Günümüzde yenilenebilir enerji her zamankinden çok daha önemli hale gelmiştir. Bunun bir sonucu olarak, mimarlar ve mühendisler, kentsel alanlarda yenilenebilir enerjiden yararlanma olanakları hakkında derinlemesine araştırma yapmak zorunda kalmaktadır. Bu bağlamda, rüzgar enerjisinin bina tasarımına entegrasyonu yükselen mimari bir eğilim olarak ön plana çıkmıştır. Bununla birlikte, bölgenin yerel rüzgar iklimi ve söz konusu binanın çevresi, rüzgar enerjisi sisteminin verimliliği için uygun olmalıdır. Sadece bu koşullar altında, rüzgar türbinlerinin verimli kullanımı sağlanarak bina tasarımına entegrasyonu mümkün olabilecektir.

Gelecekteki enerji talep beklentisiyle, entegre güç kaynakları oluşturmak için verimli ve ekonomik açıdan avantajlı bir öneri olarak, rüzgar türbinleri fiziksel çevreye zarar vermeden şebekeden sağlanan elektriğe bağımlılığı azaltma potansiyeline sahiptir (Taylor, 1998; Smith, 2003). Buna ek olarak, en öngörülebilir temiz enerji kaynaklarından biri olan rüzgar türbinleri, asgari 20 yıl hizmet ömrü ile yılın %85’i çalıştırılabildiğinden, yapılı çevrede kullanımı tercih edilmektedir (Coleman and Preston, 2008).

Bu çalışmada, alternatiflerine göre daha geniş ve tutarlı olan yüksek binalarda rüzgar enerjisi kullanımının özgün bir tipolojik sınıflandırması önerilmektedir. Bu sentez, teknik, ekonomik veya çevresel beklentileri karşılamaktan ziyade öncelikle rüzgar türbinleri ile binanın mimari ve estetik entegrasyonunu göz önünde bulundurmaktadır.

Literatür Araştırması
Literatürde, mühendis-baskın genel araştırma eğilimi, çoğunlukla rüzgar türbinlerinin teknik performansına ve ekonomik verimliliğine yönelik olup sınırlı sayıdaki çalışma, estetik ve mekansal etkiyi dikkate alarak rüzgar türbinlerinin yapılı çevreye mimari entegrasyonuna odaklanmıştır.

Bunlar arasında, Campbell’in (2001) çalışmasında, üç genel entegrasyon stratejisi sunuldu: Tam entegrasyon, rüzgar türbinlerinin mevcut binalara uyarlanması ve kentsel alanlara bağımsız rüzgar türbinlerinin yerleştirilmesi. Bu sınıflandırmaya, Degrassi vd. (2103) çalışmasında da değinilmişti. Dutton vd. (2005) raporunda, binaya monte/entegre rüzgar türbinlerinin çeşitli konfigürasyonlarının teknik uygulanabilirliğini ve enerji üretim potansiyellerini değerlendirirken, Mertens (2006) binanın rüzgar türbini için rüzgar enerjisini üç farklı yoldan yoğunlaştıracak şekilde rüzgar türbini ile bina arasındaki entegrasyonuna odaklandı: “Binaya yakın çalışan rüzgar türbinleri”, “kanat şekilli binalar
arasındaki rüzgar türbinleri” ve “binada kanal-yerleşimli rüzgar türbinleri”.
Abohela vd. (2011) rüzgar türbinlerinin yapılı çevreye entegrasyonuna ilişkin mevcut araştırmaları üç başlık altında inceledi: “Yapılı çevreye entegre rüzgar türbin tipleri”, “farklı araçlar kullanarak yapılı çevrede rüzgar akışının değerlendirilmesi” ve “rüzgar türbinlerinin çevresel, ekonomik ve sosyal yönlerle bağlantılı olarak yapılı çevreye entegrasyonunun fizibilitesi”. Çalışmasının ilk bölümde, Aguiló vd. (2009) referans gösterilerek, rüzgar türbinlerinin yapılı çevreye entegrasyonunda üç yöntem sunulmuştur: Binaya entegre rüzgar türbinleri, binaya monte rüzgar türbinleri, ve bina çoğaltımlı rüzgar türbinleri. Poerschke vd. (2011) ise, yapılı çevreye rüzgar enerjisi entegrasyonunda birkaç yaklaşıma değindi: “Çatıya monte rüzgar türbinleri”, “çatı parapetine monte rüzgar türbinleri”, “çift çatı”, “kanallaştırılmış bina şekli”, “cephe entegrasyonu” ve “peyzaj entegrasyonu”. Park vd. (2015) binaya entegre rüzgar türbinlerini, yüksek binalardaki uygun konumlara göre sınıflandırdı: “Çatıda”, “iki bitişik bina arasında” ve “bina içindeki boşlukta”. Haase ve Löfström (2015) araştırmasında, rüzgar türbin tipleri ve bina bağlantılı rüzgar türbini uygulama alanları tespit edildi: Rotor tipleri, binaya monte rüzgar türbinleri, binaya entegre
rüzgar türbinleri, bina çoğaltımlı rüzgar türbinleri. Bu sınıflandırma, Filipowicz vd. (2018) çalışmasında da kullanıldı.

