Güneş Enerjisiyle Su Isıtma Sistemleri: Türleri ve Çalışma Prensipleri Hakkında Kapsamlı Bir Kılavuz

Güneş Enerjisiyle Su Isıtma Teknolojisine Giriş

Güçsüz Sirkülasyonlu Anlık Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemi

Sistem bileşenleri: Vakumlu tüp kollektörü, bağlanabilir su deposu, ayarlanabilir braket ve ısı eşanjörü.

Elektriksiz Sirkülasyonlu Anlık Güneş Enerjili Su Isıtma Sisteminin Çalışma Prensibi: Boşaltılmış tüp içindeki su, güneş ışığına maruz kaldığında ısınmaya başlar. Su ısındıkça yoğunluğu azalır ve doğal olarak tanka dolaşır ve suyu kademeli olarak ısıtır. Isınan su daha sonra poliüretan köpükle yalıtılmış bir tankta depolanır. Soğuk iç mekan suyu, tank içindeki sabit bir körük kanalından akar ve basınçlı musluk suyunu, tanktaki suyla neredeyse aynı sıcaklığa (2 santigrat dereceden az sıcaklık farkıyla) yükseltir. Bu sayede sabit, basınçlı ve temiz sıcak su elde edilir.

Doğal Dolaşımlı Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemi

Doğal sirkülasyonlu güneş enerjili su ısıtma sistemi, kollektör ile su deposu arasındaki sıcaklık farkından yararlanarak bir termosifon başlığı oluşturur ve bu başlık suyu sistemde dolaştırır. Aynı zamanda, kollektörden elde edilen faydalı enerji, suyun ısıtılmasıyla depoda sürekli olarak depolanır.

Sistem çalışırken, kollektördeki su güneş ışınlarıyla ısıtılır, sıcaklığı artar ve yoğunluğu azalır. Isınan su kollektör içinde kademeli olarak yükselir ve kollektörün üst sirkülasyon borusundan su depolama tankının üst kısmına akar. Aynı anda, su depolama tankının tabanından gelen soğuk su, alt sirkülasyon borusundan kollektörün alt kısmına akar. Zamanla, su depolama tankında belirgin bir sıcaklık tabakalaşması oluşur; üst su tabakası önce kullanılabilir sıcaklığa ulaşır ve bu durum tankın tamamı tamamen kullanılabilir hale gelene kadar devam eder.

Sıcak su elde etmek için iki yöntem vardır. Birincisi, depolama tankının dibine soğuk su dolduran ve üst katmandaki sıcak suyu kullanıma hazır hale getiren bir takviye tankıdır. Su seviyesi, takviye tankının içindeki bir şamandıra valfi ile kontrol edilir. Bu yönteme bazen "doldurma" yöntemi denir. Diğer yöntem ise, takviye tankı kullanılmadan, sıcak suyun depolama tankının dibinden yerçekimiyle akmasını sağlar. Bu yönteme bazen "drop-down" yöntemi denir.

Zorunlu Sirkülasyonlu Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemi

Zorunlu sirkülasyonlu güneş enerjili su ısıtma sistemi, kollektör ile su depolama tankı arasındaki boru hattına monte edilmiş bir su pompası kullanarak sistemdeki suyu dolaştırır. Aynı zamanda, kollektörden elde edilen faydalı enerji, suyun ısıtılmasıyla su depolama tankında depolanır.

Sistem çalışırken, sirkülasyon pompasının devreye girip çıkması kontrol edilmelidir, aksi takdirde hem elektrik enerjisi hem de ısı enerjisi israf edilir. Sıcaklık farkı kontrolü genellikle en popüler yöntemdir ve bazen hem sıcaklık farkı kontrolü hem de fotovoltaik kontrol aynı anda kullanılır.

Sıcaklık farkı kontrolü, kollektör çıkışındaki su sıcaklığı ile su depolama tankının tabanındaki su sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkından yararlanarak sirkülasyon pompasının çalışmasını kontrol eder.

Sabah gün doğumundan sonra, kollektördeki su güneş ışınlarıyla ısıtılır ve sıcaklığı kademeli olarak artar. Kollektör çıkışı ile depolama tankının dibindeki su arasındaki sıcaklık farkı ayarlanan bir değere (genellikle 8-10°C) ulaştığında, sıcaklık kontrol cihazı sirkülasyon pompasını çalıştırmak için bir sinyal üretir ve sistem çalışmaya başlar. Bulutlu dönemlerde veya gün batımından önceki öğleden sonra saatlerinde güneş ışınımı azaldığında, kollektör sıcaklığı kademeli olarak düşer. Kollektör çıkışı ile depolama tankının dibindeki su arasındaki sıcaklık farkı ayarlanan başka bir değere (genellikle 3-4°C) ulaştığında, sıcaklık kontrol cihazı sirkülasyon pompasını kapatmak için bir sinyal üretir ve sistem çalışmayı durdurur.

Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri

Sıcak su elde etmede de iki yöntem vardır: Üstten akış ve damla akış.

Üstten akış yöntemi, depolama tankının tabanına soğuk su (musluk suyu) eklenmesini ve sıcak suyun kullanım için üst katmandan dışarı itilmesini içerir. Damla akış yöntemi, sıcak suyun yerçekimi nedeniyle tankın tabanından düşmesine dayanır. Zorunlu sirkülasyon altında, tanktaki su iyice karışarak önemli sıcaklık katmanlaşması önlenir. Bu nedenle hem üstten akışlı hem de damla akışlı yöntemler, başlangıçtan itibaren sıcak su sağlar. Üstten su yöntemiyle karşılaştırıldığında üstten su yönteminin avantajı, basınçlı sıcak su spreyinin kullanıcı konforunu artırması ve su deposunun yeniden doldurulması konusunda endişelenmenize gerek olmamasıdır. Ancak dezavantajı su tankının tabanından giren soğuk suyun tanktaki sıcak suya karışabilmesidir. Üstten su yönteminin sıcak ve soğuk suyun karışmasını engelleme avantajı olmakla birlikte, sıcak suyun yerçekimi ile düşmesi, kullanıcı konforunu etkilemesi ve su tankının günlük olarak yeniden doldurulması zorunluluğunun olması dezavantajı da vardır.

Çift devreli zorunlu sirkülasyonlu bir sistemde, ısı eşanjörü, su tankının içine yerleştirilmiş bir daldırma ısı eşanjörü veya su tankının dışına yerleştirilmiş bir plakalı ısı eşanjörü olabilir. Plakalı ısı eşanjörleri, daldırma ısı eşanjörlerine göre birçok avantaj sunar: İlk olarak, plakalı ısı eşanjörleri daha geniş bir ısı transfer alanına, daha küçük ısı transfer sıcaklık gradyanlarına sahiptir ve sistem verimliliği üzerinde daha az etkiye sahiptir. İkinci olarak, plakalı ısı eşanjörleri sistem boru tesisatının içine yerleştirilerek daha fazla esneklik sunar ve sistem tasarımını ve düzenini kolaylaştırır. Üçüncü olarak, plakalı ısı eşanjörleri ticari olarak temin edilebilir ve standartlaştırılmıştır, bu da kalite güvencesini ve güvenilirliği kolaylaştırır.

Zorunlu sirkülasyon sistemleri büyük, orta ve küçük ölçekli güneş enerjili su ısıtma sistemleri için uygundur.

Akışlı güneş enerjili su ısıtma sistemleri, suyu kollektörden tek bir geçişte istenen sıcaklığa kadar ısıtır ve ısıtılan su daha sonra sürekli bir akış halinde depolama tankına bırakılır.

Sistem çalışırken, sıcak suyun kullanıcı gereksinimlerini karşıladığından emin olmak için genellikle sabit sıcaklıkta deşarj yöntemi kullanılır. Kollektör giriş borusu musluk suyu hattına bağlanır. Kollektördeki su, güneş radyasyonu ile ısıtılarak kademeli olarak sıcaklığı artırılır. Kollektör çıkışına bir sıcaklık sensörü takılır. Bir sıcaklık kontrol cihazı, kollektör girişine takılı bir elektrikli vananın açıklığını kontrol eder. Bu sıcaklık kontrol cihazı, kollektör giriş debisini kollektör çıkış sıcaklığına göre ayarlayarak sabit bir çıkış suyu sıcaklığı sağlar. Bu sistemin güvenilirliği, değişken debili elektrikli vana ve kontrol cihazının performansına bağlıdır.

Elektrikli vana ve kontrolörde katı gerekliliklerden kaçınmak için bazı sistemler, kollektör çıkışına elektrikli vana takar ve vananın yalnızca iki durumu vardır: açık ve kapalı. Kollektör çıkış sıcaklığı ayarlanan bir değere ulaştığında, bir sıcaklık kontrolörü elektrikli vanayı açarak sıcak suyun kollektör çıkışından su depolama tankına akmasını sağlar. Aynı anda, kollektör çıkış sıcaklığı ayarlanan değerin altına düşene kadar kollektöre soğuk su (musluk suyu) eklenir. Elektrikli vana kapanır ve işlem tekrarlanır. Bu sabit sıcaklıktaki su tahliye yöntemi nispeten basit olsa da, elektrikli vananın kapanmasındaki histerezis nedeniyle ortaya çıkan sıcak su sıcaklığı ayarlanan değerden düşük olabilir.

Doğrudan akışlı bir sistemin birçok avantajı vardır: İlk olarak, zorunlu sirkülasyon sistemlerine kıyasla su pompası gerektirmez; ikinci olarak, doğal sirkülasyon sistemlerine kıyasla, su depolama tankı iç mekana yerleştirilebilir; üçüncü olarak, devridaimli sistemlere kıyasla, kullanılabilir sıcak su her gün daha erken hazır olur ve hava açık olduğu sürece belirli bir miktarda kullanılabilir sıcak su elde edilebilir; dördüncü olarak, kışın donmayı önlemek için sistemi geceleri boşaltmak için bir tasarım uygulamak kolaydır. Doğrudan akışlı bir sistemin dezavantajı, sistemi karmaşıklaştıran ve yatırımı artıran güvenilir değişken debili elektrikli vanalar ve kontrolörler gerektirmesidir.

Doğrudan akışlı sistemler, özellikle büyük ölçekli güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri için uygundur.