El termosifón, también conocido como termosifón, se considera una tecnología apropiada. Este proceso utiliza recursos naturales y renovables y las leyes básicas de la termodinámica para crear movimiento de un suministro de aire o agua calentado. La fuente de energía para este proceso es la radiación solar( o cualquier otra fuente de calor): la energía del sol se captura en un dispositivo de recolección solar y se transfiere al aire o al agua a través de la conducción. Todo el proceso puede explicarse por el efecto termosifónico: Cuando se calienta el aire o el agua, gana energía cinética de la fuente de calentamiento y se excita. Como resultado, el agua se vuelve menos densa, se expande y, por lo tanto, se eleva. En contraste, cuando el agua o el aire se enfrían, la energía se extrae de las moléculas y el agua se vuelve menos activa, más densa y tiende a «hundirse».»El termosifón aprovecha las diferencias de densidad naturales entre fluidos fríos y calientes, y los controla en un sistema que produce un movimiento natural de fluidos. Varios sistemas basados en esta tecnología están actualmente disponibles, y se pueden leer con mayor detalle en el siguiente texto.
El principio del sistema de termosifón es que el agua fría tiene una gravedad específica (densidad) más alta que el agua tibia, por lo que al ser más pesada se hundirá. Por lo tanto, el colector siempre se monta debajo del tanque de almacenamiento de agua, de modo que el agua fría del tanque llegue al colector a través de una tubería de agua descendente. Si el colector calienta el agua, el agua se eleva de nuevo y llega al tanque a través de una tubería de agua ascendente en el extremo superior del colector. El ciclo del colector tanque -> tubería de agua -> garantiza que el agua se caliente hasta que alcance una temperatura de equilibrio. El consumidor puede hacer uso del agua caliente de la parte superior del tanque, y el agua utilizada se reemplaza por agua fría en la parte inferior. El colector vuelve a calentar el agua fría. Debido a las diferencias de temperatura más altas con irradiancias solares más altas, el agua caliente aumenta más rápido que con irradiancias más bajas. Por lo tanto, la circulación del agua se adapta casi perfectamente al nivel de irradiación solar. El tanque de almacenamiento de un sistema de termosifón debe colocarse muy por encima del colector, de lo contrario, el ciclo puede retroceder durante la noche y toda el agua se enfriará. Además, el ciclo no funciona correctamente con diferencias de altura muy pequeñas. En regiones con alta irradiación solar y arquitectura de techo plano, los tanques de almacenamiento generalmente se instalan en el techo.
Los sistemas de termosifón funcionan de manera muy económica como sistemas de calentamiento de agua domésticos, y el principio es simple, ya que no necesitan ni una bomba ni un control. Sin embargo, los sistemas de termosifón generalmente no son adecuados para sistemas grandes, es decir, aquellos con más de 10 m2 de superficie de colector. Además, es difícil colocar el tanque por encima del colector en edificios con techos inclinados, y los sistemas de termosifón de un solo circuito solo son adecuados para regiones sin heladas.
Física subyacente
La termodinámica es el estudio de la energía.
- Primera ley de la termodinámica establece que la energía puede cambiar de una forma a otra, pero no puede ser creada o destruida. – La energía siempre se conserva.
Esta ley se puede aplicar al movimiento del agua en el sistema de termosifonación: La energía del sol se dirige y transfiere (a través de conducción y convección) al agua, al aire u otro medio de elección. Este proceso natural de calefacción elimina la necesidad de fuentes de energía externas, como combustibles fósiles o electricidad.
- Segunda ley de la termodinámica: Establece que en todos los intercambios de energía, si ninguna energía entra o sale del sistema, la energía potencial del estado siempre será menor que la del estado inicial. – El rendimiento neto de un sistema es siempre menor que el que se introdujo inicialmente.
La energía siempre se conserva, sin embargo, la energía (o calor en este caso) a menudo se puede perder en un sistema dado (termosifón) como calor. La adición de aislamiento con valores de R adecuados al sistema y a su fontanería puede reducir en gran medida la pérdida de calor y, por lo tanto, aumentar la eficiencia.
- Ley de Planck-la longitud de onda de la radiación emitida desde una superficie es proporcional a la temperatura de la superficie
Energía transferida como resultado de las diferencias de temperatura entre dos objetos-Los objetos oscuros absorben calor, mientras que los objetos claros reflejan
Las placas de recolección de colores oscuros dentro del colector solar ayudarán a aumentar la absorción solar, aumentando así la cantidad de calor disponible para calentar agua o aire en termosifonación. Por el contrario, se deben utilizar tuberías y tanques de almacenamiento reflectantes o de colores claros, ya que los colores claros ayudarán a reducir la radiación de calor fuera del sistema.
