Подходящей технологией считается термосифонирование , также известное как термосифонирование . В этом процессе используются природные, возобновляемые ресурсы и основные законы термодинамики для создания движения нагретого воздуха или воды. Источником энергии для этого процесса является солнечное излучение (или любой другой источник тепла). Энергия солнца улавливается устройством сбора солнечной энергии и передается воздуху или воде посредством проводимости. Весь процесс можно объяснить эффектом термосифонирования : когда воздух или вода нагреваются, они получают кинетическую энергию от источника тепла и возбуждаются. В результате вода становится менее плотной, расширяется и, таким образом, поднимается вверх. Напротив, когда вода или воздух охлаждаются, энергия извлекается из молекул, и вода становится менее активной, более плотной и имеет тенденцию «тонуть». Термосифонирование использует естественную разницу плотностей между холодными и горячими жидкостями и контролирует их в системе, которая создает естественное движение жидкости. В настоящее время доступно несколько систем, основанных на этой технологии, о которых можно прочитать более подробно в следующем тексте.
Принцип термосифонной системы заключается в том, что холодная вода имеет более высокий удельный вес (плотность), чем теплая вода, и поэтому более тяжелая вода будет опускаться вниз. Поэтому коллектор всегда монтируется под баком для хранения воды, чтобы холодная вода из бака попадала в коллектор по нисходящей водопроводной трубе. Если коллектор нагревает воду, вода снова поднимается и достигает резервуара по восходящей водопроводной трубе в верхнем конце коллектора. Цикл бак → водопровод → коллектор обеспечивает нагрев воды до достижения равновесной температуры. Затем потребитель может использовать горячую воду из верхней части резервуара, при этом вся использованная вода заменяется холодной водой внизу. Коллектор затем снова нагревает холодную воду. Из-за более высоких температурных различий при более высокой солнечной радиации теплая вода поднимается быстрее, чем при более низкой освещенности. Таким образом, циркуляция воды почти идеально адаптируется к уровню солнечного излучения. Резервуар термосифонной системы должен располагаться значительно выше коллектора, иначе ночью цикл может пойти в обратном направлении, и вся вода остынет. Кроме того, цикл не работает должным образом при очень небольших перепадах высот. В регионах с высоким солнечным излучением и плоской крышей резервуары для хранения обычно устанавливаются на крыше.
Термосифонные системы работают очень экономично в качестве бытовых систем водяного отопления. Принцип прост, не требует ни насоса, ни управления. Однако термосифонные системы обычно не подходят для больших систем, то есть с площадью коллектора более 10 м². Кроме того, в зданиях с покатой крышей бак над коллектором разместить сложно, а одноконтурные термосифонные системы подходят только для безморозных регионов.
Содержание
Основная физика
Термодинамика – это наука об энергии .
- Первый закон термодинамики – утверждает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена. Энергия всегда сохраняется.
Этот закон можно применить к движению воды в термосифонной системе: энергия Солнца направляется и передается (посредством проводимости и конвекции) воде, воздуху или другой среде по выбору. Этот естественный процесс нагрева исключает необходимость во внешних источниках энергии, таких как ископаемое топливо или электричество.
- Второй закон термодинамики – утверждает, что при любом обмене энергией, если энергия не входит в систему и не выходит из нее, потенциальная энергия состояния всегда будет меньше, чем у исходного состояния. Чистый доход системы всегда меньше первоначально заложенного.
Энергия всегда сохраняется, однако энергия (или тепло в данном случае) часто может теряться в данной системе (термосифонирование) в виде тепла. Добавление изоляции с соответствующими значениями R к системе и ее водопроводу может значительно снизить потери тепла и, таким образом, повысить эффективность.
- Закон Планка : длина волны излучения, испускаемого поверхностью, пропорциональна температуре поверхности. Энергия передается в результате разницы температур между двумя объектами. Темные предметы поглощают тепло, а светлые отражают.
Темно окрашенные коллекторные пластины внутри солнечного коллектора помогут увеличить поглощение солнечной энергии, тем самым увеличивая количество тепла, доступного для нагрева воды или воздуха при термосифонировании. Напротив, следует использовать светоотражающие или светлоокрашенные трубопроводы и резервуары для хранения, поскольку светлые цвета помогут уменьшить тепловое излучение из системы.