Rüzgar Enerjisinin Yüksek Binalara Mimari Entegrasyon Stratejileri
Yazarlar, önceki bölümde bahsedilen literatür çalışmalarını da dikkate alarak mevcut ve tasarım aşamasındaki binalara yönelik rüzgar enerjisinin, binalara mimari entegrasyon stratejileri olarak daha kapsamlı ve tutarlı olan aşağıdaki tipolojik sınıflandırmayı önermiştir (Şekil 1):

• Bina-bağımsız rüzgar türbin kullanımı (Building-independent wind turbine utilization) örneğin: rüzgar çiftlikleri

• Bina-bağımlı-çoğaltımlı rüzgar türbin kullanımı (Building-dependent/- augmented wind turbine utilization)

•Bina-monte-tadilli rüzgar türbin kullanımı (Building-mounted/retrofitted wind turbine utilization) / mimari olarak bağımsız
– mimari form-kaygılı (architectural form concerned)
– mimari form-kaygısız (architectural form unconcerned)

• Bina-entegre rüzgar türbin kullanımı (Building-integrated wind turbine utilization) / mimari olarak bağlı

– Bina-destekli (building-supported)
– Kendinden destekli (self-supported)
– strüktürel olarak bağımsız

Bu sınıflandırma, rüzgar enerjisi güdüm veya mimari tasarımı etkileme ilkelerine dayanmaktadır. Tamamen veya kısmen mimari entegrasyondan ziyade yalnızca bağlamsal düzeyde ilişkide olduğu için, bina-bağımsız rüzgar türbini kullanımı, ana diyagrama kesikli çizgilerle bağlı olarak temsil edilmiştir (Şekil 1).

Bina-Bağımsız Rüzgar Türbini Kullanımı
Bu grup, hem mimari hem de strüktürel olarak binadan bağımsız yerleştirilmiş ancak yapılı çevre/peyzaj ile bağlamsal düzeyde ilişkili türbinleri tanımlar. Bu noktada, “bağlamsal ilişki”, bina ve çevresi arasında bir ilişki oluşturmak için rüzgar türbinlerinin peyzajdaki mevcut binalara yakın konumlandırılması şeklindedir. Bu sınıflandırmada, rüzgar türbinleri, rüzgar akışını artırmak için bina formunu kullanmaz ve strüktürel olarak tek başına durur.

Bina-Bağımlı-Çoğaltımlı Rüzgar Türbini Kullanımı
Bu tipoloji ise mimari ve/veya strüktürel olarak binaya bağlı yerleştirilen rüzgar türbinlerini tanımlar ve ikiye ayrılır: Bina-monte-tadilli rüzgar türbin kullanımı ve bina-entegre rüzgar türbin kullanımı. Burada, bina-monte-tadilli rüzgar türbinlerinde olduğu gibi bina yüksekliği veya bina-entegre rüzgar türbinlerinde de, bina formu rüzgar enerjisinin artırılması sağlanmaktadır.

