Thermosiphoning, auch bekannt als Thermosiphoning, wird als eine geeignete Technologie angesehen. Dieser Prozess nutzt natürliche, erneuerbare Ressourcen und die Grundgesetze der Thermodynamik, um eine Bewegung einer erwärmten Luft- oder Wasserzufuhr zu erzeugen. Die Energiequelle für diesen Prozess ist die Sonnenstrahlung (oder jede andere Wärmequelle): Die Energie der Sonne wird in einer Solarsammelvorrichtung eingefangen und über Leitung entweder an Luft oder Wasser übertragen. Der gesamte Prozess kann durch den Thermosiphoneffekt erklärt werden: Wenn Luft oder Wasser erhitzt wird, gewinnt es kinetische Energie von der Heizquelle und wird angeregt. Dadurch wird das Wasser weniger dicht, dehnt sich aus und steigt somit an. Im Gegensatz dazu, wenn Wasser oder Luft gekühlt wird, wird Energie aus den Molekülen extrahiert und das Wasser wird weniger aktiv, dichter und neigt dazu, „zu sinken.“ Das Thermosiphonieren nutzt die natürlichen Dichteunterschiede zwischen kalten und heißen Flüssigkeiten und steuert sie in einem System, das eine natürliche Flüssigkeitsbewegung erzeugt. Mehrere Systeme, die auf dieser Technologie basieren, sind derzeit verfügbar und können im folgenden Text ausführlicher beschrieben werden.
Das Prinzip des Thermosyphon-Systems besteht darin, dass kaltes Wasser ein höheres spezifisches Gewicht (Dichte) als warmes Wasser hat und daher schwerer sinkt. Daher wird der Kollektor immer unterhalb des Wasserspeichers montiert, so dass kaltes Wasser aus dem Tank über eine absteigende Wasserleitung zum Kollektor gelangt. Wenn der Kollektor das Wasser erwärmt, steigt das Wasser wieder auf und erreicht den Tank durch eine aufsteigende Wasserleitung am oberen Ende des Kollektors. Der Zyklus von Tank – > Wasserleitung -> Kollektor sorgt dafür, dass das Wasser erwärmt wird, bis es eine Gleichgewichtstemperatur erreicht. Der Verbraucher kann dann das heiße Wasser von der Oberseite des Tanks verwenden, wobei das verwendete Wasser durch kaltes Wasser am Boden ersetzt wird. Der Kollektor erwärmt dann das kalte Wasser wieder. Durch höhere Temperaturunterschiede bei höherer Sonneneinstrahlung steigt warmes Wasser schneller an als bei niedrigeren Strahlungsstärken. Daher passt sich die Zirkulation des Wassers nahezu perfekt an die Sonneneinstrahlung an. Der Speicher eines Thermosyphon-Systems muss weit über dem Kollektor positioniert sein, da sonst der Zyklus während der Nacht rückwärts ablaufen kann und das gesamte Wasser abkühlt. Darüber hinaus funktioniert der Zyklus bei sehr geringen Höhenunterschieden nicht richtig. In Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung und Flachdacharchitektur werden Lagertanks meist auf dem Dach installiert.
Thermosyphon-Systeme arbeiten sehr wirtschaftlich als Brauchwasserheizsysteme, und das Prinzip ist einfach und benötigt weder eine Pumpe noch eine Steuerung. Thermosyphon-Systeme sind jedoch in der Regel nicht für große Systeme geeignet, dh solche mit mehr als 10 m2 Kollektorfläche. Darüber hinaus ist es schwierig, den Tank in Gebäuden mit geneigten Dächern über dem Kollektor zu platzieren, und Einkreis-Thermosyphonsysteme sind nur für frostfreie Regionen geeignet.
Zugrunde Liegende Physik
Thermodynamik ist das Studium der Energie.
- Erster Hauptsatz der Thermodynamik- Besagt, dass Energie von einer Form in eine andere geändert werden kann, aber nicht erzeugt oder zerstört werden kann. – Energie wird immer konserviert.
Dieses Gesetz kann auf die Bewegung von Wasser im Thermosiphonsystem angewendet werden: Energie von der Sonne wird gerichtet und (über Leitung und Konvektion) entweder auf Wasser, Luft oder ein anderes Medium der Wahl übertragen. Durch diesen natürlichen Heizprozess entfallen externe Energiequellen wie fossile Brennstoffe oder Strom.
- Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik- Besagt, dass bei allen Energieaustauschen, wenn keine Energie in das System eintritt oder es verlässt, die potentielle Energie des Zustands immer geringer ist als die des Anfangszustands. – Die Nettorendite eines Systems ist immer geringer als die, die ursprünglich eingesetzt wurde.
Energie wird immer konserviert, jedoch kann Energie (oder Wärme in diesem Fall) in einem gegebenen System (Thermosiphoning) oft als Wärme verloren gehen. Das Hinzufügen einer Isolierung mit geeigneten R-Werten zum System und seinen Rohrleitungen kann den Wärmeverlust erheblich reduzieren und somit die Effizienz steigern.
- Plancksches Gesetz – die Wellenlänge der von einer Oberfläche emittierten Strahlung ist proportional zur Temperatur der Oberfläche
Energie, die durch Temperaturunterschiede zwischen zwei Objekten übertragen wird – Dunkle Objekte absorbieren Wärme, während helle Objekte reflektieren
Dunkel gefärbte Sammelplatten im Sonnenkollektor tragen zur Erhöhung der Sonnenabsorption bei und erhöhen so die Wärmemenge, die zum Erhitzen von Wasser oder Luft beim Thermosiphonieren zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu sollten reflektierende oder leicht gefärbte Rohrleitungen und Lagertanks verwendet werden, da die hellen Farben dazu beitragen, die Wärmestrahlung aus dem System zu reduzieren.
Warmwasserbereitung
Passiv
Das passive Thermosiphonieren von Wasser ist der Prozess des Erhitzens und Bewegens von Wasser innerhalb eines Systems ohne die Notwendigkeit oder Verwendung von Elektrizität. Dieser Prozess funktioniert unter Verwendung natürlicher Phänomene wie Sonnenenergie, Schwerkraft und einer verfügbaren Wasserquelle. Ein Sonnenkollektor, Rohrleitungen und ein Wassertank sind Materialien, die für den Heizprozess benötigt werden. Der Wasserfluss wird in, innerhalb und aus dem Sonnenkollektor verteilt. Kühles Wasser tritt in den Boden des Sonnenkollektors ein, wo es dann durch Konvektion durch Sonnenstrahlung erwärmt wird. Wenn Wasser erhitzt wird, wird es weniger dicht als kühleres Wasser, dehnt sich aus und steigt dann durch die Rohrleitungen. Das erwärmte Wasser tritt auf natürliche Weise aus der Oberseite des Sonnenkollektors aus. Das kühlere und dichtere Wasser sinkt und verbleibt im Sonnenkollektor, bis es erhitzt wird. Wenn das kühle Wasser erhitzt wird, dehnt es sich aus, steigt auf und wird aus der Oberseite des Sonnenkollektors gedrückt, sodass kaltes Wasser in den Sonnenkollektor fließen kann. Dieser Prozess setzt sich natürlich fort, bis die Temperatur des Wassers ein Gleichgewicht mit dem Sonneneintrag erreicht.
Derzeit sind zwei Arten von Thermosiphon-Wasseraustauschsystemen verfügbar: das eng gekoppelte System und das Schwerkraftsystem.
Geschlossenes System
Eng gekoppelte Systeme funktionieren nach den gleichen Prinzipien wie das oben erwähnte passive Thermosiphonieren. Der Speichertank dieser Systeme muss über dem Sonnenkollektor platziert werden, um die durch den passiven Thermosiphonprozess angetriebene Wasserkreislauf zu nutzen.
