Thermosiphon

princippet om thermosyphon-systemet i spil.

Termosiphoning, også kendt som termosyphoning, anses for at være en passende teknologi. Denne proces udnytter naturlige, vedvarende ressourcer og de grundlæggende love for termodynamik til at skabe bevægelse af en opvarmet tilførsel af luft eller vand. Energikilden til denne proces er solstråling(eller enhver anden varmekilde): solens energi fanges i en solopsamlingsanordning og overføres til enten luft eller vand via ledning. Hele processen kan forklares med termosifoneringseffekten: når luft eller vand opvarmes, får det kinetisk energi fra varmekilden og bliver ophidset. Som et resultat bliver vandet mindre tæt, udvides og stiger således. I modsætning hertil, når vand eller luft afkøles, ekstraheres energi fra molekylerne, og vandet bliver mindre aktivt, mere tæt og har tendens til at “synke.”Termosiphoning udnytter de naturlige tæthedsforskelle mellem kolde og varme væsker og styrer dem i et system, der producerer naturlig væskebevægelse. Flere systemer baseret på denne teknologi er i øjeblikket tilgængelige og kan læses mere detaljeret i den følgende tekst.

princippet om thermosyphon-systemet er, at koldt vand har en højere specifik tyngdekraft (densitet) end varmt vand, og så bliver tungere vil synke ned. Derfor er opsamleren altid monteret under vandopbevaringstanken, så koldt vand fra tanken når opsamleren via et faldende vandrør. Hvis opsamleren opvarmer vandet, stiger vandet igen og når tanken gennem et stigende vandrør i den øverste ende af opsamleren. Tankens cyklus- > vandrør- > samler sikrer, at vandet opvarmes, indtil det opnår en ligevægtstemperatur. Forbrugeren kan derefter gøre brug af det varme vand fra toppen af tanken, med alt anvendt vand erstattes af koldt vand i bunden. Opsamleren opvarmer derefter det kolde vand igen. På grund af højere temperaturforskelle ved højere solindstråling stiger varmt vand hurtigere end ved lavere bestrålinger. Derfor tilpasser cirkulationen af vand sig næsten perfekt til niveauet for solindstråling. Et termosyphon-systems opbevaringstank skal placeres godt over opsamleren, ellers kan cyklussen løbe baglæns i løbet af natten, og alt vandet køler ned. Desuden fungerer cyklussen ikke korrekt ved meget små højdeforskelle. I regioner med høj solbestråling og fladtagarkitektur installeres lagertanke normalt på taget.

termosyphon-systemer fungerer meget økonomisk som husholdningsvandvarmesystemer, og princippet er enkelt og behøver hverken en pumpe eller en kontrol. Imidlertid er termosyphonsystemer normalt ikke egnede til store systemer, det vil sige dem med mere end 10 m2 kollektoroverflade. Desuden er det vanskeligt at placere tanken over samleren i bygninger med skrånende tage, og termosyfonsystemer med enkelt kredsløb er kun egnede til frostfrie områder.

underliggende fysik

termodynamik er studiet af energi.

• første lov om termodynamik – siger, at energi kan ændres fra en form til en anden, men ikke kan oprettes eller ødelægges. – Energi er altid bevaret.

denne lov kan anvendes på bevægelse af vand i termosifoneringssystem: energi fra solen ledes og overføres (via ledning og konvektion) til enten vand, luft eller et andet valgmedium. Denne naturlige opvarmningsproces eliminerer behovet for eksterne energikilder såsom fossile brændstoffer eller elektricitet.

• anden lov om termodynamik – siger, at i alle energiudvekslinger, hvis ingen energi kommer ind eller forlader systemet, vil statens potentielle energi altid være mindre end den oprindelige tilstand. – Nettoafkastet af et system er altid mindre end det, der oprindeligt blev indført.

energi bevares altid, men energi (eller varme i dette tilfælde) kan ofte gå tabt i et givet system (termosifonering) som varme. Tilføjelse af isolering med passende R-værdier til systemet og dets VVS kan i høj grad reducere varmetabet og dermed øge effektiviteten.

• Plancks lov – bølgelængden af stråling udsendt fra en overflade er proportional med overfladens temperatur

energi overført som følge af temperaturforskelle mellem to objekter-mørke genstande absorberer varme, mens lyse genstande reflekterer

mørkfarvede opsamlingsplader i solfangeren vil hjælpe med at øge solabsorptionen og dermed øge mængden af varme, der er tilgængelig til opvarmning af vand eller luft i termosiphoning. I modsætning, reflekterende eller let farvet rør og lagertanke bør anvendes som de lyse farver vil bidrage til at reducere varmestråling ud af systemet.

vandopvarmning

passiv

den passive termosiphoning af vand er processen med opvarmning og bevægelse af vand i et system uden behov eller brug af elektricitet. Denne proces fungerer ved at udnytte naturlige fænomener som solenergi, tyngdekraft og en tilgængelig vandkilde. En solfanger, rør og en vandtank er materialer, der kræves til opvarmningsprocessen. Strømmen af vand fordeles ind i, inden for og ud af solfangeren. Koldt vand kommer ind i bunden af solfangeren, hvor det derefter opvarmes via konvektion ved solstråling. Når vandet opvarmes, bliver det mindre tæt end køligere vand, udvides og stiger derefter (strømmer) gennem rørene. Det opvarmede vand forlader toppen af solfangeren naturligt. Det køligere og mere tætte vand synker og forbliver inden i solfangeren, indtil det opvarmes. Når det kølige vand opvarmes, udvides det, stiger, skubbes ud af toppen af solfangeren, så koldt vand kan strømme ind i solfangeren. Denne proces fortsætter naturligt, indtil vandets temperatur når en ligevægt med solstrålingsindgang.

to typer termosifon vandudvekslingssystemer er i øjeblikket tilgængelige: det tætte koblede system og tyngdekraftsfødningssystemet.

tæt koblet system

skemaer

Close-koblede systemer fungerer på de samme principper for passiv termosiphoning nævnt ovenfor. Opbevaringstanken i disse systemer skal placeres over solfangeren for at udnytte vandcirkulationen drevet af den passive termosifoneringsproces.

materialer

• Solenergi
• solfanger
• rør
• isolering
• vand
• lagertank
• stærkt tag eller andet støttesystem

omkostninger

• aktuel forskning (2007) antyder, at passive termosifon vandvarmere kan variere fra $500 til $6.500. Prissætningen kan variere på grund af tankstørrelse, soleksponering og geografisk placering
• mange lande, stater og forsyningstjenester giver incitamenter til deltagelse i vedvarende energi

Pro & ulemper

Pro ‘ s

• ikke-forurenende
• energibesparelser – ingen elektricitet nødvendig til passiv termosiphoning
• omkostningseffektiv
• pladsbesparende – (dvs. indendørs)

Con ‘ s

• tankeksponering for ekstern miljøtilstand kan reducere effektiviteten afhængigt af geografisk placering
• æstetik – kan betragtes som visuelt ubehagelig
• stærk støttestruktur nødvendig (dvs. tag)
• ikke egnet til ekstremt kolde klimaer
• placering – skal placeres i et område med passende soleksponering (dvs. sydsiden af det ønskede område)

Gravity-feed system

Gravity-feed systemer udnytter de samme principper for passiv termosiphoning som det tætte koblede system, men placeringen af tanken adskiller sig. Tanke installeres vandret i et tag, som ofte er placeret direkte over solfangeren. Når det er nødvendigt, tager det opvarmede vand i lagertanken stien med mindst modstand og bevæger sig via tyngdekraften ned til det ønskede sted. Gravity-feed-systemer kræver mere rør / VVS for at distribuere det opvarmede vand, og denne faktor skal tages i betragtning ved installation eller køb af et termosifoneringssystem.

materialer

skemaer

• Solenergi
• solfanger
• rør
• isolering
• vand
• lagertank
• stærkt tag eller andet støttesystem

omkostninger

• tyngdekraft-fodersystemer er typisk de billigste passive Termosiphoning vandvarmere
• aktuel forskning (2007) antyder, at omkostningerne kan variere fra $400 til $5.500 (ikke inklusive omkostningerne-hvis relevant – ved installation). Priserne kan variere på grund af tankstørrelse, soleksponering og geografisk placering
• mange lande, stater og forsyningstjenester giver incitamenter til deltagelse i vedvarende energi

Pros & cons

Pros

• ikke-forurenende
• energibesparelser – ingen elektricitet nødvendig til passiv termosiphoning
• omkostningseffektiv
• pladsbesparelser – (dvs. indendørs)
• æstetik – (vandret tankplacering)

ulemper

• VVS og rør tilføjer yderligere omkostninger til systemet
• æstetik – kan betragtes som visuelt ubehagelig
• stærk støttestruktur nødvendig (dvs. tag)
• ikke egnet til ekstremt kolde klimaer
• placering-skal placeres i et område med passende soleksponering (dvs. sydsiden af det ønskede område)

Aktiv

også kendt som: pumpesystemer eller split systemer

skemaer

aktive solvarmesystemer fungerer på samme grundlag som termosifoneringseffekten, men aktive systemer bruger en anden energikilde end solenergi til at hjælpe med at drive processen. Dette system installerer kun solfangeren på taget, mens lagertanken er installeret på jorden eller andre steder nedenfor. Disse aktive vandvarmeenheder kræver en ekstern form for energi til at pumpe vandet i hele systemet. Ved at bruge ekstra energi er disse aktive systemer mindre omkostningseffektive end passive systemer.

materialer

• Solenergi
• solfanger
• elektrisk energi
• elektrisk pumpe
• yderligere rør
• isolering
• vand
• lagertank

omkostninger

• aktuel forskning antyder (2007), at aktive termosifon vandvarmere kan variere fra $1.200 til $10.500. Prissætningen kan variere på grund af tankstørrelse, interne rørkrav, soleksponering og geografisk placering
• mange lande, stater og forsyningstjenester giver incitamenter til deltagelse i vedvarende energi

Pro & ulemper

Pro ‘ s

• pengebesparelser
• omkostningseffektiv
• æstetik – opbevaringstank ikke placeret på taget
• reduktion af drivhusgasser – hvis den er isoleret korrekt, har den potentialet til at forurene så lidt som passive systemer.

Con ‘ s

• bruger mere energi end et passivt system
• kræver mere vedligeholdelse end et passivt system
• varmetab – under overførslen fra solfangeren til lagertanken under
• forurener nogle – fra den elektriske brug
• placering – skal være i stand til at placeres i et område med passende soleksponering (dvs. sydsiden af det ønskede område)

passiv luftudveksling

skemaer

et eksempel på en passiv solvarmevarmesystemmetode er Termosiphon varmeveksling. Det er baseret på princippet om naturlig konvektion, hvor luft eller vand cirkuleres i et lodret lukket kredsløb uden brug af en pumpe. Kold luft indendørs rejser gennem en udluftning og ledes ind i en åbning i bunden af en solfanger. Luften indeholdt i solfangeren opvarmes derefter af solen via solstråling. Kold luft er tæt og vil synke, mens varm luft er mindre tæt og vil stige. Når luften opvarmes i solfangeren, bliver den mindre tæt end den køligere luft og stiger. Den varme luft stiger ud af en udluftning i solfangerens øverste åbning, bevæger sig ind i det ønskede område (dvs.indendørs) og erstattes af køligere luft. Denne luftudvekslingsproces fortsætter, indtil den indendørs lufttemperatur når en ligevægt med temperaturen udendørs.

materialer

husk: jo større solfanger, jo bedre.

solfanger

ramme

• 6 lodret 2-by-6-tommer boards-skænke
• 2-by-6, og en 2-by-8 boards – top sill
• lag skruer – anbefales, men ikke nødvendigt for attachmant

glasur

• bølgepap polycarbonat paneler
• 10 paneler – 26 i bred af 8 ft høj
• par paneler overlappet over 1-by-1-i lodret træstrimmel – gør 4-fods brede paneler til hver bugt
• ultraviolet resistent belægning-påfør på solvendt side for at forlænge levetiden

solabsorption plade

• 2 lag sort metal vindue skærm – fastgjort på tværs af toppen og bunden af bugter

ventilationskanaler

• huller skåret gennem bygningens sidespor

Bemærk: – plastklapper forhindrer tilbagestrømning af luft gennem øvre ventilationsåbninger om natten

omkostninger

• aktuel forskning (2007) antyder, at passive varmevekslere kan variere fra $55,00 til $400. Prissætningen kan variere på grund af størrelsen på opsamler/s, isolering af det område, der skal opvarmes, soleksponering og geografisk placering.
• mange lande, stater og forsyningstjenester giver incitamenter til deltagelse i vedvarende energi

Pro & ulemper

Pro ‘s

• lave omkostninger
• energibesparelse
• forureningsreduktion
• kan bruges til at afkøle elektronik

con’ s

• øget vedligeholdelse – (dvs. solstråling)
• Geografisk placering kan ændre effektiviteten
• kræver manuel lukning af bagudkastdæmpere om natten
• sydvendte afdrag foretrækkes

• nationalt laboratorium for vedvarende energi (NREL) dynamiske kort, GIS-Data og analyseværktøjer-Solkort (2007) tilgængelig: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Joe. “Thermosyphons-bedre tilgang til CPU køling?”Overclockere. 5. August 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Reysa, Gary. “Byg en simpel solvarmer” moder Jord nyheder. Januar 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• “Del 2: en rundvisning i vedvarende energi applikationer.”http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Mirmov, N. I., Belyakova, I. G. “varmefrigivelse under dampkondensation i en termosifon.”Tidsskrift for Ingeniørfysik 43 (3), s.970-974, 1982.
• Design og ydeevne af en kompakt Termosyfon. Det er en af de bedste måder at gøre dette på. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf