A termossifão , também conhecida como termossifão , é considerada uma tecnologia adequada . Este processo utiliza recursos naturais renováveis e as leis básicas da termodinâmica para criar o movimento de um suprimento aquecido de ar ou água. A fonte de energia para este processo é a radiação solar (ou qualquer outra fonte de calor). A energia do sol é capturada em um dispositivo de coleta solar e transferida para o ar ou para a água por condução. Todo o processo pode ser explicado pelo efeito termossifão : quando o ar ou a água são aquecidos, ganham cinéticaenergia da fonte de aquecimento e fica excitado. Como resultado, a água torna-se menos densa, expande-se e, portanto, sobe. Em contraste, quando a água ou o ar são resfriados, a energia é extraída das moléculas e a água se torna menos ativa, mais densa e tende a “afundar”. A termossifão aproveita as diferenças naturais de densidade entre fluidos frios e quentes e os controla em um sistema que produz movimento natural do fluido. Vários sistemas baseados nesta tecnologia estão atualmente disponíveis e podem ser lidos com mais detalhes no texto a seguir.
O princípio do sistema termossifão é que a água fria tem uma gravidade específica (densidade) maior do que a água quente e, portanto, sendo mais pesada, afundará. Portanto, o coletor é sempre montado abaixo do reservatório de água, de forma que a água fria do reservatório chegue ao coletor através de uma tubulação de água descendente. Se o coletor aquecer a água, a água sobe novamente e chega ao tanque através de um tubo ascendente na extremidade superior do coletor. O ciclo tanque → cano d’água → coletor garante que a água seja aquecida até atingir a temperatura de equilíbrio. O consumidor pode então aproveitar a água quente da parte superior do tanque, sendo que a água utilizada é substituída por água fria na parte inferior. O coletor então aquece novamente a água fria. Devido às maiores diferenças de temperatura em irradiâncias solares mais altas, a água quente sobe mais rápido do que em irradiâncias mais baixas. Portanto, a circulação da água adapta-se quase perfeitamente ao nível de irradiação solar. O tanque de armazenamento do sistema termossifão deve ser posicionado bem acima do coletor, caso contrário o ciclo pode funcionar ao contrário durante a noite e toda a água esfriará. Além disso, o ciclo não funciona adequadamente com diferenças de altura muito pequenas. Em regiões com alta irradiação solar e arquitetura de telhado plano, os tanques de armazenamento geralmente são instalados no telhado. o ciclo não funciona corretamente com diferenças de altura muito pequenas. Em regiões com alta irradiação solar e arquitetura de telhado plano, os tanques de armazenamento geralmente são instalados no telhado. o ciclo não funciona corretamente com diferenças de altura muito pequenas. Em regiões com alta irradiação solar e arquitetura de telhado plano, os tanques de armazenamento geralmente são instalados no telhado.
Os sistemas termossifão funcionam de forma muito económica como sistemas de aquecimento de água doméstica. O princípio é simples, não necessitando nem de bomba nem de controle. Porém, os sistemas termossifão geralmente não são adequados para sistemas de grande porte, ou seja, aqueles com mais de 10 m² de superfície coletora. Além disso, é difícil colocar o tanque acima do coletor em edifícios com telhados inclinados, e os sistemas termossifões de circuito único são adequados apenas para regiões sem gelo.
Contents
Física subjacente
Termodinâmica é o estudo da energia .
- Primeira lei da termodinâmica – Afirma que a energia pode ser transformada de uma forma para outra, mas não pode ser criada ou destruída. A energia é sempre conservada.
Esta lei pode ser aplicada ao movimento da água no sistema termossifão: a energia do sol é direcionada e transferida (por condução e convecção) para a água, o ar ou outro meio de sua escolha. Este processo natural de aquecimento elimina a necessidade de fontes externas de energia, como combustíveis fósseis ou eletricidade.
- Segunda lei da termodinâmica – Afirma que em todas as trocas de energia, se nenhuma energia entrar ou sair do sistema, a energia potencial do estado será sempre menor que a do estado inicial. O retorno líquido de um sistema é sempre inferior ao inicialmente investido.
A energia é sempre conservada, porém a energia (ou calor, neste caso) pode muitas vezes ser perdida em um determinado sistema (termossifão) como calor. Adicionar isolamento com valores R apropriados ao sistema e à sua canalização pode reduzir significativamente a perda de calor e, assim, aumentar a eficiência.
- Lei de Planck - O comprimento de onda da radiação emitida por uma superfície é proporcional à temperatura da superfície. Energia transferida como resultado de diferenças de temperatura entre dois objetos. Objetos escuros absorvem calor, enquanto objetos claros refletem.
Placas coletoras de cores escuras dentro do coletor solar ajudarão a aumentar a absorção solar, aumentando assim a quantidade de calor disponível para aquecer água ou ar no termossifão. Em contraste, tubulações e tanques de armazenamento refletivos ou de cores claras devem ser utilizados, pois as cores claras ajudarão a reduzir a radiação de calor para fora do sistema.
Aquecimento passivo de água
A termossifão passiva de água é o processo de aquecimento e movimentação de água dentro de um sistema sem a necessidade ou uso de eletricidade. Este processo funciona utilizando fenômenos naturais, como energia solar, gravidade e uma fonte de água disponível. Um coletor solar , tubulação e um tanque de água são materiais necessários para o processo de aquecimento. O fluxo de água é distribuído para dentro, dentro e fora do coletor solar. A água fria entra no fundo do coletor solar, onde é aquecida por convecção pela radiação solar. Quando a água é aquecida, ela se torna menos densa que a água mais fria, expande-se e depois sobe ( flui) .) através da tubulação. A água aquecida sai naturalmente pelo topo do coletor solar. A água mais fria e densa afunda e permanece dentro do coletor solar até ser aquecida. À medida que a água fria é aquecida, ela se expande, sobe e é empurrada para fora do topo do coletor solar, permitindo que a água fria flua para dentro do coletor solar. Este processo continua naturalmente até que a temperatura da água atinja um equilíbrio com a entrada de radiação solar.
Dois tipos de sistemas de troca de água por termossifão estão atualmente disponíveis: o sistema de acoplamento próximo e o sistema de alimentação por gravidade.
Sistema de acoplamento próximo
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Os sistemas de acoplamento fechado funcionam com os mesmos princípios de termossifão passivo mencionados acima. O tanque de armazenamento desses sistemas deve ser colocado acima do coletor solar para aproveitar a circulação de água acionada pelo processo de termossifão passivo.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Tubulação
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
- Telhado forte ou outro sistema de suporte
Custo
- Uma pesquisa de 2007 sugere que os aquecedores de água termossifão passivos podem variar de US$ 500 a US$ 6.500. Os preços podem variar devido ao tamanho do tanque, exposição solar e localização geográfica
- Muitos países, estados e serviços de utilidade pública oferecem incentivos para a participação em energias renováveis
Prós
- Não poluente
- Economia de energia - Não é necessária eletricidade para termossifão passivo
- Custo-beneficio
- Economia de espaço - (ou seja, dentro de casa)
Contras
- A exposição do tanque às condições ambientais externas pode reduzir a eficiência, dependendo da localização geográfica
- Estética – Pode ser considerada visualmente desagradável
- É necessária uma estrutura de suporte forte (ou seja, telhado)
- Não é adequado para climas extremamente frios
- Localização - deve ser posicionado numa zona com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da zona pretendida)
Sistema de alimentação por gravidade
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Os sistemas de alimentação por gravidade utilizam os mesmos princípios de termossifão passivo que o sistema de acoplamento próximo, porém o posicionamento do tanque difere. Os tanques são instalados horizontalmente em um telhado, que geralmente fica localizado diretamente acima do coletor solar. Uma vez necessária, a água aquecida dentro do tanque de armazenamento segue o caminho de menor resistência e se move por gravidade até o local desejado. Os sistemas de alimentação por gravidade requerem mais tubulações/encanamentos para distribuir a água aquecida, e esse fator deve ser levado em consideração ao instalar ou adquirir um sistema de termossifão.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Tubulação
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
- Telhado forte ou outro sistema de suporte
Custo
- Os sistemas de alimentação por gravidade são normalmente os aquecedores de água termossifão passivos mais baratos
- Uma pesquisa de 2007 sugere que o custo pode variar de US$ 400 a US$ 5.500 (sem incluir o custo – se aplicável – de instalação). Os preços podem variar devido ao tamanho do tanque, exposição solar e localização geográfica
- Muitos países, estados e serviços de utilidade pública oferecem incentivos para a participação em energias renováveis
Prós
- Não poluente
- Economia de energia - Não é necessária eletricidade para termossifão passivo
- Custo-beneficio
- Economia de espaço - (ou seja, dentro de casa)
- Estética - (Colocação horizontal do tanque)
Contras
- Encanamento e tubulação adicionam custos adicionais ao sistema
- Estética – Pode ser considerada visualmente desagradável
- É necessária uma estrutura de suporte forte (ou seja, telhado)
- Não é adequado para climas extremamente frios
- Localização - deve ser posicionado numa zona com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da zona pretendida)
Aquecimento de água ativo
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Os sistemas de aquecimento solar ativo, também conhecidos como sistemas de bomba ou sistemas split , funcionam na mesma base do efeito termossifão , porém os sistemas ativos utilizam uma fonte de energia diferente da energia solar para ajudar a impulsionar o processo. Este sistema instala apenas o coletor solar no telhado, enquanto o tanque de armazenamento é instalado no solo ou em qualquer outro local abaixo. Essas unidades ativas de aquecimento de água requerem alguma forma externa de energia para bombear a água por todo o sistema. Ao utilizar energia adicional, estes sistemas ativos são menos eficientes em termos de custos do que os sistemas passivos.
Materiais
- Energia solar
- Coletor solar
- Energia elétrica
- Bomba elétrica
- Tubulação adicional
- Isolamento
- Água
- Tanque de armazenamento
Custo
- Uma pesquisa de 2007 sugere que aquecedores de água termossifão ativos podem variar de US$ 1.200 a US$ 10.500. O preço pode variar devido ao tamanho do tanque, requisitos de tubulação interna, exposição solar e localização geográfica
- Muitos países, estados e serviços de utilidade pública oferecem incentivos para a participação em energias renováveis
Prós
- Economia de dinheiro
- Custo-beneficio
- Estética – Tanque de armazenamento não colocado no telhado
- Redução de gases de efeito estufa - Se isolado adequadamente, tem o potencial de poluir tão pouco quanto os sistemas passivos.
Contras
- Usa mais energia do que um sistema passivo
- Requer mais manutenção do que um sistema passivo
- Perda de calor - durante a transferência do coletor solar para o tanque de armazenamento abaixo
- Polui alguns - devido ao uso elétrico
- Localização - deve ser posicionado numa zona com exposição solar adequada (ou seja, lado sul da zona pretendida)
Troca de ar passiva
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Um exemplo de método de sistema de aquecimento solar térmico passivo é a troca de calor por termossifão . Baseia-se no princípio da convecção natural , em que o ar ou a água circulam em circuito vertical fechado sem o uso de bomba. O ar frio dentro de casa passa por um respiradouro e é direcionado para uma abertura na parte inferior de um coletor solar. O ar contido dentro do coletor solar é então aquecido pelo sol através da radiação solar. O ar frio é denso e afundará, enquanto o ar quente é menos denso e subirá. À medida que o ar aquece dentro do coletor solar, torna-se menos denso que o ar mais frio e sobe. O ar quente sai de uma abertura na abertura superior do coletor solar, move-se para a área desejada (ou seja, dentro de casa) e é substituído por ar mais frio. Este processo de troca de ar continuará até que a temperatura do ar interno atinja um equilíbrio com a temperatura externa.
Materiais
- Coletor solar – Quanto maior o coletor solar, melhor.
- Quadro
- 6 placas verticais de 2 por 6 polegadas - Aparadores
- Placas 2 por 6 e 2 por 8 - peitoril superior
- Parafusos lag - Recomendados, mas não necessários para fixação
- Esmalte
- Painéis de policarbonato ondulado
- 10 painéis - 26 polegadas de largura por 8 pés de altura
- Pares de painéis sobrepostos em tiras de madeira verticais de 1 por 1 pol. - Faz painéis de 4 pés de largura para cada compartimento
- Revestimento resistente a raios ultravioleta - Aplique no lado voltado para o sol para prolongar a longevidade
- Placa de absorção solar
- Tela de janela de metal preto de 2 camadas - fixada na parte superior e inferior dos compartimentos
- Aberturas
- Buracos cortados no revestimento do edifício - As abas de plástico impedirão o refluxo de ar pelas aberturas superiores à noite.
Custo
- Uma pesquisa de 2007 sugere que os trocadores de calor passivos podem variar de US$ 55,00 a US$ 400. Os preços podem variar devido ao tamanho do(s) coletor(es), isolamento da área a ser aquecida, exposição solar e localização geográfica.
- Muitos países, estados e serviços de utilidade pública oferecem incentivos para a participação em energias renováveis
Prós
- Baixo custo
- Economizador de energia
- Redução da poluição
- Pode ser usado para resfriar eletrônicos
Contras
- Maior manutenção - (ou seja, cobertura durante períodos de baixa radiação solar)
- A localização geográfica pode alterar a eficácia
- Requer fechamento manual dos amortecedores de retroprojeção à noite
- Preferencialmente parcelas viradas a sul
Projetos relacionados
Referências
- Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) Mapas Dinâmicos, Dados GIS e Ferramentas de Análise - Mapas Solares (2007) Disponível: http://www.nrel.gov/gis/solar.html
- Citarela, Joe. "Termossifões - Melhor abordagem para resfriamento de CPU?" Overclockers. 5 de agosto de 2005. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Reysa, Gary. "Construa um aquecedor solar simples" Mother Earth News. Janeiro de 2006 http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- "Parte 2: Um tour pelas aplicações de energia renovável." http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Mirmov, NI, Belyakova, IG "Liberação de calor durante a condensação de vapor em um termossifão." Journal of Engineering Physics 43(3), pp.970-974, 1982.
- Projeto e Desempenho de um Termossifão Compacto. 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