Принцип дії термосифонної системи.Термосифонування , також відоме як термосифонування , вважається відповідною технологією . Цей процес використовує природні відновлювані ресурси та основні закони термодинаміки для створення руху нагрітого повітря або води. Джерелом енергії для цього процесу є сонячне випромінювання (або будь-яке інше джерело тепла). Енергія сонця вловлюється в сонячному колекторі та передається або повітрю, або воді через провідність. Весь процес можна пояснити ефектом термосифонування : коли повітря або вода нагріваються, вони отримують кінетичну енергію від джерела нагріву та збуджуються. В результаті вода стає менш щільною, розширюється і таким чином піднімається. Навпаки, коли вода або повітря охолоджуються, енергія витягується з молекул, і вода стає менш активною, більш щільною та має тенденцію «тонути». Термосифонування використовує природні відмінності щільності холодних і гарячих рідин і контролює їх у системі, яка створює природний рух рідини. Наразі доступно кілька систем, заснованих на цій технології, про які можна прочитати більш детально в наступному тексті.
Принцип термосифонної системи полягає в тому, що холодна вода має вищу питому вагу (густину), ніж тепла вода, тому, будучи важчою, вона опускається. Тому колектор завжди встановлюється нижче резервуара для зберігання води, щоб холодна вода з резервуара надходила до колектора по низхідній водопровідній трубі. Якщо колектор нагріває воду, вода знову піднімається і досягає резервуара через висхідну водопровідну трубу у верхньому кінці колектора. Цикл бак → водопровід → колектор забезпечує нагрівання води до досягнення рівноважної температури. Потім споживач може використовувати гарячу воду з верхньої частини бака, при цьому будь-яка використана вода замінюється холодною водою знизу. Після цього колектор знову нагріває холодну воду. Через більшу різницю температур при вищому сонячному освітленні тепла вода піднімається швидше, ніж при меншому освітленні. Таким чином, циркуляція води майже ідеально адаптується до рівня сонячного випромінювання. Накопичувальний бак термосифонної системи повинен бути розташований значно вище колектора, інакше вночі цикл може працювати у зворотному напрямку, і вся вода охолоне. Крім того, цикл не працює належним чином за дуже малих перепадів висоти. У регіонах з високим сонячним опроміненням і архітектурою з плоскими дахами накопичувальні баки зазвичай встановлюються на даху.
Термосифонні системи працюють дуже економічно, як системи опалення побутової води. Принцип простий, не потребує ні насоса, ні регулятора. Однак термосифонні системи зазвичай не підходять для великих систем, тобто таких, що мають площу колектора більше 10 м². Крім того, в будівлях з похилим дахом складно розташувати ємність над колектором, а одноконтурні термосифонні системи підходять тільки для неморозних регіонів.
Зміст
Основна фізика
Термодинаміка вивчає енергію .
- Перший закон термодинаміки - стверджує, що енергія може переходити з однієї форми в іншу, але не може бути створена або знищена. Енергія завжди зберігається.
Цей закон можна застосувати до руху води в термосифонній системі: енергія від сонця спрямовується та передається (через провідність і конвекцію) воді, повітрю чи іншому середовищу за вибором. Цей природний процес нагрівання усуває потребу у зовнішніх джерелах енергії, таких як викопне паливо або електроенергія.
- Другий закон термодинаміки - стверджує, що в усіх енергетичних обмінах, якщо енергія не надходить або не виходить із системи, потенційна енергія стану завжди буде меншою, ніж у початковому стані. Чистий прибуток системи завжди менший, ніж той, який було введено спочатку.
Енергія завжди зберігається, однак енергія (або тепло в даному випадку) часто може втрачатися в даній системі (термосифонування) у вигляді тепла. Додавання ізоляції з відповідними значеннями R до системи та її сантехніки може значно зменшити втрати тепла та, таким чином, підвищити ефективність.
- Закон Планка - довжина хвилі випромінювання, що випускається поверхнею, пропорційна температурі поверхні. Енергія, що передається в результаті різниці температур між двома об'єктами. Темні предмети поглинають тепло, а світлі відбивають.
Колекторні пластини темного кольору всередині сонячного колектора сприятимуть збільшенню сонячного поглинання, таким чином збільшуючи кількість тепла, доступного для нагрівання води або повітря в термосифоні. Навпаки, слід використовувати світловідбиваючі або світлопофарбовані труби та резервуари для зберігання, оскільки світлі кольори допоможуть зменшити теплове випромінювання з системи.
