SERALAR İÇİN AKDENİZ İKLİMİNE UYGUN DOĞAL HAVALANDIRMA SİSTEMLERİNİN TASARIMI. H. Hüseyin ÖZTÜRK Ali BAŞÇETİNÇELİK Cengiz KARACA

Transkript

1

2 SERALAR İÇİN AKDENİZ İKLİMİNE UYGUN DOĞAL HAVALANDIRMA SİSTEMLERİNİN TASARIMI H. Hüseyin ÖZTÜRK Ali BAŞÇETİNÇELİK Cengiz KARACA Ç.Ü. Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, ADANA ÖZET Seralarda güneş ışınımından kazanılan ısı enerjisi nedeniyle, iç ortamdaki sıcaklık artışı seranın havalandırılmasıyla kontrol altına alınır. Doğal havalandırma, rüzgar ve sıcaklık farkı nedeniyle seradaki belirli açıklıklardan oluşan hava hareketidir. Doğal havalandırma yönteminin yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedeni, yatırım maliyeti ve enerji giderlerinin düşük olmasıdır. Bununla birlikte, doğal kuvvetler bağlı olan bu havalandırma yöntemi, doğal olarak değişken özelliktedir ve sonuçta bazı kısıtlamalarla karşılaşılır. Bu çalışmada; rüzgar basıncı ve sıcaklık farkı etkisiyle oluşan hava hareketinin doğal havalandırmaya etkisi, havalandırma açıklığı alanlarının belirlenmesi ve doğal havalandırma sistemlerinin tasarımı incelenmiştir. Design of Greenhouse Natural Ventilation Systems for Mediterranean Climate ABSTRACT The control of high temperatures in greenhouses due to the solar heat gain is normally accomplished by ventilating with outside air. Natural ventilation is the movement of air through spiced buildings openings by the use of the natural forces produced by wind and temperature difference. Low initial cost and low energy cost are primary factors that make it the most common type of ventilation. However, ventilation that is dependent on natural forces is inherently variable and consequently has numerous limitations. In this paper, effect of the air movement caused by the wind pressure and temperature difference on the natural ventilation, determining of area for the ventilation openings and design of natural ventilation systems are discussed. 1. GİRİŞ Doğal havalandırma, rüzgar ve sıcaklık farkı nedeniyle seradaki belirli açıklıklardan oluşan hava hareketidir. Doğal havalandırma yönteminde, sera çatısı veya kenarlarında elle veya elektrik motoruyla açılıp-kapatılan havalandırma pencerelerinden yararlanılır. Doğal havalandırma yönteminin yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedeni, yatırım maliyeti ve enerji giderlerinin düşük olmasıdır. Bununla birlikte, doğal kuvvetlere bağlı olan bu havalandırma yöntemi, doğal olarak değişken özelliktedir ve sonuçta bazı kısıtlamalarla karşılaşılır. Bu çalışmada; rüzgar basıncı ve sıcaklık farkı etkisiyle oluşan hava akımlarının doğal havalandırmaya etkisi, doğal havalandırma uygulamalarında 61

3 havalandırma oranı ve ülkemiz koşullarına uygun doğal havalandırma sistemlerinin tasarımı incelenmiştir. 2. DOĞAL HAVALANDIRMA Herhangi bir yapının içinde ve dışında hava hareketi için mevcut doğal kuvvetler, rüzgar kuvvetleri ve iç-dış ortam arasındaki sıcaklık farkıdır. Hava hareketi; atmosferik koşullar, yapının tasarımı ve yerleşimine bağlı olarak, bu kuvvetlerden birisinin veya her iki kuvvetin birlikte etkisiyle oluşabilir. Hava hareketi, rüzgar hızı ve yönüne ve sıcaklık farkına bağlı olarak değişir. Yapıdaki doğal havalandırma açıklıklarının yerleşimi ve kontrolü, her iki doğal kuvvetin birlikte etki edeceği düşünülerek tasarımlanmalıdır Rüzgar Etkisiyle Hava Hareketi Koşulların değişken olması, rüzgar basıncı etkisiyle havalandırma oranının belirlenmesi için teorik eşitliklerin kullanılmasını sınırlandırır. Aşağıdaki eşitlik kullanılarak amprik verilere dayanan yaklaşık sonuçlar belirlenebilir. Q = E.A.v r...(1) Bu eşitlikte; Q - hava debisi (m 3 /s), E - hava giriş açıklığının etkinliği, A - hava giriş açıklığı alanı (m 2 ) ve v r - rüzgar hızıdır (m/s). Hava giriş açıklığının etkinliği (Eşitlik 1 deki E değeri), dik esen rüzgarlar için arasında alınmalıdır. Tarımsal yapılar için bu değerin 0.35 olarak alınması önerilir. Rüzgar hızının mevsimlik ortalamadan daha düşük olması durumunda, yeterli havalandırma sağlamak amacıyla tasarım hızı genellikle mevsimlik ortalama rüzgar hızının yarısı olarak alınır (1) Sıcaklık Farkı Etkisiyle Hava Hareketi Bir yapının iç ortamındaki sıcaklık dış ortam sıcaklığından farklı olduğunda, hava yoğunluğundaki farklılık nedeniyle basınç gradyentleri oluşur. İç ortam sıcaklığı daha yüksek olduğunda, sıcak hava üst kısma doğru yükselir. Genleşme nedeniyle yapı içerisine daha az hava akışı olur ve sıcak hava dış ortama çıkar. Bu durumda hava hareketinin hızı, basınç farkı ve hava girişçıkış açıklıkları arasındaki yükseklik farkıyla doğrudan orantılıdır. Sıcaklık farkı etkisiyle doğal havalandırmada, hava giriş ve çıkış açıklıkları alanlarının eşit olması durumunda, hava debisi aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilir (1). 62

