Thermosiphon

The principle of the thermosyphon system at play.

Thermosiphoning, also known as thermosyphoning, is considered to be an appropriate technology. This process utilizes natural, renewable resources and the basic laws of thermodynamics to create movement of a heated supply of air or water. The energy source for this process is solar radiation (or any other source of heat). The energy of the sun is captured in a solar collection device and is transferred to either air or water via conduction. The entire process may be explained by the thermosiphoning effect: when air or water is heated, it gains kinetic energy from the heating source and becomes excited. As a result, the water becomes less dense, expands, and thus rises. In contrast, when water or air is cooled, energy is extracted from the molecules and the water becomes less active, more dense, and tends to "sink." Thermosiphoning harnesses the natural density differences between cold and hot fluids, and controls them in a system that produces natural fluid movement. Several systems based on this technology are currently available, and may be read about in greater detail within the following text.

The principle of the thermosyphon system is that cold water has a higher specific gravity (density) than warm water, and so being heavier will sink down. Therefore, the collector is always mounted below the water storage tank, so that cold water from the tank reaches the collector via a descending water pipe. If the collector heats up the water, the water rises again and reaches the tank through an ascending water pipe at the upper end of the collector. The cycle of tank → water pipe → collector ensures the water is heated up until it achieves an equilibrium temperature. The consumer can then make use of the hot water from the top of the tank, with any water used is replaced by cold water at the bottom. The collector then heats up the cold water again. Due to higher temperature differences at higher solar irradiances, warm water rises faster than it does at lower irradiances. Therefore, the circulation of water adapts itself almost perfectly to the level of solar irradiance. A thermosyphon system's storage tank must be positioned well above the collector, otherwise the cycle can run backwards during the night and all the water will cool down. Furthermore, the cycle does not work properly at very small height differences. In regions with high solar irradiation and flatroof architecture, storage tanks are usually installed on the roof.

Sistemele termosifoane funcționează foarte economic ca sisteme de încălzire a apei menajere. Principiul este simplu, nefiind nevoie nici de pompă, nici de control. Cu toate acestea, sistemele cu termosifon nu sunt de obicei potrivite pentru sistemele mari, adică cele cu o suprafață de colector mai mare de 10 m². În plus, este dificil să plasați rezervorul deasupra colectorului în clădiri cu acoperișuri înclinate, iar sistemele termosifon cu un singur circuit sunt potrivite numai pentru regiunile ferite de îngheț.

Fizica de bază

Termodinamica este studiul energiei .

• Prima lege a termodinamicii - afirmă că energia poate fi schimbată de la o formă la alta, dar nu poate fi creată sau distrusă. Energia este întotdeauna conservată.

Această lege poate fi aplicată mișcării apei în sistemul de termosifonare: energia de la soare este direcționată și transferată (prin conducție și convecție) fie către apă, aer, fie către un alt mediu la alegere. Acest proces natural de încălzire elimină nevoia de surse externe de energie, cum ar fi combustibilii fosili sau electricitatea.

• A doua lege a termodinamicii - Afirmă că în toate schimburile de energie, dacă nicio energie nu intră sau nu iese din sistem, energia potențială a stării va fi întotdeauna mai mică decât cea a stării inițiale. Randamentul net al unui sistem este întotdeauna mai mic decât cel din care a fost introdus inițial.

Energia este întotdeauna conservată, totuși energia (sau căldura în acest caz) se poate pierde adesea într-un sistem dat (termosifonare) sub formă de căldură. Adăugarea izolației cu valori R adecvate la sistem și la instalațiile sanitare ale acestuia poate reduce foarte mult pierderile de căldură și, astfel, crește eficiența.

• Legea lui Planck - Lungimea de undă a radiației emise de o suprafață este proporțională cu temperatura suprafeței. Energia transferată ca urmare a diferențelor de temperatură dintre două obiecte. Obiectele întunecate absorb căldura, în timp ce obiectele luminoase reflectă.

Plăcile de colectare de culoare închisă din colectorul solar vor ajuta la creșterea absorbției solare, crescând astfel cantitatea de căldură disponibilă pentru încălzirea apei sau a aerului în termosifonare. În schimb, conductele reflectorizante sau ușor colorate și rezervoarele de stocare ar trebui utilizate, deoarece culorile deschise vor ajuta la reducerea radiației de căldură din sistem.

Încălzirea pasivă a apei

Termosifonarea pasivă a apei este procesul de încălzire și mișcare a apei într-un sistem fără a fi nevoie sau folosirea energiei electrice. Acest proces funcționează prin utilizarea fenomenelor naturale, cum ar fi energia solară, gravitația și o sursă de apă disponibilă. Un colector solar, conducte și un rezervor de apă sunt materiale necesare pentru procesul de încălzire. Fluxul de apă este distribuit în, în interiorul și în afara colectorului solar. Apa rece intră în fundul colectorului solar unde este apoi încălzită prin convecție prin radiația solară. Când apa este încălzită, ea devine mai puțin densă decât apa rece, se extinde și apoi urcă ( curge ) prin conducte. Apa încălzită iese natural din partea superioară a colectorului solar. Apa mai rece și mai densă se scufundă și rămâne în colectorul solar până când este încălzită. Pe măsură ce apa rece este încălzită, se extinde, se ridică, este împinsă din partea de sus a colectorului solar, permițând apei rece să curgă în colectorul solar. Acest proces continuă în mod natural până când temperatura apei atinge un echilibru cu intrarea radiației solare.

