Discharge Performance of Domestic Water Heater

Abstract

Water is generally heated in domestic buildings using an immersion-type electric water heater (EWH) which includes a thermostat installed at the bottom of the tank. Although these systems are powered by electricity, which is more costly than solar water heating, they are nonetheless extensively utilized because of their convenience and low installation costs. The thermostat position and water set-point temperature are critical for efficient and economic usage of electric water heaters. Accordingly, the impact of locating the thermostat at three different altitudes, namely near the bottom, middle, and top of an EWH, is investigated in this work. In addition, the effect of thermostat set temperature at the bottom of the tank on the EWH's performance is tested experimentally. During the experiments, the heated water was discharged at a rate of 5 L/min, and data was collected. The discharge efficiencies for the thermostat position at the bottom are found to be higher, whereas the discharge efficiencies for the thermostat positions in the center and towards the top are quite similar but lower than the one near the bottom. Water heating for home usage with solar energy is also a well-known and practical technology that is widely used. Most available systems, on the other hand, have the solar collector and the hot water storage tank as distinct components, requiring plumbing and additional thermal insulation for both. Combining the solar collector and the hot water storage tank into one unit eliminates extra insulation, piping, and hot spots, and also it requires less space to install the system in buildings. Also, the integrated solar collector water heaters can be used in colder climates without antifreeze solution since there is no risk of freezing like in the pipes of flat plate solar collectors. Accordingly, a novel trapezoidal-shaped integrated solar water heater is developed and tested in this part of the study. In comparison to the previous design, the new one allows the end-user to install and use it in a smaller area while maintaining the same efficiency and cost savings compared to the conventional design. The temperature profile inside the new storage tank is measured with 33 thermocouples for two different volumetric flow rates, 5 L/min, and 10 L/min, and compared to the temperature profile inside the old storage tank. Based on the results, the highest solar intensity and water temperature during the experiments were 890 W/m2 and 54.6 °C, respectively.

ÖZ: Binalarda su ısıtma genellikle sıcak su tankı alt kımına yerleştirilen termostat bağlantılı elektrikli ısıtıcılarla sağlanmaktadır. Bu sistemler elektrik enerjisi kullanımından dolayı daha yüksek çalışma giderlerine sahip olmalarına rağmen, pratik olmaları ve düşük yatırım maliyetleri sebebiyle yaygın kullanılmaktadır. Elektrikli ısıtıcılı sistemlerde termostatın pozisyonu ve ayar sıcaklığı, bu sistemlerin verimli ve ekonomik kullanımı açısından kritik öneme sahiptir. Bu bağlamda, çalışmanın ilk bölümünde termostatın sıcak su tankı içerisinde alt, orta ve üst kısma yerleştirilmesinin etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Bunun yanında, termostatın tank alt kısmına yerleştirildiği durumda, thermostat ayar sıcaklığının elektrikli su ısıtıcı performansına etkisi de analiz edilmiştir. Deneysel çalışmada su 5 L/dak debide deşarj edilmiş ve bu çalışma koşulunda veri kaydı yapılmıştır. Termostatın alt kısma yerleştirildiği durumda deşarj verimi daha yüksek bulunurken, orta ve üst kısma yerleştirildiği durumlarda birbirine yakın verimler elde edilmiştir. Bina uygulamalarında güneş enerjisi ile su ısıtma da yaygın olarak kullanılan pratik bir teknolojidir. Ancak bilinen güneş enerjili su ısıtma sistemleri, güneş kollektörlerinin ve sıcak su tankının ayrı ayrı yer aldığı ve her iki ünite için boru, bağlantı ekipmanları ve izolasyon malzemelerinin gerekli olduğu uygulamalardır. Güneş kollektörü ve sıcak su tankının tek bir ünite olarak birleştirilmesi, ilave izolasyon ve borulama gereksiniminin azalması, kayıpların azalması, ayrıca sistemin kurulum alanının en aza indirgenmesi için avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında, düz palakalı kollektörlerde olduğu gibi borulama sistemi bulunmadığı için, entegre güneş enerjili ısıtıcı, borularda donma problemini antifriz kullanıma gerek duymadan önleyebilmektedir. Bu bağlamda, çalışmanın bu bölümünde yenilikçi trapez-şekilli entegre güneş enerjili bir su ısıtıcı üretilmiş ve test edilmiştir. Hedeflenen tasarım kullanıcıya herhangi bir verim ve ekonomik kayıp olmadan, daha küçük alana güneş enerjili ısıtıcı yerleştirme imkanı verecektir. Geliştirilen sistemde, 33 adet sıcaklık sensörü kullanarak depodaki suyun sıcaklığı 5 litre/dakika ve 10 litre/dakika debilerde ölçülerek depodaki suyun sıcaklık profili çıkarılmıştır. Elde edilen sonuçlar geleneksel sıcak su tanklarındaki sıcaklık profili ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Deneyler sırasında ölçülen en yüksek güneş ışınımı ve tank su sıcaklığı 890 W/m2 ve 54.6 °C olarak belirlenmiştir.