Thermosiphon/ko
열사이퍼닝(thermosiphoning)은 적절한 기술 로 간주됩니다 . 이 공정은 천연 재생 자원과 열역학의 기본 법칙을 활용하여 가열된 공기 또는 물의 흐름을 생성합니다. 이 공정의 에너지원은 태양 복사(또는 다른 열원)입니다. 태양 에너지는 태양열 집열 장치에 포집되어 전도를 통해 공기 또는 물로 전달됩니다. 이 전체 과정은 열사이퍼닝 효과 로 설명할 수 있습니다 . 공기나 물이 가열되면 열원으로부터 운동 에너지를 얻어 여기됩니다. 결과적으로 물은 밀도가 낮아지고 팽창하여 상승합니다. 반대로 물이나 공기가 냉각되면 분자에서 에너지가 추출되어 물은 활동성이 떨어지고 밀도가 높아지며 "가라앉는" 경향이 있습니다. 열사이퍼닝은 차가운 유체와 뜨거운 유체 사이의 자연적인 밀도 차이를 활용하여 자연스러운 유체 흐름을 생성하는 시스템에서 이를 제어합니다. 현재 이 기술을 기반으로 하는 여러 시스템이 출시되어 있으며, 다음 글에서 더 자세히 알아볼 수 있습니다.
열사이펀 시스템의 원리는 찬물이 따뜻한 물보다 비중(밀도)이 더 크기 때문에 무거울수록 가라앉는다는 것입니다. 따라서 수집기는 항상 물 저장 탱크 아래에 설치되어 탱크의 찬물이 하강하는 수도관을 통해 수집기에 도달합니다. 수집기가 물을 가열하면 물은 다시 상승하여 수집기 상단에 있는 상승하는 수도관을 통해 탱크에 도달합니다. 탱크 → 수도관 → 수집기의 순환은 물이 평형 온도에 도달할 때까지 가열되도록 합니다. 그런 다음 소비자는 탱크 상단의 뜨거운 물을 사용할 수 있으며, 사용된 물은 바닥의 찬물로 대체됩니다. 그런 다음 수집기는 찬물을 다시 가열합니다. 높은 일사량에서는 온도 차이가 더 크기 때문에 따뜻한 물은 낮은 일사량보다 더 빨리 상승합니다. 따라서 물의 순환은 일사량 수준에 거의 완벽하게 적응합니다. 열사이펀 시스템의 저장 탱크는 집열기보다 훨씬 위에 위치해야 합니다. 그렇지 않으면 밤 동안 사이클이 역회전하여 모든 물이 식어버릴 수 있습니다. 또한, 높이 차이가 매우 작으면 사이클이 제대로 작동하지 않습니다. 일사량이 많고 평지붕 구조인 지역에서는 저장 탱크를 일반적으로 지붕에 설치합니다.
열 사이펀 시스템은 가정용 온수 시스템으로 매우 경제적입니다. 원리는 간단하여 펌프나 제어 장치가 필요하지 않습니다. 그러나 열 사이펀 시스템은 일반적으로 집수면이 10m²가 넘는 대형 시스템에는 적합하지 않습니다. 또한, 경사진 지붕이 있는 건물에서는 집수면 위에 탱크를 설치하기 어렵고, 단일 회로 열 사이펀 시스템은 서리가 내리지 않는 지역에만 적합합니다.
기본 물리학
열역학은 에너지를 연구하는 학문입니다 .
- 열역학 제1법칙 - 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수 있지만, 생성되거나 소멸될 수는 없다고 명시합니다. 에너지는 항상 보존됩니다.
이 법칙은 열사이펀 시스템에서 물의 이동에도 적용될 수 있습니다. 태양 에너지는 전도와 대류를 통해 물, 공기 또는 원하는 다른 매체로 전달됩니다. 이러한 자연 가열 과정은 화석 연료나 전기와 같은 외부 에너지원의 필요성을 없애줍니다.
- 열역학 제2법칙 - 모든 에너지 교환에서 시스템에 에너지가 유입되거나 유출되지 않으면, 해당 상태의 위치 에너지는 항상 초기 상태의 위치 에너지보다 작아진다는 법칙입니다. 시스템의 순수익은 항상 처음 투입된 에너지보다 작습니다.
에너지는 항상 보존되지만, 에너지(또는 이 경우 열)는 주어진 시스템에서 열로 손실되는 경우가 많습니다(열사이펀). 시스템과 배관에 적절한 R 값을 가진 단열재를 추가하면 열 손실을 크게 줄여 효율을 높일 수 있습니다.
- 플랑크의 법칙 - 표면에서 방출되는 복사선의 파장은 표면 온도에 비례합니다. 두 물체 사이의 온도 차이로 인해 에너지가 전달됩니다. 어두운 물체는 열을 흡수하고, 밝은 물체는 열을 반사합니다.
태양열 집열기 내부의 어두운 색상의 집열판은 태양열 흡수율을 높여 열사이펀(thermosiphon)에서 물이나 공기를 가열하는 데 필요한 열량을 증가시킵니다. 반대로, 반사성이 있거나 밝은 색상의 배관과 저장 탱크를 사용하는 것이 좋습니다. 밝은 색상은 시스템 외부로 방출되는 열 복사를 줄이는 데 도움이 됩니다.
수동 온수 난방
물의 수동 열 사이펀은 전기를 사용하거나 필요로 하지 않고 시스템 내에서 물을 가열하고 이동하는 과정입니다. 이 과정은 태양 에너지, 중력 및 사용 가능한 수원과 같은 자연 현상을 활용하여 작동합니다. 태양열 집열기, 배관 및 물 탱크는 가열 과정에 필요한 재료입니다. 물의 흐름은 태양열 집열기 안팎으로 분배됩니다. 차가운 물은 태양열 집열기 바닥으로 들어가 태양 복사에 의한 대류를 통해 가열됩니다. 물이 가열되면 차가운 물보다 밀도가 낮아지고 팽창한 다음 배관을 통해 상승( 흐릅니다 )합니다. 가열된 물은 태양열 집열기 상단에서 자연스럽게 배출됩니다. 차갑고 밀도가 높은 물은 가라앉아 가열될 때까지 태양열 집열기 내에 남아 있습니다. 차가운 물이 가열되면 팽창하고 상승하여 태양열 집열기 상단에서 밀려나 차가운 물이 태양열 집열기로 흐릅니다. 이 과정은 물의 온도가 태양 복사 입력과 평형에 도달할 때까지 자연스럽게 계속됩니다.
현재 이용 가능한 열사이펀 물 교환 시스템에는 두 가지 유형이 있습니다. 즉, 밀접 결합 시스템과 중력 공급 시스템입니다.
밀접 결합 시스템
.jpg)
밀접 결합 시스템은 위에서 언급한 수동 열사이펀과 동일한 원리로 작동합니다. 이러한 시스템의 저장 탱크는 수동 열사이펀 공정에 의해 구동되는 물 순환을 활용하기 위해 태양열 집열기 위에 설치되어야 합니다.
자료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 관
- 격리
- 물
- 저장 탱크
- 튼튼한 지붕 또는 기타 지지 시스템
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동형 열사이펀 온수기의 가격은 500달러에서 6,500달러 사이입니다. 가격은 탱크 크기, 일광 노출, 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공공 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 무공해
- 에너지 절약 - 수동 열 사이펀에 전기가 필요하지 않습니다.
- 비용 효율적
- 공간 절약 - (즉, 실내)
단점
- 탱크가 외부 환경 조건에 노출되면 지리적 위치에 따라 효율성이 떨어질 수 있습니다.
- 미학적 측면 - 시각적으로 보기에 좋지 않다고 여겨질 수 있음
- 튼튼한 지지 구조가 필요합니다(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않습니다
- 위치 - 적절한 일광 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
중력 공급 시스템
.jpg)
중력식 공급 시스템은 밀접 결합식 시스템과 동일한 수동 열사이퍼링 원리를 사용하지만, 탱크의 배치가 다릅니다. 탱크는 지붕에 수평으로 설치되는데, 지붕은 대개 태양열 집열기 바로 위에 위치합니다. 필요 시, 저장 탱크 내의 가열된 물은 저항이 가장 적은 경로로 중력을 통해 원하는 위치로 이동합니다. 중력식 시스템은 가열된 물을 분배하기 위해 더 많은 배관/배관이 필요하므로, 열사이퍼링 시스템을 설치하거나 구매할 때 이 점을 고려해야 합니다.
자료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 관
- 격리
- 물
- 저장 탱크
- 튼튼한 지붕 또는 기타 지지 시스템
비용
- 중력식 공급 시스템은 일반적으로 가장 저렴한 수동 열 사이펀 온수기입니다.
- 2007년 연구에 따르면 설치 비용은 400달러에서 5,500달러 사이(해당되는 경우 설치 비용 제외)에 달할 수 있습니다. 가격은 탱크 크기, 일조량, 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공공 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 무공해
- 에너지 절약 - 수동 열 사이펀에 전기가 필요하지 않습니다.
- 비용 효율적
- 공간 절약 - (즉, 실내)
- 미학 - (수평 탱크 배치)
단점
- 배관 및 배관은 시스템에 추가 비용을 추가합니다.
- 미학적 측면 - 시각적으로 보기에 좋지 않다고 여겨질 수 있음
- 튼튼한 지지 구조가 필요합니다(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않습니다
- 위치 - 적절한 일광 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
활성 온수 가열
.jpg)
펌프 시스템 또는 분할 시스템 이라고도 하는 능동형 태양열 난방 시스템은 열사이펀 효과를 기반으로 작동 하지만, 태양열 이외의 에너지원을 사용하여 난방 과정을 구동합니다. 이 시스템은 지붕에 태양열 집열기만 설치하고, 저장 탱크는 지면이나 그 아래 다른 곳에 설치합니다. 이러한 능동형 온수기는 물을 시스템 전체로 펌핑하기 위해 외부 에너지가 필요합니다. 이러한 능동형 시스템은 추가 에너지를 사용하므로 수동형 시스템보다 비용 효율성이 떨어집니다.
자료
- 태양 에너지
- 태양열 집열기
- 전력
- 전기 펌프
- 추가 배관
- 격리
- 물
- 저장 탱크
비용
- 2007년 연구에 따르면 활성형 열사이펀 온수기의 가격은 1,200달러에서 10,500달러 사이입니다. 가격은 탱크 크기, 내부 배관 요구 사항, 일광 노출, 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공공 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 돈 절약
- 비용 효율적
- 미적 측면 - 저장 탱크가 지붕에 설치되지 않음
- 온실 가스 감축 - 적절하게 단열하면 수동 시스템만큼 오염을 최소화할 수 있는 잠재력이 있습니다.
단점
- 수동 시스템보다 더 많은 에너지를 사용합니다.
- 수동 시스템보다 더 많은 유지 관리가 필요합니다.
- 열 손실 - 태양열 집열기에서 아래 저장 탱크로 이동하는 동안
- 전기 사용으로 인해 일부 오염이 발생합니다.
- 위치 - 적절한 일광 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
수동 공기 교환
_(3).jpg)
수동형 태양열 난방 시스템 방식의 한 예로 Thermosiphon Heat Exchange가 있습니다 . 이 시스템은 펌프를 사용하지 않고 수직 폐쇄 루프 회로에서 공기나 물을 순환시키는 자연 대류 원리를 기반으로 합니다. 실내의 차가운 공기는 통풍구를 통해 이동하여 태양열 집열기 바닥 의 개구부로 향합니다 . 태양열 집열기 내부에 있는 공기는 태양 복사를 통해 태양에 의해 가열됩니다. 차가운 공기는 밀도가 높아 가라앉고, 따뜻한 공기는 밀도가 낮아 올라갑니다. 태양열 집열기 내부에서 공기가 가열되면 차가운 공기보다 밀도가 낮아져 올라갑니다. 따뜻한 공기는 태양열 집열기 상단 개구부의 통풍구에서 올라가 원하는 영역(즉, 실내)으로 이동하고 차가운 공기로 대체됩니다. 이 공기 교환 과정은 실내 공기 온도가 실외 온도와 평형에 도달할 때까지 계속됩니다.
자료
- 태양열 집열기 - 태양열 집열기는 클수록 좋습니다.
- 액자
- 세로 2 x 6인치 보드 6개 - 사이드보드
- 2x6, 2x8 보드 - 상단 창틀
- 래그 나사 - 부착에 권장되지만 필수는 아닙니다.
- 잿물
- 골판지 폴리카보네이트 패널
- 10개 패널 - 폭 26인치, 높이 8피트
- 1 x 1인치 수직 목재 스트립 위에 겹쳐진 패널 쌍 - 각 베이에 대해 4피트 너비의 패널을 만듭니다.
- 자외선 차단 코팅 - 햇빛이 닿는 쪽에 도포하여 수명을 연장하세요.
- 태양열 흡수판
- 2겹의 검은색 금속 창 스크린 - 베이의 상단과 하단에 부착됨
- 통풍구
- 건물 외벽에 구멍을 뚫었습니다. 플라스틱 플랩은 밤에 위쪽 통풍구를 통해 공기가 역류하는 것을 방지합니다.
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동형 열교환기의 가격은 55달러에서 400달러 사이입니다. 가격은 집열기 크기, 난방 공간의 단열, 일사량, 그리고 지리적 위치에 따라 달라질 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공공 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 저렴한 비용
- 에너지 절약
- 오염 감소
- 전자제품을 냉각하는 데 사용할 수 있습니다
단점
- 유지 관리 강화 - (즉, 태양 복사량이 낮은 기간 동안 덮개 설치)
- 지리적 위치에 따라 효과가 달라질 수 있습니다.
- 밤에는 백드래프트 댐퍼를 수동으로 닫아야 합니다.
- 남향 설치가 선호됩니다
관련 프로젝트
참고문헌
- 국립 재생 에너지 연구소(NREL) 동적 지도, GIS 데이터 및 분석 도구 - 태양 지도(2007) 제공: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. "Thermosyphons - CPU 냉각에 대한 더 나은 접근법?" Overclockers. 2005년 8월 5일. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- 레이사, 게리. "간단한 태양열 히터 만들기" Mother Earth News, 2006년 1월 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "2부: 재생 에너지 응용 분야 둘러보기." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "열사이펀 내 증기 응축 중 열 방출." 공학물리학 저널 43(3), pp.970-974, 1982.
- 소형 열사이펀의 설계 및 성능. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. 우드러프 기계공학과. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
