Das Prinzip des Thermosiphonsystems im Spiel.

Als geeignete Technologie gilt das Thermosiphoning, auch bekannt als Thermosyphoning. 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 Sonnenstrahlung (oder jede andere Wärmequelle): Die Energie der Sonne wird in einem Sonnenkollektor eingefangen und über Wärmeleitung entweder an Luft oder Wasser übertragen. Der gesamte Vorgang lässt sich durch den Thermosiphon-Effekt erklären: Wenn Luft oder Wasser erhitzt wird, erhält es kinetische Energie von der Heizquelle und wird angeregt. Dadurch verliert das Wasser an Dichte, dehnt sich aus und steigt dadurch auf. Wenn dagegen Wasser oder Luft gekühlt werden, wird den Molekülen Energie entzogen und das Wasser wird weniger aktiv, dichter und neigt zum "Absinken". Thermosiphoning macht sich die natürlichen Dichteunterschiede zwischen kalten und heißen Flüssigkeiten zunutze und steuert sie in einem System, das eine natürliche Flüssigkeitsbewegung erzeugt. Mehrere Systeme, die auf dieser Technologie basieren, sind derzeit erhältlich und können im folgenden Text ausführlicher nachgelesen werden.

Das Prinzip des Thermosyphon-Systems besteht darin, dass kaltes Wasser ein höheres spezifisches Gewicht (Dichte) als warmes Wasser hat und daher bei höherem Gewicht nach unten sinkt. Daher wird der Kollektor immer unterhalb des Wasserspeichers montiert, so dass kaltes Wasser aus dem Tank über eine absteigende Wasserleitung zum Kollektor gelangt. Erwärmt der Kollektor das Wasser, steigt das Wasser wieder auf und gelangt über ein Steigrohr am oberen Ende des Kollektors in den Speicher. Der Kreislauf Tank -> Wasserleitung -> Kollektor sorgt dafür, dass das Wasser erwärmt wird, bis es eine Gleichgewichtstemperatur erreicht. Der Verbraucher kann dann das heiße Wasser von oben im Tank nutzen, wobei verbrauchtes Wasser unten durch kaltes Wasser ersetzt wird. Der Kollektor erwärmt dann das kalte Wasser wieder. Aufgrund größerer Temperaturunterschiede bei höheren Sonneneinstrahlungen steigt warmes Wasser schneller als bei geringeren Einstrahlungen. Dadurch passt sich die Zirkulation des Wassers nahezu perfekt an die Sonneneinstrahlung an. Der Speicher einer Thermosyphonanlage muss weit über dem Kollektor positioniert werden, da sonst der Kreislauf nachts rückwärts laufen kann und das gesamte Wasser auskühlt. Außerdem funktioniert das Fahrrad bei sehr kleinen Höhenunterschieden nicht richtig. In Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung und Flachdacharchitektur werden Speicher meist auf dem Dach installiert.

Thermosiphon-Anlagen arbeiten als Trinkwassererwärmungsanlagen sehr wirtschaftlich und das Prinzip ist einfach, es braucht weder eine Pumpe noch eine Steuerung. Für Großanlagen, also solche mit mehr als 10 m² Kollektorfläche, sind Thermosyphonanlagen jedoch meist nicht geeignet. Außerdem ist es bei Gebäuden mit Dachschrägen schwierig, den Speicher über dem Kollektor zu platzieren, und Einkreis-Thermosyphonsysteme sind nur für frostfreie Regionen geeignet.

Zugrunde liegende Physik[edit | edit source]

Thermodynamik ist die Lehre von der Energie.

  • Erster Hauptsatz der Thermodynamik - besagt, dass Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, aber nicht erzeugt oder zerstört werden kann. - Energie wird immer gespart.

Dieses Gesetz kann auf die Bewegung von Wasser in einem 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. Dieser natürliche Erwärmungsprozess macht externe Energiequellen wie fossile Brennstoffe oder Strom überflüssig.

  • 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 kleiner sein wird als die des Anfangszustands. - Die Nettorendite eines Systems ist immer geringer als die ursprünglich eingesetzte.

Energie bleibt immer erhalten, jedoch kann Energie (oder in diesem Fall Wärme) in einem gegebenen System (Thermosiphonieren) 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

Durch Temperaturunterschiede zwischen zwei Objekten übertragene Energie - Dunkle Objekte absorbieren Wärme, während helle Objekte reflektieren

Dunkel gefärbte Sammelplatten innerhalb des Sonnenkollektors unterstützen die Erhöhung der Sonnenabsorption und erhöhen somit die Wärmemenge, die zum Erhitzen von Wasser oder Luft beim Thermosiphonieren zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu sollten reflektierende oder hell gefärbte Rohrleitungen und Speichertanks verwendet werden, da die hellen Farben dazu beitragen, die Wärmeabstrahlung aus dem System zu reduzieren.

Passive Warmwasserbereitung[edit | edit source]

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 durch Nutzung natürlicher Phänomene wie Sonnenenergie, Schwerkraft und einer verfügbaren Wasserquelle. Ein Solarkollektor, Rohrleitungen und ein Wassertank sind Materialien, die für den Heizprozess benötigt werden. Der Wasserstrom wird in, innerhalb und aus dem Sonnenkollektor verteilt. Kühles Wasser tritt unten in den Sonnenkollektor ein, wo es dann durch Konvektion durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird. Wenn Wasser erhitzt wird, wird es weniger dicht als kühleres Wasser, dehnt sich aus und steigt (fließt) dann durch die Rohrleitungen. Das erwärmte Wasser tritt auf natürliche Weise oben aus dem Sonnenkollektor aus. Das kühlere und dichtere Wasser sinkt ab und verbleibt im Sonnenkollektor, bis es erhitzt wird. Wenn das kühle Wasser erhitzt wird, dehnt es sich aus, steigt auf, wird aus der Oberseite des Sonnenkollektors herausgedrückt, wodurch kühles Wasser in den Sonnenkollektor fließen kann. Dieser Prozess setzt sich auf natürliche Weise fort, bis die Temperatur des Wassers ein Gleichgewicht mit der Sonneneinstrahlung erreicht.

Derzeit sind zwei Arten von Thermosiphon-Wasseraustauschsystemen erhältlich: das direkt gekoppelte System und das Schwerkraftsystem.

Nahgekoppeltes System[edit | edit source]

Schema

Direkt gekoppelte Systeme funktionieren nach denselben Prinzipien des oben erwähnten passiven Thermosiphonierens. Der Speicher dieser Systeme muss über dem Solarkollektor platziert werden, um die durch den passiven Thermosiphonprozess angetriebene Wasserzirkulation zu nutzen.

Materialien[edit | edit source]

  • Solarenergie
  • Solarkollektor
  • Rohrleitungen
  • Isolierung
  • Wasser
  • Lagertank
  • Starkes Dach oder anderes Stützsystem

Kosten[edit | edit source]

  • Aktuelle Untersuchungen (2007) deuten darauf hin, dass passive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 500 und 6.500 US-Dollar liegen können. Die Preise können je nach Tankgröße, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren
  • Viele Länder, Staaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien

Vorteile[edit | edit source]

  • Umweltfreundlich
  • Energieeinsparung - Kein Strom für passives Thermosiphoning erforderlich
  • Kosteneffizient
  • Platzsparend - (z. B. drinnen)

Nachteile[edit | edit source]

  • Die Einwirkung des Tanks auf äußere Umgebungsbedingungen kann je nach geografischer Lage die Effizienz verringern
  • Ästhetik – Kann als optisch unangenehm angesehen werden
  • Starke Stützstruktur erforderlich (z. B. Dach)
  • Nicht geeignet für extrem kaltes Klima
  • Standort - muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs)

Schwerkraftzufuhrsystem[edit | edit source]

Schwerkraftzufuhrsysteme verwenden die gleichen Prinzipien des passiven Thermosiphonierens wie das direkt gekoppelte System, jedoch unterscheidet sich die Platzierung des Tanks. Tanks werden horizontal in ein Dach eingebaut, das sich oft direkt über dem Solarkollektor befindet. Sobald es benötigt wird, nimmt das erwärmte Wasser im Speichertank den Weg des geringsten Widerstands und bewegt sich durch die Schwerkraft nach unten an den gewünschten Ort. Systeme mit Schwerkraftzufuhr erfordern mehr Rohrleitungen/Installationen, um das erwärmte Wasser zu verteilen, und dieser Faktor sollte bei der Installation oder dem Kauf eines Thermosiphonsystems berücksichtigt werden.

Materialien[edit | edit source]

Schema
  • Solarenergie
  • Solarkollektor
  • Rohrleitungen
  • Isolierung
  • Wasser
  • Lagertank
  • Starkes Dach oder anderes Stützsystem

Kosten[edit | edit source]

  • Schwerkraftsysteme sind in der Regel die kostengünstigsten passiven Thermosiphon-Warmwasserbereiter
  • Aktuelle Untersuchungen (2007) deuten darauf hin, dass die Kosten zwischen 400 und 5.500 US -Dollar liegen können (ohne gegebenenfalls die Installationskosten). Die Preise können je nach Tankgröße, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren
  • Viele Länder, Staaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien

Vorteile[edit | edit source]

  • Umweltfreundlich
  • Energieeinsparung - Kein Strom für passives Thermosiphoning erforderlich
  • Kosteneffizient
  • Platzersparnis - (z. B. drinnen)
  • Ästhetik - (Horizontale Tankplatzierung)

Nachteile[edit | edit source]

  • Klempnerarbeiten und Rohrleitungen fügen dem System zusätzliche Kosten hinzu
  • Ästhetik – Kann als optisch unangenehm angesehen werden
  • Starke Stützstruktur erforderlich (z. B. Dach)
  • Nicht geeignet für extrem kaltes Klima
  • Standort - muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs)

Aktive Warmwasserbereitung[edit | edit source]

Auch bekannt als: Pumpsysteme oder Splitsysteme

Schema

Aktive Solarheizungssysteme funktionieren auf der gleichen Grundlage des Thermosiphoneffekts, aktive Systeme nutzen jedoch eine andere Energiequelle als Sonnenenergie, um den Prozess voranzutreiben. Bei diesem System wird nur der Solarkollektor auf dem Dach installiert, während der Speicher auf dem Boden oder an einer anderen Stelle darunter installiert wird. Diese aktiven Wasserheizeinheiten 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[edit | edit source]

  • Solarenergie
  • Solarkollektor
  • Elektrische Energie
  • Elektrische Pumpe
  • Zusätzliche Verrohrung
  • Isolierung
  • Wasser
  • Lagertank

Kosten[edit | edit source]

  • Aktuelle Forschungsergebnisse (2007) legen nahe, dass aktive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 1.200 und 10.500 US-Dollar liegen können. Die Preise können je nach Tankgröße, internen Rohrleitungsanforderungen, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren
  • Viele Länder, Staaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien

Vorteile[edit | edit source]

  • Geld sparen
  • Kosteneffizient
  • Ästhetik - Lagertank nicht auf dem Dach platziert
  • Reduzierung von Treibhausgasen - Wenn es richtig isoliert ist, hat es das Potenzial, so wenig wie passive Systeme zu verschmutzen.

Nachteile[edit | edit source]

  • Verbraucht mehr Energie als ein passives System
  • Erfordert mehr Wartung als ein passives System
  • Wärmeverlust - während der Übertragung vom Sonnenkollektor zum darunter liegenden Speichertank
  • Verschmutzt einige - vom Stromverbrauch
  • Standort - muss in einem Bereich mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs)

Passiver Luftaustausch[edit | edit source]

Schema

Ein Beispiel für ein passives solarthermisches Heizsystemverfahren ist Thermosiphon Heat Exchange. Es basiert auf dem Prinzip der natürlichen Konvektion, bei der Luft oder Wasser in einem vertikalen geschlossenen Kreislauf ohne Verwendung einer Pumpe zirkuliert. Kühle Luft drinnen strömt durch eine Entlüftung und wird in eine Öffnung im Boden eines Sonnenkollektors geleitet. Die im Sonnenkollektor enthaltene Luft wird dann von der Sonne durch Sonneneinstrahlung erwärmt. Kalte Luft ist dicht und sinkt, während warme Luft weniger dicht ist und aufsteigt. Wenn sich die Luft im Solarkollektor 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 (dh nach innen) und wird durch kühlere Luft ersetzt. Dieser Luftaustauschprozess wird fortgesetzt, bis die Innenlufttemperatur ein Gleichgewicht mit der Außentemperatur erreicht hat.

Materialien[edit | edit source]

Denken Sie daran: Je größer der Solarkollektor, desto besser.

Solarkollektor

Rahmen

  • 6 vertikale 2 x 6 Zoll große Bretter – Sideboards
  • 2-mal-6 und 2-mal-8 Bretter - obere Schwelle
  • Zugschrauben - empfohlen, aber für die Befestigung nicht erforderlich

Glasur

  • Wellplatten aus Polycarbonat
  • 10 Paneele - 26 Zoll breit und 8 Fuß hoch
  • Paneelpaare, die über 1 x 1 Zoll vertikale Holzleisten überlappt sind – ergibt 4 Fuß breite Paneele für jede Bucht
  • UV-beständige Beschichtung - auf die der Sonne zugewandte Seite auftragen, um die Langlebigkeit zu verlängern

Solare Absorptionsplatte

  • 2-lagiges Fenstergitter aus schwarzem Metall – angebracht über der Ober- und Unterseite der Buchten

Lüftungsschlitze

  • Löcher schneiden durch die Abstellgleis des Gebäudes

Hinweis: - Kunststoffklappen verhindern nachts den Rückstrom von Luft durch die oberen Lüftungsöffnungen

Kosten[edit | edit source]

  • Aktuelle Untersuchungen (2007) deuten darauf hin, dass passive Wärmetauscher zwischen 55,00 und 400 US-Dollar liegen können. Die Preise können je nach Größe des/der Kollektoren, Isolierung der zu beheizenden Fläche, Sonneneinstrahlung und geografischen Lage variieren.
  • Viele Länder, Staaten und Versorgungsunternehmen bieten Anreize für die Teilnahme an erneuerbaren Energien

Vorteile[edit | edit source]

  • Kostengünstig
  • Energiesparer
  • Reduzierung der Umweltverschmutzung
  • Kann zur Kühlung von Elektronik verwendet werden

Nachteile[edit | edit source]

  • Erhöhte Pflege - (z. B. Abdeckung in Zeiten geringer Sonneneinstrahlung)
  • Die geografische Lage kann die Wirksamkeit verändern
  • Erfordert nachts das manuelle Schließen der Rückzugklappen
  • Südlage bevorzugt

Verweise[edit | edit source]

Externe Links[edit | edit source]

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