SERA ISITMA İÇİN GÜNEŞ ENERJİSİNİN DOLGULU YATAKTA

Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
888
SERA ISITMA İÇİN GÜNEŞ ENERJİSİNİN DOLGULU YATAKTA
DEPOLANMASI ÜZERİNE BİR ARAŞTIRMA
The Research on Storage of Solar Energy in Packed Bed
for Greenhouse Heating
H. H. ÖZTÜRK1
A. BAŞÇETİNÇELİK2
ÜLKER4
M. SİPAHİ3
K.
ÖZET
Bu araştırmada, taban alanı 120 m2 olan plastik tünel tip seranın ısıtılmasında
yararlanılmak üzere, güneş enerjisinin duyulur ısı depolama yöntemiyle günlük olarak
depolanması amaçlanmıştır. Araştırmadan elde edilen verilerin değerlendirilmesinde
enerji ve ekserji analizleri uygulanmıştır. Isı depolama ünitesinde günde ortalama
1162 W ısıl güç ve 24 W ekserji depolanmıştır. Isı depolama için günlük ortalama
enerjetik ve ekserjetik etkinlik, sırasıyla, % 39 ve % 1,4 olarak belirlenmiştir. Isı
depolama ünitesinden günde ortalama 750 W ısıl güç ve 17,7 W ekserji geri
kazanılmıştır. Isı geri kazanma süresince günlük ortalama enerjetik etkinlik % 15
olarak hesaplanmıştır. Sera toplam ısıl güç gereksiniminin günlük ortalama olarak
% 10,7’si ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güçle karşılanmıştır.
ABSTRACT
In this research, solar energy has been stored daily with the sensible heat
technique for plastic tunnel greenhouse of 120 m2. Energy and exergy analysis were
applied for evaluation of the system efficiency. An average 1162 W of thermal energy
or 24 W of exergy was stored into the heat storage unit during the day. It was
determined that an average values of energetic and exergetic efficiencies for heat
storage were39 % and 1,4 %, respectively. During the nights, an average rates of the
thermal energy and exergy recovery from the storage unit were 750 W and 17,7 W,
respectively. It was calculated that an average value of the energetic efficiency for
heat recovery from the heat storage unit was 15 %. The 10,7 % of heat requirement
of the plastic tunnel greenhouse was covered from the heat storage unit for 4 hours
heating per night.
1. GİRİŞ
Sera ısıtmak amacıyla güneş enerjisinden etkin olarak yararlanabilmek için,
güneş ışınımının ısıl enerjiye dönüştürülmesi ve sera ısı gereksiniminin karşılanması
amacıyla ısı enerjisinin depolanması gerekir. Isı enerjisi, ısı depolayan materyalin iç
enerjisindeki değişim sonucunda; duyulur ısı, gizli ısı ve bunların birleşimleri şeklinde
1
Yrd. Doç. Dr., Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, 01330 ADANA.
Prof. Dr.,
Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, 01330
ADANA.
3
Zir.Yük. Müh. Köy Hizmetleri Tarsus Araştırma Enstitüsü, Tarsus-İÇEL.
4
Uzman.,
Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, 01330
ADANA.
2
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
889
depolanabilir. Isı depolama sisteminin boyutları, uygulanan depolama yöntemi ve ısı
depolama materyallerine bağlı olarak, herhangi bir uygulama için düşük sıcaklıkta kısa
veya uzun süre için ısı depolanabilir. Sera ısıtmada ısı enerjisinin kısa
(gündüzden-geceye) ve uzun süreli (yazdan-kışa) depolanmasında; ısı depolama
materyali olarak su, toprak, çakıl veya kırma taş ve faz değiştiren materyallerden
yararlanılır. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin fazla olduğu ısı
depolama materyalleri kullanılması durumunda, ısı depolama için gerekli hacim azalır.
Sera ısıtma amacıyla ısı depolama sistemlerinin tasarımında; ısı depolama
materyali, ısı depolama kapasitesi, depolanan ve geri kazanılan ısı miktarı, ısı
depolama etkinliği, ısı deposunun yerleşimi ve boyutları ve ısı depolama ve geri
kazanma işlemlerinin düzenlenmesi ve kontrolü önemlidir.
Isı depolama sistemlerinin etkinliğinin belirlenmesi için, enerjinin korunumunu
belirten termodinamiğin birinci yasası dikkate alındığında, sisteme giren ve çıkan enerji
miktarına bağlı olarak nicel bir hesaplama yöntemi uygulanır. Termodinamiğin birinci
yasasına (enerji analizine) göre ısı depolama sistemlerinin etkinliği, sistemden geri
kazanılan ısı miktarının sisteme verilen ısı miktarına oranı olarak tanımlanabilir. Bu tür
bir yaklaşımla, işletilebilir sistemlerin tasarımlanabilmesine karşın, mümkün olabilen en
yüksek termodinamik etkinliğe sahip sistemler tasarımlanamaz [1].
Son yıllarda termodinamik yönden etkin olarak ısı geçişi gerçekleşen
sistemlerin tasarımında, termodinamiğin birinci yasasına ek olarak, ikinci yasası da
dikkate alınmaktadır. Depolanan ısı enerjisinin mekanik enerji veya diğer yüksek
kaliteli enerji türlerine dönüştürülmesi durumunda, verilen veya geri kazanılan
enerjinin sadece miktarı değil, kalitesi de dikkate alınmalıdır. Bu durumda
termodinamiğin ikinci yasasına (ekserji analizine) göre ısı depolama etkinliği,
sistemden geri kazanılan yararlı enerjinin başlangıçta sisteme verilen yararlı enerjiye
oranı şeklinde tanımlanabilir [2]. Ekserji analizi, genel olarak termodinamik sistemlerin
ve özel olarak da ısı depolama sistemlerinin termodinamik ve ekonomik etkinliklerinin
değerlendirilmesi için yararlı bir yöntemdir [3].
