В этом весеннем семестре 2011 года мы построили пассивную термосифонную солнечную душевую систему, которая использует естественную температурную стратификацию для нагрева и хранения воды без использования природного газа или электричества. Этот образовательный объект, построенный в эко-хостеле Манилы, призван вдохновить путешественников на воссоздание такого проекта в их собственном сообществе.
Содержание
Фон
Продолжая разработку солнечной душевой системы Thermosyphon для хостела Самоа , разработанной предыдущими студентами инженерного факультета 215 Калифорнийского политехнического университета им. Гумбольдта , мы построили солнечный душ в эко-хостеле Манилы. В этом душе используется солнечная водонагревательная панель для нагрева воды для закрытого душа на открытом воздухе, предоставляя посетителям эстетически приятный и функциональный способ экологичного принятия душа.
Определение возможности
Цель – продемонстрировать, обучить и вдохновить посетителей эко-хостела альтернативный способ нагрева воды.
Основы солнечного нагрева воды
Солнечное нагревание воды — это растущая и инновационная область, которая использует солнечную энергию для нагрева воды. [1] [2] Солнечное нагревание воды является растущим рынком, поскольку Израиль, Китай, Австралия и Австрия продолжают расширять эту сферу.
Типы Солнечного нагрева воды
Обычно существует два типа солнечного нагрева воды: пассивный и активный [3] нагрев.
Пассивное солнечное отопление воды
- Интегрированное коллективное хранилище. Эта простая и относительно дешевая конструкция представляет собой резервуар для хранения, который также собирает тепло от солнца. Недостатком этого резервуара является то, что для того, чтобы он был эффективным, он должен находиться в жарком климате. [4]
- Конвекционный аккумулятор тепла. Используя свойства конвекции и термосифонирования, эта система использует панель солнечного водонагревателя для сбора тепла и перемещения воды против силы тяжести в изолированный резервуар для воды. [5] [6]
Активный солнечный подогрев воды
Активные солнечные системы нагрева воды используют электричество для перекачки жидкости из панели в резервуар для хранения. [7] Преимущество активной солнечной системы нагрева воды заключается в том, что она может работать с более высокой эффективностью при установке насоса и контроллера. [8] Эти элементы позволяют воде циркулировать быстрее, позволяют хранить резервуар для воды ниже панели, а также снижают риск перегрева из-за повышенной циркуляции. Существует три классификации систем активного солнечного нагрева воды: [9] [10]
Прямая система
Вода – это среда, которая нагревается в солнечном коллекторе, а затем активно перекачивается в изолированный резервуар для хранения. В местах с сезонным холодным климатом следует учитывать возможность замерзания.
Косвенная система
Антифриз циркулирует через солнечный коллектор, собирая тепло. Затем антифриз циркулирует через теплообменное устройство, передавая тепло воде без смешивания. Эта система является хорошей альтернативой системе Direct, если возникает проблема замерзания.
Дренажная система
Аналогично системе Indirect, за исключением того, что система обратного слива позволяет жидкости стекать из солнечного коллектора, когда он не используется, что позволяет отличаться от конструкции системы Indirect. Это также хороший кандидат для холодного климата.
Стоимость реализации
Материалы, необходимые для этого конкретного проекта, перечислены ниже. Включено название товара, необходимое количество, стоимость за единицу товара, стоимость, по которой мы получили товар (в необходимом количестве), а также предполагаемая розничная стоимость, если кто-то захочет создать систему, смоделированную по образцу этой страницы. Некоторые предметы были подарены, а другие были ранее получены другой группой, работающей над этим проектом. Элементы с пометкой «NA» — это элементы, которые не требовались для завершающего этапа тестирования, но были необходимы для получения устойчивого конечного результата. Вариативность конечной стоимости обусловлена большим диапазоном цен на солнечную водонагревательную панель, и следует отметить, что наш диапазон скромен.
