Akdeniz ikliminde akifer termal enerji depolaması ile seralarda ısıtma-soğutma potansiyelinin belirlenmesi
Determination of the potential on cooling and heating of a greenhouse with aquifer thermal energy storage in Mediterranean climate
Yazar: BEKİR TURGUT
Danışman: DOÇ. DR. ŞAZİYE BOZDAĞ
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Enerji = Energy ; Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering ; Ziraat = Agriculture

Özet:
Bu çalışmanın amacı; yeraltında termal enerji depolama (UTES) sistemlerinden bir tanesi olan akifer termal enerji depolama (ATED) tekniğinin Akdeniz iklim kuşağında bulunan seralarda ısıtma ve soğutma amaçlı kullanım potansiyelinin ortaya konmasıdır. 2000'li yıllarda Türkiye'nin örtü altı yetiştiricilik alanı 44.000 hektara ulaşmıştır. Bu alanların yarıya yakın bir kısmında seracılık yapılmaktadır. Diğer yarısında ise yüksek ve alçak tünel yetiştiriciliği şeklinde kullanılmaktadır (Daşgan 2003). Seralardan yüksek verim ve kaliteli ürün alabilmek için kış ayları boyunca dış sıcaklık ne olursa olsun iç sıcaklığın türlere göre değişen kritik bir sıcaklığın altına düşürülmemesi gerekmektedir. Örneğin domates yetiştiriciliğinde sera içi sıcaklık değerinin en az 11-12 0C tutulması gerekmektedir. Bu veriler ışığında ve son 20 yıllık iklim verileri göz önünde bulundurulduğunda Akdeniz bölgesinde bulunan seraların ortalama 90 gün, günde yaklaşık 8 saat, 150 kW'lık ısıtma ihtiyacı bulunmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için yaklaşık 5 L/m2 6 numara Fuel-Oil veya 5000 kcal/h ısıl değerinde 9kg/m2 kömür gerekmektedir (Baytorun ve Abak 1995). Fosil yakıt kullanımının işletme maliyetine getirdiği yük ve yakılması sonucu meydana gelen kül ve atmosfere salınan zararlı gazlar seracılığın önündeki en büyük engeller olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla birlikte yaz ayları boyunca Akdeniz iklimindeki plastik kaplı seralarda soğutma ihtiyacı vardır ve soğutma sonucu elde edilen faydalar da bulunmaktadır.Bu çalışma için Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Bahçe Bitkileri Bölümü Araştırma Alanı içerisinde birbirinden bağımsız ancak aynı özelliklere sahip her biri 360 m2 büyüklüğünde 2 adet araştırma serası seçilerek birinde ATED tekniği ile ısıtma soğutma yapılmış, diğerinde ise konvansiyonel sistemlerle ısıtma yapılarak yetiştiricilik yapılmıştır. Böylece 2 teknik arasındaki bitkisel verim, ekonomik ve çevresel faydalar karşılaştırmalı olarak ortaya konmuştur.Tasarlanan ATED sisteminin temel çalışma prensibi ise şöyledir; Akdeniz iklimindeki plastik kaplı seralarda iç sıcaklık 5 ay boyunca günde yaklaşık 6 saat 40-70 0C civarına kadar yükselmektedir. Sera içinde biriken bu atık enerji havadan suya ısı değiştiriciler ile yer alt suyuna aktarılımış ve suyun sıcaklığı 18 0C'den 34 0C'ye çıkartılmıştır. Daha sonra ısınan su, sıcak kuyu vasıtası ile akifere geri besleme yolu ile depolanmıştır. 70 gün süren bu işlem sonucunda 103.877.123 kJ enerji depolanmıştır. Depolanan enerji bir sonraki kış ayları boyunca geri çekilip aynı ısı değiştiriciler aracılığı ile sera ısıtmasında kullanılmıştır. Sıcak geri kazanım ise 138 gün sürmüş olup bu işlem sonucunda elde edilen sıcak geri kazanım miktarı 58.711.432 kJ olarak hesaplanmıştır. 2005-2006 kış ayları boyunca hiçbir zaman ATED serası kritik sıcaklığın altına düşmemiştir (11 0C).Kış ayları boyunca ısıtmada kullanılan yer altı suyu, dış ortam sıcaklığının 10 0C'den az olduğu saatlerde sera dışında bulunan bir başka ısı değiştirici ile soğutulup soğuk kuyu ile yine akifere geri besleme yolu ile depolanmıştır. Soğuk depolama işlemi de sıcak geri kazanım işlemine paralel olarak 138 gün sürmüş olup 76.002.040 kJ enerji depolanmıştır. Soğuk depoda depolanan su ise bir sonraki bahar ve yaz aylarında, sera soğutmasında kullanılmıştır. Soğutma yönünden geri kazanım işlemi ise 32 gün yapılmış elde edilen geri kazanım miktarı 15.678.065 kJ olmuştur. 2006 bahar- yaz ayları boyunca süren soğutma işlemi sırasında ATED serası hiçbir zaman kritik sıcaklığın üzerine çıkmamıştır (30 0C).Isıtmadan kaynaklanan depolama verimi %56, COP ise 7.6 olarak hesaplanmıştır. Soğutma işleminin depolama verimi ise %20 olup COP 3.2 hesaplanmıştır. Bu uygulama ile birlikte ısıtma yönünden fosil yakıtlardan bağımsız, soğutma yönünden ise CFC gazlarından bağımsız, verimli, ekonomik ve çevre ile dost bir iklimlendirme sistemi seralara entegre edilmiştir.Sonuç olarak enerji maliyetlerinde ATED serası lehine %70 düzeyinde bir azalma elde edilmiştir. Ayrıca ilk yatırım maliyeti, amortisman süreleri ve genel işletme giderleri göz önüne alınarak yapılan ekonomik verimlilik ise hesaplarında ise ATED serasının, konvansiyonel seraya göre % 56 daha verimli olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte ATED serası lehine bitkisel verimde (patlıcan ve domates) ortalama mevsimsel olarak %20-40 arasında bir fark elde edilmiştir. Sistemin geri ödeme süresinin 1 yıldan az olduğu saptanmıştır.

Abstract:
The aim of this study is to determine the heating and cooling potential of the greenhouses in the Mediterranean climatic zone, with aquifer thermal energy storage (ATED) known as one of the underground thermal energy storage application systems (UTES). In recent years greenhouse production reached to 44.000 ha in Turkey (Daşgan 2003). For high yield and quality in greenhouse crops during the winter months, inside temperature should be maintained at the critical value that can change depending on the species grown in the greenhouse. For instance, for tomatoes the critical inside temperature should be maintained not below 12-13 0C in the greenhouse. Due to this information and the last 20 year?s climate data in Mediterranean Region, a greenhouse needs approximately 150 kW heating load during 90 days in a year, 8 hours in a day (Baytorun and Abak 1995). To provide this heating load, 6 L/m2 No 6 Fuel-Oil or 9 kg/m2 coal must be consumed. The fossil fuel consumption leads to an economic burden in the operating cost, besides ashes and undesirable gas emissions from coal combustion are the biggest barriers of the greenhouses in the Mediterranean zone. Additionally, the cooling requirement of the greenhouses for summer months in the Mediterranean Climate and the advantages provided after cooling applications has been calculated.For these purposes, two separate greenhouses, each having an area of 360 m2, in the research station of the Horticulture Department - Faculty of Agriculture have been selected. One of them has been heated and cooled by ATED technique. In the second one, conventional heating and cooling systems have been used. Consequently, these two systems have been compared in terms of crops yields, economical and environmental aspect.The basic principal of the ATED systems is as follows; interior temperature can increase up to 40-70 0C during 5 months in a year and 6 hours in a day in the summer season in the greenhouse which is located in the Mediterranean climate. The waste heat in the greenhouse is transferred to ground water via interior water-air heat exchangers, hence the temperature of the water is increased from 18 0C to 34 0C. For storage purposes, this heat has been injected to the aquifer through hot well. At the end of heat storage process, during 70 days in summer months, 103.877.123 kJ energy has been stored in the aquifer. During the winter months of 2005-2006, ATED greenhouse interior temperature never decrase below critical level (11 0C).In the following winter season, when heating is required in the greenhouse, stored energy has been extracted from the aquifer and has been used for heating. In the heat recovery process, during 138 days in the winter season, extracted amount of energy from aquifer was 58.711.432 kJ. When the ambient air temperature decreased below 10 0C, this ambient cold was transferred to ground water through exterior fan-coil during the winter season, this cold energy has been stored in the aquifer via cold well. Cold storage process lasted 138 days and at the end of this research work 76.002.040 (kJ) energy has been stored. This stored cold has been used for cooling in the spring and summer months. During cold recovery process, which lasted 32 days, 15.678.065 (kJ) energy has been extracted from the ground. During the spring - summer of 2006, ATED greenhouse interior temperature never increases below critical level (30 0C).Efficiency of heat recovery process was %56 and COP of the system has been calculated as 7.64. Also efficiency of cold recovery process was found to be %20 and COP of the system has been calculated as 3.21. Consequently, a renewable heating and cooling system, which is not dependant on fossil fuels and CFC gasses respectively, has been integrated to the greenhouse.Hence, with a successful ATED application, energy cost has been reduced 70%. Economic efficiency of ATED greenhouse is calculated 56% more than conventional greenhouse. The crop yields have been increased within the range of 20-40% seasonally, in ATED greenhouse. Calculated pay back time of the system was less than 1 year.