama Malzemeleri ve Özellikleri

Bu çalışma kapsamında, Çelik’in (2012) çalışmasında [9] yaptığı serin malzeme sınıflandırması esas alınmıştır. Buna göre serin çatı kaplama malzemeleri 7 başlıkta ele alınmaktadır:

Beyaz Kaplamalar ve Beyaz Renkli Malzemeler:

Beyaz, güneş yansıtıcılığı en fazla olan renktir. Ancak, beyaz rengin yansıtıcılık değeri, malzemeye beyaz rengi veren pigmentin boyutu, boyanın uygulandığı malzemenin kalınlığı ve özgül ısı gibi özelliklerine göre değişir. Çatı yüzeylerinde güneş yansıtıcılığı yüksek olan beyaz renkli kaplama malzemeleri kullanılarak veya çatı yüzeyi akrilik beyaz boya ile boyanarak, çatı yüzeyinin gün boyu ısı depolanması engellenebilir ve çatıların serin olmasını sağlanabilir.

Şekil 4.1. Utah Olympic Oval, Serin Çatı Kaplaması.

Şekil 4.2.’de görüldüğü gibi düşük eğimli bir çatıya sıva püskürtmesi yapılmaktadır. Sıvalar düşük eğimli çatılarda en iyi uygulanabilen yüzeysel işlemlerdir. Koyu kıvamlı boya kıvamındadır, yosun ve mantar büyümesine engel olmak için kimyasal maddeler barındırır ve yıkanabilir özellikte olup kiri yağmurda akıtır [8]. Ayrıca çatı yüzeyinde serin malzemeler ile fotovoltaik güneş panellerinin kullanılması enerji tasarrufu sağlamaktadır (Şekil 4.2).

Şekil 4.2. Düşük Eğimli Çatıya Sıva Püskürtülmesi, Serin Çatı Üzerinde Fotovoltaik Güneş Panelleri Montajı.

Şekil 4.3. Mevcut Çatı Yüzeyine Serin Çatı Membran Uygulaması.

Alüminyum Pigmentli Serin Malzemeler:

Alüminyum pigmentler serin çatı performansını arttırabilir. Siyah asfalt malzemenin alüminyum pigmentli halinin güneş ışını yansıtıcılığı %50 olarak ölçülmüştür. Metalik malzemelerde yüksek kızıl ötesi yayılma (le) değeri düşüktür. Ayrıca metal malzemelerde yansıtıcılık (SR) ve yüksek kızıl ötesi yayılma (Ie) arasında ters orantı vardır. (SR) ne kadar artarsa (Ie) o kadar azalır. Dolayısıyla alüminyum pigmentler ne kadar fazla ise (SR) o kadar fazladır ve (Ie) azdır. Bu tür malzemeler beyaz kaplamalara göre yıpranmaya karşı daha dayanıklıdır. [9]

Şekil 4.4. Farklı Çatı Yüzeyleri ve Çatı Yüzey Sıcaklığının Yansıması.

Şekil 4.4.’te, farklı yansıtma ve yayma oranlarına sahip koyu renkli, metal ve beyaz renkli çatı kaplama malzemeleri ile kaplı çatılarda yüzey sıcaklıklarındaki farklılıklar görülmektedir. Sıcak güneşli yaz günlerinde koyu renkli çatı güneş enerjisinin %5’ini yansıtır ve sıcaklığın %90’dan fazlasını yayarlar ve absorbe işlemi (çatı altındaki mekanda) 82°C (180°F) kadar ulaşabilir. Metal çatı ise güneş enerjisinin önemli miktarını yansıtır; 4’te biri civarındaki ısıyı absorbe ederek çatı altındaki mekanda sıcaklık 71°C (160°F)’ye kadar çıkabilir. Beyaz çatıda ise güneş enerjisinin çoğunu yansıtır ve yayabilirler; çatı altındaki mekanda ulaşabilecek en yüksek sıcaklık 49°C (120°F)’dir [8].