Calentamiento de agua
Pasivo
El termosifón pasivo de agua es el proceso de calentamiento y movimiento de agua dentro de un sistema sin necesidad o uso de electricidad. Este proceso funciona mediante la utilización de fenómenos naturales como la energía solar, la gravedad y una fuente de agua disponible. Un colector solar, tuberías y un tanque de agua son materiales necesarios para el proceso de calentamiento. El flujo de agua se distribuye dentro, dentro y fuera del colector solar. El agua fría entra en el fondo del colector solar, donde se calienta a través de la convección por radiación solar. Cuando el agua se calienta, se vuelve menos densa que el agua más fría, se expande y luego sube (fluye) a través de la tubería. El agua caliente sale de la parte superior del colector solar de forma natural. El agua más fría y densa se hunde y permanece dentro del colector solar hasta que se calienta. A medida que el agua fría se calienta, se expande, se eleva, se empuja fuera de la parte superior del colector solar, lo que permite que el agua fría fluya hacia el colector solar. Este proceso continúa de forma natural hasta que la temperatura del agua alcanza un equilibrio con la entrada de radiación solar.
Actualmente hay disponibles dos tipos de sistemas de intercambio de agua con termosifón: el sistema de acoplamiento cerrado y el sistema de alimentación por gravedad.
acoplado de sistema
acoplado de sistemas de función en los mismos principios de pasivo thermosiphoning mencionados anteriormente. El tanque de almacenamiento de estos sistemas debe colocarse por encima del colector solar para utilizar la circulación de agua impulsada por el proceso de termosifonización pasiva.
Materiales
- Energía solar
- Colector solar
- Tubería
- Aislamiento
- Agua
- Tanque de almacenamiento
- Techo fuerte u otro sistema de soporte
Costo
- La investigación actual (2007) sugiere que los calentadores de agua de termosifón pasivos pueden variar de $500 a 6 6,500. Los precios pueden variar debido al tamaño del tanque, la exposición solar y la ubicación geográfica
- Muchos países, estados y servicios públicos ofrecen incentivos para la participación en energía renovable
Pros & cons
Pro’s
- No contaminante
- Ahorro de energía: No se necesita electricidad para termosifón pasivo
- Rentable
- Ahorro de espacio-(es decir. en interiores)
- La exposición del tanque a condiciones ambientales externas puede reducir la eficiencia, dependiendo de la ubicación geográfica
- Estética: Puede considerarse visualmente desagradable
- Se necesita una estructura de soporte fuerte (es decir, techo)
- No es adecuada para climas extremadamente fríos
- Ubicación: debe colocarse en un área con exposición solar adecuada (es decir, lado sur del área deseada)
Sistema de alimentación por gravedad
Los sistemas de alimentación por gravedad utilizan los mismos principios de termosifonación pasiva que el sistema de acoplamiento cerrado, sin embargo, la colocación del tanque difiere. Los tanques se instalan horizontalmente en un techo, que a menudo se encuentra directamente encima del colector solar. Una vez necesario, el agua calentada dentro del tanque de almacenamiento toma el camino de menor resistencia y se mueve por gravedad hacia el lugar deseado. Los sistemas de alimentación por gravedad requieren más tuberías para distribuir el agua calentada, y este factor debe tenerse en cuenta al instalar o comprar un sistema de termosifón.
Materiales
- Energía solar
- Colector solar
- Tubería
- Aislamiento
- Agua
- Tanque de almacenamiento
- Techo fuerte u otro sistema de soporte
Costo
- La investigación actual (2007) sugiere que el costo puede oscilar entre $400 y 5 5,500 (sin incluir el costo, si corresponde, de la instalación). Los precios pueden variar debido al tamaño del tanque, la exposición solar y la ubicación geográfica
- Muchos países, estados y servicios públicos ofrecen incentivos para la participación en energía renovable
Pros & cons
Pros
- No contaminante
- Ahorro de energía: No se necesita electricidad para termosifón pasivo
- Rentable
- Ahorro de espacio-(es decir. en interiores)
- Estética – (Colocación horizontal del tanque)
Contras
- La fontanería y las tuberías agregan costos adicionales al sistema
- Estética: Puede considerarse visualmente desagradable
- Se necesita una estructura de soporte fuerte (es decir, techo)
- No es adecuada para climas extremadamente fríos
- Ubicación: debe colocarse en un área con exposición solar adecuada (es decir, lado sur del área deseada)
Activo
También conocido como: sistemas de bombeo o sistemas divididos
Los sistemas de calefacción solar activos funcionan sobre la misma base del efecto termosifónico, sin embargo, los sistemas activos utilizan una fuente de energía distinta de la energía solar para ayudar a impulsar el proceso. Este sistema instala solo el colector solar en el techo, mientras que el tanque de almacenamiento se instala en el suelo o en cualquier otro lugar debajo. Estas unidades activas de calentamiento de agua requieren alguna forma externa de energía para bombear el agua en todo el sistema. Al utilizar energía adicional, estos sistemas activos son menos rentables que los sistemas pasivos.
Materiales
- Energía solar
- Colector solar
- Energía eléctrica
- Bomba eléctrica
- Tubería adicional
- Aislamiento
- Agua
- Tanque de almacenamiento
Costo
- La investigación actual sugiere (2007) que los calentadores de agua de termosifón activos pueden variar de $1,200 a $10,500. Los precios pueden variar debido al tamaño del tanque, los requisitos de tuberías internas, la exposición solar y la ubicación geográfica
- Muchos países, estados y servicios públicos ofrecen incentivos para la participación en energía renovable
Pros & contras
Pro’s
- Ahorro de dinero
- Rentable
- Estética: Tanque de almacenamiento no colocado en el techo
- Reducción de gases de efecto invernadero: Si está aislado adecuadamente, tiene el potencial de contaminar tan poco como los sistemas pasivos.
Con’s
- Utiliza más energía que un sistema pasivo
- Requiere más mantenimiento que un sistema pasivo
- Pérdida de calor – durante la transferencia del colector solar al tanque de almacenamiento a continuación
- Contamina algunos – del uso eléctrico
Intercambio de aire pasivo
Un ejemplo de un método de sistema de calefacción solar térmica pasiva es el intercambio de calor por termosifón. Se basa en el principio de convección natural, en el que el aire o el agua circulan en un circuito vertical de bucle cerrado sin usar una bomba. El aire frío en interiores viaja a través de una ventilación y se dirige a una abertura en la parte inferior de un colector solar. El aire contenido en el colector solar es calentado por el sol a través de la radiación solar. El aire frío es denso y se hundirá, mientras que el aire caliente es menos denso y se elevará. A medida que el aire se calienta dentro del colector solar, se vuelve menos denso que el aire más frío y se eleva. El aire caliente sale de un respiradero en la abertura superior del colector solar, se mueve hacia el área deseada (es decir, en el interior) y es reemplazado por aire más frío. Este proceso de intercambio de aire continuará hasta que la temperatura del aire interior alcance un equilibrio con la temperatura exterior.
Materiales
Tenga en cuenta: cuanto más grande sea el colector solar, mejor.
Colector solar
Marco
- 6 tableros verticales de 2 por 6 pulgadas-aparadores
- 2 por 6, y tableros de 2 por 8-alféizar superior
- tornillos retráctiles-se recomienda, pero no es necesario para acoplar
Esmalte
- paneles de policarbonato corrugado
- 10 paneles-26 en ancho por 8 pies de alto
- Pares de paneles superpuestos sobre una tira de madera vertical de 1 por 1 pulgada-hace paneles de 4 pies de ancho para cada bahía
- revestimiento resistente a los rayos ultravioleta-aplicar al lado orientado al sol para prolongar la longevidad
Absorción solar placa
- 2 pantalla de ventana de metal negro de capas: unida a través de la parte superior e inferior de las bahías
Respiraderos
- agujeros cortados a través del revestimiento del edificio
Nota: – las aletas de plástico evitarán el flujo de aire a través de los respiraderos superiores por la noche
Costo
- La investigación actual (2007) sugiere que los intercambiadores de calor pasivos pueden variar de $55.00 a 4 400. Los precios pueden variar debido al tamaño de los colectores, el aislamiento del área a calentar, la exposición solar y la ubicación geográfica.
- Muchos países, estados y servicios públicos ofrecen incentivos para la participación en energía renovable
Pros & cons
Pro’s
- Bajo costo
- Ahorrador de energía
- Reducción de la contaminación
- Se puede utilizar para enfriar la electrónica
Con’s
- Mayor mantenimiento – (es decir. cobertura durante tiempos de baja radiación solar)
- La ubicación geográfica puede alterar la efectividad
- Requiere el cierre manual de los amortiguadores de tiro trasero por la noche
- Se prefieren las instalaciones orientadas al sur
- Mapas Dinámicos, Datos GIS y Herramientas de Análisis del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) – Mapas Solares (2007) Disponible: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. «Termosifones: ¿Mejor enfoque para la refrigeración de la CPU?»Overclockers. 5 De agosto de 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. «Construir un Calentador Solar Simple» Noticias de la Madre Tierra. Enero 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- «Parte 2: Un Recorrido por las Aplicaciones de las Energías Renovables.»http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.uneptie.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, N. I., Belyakova, I. G. » Heat liberation during vapor condensation in a thermosiphon.»Journal of Engineering Physics 43 (3), pp.970-974, 1982.
- Diseño y rendimiento de un Termosifón Compacto. 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