열 사이펀은 열 사이펀 이라고도 하며 적절한 기술 로 간주됩니다 . 이 프로세스는 자연적이고 재생 가능한 자원과 열역학의 기본 법칙을 활용 하여 가열된 공기 또는 물 공급의 움직임을 생성합니다. 이 프로세스의 에너지원은 태양 복사선(또는 다른 열원)입니다. 태양 에너지는 태양열 수집 장치에 포착되어 전도를 통해 공기 또는 물로 전달됩니다. 전체 프로세스는 열 사이펀 효과 로 설명할 수 있습니다 . 공기 또는 물이 가열되면 열원으로부터 운동 에너지를 얻어 흥분합니다. 결과적으로 물은 덜 밀도가 높아지고 팽창하여 상승합니다. 반면에 물 또는 공기가 냉각되면 분자에서 에너지가 추출되고 물은 덜 활동적이고 밀도가 높아지며 "가라앉는" 경향이 있습니다. 열 사이펀은 차가운 유체와 뜨거운 유체 간의 자연스러운 밀도 차이를 활용하여 자연스러운 유체 움직임을 생성하는 시스템에서 이를 제어합니다. 현재 이 기술을 기반으로 하는 여러 시스템이 사용 가능하며 다음 텍스트에서 더 자세히 읽을 수 있습니다.
열 사이펀 시스템의 원리는 차가운 물이 따뜻한 물보다 비중(밀도)이 더 크기 때문에 무거울수록 가라앉는다는 것입니다. 따라서 수집기는 항상 물 저장 탱크 아래에 장착되어 탱크의 차가운 물이 하강하는 물 파이프를 통해 수집기에 도달합니다. 수집기가 물을 가열하면 물이 다시 상승하여 수집기 상단에 있는 상승하는 물 파이프를 통해 탱크에 도달합니다. 탱크 → 물 파이프 → 수집기의 사이클은 물이 평형 온도에 도달할 때까지 가열되도록 합니다. 그런 다음 소비자는 탱크 상단의 뜨거운 물을 사용할 수 있으며 사용된 물은 바닥의 차가운 물로 대체됩니다. 그런 다음 수집기가 차가운 물을 다시 가열합니다. 높은 일사량에서 더 큰 온도 차이로 인해 따뜻한 물은 낮은 일사량에서보다 더 빨리 상승합니다. 따라서 물의 순환은 거의 완벽하게 일사량 수준에 적응합니다. 열 사이펀 시스템의 저장 탱크는 수집기보다 훨씬 위에 위치해야 합니다. 그렇지 않으면 사이클이 밤에 역방향으로 작동하여 모든 물이 식어 버립니다. 게다가 사이클은 높이 차이가 매우 작으면 제대로 작동하지 않습니다. 일사량이 높고 지붕이 평평한 지역에서는 저장 탱크를 일반적으로 지붕에 설치합니다.
Thermosyphon 시스템은 가정용 온수 시스템으로 매우 경제적으로 작동합니다. 원리는 간단하여 펌프나 제어 장치가 필요하지 않습니다. 그러나 Thermosyphon 시스템은 일반적으로 대형 시스템, 즉 수집기 표면이 10m²를 초과하는 시스템에 적합하지 않습니다. 또한 경사진 지붕이 있는 건물에서는 수집기 위에 탱크를 두는 것이 어렵고, 단일 회로 Thermosyphon 시스템은 서리 없는 지역에만 적합합니다.
내용물
기본 물리학
열역학은 에너지를 연구하는 학문입니다 .
- 열역학 제1법칙 - 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있지만, 생성되거나 파괴될 수 없다고 말합니다. 에너지는 항상 보존됩니다.
이 법칙은 열 사이펀 시스템에서 물의 움직임에 적용될 수 있습니다. 태양으로부터의 에너지는 물, 공기 또는 선택한 다른 매체로 전달됩니다(전도 및 대류를 통해). 이러한 자연적인 가열 과정은 화석 연료나 전기와 같은 외부 에너지원의 필요성을 없애줍니다.
- 열역학 제2법칙 - 모든 에너지 교환에서 에너지가 시스템에 들어오거나 나가지 않으면 상태의 잠재 에너지는 항상 초기 상태의 잠재 에너지보다 작을 것이라고 말합니다. 시스템의 순수익은 항상 처음 투입된 시스템보다 작습니다.
