Faz Değiştiren Maddelerle Sera Isıtma Olanakları

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 12, No: 3, 2015 (15-25) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 12, No: 3, 2015 (15-25) TEKNOLOJĠK ARAġTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Erdal KARAKUZU *, Mustafa Bülent COġKUN * * Adnan Menderes Üniversitesi Ziraat Fak. Biyosistem Müh. Böl., Aydın/TÜRKĠYE erdal.karakuzu@adu.edu.tr Özet Ülkemizde seracılık önemli bir üretim sektörü olarak ön plana çıkmaya baģlamıģtır. Toplam örtü altı varlığımız dekar olup özellikle son 10 yılda ortalama örtü altı iģletme büyüklüğü 2 da seviyesinden 4 da seviyelerine çıkmıģtır. Bu alanda ülkemiz dünyada ilk dört ülke arasında, Avrupa da ise Ġspanya ile ilk sırada yer almaktadır. Örtü altı yetiģtiriciliğinde 2014 yılı verilerine göre toplamda ton ürün üretilmiģ ve bu ürünlerin bitkisel üretim değeri yaklaģık 10 milyar dir. Seracılıkta en önemli gider kalemini ısıtma giderleri oluģturmaktadır. Üretim harcamaları içinde ısıtmanın payı % 60 lara kadar yükseldiğinden, ısıtma giderlerini en aza indirecek tüm alternatiflerin ortaya konarak değerlendirilmesi gerekmektedir. Seraların ısıtılmasında, farklı ısıtma sistemlerinden yararlanılabilmektedir. Bu sistemlerin çoğunluğunda ilk yatırım giderinin yanı sıra iģletme gideri de oluģmaktadır. Termal enerji depolama yöntemleri gibi bazı alternatif yöntemlerle de sera ısıtması yapılabilmektedir. Bu yöntemlerden bir tanesi de faz değiģtiren maddeleri kullanarak gizli ısı biçiminde ısıyı depolama yöntemidir. Bu yöntemde konvansiyonel yöntemlere göre ilk yatırım dıģında bariz iģletme giderleri söz konusu değildir. ÇalıĢmada, termal enerji depolama yöntemlerinden, ısı tasarrufu ve uygulama yönü ile avantajlı olduğu düģünülen faz değiģimi ile ısı depolama yöntemi ele alınmıģtır. Bu yöntem de kullanılan maddelerin ( Yağ Asitleri, Tuz Hidratlar, Parafinler ) özellikleri açıklanarak, seraların bu maddeler ile ısıtılabilme olanakları ortaya konulmaya çalıģılmıģtır. Anahtar Kelimeler: Termal Enerji, Faz DeğiĢtiren Maddeler, Sera Isıtılması. Greenhouse Heating Possibilities With Phase Change Materials Abstract Greenhouse production has become an important sector in our country. Total amount of greenhouses in our country is da. Especially the last 10 years, the average size of greenhouse levels has increased from 2 decare to 4 decare. In this sector our country is among the first four countries in the world, and in Europe, it ranks first with Spain tonnes, 10 billion worth of herbal product had grown in greenhouses in The most important expenditure items in Greenhouses are heating costs. The share of heating costs in production costs that up to 60 %, that percentage makes it is necessary to evaluate all the heating alternatives to minimize heating costs. The heating of greenhouses can be utilized in different heating systems. Almost every heating system has operating costs besides its investment costs. Some alternative methods, such as thermal energy storage method, can also be used at greenhouse heating. Phase change materials can storage heat as latent heat which can be used in heating greenhouses. In this method there are only investment costs. Not having operating costs makes this method advantageous. In this study phase change heat storage methods are discussed. Substances (fatty acids, salt hydrates, and paraffin) that used in this method are also explained, and tried to present greenhouse heating possibilities by these substances. Keywords : Thermal Energy, Phase Change Materials, Greenhouse Heating. Bu makaleye atıf yapmak için Karakuzu E. *, Coşkun M. B *., Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, (3) How to cite this article Karakuzu E. *, Coşkun M. B *., Greenhouse Heating Possibilities With Phase Change Materials Electronic Journal of Machine Technologies, (3) 15-25