Bina-Monte Tadilli Rüzgar Türbin Kullanımı: Bu alt grup, bina çatısı ve yan duvarlarının türbinleri desteklemek için dayanak görevi gördüğü binaya,
strüktürel olarak bağlı/bağlantılı olarak yerleştirilen rüzgar türbinlerinden oluşur (Şekil 2). Bu türbinler, bina yüksekliği sayesinde rüzgar akışının ve dolayısıyla rüzgar enerjisinin artırılmasıyla çalışır. Bina-monte-tadilli rüzgar türbinleri,
yüksek binalarda veya yükseklerde inşa edilmiş binalarda kullanılır. Bu türbinler hem mevcut binalarda hem de tasarım aşamasındakilerde kullanılabilir. Mevcut binalarda, yapısal güvenlik ve hizmete elverişlilik (titreşim ve ses yalıtımı gibi) önlemleri sağlanarak uygulanmaktadır.

Bina-monte-tadilli rüzgar türbinleri, binanın aerodinamik şeklinden kaynaklanan rüzgar akışındaki potansiyel artıştan yararlanmamaktadır. Bu konu, enerji temelli tasarımda rüzgar enerjisi üretimi açısından, “bina-monte-tadilli rüzgar türbinleri” ile “bina-entegre rüzgar türbinleri” arasındaki temel farkı oluşturur.

Bu rüzgar türbinleri için entegrasyon stratejileri Şekil 2’de gösterilmektedir.

Bina-monte-tadilli rüzgar türbinleri ikiye ayrılabilir: “Mimari form kaygılı” ve “mimari form kaygısız”.

181m yüksekliğindeki The Tower, One St George Wharf (London, 2014) (Şekil 3) binasında olduğu gibi, “mimari form kaygılı” grupta, rüzgar türbininin muhafazası binanın mimari formuna estetik açıdan uyarlanmıştır. Bu kulede, formu silindirik yapı formuyla uyumlu 10 metre yüksekliğindeki dikey eksenli rüzgar türbini, kamusal alanlarda aydınlatmayı sağlamaktadır (The Tower, One St George Wharf, CTBUH, 2021).

Mimari form-kaygısız grupta, mimari tasarımda rüzgar türbini dikkate alınmaz. “Bina cephesi entegre rüzgar türbinleri” (Şekil 4) bu gruba örnek gösterilebilir. Bu türbinler, sürekli olarak rüzgar basıncına maruz kalan bina kabuğunu doğrudan kullanır. Sadece hakim rüzgar yönünden gelen rüzgar akışını değil, aynı zamanda bina yüzeyinden yükselen hava akışını da yakalayan bu yenilikçi sistem, Poerschke vd. (2011) and Park vd. (2015) tarafından önerilmiştir.

Bina-Entegre Rüzgar Türbin Kullanımı: Bu tipoloji, binaya mimari olarak bağlı, ancak binadan strüktürel olarak bağımsız rüzgar türbinlerinden oluşur ve burada, bina(lar)ın mimari formu rüzgar enerjisi kullanımıyla şekillenir. Rüzgar akışını yoğunlaştırarak ve hızlandırarak türbinin enerji üretim kapasitesini artırmak için aerodinamik bina formundan yararlanılır. Bina-entegre rüzgar türbin kullanım potansiyelini değerlendirmek için, bina formunun aerodinamik performansı rüzgar tüneli ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği simülasyonları kullanılır. Bu bağlamda, Campbell vd. (2001) enerji çalışmalarının temel bulguları aşağıdadır:

• Optimum performans için pürüzsüz veya yuvarlak yapı formları kullanılabilir.
• Böbrek veya bumerang şekilli plana sahip binalar en iyi rüzgar hızı artışını sağlayabilir.
• Türbin çevresinde üç boyutlu aerodinamik kanal şekli oluşturan kanatlar veya dolgular büyük ölçüde etkilidir ve bu da akış ayrışmasını ve rüzgar çoğaltım kaybını önler.
• Etkin rüzgar artışı, 40º-50º’ye kadar geliş açılarından elde edilebilir ve çok dar açılarda aerodinamik kanallı bir boşluktan önemli miktarda akış meydana gelebilir.