Пассивный подогрев воды
Пассивное термосифонирование воды — это процесс нагрева и перемещения воды внутри системы без необходимости использования электричества. Этот процесс функционирует за счет использования природных явлений, таких как солнечная энергия, гравитация и доступный источник воды. Солнечный коллектор , трубопроводы и резервуар для воды — это материалы, необходимые для процесса отопления. Поток воды распределяется внутри, внутри и снаружи солнечного коллектора. Холодная вода поступает в нижнюю часть солнечного коллектора, где затем нагревается за счет конвекции солнечным излучением. Когда вода нагревается, она становится менее плотной, чем более холодная вода, расширяется, а затем поднимается ( течет ) по трубам. Нагретая вода естественным образом выходит из верхней части солнечного коллектора. Более холодная и плотная вода опускается и остается внутри солнечного коллектора до тех пор, пока не нагреется. Когда холодная вода нагревается, она расширяется, поднимается и выталкивается из верхней части солнечного коллектора, позволяя холодной воде течь в солнечный коллектор. Этот процесс продолжается естественным образом до тех пор, пока температура воды не достигнет равновесия с поступлением солнечной радиации.
В настоящее время доступны два типа термосифонных систем водообмена: моноблочная система и система с гравитационной подачей.
Моноблочная система
.jpg)
Системы с близкой связью функционируют по тем же принципам пассивного термосифонирования, упомянутым выше. Накопительный бак этих систем должен быть расположен над солнечным коллектором, чтобы использовать циркуляцию воды, обусловленную процессом пассивного термосифонирования.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Трубопроводы
- Изоляция
- Вода
- Резервуар
- Прочная крыша или другая поддерживающая система
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что пассивные термосифонные водонагреватели могут стоить от 500 до 6500 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, воздействия солнечного света и географического положения.
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемой энергетике.
Плюсы
- Экологичный
- Экономия энергии: для пассивного термосифонирования не требуется электричество.
- Экономически эффективным
- Экономия места - (т.е. в помещении)
Минусы
- Воздействие резервуара на внешние условия окружающей среды может снизить эффективность в зависимости от географического положения.
- Эстетика – может считаться визуально неприятной.
- Необходима прочная опорная конструкция (например, крыша).
- Не подходит для очень холодного климата.
- Местоположение - должно быть расположено в месте с подходящим солнечным светом (т. е. на южной стороне желаемого места).
Система гравитационной подачи
.jpg)
В системах гравитационной подачи используются те же принципы пассивного термосифонирования, что и в моноблочной системе, однако размещение резервуара отличается. Резервуары устанавливаются горизонтально на крыше, которая часто располагается прямо над солнечным коллектором. При необходимости нагретая вода в резервуаре-хранилище идет по пути наименьшего сопротивления и под действием силы тяжести перемещается вниз в нужное место. Системы гравитационной подачи требуют большего количества труб/сантехники для распределения нагретой воды, и этот фактор следует учитывать при установке или покупке термосифонной системы.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Трубопроводы
- Изоляция
- Вода
- Резервуар
- Прочная крыша или другая поддерживающая система
Расходы
- Системы гравитационной подачи, как правило, являются наименее дорогими пассивными термосифонными водонагревателями.
- Исследования 2007 года показывают, что стоимость может варьироваться от 400 до 5500 долларов (не включая стоимость установки, если применимо). Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, воздействия солнечного света и географического положения.
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемой энергетике.
Плюсы
- Экологичный
- Экономия энергии: для пассивного термосифонирования не требуется электричество.
- Экономически эффективным
- Экономия места - (т.е. в помещении)
- Эстетика - (Горизонтальное размещение бака)
Минусы
- Сантехника и трубопроводы увеличивают расходы на систему.
- Эстетика – может считаться визуально неприятной.
- Необходима прочная опорная конструкция (например, крыша).
- Не подходит для очень холодного климата.
- Местоположение - должно быть расположено в месте с подходящим солнечным светом (т. е. на южной стороне желаемого места).
Активный нагрев воды
.jpg)
Активные солнечные системы отопления, также известные как насосные системы или сплит-системы , функционируют на основе эффекта термосифонирования , однако активные системы используют источник энергии, отличный от солнечной энергии, чтобы помочь управлять процессом. Эта система устанавливает только солнечный коллектор на крыше, а резервуар для хранения устанавливается на земле или где-нибудь еще ниже. Этим активным водонагревателям требуется некоторая внешняя энергия для перекачки воды по всей системе. За счет использования дополнительной энергии эти активные системы менее экономичны, чем пассивные системы.
Материалы
- Солнечная энергия
- Солнечный коллектор
- Электроэнергия
- Электрический насос
- Дополнительные трубопроводы
- Изоляция
- Вода
- Резервуар
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что активные термосифонные водонагреватели могут стоить от 1200 до 10 500 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера резервуара, требований к внутренним трубопроводам, воздействия солнечного света и географического положения.
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемой энергетике.
Плюсы
- Экономия денег
- Экономически эффективным
- Эстетика – Резервуар не расположен на крыше.