| Материалы | Количество | Стоимость единицы ($) | Фактическая стоимость ($) | Розничная стоимость ($) |
|---|---|---|---|---|
| 2x4 (8 футов) с обработкой давлением | 8 | $3,79 | $30,32 | $30,32 |
| 4x4 (8 футов) с обработкой давлением | 5 | $8,96 | $44,80 | $44,80 |
| Доски для забора из красного дерева | 56 | 3,25 доллара США | пожертвованный | $182,00 |
| Конкретный | кубический ярд | 1 | 130,00 долларов США | 130,00 долларов США |
| Заборбетон | 5 | 3,99 доллара США | 19,95 долларов США | 19,95 долларов США |
| Уплотнитель воды Томпсона | 2 | 15,99 долларов США | $31,98 | $31,98 |
| защелка | 1 | 1,99 доллара США | 1,99 доллара США | 1,99 доллара США |
| петли | 2 | 2,99 доллара США | $5,98 | $5,98 |
| Душевая головка | 1 | $12,99 | $12,99 | $12,99 |
| 2,5-дюймовые винты | 5 фунтов | 2,99 доллара США за фунт | 14,95 долларов США | 14,95 долларов США |
| Слив для душевого поддона | 1 | $9,99 | $9,99 | $9,99 |
| Водонагреватель | 1 | $80,00 | пожертвованный | $80,00 |
| Медная труба (футы) | 30 | 3,00 доллара США | NA | $90,00 |
| Солнечная панель нагрева воды | 1 | 500–1000 долларов США | пожертвованный | 1000 долларов США |
| Общая стоимость | $302,95 | $1654,95 | ||
Критерии оценки
В этом разделе собраны все возможные аспекты, придуманные участниками группы по этому проекту, а также партнерами Эко-хостела Манила. Эти критерии были выбраны для оценки проекта на основе простоты использования, образовательного потенциала и эстетики. Эти критерии помогли нам определить, сколько времени, денег и усилий следует вложить в каждый аспект системы, исходя из его важности для наших клиентов.
| Критерии | Ограничения | Наш вес (0-10) |
|---|---|---|
| Ремонтопригодность | Должен быть в состоянии поддерживать функциональность при затратах менее 0,5 человеко-часов в неделю. | 7 |
| Безопасность | Должен быть в состоянии функционировать без возможного травмирования пользователей или наблюдателей. | 9 |
| Эффективность | Должен иметь возможность обеспечивать питание устройства в течение всего срока его предполагаемой функции. | 8 |
| Простота использования | Должно быть пригодно для использования взрослыми без каких-либо проблем. | 7 |
| Социальная справедливость | 50 % материалов должны быть пожертвованы или использованы повторно. | 5 |
| Образовательная ценность | Должен быть в состоянии обеспечить понимание функциональности и использования устройства в течение двух минут просмотра. | 9 |
| Эстетика | Должно быть приятно для глаз и выглядеть профессионально. | 6 |
Предлагаемый график
| Неделя: | Задания: |
|---|---|
| 6-я неделя (07.03.11) | Сбор материалов: встреча по фехтованию с командой «Окно истины» для подтверждения измерений Встреча с командой «Water Boys» для подтверждения измерений Подтвердить измерения |
| Неделя 7 (14.03.11) | Обзор сайта вакансий Сбор данных: Solar Pathfinder |
| Неделя 8 (21.03.11) | Solidify Design: подтверждение измерений под душем График создания карты сайта проекта |
| Неделя 9 (28.03.11) | Строительная сборка Создайте вывеску для благодарности жертвователям. |
| Неделя 10 (4/4/11) | Строительная сборка Табель учета рабочего времени № 5 к сроку 4/8 |
| Неделя 11 (11.04.11) | Строительный транспортный душ, Установка душа Начать окончательный проект отчета о проекте |
| Неделя 12 (18.04.11) | Строительство Транспорт Серые воды, установка бытовых сточных вод Работа над |
| Неделя 13 (25.04.11) | Тестирование, доработка Системы Работа над ФДПР |
| Неделя 14 (02.05.11) | Тестирование, доработка Системы Работа над FDPR |
| Неделя 15 (9.05.11) | Сдать в ФДПР |
Процедура
В этом разделе будет обсуждаться, как мы выбирали место для солнечного душа, общие методы строительства и методы отбора проб.
Оптимальное солнце и конфиденциальность
Первым шагом является определение места на участке, которое обеспечит наилучшее освещение и в то же время обеспечит естественное укрытие от посторонних глаз. Используя солнечный путеводитель , составляются диаграммы для определения количества солнечного света в каждом месяце в течение года. Поскольку самые важные месяцы приходится на лето, когда эко-хостел Манилы ожидает наибольшее количество посетителей и лучшее пребывание на солнце, мы гарантируем, что солнечные часы в этом месяце не будут ограничены окружающими постройками. Также должно быть достаточно места, чтобы разместить солнечную панель рядом с душевой кабиной, но при этом смотреть на юг (поскольку она расположена в северном полушарии). Следующее условие заключается в том, что требуется некоторый подъем по отношению к остальной части территории, чтобы в будущем можно было установить систему очистки бытовых сточных вод и иметь достаточный напор.