În prezent sunt disponibile două tipuri de sisteme de schimb de apă cu termosifon: sistemul cu cuplare strânsă și sistemul de alimentare gravitațională.

Sistem strâns cuplat

Scheme

Sistemele strânse cuplate funcționează pe aceleași principii de termosifonare pasivă menționate mai sus. Rezervorul de stocare al acestor sisteme trebuie plasat deasupra colectorului solar pentru a utiliza circulația apei condusă de procesul de termosifonare pasivă.

Materiale

• Energie solara
• Colector solar
• Conducte
• Izolatie
• Apă
• Rezervor de stocare
• Acoperiș puternic sau alt sistem de sprijin

Cost

• Cercetările din 2007 sugerează că încălzitoarele pasive cu termosifon pot varia de la 500 la 6.500 USD. Prețurile pot varia în funcție de dimensiunea rezervorului, expunerea la soare și locația geografică
• Multe țări, state și servicii de utilități oferă stimulente pentru participarea la energia regenerabilă

Profesioniștii

• Nepoluant
• Economii de energie - Nu este nevoie de electricitate pentru termosifonarea pasivă
• Cost eficient
• Economie de spațiu - (adică în interior)

Contra

• Expunerea rezervorului la condițiile externe ale mediului poate reduce eficiența, în funcție de locația geografică
• Estetică - Poate fi considerat neplăcut din punct de vedere vizual
• Este necesară o structură de susținere puternică (adică acoperiș)
• Nu este potrivit pentru climatele extrem de reci
• Locație - trebuie să fie poziționat într-o zonă cu expunere solară adecvată (adică partea de sud a zonei dorite)

Sistem de alimentare gravitațională

Scheme

Sistemele de alimentare prin gravitație utilizează aceleași principii de termosifonare pasivă ca și sistemul cu cuplare strânsă, însă amplasarea rezervorului diferă. Rezervoarele sunt instalate orizontal într-un acoperiș, care este adesea situat direct deasupra colectorului solar. Odată ce este nevoie, apa încălzită din rezervorul de stocare ia calea cu cea mai mică rezistență și se deplasează prin gravitație în jos în locația dorită. Sistemele de alimentare gravitațională necesită mai multe conducte/sanitari pentru a distribui apa încălzită și acest factor trebuie luat în considerare atunci când instalați sau achiziționați un sistem de termosifonare.

Materiale

• Energie solara
• Colector solar
• Conducte
• Izolatie
• Apă
• Rezervor de stocare
• Acoperiș puternic sau alt sistem de sprijin

Cost

• Sistemele cu alimentare gravitațională sunt de obicei cele mai puțin costisitoare încălzitoare de apă cu termosifonare pasivă
• Cercetările din 2007 sugerează că costul poate varia între 400 USD și 5.500 USD (fără includere - dacă este cazul - costul instalării). Prețurile pot varia în funcție de dimensiunea rezervorului, expunerea la soare și locația geografică
• Multe țări, state și servicii de utilități oferă stimulente pentru participarea la energia regenerabilă

Pro

• Nepoluant
• Economii de energie - Nu este nevoie de electricitate pentru termosifonarea pasivă
• Cost eficient
• Economie de spațiu - (adică în interior)
• Estetică - (Așezare orizontală a rezervorului)

Contra

• Instalațiile sanitare și conductele aduc costuri suplimentare sistemului
• Estetică - Poate fi considerat neplăcut din punct de vedere vizual
• Este necesară o structură de susținere puternică (adică acoperiș)
• Nu este potrivit pentru climatele extrem de reci
• Locație - trebuie să fie poziționat într-o zonă cu expunere solară adecvată (adică partea de sud a zonei dorite)

Încălzire activă a apei

Scheme

Sistemele active de încălzire solară, cunoscute și sub numele de sisteme de pompă sau sisteme split , funcționează pe aceeași bază a efectului de termosifonare , totuși sistemele active utilizează o sursă de energie, alta decât energia solară, pentru a ajuta la conducerea procesului. Acest sistem instalează doar colectorul solar pe acoperiș, în timp ce rezervorul de stocare este instalat la sol sau oriunde altundeva dedesubt. Aceste unități active de încălzire a apei necesită o formă externă de energie pentru a pompa apa în întregul sistem. Prin utilizarea energiei suplimentare, aceste sisteme active sunt mai puțin rentabile decât sistemele pasive.

Materiale

• Energie solara
• Colector solar
• Energie electrica
• Pompa electrica
• Conducte suplimentare
• Izolatie
• Apă
• Rezervor de stocare

Cost

• Cercetările din 2007 sugerează că încălzitoarele active de apă cu termosifon pot varia între 1.200 USD și 10.500 USD. Prețurile pot varia în funcție de dimensiunea rezervorului, cerințele de conducte interne, expunerea la soare și locația geografică
• Multe țări, state și servicii de utilități oferă stimulente pentru participarea la energia regenerabilă

Pro

• Economii de bani
• Cost eficient
• Estetică - Rezervorul de stocare nu este amplasat pe acoperiș
• Reducerea gazelor cu efect de seră - Dacă este izolat corespunzător, are potențialul de a polua la fel de puțin ca sistemele pasive.

Contra

• Utilizează mai multă energie decât un sistem pasiv
• Necesită mai multă întreținere decât un sistem pasiv
• Pierderi de căldură - în timpul transferului de la colectorul solar la rezervorul de stocare de mai jos
• Poluează o parte - de la utilizarea electrică
• Locație - trebuie să fie poziționat într-o zonă cu expunere solară adecvată (adică partea de sud a zonei dorite)

Schimb pasiv de aer

Scheme

Un exemplu de metodă pasivă de sistem de încălzire solară termică este Thermosiphon Heat Exchange . Se bazează pe principiul convecției naturale, în care aerul sau apa circulă într-un circuit vertical în buclă închisă fără a utiliza o pompă. Aerul rece din interior trece printr-un orificiu de ventilație și este direcționat într-o deschidere din partea inferioară a colectorului solar. Aerul conținut în colectorul solar este apoi încălzit de soare prin radiația solară. Aerul rece este dens și se va scufunda, în timp ce aerul cald este mai puțin dens și se va ridica. Pe măsură ce aerul se încălzește în colectorul solar, devine mai puțin dens decât aerul rece și se ridică. Aerul cald se ridică dintr-un aerisire din deschiderea superioară a colectorului solar, se deplasează în zona dorită (adică în interior) și este înlocuit cu aer mai rece. Acest proces de schimb de aer va continua până când temperatura aerului din interior ajunge la un echilibru cu temperatura exterioară.

Materiale

• Colector solar - Cu cât colectorul solar este mai mare, cu atât mai bine.
• Cadru
  • 6 scânduri verticale de 2 pe 6 inci - Bufete
  • 2-pe-6, și un 2-pe-8 plăci - Pervaz superior
  • Șuruburi de fixare - Recomandate, dar nu necesare pentru atașare
• Glazură
  • Panouri ondulate din policarbonat
  • 10 panouri - 26 in lățime pe 8 ft înălțime
  • Perechi de panouri suprapuse peste bandă verticală de lemn de 1 pe 1 inch - Realizează panouri late de 4 picioare pentru fiecare compartiment
  • Acoperire rezistentă la ultraviolete - Aplicați pe partea orientată spre soare pentru a prelungi longevitatea
• Placa de absorbtie solara
  • Ecran metalic negru cu 2 straturi - atașat în partea de sus și de jos a compartimentelor
• Aerisirile
  • Găurile tăiate prin sidingul clădirii - Clapele din plastic vor împiedica returul aerului prin orificiile de ventilație superioare pe timp de noapte.

Cost

• Cercetările din 2007 sugerează că schimbătoarele de căldură pasive pot varia între 55,00 USD și 400 USD. Prețurile pot varia în funcție de dimensiunea colectorului/i, de izolarea zonei de încălzit, de expunerea la soare și de locația geografică.
• Multe țări, state și servicii de utilități oferă stimulente pentru participarea la energia regenerabilă

Pro

• Cost scăzut
• Economizor de energie
• Reducerea poluării
• Poate fi folosit pentru răcirea electronicelor

Contra

• Menținere sporită - (adică acoperire în perioadele de radiație solară scăzută)
• Locația geografică poate modifica eficiența
• Necesită închiderea manuală a amortizoarelor de tiraj pe timp de noapte
• De preferat ratele orientate spre sud

Proiecte asociate

Referințe

• Laboratorul național de energie regenerabilă (NREL) Hărți dinamice, date GIS și instrumente de analiză - Hărți solare (2007) Disponibil: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Joe. „Termosifoane – O abordare mai bună a răcirii CPU?” Overclockeri. 5 august 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Reysa, Gary. „Construiți un încălzitor solar simplu” Știri Mama Pământ. ianuarie 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• „Partea 2: Un tur al aplicațiilor de energie regenerabilă.” http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Mirmov, NI, Belyakova, IG „Eliberarea căldurii în timpul condensării vaporilor într-un termosifon”. Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
• Proiectarea și performanța unui termosifon compact. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. Woodruff School of Mechanical Engineering. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf

linkuri externe

• Wikipedia:Termosifon