Sera soğutma teknolojileri tanıtıldı.
Sera tasarımı hususları ve teknolojilerindeki en son gelişmeler ve teknik özellikler gözden geçirildi.
Sürdürülebilir kalkınma hedeflerinin seralara haritalanması tartışıldı.
Seraların geliştirilmesine yönelik gelecek yönelimler belirlendi.
Soyut
Gıda maddelerine olan talep, nüfus artış oranlarına uyacak şekilde artıyor. Bu arada pek çok ülke, soğuk ve sıcak mevsimlerdeki zorlu hava koşulları nedeniyle tüm yıl boyunca mahsul üretimini garanti etmekte zorlanıyor. Seralar, zorlu hava koşullarını hafifletmek ve mikro iklimi kontrol ederek, mahsullerin gerekli sıcaklık, nem, su ve ışık seviyesini elde etmesini sağlayarak yıl boyunca mahsul üretimine olanak sağlamak için kullanılır. Seranın başarılı bir şekilde yerleştirilmesinde çeşitli tasarım faktörleri çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu parametreler şekil, yönlendirme, yapı, kaplama malzemesi ve iklim kontrol teknolojilerini içerir. İklim kontrol stratejileri soğutma ve ısıtma teknolojilerini içerir. Bu makale, özellikle sıcak iklimlerde kullanılan seralar için soğutma teknolojilerinin kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Doğal havalandırma, gölgeleme ve yansıtma, evaporatif soğutma, kurutucu soğutma ve kombine soğutma teknolojileri gibi teknolojiler sunulmakta ve tartışılmaktadır. Ayrıca, bu makale soğutma teknolojileri ve sistemleri alanındaki son gelişmeleri incelemektedir. Makalede ayrıca enerji tasarrufu sağlamaya ve seraların verimliliğini artırmaya yönelik mevcut stratejiler de açıklanıyor. Bu incelemenin sonuçlarının araştırmacılara kendi bölgeleri için en uygun soğutma teknolojisini seçme sürecinde yol göstermesi bekleniyor.
giriiş
Hava, su ve gıda tüm canlıların hayatta kalabilmesi için temel ihtiyaçlardır [1]. Küresel nüfustaki benzeri görülmemiş artışla birlikte gıda talebi birkaç kat arttı, bu da dış çevreden mümkün olduğunca bağımsız modern tarım uygulamalarının önemini ortaya çıkardı [2], [3]. Gıda arzı kıtlığı, 2017’de 811 milyon kişinin, 2018’de ise yaklaşık 820 milyon kişinin gıdadan mahrum kalmasına neden oldu [4]. Üstelik, özellikle dünya çapındaki silahlı çatışmalarla birlikte durumun daha da kötüleşmesi bekleniyor. Topluma gıda tedarikinin sağlanması için gıdanın üretilmesi ve muhafaza edilmesi çok önemlidir [5]. Ancak pek çok ülke, soğuk ve sıcak mevsimlerdeki sert hava koşulları nedeniyle tüm yıl boyunca mahsul üretimini garanti etmekte zorlanıyor. Kavurucu hava koşullarına sahip ülkelerde, güneş ışığı radyasyonunun yoğunluğu yüksek sıcaklıklara neden olur ve bu da gıda üretiminin sınırlanmasına neden olur [6]. Bu ülkeler, bölgesel olarak ürün üretmenin zor olması nedeniyle gıda ithalatına odaklanıyor. Ancak COVID-19 salgını nedeniyle yaygınlığını kısıtlamak için birçok sınır kısıtlaması ve tecrit uygulandı, ülkeler arası gıda taşımacılığı sınırlandı ve birçok bölgede hasat yavaşladı. Dahası, COVID-19 salgını dünyanın gıda güvenliğini tehdit ediyor ve 2020 yılı sonuna kadar 265 milyon insanı gıdadan mahrum bırakıyor [7].
Seralar, zorlu hava koşullarını hafifletmek ve mikro iklimi kontrol ederek ve mahsullerin gerekli sıcaklık, nem, su ve ışık seviyesini elde etmesini sağlayarak yıl boyunca mahsul üretimine izin vermek için kullanılır [5], [8]. 9]. Aynı zamanda toza, kire, hayvanlara ve yağmura karşı koruma sağlamasının yanı sıra, bu sayede yüksek kalitede hayvan temini sağlanmaktadır [5]. Sonuç olarak, seralar bölgesel gıda arzının bulunabilirliğini sağlayacaktır. Seralarda bitki üretimini etkilemek için kullanılan önemli bir araç iklim kontrolüdür [10]. İklim kontrolü, sıcaklığı, ışık miktarını, nemi ve CO2 emilimini gerektiği gibi tutarak bitkilerin hayatta kalması ve büyümesi için en uygun ortamı korur . İç mekan iklim koşulları sadece dış mekan iklim koşullarına değil aynı zamanda serada yetiştirilen ürün türlerine de bağlıdır. Seralarda yetişen türlerin çoğu, 17 ila 27 °C arasında değişen sıcaklıklara ihtiyaç duyar [11]. Bu durum sıcak, nemli ve kurak iklime sahip, sıcak ve kurak bölgelerde yaşayan ülkeler için bir sorun teşkil etmektedir [12], [13]. Yaz aylarında bu tür ülkelerde ortam sıcaklığının 50 °C’ye, nem oranının ise %90’ın üzerine çıkabilmesi, seralarda sıcaklık ve nem düzeyinin kontrol altına alınabilmesi için soğutma yöntemlerinin kullanılmasını zorunlu kılmaktadır. Ek olarak, nem seviyelerinin istenilen aralıkta düzenlenmesi ve tutulması çok önemlidir çünkü düşük nem seviyeleri bitki büyümesini engelleyecektir. Buna karşılık, yüksek nem seviyeleri, bitki büyümesini ve gelişmesini sınırlayan bitki mantar hastalıklarının oluşumunu artıracaktır [14]. Bu nedenle, sıcak ve kurak bölgelerde arzu edilen bağıl nem aralığı %50 ila %85 arasındadır [15].
Bu incelemenin amacı seralar için soğutma teknolojilerine odaklanan mevcut literatürün kapsamlı bir araştırmasını yapmaktır. Buradaki yenilik, seranın sıcak iklimlerde kullanıldığında işlevine ilişkin yaygın algının değişmesinden ve dolayısıyla soğutmanın gerekli olmasından kaynaklanmaktadır. Sera kavramı genellikle, gelen güneş enerjisi dalga boylarının modülasyonu yoluyla termal enerjiyi hapseden bir muhafazayı ifade eder. Bu, mahsullerin soğuk mevsimlerde büyümesine izin vermeyecek kadar düşük sıcaklıktaki bölgelerde veya düşük sıcaklıklar nedeniyle yerli olmadıkları bölgelerde mevcut güneşten yararlanılarak gerçekleşir. Yukarıda belirtilen uygulamalar için bu tür seraların soğutulması, özellikle atmosferin alt katmanlarında karbondioksit birikiminin neden olduğu küresel ısınmanın, üretilen ve hapsedilen “sera gazlarından” kaynaklandığı göz önüne alındığında, mantığa aykırıdır. Sıcak iklimlerde, sera tanımı mevcut bağlamda yalnızca mahsul yetiştirmek için korunan bir ortamı belirtmek için kullanılmaktadır ve dolayısıyla bu kapalı alan içindeki sıcaklığı kontrol etmek için farklı yollar tasarlanmaktadır. Bazı mekanizmalar pasif olup mahfazanın içine ulaşan güneş ışınımının azaltılmasına dayanırken, diğerleri soğutma yükünü ortadan kaldırmak için enerji harcamayı gerektirir. Bu çalışma çok sayıda sera soğutma teknolojisine ilişkin karşılaştırmaları ve tartışmaları içermektedir. Bu teknolojiler enerji gereksinimlerine, pasif tasarımlarına ve kaplama malzemelerinin optik özelliklerine göre kategorize edilir. Bu, doğal havalandırma teknolojileri, gölgeleme ve yansıtma teknikleri, buharlaşmalı soğutma teknolojileri ve kurutucu soğutma sistemleri hakkındaki tartışmalarla ilgilidir. Ghani ve diğerleri de dahil olmak üzere farklı sera soğutma teknolojilerini analiz etmek ve tartışmak için daha önce başka inceleme makaleleri yürütülmüştü. [9], Ghoulem ve ark. [16] ve Kumar ve ark. [17]. Ancak bu çalışma seraları soğutmak için kullanılan teknolojilerdeki son gelişmelere odaklanmaktadır. Bu analitik incelemenin sonuçları, araştırmacıların belirli coğrafi bölgelere uygun en uygun sera soğutma teknolojisini seçmelerine yardımcı olacaktır. Bir serada optimize edilecek birçok bileşen vardır ve bunlar, literatürün gözden geçirilmesinde dikkate alınacak ana tasarım parametreleri olarak Şekil 1’de listelenmiştir. Bu parametreler; örtü malzemeleri, muhafaza tasarımı, yönlendirme ve yapı, iklim kontrolü ve sulama/besin dağıtımıdır.
