Termosifoni

thermosyphon-systeemin periaate pelissä.

termosifonointia, joka tunnetaan myös termosyfonointina, pidetään sopivana teknologiana. Tässä prosessissa hyödynnetään luonnollisia, uusiutuvia luonnonvaroja ja termodynamiikan peruslakeja lämmitetyn ilman tai veden virtauksen synnyttämiseksi. Energianlähteenä tässä prosessissa on auringon säteily (tai mikä tahansa muu lämmönlähde): auringon energia otetaan talteen aurinkokeräyslaitteeseen ja siirretään johtumisen kautta joko ilmaan tai veteen. Koko prosessi voi selittyä termosiphoning-ilmiöllä: kun ilmaa tai vettä kuumennetaan, se saa kineettistä energiaa lämmityslähteestä ja kiihtyy. Tämän seurauksena vesi tulee vähemmän tiheä, laajenee, ja siten nousee. Sitä vastoin kun vettä tai ilmaa jäähdytetään, molekyyleistä irtoaa energiaa ja vesi muuttuu vähemmän aktiiviseksi, tiheämmäksi ja pyrkii ”vajoamaan”.”Termosifonointi valjastaa kylmien ja kuumien nesteiden luonnolliset tiheyserot ja ohjaa niitä systeemissä, joka tuottaa luonnollista nesteen liikettä. Useita tähän teknologiaan perustuvia järjestelmiä on tällä hetkellä saatavilla, ja niistä voidaan lukea tarkemmin seuraavassa tekstissä.

lämpöfonijärjestelmän periaate on, että kylmällä vedellä on korkeampi ominaispaino (tiheys) kuin lämpimällä vedellä, joten raskaampana se vajoaa alas. Siksi keräin asennetaan aina vesisäiliön alle, jotta säiliöstä tuleva kylmä vesi pääsee kerääjään laskevaa vesiputkea pitkin. Jos kerääjä kuumentaa vettä, vesi nousee uudelleen ja päätyy säiliöön kerääjän yläpäässä olevan nousevan vesiputken kautta. Säiliö – > vesijohto – > kerääjäkierros varmistaa veden kuumenemisen, kunnes se saavuttaa tasapainolämpötilan. Kuluttaja voi sitten hyödyntää kuumaa vettä säiliön yläosasta, jolloin kaikki käytetty vesi korvataan kylmällä vedellä pohjassa. Tämän jälkeen kerääjä lämmittää kylmän veden uudelleen. Korkeampien lämpötilaerojen vuoksi korkeammilla auringon säteilytasoilla lämmin vesi nousee nopeammin kuin pienemmillä säteilytasoilla. Siksi veden kierto mukautuu lähes täydellisesti auringon säteilyvoimakkuuden tasoon. Lämpöhyppyjärjestelmän varastosäiliö on sijoitettava reilusti kerääjän yläpuolelle, muuten kierto voi kulkea yön aikana taaksepäin ja kaikki vesi jäähtyy. Lisäksi sykli ei toimi kunnolla hyvin pienillä korkeuseroilla. Alueilla, joilla on korkea auringon säteilytys ja tasomainen arkkitehtuuri, varastosäiliöt asennetaan yleensä katolle.

Lämpöhyppyjärjestelmät toimivat hyvin taloudellisesti kotitalouksien vedenlämmitysjärjestelminä, ja periaate on yksinkertainen, eikä se tarvitse pumppua eikä ohjausta. Termosyfonijärjestelmät eivät kuitenkaan yleensä sovellu suuriin eli yli 10 m2: n keräinpinta-aloihin. Lisäksi säiliötä on vaikea sijoittaa keräimen yläpuolelle rakennuksiin, joissa on viistot katot, ja yksipiiriset termosfonijärjestelmät soveltuvat vain pakkasettomille alueille.

taustalla oleva fysiikka

Termodynamiikka on energian tutkimusta.

• termodynamiikan ensimmäinen laki-toteaa, että energia voi muuttua muodosta toiseen, mutta sitä ei voi luoda eikä tuhota. – Energiaa säästyy aina.

tätä lakia voidaan soveltaa veden liikkuvuuteen termosifonointijärjestelmässä: auringon energia ohjataan ja siirretään (johtumisen ja konvektion kautta) joko veteen, ilmaan tai muuhun valittuun väliaineeseen. Tämä luonnollinen lämmitysprosessi poistaa ulkoisten energialähteiden, kuten fossiilisten polttoaineiden tai sähkön tarpeen.

• termodynamiikan toinen laki-toteaa, että kaikissa energiavaihdoissa, jos systeemiin ei tule tai poistu energiaa, tilan potentiaalienergia on aina pienempi kuin alkutilan. – Järjestelmän nettotuotto on aina pienempi kuin se, joka alun perin otettiin käyttöön.

energia säilyy aina, mutta energia (tai tässä tapauksessa lämpö) saattaa usein kadota tietyssä systeemissä (termosiphoning) lämpönä. Eristyksen lisääminen asianmukaisilla R-arvoilla järjestelmään ja sen putkistoon voi vähentää huomattavasti lämpöhäviötä ja siten lisätä tehokkuutta.

• Planckin laki-pinnalta lähtevän säteilyn aallonpituus on verrannollinen pinnan lämpötilaan

kahden kappaleen lämpötilaerojen seurauksena siirretty Energia-tummat kappaleet absorboivat lämpöä, kun taas vaaleat kappaleet heijastavat

tummanväriset keräyslevyt aurinkokeräimessä auttavat lisäämään auringon absorptiota, jolloin veden tai ilman lämmittämiseen termosifonoinnissa käytettävissä oleva lämmön määrä kasvaa. Sen sijaan heijastavia tai kevyesti värjättyjä putkisto-ja varastosäiliöitä kannattaa hyödyntää, sillä vaaleat värit auttavat vähentämään lämpösäteilyä ulos järjestelmästä.

vedenlämmitys

passiivinen

veden passiivinen termosifonointi on prosessi, jossa vesi lämmitetään ja siirretään järjestelmässä ilman sähkön tarvetta tai käyttöä. Tämä prosessi toimii hyödyntämällä luontaisia ilmiöitä, kuten aurinkoenergiaa, painovoimaa ja käytettävissä olevaa vesilähdettä. Aurinkokeräin, putkisto ja vesisäiliö ovat lämmityksessä tarvittavia materiaaleja. Veden virtaus jakautuu aurinkokeräimeen, sen sisällä ja siitä ulos. Viileä vesi pääsee aurinkokeräimen pohjaan, jossa sitä sitten lämmitetään konvektion avulla auringon säteilyn avulla. Kun vettä lämmitetään, siitä tulee vähemmän tiheää kuin viileämmästä vedestä, se laajenee ja nousee sitten (virtaa) putkiston läpi. Lämmitetty vesi poistuu aurinkokeräimen päältä luonnollisesti. Viileämpi ja tiheämpi vesi uppoaa ja pysyy aurinkokeräimen sisällä, kunnes se kuumenee. Kun viileää vettä lämmitetään, se laajenee, nousee, työntyy ulos aurinkokeräimen päältä, jolloin viileä vesi pääsee virtaamaan aurinkokeräimeen. Tämä prosessi jatkuu luonnollisesti, kunnes veden lämpötila saavuttaa tasapainon auringon säteilyn tulon kanssa.

tällä hetkellä käytössä on kahdenlaisia termosifonivedenvaihtojärjestelmiä: lähisyöttöjärjestelmä ja painovoimasyöttöjärjestelmä.

kytkösjärjestelmä

kaaviot

Lähikytkentäjärjestelmät toimivat edellä mainittujen passiivisen termosiphoningin periaatteiden mukaisesti. Näiden järjestelmien varastosäiliö on sijoitettava aurinkokeräimen yläpuolelle, jotta voidaan hyödyntää passiivisen termosiphoning-prosessin ajamaa vesikiertoa.

Materiaalit

• aurinkoenergia
• aurinkokeräin
• putkisto
• eristys
• vesi
• varastosäiliö
• vahva katto tai muu tukijärjestelmä

kustannukset

• tämänhetkinen tutkimus (2007) viittaa siihen, että passiiviset Termosifonivedenlämmittimet voivat vaihdella 500 dollarista 6 500 dollariin. Hinnoittelu voi vaihdella säiliön koon, aurinkoaltistuksen ja maantieteellisen sijainnin vuoksi
• monet maat, valtiot ja yleishyödylliset palvelut tarjoavat kannustimia uusiutuvan energian osallistumiselle

Pro & cons

Pro ’ s

• saastuttamaton
• energiansäästö-passiiviseen termosifonointiin ei tarvita sähköä
• kustannustehokas
• tilaa säästävä – (ts. sisätiloissa)