Bina-entegre rüzgar türbin kullanımı ikiye ayrılır: “Bina-destekli, mimari ve strüktürel olarak binaya bağlı” ve “kendinden destekli, binaya mimari olarak bağlı fakat binadan strüktürel olarak bağımsız”.

Bina-destekli rüzgar türbinleri, hem mimari hem de strüktürel olarak binaya bağlı olan rüzgar türbinlerinden oluşur. Bu türbinler, rüzgar akışını yönlendirmek ve böylece enerji üretim kapasitelerini en üst düzeye çıkarmak için binanın aerodinamik formunu kullanır.

Türbine yakın mekanlar kaçınılmaz olarak daha değersiz ve daha az talep görür olduğundan, bu bölgelerde sık kullanılmayan mekanlar veya bina çekirdekleri planlanarak tampon alanlar oluşturulmalıdır.

Bina-destekli rüzgar türbin kullanımının öne çıkan örneklerinden olan 240 m yüksekliğindeki Bahrain World Trade Center (Manama, 2008) (Şekil 5), “dünyanın ilk büyük ölçekli elektrik üreten rüzgar türbini entegre yüksek binası” ünvanını almıştır (WS Atkins & Partners, 2008; Gunel and Ilgın, 2014; Bahrain World Trade Center, CTBUH, 2021). Yapıda, birincil tasarım fikri olarak, yelkenlerin aerodinamiğinden ve geleneksel Arap rüzgar kulelerinden esinlenilmiştir. Tasarım aşamasında, 29 m çapındaki üç yatay eksenli rüzgar türbininden elde edilen enerjinin, binanın elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık %15’ini karşılayabileceği tahmin edilmiştir (Killa and Smith, 2008; Bellini and Daglio, 2009). Eliptik plan formları rüzgar akışını yönlendirir ve böylece rüzgar hızını %30’a kadar yükseltir (Smith and Killa, 2007). Bunun yanı sıra, bina tepesine doğru sivriltme etkisi rüzgar akışındaki artışın etkisini azaltır. Bu etki, rüzgar hızının yer seviyesinde en düşük olmasıyla birlikte, üç rüzgar türbininin neredeyse aynı hızda dönmesini ve böylece aynı miktarda enerji üretmesini sağlar.

Bina-destekli rüzgar türbin kullanımına önemli bir örnek de, 148 m yüksekliğindeki Strata (London, 2010) (Şekil 6), “dünyanın ilk cephe kaplama altı rüzgar türbinlerine sahip binası” olarak bilinmektedir (Strata, CTBUH, 2021). Bina formu ve konumu hakim rüzgar yönünün optimum kullanımını sağlamaktadır (Bogle, 2011). Üç adet 9 m çapındaki rüzgar türbini, binanın toplam enerji ihtiyacının yaklaşık %8’ini karşılar (Cowan, 2010).

Yontulmuş formlu gövdesi ile rüzgarı mekanik katlara yerleştirilmiş rüzgar türbinlerine yönlendirerek enerji üretimine katkıda bulunan 309 m yüksekliğindeki Pearl River Tower (Guangzhou, 2013) (Şekil 7), bina-destekli rüzgar türbin kullanımına örnek olarak gösterilebilir. Rüzgar, bina kaplamasındaki boşluklardan çekilerek hızını ikiye katlar (Epstein, 2008). Rüzgar türbinlerinin binanın enerji ihtiyacının %1’ini karşıladığı tahmin edilmektedir (Sharpe, 2010). Binanın performans odaklı kavisli şekli, türbin performansını önemli ölçüde artırır (Selcuk and Ilgın, 2017).

