Plastik seralarda ısı iletim katsayısının belirlenmesi ve ısı artırım önlemlerinden ısı perdelerinin etkinliğinin araştırılması
Determination of overall heat transfer coefficient in plastic greenhouses and investigation of thermal screen efficiency for energy conservation precautions
Yazar: ALİ ÇAYLI
Danışman: DOÇ. DR. ADİL AKYÜZ
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Isı perdeleri = Thermal screens ; Isıtma = Heating ; Seralar = Greenhouses

Özet:
Seralar, bitkiler için yapay gelişme ortamlarının sağlanarak bitkisel üretim yapılan tarımsal yapılardır. Seralarda uygun koşulların sağlanması seranın kurulacağı bölgenin iklim özellikleri ile yakından ilgilidir. Özellikle soğuk dönemlerde bitkilerin ihtiyaç duyduğu sıcaklık isteklerinin sağlanması için seralarda ısıtma yapılması gerekmektedir.  Ancak ülkemizdeki birçok serada ısıtma sistemi kullanılmadan üretim yapılmaktadır. Bu da soğuk dönemlerde verim ve kalitede düşüşlere neden olmakta, bunun sonucunda üreticiler büyük ölçüde maddi kayıplara uğramaktadır. 
Isıtma ihtiyacını en az düzeyde tutarak mümkün olan en fazla miktarda ve kaliteli ürün almak sera işletmelerinin ana hedeflerindendir. Bu hedefe ulaşmak ısıtma için harcanan enerjinin verimli kullanılması ve enerji tasarruf önlemlerinin alınmasıyla mümkün olmaktadır. Seralarda ısı kayıpları radyasyon, konveksiyon ve kondüksiyon yoluyla oluşmaktadır. Konveksiyon yoluyla oluşan ısı kayıpları, özellikle yüksek rüzgâr hızlarında, daha fazla olmaktadır. Daha önce yapılan birçok deneysel çalışmada sera yüzeyinden rüzgâr hızına bağlı olarak kaybolan ısı verileri birbirine göre farklılıklar göstermiştir. Birçok farklı parametreye bağlı olan toplam ısı tüketim katsayısı değerine bölgesel iklim koşullarının da etkisi vardır.
Bu çalışmada, bölge iklim verileri ve ısıtma için harcanan enerji miktarı belirlenerek, örtü malzemesi olarak kullanılan farklı plastik sera kaplama malzemelerine göre toplam ısı tüketim katsayıları bulunmuş, en uygun örtü malzemesi kombinasyonu, toplam ısı tüketim katsayıları ve ısı perdesinin etkinliği belirlenerek ısı artırım önlemi olarak kullanılan malzemelerin (ısı perdesi, çift kat plastik örtü ve polikarbonat kaplama) kapalı ortam enerji dengesine etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Araştırma, K.S.Ü. Ziraat Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü deneme alanında bulunan 7.5 m x 20 m boyutlarında 150 m² taban alanına sahip 3 adet araştırma serasında yürütülmüştür. Farklı günlerde farklı rüzgâr hızı koşullarında sera içerisinde ısıtma sistemi çalıştırılmış ve enerji sarfiyatı kaydedilmiştir. Sera içerisinde elde edilen ortalama sıcaklık değerleri ve meteoroloji istasyonundan alınan rüzgâr hızı ve dış sıcaklık değerleri yardımıyla ısı tüketim katsayıları hesaplanıp, bu değerler rüzgâr hızına göre grafiklenerek eşitlikler çıkarılmıştır. İstatistiksel yöntemlerle bulunan bu eşitliklerle, toplam ısı tüketim katsayısının rüzgâr hızına bağlı olarak değişimi, her malzeme ve durum için (PE ısı perdeli, PE ısı perdesiz, çift kat PE ısı perdeli, çift kat PE ısı perdesiz, polikarbonat ısı perdeli, polikarbonat ısı perdesiz) belirlenmiştir. 
Elde edilen sonuçlar toplam ısı tüketim katsayısının, rüzgârsız koşullar için oldukça küçük değerlerde olduğunu, ancak rüzgâr hızının artışı ile farklı örtü malzemelerine sahip seralarda farklı tepkiler gösterdiğini göstermiştir. Rüzgâr hızından en fazla polikarbonat örtülü sera etkilenirken, çift kat PE örtülü sera daha az etkilenmiştir. Isı perdesinin seralarda ısı kaybını azaltıcı etkisi ortaya çıkmış ve bu da daha küçük toplam ısı tüketim katsayısı değerlerinin elde edilmesinde ısı perdesinin önemli rolü olduğunu göstermiştir. Isı perdelerinin, artan rüzgâr hızında serada ısı kaybına karşı oluşturduğu direnç ile rüzgâr hızına bağlı ısı kayıplarını azaltıcı etkisi olmuştur. Bu etkinin en fazla polikarbonat serada en az ise tek kat PE serada olduğu belirlenmiştir.
