Thermosifoneren , ook wel thermosifoneren genoemd , wordt als een geschikte technologie beschouwd . Dit proces maakt gebruik van natuurlijke, hernieuwbare hulpbronnen en de basiswetten van de thermodynamica om beweging van een verwarmde toevoer van lucht of water te creëren. De energiebron voor dit proces is zonnestraling (of een andere warmtebron). De energie van de zon wordt opgevangen in een zonnecollector en via geleiding overgedragen naar lucht of water. Het hele proces kan worden verklaard door het thermosifoneffect : wanneer lucht of water wordt verwarmd, krijgt het kinetische energie van de verwarmingsbron en raakt het opgewonden. Als gevolg hiervan wordt het water minder dicht, zet het uit en stijgt het dus. Wanneer water of lucht daarentegen wordt afgekoeld, wordt energie aan de moleculen onttrokken en wordt het water minder actief, dichter en heeft het de neiging te ‘zinken’. Thermosifoneren maakt gebruik van de natuurlijke dichtheidsverschillen tussen koude en warme vloeistoffen en controleert deze in een systeem dat natuurlijke vloeistofbewegingen produceert. Er zijn momenteel verschillende systemen beschikbaar die op deze technologie zijn gebaseerd, waarover u in de volgende tekst meer in detail kunt lezen.
Het principe van het thermosifonsysteem is dat koud water een hoger soortelijk gewicht (dichtheid) heeft dan warm water, en dat het zwaarder is, zal naar beneden zinken. Daarom wordt de collector altijd onder de wateropslagtank gemonteerd, zodat koud water uit de tank via een aflopende waterleiding de collector bereikt. Als de collector het water verwarmt, stijgt het water weer en bereikt het reservoir via een oplopende waterleiding aan de bovenkant van de collector. De cyclus van tank → waterleiding → collector zorgt ervoor dat het water wordt opgewarmd totdat het een evenwichtstemperatuur bereikt. De consument kan dan gebruik maken van het warme water uit de bovenkant van de tank, waarbij eventueel verbruikt water aan de onderkant wordt vervangen door koud water. De collector verwarmt het koude water vervolgens weer op. Door grotere temperatuurverschillen bij hogere zonnestraling stijgt warm water sneller dan bij lagere zonnestraling. Daarom past de watercirculatie zich vrijwel perfect aan het niveau van de zonnestraling aan. Bij een thermosifonsysteem moet de opslagtank ruim boven de collector worden geplaatst, anders kan de cyclus 's nachts achteruit lopen en koelt al het water af. Bovendien werkt de fiets bij hele kleine hoogteverschillen niet goed. In regio's met veel zonnestraling en platdakarchitectuur worden opslagtanks meestal op het dak geïnstalleerd.
Thermosyphon-systemen werken zeer economisch als verwarmingssystemen voor huishoudelijk water. Het principe is eenvoudig: er is geen pomp of bediening nodig. Thermosifonsystemen zijn echter meestal niet geschikt voor grote systemen, dat wil zeggen installaties met een collectoroppervlak van meer dan 10 m². Bovendien is het in gebouwen met schuine daken lastig om de tank boven de collector te plaatsen en zijn thermosifonsystemen met één circuit alleen geschikt voor vorstvrije gebieden.
Inhoud
Onderliggende natuurkunde
Thermodynamica is de studie van energie .
- Eerste wet van de thermodynamica : stelt dat energie van de ene vorm in de andere kan worden veranderd, maar niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Er wordt altijd energie bespaard.
Deze wet kan worden toegepast op de beweging van water in een thermosifonsysteem: energie van de zon wordt gericht en overgedragen (via geleiding en convectie) naar water, lucht of een ander medium naar keuze. Dit natuurlijke verwarmingsproces elimineert de behoefte aan externe energiebronnen zoals fossiele brandstoffen of elektriciteit.
- Tweede wet van de thermodynamica - Stelt dat bij alle energie-uitwisselingen, als er geen energie het systeem binnenkomt of verlaat, de potentiële energie van de staat altijd kleiner zal zijn dan die van de oorspronkelijke staat. Het netto rendement van een systeem is altijd lager dan het aanvankelijk ingelegde rendement.