“Sıfır enerji hedefi”ne ulaşmak için, sürdürülebilir bir tasarım stratejisi olarak rüzgar enerjisini toplamak, 523 m yüksekliğindeki Pertamina Energy Tower’ı (Jakarta, proposed, 2012) (Şekil 8) bina-destekli rüzgar türbin kullanımının en önemli örneklerinden biri haline getirmiştir (Besjak vd., 2015; Wolny, 2019; Pertamina Energy Tower, CTBUH, 2021). Dev bir rüzgar çiftliği görevi gören dikey eksenli rüzgar türbinlerine sahip kule, geleneksel yüksek binalarda olduğu gibi etkisini azaltmak veya rüzgardan kurtulmak yerine hakim rüzgarı elektrik üretmek için kullanmayı planlamaktadır. Hafifçe sivrilen taç şeklindeki bina tepesinde bulunan optimize edilmiş rüzgar hunisi sayesinde, üst katlardan geçen rüzgar, kulenin enerji ihtiyacının %25’ini karşılamak için çoğaltımlı olarak türbinlerin üzerinde arttırılır (Charles, 2016).

Henüz bir örneği inşa edilmemiş olan “kendinden destekli rüzgar türbinleri”, mimari olarak binaya bağımlı ancak strüktürel olarak binadan bağımsız olarak yerleştirilen rüzgar türbinlerinden oluşmaktadır. Bu türbinler, binalara yakın çalışabilmekte olup bina(lar) tarafından hızlandırılmış rüzgar hızından faydalanabilirler. Ayrıca, binanın yapısı yerine kendilerince desteklenerek mimari tasarıma yani binanın aerodinamik formuna etki ederler. Farklı bina kütle bileşim kombinasyonlarına sahip “kendinden destekli rüzgar türbinleri” Şekil 9’da temsili olarak gösterilmektedir.

Sonuç
Rüzgar enerjisinin kentsel alanlarda kullanılması nispeten yeni bir fikirdir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının binalarla bütünleştirilmesi sadece ekolojik bir sorun değil, aynı zamanda mimarın yeşil enerjiyi kullanmayı teşvik eden yeni mimari akımlar veya bina tipolojileri geliştirdiği mimari bir sorunsaldır. Rüzgar türbinlerini, yüksek binalara entegre ederek rüzgardan enerji elde etmek, “daha yeşil” bir yapılı çevre için umut verici bir fikirdir. Bu bağlamda, rüzgar enerjisinin bina tasarımına entegrasyonu yükselen bir mimari eğilim olarak ön plana çıkmış ve dünya genelinde yüksek binalar ağırlıklı olmak üzere fikir projesi halindeki rüzgar türbinleri entegre mimari tasarımlar aşamalı olarak hayata geçirilmektedir. Yakın gelecekte, mimarların, kentin enerji ihtiyacına katkıda bulunmaya yetecek kadar kendi güçlerini üreten binalar geliştirecekleri düşünülmekte ve rüzgar türbinlerinin her binanın, özellikle de yüksek olanların ayrılmaz bir parçası olacağı öngörülmektedir. Bu noktada, yazarlar, mimarların ve mühendislerin disiplinler arası iş birliği içinde, yenilenebilir enerji kullanımı, bina işlevi ve mimari form arama sürecinin bir arada yürütülerek yeni fikirler üretmeye yönlendirilmesi gerektiğine inanmaktadır.

