Son yıllarda aşırı sıcaklıklar, kentsel ortamlarda yaşayan insanların sağlık ve konforunu ciddi şekilde etkilemiştir. Artan kentleşme, özellikle “kentsel ısı adası” (Urban Heat Island – UHI) etkisi nedeniyle her geçen gün daha fazla insanı olumsuz etkilemektedir. Tarih boyunca buharlaşma yoluyla soğutma doğal bir serinletme yöntemi olarak kullanılmıştır. Ancak, su tüketimi ve belirli biyoklimatik koşullara ihtiyaç duyulması gibi sınırlamalar nedeniyle günümüzde bu yöntemin uygulanabilirliği coğrafi olarak sınırlı kalmaktadır.

Bu makalede, yenilikçi bir seramik buharlaşmalı soğutma sistemi olan TerraCool tanıtılmaktadır. TerraCool, sıcak hava ile ıslak seramik arasındaki temas yüzeyini maksimuma çıkarırken su tüketimini en aza indirmek için Schwarz P (Primitive) üçlü periyodik minimal yüzey (TPMS) geometrisine dayalı, istiflenebilir seramik tuğlalardan oluşan modüler bir sistemdir. Parametrik tasarım, bu modüllerin farklı konfigürasyonlarda üretimine ve montajına olanak tanır.

Bu çalışma, TerraCool’un sıcak ve kuru bölgelerde potansiyel kullanım alanlarını, bina özelliklerine nasıl entegre edilebileceğini ve kamuya açık alanlarda aşırı sıcaklığı hafifletmek için “kentsel vahalar” oluşturmadaki rolünü incelemektedir. TerraCool, buharlaşmalı soğutmanın (CEC) günümüzdeki sınırlı kullanım alanlarının ötesine geçerek daha geniş bir coğrafyada uygulanabileceğini öne sürmektedir.

Kapsam ve Bağlam
“Kentsel ısı adaları”, şehirlerin çevresine göre önemli ölçüde daha yüksek sıcaklıklar yaşadığı bir olgudur. Bunun temel nedeni, kentsel yapıların geometri ve malzeme özellikleridir. Koyu renkli malzemeler güneş enerjisini emerken, yüksek binalar doğal rüzgar akışını engeller ve ısı birikimini artırır.
Seramik malzemelerin buharlaşmalı soğutma için sahip olduğu özgün özellikler, bu projede seramiklere odaklanılmasının temel motivasyonudur. Bu bağlamda şu sorular araştırılmıştır:
Seramik malzemelerin buharlaşmalı soğutma kapasitesi, kentsel ısı adalarını hafifletmek için geometrik olarak nasıl optimize edilebilir?
Daha fazla yüzey alanı sağlayarak buharlaşma etkisini artırabilecek geometriler nelerdir?
CEC elemanları, farklı çevresel koşullara uyum sağlayabilecek modüler bir sistem olarak nasıl entegre edilebilir?

Buharlaşmalı Soğutma ve Tarihsel Arka Plan
Buharlaşma, suyun sıvı halden gaz haline geçişidir ve çevredeki havanın ısısını alarak bir soğutma etkisi yaratır. Gözenekli yapısı sayesinde seramik, buharlaşmalı soğutma için ideal bir malzemedir. Terrakotta, yüzeyine nüfuz eden suyun buharlaşarak ortamı serinlettiği bir yapıya sahiptir. Orta Doğu’daki Muskat pencereleri, İspanya, Kuzey Afrika ve Hindistan’daki pasif soğutma sistemleri (malqaflar ve salsabiller) bu teknolojinin tarihsel örneklerindendir. Modern uygulamalarda ise Casa Patio 2.12 binası ve Tokyo’daki Sony City Osaki gibi projeler, seramik kullanılarak pasif soğutmanın nasıl entegre edilebileceğini göstermektedir.

Geometrik Yaklaşım ve Tasarım

CEC modüllerinin etkili olması için yüksek yüzey alanı/hacim oranına sahip olmaları gerekir. Bu proje kapsamında Schwarz-P geometrisi, hava ve suyun seramik yüzeyle maksimum temasını sağlayacak şekilde seçilmiştir. Schwarz-P yüzeyi, istiflenebilir bir yapıya sahip olmasıyla modüler tasarımlar için uygundur ve bu geometri, minimal yüzey prensibi sayesinde akışkan hareketini kolaylaştırır. Bu tür karmaşık geometriler seramikle üretmek zordur. Ancak, bu projede, “slip casting” yöntemiyle Schwarz-P geometrisinde seramik modüllerin üretilebileceği gösterilmiştir. Grasshopper destekli Rhino programı kullanılarak parametrik bir tasarım yöntemi geliştirilmiş, farklı konfigürasyonlarda birleştirilebilecek modüller üretilmiştir.