Serin Renkli Kaplama Malzemeleri:

Yansıtıcılık değerleri yüksek olmasına karşın, güneşli günlerde beyaz renkli yüzeyler, parlaklık ve kamaşma nedenleriyle göze rahatsızlık verebilir. Bu nedenle açık renkte agregalı şingıl, metal çatı levhaları, yansıtıcı kiremit gibi malzemeler tercih edilebilir. Diğer yandan, geleneksel pigmentlerin yerine geliştirilmiş olan “soğuk pigmentler (cool pigments)” uygulanarak yansıtıcılık değerleri yüksek yüzeyler elde edilebilir.

Serin Membran:

Beyaz renkli membran malzemelerin %75 ile %85 yansıtıcılıkları vardır [9]. Serin membranlar, düşük eğimli çatılarda, prefabrike olarak uygulanabilir. Malzemeler genellikle yapıştırılmış ya da mekanik olarak tüm çatı yüzeyine yapıştırma ya da ısı kaynağı ile sabitlenerek uygulanmaktadır [8]. Tek katlı serin membranlar, EPDM, CSPE, ve PVC olarak çatı yüzeylerine uygulanabilir.

Şekil 4.5. Serin Tek Katlı CSPE Membran.

Asfalt Şingıllar: Asfalt şıngıllarda serin malzeme olabilir. Kaplanmış kaya granülleri asfalta yedirilerek elde edilirler. Beyaz granüllü şıngılların %20 ile %30 arasında yansıtıcılıkları mevcuttur [9].

Şekil 4.6. Serin Asfalt Şıngıl, Düz Serin Çatı, Serin Metal Çatı Örnekleri.

Termodinamik Kaplama Malzemeleri:

Termodinamik malzemeler optik özelliklerini iklimsel ya da elektriksel etkiler ile değiştirebilirler (örneğin güneş ışınları ve sıcaklık). Bu tür malzemelerden oluşmuş bina kabuğu enerji ihtiyaçlarına göre davranış değiştirebilir. Kışın güneş ışınlarını kabul eder, yazın güneş ışınlarını yansıtarak binanın gereğinden fazla ısınmasını engeller. Termodinamik malzemeler kategorisindeki termokromik malzemeler, çevrelerine renk değiştirerek cevap verirler. Isı arttıkça koyu tonlardan açık tonlara geçerler. Isı azaldıkça bu işlemin tam tersi olur [9].

Hal Değiştiren Malzemeler:

HDM’ler, kimyasal özellikleri sayesinde ısı depolarlar ve ortama tekrar ısı salarlar. Gün içinde sıcaklık arttıkça erime noktasına gelen malzeme hal değiştirir ve katıdan sıvı hale dönüşür. Ortam sıcaklığı düştüğünde tekrar hal değiştirerek katı olur. Böylece bu tür malzemeler gün içerisinde enerjiyi bünyesinde depolarlar ve soğutma giderleri üzerinde azaltıcı etki yaparlar [12].

Sonuç

Kentsel ısı adası oluşumunda; azalan bitki örtüsü, geçirimsiz yüzeylerin artması, ısı dağılımını engelleyen etkenler, enerji talebinin artması ve kentsel yüzey malzemeleri gibi parametreler kentsel ısı adası sürecini hızlandırmıştır. Günümüzde kentlerin gelişmesi ile yapılı alanların da arttığı görülmektedir. Bu durumda mevcut yapılara müdahale etmek çözüm alternatifi sunmak bağlamında ağaçlandırma, çatı bahçeleri ya da çatı yüzeylerinde yansıtıcı özelliği yüksek olan malzemeler seçmek hava kalitesini iyileştirerek kentsel ısı adası oluşumunu minimilize edebilecektir. Kentsel alanları oluşturan yüzeylerin malzeme özellikleri de dikkate alınması gereken bir diğer faktördür. Kentsel alanlarda çatılar büyük yüzeylere sahiptir ve güneş ışınlarına direkt olarak en çok maruz kalan alanlardır. Bu nedenle çatılarda yüksek güneş yansıtıcılığı değerine sahip malzemeler güneş ışınlarını yansıtmada ve çatı sıcaklığının düşürülmesi bakımından etkin materyallerdir. Ayrıca yüksek yayma gücüne sahip yüzeyler soğuk yüzeylerin oluşmasına olanak sağlarlar. Bilindiği üzere beyaz renk yansıtıcılığı yüksek olan bir renktir. Çatı yüzeyleri, bina cepheleri ya da asfalt yol ve kaldırımlar gibi kentsel alanlarda büyük bir paya sahip alanlarda yansıtıcı özelliği yüksek malzemeler seçilmelidir. Mevcut yapılara ve yeni yapılacak olan tasarımlarda çatı bahçeleri ya da serin çatı uygulamalarına yer verilmelidir. Güneş enerjisinden korunmanın yanında istifade etmek de düşünülerek, serin membranlar ile birlikte kullanıcak fotovoltaik (PV) paneller, enerji etkin nitelikte çatı yüzeyi elde edilmesini sağlayacaktır. Serin çatı malzemelerinin yansıtıcılık özelliği, gerek atmosferik etkiler, gerek hava koşulları nedeniyle zaman içinde azaltabilirler. Bu nedenle, bu malzemelerin uygulandığı yüzeylerin periyodik aralıklar ile yıkama ya da fırçalama işlemleri yapılması kullanım ömürlerini uzatıp, performanslarını iyileştirebilir.   İnci Tozam Yüksek Mimar İnci Tozam Mimarlık    

Kaynakça [1] Şimşek, K., Ç., (2013). İstanbul’da Kentsel İklim Üzerine Antropojenik Etkiler: Kentsel Isı Adalarının İncelenmesi. Doktora Tezi, Fen bilimleri Enstitüsü. YTÜ. [2] EPA. (2009). Reducing Urban Heat Islands: Conpendium of Strategies. Cool Roofs. [3] Bayraktar, T., N., ve Gerçek, D., 2014. Kentsel Isı Adası Etkisinin Uzaktan Algılama İle Tespiti ve Değerlendirilmesi: İzmit Kenti Örneği, 5. Uzaktan Algılama Sempozyumu. İstanbul. [4] Bayraktar, T., N., ve Gerçek, D. (2014). Kentsel Isı Adası Etkisinin Uzaktan Algılama İle Tespiti ve Değerlendirilmesi: İzmit Kenti Örneği. 5. Uzaktan Algılama Sempozyumu.İstanbul:2.:Oke, T.R., 1982, Theenergeticbasis of the urban heatisland. QuarterlyJournal of theRoyalMeteorologicalSociety, 108(455), 1–24. [5] Yüksel, Ü. (2005). Ankara Kentinde Kentsel Isı Adası Etkisinin Yaz Aylarında Uzaktan Algılama ve Meteorolojik Gözlemlere Dayalı Olarak Saptanması ve Değerlendirilmesi Üzerinde Bir Araştırma. Doktora Tezi. Ankara. Ankara Üniversitesi FBE. [6] Tozam, İ., 2016. Kentsel Isı Adası Etkisinin Azaltılmasında Çatıların Değerlendirilmesi: Yeşil Çatılar ve Serin Çatılar, Yüksek Lisans Tezi, İ.A.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, s.47., İstanbul. [7] Cool Roof Rating Council.(t.y.).Cool Roofing Informatıon for Home And Building Owners (http://coolroofs.org/resources/home- building-owners) [8] EPA, (2009). Reducing Urban Heat Islands: Conpendium of Strategies. Cool Roofs. [9] Çelik A.,Ç., (2012). Kentsel Isınmaya Çözüm Olarak ‘Serin Çatılar’ ve ‘Serin Malzemeler.’ Ege Mimarlık Dergisi. Sayı, s.35-39, İzmir. [10] Yılmaz, E., (2013). Ankara Şehrinde Isı Adası Oluşumu. Doktora Tezi. Ankara Üniversitesi. SBE. [11] Soğuk Pigmentler., (2013). Industrial Paint & Surface.http://www.ippcm.com/Haber/Soguk-Pigmentler.html(10.09.2016). [12] Santamouris M. et al., (2011). “Using Advanced Cool Materials In The Urban Built Environment To Mitigate Heat Islands And Improve Thermal Conditions”, Solar Energy.