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) GĠRĠġ Birim alanda en yüksek verimin alınması amacıyla kontrollü üretime olanak veren örtü altı yetiģtiriciliği, aynı zamanda yıl içerisinde girdi ve çıktıları yaklaģık olarak kestirilebilen bunun yanında düzenli bir iģgücü kullanımı sağlaması nedeniyle de ülkemizdeki en önemli tarımsal faaliyetlerden birisi haline gelmiģtir. Ülkemizde yıllık ortalama 6,5 milyon tonluk örtü altı üretimi gerçekleģmektedir. Bu üretim toplamda dekar alanda gerçekleģmekte olup, bunun da ı (%53) yüksek sistemlerden oluģmaktadır. Örtü altı varlığı bakımından Dünyada ilk dört ülke arasında Avrupa da ise Ġspanya ile ilk sırada yer almaktayız. Ülkemiz örtü altı bitkisel üretim değeri yaklaģık 10 milyar TL seviyelerine ulaģmaktadır. Örtü altı üretimde Antalya %51 lik payla (3,2 milyon ton) birinci sıradadır. Bu ilimizi sırasıyla, Mersin %18 (1 milyon ton), Adana %11 (670 bin ton) ve Muğla % 9 (527 bin ton) illeri takip etmektedir. Bu 4 ildeki toplam örtü altı üretimimiz yaklaģık 5,4 milyon ton ile Ülkemiz toplam örtü altı üretiminin yaklaģık %90 nını oluģturmaktadır verilerine göre yıllık 6.5 milyon ton olan örtü altı üretimimizin 3.2 milyon tonunu domates üretimi olarak gerçekleģmektedir. Domatesin optimum yetiģtirilme sıcaklığı derecedir sıcaklık 15 derecenin altına ve 35 derecenin üstüne çıktığında meyve tutumunda dengesizlikler ortaya çıkarır ve bu dengesizlikler üreticiyi çok ciddi mali zarara uğratır. Isıtmanın üretim harcamaları içindeki payının %60 lara çıkabildiğini düģünürsek bu alanda çalıģmak isteyenlerin seracılıkta ısıtma konusu üzerinde hassasiyetle durulması oldukça önemlidir. Seranın kurulacağı bölgeye göre, üretim koģulları ve üretim Ģekline göre sera ısıtma sistemi seçimi yapılabilir. Ülkemizde genel olarak sobalarla ısıtma, kaloriferli ısıtma, elektrik enerjisiyle ısıtma ve alternatif enerji kaynaklarından yararlanarak ısıtma yapılmaktadır. Kullanılan bu dört sera ısıtma sisteminin kurulum maliyetleri, iģletme giderleri ve kullanım kolaylığı gibi farklı yönlerden birbirine göre avantajlı ve dezavantajlı yönleri bulunmaktadır. Genel olarak kullanılan sera ısıtma sistemlerinin dıģında seralarda ısıtma için kullanılabilecek, Termal enerji depolama (TED) tekniklerinden biri olan ve maddenin faz değiģtirme ilkesine dayanan faz değiģtiren maddelerle sera ısıtma yöntemi alternatif bir yöntem olarak kullanılabilir [1-2-3]. 2. TERMAL ENERJĠ DEPOLAMA (TED) Seralarda ısıtma için ihtiyaç duyulan enerjiyi her defasında üretmek yerine yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak depo edilen bir enerjiyi ihtiyaç durumunda ortaya çıkararak tekrar kullanmak enerji maliyetlerinde tasarruf sağlayacaktır. Enerji depolama belli yöntemlerle yapılmaktadır. Termal enerji depolama yöntemleri (TED), enerjinin uygun ortamda ideal Ģekilde depolanarak ihtiyaç duyulduğu anda depolanan enerjinin kullanılması yöntemidir. Depolanan enerji kullanılırken ekonomik aynı zamanda verimli bir yöntemin seçilmesi oldukça önemlidir. Termal enerjinin depolanması için genel olarak kullanılan yöntemler kısaca Ģekil 1 de Ģematik olarak verilmiģtir [4]. Termal Enerji Depolama (TED) Termokimyasal Isı Depolama (Reaksiyon ısısı) Duyulur Isı Depolma Gizli Isı Depolama (FDM) ġekil 1. Termal enerji depolama yöntemleri 16

3 Karakuzu E., Coşkun M.B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Termokimyasal Enerji Depolama Bir kimyasal reaksiyon gerçekleģirken alınan veya verilen ısıya reaksiyon ısısı denir. Reaksiyon ısısının enerji depolama için kullanılması yöntemine termokimyasal enerji depolama denmektedir. Isı enerjisi kimyasal enerjiye dönüģtürülerek uzun süre depolanabilir. Yöntem birçok karmaģık süreci içerse de temeli endotermik olarak ısı alan tepkimenin ekzotermik reaksiyonla bu ısıyı geri vermesi olayıdır [5]. 2.2 Duyulur Isı Biçiminde Depolama Maddenin sıcaklığındaki değiģimden faydalanılarak ısı depolama yapılır. Duyulur ısı depolanmasında genellikle; toprak, kaya, su, etilen glikol, su-etilen glikol karıģımları ve bazı alkoller kullanılmaktadır. Kullanılan ısı depolama materyaline bağlı olarak, sıvı, katı ve sıvı-katı kombine sistemler tasarlamak mümkündür. Duyulur ısı uygulamalarında ısı daha çok uzun süreli olarak depolanır. Uzun süreli depolamalar Akiferde Termal Enerji Depolama (ATED), Kanallarda Termal Enerji Depolama (KTED) ve yer altı mağaraları çukur ve tanklarda termal enerji depolama (ÇTED) Ģeklindedir. Çok sayıda depolama ve geri kazanma çevriminin gerçekleģebilmesi ve hem sıcak hem soğuk depolama yapılabilmesi bu sistemin avantajı, gereksinim duyulan depo hacminin büyük olması ise dezavantajıdır. Depolanabilecek duyulur ısı miktarı (1) nolu eģitlikle belirlenebilir [6-7]. Q = m C p T = m C p (T s - T i ) = v. ρ C p T (1) EĢitlikten de anlaģılacağı gibi belli bir hacimde ve T sıcaklık farkında depolanacak ısının miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (v.ρcp) ile doğru orantılıdır. Duyulur ısıda yaygın olarak kullanılan sıvılar arasında; en ucuz ve bol miktarda bulunan ayrıca kullanıldığında da sağlığı tehdit edecek bir yapıya sahip olmayan madde olarak su örneği verilebilir. Su birim hacimde oldukça yüksek miktarda ısı depolayabilir [8-9]. 2.3 Gizli Isı Biçiminde Depolama ( Faz DeğiĢtirme Yöntemi ) Gizli ısı depolama; maddenin faz değiģim süresi boyunca depolanan ya da yayılan ısıdır. Uygun sıcaklık aralıklarında depolama materyalinin faz değiģtirmesi ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Depolama katı-sıvı, katı-katı ve katı-buhar dönüģümleri kullanılarak gerçekleģtirilebilir. Gizli ısı depolama yöntemleri için gerekli depo hacmi, duyulur ısıya göre daha küçüktür. Faz değiģtiren maddeler (FDM) termal enerjiyi gizli ısı Ģeklinde depolayan maddelerdir Maddelerin üç temel fazı, katı, sıvı ve gaz (buhar) halidir. Bunların yanında amorf ve plazma halleri gibi haller de faz olarak kabul edilir Faz termodinamikte heterojen bir karıģımdan mekanik yolla ayrılabilen, kimyasal ve fiziksel bakımdan homojen madde olarak açıklanır. Eğer katı bir cismin sıcaklığı, ısı verilerek arttırılırsa, sıcaklık belirli bir değere geldiğinde katı cisim sıvı hale geçecektir. Katı cismin tamamı sıvı hale geçinceye kadar sıcaklık sabit kalacaktır. Bundan sonra da ısıtmaya devam edilirse, zamanla sıcaklık yine yükselir. Ancak belirli bir sıcaklığa eriģildiğinde, sıcaklığın yükselmesi durarak, buharlaģma baģlar. Maddenin katı halden sıvı veya gaz haline geçiģ olayına "faz değiģimi" ismi verilir [10-11]. 17