Строительство
Первым делом необходимо разметить участок, который будет занимать душевая кабина, и провести замеры. Сначала выкапывают столбы для забора, обработанные давлением, размером 4x4 дюйма (8 футов в длину). Выкапывают пять ям (4 угловых столба и столб для двери) на глубину двух футов. Затем столбы помещают в свои ямы и хранят. Уровень (с уровнем). Затем добавляется бетон для забора и оставляется сохнуть на ночь. Пока столбы застывают, можно выкопать место для бетонной душевой подставки. Выкапывая 8 дюймов в глубину по периметру и 6 дюймов в центре, бетон образует естественный якорь. В то же время выкапывается траншея, где сточные воды будут выходить из душа. Необходимо убедиться, что имеется достаточный напор для достаточного слива (примерно 1/4 дюйма на 1 фут длины ). Поскольку мы планируем купить кубический ярд бетона, мы рассчитываем объем так, чтобы этого количества было достаточно. Перед укладкой бетона сначала сооружаем опалубки вдоль столбов забора. Затем заливаем бетон с установленным водостоком и выравниваем его с уклоном, ведущим в сторону водостока. Последний шаг — обработка и укладка досок забора из красного дерева вдоль параллельных балок размером 4x2 дюйма, обработанных давлением, соединенных со столбами забора.
Методы тестирования
С помощью термометра можно измерить температуру воды, поступающей в систему, воды, выходящей из панели, и результирующую температуру из насадки душа.
Галерея
Разработка макета проекта
Установка столбов в бетонном заборе
Столбы с бетоном
Макс начинает процесс фехтования
Ограждение завершено
Ограждение с красивой морилкой из красного дерева
Робби рядом с забором с дверью
Построенная скамейка
Робби на скамейке запасных
Конечный продукт
Конечный продукт
Полученные результаты
В теплый день с температурой 21°C и ярким солнцем в Маниле нам удалось нагреть воду с 15°C до 47°C, судя по выходным данным панели. Через 10 минут вода, выходящая из насадки душа, имела температуру 20°C, но через 50 минут она не нагрелась значительно больше. В идеале у этой системы будет несколько часов на нагрев и обеспечение температурной стратификации в баке водонагревателя, и бак будет лучше изолирован, чем во время наших испытаний.
Следующие шаги
Летом 2011 года на гребне северной стороны крыши сарая будет построена опора для размещения и изоляции бака электрического водонагревателя. Кроме того, к южной стороне крыши сарая будет прикреплена панель солнечного водонагревателя и установлена стационарная водопроводная система. После того, как это будет сделано, к общежитию Samoa Truth Tank можно будет подключиться для естественной очистки сточных вод и обучения методам очистки сточных вод.
Заключение
Конечный продукт этого проекта в конечном итоге немного отличался от нашего первоначального дизайна. Разногласия между нашей командой и другими представителями эковраждебников в конечном итоге были улажены этим окончательным результатом. Основным компромиссом было использование ванны на ножках и укладка бетонной душевой подушки. В конечном счете, бетонная подушка для душа делает душ более доступным и безопасным, в то время как ванна на ножках могла бы стать помехой. Если бы у нас было больше времени, чтобы решить конфликт интересов между «уместностью» и безопасностью, возможно, мы бы все равно использовали ванну на ножках другой конструкции, но поскольку время и деньги были ограничивающим фактором, я думаю, что решения, которые мы приняли, были оптимальный. Еще одно несоответствие, с которым мне хотелось бы разобраться раньше, касалось использования бензинового и электрического баллона. Если бы у нас было больше времени, возможно, мы могли бы приобрести подходящий резервуар и установить его, чтобы проект можно было оставить на более завершенной стадии. К счастью, скоро прибудет электрический танк, и наш проект будет продолжен. Благодаря этому опыту мы, безусловно, поняли, насколько важно общение между всеми филиалами такого некоммерческого проекта, как этот.
Связанные проекты
Рекомендации
- ↑ Паттерсон, Дж. (2010). «Основы солнечной горячей воды». Журнал Homepower. < http://web.archive.org/web/20120707212615/http://homepower.com:80/basics/hotwater/ >
- ↑ Основы термосифонного течения .
- ↑ Рамлоу, Боб (2006) «Солнечное нагревание воды». Комплексное руководство по солнечным системам водоснабжения и отопления помещений, издательство New Society, остров Габриола, Канада.
- ↑ Кейслинг, Билл. (1983). «Справочник домовладельца по солнечным системам нагрева воды». Родэйл Пресс, Эммаус, Пенсильвания.
- ↑ Дж. Кадафалк (2009) Подробная численная модель плоских солнечных тепловых устройств. Солнечная энергия, том 83,157-2164
- ↑ WM Rohsenow, JP Harnett, YI Cho (1998). Справочник по теплопередаче 3-е изд.. МакГроу-Хилл, Чикаго, США.
- ↑ Солнечный водонагреватель AEF
- ↑ RCEA Солнечная тепловая энергия против теплового насоса
- ↑ Финдли, Дэвид С. (2010). «Солнечная энергия для вашего дома». Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, Печать.
- ↑ Канг Дж., Компания ITT «Жилая и коммерческая вода». «Введение в солнечное водонагревание». http://www.Беллгоссетт , PDF.