Пасивний нагрів води
Пасивне термосифонування води - це процес нагрівання та переміщення води в системі без потреби або використання електроенергії. Цей процес функціонує за рахунок використання природних явищ, таких як сонячна енергія, гравітація та доступне джерело води. Сонячний колектор , труби та резервуар для води – це матеріали, необхідні для процесу опалення. Потік води розподіляється в сонячний колектор, всередині та з нього. Прохолодна вода потрапляє в нижню частину сонячного колектора, де потім нагрівається через конвекцію сонячного випромінювання. Коли вода нагрівається, вона стає менш щільною, ніж холодніша вода, розширюється, а потім піднімається ( тече ) по трубопроводу. Нагріта вода виходить з верхньої частини сонячного колектора природним шляхом. Холодніша та густіша вода опускається та залишається всередині сонячного колектора, поки він не нагріється. Коли прохолодна вода нагрівається, вона розширюється, піднімається, виштовхується з верхньої частини сонячного колектора, дозволяючи прохолодній воді надходити в сонячний колектор. Цей процес триває природним чином, поки температура води не досягне рівноваги з сонячним випромінюванням.
В даний час доступні два типи термосифонних систем водообміну: щільно з’єднана система і гравітаційна система.
Замкнута система
.jpg)
СхемиЗакриті системи функціонують на тих же принципах пасивного термосифонування, про які йшлося вище. Накопичувальний бак у цих системах повинен бути розміщений над сонячним колектором, щоб використовувати циркуляцію води, викликану процесом пасивного термосифонування.
Матеріали
- Сонячна енергія
- Сонячний колектор
- Трубопроводи
- Ізоляція
- вода
- Резервуар для зберігання
- Міцний дах або інша опорна система
Вартість
- Дослідження 2007 року показують, що пасивні термосифонні водонагрівачі можуть коливатися від 500 до 6500 доларів. Ціна може змінюватися в залежності від розміру резервуара, впливу сонячних променів і географічного розташування
- Багато країн, штатів і комунальних служб надають стимули для участі у відновлюваних джерелах енергії
плюси
- Екологічний
- Економія енергії - для пасивного термосифонування не потрібна електроенергія
- Економічно ефективним
- Економія місця - (тобто в приміщенні)
мінуси
- Вплив зовнішнього середовища на резервуар може знизити ефективність залежно від географічного розташування
- Естетика – може вважатися візуально неприємним
- Потрібна міцна опорна конструкція (наприклад, дах)
- Не підходить для надзвичайно холодного клімату
- Розташування - має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто південна сторона бажаної області)
Гравітаційна система живлення
.jpg)
СхемиУ системах гравітаційного живлення використовуються ті ж принципи пасивного термосифонування, що й у системах із закритим сполученням, однак розташування бака відрізняється. Резервуари встановлюються горизонтально в дах, який часто розташований безпосередньо над сонячним колектором. У разі потреби нагріта вода в накопичувальному резервуарі проходить шлях найменшого опору та рухається під дією сили тяжіння вниз у потрібне місце. Гравітаційні системи вимагають більше трубопроводів/сантехніки для розподілу нагрітої води, і цей фактор слід брати до уваги при встановленні або купівлі системи термосифонування.
Матеріали
- Сонячна енергія
- Сонячний колектор
- Трубопроводи
- Ізоляція
- вода
- Резервуар для зберігання
- Міцний дах або інша опорна система
Вартість
- Гравітаційні системи, як правило, є найменш дорогими пасивними термосифонними водонагрівачами
- Дослідження 2007 року свідчать про те, що вартість може коливатися від 400 до 5500 доларів США (не враховуючи вартість встановлення – якщо це можливо). Ціна може змінюватися в залежності від розміру резервуара, впливу сонячних променів і географічного розташування
- Багато країн, штатів і комунальних служб надають стимули для участі у відновлюваних джерелах енергії
плюси
- Екологічний
- Економія енергії - для пасивного термосифонування не потрібна електроенергія
- Економічно ефективним
- Економія місця - (тобто в приміщенні)
- Естетика - (Горизонтальне розміщення бака)
мінуси
- Сантехніка та труби додають додаткові витрати на систему
- Естетика – може вважатися візуально неприємним
- Потрібна міцна опорна конструкція (наприклад, дах)
- Не підходить для надзвичайно холодного клімату
- Розташування - має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто південна сторона бажаної області)
Активний нагрів води
.jpg)
СхемиАктивні сонячні системи опалення, також відомі як насосні системи або спліт-системи , функціонують на тій самій основі термосифонного ефекту , однак активні системи використовують джерело енергії, відмінне від сонячної енергії, щоб допомогти керувати процесом. Ця система встановлює лише сонячний колектор на даху, тоді як накопичувальний резервуар встановлюється на землі або де-небудь ще внизу. Ці активні водонагрівачі потребують певної зовнішньої форми енергії для перекачування води по всій системі. Завдяки використанню додаткової енергії ці активні системи менш економічні, ніж пасивні системи.