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Faz değiģimi sırasındaki ısı alıģ veya veriģi depolanabilir. Gizli ısı depolama ortamı olarak kullanılan faz değiģtiren maddelerin (FDM) gizli ısı depolama kapasiteleri (2) no lu eģitlikle bulunur. Q = C p dt + ma m Δ h m + C P dt (2) Q = m [C sp (T m -T i )+ a m Δ h m +C lp (T S -T m )] Isı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda faz değiģimlerine uğrayan ve gizli ısı değerleri yüksek olan materyallerden yararlanılır. Bu materyaller, Ģekil 2 deki gibi gruplandırılabilir [12]. Faz DeğiĢtiren Maddeler (FDM) Organik Maddeler Anorganik Maddeler Parafinler Yağ Asitleri Tuz Hidratları ġekil 2. BaĢlıca kullanılan Faz DeğiĢtiren Maddeler Parafinler Parafinler ham petrolden elde edilen petrol türevi olmakla birlikte, çok sayıda alkandan oluģan doymuģ hidrokarbon karıģımlardır. Mumsu yapıdadırlar ve C n H 2n+1 genel formülüne sahiptirler. Karbon sayıları bakımından C 5 ve C 15 arasında olan parafinler sıvı, geriye kalanlar ise katı wax kıvamındadırlar. Genel olarak parafinler, hidrokarbon zincirlerinin uzunluğuna bağlı olarak, erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları ile doğru orantılıdır. Parafinler faz değiģtirirken hacimlerinde büyük değiģiklikler gerçekleģtiğinden, depolama kabı tasarlanırken bu durum göz önüne alınmalıdır. Parafinler yanıcıdır fakat bu sorun özel kapların kullanılması ile kolaylıkla giderilebilir. Parafinlerin ticari olarak elde edilmesi kolaydır fakat genel olarak maliyetleri bu alanda kullanılan alternatif maddelere göre pahalıdır. Bazı parafinlerin erime sıcaklıkları ve erime gizli ısıları tablo 1 de verilmiģtir [ ]. Tablo 1. Bazı parafinlerin erime sıcaklıkları ve gizli ısıları BileĢik Erime Sıcaklığı( o C) Gizli Isı (kj/kg) n- Tetradekan 4,5-5,6 231 n- Pentadekan n-hegzadekan 18,2 238 n- Oktadekan 28,2 245 n-nonadekan Parafin wax

5 Karakuzu E., Coşkun M.B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Yağ Asitleri Yağ asitleri trigliserit denilen yağlardan elde edilirler. Genel kimyasal yapıları; CH 3 (CH 2 )n COOH Ģeklindedir. Yağ asitlerinin üretiminde kullanılan hammadde bitkisel ve hayvansal kaynaklıdır ve ticari olarak elde edilebilirler. Çoğunlukla hayvansal yağlarda ve sebzelerin yenilemez yağ formunda bulunan trigliseridler in, hammadde olarak doğal kaynaklardan üretilmesi bir avantajdır. Ayrıca gizli ısıları bakımından parafinlerle karģılaģtırılabilecek düzeydedir ve düģük sıcaklıkta gizli ısı depolama uygulamaları için uygun özelliklere sahiptir. Tablo 2 de bazı yağ asidi kaynakları ve özellikleri verilmiģtir [12-17]. Tablo 2. Bazı yağ asidi kaynakları ve özellikleri DoymuĢ Yağ Asitleri Hindistan Cevizi (%) Hurma Yağı (%) Sığır eti (%) Erime Sıcaklığı ( o C) Donma Sıcaklığı ( o C) Erime Isısı (J/g) Kaprik ,6 31,2 163 Laurik ,2 43,8 183 Palmitik ,9 62,4 212 Stearik ,6 69,4 222 Enerji depolama amacıyla en sık kullanılan yağ asitlerinin erime sıcaklıkları 30 o C ile 70 o C aralığındadır. Yağ asitleri, enerji depolama için gerekli tüm ısıl kriterlere sahiptirler ve faz değiģimi gerçekleģtiğinde hacimde büyük değiģimler gözlenmez. Yağ asitleri iyi bir kimyasal kararlılığa sahiptirler, toksik ve aģındırıcı değildirler [17-18] Tuz Hidratlar GeçmiĢten günümüze ısı depolama amaçlı kullanılan maddelerin baģında tuz hidratları gelmektedir. Saf halde veya ötektik karıģım Ģeklinde kullanılabilirler. Keskin bir erime noktasına sahip olan tuz hidratlar aynı zamanda yüksek bir ısıl iletkenliğine sahiptirler. Isıl iletkenliklerinin yüksek oluģu depolama ünitesinde ısı transferini arttırmaktadır. Tuz hidratların erime gizli ısıları yüksektir ve diğer faz değiģtiren maddelere göre daha küçük hacim değiģimi gösterirler. Depolama kabının tasarımı açısından hacim değiģiminin küçük oluģu avantaj sağlar. Tuz hidratların ısı depolama uygulamalarında sıkça kullanılmasında, kolay temin edilmeleri ve düģük maliyetlere sahip olmaları önemli etkenlerdir. Tuz hidratların dezavantajı ise, ısıl enerji depolama sistemlerinde yaygın olarak kullanılan metal kaplarda korozyona neden olmalarıdır. Bu nedenle FDM nin depolama kabı ile uygunluğu, kullanılmadan önce kontrol edilmelidir. Enerji depolama amacıyla en sık kullanılan tuz hidratların özellikleri tablo 3 te verilmiģtir [4-12]. Tablo 3. Enerji depolamada sık kullanılan tuz hidratlar Tuz Hidratlar Erime Sıcaklığı ( o C) Yoğunluk (kg/m 3 ) Erime Isısı (J/g) Na 2 SO 4.10H 2 O 31,6 1460,0 252,16 Na 2 CO 3.10H 2 O ,0 248,48 CaCl 2.6H 2 O ,0 187,49 Na 2 HPO 4.12H 2 O 36,0 1520,0 274,22 19