Er wordt altijd energie behouden, maar in een bepaald systeem kan energie (of in dit geval warmte) vaak verloren gaan in de vorm van warmte (thermosifoneren). Het toevoegen van isolatie met de juiste R-waarden aan het systeem en de leidingen kan het warmteverlies aanzienlijk verminderen en zo de efficiëntie verhogen.
- Wet van Planck - De golflengte van de straling die door een oppervlak wordt uitgezonden, is evenredig met de temperatuur van het oppervlak. Energie die wordt overgedragen als gevolg van temperatuurverschillen tussen twee objecten. Donkere voorwerpen absorberen warmte, terwijl lichte voorwerpen reflecteren.
Donkergekleurde verzamelplaten in de zonnecollector helpen de zonne-absorptie te vergroten, waardoor de hoeveelheid warmte die beschikbaar is om water of lucht te verwarmen bij thermosifonering toeneemt. Daarentegen moeten reflecterende of lichtgekleurde leidingen en opslagtanks worden gebruikt, omdat de lichte kleuren de warmtestraling uit het systeem helpen verminderen.
Passieve waterverwarming
De passieve thermosifonering van water is het proces waarbij water binnen een systeem wordt verwarmd en verplaatst zonder dat er elektriciteit nodig is of wordt gebruikt. Dit proces functioneert door gebruik te maken van natuurlijke verschijnselen zoals zonne-energie, zwaartekracht en een beschikbare waterbron. Een zonnecollector , leidingen en een watertank zijn materialen die nodig zijn voor het verwarmingsproces. De waterstroom wordt in, binnen en uit de zonnecollector verdeeld. Koel water komt de bodem van de zonnecollector binnen, waar het vervolgens via convectie wordt verwarmd door zonnestraling. Wanneer water wordt verwarmd, wordt het minder dicht dan koeler water, zet het uit en stijgt ( stroomt ) vervolgens door de leidingen. Het verwarmde water verlaat op natuurlijke wijze de bovenkant van de zonnecollector. Het koelere en dichtere water zinkt en blijft in de zonnecollector totdat het wordt verwarmd. Terwijl het koele water wordt verwarmd, zet het uit, stijgt het en wordt het uit de bovenkant van de zonnecollector geduwd, waardoor koel water in de zonnecollector kan stromen. Dit proces gaat op natuurlijke wijze door totdat de temperatuur van het water een evenwicht bereikt met de input van zonnestraling.
Er zijn momenteel twee soorten thermosifon-wateruitwisselingssystemen beschikbaar: het kortgekoppelde systeem en het zwaartekrachttoevoersysteem.
Kortgekoppeld systeem
Kortgekoppelde systemen werken volgens dezelfde principes van passieve thermosifonering als hierboven vermeld. De opslagtank van deze systemen moet boven de zonnecollector worden geplaatst om gebruik te maken van de watercirculatie die wordt aangedreven door het passieve thermosifonproces.
Materialen
- Zonne energie
- Zonnepaneel
- Leidingen
- Isolatie
- Water
- Opslagtank
- Sterk dak of ander ondersteuningssysteem
Kosten
- Uit onderzoek uit 2007 blijkt dat passieve thermosifonboilers tussen de $ 500 en $ 6.500 kunnen kosten. De prijzen kunnen variëren als gevolg van de tankgrootte, blootstelling aan de zon en geografische locatie
- Veel landen, staten en nutsvoorzieningen bieden prikkels voor deelname aan hernieuwbare energie
Pluspunten
- Niet-vervuilend
- Energiebesparing - Geen elektriciteit nodig voor passieve thermosifonering
- Kostenefficiënt
- Ruimtebesparend - (dwz binnenshuis)
Nadelen
- Blootstelling van tanks aan externe omgevingsomstandigheden kan de efficiëntie verminderen, afhankelijk van de geografische locatie
- Esthetiek - Kan als visueel onaangenaam worden beschouwd
- Sterke ondersteunende structuur nodig (dwz dak)
- Niet geschikt voor extreem koude klimaten
- Locatie - moet worden geplaatst in een gebied met voldoende blootstelling aan de zon (dwz de zuidkant van het gewenste gebied)
Zwaartekracht-toevoersysteem
Zwaartekrachttoevoersystemen maken gebruik van dezelfde principes van passieve thermosifonering als het kortgekoppelde systeem, maar de plaatsing van de tank verschilt. Tanks worden horizontaal in een dak geplaatst, dat zich vaak direct boven de zonnecollector bevindt. Zodra het verwarmde water in de opslagtank nodig is, neemt het de weg van de minste weerstand en beweegt het zich via de zwaartekracht naar de gewenste locatie. Systemen met zwaartekrachttoevoer vereisen meer leidingen/loodgieterswerk om het verwarmde water te distribueren, en met deze factor moet rekening worden gehouden bij het installeren of kopen van een thermosifonsysteem.
Materialen
- Zonne energie
- Zonnepaneel
- Leidingen
- Isolatie
- Water
- Opslagtank
- Sterk dak of ander ondersteuningssysteem
Kosten
- Zwaartekrachtvoedingssystemen zijn doorgaans de goedkoopste passieve thermosifonboilers
- Uit onderzoek uit 2007 blijkt dat de kosten kunnen variëren van $400 tot $5.500 (exclusief de kosten -indien van toepassing- van de installatie). De prijzen kunnen variëren als gevolg van de tankgrootte, blootstelling aan de zon en geografische locatie
- Veel landen, staten en nutsvoorzieningen bieden prikkels voor deelname aan hernieuwbare energie
Pluspunten
- Niet-vervuilend
- Energiebesparing - Geen elektriciteit nodig voor passieve thermosifonering
- Kostenefficiënt
- Ruimtebesparing - (dwz binnenshuis)
- Esthetiek - (Horizontale tankplaatsing)
Nadelen
- Loodgieterswerk en leidingwerk voegen extra kosten toe aan het systeem
- Esthetiek - Kan als visueel onaangenaam worden beschouwd
- Sterke ondersteunende structuur nodig (dwz dak)
- Niet geschikt voor extreem koude klimaten
- Locatie - moet worden geplaatst in een gebied met voldoende blootstelling aan de zon (dwz de zuidkant van het gewenste gebied)
Actieve waterverwarming
Actieve zonneverwarmingssystemen, ook wel pompsystemen of gesplitste systemen genoemd , werken op dezelfde basis van het thermosifoneffect , maar actieve systemen gebruiken een andere energiebron dan zonne-energie om het proces aan te drijven. Bij dit systeem wordt alleen de zonnecollector op het dak geïnstalleerd, terwijl de opslagtank op de grond of ergens daaronder wordt geïnstalleerd. Deze actieve waterverwarmingseenheden hebben een externe vorm van energie nodig om het water door het systeem te pompen. Door extra energie te gebruiken, zijn deze actieve systemen minder kostenefficiënt dan passieve systemen.
Materialen
- Zonne energie
- Zonnepaneel
- Elektrische energie
- Elektrische pomp
- Extra leidingen
- Isolatie
- Water
- Opslagtank
Kosten
- Uit onderzoek uit 2007 blijkt dat actieve thermosifonboilers tussen de $ 1.200 en $ 10.500 kunnen kosten. De prijzen kunnen variëren als gevolg van de tankgrootte, de vereisten voor interne leidingen, blootstelling aan de zon en de geografische locatie
- Veel landen, staten en nutsvoorzieningen bieden prikkels voor deelname aan hernieuwbare energie
Pluspunten
- Geld besparen
- Kostenefficiënt
- Esthetiek - Opslagtank niet op het dak geplaatst
- Vermindering van broeikasgassen - Als het goed geïsoleerd is, heeft het het potentieel om net zo weinig te vervuilen als passieve systemen.
Nadelen
- Verbruikt meer energie dan een passief systeem
- Vereist meer onderhoud dan een passief systeem
- Warmteverlies - tijdens de overdracht van de zonnecollector naar de onderliggende opslagtank
- Vervuilt sommige - door het elektriciteitsverbruik
- Locatie - moet worden geplaatst in een gebied met voldoende blootstelling aan de zon (dwz de zuidkant van het gewenste gebied)
Passieve luchtuitwisseling
Een voorbeeld van een passieve thermische zonneverwarmingssysteemmethode is Thermosiphon Heat Exchange . Het is gebaseerd op het principe van natuurlijke convectie , waarbij lucht of water wordt gecirculeerd in een verticaal gesloten circuit zonder gebruik van een pomp. Koele lucht binnenshuis stroomt door een ventilatieopening en wordt naar een opening in de bodem van een zonnecollector geleid. De lucht in de zonnecollector wordt vervolgens via zonnestraling door de zon verwarmd . Koude lucht is compact en zal zinken, terwijl warme lucht minder compact is en zal stijgen. Naarmate de lucht in de zonnecollector opwarmt, wordt deze minder dicht dan de koelere lucht en stijgt. De warme lucht stijgt op uit een ventilatieopening in de bovenste opening van de zonnecollector, beweegt zich naar de gewenste ruimte (dwz binnenshuis) en wordt vervangen door koelere lucht. Dit luchtuitwisselingsproces gaat door totdat de binnenluchttemperatuur een evenwicht bereikt met de buitentemperatuur.
Materialen
- Zonnecollector - Hoe groter de zonnecollector, hoe beter.
- Kader
- 6 verticale planken van 2 bij 6 inch - Dressoirs
- 2 bij 6 en 2 bij 8 planken - Bovendorpel
- Lagschroeven - Aanbevolen, maar niet noodzakelijk voor bevestiging
- Glazuur
- Gegolfde polycarbonaatpanelen
- 10 panelen - 26 inch breed bij 2,5 meter hoog
- Paren panelen die elkaar overlappen over een verticale houten strook van 1 bij 1 inch - Maakt panelen van 1,20 meter breed voor elke baai
- Ultravioletbestendige coating - Aanbrengen op de zongerichte zijde om de levensduur te verlengen
- Zonne-absorptieplaat
- 2 lagen zwart metalen raamscherm - Bevestigd aan de boven- en onderkant van baaien
- Ventilatieopeningen
- Gaten in de gevelbeplating van het gebouw - Kunststof flappen voorkomen dat de lucht 's nachts door de bovenste ventilatieopeningen terugstroomt.
Kosten
- Uit onderzoek uit 2007 blijkt dat passieve warmtewisselaars kunnen variëren van $ 55,00 tot $ 400. De prijzen kunnen variëren afhankelijk van de grootte van de collector(en), de isolatie van het te verwarmen gebied, de blootstelling aan de zon en de geografische locatie.
- Veel landen, staten en nutsvoorzieningen bieden prikkels voor deelname aan hernieuwbare energie
Pluspunten
- Goedkoop
- Energie bespaarder
- Vermindering van vervuiling
- Kan worden gebruikt om elektronica te koelen
Nadelen
- Verhoogd onderhoud - (dwz bedekking tijdens tijden van lage zonnestraling)
- Geografische locatie kan de effectiviteit beïnvloeden
- Vereist handmatige sluiting van de terugslagkleppen 's nachts
- Op het zuiden gelegen termijnen hebben de voorkeur
Gerelateerde projecten
Referenties
- National Renewable Energy Laboratory (NREL) Dynamische kaarten, GIS-gegevens en analysehulpmiddelen - Solar Maps (2007) Beschikbaar: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarella, Joe. "Thermosyphons - betere aanpak voor CPU-koeling?" Overklokkers. 5 augustus 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. "Bouw een eenvoudige zonneboiler" Moeder Aarde Nieuws. Januari 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Deel 2: een rondleiding door toepassingen voor hernieuwbare energie." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "Warmtevrijgave tijdens dampcondensatie in een thermosifon." Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- Ontwerp en prestaties van een compacte thermosifon. 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