Con: n

• säiliön altistuminen ulkoiselle ympäristöolosuhteelle voi heikentää tehokkuutta maantieteellisestä sijainnista riippuen
• estetiikka – voidaan pitää visuaalisesti epämiellyttävänä
• tarvitaan vahva tukirakenne (eli katto)
• ei sovellu erittäin kylmään ilmastoon
• sijainti – on sijoitettava alueelle, jossa on sopiva aurinkoaltistus (ts. halutun alueen eteläpuoli)

Painovoimasyöttöjärjestelmä

Painovoimasyöttöjärjestelmät käyttävät samoja passiivisen termosifonoinnin periaatteita kuin lähisyöttöjärjestelmä, mutta säiliön sijoittelu vaihtelee. Säiliöt asennetaan vaakasuoraan katolle, joka sijaitsee usein suoraan aurinkokeräimen yläpuolella. Kun tarvitaan, lämmitetty vesi varastosäiliössä vie polun vähiten vastusta ja siirtyy painovoiman avulla alas haluttuun paikkaan. Painovoimasyöttöjärjestelmät vaativat enemmän putkistoja/putkistoja lämmitetyn veden jakamiseksi, ja tämä tekijä on otettava huomioon asennettaessa tai hankittaessa termosiphoning-järjestelmää.

Materiaalit

kaaviot

• aurinkoenergia
• aurinkokeräin
• putkisto
• eristys
• vesi
• varastosäiliö
• vahva katto tai muu tukijärjestelmä

kustannukset

• painovoima-syöttöjärjestelmät ovat tyypillisesti edullisimpia passiivisia Termosiipisiä vedenlämmittimiä
• nykyinen tutkimus (2007) viittaa siihen, että kustannukset voivat vaihdella $400-$5,500 (lukuun ottamatta kustannuksia – soveltuvin osin-asennuksen). Hinnoittelu voi vaihdella säiliön koon, aurinkoaltistuksen ja maantieteellisen sijainnin vuoksi
• monet maat, valtiot ja yleishyödylliset palvelut tarjoavat kannustimia uusiutuvan energian osallistumiselle

Pros & cons

Pros

• saastuttamaton
• energiansäästö-passiiviseen termosifonointiin ei tarvita sähköä
• kustannustehokas
• tilansäästö – (ts. sisätiloissa)
• estetiikka – (Vaakasäiliön sijoitus)

Cons

• LVI-ja putkisto lisäävät järjestelmän lisäkustannuksia
• estetiikka – voidaan pitää visuaalisesti epämiellyttävänä
• tarvitaan vahva tukirakenne (eli katto)
• ei sovellu erittäin kylmään ilmastoon
• sijainti – on sijoitettava alueelle, jossa on sopiva aurinkoaltistus (eli halutun alueen eteläpuolelle)

Aktiivinen

tunnetaan myös nimellä: pumppujärjestelmät tai jakojärjestelmät

kaaviot

aktiiviset aurinkolämmitysjärjestelmät toimivat samalla termosiphoning-efektin perusteella, mutta aktiiviset järjestelmät käyttävät kuitenkin muuta energialähdettä kuin aurinkoenergiaa prosessin ajamiseen. Tämä järjestelmä asentaa vain aurinkokeräimen katolle, kun taas varastosäiliö asennetaan maahan tai muualle sen alapuolelle. Nämä aktiiviset vedenlämmitysyksiköt vaativat jonkin ulkoisen energiamuodon veden pumppaamiseen koko järjestelmässä. Lisäenergiaa hyödyntämällä nämä aktiiviset järjestelmät ovat passiivisia järjestelmiä kustannustehokkaampia.

Materiaalit

• aurinkoenergia
• aurinkokeräin
• sähköenergia
• sähköpumppu
• lisäputkisto
• eristys
• vesi
• varastosäiliö

kustannukset

• nykytutkimuksen mukaan (2007) aktiiviset Termosifonivedenlämmittimet saattavat vaihdella 1 200-10 500 dollarin välillä. Hinnoittelu voi vaihdella säiliön koon, sisäisten putkistovaatimusten, aurinkoaltistuksen ja maantieteellisen sijainnin vuoksi
• monet maat, valtiot ja yleishyödylliset palvelut tarjoavat kannustimia uusiutuvan energian osallistumiselle

plussat & cons

Pro ’ s

• rahansäästö
• kustannustehokas
• estetiikka – varastosäiliö, jota ei ole sijoitettu katolle
• kasvihuonekaasujen vähentäminen – jos se on eristetty oikein, se voi saastuttaa yhtä vähän kuin passiiviset järjestelmät.

Con

• käyttää enemmän energiaa kuin passiivinen järjestelmä
• vaatii enemmän huoltoa kuin passiivinen järjestelmä
• lämpöhäviö – siirrettäessä aurinkokeräimestä alla olevaan varastosäiliöön
• saastuttaa jonkin verran – sähkönkäytöstä
• sijainti – must sijoitetaan alueelle, jolla on sopiva aurinkoaltistus (ts. halutun alueen eteläpuoli)

passiivinen ilmanvaihto

kaaviot

esimerkki passiivisesta aurinkolämpöjärjestelmämenetelmästä on Termosifonilämmönvaihto. Se perustuu luonnollisen konvektion periaatteeseen, jossa ilmaa tai vettä kierretään pystysuorassa suljetussa kierrossa ilman pumppua. Viileä ilma sisätiloissa kulkee tuuletusaukon kautta ja ohjautuu aurinkokeräimen pohjassa olevaan aukkoon. Tämän jälkeen aurinko lämmittää aurinkokeräimen sisällä olevaa ilmaa auringon säteilyn avulla. Viileä ilma on tiheää ja vajoaa, kun taas lämmin ilma on vähemmän tiheää ja nousee. Kun ilma lämpenee aurinkokeräimen sisällä,se muuttuu viileämpää ilmaa tiheämmäksi ja nousee. Lämmin ilma nousee ulos aurinkokeräimen yläaukossa olevasta tuuletusaukosta, siirtyy halutulle alueelle (eli sisätiloihin) ja vaihtuu viileämpään ilmaan. Tämä ilmanvaihtoprosessi jatkuu, kunnes sisäilman lämpötila saavuttaa tasapainon ulkoilman lämpötilan kanssa.

Materiaalit

pidä mielessä: mitä isompi aurinkokeräin, sen parempi.

aurinkokeräin

runko

• 6 pystylevyt 2 x 6 tuuman levyt-sivulevyt
• 2 x 6, ja 2 x 8-levyt-ylälaidat
• lag-ruuvit-suositellaan, mutta ei tarpeen kiinnitystä varten

lasite

• aaltopahvin polykarbonaattilevyt
• 10 paneelia-26 leveinä 8 jalkaa korkea
• paneeliparit päällekkäin 1 x 1-pystysuoran puukaistaleen päällä-tekee 4 jalkaa leveistä paneeleista kutakin pilariväliä kohti
• ultraviolettisäteilyä kestävä pinnoite – koskee aurinkoon suuntautuvaa sivua pitkäikäisyyden pidentämiseksi

auringon absorptio levy

• 2 Kerrokset musta metallinen ikkunaverho – kiinnitettynä pilarivälien ylä – ja alaosaan

tuuletusaukot

• rakennuksen sivuraiteen läpi leikatut reiät

Huom: – muoviset siivekkeet estävät ilman takaisinvirtauksen ylempien tuuletusaukkojen kautta yöllä

kustannukset

• nykytutkimus (2007) viittaa siihen, että passiiviset lämmönvaihtimet voivat vaihdella 55,00 dollarista 400 dollariin. Hinnoittelu voi vaihdella keräinten koon, lämmitettävän alueen eristyksen, aurinkoaltistuksen ja maantieteellisen sijainnin vuoksi.
• monet maat, valtiot ja yleishyödylliset palvelut tarjoavat kannustimia uusiutuvan energian osallistumiselle

plussat & cons

Pro ’ s

• alhaiset kustannukset
• energiansäästö
• saastumisen vähentäminen
• voidaan käyttää elektroniikan jäähdyttämiseen

con: n

• lisääntynyt ylläpito – (ts. peittäminen vähäisen auringonsäteilyn aikana)
• Maantieteellinen sijainti voi muuttaa tehokkuutta
• edellyttää selkävedonvaimentimien manuaalista sulkemista yöllä
• etelään päin olevat erät suositellaan

• National Renewable Energy Laboratory (NREL) Dynamic Maps, GIS Data, and Analysis Tools-Solar Maps (2007) Available: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Joe. ”Thermosyphons-parempi lähestymistapa CPU jäähdytys?”Ylikellottajat. Elokuuta 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Reysa, Gary. ”Rakenna yksinkertainen aurinkolämmitin” Äiti Maan Uutiset. Tammikuu 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• ”Osa 2: kierros uusiutuvan energian sovelluksissa.”http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Mirmov, N. I., Beljakova, I. G. ” lämmön vapautuminen höyryn tiivistymisen aikana termosifonissa.”Journal of Engineering Physics 43 (3), S.970-974, 1982.
• Kompaktin Termosyfonin rakenne ja suorituskyky. 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