- Сокращение выбросов парниковых газов. При правильной изоляции он может загрязнять так же мало, как и пассивные системы.
Минусы
- Потребляет больше энергии, чем пассивная система.
- Требует большего обслуживания, чем пассивная система.
- Потери тепла - при передаче от солнечного коллектора в резервуар-аккумулятор ниже.
- Загрязняет некоторых - из-за использования электричества
- Местоположение - должно быть расположено в месте с подходящим солнечным светом (т. е. на южной стороне желаемого места).
Пассивный воздухообмен
_(3).jpg)
Примером метода пассивной солнечной тепловой системы отопления является термосифонный теплообмен . В его основе лежит принцип естественной конвекции , при котором воздух или вода циркулируют в вертикальном замкнутом контуре без использования насоса. Холодный воздух в помещении проходит через вентиляционное отверстие и направляется в отверстие в нижней части солнечного коллектора. Воздух, содержащийся в солнечном коллекторе, затем нагревается солнцем за счет солнечной радиации . Холодный воздух плотный и опускается вниз, а теплый воздух менее плотный и поднимается вверх. Когда воздух нагревается внутри солнечного коллектора, он становится менее плотным, чем более холодный воздух, и поднимается вверх. Теплый воздух поднимается из вентиляционного отверстия в верхнем отверстии солнечного коллектора, перемещается в нужную зону (т.е. в помещение) и заменяется более холодным воздухом. Этот процесс воздухообмена будет продолжаться до тех пор, пока температура воздуха в помещении не достигнет равновесия с температурой на улице.
Материалы
- Солнечный коллектор. Чем больше солнечный коллектор, тем лучше.
- Рамка
- 6 вертикальных досок размером 2 на 6 дюймов — серванты
- Доски 2х6 и 2х8 - Верхний подоконник
- Стяжные винты — рекомендуются, но не обязательны для крепления.
- Глазурь
- Гофрированные панели из поликарбоната
- 10 панелей — 26 дюймов в ширину и 8 футов в высоту.
- Пары панелей, наложенных друг на друга на вертикальную деревянную полосу размером 1 на 1 дюйм. Получаются панели шириной 4 фута для каждого отсека.
- Устойчивое к ультрафиолету покрытие — нанесите на обращенную к солнцу сторону, чтобы продлить срок службы.
- Солнечная поглощающая пластина
- 2-слойная черная металлическая оконная сетка — крепится сверху и снизу отсеков.
- Вентиляционные отверстия
- В сайдинге здания прорезаны отверстия. Пластиковые заслонки предотвратят обратный поток воздуха через верхние вентиляционные отверстия в ночное время.
Расходы
- Исследования 2007 года показывают, что пассивные теплообменники могут стоить от 55 до 400 долларов. Цены могут варьироваться в зависимости от размера коллектора/ов, изоляции отапливаемой площади, воздействия солнечного света и географического положения.
- Многие страны, штаты и коммунальные службы предоставляют стимулы для участия в возобновляемой энергетике.
Плюсы
- Бюджетный
- Energy Saver
- Сокращение загрязнения
- Может использоваться для охлаждения электроники.
Минусы
- Повышенный уход - (т.е. покрытие в периоды низкой солнечной радиации)
- Географическое положение может повлиять на эффективность
- Требуется ручное закрытие заслонок обратной тяги в ночное время.
- Предпочтительна рассрочка на южную сторону.
Связанные проекты
Рекомендации
- Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL). Динамические карты, данные ГИС и инструменты анализа - Солнечные карты (2007 г.). Доступно: http://www.nrel.gov/gis/solar.html.
- Цитарелла, Джо. «Термосифоны – лучший подход к охлаждению процессора?» Оверклокеры. 5 августа 2005 г. http://web.archive.org/web/20080421004505/http://www.overclockers.com:80/articles1246/
- Рейса, Гэри. «Постройте простой солнечный обогреватель» Новости Матери-Земли. Январь 2006 г. http://www.motherearthnews.com/Alternative-Energy/2006-12-01/Build-a-Simple-Solar-Heater.aspx
- «Часть 2: Обзор применения возобновляемых источников энергии». http://web.archive.org/web/20060513045333/http://www.unepti.e.org/pc/tourism/documents/energy/11-26.pdf
- Мирмов Н.И., Белякова И.Г. «Тепловыделение при конденсации пара в термосифоне». Журнал инженерной физики 43 (3), стр. 970–974, 1982.
- Конструкция и характеристики компактного термосифона. Анируддха П., Йогендра Дж., Бейтельмал М., Патель К., Венгер Т. Школа машиностроения Вудраффа. 2002. http://www.hpl.hp.com/research/papers/2002/thermosyphon.pdf .
Данные страницы