Bu çalışmada, yüksek tip plastik (PE) tünel seranın ısıtılmasında güneş
enerjisinden etkin olarak yararlanabilmek için, güneş enerjisinin duyulur ısı depolama
yöntemi ile kısa süreli (gündüzden-geceye) depolanması araştırılmıştır. Isı depolama
ünitesi olarak kullanılan dolgulu yatakta, güneş enerjisinin depolama etkinliği enerji ve
ekserji analizi ile belirlenmiş ve depolanan ısı enerjisiyle sera ısı gereksiniminin
karşılanma oranı saptanmıştır.
2. MATERYAL VE YÖNTEM
2.1. Materyal
Sera ısıtmada yaralanmak amacıyla, güneş enerjisinin dolgulu yatakta duyulur
ısı depolama yöntemi ile günlük olarak depolanması için tasarımlanmış olan araştırma,
Köy Hizmetleri Tarsus Araştırma Enstitüsü arazilerinde kurulmuş olan, yüksek tip
plastik tünel seralarda yürütülmüştür. Isı depolama ve sera iklimlendirme sisteminin
şematik görünümü Şekil 1’de verilmiştir. Sistem esas olarak;
 havalı güneş toplaçlarından oluşan ısı toplama ünitesi,
 toplanılan ısının depolandığı ısı depolama ünitesi,
 depolanan ısıyla ısıtılan plastik sera,
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
890
 ısı toplama-depolama üniteleri ve sera arasında ısı taşıma ünitesi ve
 veri toplama ünitesi olmak üzere başlıca beş üniteden oluşmaktadır.
Isı Toplama Ünitesi
FAN
A
Plastik Sera
1
Şekil 1. Isı depolama ve sera iklimlendirme sisteminin şematik görünümü
2.1.1. Isı Toplama Ünitesi
Isı depolama ünitesine gönderilecek olan sıcak havanın sağlanması için, güneş
enerjisin toplanması amacıyla havalı güneş toplaçlarından yararlanılmıştır. Isı toplama
ünitesi, 55  açıyla güneye doğru yönlendirilmiş, her biri 1,5 m2 soğurucu yüzeye
sahip, toplam 18 adet havalı düzlem toplaçtan oluşmaktadır. Isı toplama ünitesi, her
sırada birbirine seri bağlanmış altışar adet güneş toplacı bulunan üç adet paralel sıra
şeklinde düzenlenmiştir. Üst yüzeyleri 4 mm kalınlıkta cam örtüyle kaplanmış olan
toplaçların alt plakası cam yünüyle yalıtılmıştır. Isı toplama ünitesi, araştırmada
kullanılan yüksek tip plastik seranın birim taban alanı için, 0,225 m2 alanında güneş
toplacı düşünülerek tasarımlanmıştır
Güneş toplaçlarında hava, dolgulu akış kanalı içerisinden geçmektedir. Toplaç
soğurucu yüzeyinin altına yerleştirilmiş olan Raschig halkalarından oluşan dolgu, ısı
taşıyıcı akışkan olarak kullanılan hava ile toplaç soğurucu yüzeyi arasındaki ısı geçişini
arttırmaktadır. Dolgu malzemesi olarak kullanılan ve PVC malzemeden yapılmış olan
Raschig halkalarının karakteristik çapı 0,05 m’dir [4].
2.1.2. Isı Depolama Ünitesi
Isı depolama amacıyla 6 x 2 x 0,6 m boyutlarında ısı depolama ünitesi
kullanılmıştır. Isı depolama ünitesi, yüksek tip tünel seranın ortasında toprak altına
yerleştirilmiştir. Isı depolama ünitesinin taban ve yan yüzeyleri sırasıyla, 0,0002 m ve
0,05 m kalınlığında PE film ve strafor ile yalıtılmıştır.
Araştırmada, ısı depolama materyali olarak seranın birim taban alanı başına
54 kg /m2 (0,06 m3/m2) siyah volkanik tüf kullanılmıştır. Isı depolama materyali olarak
kullanılan siyah volkanik tüfün, hacim ağırlığı 900 kg/m3 ve porozitesi 41,22’dir.
Toplam 6 480 kg siyah volkanik tüf, ısı depolama ünitesi içerisinde ısı değiştirici
olarak kullanılan boruların etrafındaki boşluğa yerleştirilmiştir. Güneş toplaçlarından
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
891
gelen sıcak havanın ısı depolama ünitesi içerisinde dolaşımını sağlamak amacıyla, ısı
değiştirici olarak toplam uzunluğu 44 m olan, 0,1 m çapında ondüle PE drenfleks boru
kullanılmıştır.
2.1.3. Yüksek Tip Plastik Tünel Sera
Isı depolama ünitesinde depolanan ısıdan, taban alanı 120 m2 olan ve tek katlı
PE plastik örtülü, yüksek tip tünel seranın ısıtılmasında yararlanılmıştır. Galvanizli
demir kullanılarak tasarımlanmış olan seranın boyutları; 6 x 20 m’dir. Toplam
yüksekliği 3 m olan yüksek tip tünel serada, örtü yüzey alanın taban alanına oranı
1,8’dir. Kuzey-güney doğrultusunda yönlendirilmiş olan yüksek tip tünel sera, uzun
yan kenarlardaki sürekli açıklıklardan havalandırılmaktadır.
Isı depolama ünitesinden seraya ısı kazanılması, sera ortamındaki havanın
çekilerek, depolama ünitesi içerisinden dolaştırılması ile sağlanmıştır. Isı depolama
ünitesinde, ısı değiştirici olarak kullanılan ondüle PE boru içerisinde dolaştırılarak
ısıtılmış olan ılık hava, serada toprak yüzeyine yerleştirilmiş ve üzerinde belirli çap ve
aralıklarla delikler bulunan, 0,15 m çapındaki PE kanal içerisinden sera ortamına
dağıtılmıştır.
2.1.4. Isı Taşıma Ünitesi
Isı depolama ve geri kazanma amacıyla, ısı toplama-depolama üniteleri ve sera
arasında hava dolaşımıyla zorlanmış ısı taşınımı için, trifaze elektrik motorlarından
hareket alan iki adet fan kullanılmıştır. Isı toplama ünitesinden çıkan sıcak havanın,
depolama ünitesine kadar taşınmasında 0,1 m çapında düz PVC boru kullanılmıştır. Isı
toplama ünitesi-depolama ünitesi ve sera arasında hava akış yönünün kontrolü için, el
ile açılıp kapatılan 2 adet vana kullanılmıştır. Isı geri kazanma dönemlerinde, sera ve
ısı depolama ünitesi arasında hava dolaşımı için kullanılan fana hareket veren elektrik
motorunun, gece 2200-0200 saatleri arasındaki çalışması zaman saati ile kontrol
edilmiştir.
2.1.5. Veri Toplama Ünitesi
Bilgisayar destekli veri toplama ünitesinde, algılayıcıların yapmış olduğu
okumaların alınması ve biriktirilmesi için 62 kanallı Delta Logger T marka veri
kaydedici kullanılmıştır. Veri kaydedici voltaj, direnç, frekans ve sayısal durumdaki
girdileri kabul etmektedir. Verilerin kaydedilmesi tamamen otomatik olup, kaydedilen
veri kaydedicinin RAM (256 K)’ında biriktirilmektedir. Veri kaydedici içten veya
dıştan 12 V’luk bir ünite ile beslenebilmektedir.
Sera iç ortam ve dış ortam hava sıcaklığı, 0-80 C aralığında duyarlılığı
 0,1 C olan 2 k’luk termistör ile ölçülmüştür. Güç gereksinimi olmayan hava
sıcaklığı algılayıcısı, doğrudan güneş ışınımı ve yağmurdan korunan silindirik pancurlu
ışınım perdesi içerisine yerleştirilmiştir.
Sera toprak sıcaklığı, ısı toplama ünitesinden çıkan akışkan sıcaklığı ve ısı
depolama ünitesinin değişik bölümlerindeki ısı taşıyıcı akışkan ve ısı depolama
materyalinin sıcaklığı, (- 20)–(+ 80) C aralığında ölçüm yapabilen 2 k’luk termistör
ile ölçülmüştür. Paslanmaz çelik kaplı termistörün doğruluğu 0-70 C aralığında
 0,2 C’dir 5.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
892
Sera ve ısı depolama ünitesinin değişik bölümlerindeki sıcaklık değerleri,
algılayıcılar tarafından birer dakikalık aralıklarla algılanmıştır. Dakikada bir algılanan
değerler, veri kaydedicide 30’ar dakikalık ortalamalar şeklinde biriktirilmiştir.
2.2. Yöntem
2.2.1. Isı Depolama ve Geri Kazanma Dönemleri İçin Enerji Analizi
Isı toplama ünitesinden çıkan sıcak hava ile ısı depolama ünitesine verilen anlık
ısıl güç miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır.
 ( t )  m ..c T ( t )  T ( t ) ...................................................................(1)
Q
v
1
p
dg
dç


Isı depolama ünitesinde depolanan anlık ısıl güç miktarı, ısı depolama ünitesine
verilen ısıl güç miktarı ve depolama ünitesinden oluşan ısıl güç kayıplarına bağlı olarak
aşağıdaki gibi belirlenmiştir.
 (t )  Q
 (t )  Q
 (t ) ................................................................................(2)
Q
d
v
k
Isı depolama ünitesinden oluşan ısıl güç kayıpları aşağıdaki eşitlikten
hesaplanmıştır.
 (t )  A . T (t )  T (t )......................................................................(3)
Q
k
d
e
m
t
Isı depolama ünitesinden toprağa olan ısı geçişinin iletimle oluştuğu dikkate
alınmıştır. Isı depolama ünitesinin yüzeylerinden oluşan ısıl güç kayıplarına ilişkin
eşdeğer ısı iletim katsayısı, yalıtım malzemelerinin kalınlık ve ısı iletim katsayılarına
bağlı
olarak
aşağıdaki
gibi
hesaplanmıştır.
l l
 e  1 2 ............................................................................................(4)
l1 l 2

1  2
Isı depolama (enerjetik) etkinliği, ısı depolama ünitesinde depolanan anlık ısıl
güç miktarının, ısı toplama ünitesinden depolama ünitesine verilen anlık ısıl güç
miktarı ve ısı taşıyıcı akışkanın ısı toplama ve depolama ünitelerinde dolaşımı için
kullanılan elektrik motorunun enerji tüketimine oranı olarak tanımlanmıştır.
 (t)
Q
d
d (t ) 
x100 ............................................................................(5)

Q v ( t )  W1
Isı geri kazanma dönmelerinde, ısı depolama ünitesinden sera ortamına geri
kazanılan anlık ısıl güç miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır.
 (t )  m ..c T ( t )  T (t ) .................................................................(6)
Q
gk
2
p
dç
dg


Isı geri kazanma süresince enerjetik etkinlik, ısı depolama ünitesinden geri
kazanılan anlık ısıl güç miktarının, ısı taşıyıcı akışkanın ısı depolama ünitesi ve sera
arasında dolaşımı için kullanılan elektrik motorunun enerji tüketimine oranı olarak
tanımlanmıştır.
 (t)
Q
gk
 gk ( t ) 
x100 ..................................................................................(7)
W2
2.2.2. Isı Depolama ve Geri Kazanma Dönemleri İçin Ekserji Analizi
Isı toplama ünitesinden çıkan sıcak hava ile ısı depolama ünitesine aktarılan
ekserji miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır 4.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
 ( t )  T .m ..c ln
 v ( t )  Q
v
d
1
p
Tekirdağ
893
Tdg ( t )
...........................................................(8)
Tdç ( t )
Isı depolama ünitesinde depolanan ekserji miktarı, depolama ünitesine verilen
ekserji miktarı ve depolama ünitesinden oluşan ısı kaybına ilişkin ekserji kaybına bağlı
olarak aşağıdaki gibi belirlenmiştir.
 (t )  
 (t )  
 (t ) .................................................................................(9)

d
v
k
Isı depolama ünitesinden oluşan ısı kayıplarına ilişkin ekserji kaybı, sera toprak
sıcaklığı ve ısı depolama materyali sıcaklığına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten
hesaplanmıştır.
 ( t ) 1  Tt ( t )  .........................................................................(10)
 k ( t )  Q
k


 Tm ( t ) 
Isı depolama (ekserjetik) etkinliği, ısı depolama ünitesinde depolanan ekserji
miktarının, ısı toplama ünitesinden depolama ünitesine aktarılan ekserji miktarı ve ısı
taşıyıcı akışkanın ısı toplama ve depolama ünitelerinde dolaşımı için kullanılan elektrik
motorunun enerji tüketimine oranı olarak tanımlanmış ve aşağıdaki gibi hesaplanmıştır.
 d ( t )
d ( t ) 
x100 ..........................................................................(11)
 v ( t )  W1
Isı depolama ünitesinden geri kazanılan ekserji miktarı, depolama ünitesinden
geri kazanılan ekserji miktarına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanmıştır.
 ( t )  T .m ..c ln Tdç ( t ) .......................................................(12)
 gk ( t )  Q
gk
d
2
p
Tdg ( t )
2.2.3. Sera Isı Gereksiniminin Belirlenmesi
Araştırmada kullanılan yüksek tip plastik tünel seranın taban alanı başına ısı
gereksinimi,
 ( t )  A c .uT  T ( t )   .. ...............................................................(13)
Q
s
i
d
t
Ag
eşitliği ile hesaplanmıştır 6. Sera toplam ısı kayıp katsayısının hesaplanmasında,
araştırmanın yürütüldüğü yüksek tip plastik tünel sera için daha önce Başçetinçelik ve
Öztürk (1997) tarafından belirlenen aşağıdaki ilişkiden yararlanılmıştır 7.
u  3,55  0,11 v r ......................................................................................(14)
3. BULGULAR ve TARTIŢMA
Sera ısıtmada yararlanılmak üzere güneş enerjisinin dolgulu yatakta
depolanması amacıyla yürütülen araştırmada, 13-18 Ocak 1998 (birinci dönem) ve 4-9
Mart 1998 (ikinci dönem) tarihleri arasındaki dönemlerde ısı depolama yapılmıştır. Isı
depolama ve geri kazanma dönemlerine ilişkin enerjetik ve ekserjetik analizle
belirlenen bulgular aşağıda verilmiştir.
3.1. Isı Depolama İçin Enerjetik ve Ekserjetik Analiz Sonuçları
3.1.1. Isı Depolama Ünitesinde Depolanan Isıl Güç ve Ekserji Miktarı
Isı depolama ünitesine verilen anlık ısıl güç değerleri, ısı toplama ünitesinden
gelen ısı taşıyıcı akışkanın ortalama 0,069 m3/s hacimsel debisine bağlı olarak
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
894
hesaplanmıştır. Isı depolama dönemlerinde, depolama ünitesinde depolanan ısıl güç ve
ekserji değerlerinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 2’de verilmiştir. Isı depolama
dönemlerinde depolanan ısıl güç ve ekserji değerleri de Çizelge 1’de verilmiştir.
20
1500
15
1000
10
500
5
0
0
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
Isıl güç (W)
a) 13-18 Ocak 1998
Ekserji (W)
Isıl güç (W)
25
Isıl güç (W)
Ekserji (W)
b) 4-9 Mart 1998
1500
50
40
30
1000
20
500
Ekserji (W)
2000
2000
10
0
0
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
Zaman (h)
15:00
Zaman (h)
Şekil 2. Isı depolama ünitesinde depolanan ısıl güç ve ekserji miktarının değişimi
Çizelge 1. Isı Depolama Ünitesinde Depolanan Isıl Güç ve Ekserji Değerleri
Isı Depolama
Dönemi
Isıl Güç (W)
En Düşük En Yüksek
13-18 Ocak 1998
4-9 Mart 1998
519,0
734,4
1471,5
1474,7
Ekserji (W)
Ortalama
1156,3
1167,7
En Düşük En Yüksek
1,2
14,6
23,1
46,6
Ortalama
14,3
33,7
Isı depolama uygulamasının birinci döneminde (Şekil 2a); depolanan ısıl güç
miktarı sabah saat 1000’da 519 W ile en düşük değerde iken, ısı depolama ünitesine
giren ısı taşıyıcı akışkanın sıcaklık artışına bağlı olarak saat 1300’da 1471,5 W ile en
yüksek değere ulaşmıştır. Bu dönemde ısı depolama ünitesinde depolanan ekserji
miktarı, 1,2-23,1 W arasında değişmiştir. Isı depolama ünitesinde depolanan günlük
ortalama ısıl güç ve ekserji miktarı sırasıyla 1156,3 W ve 14,32 W olarak
hesaplanmıştır.
İkinci dönemde (Şekil 2b); ısı depolama ünitesinde depolanan ısıl güç miktarı
734,4-1474,7 W arasında değişmiştir. Bu dönemde depolanan günlük ortalama ısıl güç
miktarı 1167,7 W olarak belirlenmiştir. Isı depolama uygulamasının ikinci döneminde,
depolanan ekserji miktarı birinci döneme kıyasla daha yüksek olarak saptanmıştır. Bu
dönemde depolanan ekserji miktarı sabah saat 1000’da 14,6 W iken, saat 1230’da
46,6 W ile en yüksek değere ulaşmıştır. Isı depolama ünitesinde depolanan günlük
ortalama ekserji miktarı 33,7 W olarak hesaplanmıştır.
3.1.2. Isı Depolama Etkinliği
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
895
Isı depolama etkinliği, enerjetik ve ekserjetik etkinlik olmak üzere iki şekilde
değerlendirilmiştir. Enerjetik ve ekserjetik etkinlik, ısı depolama için kullanılan toplam
enerji veya ekserjinin ne kadarının depolanabildiğinin bir göstergesi olarak
değerlendirilebilir.
Isı depolama etkinliği, ısı depolama ünitesine giren akışkan sıcaklığının
artışıyla, zamana bağlı olarak artmıştır. Isı depolama dönemlerinde, ısı depolama
uygulamasının enerjetik ve ekserjetik etkinliğinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil
3’de ve ısı depolama dönemlerine göre enerjetik ve ekserjetik etkinlik değerleri de
Çizelge 2’de verilmiştir. Isı depolama uygulamasının birinci döneminde (Şekil 3a);
enerjetik ve ekserjetik etkinlik sırasıyla saat 1000’da % 22,6 ve % 0,07 ile en düşük
düzeylerde iken, saat 1300’de % 45,3 ve % 1,3 düzeylerine yükselmiştir. Bu saatten
sonra her iki etkinlik değeri de akışkan sıcaklık farkının azalmasına bağlı olarak
azalmıştır. Bu dönemde günlük ortalama enerjetik ve ekserjetik etkinlik sırasıyla,
% 38,8 ve % 0,8 olarak belirlenmiştir.
İkinci dönemde (Şekil 3b); enerjetik ve ekserjetik etkinlik sırasıyla, %
28,6-45,3 ve % 0,8-2,6 değerleri arasında değişmiştir. Bu dönemde günlük ortalama
enerjetik ve ekserjetik etkinlik sırasıyla, % 40 ve % 1,9 olarak hesaplanmıştır.
40
4
30
3
20
2
10
1
0
40
4
30
3
20
2
10
11:00
12:00
13:00
14:00
Enerjetik etkinlik (%)
Ekserjetik etkinlik (%)
0
10:00
0
10:00
5
b) 4-9 Mart 1998
11:00
12:00
13:00
Zaman (h)
14:00
1
Ekserjetik etkinlik (%)
5
a) 13-18 Ocak 1998
Ekserjetik etkinlik (%)
Enerjetik etkinlik (%)
50
Enerjetik etkinlik (%)
50
0
15:00
15:00
Zaman (h)
Şekil 3. Isı depolama etkinliğinin zamana bağlı olarak değişimi
Çizelge 2. Isı Depolama Ünitesinin Enerjetik ve Ekserjetik Etkinlik Değerleri
Isı Depolama
Dönemi
Enerjetik Etkinlik (%)
En Düşük En Yüksek
13-18 Ocak 1998
4-9 Mart 1998
22,6
28,6
45,3
45,3
Ortalama
38,8
40,0
Ekserjetik Etkinlik (%)
En Düşük En Yüksek
0,07
0,80
1,3
2,6
3.2. Isı Geri Kazanma İçin Enerjetik ve Ekserjetik Analiz Sonuçları
Ortalama
0,8
1,9
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
896
Isı depolama ünitesinden, ısı depolama dönemlerindeki gece 2200-0200 saatleri
süresince, sera ve ısı depolama ünitesi arasında hava dolaşımıyla ısı geri kazanılmıştır.
Isı geri kazanma dönemlerine ilişkin enerjetik ve ekserjetik analiz sonuçları aşağıda
verilmiştir.
3.2.1. Isı Depolama Ünitesinden Geri Kazanılan Isıl Güç ve Ekserji Miktarı
Isı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç ve ekserji değerleri, ısı taşıyıcı
akışkanın ortalama 0,0866 m3/s hacimsel debisine bağlı olarak hesaplanmıştır. Isı
depolama dönemlerinde, ısı depolama ünitesinden sera ortamına geri kazanılan ısıl güç
ve ekserji değerlerinin zamana bağlı olarak değişimi Şekil 4’de verilmiştir. Isı geri
kazanma dönemlerine göre, geri kazanılan ısıl güç ve ekserji değerleri de Çizelge 3’de
verilmiştir.
800
Isıl güç (W)
800
20
a) 13-18 Ocak 1998
15
600
10
400
Ekserji (W)
Isıl güç (W)
1000
5
200
0
Isıl güç (W)
Ekserji (W)
b) 4-9 Mart 1998
0
30
25
20
600
15
400
10
200
Ekserji (W)
1000
5
0
0
22:30 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00
Zaman (h)
22:30 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00
Zaman (h)
Şekil 4. Isı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç ve ekserji değerlerini zamana
bağlı olarak değişimi
Çizelge 3. Isı Depolama Ünitesinden Geri Kazanılan Isıl Güç ve Ekserji Değerleri
Isı Geri Kazanma
Dönemi
Isıl Güç (W)
En Düşük En Yüksek
13-18 Ocak 1998
4-9 Mart 1998
716,4
590,9
872,5
794,0
Ekserji (W)
Ortalama
809,7
690,4
En Düşük En Yüksek
5,7
20,7
17,0
24,4
Ortalama
13,1
22,3
Isı geri kazanma uygulamasının birinci döneminde (Şekil 4a); saat 2230’da ısı
depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç ve ekserji sırasıyla, 716,4 W ve 5,7 W ile
en düşük değerlerde iken, saat 0200’de 872,5 W ve 17 W değerlerine ulaşmıştır. Bu
dönemde geri kazanılan günlük ortalama ısıl güç ve ekserji sırasıyla, 809,7 W ve
13,1 W olarak hesaplanmıştır.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
897
İkinci dönemde (Şekil 4b); ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç
miktarı 590,9-794 W arasında değişmiştir. Geri kazanılan günlük ortalama ısıl güç
miktarı (690,4 W), birici döneme kıyasla daha düşük olarak belirlenmiştir. Bu
dönmede ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ekserji, 20,7-24,4 W değerleri
arasında değişmiş ve günlük ortalama 22,3 W ekserji geri kazanılmıştır.
3.2.2. Isı Depolama Ünitesinden Isı Geri Kazanma Etkinliği
Isı geri kazanma süresince enerjetik etkinlik, ısı geri kazanma işleminde
tüketilen enerji miktarına karşılık, geri kazanılan enerji oranı olarak değerlendirilebilir.
Isı geri kazanma süresince enerjetik etkinlik değerlerinin zamana bağlı olarak değişimi
Şekil 5’de ve enerjetik etkinlik değerleri ise Çizelge 4’de verilmiştir.
20
Etkinlik (%)
15
10
5
13-18 Ocak 1998
4-9 Mart 1998
0
22:30
23:00
23:30
00:00
00:30
01:00
01:30
02:00
Zaman (h)
Şekil 5. Isı geri kazanma süresince enerjetik etkinliğin zamana bağlı olarak değişimi
Çizelge 4. Isı Geri Kazanma Süresince Enerjetik Etkinlik Değerleri
Isı Geri Kazanma
Dönemi
13-18 Ocak 1998
4-9 Mart 1998
Enerjetik Etkinlik (%)
En Düşük En Yüksek Ortalama
14,6
17,7
16,5
12,0
16,1
14,0
Isı geri kazanma süresince enerjetik etkinlik, ısı depolama ünitesinden geri
kazanılan ısıl güç miktarının artışına bağlı olarak değişmiştir. Isı geri kazanma
uygulamasının birinci döneminde (Şekil 5); geri kazanılan ısıl güç miktarının en düşük
düzeyde olduğu saat 2230’da, enerjetik etkinlik de % 14,6 değeriyle en düşük düzeyde
gerçekleşmiştir. Isı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç miktarının en yüksek
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
898
durumda olduğu saat 0200’de enerjetik etkinlik % 17,7 düzeyine yükselmiştir. Bu
dönemde ısı geri kazanma süresince günlük ortalama enerjetik etkinlik % 16,5 olarak
hesaplanmıştır. İkinci dönemde (Şekil 5); ısı depolama ünitesinden ısı geri kazanma
süresince enerjetik etkinlik % 12,6-16,1 değerleri arasında değişmiş ve günlük
ortalama enerjetik etkinlik % 14 olarak belirlenmiştir.
3.3. Sera Isıl Güç Gereksiniminin Karşılanması
Isı depolama ünitesinden ısı geri kazanma uygulanan dönemlerde, araştırmada
kullanılan plastik seranın ısı gereksinimi, sera iç ortam hava sıcaklığının 288 K olması
durumuna göre hesaplanmıştır. Isı geri kazanma dönemlerinde; seranın anlık toplam
ısıl güç gereksinimi, ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç miktarı ve sera ısıl
güç gereksiniminin karşılanma oranının zamana bağlı olarak değişimi Şekil 6’da
verilmiştir. Sera anlık toplam ısıl güç gereksinimi ve ısı depolama ünitesinden geri
kazanılan ısıl güç değerleri de Çizelge 5’de verilmiştir.
12
Isıl güç (W)
8000
10
6000
8
4000
6
4
2000
2
0
Isıl güç (W)
14
a) 13-18 Ocak 1998
Karşılanma oranı (%)
10000
6000
14
b) 4-9 Mart 1998
12
5000
10
4000
8
3000
6
2000
4
1000
2
0
Karşılanma oranı (%)
7000
0
22:30 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00
Zaman (h)
0
22:30 23:00 23:30 00:00 00:30 01:00 01:30 02:00
Zaman (h)
Geri kazanılan
Sera gereksinimi
Karşılama oranı
Şekil 6. Sera toplam ısıl güç gereksinimi ve geri kazanılan ısıl güç miktarının değişimi
Çizelge 5. Sera Toplam ısıl Güç Gereksinimi ve Geri Kazanılan Isıl Güç Değerleri
Isı Geri
Kazanma
Dönemi
Sera Isıl Güç
Gereksinimi (W)
En
Düşük
En
Ortalama
Yüksek
13-18.1.1998 7535,8 8603,7
4-9.3.1998
5955,1 6039,4
8253,1
5949,2
Geri Kazanılan
Isıl Güç (W)
En
Düşük
En
Ortalama
Yüksek
716,4
590,9
872,5
794,0
809,7
690,4
Isı Gereksiniminin
Karşılanma Oranı (%)
En
Düşük
9,8
9,9
En
Ortalama
Yüksek
10,1
13,2
9,8
11,6
Isı geri kazanma uygulamasının birinci döneminde (Şekil 6a); sera anlık toplam
ısıl güç gereksinimi saat 2230’da 7538,8 W iken, saat 0200’de 8603,7 W değerine
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
899
yükselmiştir. Isı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç değerleri belirtilen
saatlerde sırasıyla, 716,4 W ve 872,5 W olarak hesaplanmıştır. Bu dönemde sera
toplam ısıl güç gereksinimi günlük ortalama olarak 8253,1 W iken, ısı depolama
ünitesinden günde ortalama 809,7 W ısıl güç geri kazanılmıştır. Sera toplam ısıl güç
gereksiniminin günlük ortalama olarak % 9,8’i ısı depolama ünitesinden geri kazanılan
ısıl güçle karşılanmıştır. İkinci dönemde (Şekil 6b); sera anlık toplam ısıl güç
gereksinimi 5955,1-6039.4 W değerleri arasında değişirken, ısı depolama ünitesinden
geri kazanılan ısıl güç miktarı da 590,9-794 W arasında değişmiştir. Bu dönemde
günlük ortalama sera toplam ısıl güç gereksinimi 5949,2 W olarak belirlenmiş ve bu
değerin günlük ortalama olarak 690,4 W’ı ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl
güçle karşılanmıştır. Sera toplam ısıl güç gereksiniminin günlük ortalama olarak
% 11,6’sı ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güçle karşılanmıştır.
4. SONUÇ ve ÖNERİLER
4.1. Sonuçlar
Isı toplama ünitesinden çıkan ısı taşıyıcı akışkanla depolama ünitesine verilen
ısıl güç miktarı, 556-1515 W arasında değişmiştir. Bununla birlikte, ısı depolama
ünitesinde depolanan ısıl güç miktarının 519-1475 W arasında değiştiği belirlenmiştir.
Isı depolama dönemlerine bağlı olarak değişmekle birlikte, ısı depolama ünitesine
günlük ortalama 1207,4 W ısıl güç verilmesine karşın, ısı depolama ünitesinde 1162 W
ısıl güç depolanmıştır. Isı toplama ünitesinden çıkan sıcak akışkanla, depolama
ünitesine günlük ortalama 24,2 W ekserji aktarılmıştır. Isı toplama ünitesinden
depolama ünitesine verilen ısıl güç ve aktarılan ekserjinin büyük bir bölümü, ısı
depolama materyali tarafından depolanmıştır. Isı depolama ünitesinin serada toprak
içerisine yerleştirilmiş ve yalıtılmış olması nedeniyle, ısı depolama ünitesinden oluşan
ısıl güç ve ekserji kayıpları azalmıştır. Isı toplama ve depolama üniteleri arasında ısı
taşıyıcı akışkan dolaşımı için kullanılan fana hareket veren elektrik motorunun enerji
tüketimi dikkate alındığında, ısı depolama etkinliği azalmıştır. Isı depolama için günlük
ortalama enerjetik ve ekserjetik etkinlik sırasıyla, % 39 ve % 1,4 olarak
hesaplanmıştır.
Isı geri kazanma dönemlerine bağlı olarak değişmekle birlikte, ısı depolama
ünitesinden günlük ortalama 750 W ısıl güç ve 17,7 W ekserji geri kazanılmıştır. Isı
geri kazanma süresince günlük ortalama enerjetik etkinlik % 15 olarak hesaplanmıştır.
Araştırmada kullanılan plastik seranın anlık toplam ısıl güç gereksinimi, ısı geri
kazanma dönemlerine bağlı olarak değişmekle birlikte, günlük ortalama 7101 W
olarak belirlenmiştir. Sera toplam ısıl güç gereksiniminin günlük ortalama olarak
% 10,7’si ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güçle karşılanmıştır.
4.2. Öneriler
 Isı depolama dönemlerinde, ısı depolama ünitesinin günlük ortalama enerjetik
etkinliği % 39 iken, ekserjetik etkinlik % 1,4 düzeyinde kalmıştır. Bu durum enerjetik
etkinlik hesaplamalarında, ısı taşıyıcı akışkan olarak kullanılan sıcak havanın tüm
enerjisinin dikkate alınmasından, diğer bir deyişle enerjinin sadece niceliği dikkate
alınarak, niteliğinin gözardı edilmesinden kaynaklanmaktadır.
 Isı depolama ünitesine giren-çıkan akışkan sıcaklık farkındaki birim azalma,
depolanan enerji miktarındaki azalmaya oranla depolanan ekserji miktarını daha fazla
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
Tekirdağ
900
azaltmıştır. Bu nedenle, ısı depolama dönemlerinde öğleden sonraları akışkan sıcaklık
farkının azalması, ısı depolama ünitesinin enerjetik etkinliğine oranla ekserjetik
etkinliğini daha fazla azaltmıştır. Bunun nedeni, ısı taşıyıcı akışkanın yüksek
sıcaklıklardaki ekserji içeriğinin daha yüksek olmasıdır.
 Isı depolama ve geri kazanma işlemlerinin aynı ısı değiştirici kullanılarak
gerçekleştirilmesi durumunda, ısı değiştirici tasarımına özel önem verilmelidir.
 Isı geçiş hızının azalmaması için, ısı geçişinin gerçekleştiği yüzey alanını
artırmak amacıyla, ısı depolama materyali ve ısı taşıyıcı akışkanın doğrudan teması gibi
etkin yöntemler uygulanmalıdır.
 Depolanan ve geri kazanılan ısı miktarı ile ısı depolama ve geri kazanma
işlemleri için tüketilen enerji miktarı da dikkate alınarak, güneş enerjisi depolama
sistemlerinin ekonomik optimizasyonu sağlanmalıdır.
SİMGELER
Ac
Ag
Ad
cp
It
l1
l2
m1
m2
Qd
Qgk
Qk
Qs
Qv
Td
Tdç
Tdç
Ti
Tm
Tt
Sera örtüsü yüzey alanı (m2)
Sera taban alanı (m2)
Isı depolama ünitesi yüzey alanı (m2)
Sabit basınçta özgül ısı (J/kg K)
Toplam güneş ışınımı (W/m2)
Yalıtım malzemesi (PE) kalınlığı (m)
Yalıtım malzemesi (strafor) kalınlığı (m)
Giren akışkan debisi (m3/s)
Çıkan akışkan debisi (m3/s)
Depolanan ısıl güç (W)
Geri kazanılan ısıl güç (W)
Isıl güç kaybı (W)
Sera anlık ısıl güç gereksinimi (W/m2)
Depolama ünitesine verilen ısıl güç (W)
Dış ortam sıcaklığı (K)
Çıkan akışkan sıcaklığı (K)
Giren akışkan sıcaklığı (K)
Sera iç ortam hava sıcaklığı (K)
Isı depolama materyali sıcaklığı (K)
Sera toprak sıcaklığı (K)
U Sera toplam ısı kayıp katsayısı (W/m2 K)
vr Rüzgar hızı (m/s)
W1 Isı depolama için kullanılan elektrik
motorunun gücü (W)
W2 Isı geri kazanma için kullanılan elektrik
motorunun gücü (W)
d Depolanan ekserji (W)
gk Geri kazanılan ekserji (W)
k Depolama ünitesinden ekserji kaybı (W)
v Isı depolama ünitesine verilen ekserji (W)

Işınımın ısıl ışınıma dönüşme oranı
d Isı depolama için enerjetik etkinlik (%)
gk Isı geri kazanmada enerjetik etkinlik (%)
e Eşdeğer ısı iletim katsayısı (W/m K)
1 Polietilenin ısı iletim katsayısı (W/m K)
2 Straforun ısı iletim katsayısı (W/m K)
 Isı taşıyıcı akışkanın yoğunluğu (kg/m3)
 Sera örtüsünün güneş ışınımı geçirgenliği
 d Isı depolama için ekserjetik etkinlik (%)
KAYNAKLAR
1.
2.
3.
Krane, R.J., A Second Law Analysis of the Optimum Design and Operation of
Thermal Energy Storage Systems. International Journal of Heat and Mass
Transfer 30:43-47, 1987.
Kakaç, S., Paykoç, E., Yener, Y., Storage of Solar Thermal Energy. Energy
Storage System. (Edited by; Kılkış, B. And Kakaç, S.), ASI Series, Series E:
Applied Sciences 167, Kluwer Academic Publishers, 121-161, 1989.
Rosen, M. A., Hooper, F. C., Barbaris, L. N., Exergy Analysis for the Evaluation
of the Performance of Closed Thermal Energy Storage Systems. Journal of Solar
Energy Engineering, 110: 255-261, 1988.
Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi
4.
5.
6.
7.
Tekirdağ
901
Öztürk, H. H., Sera Isıtma İçin Güneş Enerjisinin Faz Değiştiren Materyalde
(PCM) Depolanması Üzerine Bir Araştırma. Doktora Tezi. (Yayınlanmamış)
Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı, Adana, 1997.
Öztürk., H.H., Baţçetinçelik, A., The Nocturnal Heat Loss and Internal
Temperatures in Plastic Tunnel Greenhouses. Acta Horticulturae 443: 79-84,
1997.
Zabeltitz, C. V., Greenhouse Heating with Solar Energy. FAO-Reur Technical
Series 1: 13-21, 1987.
Baţçetinçelik, A., Öztürk, H. H., The Determination of the Overall Heat Loss
Coefficient in Plastic Tunnel Greenhouses with Thermal Screens. Acta
Horticulturae 443: 85-91, 1997.