Kaynaklar

1. Abohela, I., Hamza, N. and Dudek, S. (2011). Integration of Wind Turbines in the Built Form and Environment. Sustainable Architecture and Urban Development. FORUM E-journal 10 (Haziran 2011): 23-39.
2. Aguiló, A., Taylor, D., Quinn, A., & Wiltshire, D. R. (2009). Computational Fluid Dynamic Modelling of wind speed enhancement through a building augmented wind concentration system.
3. Bahrain World Trade Center, http://www.ctbuh.org, erişim Eylül 2021.
4. Bellini, O.E. and Daglio, L. (2009). Bahrain World Trade Center. Building Arabia, White Star Publishers, pp. 36-40, ISBN: 978-88-544-0450-2, Vercelli.
5. Besjak, C., Biswas, P., Petrov, G.I., Meinschein, G., and Jordan A. (2015). New Heights in Sustainability-Pertamina Energy Tower. In Structures Congress, pp. 945-960.
6. Bogle, I. (2011). Integrating Wind Turbines in Tall Buildings. CTBUH Journal, Issue 4, pp.30-34.
7. Campbell, N., Stankovic, S., Graham, M., Parkin, P., Duijvendijk, M., Gruiter, T., Behling, S., Hieber, J. and Blanch, M. (2001). Wind Energy for the Built Environment. Procs. European Wind Energy Conference & Exhibition, Copenhagen.
8. Charles, J. (2016). Sustainable Construction, Green Building Design and Delivery. 4th Edition, Kibert, Wiley, pp.25-34.
9. Coleman, B. and Preston, I. (2008). Revolutionary Power.
10. Cowan, D. (2010). Strata SE1, London-Propelling Sustainable Regeneration. Proceedings of ICE-Civil Engineering, 2010,163, No.CE6, pp.56-63.
11. Degrassi, S., Castelli, M.R. and Benini, E. (2013). Retrospective of Wind Turbine Architectural Integration in the Built Environment. World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Architectural and Environmental Engineering, Vol:7, No:6.
12. Dutton, A.G., Halliday, J.A., and Blanch M.J. (2005). The Feasibility of Building-Mounted/Integrated Wind Turbines (BUWTs). Energy Research Unit, CCLRC.
13. Epstein, K. (2008). How Far Can You Go? Case Study: Pearl River Tower, High Performing Buildings.
14. Filipowicz, M., Żołądek, M., Goryl, W. and Sornek, K. (2018) Urban ecological energy generation on the example of elevation wind turbines located at Center of Energy AGH, E3S Web of Conferences 49, 00023, SOLINA 2018.
15. Gunel, M.H. and Ilgın, H.E. (2014). Tall Buildings: Structural Systems and Aerodynamic Form. Routledge. London and New York.
16. Haase, M. and Löfström, E. (2015). Building augmented wind turbines – BAWT. Integrated Solutions and Technologies of Small Wind Turbines, SINTEF Academic Press, Oslo, Norway. 
17. Killa, S. and Smith, R.F. (2008). Harnessing Energy in Tall Buildings: Bahrain World Trade Center and Beyond. CTBUH 8th World Congress 2008.
18. Mertens, S. (2006). Wind Energy in the Built Environment. Multi-Science, UK.
19. Park, J., Jung, H.J., Lee, S.W., and Park, J. (2015). New Building-Integrated Wind Turbine System Utilizing the Building, Energies, 8, pp.11846-11870.
20. Pertamina Energy Tower, http://www.ctbuh.org, erişim Eylül 2021.
21. Poerschke, U., Stewart, S., Srebric, J., and Murtha, T. (2011). Design Investigations on Building-Integrated Wind Energy: Lessons from an Architecture Studio. Proceedings of 2011 ASES Conference, American Solar Energy Society, pp.955-962.
22. Selcuk, S.A. and Ilgın, H.E. (2017). Performative Approaches in Tall Buildings: Pearl River Tower. Eurasian Journal of Civil Engineering and Architecture, Vol. 1, Issue 2, pp.11-20, Aralık. 
23. Sharpe, T. (2010). The Role of Aesthetics, Visual and Physical Integration in Building Mounted Wind Turbines – An Alternative Approach. Paths to Sustainable Energy. 
24. Smith, P.F. (2003). Sustainability at the Cutting Edge: Emerging Technologies for Low Energy Buildings. Oxford: Architectural Press.
25. Smith, R.F. and Killa, S. (2007). Bahrain World Trade Center (BWTC): The First Large-Scale Integration of Wind Turbines in a Building. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 16, pp.429-439.
26. Strata, http://www.ctbuh.org, erişim Eylül 2021.
27. Taylor, D. (1998). Using Buildings to Harvest Wind Energy. Building Research & Information, 26(3), pp.199-202.
28. The Tower, One St George Wharf, http://www.ctbuh.org, erişim Eylül 2021.
29. Wolny, P. (2019). 21st Century Skyscrapers (Feats of 21st Century Engineering). Enslow Pub LLC. 
30. WS Atkins & Partners. (2008). Bahrain World Trade Center: The World’s First Large Scale Integration of Wind Turbines on a Building. CTBUH Best Tall Building Awards, pp.1-21, WS Atkins & Partners Publication.