Матеріали
- Сонячна енергія
- Сонячний колектор
- Електрична енергія
- Електричний насос
- Додаткові трубопроводи
- Ізоляція
- вода
- Резервуар для зберігання
Вартість
- Дослідження 2007 року показують, що активні термосифонні водонагрівачі можуть коливатися від 1200 до 10 500 доларів США. Ціна може змінюватися в залежності від розміру резервуара, вимог до внутрішніх трубопроводів, впливу сонячних променів і географічного розташування
- Багато країн, штатів і комунальних служб надають стимули для участі у відновлюваних джерелах енергії
плюси
- Економія грошей
- Економічно ефективним
- Естетичність - резервуар не розміщений на даху
- Зменшення викидів парникових газів - якщо ізольовано належним чином, воно має потенціал забруднювати так само мало, як пасивні системи.
мінуси
- Споживає більше енергії, ніж пасивна система
- Потребує більше обслуговування, ніж пасивна система
- Втрати тепла - під час передачі від сонячного колектора до накопичувальної ємності, розташованої нижче
- Дещо забруднює - від використання електрики
- Розташування - має бути розташоване в зоні з відповідним сонячним освітленням (тобто південна сторона бажаної області)
Пасивний повітрообмін
_(3).jpg)
СхемиПрикладом методу пасивної системи сонячного теплового опалення є термосифонний теплообмін . Він заснований на принципі природної конвекції , коли повітря або вода циркулюють у вертикальному замкнутому контурі без використання насоса. Прохолодне повітря в приміщенні проходить через вентиляційний отвір і спрямовується в отвір у нижній частині сонячного колектора. Повітря, що міститься в сонячному колекторі, потім нагрівається сонцем за допомогою сонячного випромінювання . Прохолодне повітря є щільним і буде опускатися, тоді як тепле повітря менш щільне і буде підніматися. Коли повітря всередині сонячного колектора нагрівається, воно стає менш щільним, ніж більш прохолодне повітря, і піднімається вгору. Тепле повітря піднімається з вентиляційного отвору у верхньому отворі сонячного колектора, переміщується в потрібну зону (тобто в приміщення) і замінюється більш прохолодним повітрям. Цей процес повітрообміну триватиме, поки температура повітря в приміщенні не досягне рівноваги з температурою на вулиці.
Матеріали
- Сонячний колектор – чим більший сонячний колектор, тим краще.
- рамка
- 6 вертикальних дощок 2 на 6 дюймів - Серванти
- Дошки 2 на 6 і 2 на 8 - Верхній поріг
- Гвинти з затримкою - рекомендовано, але не обов'язково для кріплення
- глазурувати
- Гофровані полікарбонатні панелі
- 10 панелей - 26 дюймів завширшки і 8 футів заввишки
- Пари панелей, накладених внахлест на вертикальну дерев’яну смугу 1 на 1 дюйм – створюють панелі шириною 4 фути для кожної секції
- Покриття, стійке до ультрафіолетового випромінювання - нанесіть на сонячну сторону, щоб продовжити термін служби
- Сонячна абсорбційна плита
- 2-шарова чорна металева віконна сітка - прикріплена вгорі та внизу відсіків
- вентиляційні отвори
- Отвори, прорізані в сайдингу будівлі - Пластикові клапани запобігатимуть зворотному потоку повітря через верхні вентиляційні отвори вночі.
Вартість
- Дослідження 2007 року показують, що пасивні теплообмінники можуть коливатися від 55,00 до 400 доларів. Ціна може змінюватись залежно від розміру колектора/колекторів, ізоляції зони, що опалюється, сонячного опромінення та географічного розташування.
- Багато країн, штатів і комунальних служб надають стимули для участі у відновлюваних джерелах енергії
плюси
- Низька вартість
- Енергозберігач
- Зменшення забруднення
- Може використовуватися для охолодження електроніки
мінуси
- Підвищене обслуговування - (тобто покриття під час низької сонячної радіації)
- Географічне положення може змінити ефективність
- Потрібне ручне закриття задньої тяги на ніч
- Бажано розміщення на південній стороні
Пов'язані проекти
Список літератури
- Динамічні карти Національної лабораторії відновлюваної енергетики (NREL), дані ГІС та інструменти аналізу – карти Сонця (2007) Доступно: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Цитарелла, Джо. "Термосифони - кращий підхід до охолодження ЦП?" Оверклокери. 5 серпня 2005 р. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Рейса, Гері. «Створіть простий сонячний обігрівач» Mother Earth News. Січень 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Частина 2: огляд застосувань відновлюваної енергії". http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Мірмов Н. І., Бєлякова І. Г. Тепловиділення при конденсації пари в термосифоні. Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- Конструкція та продуктивність компактного термосифона. Аніруддха, П., Йогендра, Дж., Бейтелмал, М, Патель, К., Венгер, Т. Вудрафф Школа машинобудування. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