Modüler Sistem ve Uygulamalar

İlk prototip, dikey sütunlar oluşturmak için istiflenebilir seramik tuğlalar olarak tasarlanmıştır. Her bir tuğla, içinden su akışını sağlayan kanallar içerir ve O-ringlerle su geçirmez bağlantılar sağlar. Modüler yapı, gerektiğinde sökülebilir veya yeniden monte edilebilir. Daha karmaşık bir tuğla tasarımı için ikinci bir prototip geliştirilmiştir. Bu prototip, yatay ve dikey kullanım için uygundur ve bina cephelerinde veya havalandırma panellerinde kullanılabilir. Üretim süreci, hassas toleransların korunması için alüminyum detaylar ve poliüretan kalıplarla desteklenmiştir.

Potansiyel Uygulamalar

1. İç Mekan Soğutma
TerraCool, binaların üst kısımlarına yerleştirilerek sıcak havanın yükselmesini ve soğutulmuş havanın aşağıya doğru akmasını sağlayabilir. Alternatif olarak, bina duvarlarının içindeki kolonlar olarak yerleştirilerek pasif bir havalandırma sistemi oluşturabilir. Bu strateji, solar bacalar gibi diğer pasif soğutma yöntemleriyle birleştirilebilir.

2. Kamusal Alanlarda Kent Vahası
TerraCool, şehirlerde aşırı sıcaklıkları hafifletmek için halka açık alanlarda bir “kentsel vaha” yaratmak üzere kullanılabilir. Önerilen sistem, binalardan toplanan gri suyu kullanarak çalışır ve güneş panelleriyle desteklenir. Seramik elemanlar, suyun kapiler emme kapasitesini kullanarak sürekli bir soğutma sağlar. Bu, şehir içindeki parklar veya meydanlar için ideal bir çözüm sunar.

Sonuç
TerraCool, buharlaşmalı soğutma teknolojisinin sınırlarını genişleten iki önemli yenilik sunmaktadır:
TPMS geometrisinin kullanımıyla yüzey alanının optimize edilmesi
Bu geometrilerin modüler seramik sistemlerle uygun maliyetli bir şekilde üretilmesi
Bu proje, pasif soğutmanın bina çevresinde ve kamusal alanlarda uygulanabilirliğini artırmayı hedeflemektedir. TerraCool, düşük maliyetli üretim yöntemleri ve yenilikçi tasarım yaklaşımlarıyla, seramik buharlaşmalı soğutma sistemlerinin daha geniş bir ölçekte benimsenmesini sağlamayı amaçlamaktadır.
Dilara Temel ve Lachlan Fahy tarafından gerçekleştirilen TerraCool, dergi ve kitaplarda yayınlanmasının yanısıra Bartlett Fifteen Show’da ve Dutch Design Week’te sergilenmiştir. Proje ilgili ayrıntılı bilgiye yayınlanan şu makaleden ve sosyal medya hesabından ulaşabilirsiniz.

Referanslar

• Bechthold, M., Kane, A. and King, N.H., 2015. Ceramic Material Systems: In architecture and interior design.
• Elfatih, I., Shao, L. and Riffat S.B., 2003. Performance of porous ceramic evaporators for building cooling application. Energy and Buildings, 35(9), pp: 941–49. https://doi.org/10.1016/S0378-7788(03)00019-7.
• Fahy, L., 2022. Versatile integration of ceramic evaporative cooling. MArch. University College London.
• Fathy, H. ed., 1986. Natural energy and vernacular architecture. The University of Chicago Press.
• Ford, B., Schiano-Phan, R. and Vallejo J., 2020. The architecture of natural cooling. Second Edition. Abingdon, Oxon: Routledge.
• Gage, S. A., Hunt, G.R. and Linden. P.F, 2001. Top-down ventilation and cooling. Journal of Architectural and Planning Research, [online], p.298. Available at: https://about.jstor.org/terms.
• Henley, J., 2015. World set to use more energy for cooling than heating. The Guardian, 26 Oct.
• He, J. and Hoyano A., 2010. Experimental study of cooling effects of a passive evaporative cooling wall constructed of porous ceramics with high water soaking-up ability. Building and Environment, 45 (2), pp: 461–472. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2009.07.002.
• Peng, H., Gao, F. and Hu, W., 2019. Design, modeling and characterization of triply periodic minimal surface heat exchangers with additive manufacturing. Solid Freeform Fabrication Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, [online] Available at: https://utw10945.utweb.utexas.edu/sites/default/files/2019/194%20Design,%20Modeling%20and%20Characterization%20of%20Triply%20Pe.pdf.
• Temel, D., 2022. Creating an urban oasis. MArch. University College London.