4 [ h(t T ) / T ] 1/ 2 Q = θ.a 2g....(2) i o i Bu eşitlikte; Q - hava debisi (m 3 /s), θ - sürtünme kaybıyla azalma faktörü ( ), A - havalandırma açıklıklarından birinin alanı (m 2 ), g - yerçekimi ivmesi (9.81 m/s 2 ), h - hava giriş ve çıkış açıklıkları arasındaki yükseklik farkı (m), T i - iç ortam havasının mutlak sıcaklığı (K) ve T o - dış ortam havasının mutlak sıcaklığıdır (K). 3. SERALARDA DOĞAL HAVALANDIRMA 3.1. Sera Çatısı ve Yan Duvarlarındaki Havalandırma Açıklıkları Serada doğal havalandırmayla en uygun oranda hava değişimi sağlanması için, çatı ve yan duvarlardaki havalandırma açıklıklarının toplam alanı, sera taban alanının en az % 15 i oranında olmalıdır. Doğal havalandırma için seradaki havalandırma açıklıklarının toplam alanı, taban alanının % i oranında olması gerekir. Çatı ve yan duvarlardaki havalandırma açıklıklarının toplam alanı yaklaşık olarak eşit olmalıdır. Doğal havalandırmada, sera taban alanına oranla gerekli toplam Havalandırma Açıklığı Oranı (HAO t, %) aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir. HAO [ ] 1/ 2 t = 6.5Q / h(ti To )...(3) Sera taban alanına oranla, çatı (HAO ç, %) ve yan duvarlarda (HAO d, %) gerekli havalandırma açıklığı oranları, sırasıyla (4) ve (5) nolu eşitliklerden belirlenebilir. HAO 2 2 [(I. h ] 1/ ) /(T T 3 / 3 ç = i o)...(4) 1/ 2 HAO d = 2. HAOç...(5) Eşitlik 4 deki I değeri, güneş ışınımıdır (W/m 2 ). Sera yan duvarları ve çatısındaki havalandırma açıklıklarının yeterli büyüklükte olması ve uygun olarak tasarımlanması durumunda, bir çok iklim bölgesinde etkin sıcaklık kontrolü sağlanarak, gerekli havalandırma oranına ulaşılabilir Cam Seralarda Doğal Havalandırma Geniş bölme cam seralarda havalandırma açıklıkları, çatının tüm uzunluğu boyunca kesintisiz bir şekilde tasarımlanır. Çatının heri iki tarafındaki havalandırma pencerelerinin açılıp-kapatılması için, döner şaft ve dişli mil bulunan mekanizmalardan yararlanılır (Şekil 1). Farklı boyutlardaki geniş bölme seralar için, pencere alanın sera taban alanına oranı Çizelge 1 de verilmiştir (2). 63

5 Şekil 1. Geniş bölme cam sera çatısındaki havalandırma penceresi Çizelge 1. Cam Seralarda Pencere Alanının Sera Taban Alanına Oranı (2) Sera Açıklığı (m) Pencere Boyu (m) Pencere Alanının Sera Taban Alanına Oranı (%) Plastik Seralarda Doğal Havalandırma Sera çatısının daha geniş üretim alanını kaplaması için oluktan bağlantılı sera tasarımı uygulanır. Seraların bu şekilde tasarımlanmasıyla, maliyet azalır ve daha etkin olarak doğal havalandırma sağlanır. Oluktan bağlantılı seraların çatısı, sera ortamından ılık hava çıkışını engellemeyecek ve çatı iç yüzeyi boyunca yüksekliği artan şekilde tasarımlanabilir (Şekil 2). Şekil 2. Oluktan bağlantılı seralarda çatı havalandırması Bu tip seralarda, düşey durumdaki havalandırma açıklığının tasarımı için, oluklardan da yararlanıldığından maliyet azalır. Çift kat PE malzemeden yapılan düşey durumdaki havalandırma açıklığı, elektrik motoru yardımıyla üstten aşağıya doğru açılır. Havalandırma açıklığının açılması sırasında, çift kat PE örtü arasına hava basan fan kapatılır ve havalandırma açıklığı, serada 64

6 istenilen sıcaklık ve bağıl nem oranına ulaşıncaya kadar açılır. Havalandırma açıklığının kapatılması için, çift kat PE örtü arasına fan yardımıyla hava basılır ve böylece sera kenarında çift kat duvar oluşturularak ısı kayıpları en aza indirilmiş olur. Etkin bir şekilde doğal havalandırma sağlanması için, havalandırma açıklığı alanı sera taban alanının yaklaşık % 20 si kadar olmalıdır (3). Son zamanlarda tropikal bölgelerdeki plastik seralarda, daha etkin olarak doğal havalandırma sağlamak için, çatıdaki havalandırma açıklıkları Şekil 3 deki gibi düzenlenmektedir. Oluktan bağlantılı bu tip seralarda, çatıdaki havalandırma açıklığı seranın uzunluğu boyunca sürekli durumdadır. Havalandırma açıklığı, seraya yağmur girmeyecek şekilde tasarımlanmıştır m 8 m Şekil 3. Tropik iklimlerde plastik sera tasarımı Örtü malzemesi olarak cam elyaflı polyester gibi sert plastik malzemelerin kullanıldığı seralarda, çatıdaki havalandırma açıklıkları Şekil 4 deki gibi düzenlenebilir. Bu durumda, yaklaşık 60 açılabilen havalandırma açıklıklarından etkin bir şekilde doğal havalandırma sağlanır. Şekil 4. Sert plastik örtülü seralarda çatı havalandırması 65

7 4. SONUÇ ve ÖNERİLER Ilıman iklim bölgelerinde açık ve güneşli günlerde, sera ortamında güneş ışınımından kazanılan fazla miktardaki ısının sera ortamından uzaklaştırılması için havalandırma gereklidir. Seralarda havalandırma işleminin en önemli amacı, ortamdaki duyulur ısı ve su buharının (gizli ısı) uzaklaştırılmasıdır. Cam seralarda genellikle çatıdaki havalandırma açıklıklarından yararlanılır. Çatıdaki havalandırma açıklıkları, çatının en üst bölgesinde, sera sırtının her iki tarafında ve seranın uzunluğu boyunca kesintisiz olarak bırakılmış olmalıdır. Çatıdaki havalandırma açıklıklarının alanı, sera taban alanının 1/6 sına eşit olmalıdır. Sera çatısındaki havalandırma açıklıkları, yatay durumda yukarıya doğru açılmalıdır. Çatıdaki havalandırma pencereleri, çatıyla 60 açı yapacak şekilde açılabilmelidir. Seralarda doğal havalandırma uygulamalarındaki havalandırma oranı; rüzgar hızı ve yönüne, seranın yakınında hava hareketini etkileyen doğal veya yapay engellerin bulunmasına ve hava giriş ve çıkış açıklıklarının tasarım ve yerleşimine bağlıdır. Bu nedenle, doğal havalandırma sistemlerinin tasarım ve yönetiminde; iklim özellikleri, coğrafik özellikler, rüzgar hızını etkileyen engeller ve havalandırma açıklıklarının alanı dikkate alınmalıdır. Doğal havalandırma için seradaki havalandırma açıklıklarının toplam alanı, taban alanının % i oranında olması gerekir. Çatı ve yan duvarlardaki havalandırma açıklıklarının toplam alanı yaklaşık olarak eşit olmalıdır. 5. KAYNAKLAR 1. Hellickson, M.A., Walker, J.N., Ventilation of Agricultural Structures. ASAE, 2950 Niles Road St. Joseph, Michigan, Bot, G.P.A., Challa, H., Van de Braak, N.J., Greenhouse Climate Control: An Integrated Approach. Wageningen Pers, Wageningen, Short, T.H., Van Duyne, G., Naturally Ventilated Greenhouses for Mediterranean Climates. Acta Horticulturae,