에너지는 항상 보존되지만, 에너지(또는 이 경우 열)는 종종 주어진 시스템(열사이펀)에서 열로 손실될 수 있습니다. 시스템과 배관에 적절한 R 값을 가진 단열재를 추가하면 열 손실을 크게 줄일 수 있고, 따라서 효율성을 높일 수 있습니다.
- 플랑크의 법칙 - 표면에서 방출되는 복사선의 파장은 표면의 온도에 비례합니다. 에너지는 두 물체 사이의 온도 차이로 인해 전달됩니다. 어두운 물체는 열을 흡수하는 반면 밝은 물체는 반사합니다.
태양열 집열기 내의 어두운 색상의 수집판은 태양열 흡수를 증가시키는 데 도움이 되므로 열 사이펀에서 물이나 공기를 가열하는 데 사용할 수 있는 열의 양을 늘립니다. 반면, 반사성 또는 밝은 색상의 파이프와 저장 탱크는 밝은 색상이 시스템에서 열 복사를 줄이는 데 도움이 되므로 활용해야 합니다.
수동 온수 난방
물의 수동적 열 사이펀은 전기를 필요로 하지 않거나 사용하지 않고 시스템 내에서 물을 가열하고 이동하는 과정입니다. 이 과정은 태양 에너지, 중력 및 사용 가능한 수원과 같은 자연 현상을 활용하여 작동합니다. 태양열 수집기, 파이프 및 물 탱크는 가열 과정에 필요한 재료입니다. 물의 흐름은 태양열 수집기 안, 안, 밖으로 분배됩니다. 차가운 물은 태양열 수집기 바닥으로 들어가서 태양 복사에 의한 대류를 통해 가열됩니다. 물이 가열되면 차가운 물보다 밀도가 낮아지고 확장된 다음 파이프를 통해 상승( 흐름 )합니다. 가열된 물은 태양열 수집기 상단에서 자연스럽게 빠져나갑니다. 더 차갑고 밀도가 높은 물은 가라앉아 가열될 때까지 태양열 수집기 내부에 남아 있습니다. 차가운 물이 가열되면 확장되고 상승하여 태양열 수집기 상단에서 밀려나 차가운 물이 태양열 수집기로 흐를 수 있습니다. 이 과정은 물의 온도가 태양 복사 입력과 평형에 도달할 때까지 자연스럽게 계속됩니다.
현재 이용 가능한 열사이펀 물 교환 시스템에는 밀접 결합 시스템과 중력 공급 시스템의 두 가지 유형이 있습니다.
밀접 결합 시스템
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근접 결합 시스템은 위에서 언급한 수동 열 사이펀과 동일한 원리로 작동합니다. 이러한 시스템의 저장 탱크는 수동 열 사이펀 프로세스에 의해 구동되는 물 순환을 활용하기 위해 태양열 수집기 위에 배치해야 합니다 .
재료
- 태양 에너지
- 태양열 수집기
- 관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
- 튼튼한 지붕 또는 기타 지지 시스템
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동형 열 사이펀 온수기의 가격은 500달러에서 6,500달러 사이입니다. 가격은 탱크 크기, 태양 노출, 지리적 위치에 따라 다를 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공익 서비스에서는 재생 에너지 참여 에 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 않을 수 있음
- 강력한 지지 구조가 필요합니다(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않습니다.
- 위치 - 적절한 태양 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
중력 공급 시스템
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중력 공급 시스템은 근접 결합 시스템과 동일한 수동 열 사이펀의 원리를 활용하지만 탱크의 배치는 다릅니다. 탱크는 종종 태양열 집열기 바로 위에 있는 지붕에 수평으로 설치됩니다. 필요할 때 저장 탱크 내의 가열된 물은 저항이 가장 적은 경로를 따라 중력을 통해 원하는 위치로 이동합니다. 중력 공급 시스템은 가열된 물을 분배하기 위해 더 많은 배관/배관이 필요하며, 열 사이펀 시스템을 설치하거나 구매할 때 이 요소를 고려해야 합니다.
재료
- 태양 에너지
- 태양열 수집기
- 관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
- 튼튼한 지붕 또는 기타 지지 시스템
비용
- 중력 공급 시스템은 일반적으로 가장 저렴한 수동 열 사이펀 온수기입니다.
- 2007년 연구에 따르면 비용은 $400에서 $5,500까지 다양할 수 있습니다(해당되는 경우 설치 비용은 제외). 가격은 탱크 크기, 태양 노출 및 지리적 위치에 따라 다를 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공익 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 파이핑은 시스템에 추가 비용을 추가합니다.
- 미학적 측면 - 시각적으로 보기에 좋지 않을 수 있음
- 강력한 지지 구조가 필요합니다(예: 지붕)
- 매우 추운 기후에는 적합하지 않습니다.
- 위치 - 적절한 태양 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
활성 물 가열
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펌프 시스템 또는 분할 시스템 이라고도 하는 활성 태양열 난방 시스템은 열 사이펀 효과 와 동일한 기준으로 작동 하지만 활성 시스템은 태양열 이외의 에너지원을 사용하여 프로세스를 구동합니다. 이 시스템은 지붕에 태양열 수집기만 설치하고 저장 탱크는 땅이나 그 아래의 다른 곳에 설치합니다. 이러한 활성 온수 장치는 시스템 전체에 물을 펌핑하기 위해 외부 형태의 에너지가 필요합니다. 이러한 활성 시스템은 추가 에너지를 사용하므로 수동 시스템보다 비용 효율성이 떨어집니다.
재료
- 태양 에너지
- 태양열 수집기
- 전기 에너지
- 전기 펌프
- 추가 배관
- 단열재
- 물
- 저장 창고
비용
- 2007년 연구에 따르면 액티브 열 사이펀 온수기의 가격은 1,200달러에서 10,500달러 사이일 수 있습니다. 가격은 탱크 크기, 내부 배관 요구 사항, 태양 노출 및 지리적 위치에 따라 다를 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공익 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 돈 절약
- 비용 효율적
- 미학 - 저장 탱크가 지붕에 배치되지 않음
- 온실 가스 감축 - 적절히 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 수집기에서 아래의 저장 탱크로 이동하는 동안
- 전기 사용으로 인해 일부 오염이 발생합니다.
- 위치 - 적절한 태양 노출이 있는 지역(예: 원하는 지역의 남쪽)에 위치해야 합니다.
수동 공기 교환
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수동 태양열 난방 시스템 방식의 한 예로는 Thermosiphon Heat Exchange가 있습니다 . 이것은 펌프를 사용하지 않고 수직 폐쇄 루프 회로에서 공기나 물을 순환시키는 자연 대류의 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 가라앉는 반면, 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.
재료
- 태양열 집열기 - 태양열 집열기는 클수록 좋습니다.
- 액자
- 6개의 수직 2 x 6인치 보드 - 사이드보드
- 2x6, 2x8 보드 - 상단 창틀
- 래그 나사 - 부착에 권장되지만 필수는 아님
- 글레이즈
- 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 덮개는 밤에 위쪽 통풍구를 통해 공기가 역류하는 것을 방지합니다.
비용
- 2007년 연구에 따르면 수동 열교환기의 가격은 $55.00에서 $400까지 다양합니다. 가격은 수집기 크기, 가열할 영역의 단열, 태양 노출 및 지리적 위치에 따라 다를 수 있습니다.
- 많은 국가, 주 및 공익 서비스에서는 재생 에너지 참여에 대한 인센티브를 제공합니다.
장점
- 저렴한 비용
- 에너지 절약
- 오염 감소
- 전자제품 냉각에 사용 가능
단점
- 유지 관리 강화 - (즉, 태양 복사열이 낮은 시간 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) 사용 가능: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. "Thermosyphons - CPU 냉각에 대한 더 나은 접근 방식?" Overclockers. 2005년 8월 5일. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- 레이사, 게리. "단순 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 프로그램 투어." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "열사이펀에서 증기 응축 중 열 방출." Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- 소형 Thermosyphon의 설계 및 성능. Aniruddha, P., Yogendra, J., Beitelmal, M, Patel, C., Wenger, T. Woodruff 기계공학과. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf
