Sera iklimlendirme sistemlerinde ısı pompası kullanımının teknik ve ekonomik incelemesi
Technical and economic review of the use of heat pumps in greenhouse air conditioning systems
Yazar: EMRE EKİNCİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde artan enerji ihtiyacı ve çevresel faktörler, tarım sektörünü sürdürülebilir ve enerji verimli yöntemlere yönlendirmeye zorlamaktadır. Sera iklimlendirme sistemleri, mevsim dışında üretimi desteklemek ve bitki büyüme koşullarını optimize etmek amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Türkiye'deki seralarda elektrik harcayan ekipmanın bilinçsiz kullanılması ile elektrik tüketimi artmaktadır. Ayrıca, yaz aylarında seraların soğutulması, kış aylarında ise seraların ısıtılması elektrik tüketimini artırmaktadır. Bu çalışmada, ısı pompalarının sera iklimlendirme sistemlerindeki ısıl ve ekonomik etkileri değerlendirilmiştir. Bu kapsamda seracılıkta kullanılan bazı örtü malzemeleri ve seralarda yetiştirilen domates ürününün sıcaklık ve nem gereklilikleri esasları üzerinden farklı iklim koşullarında ısı kaybı ve kazancı hesapları yapılmış ve ANSI ASAE EP 406.4 standardı esas alınarak seraların ısıtılması ve soğutulmasında gerekli olan ısıl yükler belirlenmiştir. Bu yüklerin hava, su ve toprak kaynaklı ısı pompalarının sera sistemlerindeki uygulanabilirliğinin karşılanması, enerji verimliliği ve maliyet etkinlikleri incelenmiş ve ısı pompalarının ihtiyacı olan elektrik enerjisini karşılamak için fotovoltaik sistem alternatifi değerlendirilmiştir. Türkiye'deki bazı iller için seranın ısı kaybı/kazancı hesapları sıcaklığın minimum olduğu Ocak ayına, sıcaklığın maksimum olduğu Temmuz ayına ve diğer aylar için de ortalama sıcaklık değerlerine göre psikrometrik diyagramla MS Excel programında hazırlanan bir hesaplama aracı ile yapılmıştır. Seralarda ısı pompası kullanımının ısıl ve ekonomik fizibilite çalışması bulunduğumuz Ankara ilinde ve cam seraların yoğun olduğu Antalya, Mersin ve Muğla illerinde yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar, şebekeye bağlı çalışan ısı pompaları ile kıyaslandığında fotovoltaik destekli ısı pompalarının amortisman sürelerini Ankara, Antalya, Mersin ve Muğla illerinde sırasıyla çift kat cam sızdırmaz contalı örtü malzemeli serada 6, 8, 8 ve 5 yıl, tek kat cam sızdırmaz contalı örtü malzemeli serada 5, 11, 13 ve 5 yıl, sert polikarbonat çift cidarlı serada ise 6, 8, 9 ve 5 yıl daha da kısalttığını göstermiştir.

Abstract:
Today, increasing energy demand and environmental factors are forcing the agricultural sector to turn to sustainable and energy efficient methods. Greenhouse air conditioning systems are widely used to support off-season production and optimize plant growth conditions. Electricity consumption in greenhouses in Turkey is increasing due to the unconscious use of electricity consuming equipment. Additionally, cooling of greenhouses in the summer months and heating of greenhouses in the winter months increase electricity consumption. In this study, the thermal and economic effects of heat pumps in greenhouse air conditioning systems were evaluated. In this context, heat loss and gain calculations were made in different climatic conditions on the basis of some cover materials used in greenhouse cultivation, temperature, and humidity requirements of the tomato products grown in greenhouses, and the thermal loads required for heating and cooling of greenhouses were determined based on the ANSI ASAE EP 406.4 standard. The feasibility of meeting these loads with air, water, and ground source heat pumps in greenhouse systems, energy efficiency and cost effectiveness were examined and photovoltaic system alternative was evaluated to meet the electrical energy required by the heat pumps. Heat loss/gain calculations of the greenhouse for some provinces in Turkey were made with a calculation tool prepared in MS Excel program with a psychrometric diagram according to January when the temperature is minimum, July when the temperature is maximum, and the average temperature values of the provinces for other months. Thermal and economic feasibility study of the use of heat pumps in greenhouses were carried out in Ankara province where we are located and in Antalya, Mersin, and Muğla provinces where glass greenhouses are intensive. According to the results, compared to grid-connected heat pumps, photovoltaic assisted heat pumps were further reduced the amortization periods in greenhouses by 6, 8, 8,  and 5 years in double layer glass sealed cover material, 5, 11, 13, and 5 years in single layer glass sealed cover material, 6, 8, 9, and 5 years in rigid polycarbonate double wall cover material in Ankara, Antalya, Mersin and Muğla provinces, respectively.