열사이포닝( thermosiphoning )이라고도 알려진 열사이포닝(thermosiphoning) 은 적절한 기술 로 간주됩니다 . 이 프로세스는 자연의 재생 가능한 자원과 열역학의 기본 법칙을 활용하여 가열된 공기 또는 물 공급의 움직임을 만듭니다. 이 과정의 에너지원은 태양 복사 (또는 기타 열원)입니다. 태양 에너지는 태양열 집열 장치에 포착되어 전도를 통해 공기나 물로 전달됩니다. 전체 과정은 열 사이펀 효과 로 설명할 수 있습니다 . 즉, 공기나 물이 가열되면 열원으로부터 운동 에너지를 얻어 들뜨게 됩니다. 결과적으로 물은 밀도가 낮아지고 팽창하여 상승하게 됩니다. 대조적으로, 물이나 공기가 냉각되면 분자에서 에너지가 추출되고 물은 덜 활동적이고 밀도가 높아지며 "가라앉는" 경향이 있습니다. 열 사이펀은 차가운 유체와 뜨거운 유체 사이의 자연적인 밀도 차이를 활용하고 자연스러운 유체 이동을 생성하는 시스템에서 이를 제어합니다. 이 기술을 기반으로 한 여러 시스템이 현재 사용 가능하며 다음 텍스트에서 더 자세히 읽을 수 있습니다.
써모사이펀 시스템의 원리는 차가운 물이 따뜻한 물보다 비중(밀도)이 높기 때문에 무거울수록 가라앉는다는 것입니다. 따라서 콜렉터는 항상 저수조 아래에 장착되어 탱크의 냉수가 하강하는 수도관을 통해 콜렉터에 도달합니다. 수집기가 물을 가열하면 물은 다시 상승하여 수집기 상단에 있는 상승 수도관을 통해 탱크에 도달합니다. 탱크 → 송수관 → 집수기의 순환은 물이 평형 온도에 도달할 때까지 가열되도록 합니다. 그러면 소비자는 탱크 상단의 뜨거운 물을 사용할 수 있으며, 사용된 물은 하단의 찬 물로 대체됩니다. 그런 다음 수집기는 찬물을 다시 가열합니다. 더 높은 태양 복사조도에서 더 높은 온도 차이로 인해 따뜻한 물은 낮은 복사조도에서보다 더 빨리 상승합니다. 따라서 물의 순환은 일사량 수준에 거의 완벽하게 적응합니다. 써모싸이펀 시스템의 저장 탱크는 수집기보다 훨씬 위에 위치해야 합니다. 그렇지 않으면 밤 동안 사이클이 거꾸로 돌아가 모든 물이 냉각될 수 있습니다. 게다가 아주 작은 높이 차이에서는 사이클이 제대로 작동하지 않습니다. 일사량이 많고 평지붕 건축이 이루어지는 지역에서는 일반적으로 저장 탱크가 지붕에 설치됩니다.
Thermosyphon 시스템은 가정용 온수 시스템처럼 매우 경제적으로 작동합니다. 원리는 간단하며 펌프나 제어 장치가 필요하지 않습니다. 그러나 써모싸이펀 시스템은 일반적으로 대형 시스템, 즉 수집 표면이 10m² 이상인 시스템에는 적합하지 않습니다. 또한 경사진 지붕이 있는 건물에서는 수집기 위에 탱크를 배치하는 것이 어려우며 단일 회로 열사이펀 시스템은 서리가 없는 지역에만 적합합니다.
내용물
기초 물리학
열역학은 에너지 에 대한 연구입니다 .
- 열역학 제1법칙 - 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있지만 생성되거나 파괴될 수는 없음을 나타냅니다. 에너지는 항상 보존됩니다.
이 법칙은 열사이펀 시스템에서 물의 이동에 적용될 수 있습니다. 태양으로부터의 에너지는 (전도 및 대류를 통해) 물, 공기 또는 선택한 다른 매체로 전달됩니다. 이러한 자연적인 가열 과정으로 인해 화석 연료나 전기와 같은 외부 에너지원이 필요하지 않습니다.
- 열역학 제2법칙 - 모든 에너지 교환에서 에너지가 시스템에 들어오거나 나가지 않으면 상태의 위치 에너지는 항상 초기 상태의 위치 에너지보다 작다고 말합니다. 시스템의 순 수익은 항상 처음에 투입된 것보다 적습니다.
에너지는 항상 보존되지만 에너지(또는 이 경우 열)는 주어진 시스템(열사이펀)에서 열로 손실되는 경우가 많습니다. 시스템과 배관에적절한 R 값을 갖는 단열재를 추가하면 열 손실이 크게 줄어들어 효율성이 높아질 수 있습니다.
- 플랑크의 법칙 - 표면에서 방출되는 방사선의 파장은 표면 온도에 비례합니다. 두 물체 사이의 온도 차이로 인해 전달되는 에너지입니다. 어두운 물체는 열을 흡수하고, 밝은 물체는 반사합니다.
태양열 집열기 내부의 어두운 색상의 집열판은 태양열 흡수를 증가시키는 데 도움이 되므로 열사이펀에서 물이나 공기를 가열하는 데 사용할 수 있는 열의 양이 늘어납니다. 이와 대조적으로, 반사되거나 밝은 색상의 배관 및 저장 탱크는 밝은 색상이 시스템 외부의 열 복사를 줄이는 데 도움이 되므로 활용해야 합니다.
수동적인 물 가열
물의 수동 열흡수는 전기가 필요하지 않거나 사용하지 않고 시스템 내에서 물을 가열하고 이동시키는 과정입니다. 이 프로세스는 태양 에너지, 중력 및 이용 가능한 수원과 같은 자연 현상을 활용하여 작동합니다. 태양열 집열기 , 배관, 물 탱크는 난방 과정에 필요한 재료입니다. 물의 흐름은 태양열 집열기 내부, 외부로 분배됩니다. 차가운 물은 태양열 집열기 바닥으로 들어가 태양 복사에 의한 대류를 통해 가열됩니다 . 물이 가열되면 차가운 물보다 밀도가 낮아지고 팽창한 다음 배관을 통해 상승( 흐른다 )합니다. 가열된 물은 자연적으로 태양열 집열기 상단에서 나옵니다. 더 차갑고 밀도가 높은 물은 가라앉아 가열될 때까지 태양열 집열기 내에 남아 있습니다. 차가운 물이 가열됨에 따라 팽창하고 상승하며 태양열 집열기 상단에서 밀려나와 찬 물이 태양열 집열기 안으로 흘러 들어가게 됩니다. 이 과정은 물의 온도가 태양 복사 입력과 평형에 도달할 때까지 자연적으로 계속됩니다.
현재 이용 가능한 열사이펀 물 교환 시스템에는 근접 결합 시스템과 중력 공급 시스템이라는 두 가지 유형이 있습니다.
긴밀 결합 시스템
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근접 결합 시스템은 위에서 언급한 수동 열흡수와 동일한 원리로 작동합니다. 이러한 시스템의 저장 탱크는 수동 열 사이펀 공정에 의해 구동되는 물 순환을 활용하기 위해 태양열 집열기 위에 배치되어야 합니다.
재료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
- 강력한 지붕 또는 기타 지원 시스템
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동형 열사이펀 온수기 가격은 $500에서 $6,500 사이일 수 있습니다. 가격은 탱크 크기, 태양 노출, 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 유틸리티 서비스는 재생 에너지 참여 에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 무공해
- 에너지 절약 - 패시브 열사이펀에 전기가 필요하지 않습니다.
- 비용 효율적
- 공간 절약 - (예: 실내)
단점
- 탱크가 외부 환경 조건에 노출되면 지리적 위치에 따라 효율성이 저하될 수 있습니다.
- 미적 측면 - 시각적으로 불쾌한 것으로 간주될 수 있음
- 강력한 지지 구조 필요(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않음
- 위치 - 태양 노출이 적합한 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
중력 공급 시스템
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중력 공급 시스템은 근접 결합 시스템과 동일한 수동 열사이포닝 원리를 활용하지만 탱크 배치는 다릅니다. 탱크는 종종 태양열 집열기 바로 위에 위치하는 지붕에 수평으로 설치됩니다. 필요하다면 저장 탱크 내의 가열된 물은 저항이 가장 적은 경로를 택하고 중력을 통해 원하는 위치로 이동합니다. 중력 공급 시스템은 가열된 물을 분배하기 위해 더 많은 배관/배관이 필요하며 열 사이펀 시스템을 설치하거나 구매할 때 이 요소를 고려해야 합니다.
재료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
- 강력한 지붕 또는 기타 지원 시스템
비용
- 중력 공급 시스템은 일반적으로 가장 저렴한 수동형 열사이펀 온수기입니다.
- 2007년 조사에 따르면 비용은 $400~$5,500(해당되는 경우 설치 비용 제외)에 이를 수 있습니다. 가격은 탱크 크기, 태양 노출, 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 유틸리티 서비스는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 무공해
- 에너지 절약 - 패시브 열사이펀에 전기가 필요하지 않습니다.
- 비용 효율적
- 공간 절약 - (예: 실내)
- 미학 - (수평 탱크 배치)
단점
- 배관 및 배관으로 인해 시스템에 추가 비용이 추가됩니다.