Araştırmada seralarda ısı korunumu için kullanılan ısı perdelerinin, ısı kaybına olan etkiside belirlenmiştir. Seralarda 0 m/s rüzgâr hızında toplam ısı kaybında ki azalma % 8 - % 22 arasında iken, 4 m/s rüzgâr hızında % 17 - % 36 arasında olmuştur. Bu değerler, ısı perdelerinin seralarda ısı tasarrufunda etkili olduğunu, bu etkinin, özellikle yüksek rüzgâr hızlarında daha fazla olduğunu göstermiştir.
Seralarda ısıtma ile elde edilen ürün kalitesi ve verim artışı birçok araştırmacı tarafından ortaya konulmuştur. Isıtma için harcanan enerjiden maksimum düzeyde fayda sağlamak, seralarda ısı korunumu önlemlerinin uygulanması ile mümkündür. Isıtma için ihtiyaç duyulan enerji miktarının doğru olarak hesaplanmasıyla harcanan enerjiden elde edilecek faydanın önceden öngörülebilmesi yapılan bu tür çalışmalar ile sağlanabilecektir.

Abstract:
Greenhouses are agricultural places where plant productions are made by providing artificial growth environment for plants. Ensuring appropriate conditions in greenhouses is closely related to climatic characteristics of the region where the building is located. Especially, in the cold seasons, greenhouses must be heated in order to provide warmth requirements needed by the plants. However, in our country, productions are made without using any heating system in many greenhouses which leads to a decrease in yield and quality during cold periods. Therefore, manufacturers greatly suffer from financial losses. Getting the maximum possible amount of product by keeping the heating need at minimum level is one of the main goals of the greenhouse business. Achieving this goal will be possible by using the expended energy efficiently for the heating and making provision for energy-saving. Most of the heat loss occurs due to the radiation from greenhouse surfaces and according to the wind speed convection. In many experimental studies conducted before shows that the data in heat loss depending on wind speed from greenhouse surface vary from each other. There is also the effect of regional climatic conditions to the overall heat consumption coefficient value depending on various parameters.
In this study conducted, the overall heat consumption coefficients according to different plastic greenhouses coating material used as the cover material had been found by determining the regional climate data and the amount of energy expended. This study aimed to detect the effect of the most suitable coating material combination, the overall heat consumption coefficient and the efficiency of thermal screen, by determining efficiency of materials used as temperature increase precautions(thermal screen, double layer plastic cover and polycarbonate coating) to  the indoor balance. 
This study was conducted in three different research greenhouses that have 7.5x20 m dimensions and 150 m² floor area and they are located in the test area of KSU, Faculty of Agriculture, Biosystems Engineering Department. On different days and at different wind speed conditions, heating system was operated and energy consumption was recorded in the greenhouse. The average temperature values heat consumption coefficients in the greenhouse was calculated with the help of the wind speed from the meteorological station. Those values were plotted and their equality was made according to their wind speed. With the equalities found by statistical methods, changes of the overall heat consumption coefficient depending on wind speed was determined for any condition and material (PE + thermal screen, PE, double-layer PE + thermal screen, double-layer PE, polycarbonate + thermal screen, polycarbonate). The results have shown that the overall heat consumption coefficient is in a very small value for the windless conditions, but with the increase of wind speed it showed different reactions in the greenhouses with different coating materials. Polycarbonate greenhouses are more affected by wind speed, while the double-layer PE covered greenhouses are less affected. It has been found that thermal screens reduced the heat loss in greenhouses which shows the vital role of thermal screens for obtaining smaller overall heat consumption coefficient value. It has been detected that thermal screens in greenhouses with the resistance against heat loss in the increasing wind speed, has the reducing effect of heat loss depending on wind speed. This effect is maximum in polycarbonate greenhouses and minimum in one layer of PE greenhouses.
In addition, thermal screens which are used for heat conservation in the greenhouses effect of heat loss was determined. While the overall heat loss 8-22% at the 0 m/s wind speed, at the 4 m/s wind speed 17-36% energy saving was achieved. Results show that thermal screen is effective to prevent heat loss at the high wind speed. 
Heating increases production costs, an expensive practice for agricultural enterprises. However, It was proved by many researcher that heating increases the yield and the production quailty. To ensure maximum benefit from the energy used for heating would be possible with implementation of precautions for heat conservation. Predicting the benefit of the energy that will be expended by calculating the amount of energy needed for the heating correctly would be achieved with such work.