Bölüm parçacıkları
Sera tasarımında dikkat edilecek hususlar
Bir seranın tüm mikroklimatik koşullarının kontrol edilmesi, optimum ürün büyüme hızına yol açacak ve bu da çeşitli ekonomik, sosyal ve çevresel avantaj ve dezavantajlara yol açacaktır [18]. Sıcak/kurak iklimlerde sera içerisinde gerekli sıcaklığın elde edilmesi için soğutma sistemleri bir zorunluluk haline geldiğinden seralar daha fazla elektrik tüketmektedir [19]. Seralarda elektrik tüketimi ozon tabakasının incelmesi, kirlilik ve iklim değişikliği gibi bazı çevresel olumsuzluklara neden olabilir.
Sürdürülebilir kalkınma hedeflerinin seralara haritalanması
Birleşmiş Milletler (BM), 2015 yılında BM’nin Sürdürülebilir Kalkınmaya yönelik politika çerçevesini sunmak üzere bir konferans düzenledi. Çerçeve, 17 Sürdürülebilir Kalkınma Hedefine (SDG) ve ilgili 169 hedefe ulaşmanın sürdürülebilir dünya kalkınmasını sağlayacağını belirtiyor. BM’nin politika çerçevesi, gelecek nesillerin ihtiyaçlarının mevcut nesillerin ihtiyaçlarından ödün vermemesini sağlayacak şekilde kolaylaştırılmıştır [42]. Bu 17 sürdürülebilir hedefi seralara haritalamak amacıyla,
Sera soğutma teknolojileri
Yaz mevsimi boyunca birçok ülke, seralar gibi korumalı ürün yetiştirme tesislerini kullanarak bile ürün yetiştirmede birçok zorlukla karşı karşıya kalıyor. Bu nedenle seralar, seranın mikro ikliminin kontrolünde önemli bir rol oynayan soğutma teknolojilerinden yararlanır. Ancak sera ortamına en uygun soğutma teknolojisini seçmek birçok yetiştiricinin karşılaştığı bir zorluktur. Optimum soğutma teknolojisinin seçilmesi mahsulün dikkate alınmasını gerektirir
Fan ve pad evaporatif soğutma sistemleri
Direkt evaporatif soğutma sistemleri fan ve ped sistemleri ve buğulama/sisleme sistemleri olarak sınıflandırılır. Bu evaporatif soğutma sistemleri bir seradaki çevre koşullarını iyileştirmek için kullanılır [38]. Fanlı ve pedli evaporatif soğutma sistemleri, sıcak bölgelerdeki seraların gerekli soğutma gereksinimleriyle donatılması amacıyla 1954 yılında tanıtılan köklü soğutma teknolojileridir. Bu sistemler soğutmaya ulaşmak için egzoz fanlarını, buharlaştırıcı pedleri ve sirkülasyon pompalarını kullanır.
Sisleme evaporatif soğutma sistemleri
Sisleme/sisleme sistemi, optimum bitki büyümesi için uygun ortamı koruyan ikinci tip doğrudan evaporatif soğutma sistemidir. Sisleme sistemleri seraya ince su damlacıkları püskürtmek için küçük nozullar kullanır; su damlacıklarının boyutları 2 ile 60 µm arasında değişir. Damlacıkların boyutlarının bu aralıkta tutulması, damlacıkların bitki yapraklarına ulaşmadan hızla buharlaşmasını sağlar. Su damlacıklarının yüksek buharlaşma oranı, hava kirliliğinde önemli azalmalara neden olur.
Kombine soğutma teknolojileri
Çoğunlukla tek bir soğutma teknolojisinin kullanılması, aşırı hava koşullarına sahip bölgelerde sera mikro ikliminin kontrol edilmesinde yetersiz kalabilmektedir. Bu nedenle birçok araştırmacı, istenen sonuçları elde etmek için birden fazla uyumlu soğutma teknolojisini birleştirmeye başvuruyor. Kombine soğutma teknolojileri seranın ihtiyaç duyduğu optimum soğutma miktarını sağlar. Ayrıca, birleştirilmiş teknolojiler enerji kullanımını ve sera sıcaklığını düşürür [16]. Sonuç olarak, uygun bir
Gelecekteki yönlendirmeler
Sera soğutma teknolojilerine ilişkin bu inceleme, belirli coğrafi bölgeler için en iyi soğutma teknolojisinin seçilmesi sürecinin bir özetini sunmaktadır. Minimum enerji girişi sağlamak için, uygun optik özellikler seçimiyle birleştirilmiş doğal havalandırma aranır. Bu, örtü malzemesinin seçilmesini, doğal gölgeleme ve yansımanın doğru kullanımı için sera yönünün seçilmesini, en düşük seviyeye ulaşmak için buharlaştırıcı, kurutucu ve birleşik soğutma teknolojilerinin kullanılmasını içerir.
Sonuçlar
Bu makale, seralarda kullanılan mevcut soğutma teknolojilerine odaklanan kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Bu soğutma teknolojileri, sıcak ve kurak hava koşullarında bitkisel üretim için uygun bir sera ortamı sağlamaktan sorumludur. Bu teknolojilerin kapsamlı bir incelemesinden sonra, bu teknolojilerin performansını değerlendirmede temel kriterin, ürün verimini maksimuma çıkarmak için uygun bir mikro iklim geliştirme yeteneği olduğu ortaya çıktı. Açıkçası,
Rekabetçi Çıkar Beyanı
Yazarlar, bu makalede rapor edilen çalışmayı etkileyecek gibi görünen, birbiriyle rekabet halinde olan herhangi bir finansal çıkar veya kişisel ilişkinin bulunmadığını beyan etmektedir.
Referanslar (173)
- SJ Vermeulenİklim değişikliği kapsamında tarıma destek ve gıda güvenliği seçenekleriÇevre. Bilim. Politika(2012)
- Pensilvanya DaviesSıcak iklimlerde serada gıda üretimi için güneş enerjisiyle soğutma sistemiSol. enerji(2005)
- W. Morshed ve ark.Batı Suriye’nin kıyı bölgesindeki bir seraya uygulanan PVC toprak-hava borulu ısı değiştiricinin ısıtma performansı: Deneysel bir çalışmaTermal. Bilim. Müh. Prog.(Ocak 2022)
- S. GhaniSıcak ve kurak ortamlarda tarımsal seraların tasarım zorlukları – Bir incelemeMüh. Tarım. Çevre. Yiyecek(2019)
- A. Ghosh ve diğerleri.Sıcak ve nemli iklimlerde ofis binası uygulaması için güneş enerjili sıvı kurutuculu evaporatif soğutma sistemiTermal. Bilim. Müh. Prog.(2021)
- HM Ali ve ark.Sıcak iklimler için verimli bir sera tasarımıEnerji Dönüşümleri. Yönetici.(1990)
- M. Ghoulem ve ark.Sıcak iklimlerde sürdürülebilir gıda tarımı için sera tasarımı ve soğutma teknolojileri: Mevcut uygulamaların ve gelecekteki durumun gözden geçirilmesiBiyosist. Müh.(2019)
- KS Kumar ve ark.Tropikal ve subtropikal bölgelerde sera soğutmaya yönelik tasarım ve teknoloji: Bir incelemeEnerji Yapısı.(2009)
- T. Salehpour ve ark.Süs bitkisi serası için çevresel etki değerlendirmesi: Çuha çiçeği üretimi için yaşam döngüsü değerlendirme yaklaşımıÇevre. Kirlilik.(2020)
- BHE VanthoorModel bazlı sera tasarımı için bir metodoloji: Bölüm 4, farklı sera tasarımlarının ekonomik değerlendirmesi: İspanya örneği