Materialien
- Solarenergie
- Sonnenkollektor
- Rohrleitungen
- Isolierung
- Wasser
- Lagertank
- Starkes Dach oder anderes Stützsystem
- Aktuelle Forschungsergebnisse (2007) legen nahe, dass passive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 500 und 6.500 US-Dollar liegen können. Die Preise können aufgrund der Tankgröße, der Sonneneinstrahlung und der geografischen Lage variieren
- Viele Länder, Bundesstaaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien
Vorteile & Nachteile
Vorteile
- Umweltfreundlich
- Energieeinsparung – Kein Strom für passives Thermosiphoning erforderlich
- Kostengünstig
- Platzsparend – (dh. drinnen)
Con’s
- Die Exposition des Tanks gegenüber äußeren Umgebungsbedingungen kann je nach geografischer Lage die Effizienz verringern
- Ästhetik – Kann als optisch unangenehm angesehen werden
- Starke Stützstruktur erforderlich (z. B. Dach)
- Nicht für extrem kalte Klimazonen geeignet
- Lage – muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung (z. B. südseite des gewünschten Bereichs)
Gravity-Feed-System
Gravity-Feed-Systeme verwenden die gleichen Prinzipien der passiven Thermosiphonierung wie das eng gekoppelte System, jedoch unterscheidet sich die Platzierung des Tanks. Tanks werden horizontal in ein Dach eingebaut, das sich oft direkt über dem Sonnenkollektor befindet. Bei Bedarf nimmt das erwärmte Wasser im Speicher den Weg des geringsten Widerstands und bewegt sich über die Schwerkraft an den gewünschten Ort. Schwerkraftsysteme erfordern mehr Rohrleitungen / Rohrleitungen, um das erwärmte Wasser zu verteilen, und dieser Faktor sollte bei der Installation oder dem Kauf eines Thermosiphonsystems berücksichtigt werden.
Materialien
- Solarenergie
- Sonnenkollektor
- Rohrleitungen
- Isolierung
- Wasser
- Lagertank
- Starkes Dach oder anderes Trägersystem
Kosten
- Schwerkraft- feed-Systeme sind in der Regel die kostengünstigsten passiven Thermosiphon-Warmwasserbereiter
- Aktuelle Forschungsergebnisse (2007) legen nahe, dass die Kosten zwischen 400 und 5.500 US-Dollar liegen können (ohne die Kosten – falls zutreffend – für die Installation). Die Preise können aufgrund der Tankgröße, der Sonneneinstrahlung und der geografischen Lage variieren
- Viele Länder, Bundesstaaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien
Vorteile & Nachteile
Vorteile
- Umweltfreundlich
- Energieeinsparung – Kein Strom für passives Thermosiphonieren erforderlich
- Kostengünstig
- Platzersparnis – (dh. drinnen)
- Ästhetik – (Horizontale Tankplatzierung)
Nachteile
- Klempnerarbeiten und Rohrleitungen verursachen zusätzliche Kosten für das System
- Ästhetik – Kann als optisch unangenehm angesehen werden
- Starke Stützstruktur erforderlich (z. B. Dach)
- Nicht für extrem kaltes Klima geeignet
- Standort – muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (d. H. Südseite des gewünschten Bereichs)
Aktiv
Auch bekannt als: pumpensysteme oder Split-Systeme
Aktive Solarheizungssysteme funktionieren auf der gleichen Basis des Thermosiphon-Effekts, jedoch verwenden aktive Systeme eine andere Energiequelle als Sonnenenergie, um den Prozess voranzutreiben. Dieses System installiert nur den Sonnenkollektor auf dem Dach, während der Speicher auf dem Boden oder irgendwo anders darunter installiert wird. Diese aktiven Warmwasserbereiter benötigen eine externe Energieform, um das Wasser durch das System zu pumpen. Durch die Nutzung zusätzlicher Energie sind diese aktiven Systeme weniger kosteneffizient als passive Systeme.
Materialien
- Solarenergie
- Solarkollektor
- Elektrische Energie
- Elektrische Pumpe
- Zusätzliche Rohrleitungen
- Isolierung
- Wasser
- Speichertank
Kosten
- Aktuelle Forschungsergebnisse legen nahe (2007), dass aktive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 1.200 und 10.500 US-Dollar liegen können. Die Preise können aufgrund der Tankgröße, der internen Rohrleitungsanforderungen, der Sonneneinstrahlung und der geografischen Lage variieren
- Viele Länder, Bundesstaaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien
Profis & Nachteile
Profis
- Geld sparen
- Kostengünstig
- Ästhetik – Lagertank nicht auf dem Dach platziert
- Treibhausgasreduktion – Bei richtiger Isolierung kann er so wenig verschmutzen wie passive Systeme.
Con’s
- Verbraucht mehr Energie als ein passives System
- Erfordert mehr Wartung als ein passives System
- Wärmeverlust – bei der Übertragung vom Sonnenkollektor auf den Speicher darunter
- Verschmutzt einige – durch den Stromverbrauch
- Standort – muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (dh. südseite des gewünschten Bereichs)
Passiver Luftaustausch
Ein Beispiel für ein passives solarthermisches Heizsystem ist der Thermosiphon-Wärmeaustausch. Es basiert auf dem Prinzip der natürlichen Konvektion, bei der Luft oder Wasser in einem vertikalen geschlossenen Kreislauf ohne Verwendung einer Pumpe umgewälzt wird. Kühle Luft in Innenräumen strömt durch eine Entlüftung und wird in eine Öffnung im Boden eines Sonnenkollektors geleitet. Die im Sonnenkollektor enthaltene Luft wird dann von der Sonne über Sonnenstrahlung erwärmt. Kühle Luft ist dicht und sinkt, während warme Luft weniger dicht ist und aufsteigt. Wenn sich die Luft im Sonnenkollektor erwärmt, wird sie weniger dicht als die kühlere Luft und steigt auf. Die warme Luft steigt aus einer Entlüftung in der oberen Öffnung des Solarkollektors auf, bewegt sich in den gewünschten Bereich (d. H. in Innenräumen) und wird durch kühlere Luft ersetzt. Dieser Luftaustauschprozess wird fortgesetzt, bis die Innenlufttemperatur ein Gleichgewicht mit der Außentemperatur erreicht.
Materialien
Denken Sie daran: Je größer der Sonnenkollektor, desto besser.
Solarkollektor
Rahmen
- 6 vertikale 2-mal-6-Zoll-Bretter -Sideboards
- 2-mal-6 und 2-mal-8 Bretter – obere Schwelle
- Lag-Schrauben – empfohlen, aber nicht erforderlich für attachmant
Glasur
- gewellte Polycarbonatplatten
- 10 Paneele – 26 in breiten 8 ft hohe
- Pairs von panels überlappt über 1-durch-1-in vertikale holz streifen-macht 4-fuß-breite panels für jede bucht
- uv-beständig beschichtung-gelten zu sonne gerichtete seite zu verlängern langlebigkeit
Solar absorption platte
- 2 schichten schwarz metall fenster bildschirm-befestigt über die top und bottom von buchten
Vents
- löcher cut durch gebäude der abstellgleis
Hinweis: -kunststoff klappen wird verhindern zurück fluss von luft durch oberen vents in der nacht
Kosten
- Strom untersuchungen (2007) legen nahe, dass passive Wärmetauscher zwischen 55,00 und 400 US-Dollar liegen können. Die Preise können aufgrund der Größe der Kollektoren, der Isolierung der zu beheizenden Fläche, der Sonneneinstrahlung und der geografischen Lage variieren.
- Viele Länder, Staaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien
Profis & Nachteile
Profis
- Niedrige Kosten
- Energiesparer
- Reduzierung der Umweltverschmutzung
- Kann verwendet werden, um Elektronik zu kühlen
Con’s
- Erhöhte Wartbarkeit – (dh. (in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung)
- Geografische Lage kann sich ändern Wirksamkeit
- Erfordert manuelles Schließen der hinteren Zugklappen in der Nacht
- Südlage Raten bevorzugt
- National Renewable Energy Laboratory (NREL) Dynamische Karten, GIS-Daten und Analysetools – Solarkarten (2007) verfügbar: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. „Thermosyphons – Besserer Ansatz zur CPU-Kühlung?“ Übertakter. 5. August 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. „Bauen Sie eine einfache Solarheizung“ Mother Earth News. Januar 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- “ Teil 2: Eine Tour durch Anwendungen erneuerbarer Energien.“ http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, N. I., Belyakova, I. G. „Wärmefreisetzung während der Dampfkondensation in einem Thermosiphon.“ Zeitschrift für technische Physik 43 (3), S.970-974, 1982.
- Design und Leistung eines kompakten Thermosyphons. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M.,Patel, C., Wenger, T. Woodruff Schule für Maschinenbau. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf