Thermosiphon/de

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Die Thermosiphon-Technologie , auch Thermosiphoning genannt , gilt als geeignetes Verfahren . Sie nutzt natürliche, erneuerbare Ressourcen und die Grundgesetze der Thermodynamik, um erwärmte Luft oder Wasser in Bewegung zu setzen. Die Energiequelle ist Sonnenstrahlung (oder eine andere Wärmequelle). Die Sonnenenergie wird in einem Solarkollektor aufgefangen und durch Wärmeleitung an Luft oder Wasser übertragen. Der gesamte Prozess lässt sich durch den Thermosiphon-Effekt erklären : Wird Luft oder Wasser erwärmt, nimmt es kinetische Energie von der Wärmequelle auf und wird angeregt. Dadurch verringert sich die Dichte des Wassers, es dehnt sich aus und steigt auf. Kühlt man hingegen Wasser oder Luft ab, wird den Molekülen Energie entzogen, das Wasser wird weniger aktiv, dichter und sinkt ab. Die Thermosiphon-Technologie nutzt die natürlichen Dichteunterschiede zwischen kalten und warmen Flüssigkeiten und steuert sie in einem System, das eine natürliche Flüssigkeitsbewegung erzeugt. Verschiedene Systeme, die auf dieser Technologie basieren, sind bereits erhältlich und werden im Folgenden genauer beschrieben.

Das Prinzip des Thermosiphonsystems beruht darauf, dass kaltes Wasser eine höhere Dichte als warmes Wasser hat und daher aufgrund seines höheren Gewichts nach unten sinkt. Der Kollektor ist daher stets unterhalb des Wasserspeichers montiert, sodass kaltes Wasser aus dem Speicher über ein absteigendes Rohr zum Kollektor gelangt. Erwärmt der Kollektor das Wasser, steigt es wieder auf und gelangt über ein aufsteigendes Rohr am oberen Ende des Kollektors zurück in den Speicher. Dieser Kreislauf (Speicher → Rohr → Kollektor) sorgt dafür, dass das Wasser so lange erwärmt wird, bis es eine Gleichgewichtstemperatur erreicht hat. Der Verbraucher kann dann das warme Wasser aus dem oberen Bereich des Speichers entnehmen; verbrauchtes Wasser wird durch kaltes Wasser am unteren Ende ersetzt. Der Kollektor erwärmt anschließend das kalte Wasser erneut. Aufgrund der größeren Temperaturdifferenz bei höherer Sonneneinstrahlung steigt warmes Wasser schneller auf als bei geringerer Sonneneinstrahlung. Daher passt sich die Wasserzirkulation nahezu perfekt der Sonneneinstrahlung an. Der Speichertank eines Thermosiphonsystems muss deutlich über dem Kollektor positioniert sein, da der Kreislauf sonst nachts rückwärts laufen und das gesamte Wasser abkühlen kann. Zudem funktioniert das System bei sehr geringen Höhenunterschieden nicht einwandfrei. In Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung und Flachdacharchitektur werden Speichertanks üblicherweise auf dem Dach installiert.

Thermosiphonsysteme arbeiten als Warmwasserbereitungssysteme im Haushalt sehr wirtschaftlich. Das Prinzip ist einfach und benötigt weder Pumpe noch Steuerung. Allerdings eignen sich Thermosiphonsysteme in der Regel nicht für große Anlagen mit einer Kollektorfläche von mehr als 10 m². Zudem ist die Installation des Speichers über dem Kollektor in Gebäuden mit Schrägdächern schwierig, und einkreisige Thermosiphonsysteme sind nur für frostfreie Regionen geeignet.

Physik der Grundlagen

Die Thermodynamik ist die Lehre von der Energie .

• Erster Hauptsatz der Thermodynamik – Er besagt, dass Energie von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann, aber nicht erzeugt oder vernichtet werden kann. Energie bleibt stets erhalten.

Dieses Gesetz lässt sich auf die Wasserbewegung in Thermosiphonsystemen anwenden: Sonnenenergie wird gezielt auf Wasser, Luft oder ein anderes Medium Ihrer Wahl übertragen (durch Wärmeleitung und Konvektion). Dieser natürliche Erwärmungsprozess macht externe Energiequellen wie fossile Brennstoffe oder Strom überflüssig.

• Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass bei allen Energieaustauschvorgängen, wenn keine Energie in das System hinein- oder herausgeführt wird, die potenzielle Energie des Systems stets geringer ist als die des Ausgangszustands. Der Nettoertrag eines Systems ist immer geringer als die ursprünglich zugeführte Energie.

Energie bleibt stets erhalten, jedoch kann in einem System Energie (bzw. Wärme in diesem Fall) als Wärme verloren gehen (Thermosiphoning). Durch das Anbringen einer Dämmung mit geeigneten Wärmedurchgangskoeffizienten ( R-Werten ) am System und seinen Rohrleitungen lässt sich der Wärmeverlust deutlich reduzieren und somit die Effizienz steigern.

• Plancksches Strahlungsgesetz : Die Wellenlänge der von einer Oberfläche emittierten Strahlung ist proportional zur Temperatur der Oberfläche. Energie wird aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen zwei Objekten übertragen. Dunkle Objekte absorbieren Wärme, helle Objekte reflektieren sie.

Dunkel gefärbte Kollektorplatten im Solarkollektor erhöhen die Sonnenabsorption und damit die verfügbare Wärmemenge zur Erwärmung von Wasser oder Luft im Thermosiphonverfahren. Im Gegensatz dazu sollten reflektierende oder hell gefärbte Rohrleitungen und Speichertanks verwendet werden, da die hellen Farben die Wärmeabstrahlung aus dem System reduzieren.

Passive Wassererwärmung

Die passive Thermosiphonierung von Wasser ist ein Prozess, bei dem Wasser in einem System ohne Stromzufuhr erwärmt und bewegt wird. Dieser Prozess nutzt natürliche Phänomene wie Sonnenenergie, Schwerkraft und eine vorhandene Wasserquelle. Für die Erwärmung werden ein Solarkollektor, Rohrleitungen und ein Wassertank benötigt. Der Wasserfluss wird im Solarkollektor verteilt. Kaltes Wasser tritt unten in den Kollektor ein und wird dort durch Konvektion der Sonneneinstrahlung erwärmt. Erwärmtes Wasser ist weniger dicht als kaltes Wasser, dehnt sich aus und steigt durch die Rohrleitungen auf. Das erwärmte Wasser verlässt den Solarkollektor auf natürliche Weise oben. Das kältere und dichtere Wasser sinkt ab und verbleibt im Kollektor, bis es erwärmt wird. Beim Erwärmen dehnt sich das kalte Wasser aus, steigt auf und wird oben aus dem Kollektor gedrückt, wodurch kaltes Wasser nachströmen kann. Dieser Prozess setzt sich so lange fort, bis die Wassertemperatur ein Gleichgewicht mit der einfallenden Sonnenstrahlung erreicht hat.

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

mit enger Kopplung

Gekoppelte Systeme funktionieren nach dem gleichen Prinzip der passiven Thermosiphonwirkung, wie oben beschrieben. Der Speichertank dieser Systeme muss oberhalb des Solarkollektors angeordnet sein, um die durch den passiven Thermosiphonprozess erzeugte Wasserzirkulation zu nutzen.

Materialien

• Sonnenenergie
• Solarkollektor
• Rohrleitungen
• Isolierung
• Wasser
• Lagertank
• Stabiles Dach oder anderes Stützsystem

Kosten

• Laut einer Studie aus dem Jahr 2007 können passive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 500 und 6.500 US-Dollar kosten. Der Preis kann je nach Tankgröße, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren.
• Viele Länder, Bundesstaaten und Energieversorgungsunternehmen bieten Anreize für die Beteiligung an erneuerbaren Energien.

Profis

• Umweltfreundlich
• Energieeinsparung – Für die passive Thermosiphonierung wird kein Strom benötigt
• Kosteneffektiv
• Platzsparend - (d. h. für Innenräume)

Nachteile

• Die Einwirkung äußerer Umweltbedingungen auf den Tank kann je nach geografischer Lage die Effizienz verringern.
• Ästhetik – Kann als optisch unansehnlich empfunden werden.
• Eine stabile Tragkonstruktion (z. B. Dach) ist erforderlich.
• Nicht geeignet für extrem kalte Klimazonen.
• Standort - muss an einem Ort mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs).

Schwerkraftzufuhrsystem

Schwerkraftsysteme nutzen die gleichen Prinzipien der passiven Thermosiphonwirkung wie direkt gekoppelte Systeme, unterscheiden sich jedoch in der Platzierung des Speichers. Die Speicher werden horizontal in ein Dach eingelassen, oft direkt über dem Solarkollektor. Bei Bedarf fließt das erwärmte Wasser im Speicher den Weg des geringsten Widerstands entlang der Schwerkraft zum gewünschten Ort. Schwerkraftsysteme benötigen mehr Rohrleitungen zur Verteilung des erwärmten Wassers. Dieser Faktor sollte bei der Installation oder dem Kauf eines Thermosiphonsystems berücksichtigt werden.

Materialien

• Sonnenenergie
• Solarkollektor
• Rohrleitungen
• Isolierung
• Wasser
• Lagertank
• Stabiles Dach oder anderes Stützsystem

Kosten

• Schwerkraftsysteme sind in der Regel die kostengünstigsten passiven Thermosiphon-Warmwasserbereiter.
• Untersuchungen aus dem Jahr 2007 legen nahe, dass die Kosten zwischen 400 und 5.500 US-Dollar liegen können (gegebenenfalls ohne Installationskosten). Der Preis kann je nach Tankgröße, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren.
• Viele Länder, Bundesstaaten und Energieversorgungsunternehmen bieten Anreize für die Beteiligung an erneuerbaren Energien.

Profis

• Umweltfreundlich
• Energieeinsparung – Für die passive Thermosiphonierung wird kein Strom benötigt
• Kosteneffektiv
• Platzersparnis - (d. h. in Innenräumen)
• Ästhetik - (Horizontale Tankplatzierung)

Nachteile

• Sanitärinstallationen und Rohrleitungen verursachen zusätzliche Systemkosten.
• Ästhetik – Kann als optisch unansehnlich empfunden werden.
• Eine stabile Tragkonstruktion (z. B. Dach) ist erforderlich.
• Nicht geeignet für extrem kalte Klimazonen.
• Standort - muss an einem Ort mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs).

Aktive Warmwasserbereitung

Aktive Solarheizsysteme, auch bekannt als Pumpensysteme oder Split-Systeme , funktionieren nach dem gleichen Prinzip des Thermosiphon-Effekts . Sie nutzen jedoch neben der Sonnenenergie eine zusätzliche Energiequelle, um den Prozess anzutreiben. Bei diesem System wird lediglich der Solarkollektor auf dem Dach installiert, während der Speichertank im Erdreich oder an einem anderen Ort darunter aufgestellt wird. Diese aktiven Warmwasserbereiter benötigen externe Energie, um das Wasser durch das System zu pumpen. Durch den zusätzlichen Energiebedarf sind aktive Systeme weniger kosteneffizient als passive Systeme.

Materialien

• Sonnenenergie
• Solarkollektor
• Elektrische Energie
• Elektrische Pumpe
• Zusätzliche Rohrleitungen
• Isolierung
• Wasser
• Lagertank

Kosten

• Laut einer Studie aus dem Jahr 2007 können aktive Thermosiphon-Warmwasserbereiter zwischen 1.200 und 10.500 US-Dollar kosten. Die Preise können je nach Tankgröße, Anforderungen an die interne Verrohrung, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren.
• Viele Länder, Bundesstaaten und Energieversorgungsunternehmen bieten Anreize für die Beteiligung an erneuerbaren Energien.

Profis

• Geld sparen
• Kosteneffektiv
• Ästhetik – Der Lagertank befindet sich nicht auf dem Dach.
• Reduzierung von Treibhausgasen – Bei ordnungsgemäßer Isolierung hat es das Potenzial, genauso wenig Schadstoffe auszustoßen wie passive Systeme.

Nachteile

• Verbraucht mehr Energie als ein passives System
• Erfordert mehr Wartung als ein passives System
• Wärmeverlust – während des Wärmetransfers vom Solarkollektor zum darunter liegenden Speichertank
• Verschmutzt einige – durch den Stromverbrauch
• Standort - muss an einem Ort mit geeigneter Sonneneinstrahlung positioniert werden (z. B. Südseite des gewünschten Bereichs).

Passiver Luftaustausch

Ein Beispiel für ein passives solarthermisches Heizsystem ist der Thermosiphon-Wärmetauscher . Er basiert auf dem Prinzip der natürlichen Konvektion, bei der Luft oder Wasser in einem vertikalen, geschlossenen Kreislauf ohne Pumpe zirkuliert. Kühle Raumluft strömt durch eine Öffnung in den unteren Teil eines Solarkollektors. Die Luft im Kollektor erwärmt sich durch die Sonneneinstrahlung. Kühle Luft ist dichter und sinkt ab, warme Luft ist weniger dicht und steigt auf. Mit zunehmender Erwärmung im Kollektor wird die warme Luft weniger dicht als die kühlere Luft und steigt auf. Die warme Luft strömt durch eine Öffnung im oberen Teil des Kollektors in den gewünschten Raum (z. B. den Innenraum) und wird dort durch kühlere Luft ersetzt. Dieser Luftaustauschprozess setzt sich fort, bis die Raumtemperatur der Außentemperatur entspricht.

Materialien

• Solarkollektor – Je größer der Solarkollektor, desto besser.
• Rahmen
  • 6 vertikale 2-mal-6-Zoll-Bretter - Sideboards
  • 2x6- und 2x8-Bretter – Obere Schwelle
  • Holzschrauben – Empfohlen, aber nicht zwingend erforderlich für die Befestigung
• Glasur
  • Wellpolycarbonatplatten
  • 10 Paneele – 66 cm breit und 2,44 m hoch
  • Zwei Paneele überlappen sich auf einer 1 x 1 Zoll großen vertikalen Holzleiste – so entstehen 4 Fuß breite Paneele pro Feld.
  • UV-beständige Beschichtung – Zur Verlängerung der Lebensdauer auf die Sonnenseite auftragen.
• Solarabsorptionsplatte
  • 2-lagiges schwarzes Metall-Fenstergitter - An der Ober- und Unterseite der Erker befestigt
• Lüftungsschlitze
  • In die Gebäudefassade werden Löcher geschnitten – Kunststoffklappen verhindern nachts den Rückfluss von Luft durch die oberen Lüftungsöffnungen.

Kosten

• Untersuchungen aus dem Jahr 2007 legen nahe, dass passive Wärmetauscher zwischen 55,00 und 400 US-Dollar kosten können. Die Preise können je nach Größe des/der Kollektoren, Isolierung des zu beheizenden Bereichs, Sonneneinstrahlung und geografischer Lage variieren.
• Viele Länder, Bundesstaaten und Energieversorgungsunternehmen bieten Anreize für die Beteiligung an erneuerbaren Energien.

Profis

• Niedrige Kosten
• Energiesparer
• Reduzierung der Umweltverschmutzung
• Kann zur Kühlung von Elektronik verwendet werden.

Nachteile

• Erhöhter Wartungsaufwand – (d. h. Abdeckung bei geringer Sonneneinstrahlung)
• Der geografische Standort kann die Wirksamkeit beeinflussen
• Erfordert nachts manuelles Schließen der Rückschlagklappen.
• Südseitige Installationen bevorzugt

Verwandte Projekte

Samoa Hostel Thermosiphon-Solarduschensystem

Referenzen

• Nationales Labor für Erneuerbare Energien (NREL): Dynamische Karten, GIS-Daten und Analysetools – Solarkarten (2007). Verfügbar unter: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
• Citarella, Joe. „Thermosiphons – Eine bessere Methode zur CPU-Kühlung?“ Overclockers. 5. August 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
• Reysa, Gary. „Einen einfachen Solarheizer bauen“. Mother Earth News. Januar 2006. http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
• „Teil 2: Ein Überblick über Anwendungen erneuerbarer Energien.“ http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
• Mirmov, NI, Belyakova, IG "Wärmefreisetzung bei der Dampfkondensation in einem Thermosiphon." Journal of Engineering Physics 43(3), S. 970-974, 1982.
• Entwurf und Leistung eines kompakten Thermosiphons. 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

Externe Links

• Wikipedia:Thermosiphon