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) FAZ DEĞĠġTĠREN MADDELERĠN KULLANIM ALANLARI Faz değiģtirme metoduyla termal enerji depolama uzun zaman önce araģtırmacıların dikkatini çekmiģ ve bu alanda farklı materyalleri farklı alanlarda kullanarak en verimli yöntemi bulmaya çalıģmıģlardır. Günümüzde özellikle biyomedikal, inģaat ve tekstil alanlarında yapılmıģ çalıģmalara çok sık rastlamaktadır. Tekstil alanında kullanımı 1970'li yılların sonu ile 1980'li yılların baģında, NASA (National Aeronautics and Space Administration) tarafından, astronot giysilerinin uzayda maruz kaldığı aģırı sıcaklık değiģimlerinde, ısıl koruma etkinliğinin arttırılmasına yönelik olarak çalıģmalar yapılmaya baģlanmıģtır. Isıl koruma temelli tekstil alanında yapılan bu çalıģma ile günümüzde FDM kullanılarak üretilen tekstil ürünlerinin sayısı her geçen gün artmaktadır. Birçok ülkede ĠnĢaat sektöründe FDM ler kullanılmaktadır. Konutların enerji tüketimindeki oranının yüksek oluģu bu alandaki tasarruf çalıģmaları arttırmıģtır. AraĢtırmacılar binaların beton karıģımları içerisine, sıva içlerine ve odaların tabanına yerleģtirilen mikrokapsüllenmiģ FDM lerle ısı yalıtım çalıģmaları gerçekleģtirmiģlerdir. Bu alanda özellikle Hollanda ve Almanya da ciddi çalıģmalar yapılmakta ve Alman federal cumhuriyeti parlamento binası reichstag ın yapımında mikrokapsüllenmiģ FDM ler kullanılmıģ ve ciddi enerji tasarrufları sağlanmıģtır. Ülkemizde, Çukurova üniversitesinde yapılan bir çalıģmada izolasyon malzemesine destek amaçlı mikrokapsüllenmiģ faz değiģtiren maddeler ile termal enerji depolama uygulaması bulunan 4 m 2 lik bir test kulübesinde yapılmıģtır. Bu pilot projedeki amaç, kabinin ısıtma ve soğutma yükünü azaltmaktır. Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Tekstil Mühendisliğinde yapılan çalıģmada ısı depolama özellikli mikrokapsüller pamuklu kumaģa emdirme yöntemi ile uygulanmıģ ve kumaģların ısı depolama özellikleri yanında giysi konforu ile iliģkili yüzey ve mekanik özellikleri araģtırılmıģtır. Böylece mikrokapsül uygulamasının kumaģların giysi formuna getirilmesi durumunda konfor özelliklerine etkisi araģtırılmıģtır. Özellikle Isıtmanın üretin giderleri içindeki payının % 60 lara çıktığı seralarda enerji tasarrufu oldukça önemlidir. Bu nedenle araģtırmacılar farklı FDM leri değiģik yöntemlerle seralara uygulayarak bu alanda ciddi çalıģmalar gerçekleģtirmiģlerdir[ ] Faz DeğiĢtiren Maddelerin Seralarda Kullanımı AraĢtırmacılar seralarda ısıtma yükünü hafifletmek için geçmiģten günümüze farklı uygulama ve farklı materyaller kullanarak bu alanda faz değiģtiren maddelerden yararlanma yoluna gitmiģlerdir yılında Kern ve Aldrich, 36 m 2 taban alanına sahip bir serada erime sıcaklığı 27 o C ve erime gizli ısısı 190,8 kj/kg olan kalsiyum klorür heksahidrat (CaCl2.6H2O) ı faz değiģtiren madde (FDM) olarak kullanmıģlardır. Tasarladıkları sistemde biri sera içinde diğeri sera dıģında olacak Ģekilde iki enerji depolama ünitesinden oluģmuģtur (Ģekil 3). Bu sistemde toplam 1650 kg kalsiyum klörür heksahidrat silindirik kaplara yerleģtirilerek kullanılmıģtır. AraĢtırma sonunda dıģ ünitede depolanan enerjiyi 105,5-158,25 MJ iç ünitede depolanan enerjiyi 21,1-31,65 MJ arasında olduğu sonucuna ulaģmıģlardır [24]. (a) (b) ġekil 3. Sera içi (a) ve sera dıģı (b) enerji depolama üniteleri 20

7 Karakuzu E., Coşkun M.B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Takakura ve Nishina taban alanı 7,2 m 2 olan üç tip enerji depolama ünitesi geliģtirmiģlerdir. Faz değiģtiren madde olarak CaCl 2.6H 2 O ın kullanıldığı bu çalıģmada, depolama üniteleri sırasıyla kutu tipi, kollektör depo tipi ve aktif kollektör tipi olarak adlandırılmıģtır (ġekil 4). Kullanılan sistemlerden birinci sistem en ucuz, üçüncü sistem ise en pahalı sistem olarak tasarlanmıģ ve tip 2 de 56 kg, tip 3 te 300 kg CaCl 2.6H 2 O kullanılmıģtır. Yapılan çalıģmalar sonucunda tip 2 sisteminde enerji depolama verimi %27 ve tip 3 sisteminde enerji depolama verimi % 59 olarak belirlenmiģtir. Seranın iç ve dıģ sıcaklıkları karģılaģtırıldığında tip 3 te iç sıcaklık 8 o C olduğunda dıģ sıcaklık değeri -0,6 o C olarak ölçülmüģtür. Nishina ve Takakura nın 1984 yılında Japonya da yaptığı bir çalıģmada, termal enerji depolama yöntemiyle seranın ısıtılması için FDM olarak 173,4 kj/kg erime gizli ısısına sahip 2500 kg Na 2 SO 4.10H 2 O kullanmıģlardır (ġekil 5). ÇalıĢma sonucunda 8 o C olarak hedeflenen sera iç sıcaklığına ulaģmayı baģarmıģlardır [25-26]. ġekil 4. Farklı enerji depolama ünitelerine sahip seralar ġekil 5. Enerji depolama siteminin görünümü Sera taban alanının 500 m 2 olduğu bir cam serada Jaffrin ve Cadier 1987 yılında enerji depolamak için 13,5 ton CaCl 2.6H 2 O kullanılmıģtır. Yapılan çalıģma da kullanılan örnek seranın sonuçları geleneksel plastik sera ile karģılaģtırılmıģtır. Faz değiģtiren maddeler, sera tabanındaki yarım daire Ģeklindeki bölmelere yerleģtirilmiģtir (Ģekil 6). ÇalıĢma sonucunda propan gazından %60-80 oranında tasarruf sağlanmıģtır. Ayrıca sera ısıtılırken kullanılan elektrikli fan sisteminden %10 enerji tasarrufu sağlanmıģtır [27]. ġekil 6. Yeraltı FDM konteynerlerinin düzenlenmesi Levav ve Zamir in 1987 yılında yaptıkları bir çalıģmada 3000 kg CaCl 2.6H 2 O ile yaptığı bir çalıģmada iki farklı enerji depolama ünitesi geliģtirilmiģtir. Birinci ünite seranın kuzey tarafına yerleģtirilmiģ ve ikinci ünite ise toprakaltına yerleģtirilmiģtir. ÇalıĢma sonucunda genel olarak sera içinde istenilen yeterli sıcaklığa ulaģılmıģtır (Ģekil 7). AraĢtırmacılar bu sistemin dezavantajları olarak, çalıģmanın yapıldığı yıllardaki kullanılan FDM nin kg maliyetinin yüksek olmasını ve erime sıcaklığı o C olan CaCl 2.6H 2 O ın yetiģtirilecek bazı ürünler için yüksek olmasını göstermiģlerdir [28]. 21

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) (a) (b) ġekil 7. Yer üstü (a) ve yer altı (b) depolama ünitesi Boulard ve Baille 1990 yılında taban alanı 176 m 2 olan ve cebri havalandırma sistemine sahip bir seranın termal enerji depolama yöntemiyle ısıtılması için FDM olarak 2105 kg CaCl 2.6H 2 O ı kullanmıģlardır (Ģekil 8). Fan sistemi ile FDM li kutuların arasından geçirilen hava tüm serada dolaģtırılmıģtır. Bu çalıģmanın sonucunda Ģubat ve mart ayı için bulunan değerler; ġubat ayı için dıģ ortam sıcaklığı 3,8 o C iken iç ortam sıcaklığı 10,9 o C olarak ölçülmüģtür. Mart ayı için dıģ ortam sıcaklığı 6,6 o C iken iç ortam sıcaklığı 13,5 o C olarak ölçülmüģtür. Bu sayede yaklaģık olarak ısıtma yükünün % 40 ı karģılandığından sıtma yükünde de yaklaģık %30 enerji tasarrufu sağlamıģlardır [29]. ġekil 8. Enerji depolama ünitesinin boyutları ve genel görünüģü Beyhan, 2010 yılında, 500m 2 lik Çukurova üniversitesi Ziraat fakültesi Bahçe bitkileri araģtırma ve uygulama serasında gerçekleģtirdiği çalıģmasında, herhangi bir ısıtma sisteminin kullanılmadığı serada bitkilerin geliģim sıcaklıklarını korumak için faz değiģtiren madde (FDM) olarak % 40 oleik asit % 60 dekanoik asit karıģımı kullanmıģtır. ÇalıĢmada termal enerji depolamayla topraksız tarım uygulamalarında kök bölgesinin ısıtılmasını araģtırmıģtır. Tasarlanan sistemde sıvı haldeki FDM ler plastik kutulara yerleģtirilmiģ sert bir yapıya sahip olan kanaletin dıģ kısmına FDM dolu kutular yerleģtirilmiģtir. Faz değiģimi ile salınan ısının plastik katmanlardan geçiģinin zor olmasına rağmen, kanaletin orta noktasından alınan ölçümler incelenmiģ ve katı kültür sıcaklığının, bitki gereksinimlerini karģılayacak sıcaklık aralığında tutulabilecek oranda arttırıldığı gözlemlenmiģtir. AraĢtırmada Kasım ayında alınan ölçümlerde % 40 oleik asit-% 60 dekanoik asit karıģımı kullanılmıģ, çalıģma sonunda FDM li kanalette 1,9 C ile 1,2 C arasında değiģen sıcaklık artıģları elde edilmiģtir [30]. 4. SONUÇ VE ÖNERĠLER Seralarda Isıtma ve soğutma, enerjinin her geçen gün daha maliyetli bir hale geldiği dünyamızda üzerinde önemle durulması gereken bir konudur. Arıca enerji elde edilirken yanan fosil yakıtlardan yayılan CO2 çevre kirliliklerine neden olmakta bu nedenle alternatif enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmaktadır. Uzun zamandır seracılıkta ısıtmanın en ekonomik yolları araģtırılmaktadır. Dünyada enerji ekonomisine dair uygulanan birçok yöntem seralara da uygulanmıģ ve ağır bir gider kalemi olan sera ısıtılmasını daha ekonomik bir hale getirilmeye çalıģılmıģtır. Bazı araģtırmacılar faz değiģim maddelerinden yararlanılarak seraların ısıtılabileceğini ancak ısıtılmada karģılaģılan en önemli sorunun, 22

9 Karakuzu E., Coşkun M.B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) düģük ergime sıcaklığına maddelerin örneğin kalsiyum tuzunun dahi 29,7 0 C gibi seralar için yüksek sayılabilecek bir sıcaklık değerinde olduğunu belirtmiģlerdir. YaklaĢık 18 0 C-25 0 C de ergiyen ve ergime gizli ısısı yüksek olan bir faz değiģim malzemesinin geliģtirilmesi ile seraların ısıtılması için ideal maddenin bulunabileceğini belirtilmiģlerdir [31]. Günümüzde uygun ergime ısılarına sahip ticari olarak üretilen faz değiģtiren maddeler bulmak mümkündür. Ticari olarak satılan ĠnĢaat kimya ve tekstil alanlarında kullanılan BASF ürünü bazı FDM lerin özellikleri tablo 4 te verilmiģtir. Tablo 4. Micronal PCM 5001 ve 5008 in özellikleri. ÜRÜN ERGĠME SICAKLIĞI FORM DEPOLAMA KAPASĠTESĠ GĠZLĠ ISI KAPASĠTESĠ UYGULAMA BÖLGESĠ Micronal PCM o C TOZ 145 kj/kg 110 kj/kg o C Micronal PCM o C TOZ 135 kj/kg 100 kj/kg o C Bu malzemenin yıllık ortalama sıcaklığı 18 o C olan aydın ilinde seralarda kullanımına uygun olduğu söylenebilir. Seracılıkta kullanılabilecek bu yöntemle ısıtma giderlerinden tasarruf sağlanacağı gibi CO2 salınımını azaltarak küresel ısınmanın önlenmesine de katkı sağlanabilir. Ülkemiz adına bu uygulamaların geliģtirilmesi ve yaygınlaģtırılması önemli bir adım olacaktır. 6. KAYNAKLAR 1. Anonim, 2014a, EriĢim: Anonim, 2014b, Alti Yetistiricilik, EriĢim: Karaman, S., Kurunç, A., 2004, Seraların Jeotermal Enerji ile Isıtılmasında Ortaya Çıkabilecek Çevresel Etkiler, GOÜ. Ziraat Fakültesi Dergisi, 21 (2): Lane G. A., 1983, Solar Energy Latent Heat Material, Volume I, CRC Pres Inc. Boca Raton /Florida, Mazman, M., 2006, Gizli Isı Depolaması ve Uygulamaları, Doktora tezi, Ç.Ü.Fen Bil. Ens., Adana 6. Dikici D., 2004, Doğal Soğuk Kaynaklardan Yararlanan Yer Altı Kanallarında Termal Enerji Depolanması (KTED), Doktora tezi, Ç.Ü.Fen Billimleri Enstitüsü., Adana 7. Paksoy H. Ö., 1992, Thermal analysis of heat storage materials and integrated heat pump and theral energy storage, Doktora tezi, Ç.Ü.Fen Bil. Ens., Adana 8. Dinçer, Ġ., DOST, S., 1996, A Perspective on Thermal Energy Storage Systems for Solar Energy Applications, International Journal of Energy Research, 20 (6): Kovach, E.G., 1976, Thermal Energy Storage, The report of a NATO Science Committee Conference, Scotland, Pergamon Pres,76s 23

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Özonur Y., 2004, DüĢük Sıcaklıkta Termal Enerji Depolamasına Uygun Faz DeğiĢtiren Maddelerin Mikrokapsüllenmesi, Yüksek lisans tezi, Ç.Ü. Fen Bil. Ens., Adana 11. Anonim 2015b, EriĢim Abhat A., 1983, Low Temperature Latent Heat Thermal Energy Storage Materials, Solar Energy 30, Hale, D.V., Hoover, M.J., O neill, M.J., 1971, Phase Change Materials Hand Book, Report no. HREC LMSC-HREC D NASA, Marshal Space Flight Çenter. Alabama 14. Himran, S., Suwondo, A., Mansoori, G., 1994, Characterization Of Alkanes And Parafin Waxes For Application As Phase Change Anergy Storage Medium, Energy Sources 16: Velraj, R., Seeniraj, B., Hafner, B., Faber, C., Schwarzer, K., 1998, Heat Transfer Enhancement In A Latent Heat Storage System, Solar Energy, 65: Hasnain, S., 1998, Review On Sustainable Thermal Energy Storage Technologies, Part I: Heat Storage Materials and Technigues, Energy conservation and Management 39: Feldman, D., Khan, M. A., Banu, D., 1989, Energy Storage Composite With An Organic PCM, Solar Energy Materials, 18(6), pp Sarı, A., Kaygusuz, K.., 2001, Thermal Energy Storage System Using Stearic Acids As A Phase Change Material, Solar Energy 71 (6): Kürklü, A., 1998, Energy storage applications in greeenhouse by means of phase change materioals (PCMs) : a review. Renewable energy, 13(1), Mondal,S., 2008, Phase Change Materials For Smart Textiles An Overview, Applied Thermal Engineering, 28, Snijders, A.L., 2006, ATES Market Development In The Netherlands, ECOSTOCK, 10th International Thermal Energy Storage Conference, New Jersey, USA 22. Konuklu, Y., 2008, MikrokapsüllenmiĢ Faz DeğiĢtiren Maddelerde Termal Enerji Depolama Ġle Binalarda Enerji Tasarrufu, Ç.Ü. Doktora Tezi, Adana 23. Kuru, A., Aksoy, S.A., 2012, Faz DeğiĢtiren Maddeler ve Tekstil Uygulamaları, Tekstil ve Mühendis, 19: 86, Kern, M. and Aldrich, R. A., 1979, Phase Change Energy Storage In A Greenhouse Solar Heating System, Paper Presented at the Summer Meeting of ASAE and CSAE, June , University of Manitoba,Winnipeg 24

11 Karakuzu E., Coşkun M.B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2015 (12) Takakura, T. and Nishima, H., 1981, A Solar Greenhouse With Phase Change Energy Storage And A Microcomputer Control System, Acta Hort, Energy in Protected Cultivation, 115, Nishina, H. and Takakura, T., 1984, Greenhouse Heating By Means Of Latent Heat Storage Units, Acta Hort, Energy in Protected Cultivation Ill, 148, Jaffrin, A., Cadier, P., 1982, Latend Heat Applied To Horticulture, La Baronne Solar Energy, 38(4), , Levav, N. and Zamir, N., 1987, Phase Change Materials For Heat Storage In Greenhouse, In REUR technical series l, Greenhouse Heating With Solar Energy, ed. C. von Zabeltitz,, CNRE, pp Boular, T., Razafinnjohany E., Baille A., Jaffrin, A., Fabre, B., 1990, Performance Of A Greenhouse Heating System With A Phase Change Material, Agricultural and Forest Meteorology 52, Beyhan, B., 2010, Sera Uygulamaları Ġçin Faz DeğiĢtiren Maddelerde Termal Enerji Depolama, Ç.Ü. Fen Bil. Enst. Yüksek Lisans Tezi, Adana 31. Yağcıoğlu, A., 2005, Sera Mekanizasyonu, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları No:562, Bornova, 363s 25