- 미적 측면 - 시각적으로 불쾌한 것으로 간주될 수 있음
- 강력한 지지 구조 필요(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않음
- 위치 - 태양 노출이 적합한 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
활성 물 가열
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펌프 시스템 또는 분할 시스템 으로도 알려진 능동형 태양열 난방 시스템은 열사이펀 효과 와 동일한 방식으로 작동 하지만 능동형 시스템은 태양 에너지 이외의 에너지원을 활용하여 프로세스를 구동합니다. 이 시스템은 태양열 집열기만 지붕에 설치하고, 저장 탱크는 지상이나 아래 다른 곳에 설치합니다. 이러한 활성 물 가열 장치는 시스템 전체에 물을 펌핑하기 위해 외부 형태의 에너지가 필요합니다. 추가 에너지를 활용함으로써 이러한 능동 시스템은 수동 시스템보다 비용 효율성이 떨어집니다.
재료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 전기 에너지
- 전기 펌프
- 추가배관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
비용
- 2007년 연구에 따르면 능동형 열사이펀 온수기 가격은 1,200달러에서 10,500달러 사이일 수 있습니다. 가격은 탱크 크기, 내부 배관 요구 사항, 태양 노출 및 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 유틸리티 서비스는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 돈 절약
- 비용 효율적
- 미적 측면 - 저장탱크가 지붕에 위치하지 않음
- 온실가스 감소 - 적절하게 단열되면 수동 시스템만큼 오염 가능성이 있습니다.
단점
- 패시브 시스템보다 더 많은 에너지를 사용합니다.
- 패시브 시스템보다 유지 관리가 더 많이 필요함
- 열 손실 - 태양열 집열기에서 아래 저장 탱크로 이동하는 동안
- 일부 오염 - 전기 사용량으로 인해
- 위치 - 태양 노출이 적합한 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
수동적 공기 교환
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수동형 태양열 난방 시스템 방식 의 예로는 열 사이펀 열 교환(Thermosiphon Heat Exchange)이 있습니다 . 펌프를 사용하지 않고 공기나 물이 수직 폐루프 회로로 순환되는 자연 대류 의 원리를 기반으로 합니다 . 실내의 차가운 공기는 통풍구를 통해 이동하여 태양열 집열기 바닥 에 있는 구멍으로 들어갑니다 . 태양열 집열기 내에 포함된 공기는 태양 복사를 통해 태양에 의해 가열됩니다 . 차가운 공기는 밀도가 높아 가라앉고, 따뜻한 공기는 밀도가 낮아 위로 올라갑니다. 태양열 집열기 내에서 공기가 가열되면 차가운 공기보다 밀도가 낮아지고 상승합니다. 따뜻한 공기는 태양열 집열기 상단 개구부의 통풍구에서 상승하여 원하는 영역(예: 실내)으로 이동하고 더 차가운 공기로 대체됩니다. 이 공기 교환 과정은 실내 공기 온도가 실외 온도와평형을 이룰 때까지 계속됩니다 .
재료
- 태양열 집열기 - 태양열 집열기는 클수록 좋습니다.
- 액자
- 세로 2x6인치 보드 6개 - 사이드보드
- 2x6 및 2x8 보드 - 상단 창틀
- 지연 나사 - 권장되지만 부착에는 필요하지 않음
- 글레이즈
- 골판지 폴리카보네이트 패널
- 패널 10개 - 폭 26인치, 높이 8피트
- 1 x 1인치 수직 목재 스트립 위에 겹쳐진 패널 쌍 - 각 베이에 대해 4피트 너비의 패널을 만듭니다.
- 자외선 차단 코팅 - 햇빛을 바라보는 면에 도포하면 수명 연장
- 태양열 흡수판
- 2겹 검정색 금속 창 스크린 - 베이 상단과 하단에 부착
- 통풍구
- 건물 외벽을 관통하는 구멍 - 플라스틱 플랩은 밤에 상부 통풍구를 통한 공기의 역류를 방지합니다.
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동 열 교환기의 가격은 $55.00에서 $400 사이일 수 있습니다. 가격은 수집기의 크기, 가열할 영역의 단열, 태양 노출 및 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 유틸리티 서비스는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 저렴한 비용
- 에너지 절약
- 오염 감소
- 전자제품을 냉각하는 데 사용할 수 있습니다.
단점
- 유지 관리 증가 - (즉, 일사량이 적은 기간 동안 덮음)
- 지리적 위치에 따라 효율성이 달라질 수 있음
- 밤에는 백드래프트 댐퍼를 수동으로 닫아야 함
- 남향 분할 선호
관련 프로젝트
참고자료
- NREL(National Renewable Energy Laboratory) 동적 지도, GIS 데이터 및 분석 도구 - 태양광 지도(2007) 이용 가능: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- 시타렐라, 조. "Thermosyphons - CPU 냉각에 대한 더 나은 접근 방식?" 오버클러커. 2005년 8월 5일. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- 레이사, 게리. "간단한 태양열 히터 만들기" Mother Earth News. 2006년 1월 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "2부: 재생 에너지 애플리케이션 둘러보기." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "열사이펀에서 증기 응축 중 열 방출." 공학 물리학 저널 43(3), pp.970-974, 1982.
- 소형 Thermosyphon의 설계 및 성능. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. Woodruff 기계 공학 학교. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf