Final Project Report Thermosyphon Trevor Book Reid Hoffman Kawila Miller 

 Spring, 2009 

   

  Abstract  

On Doctor Victor Nakah’s most recent trip to the USA, he sat down with the Thermosyphon Design Team here at Messiah College to provide an update on TCZ.  He voiced a few of his concerns, as well as difficulties and frustrations the school has been facing.  He suggested to us some ideas for the continuance of our project, which out of necessity has taken a back seat on the school’s priority list  due to the recent economic downturn in the country that used to be considered ‘the breadbasket of Africa’.  One of his suggestions was to write up a report documenting our findings and conclusions, providing the college with a few options, as well as the next steps to take in reducing the energy costs on campus.     When this report was suggested as something that would be helpful to TCZ, we decided to go on with writing up a guidebook.  The guidebook would be a more concise, conclusive document that would outline the basics of solar water heating, as well as a few of the best options for TCZ’s current situation, and an explanation of each, along with the steps required in reaching each end.  As this is a continuing Collaboratory/IPC project, we are not writing up an end‐all document for TCZ, but setting out for school officials what is available to them, and what we are able to do here.  Providing TCZ with this information will allow for them to review their options and then get back to us on a path they would like to take, so that future Thermosyphon Design Teams can further research and develop the right system for them.       

2  

3  

Table of Contents 

 

  Background                    4 

  Narrative                    5 

  Project Plan                    5 

    Phase Analysis                  5 

    Schedule                  6 

    Resource Analysis                8 

    Budget                    8 

  Future Work                    8 

  Conclusion                    9 

    Option 1: Thermosyphon              9 

    Option 2: Batch Solar Water Heater            11 

    Option 3: Step Program               13 

    Energy Savings Techniques              14 

  Appendices                    16 

    Appendix A: References               16 

    Appendix B: Excel Sizing Calculator            17   

    Appendix C: Original Gantt Chart            19 

    Appendix D: Updated Gantt Chart            21 

    Appendix E: Two‐way System Schematic           23 

    Appendix F: Components and Locations            24 

    Appendix G: Test Results              25

4  

Background      Throughout this entire project, our overarching goal has remained the same‐ to provide the students of the Theological College of Zimbabwe (TCZ) with reliable hot water using cost effective solar technologies.  Wherever the project direction turned throughout the year, and however our objectives changed, this goal remained at the heart of everything we did.  However, before one can understand how exactly we achieved this goal throughout the project, and will continue to achieve it in the future, it is important to understand a bit of background about TCZ and the project as a whole.     Our primary client for this project is the Theological College of Zimbabwe.  The school is located in Bulawayo, the second largest city in the country of Zimbabwe.  TCZ is an interdenominational college with the mission of training church leaders and senior pastors for service in Zimbabwe and the surrounding South African countries.  However, it is much more than just a seminary.  Its students are individuals who remain committed to Zimbabwe and its ministry despite the hardships that the country is facing.  The school thus teaches the young pastors how to minister while still supporting their families in the turbulent climate that is Zimbabwe right now.     In order to properly understand the position that TCZ is in, it is important to understand the Zimbabwe situation.  The country is struck with economic and political unrest as a result of the government’s agricultural, economic, and political actions.  Hyperinflation on an astronomical scale has set in, with the current inflation rate hovering around five sextillion percent, or a 5 followed by 21 zeros.  As a result, the Zimbabwe dollar is essentially useless, and Zimbabweans have to rely on often‐unavailable foreign currencies.  The country’s infrastructure is failing, meaning that electricity is available sporadically at best, and plumbing and sewage lines are deteriorating.  In addition, most basic goods and supplies are unavailable in the country, and residents are forced to travel to neighboring nations for basic commodities.  Because of the economic collapse, most schools and universities have had to shut their doors, including the National University of Science and Technology, located right across the street from TCZ.  TCZ, by the grace of God was able to stay open, and they remain optimistic and hopeful despite the hardships.   Thus, it is out of this turbulent climate that the Thermosyphon Design Project came about.  In 2003, TCZ contacted Messiah College’s Dokimoi Ergatai, the Collaboratory’s predecessor, asking for help in reducing the schools energy costs.  The group was eager to help, and in the summer of 2004, a site team led by Brendon Earl visited the school.  In addition to mapping out plans for the installation of a small photovoltaic system, they collected water and electricity usage data, drew building layout sketches, and compiled lists of available parts and tools.  By examining and analyzing the data on electricity usage, they determined that one third of the school’s electricity costs went to water heating for the dormitory buildings, which is done using small hot water “geysers”.  Thus, they identified water heating as an area for potential savings.   Since the original site team, a number of groups have worked on the project in various forms.  Early on, they determined that it would not be cost effective to try to supply all of the school’s electricity using photovoltaic solar panels.  However, they identified solar water heating as a very efficient and cost effective way to directly heat the dormitories’ water using the energy of the sun.  After further research, they determined that the best method of solar water heating is a thermosyphon system.  Many senior project teams have worked to perfect the thermosyphon by comparing different types and have 

5  

rendered working prototypes of the systems, thus laying the theoretical groundwork for this project.  Using this wealth of background knowledge, we set out to bring about the actual installation of a working solar hot water system on the TCZ campus.  Narrative  

Over the past few months, our small team of engineering majors at Messiah College has been analyzing the current situation of TCZ, and possible solutions to face some of the problems.  As hot water costs total about a third of the energy consumption costs that TCZ faces, our main area of focus is on reducing the amount of energy required to heat water on campus.  More specifically, we are researching the future installation of a solar water heater on the D‐section of student housing.     Our aim is to provide TCZ with the best possible options; ones which will provide enough hot water, which will have a relatively short pay‐back period and which will be affordable solutions for the college.  In order to determine the best possible solution requires the researching of many things, including weather data, usage data and available resources.     While the emphasis of our studies has been on a physical system for implementation at TCZ, we have also been working on developing a computer model for analysis.  The goal behind the computer analysis is found in looking towards the future for the Thermosyphon Project Team here at Messiah.  We would like to be able, in the future, to use a computer model to analyze the efficiency of the design parameters of any tank we want to use.  We are in the process of running computer simulation tests against a physical model, in order to calibrate the computer model.  The comparison of the two tests will prove to us whether or not we have considered all of the right assumptions in the computer model, and whether or not that model can be useful.  Once the computer simulation is proven to be useful, we will be able, in the future, to analyze different systems in the future much more quickly, and analyze the changes in systems without having to actually build another model.  All of this can be done on a much smaller budget, and in a shorter amount of time, making the Thermosyphon team more efficient.  Project Plan  

[Phase Analysis]   At this time, the Thermosyphon Design Project is currently in some of the beginning project stages.  As this is the first time the project has been revisited in the past 4 years however, we are not far from where we should be.  Previous project teams have gone on site‐team trips, and have completed necessary background research.  The previous teams also decided on the course of our project to be geared towards the use of thermosyphon systems, as the original site team’s analysis of the Theological College of Zimbabwe’s situation concluded that it is the best way to tackle the problem of heating water.  The team’s site analysis also included an inventory of tools and items available for our use, as well as locations and orientations of those items and appliances that are of concern.  All of the research done by the previous teams has been extremely helpful and will prove to be even more so in the future.     The current phase of the project is most likely a combination of a few; research, testing and prototyping can all be lumped in together.  As we have had many frustrations and roadblocks throughout our project, we have had to retool our direction time and time again, each time resulting in 

6  

going back to research.  The most recent direction change came after Dr. Nakah visited our school in March, 2009 and suggested that we provide TCZ with a report outlining possible solutions to their need, as a set of options from which they can choose the one they like most, based on economical feasibility, effectiveness of the system and complexity of installation.   Providing our client with options means we are obligated to know what is available, and what will provide the best results for our client.  That means back to research; instead of focusing strictly on thermosyphon systems, our scope had to be broadened to include an array of solar water heaters.  We then had to consider all the options and narrow those down to a few that will each be effective on their own, and provide for the client.     Specific design work cannot take place though, until TCZ has decided on a path to take.  We could spend way too much time planning out the installation of each option that we provide, but this type of planning is not efficient, and would result in providing too much useless information thought out in the little precious time we have.  As this is where our current project meets its end, here we find the next phases to be completed in the future of the Thermosyphon Design Project.  Again, it will be back to research, but more focused research on a specific system, and how it should be implemented into the D‐section of student housing at TCZ.  The research required will include the selection of specific components (valves, fittings, pipes, tanks, etc.), as well as installation procedures, which might include specific locations of systems, and plumbing procedures.  Future work will also require at least a ballpark budget estimate, and ideally an even better estimate, in order to select the system that would best meet the needs of TCZ.     Also in the future would be working with TCZ in the actual implementation.  Whether that will require another site team, or just email contact is up to future members of the group, but the lines of communication with the client will need to remain open.  Finally, more work will also have to go into troubleshooting and maintenance guides that TCZ will be able to use for the systems.  While much of this work could be completed just by gathering information from suppliers, specific information would require specific knowledge of the components and the intricacies involved in the actual system installed by the college.  

[Schedule]   At the beginning of this school year, when we originally began to work on our project, we had some propitious, albeit ambitious goals.  Our original plan was to have a system installed at TCZ by June of this summer (see Gantt chart in Appendix C).  After only a few months of working toward that end, we realized that this just might not be the best way to approach the problem.   We realized that with the way our work had been progressing, we would likely be unable to reach our end goal.  So many decisions had to be made, and so much planning had to be complete by late in the fall semester for the June implementation to follow through.  Virtually any hang‐up at that point would be critically damaging.  Only if we proceeded at a highly motivated pace, with almost no encountered problems would we be able to install a solar water heater at TCZ by June.   The ideal conditions were not in place though, and so we fell far behind according to the original scope of the project.  The first failing we encountered came when we were knee deep in writing an equation using an excel spreadsheet to size the thermosyphon system necessary for the situation (see Appendix B).  This spreadsheet was extremely involved, as it included material properties of every 

7  

component of the system, all the way to actual weather data from Bulawayo, Zimbabwe.  The equations and methods we were using were not adding up properly, and a quick sanity test said that something was wrong with the model.  At that point in time, we had to decide whether it was worth it to work out the bugs in the formula, or to drop the spreadsheet and rely on other, less analytical methods of sizing.  Continuing with the spreadsheet could mean spending much more time, and risking losing all of that time if the formula could not be figured out.  On the other hand, just dropping the spreadsheet altogether meant that all of the work already put in was lost, and we would begin a search for an alternative sizing method.     While all of this was going on, we were also trying to locate and price available local systems for our client.  Attempting such a feat requires a lot of communication between our team and the locals.  As time went on, it became apparent to us that the communication that was taking place was insufficient for the completion of our goals.  We concluded that there was more than one reason for which this was happening, including the fact that electrical blackouts are so common in Zimbabwe, so email was less accessible there than it is here.  Another factor for lack of communication is that as the economic crisis was worsening in the country, the priority that our project held, providing warm bath water to students, was likely falling.  Without the proper communication, work towards our goal of locating available commercial thermosyphon systems in and around Zimbabwe would not be possible.     At this point, most of the goals we had set were appearing less and less possible to reach.  By the time the spring semester rolled around, we needed to revamp our project goals and timeline to turn it into a project that we could actually complete.  A remaining question though, was what can we do right now, without knowing a budget or knowing what TCZ has in mind?  So for the time being we defined a few goals that could serve towards any end in our project.  It wasn’t until the president of TCZ, Rev. Dr. Victor Nakah, came to Messiah to meet with us that we could know what they needed.  As he explained to us, they are still committed to this project, but at this time they need to wait until the economy can stabilize.  That being said, his recommendation to us was that we write a report for the college, outlining a few options that would meet their needs, from which they could select a best option, and God‐willing, would be able to come up with the funds to support the project down the road.     With the conclusion of a simple meeting came the next form our project would take; a written report.  The report would be a rather comprehensive one, outlining only the best options available to the college, written out in one section for anyone to read, and other sections for those technical‐minded people who are interested in the technology.  The report will provide TCZ with the answers to most of their questions, and will also provide TCZ with our questions for them to answer in order to serve them better.     Aside from the information we provide to them about specific systems that could be installed to meet their needs, we will also provide supplementary information regarding the usage of hot water.  This could include ways in which the students could help to reduce their usage of hot water, or tips on how to get the most effectiveness out of using a solar water heater system.    

    

8  

[Resource Analysis] Every project requires certain resources for successful completion. These resources include not 

only money, tools, and materials, but also people, knowledge, and time.  As we are currently in the research and planning phases of the project, we cannot state specific resources that will be required for the completion of the project in the future, although personnel and some components of a solar water heater system will be absolutely necessary.  

[Budget]   As Zimbabwe has been in a severe economic downslide, it has been tough for TCZ to provide us with a budget.  Nothing as far as the Zimbabwean Dollar is concerned is stable.  Stores, for instance, cannot accept checks unless the amount on the check is written for around twice the original cost of the item, since by the time the check is deposited, it will already have fallen in value.  Without any funds allocated to us by our client, we have had to keep spending to a minimum, though some was necessary in order for the testing setup to be possible.  As our needs were minimal, with a simple test requiring very few components, all of the equipment has been paid for out of pocket or it was donated.  As the rest of the project is nothing more than a written report, the most cost that we will incur is the cost of printing paper, which can be minimized through the use of electronic communication.  

Equipment  Cost 55 Gallon Drum w/ lid  $10.00 (Carl Erikson) Black High‐Heat Spray Paint  $5.82 (Kawila Miller) (3) 7 Foot T‐type Thermocouples  $0 (John Meyer) (2) Resistors  $0 (Steve Frank)   Future Work    Future thermosyphon teams will have to continue to stay in touch with TCZ.  This will be imperative for the advancement of the project.  It is so important to know what they have in mind, and what they can do for us, and what we can do for them.  The college will report back in the future on what type of system they would like to install, at which time future thermosyphon students will need to be able to take those ideas and turn them into reality.   Before hearing back from TCZ though, more research and brainstorming can be done towards each of the options, to provide more timely feedback for the college.  This may not necessarily mean drawing up schematics of every single system and piping routing schemes for each one; too much work for each one would just mean that much of the work is wasted, and will not be used for anything.  Time can be used more efficiently than that.     Developing the physical tank model, as well as the lumped capacitance and SolidWorks models will be important, too.  There are obvious changes that can be made to the physical tank, which could also be reflected in the Lumped capacitance model and finite element model.  As we only ran first iteration tests, there are potentially many more tests to be run, and plenty more data to record. 

9  

The groundwork has been laid, and what needs to be done in the future is to follow through and complete the project, meeting the original goal of reducing energy costs to TCZ by installing solar water heaters on campus.  Though it has been tough lately in communicating with TCZ, due to their lack of consistent electricity, a motivated group that stayed on top of their work and stayed persistent in keeping in contact with the college would work wonders for this project.  At this time, it has been over 5 years since they originally came to Messiah College with a need, and though we have made substantial progress towards meeting this end, they still do not have a solar water heater system installed on the roof of the D‐section of student housing, so there is certainly plenty to do.   

Once TCZ does get back to the Thermosyphon group though, it will be important to follow through with the promise of providing a solar water heater.  Meeting this goal may require some research to become familiar with the system of their choosing, and then the sizing of components and locating those components.  Once the components have been found in a local place to TCZ, to where they can be shipped for a relatively low cost, TCZ will have to step in to do the purchasing.  Once they receive all of the necessary components, they will need to know what to do with them, which may require as much as writing up procedures for every step of the installation, but could take as little as drawing up schematics to where the connections will need to go.    Conclusion    Due to the nature of the course of this project thus far, we cannot make a concluding statement about a completed project.  What we can do though is to provide in this conclusion some of the information that we will be passing on to TCZ, as far as their options and some of the questions that we need answered.  At this point in the project, this information is the best conclusion that will sum up the work that has been completed through the past year.   Before construction can begin on any solar hot water system, it is important to understand every possible option and the pros and cons thereof, in order to pick the most appropriate and cost effective solution.  In addition, because we cannot be physically present to install the system ourselves, we wanted to thoroughly explain how each option would work so that you could have a better idea of how it could be used at TCZ.   Note that each option, no matter which one chosen, would act as a pre‐heater to the existing geysers.  The geysers would still run, and would still heat water, providing warm water to the students, but the solar heater will send water into the geyser with a higher starting temperature, requiring less of the geyser, thus requiring less electrical energy.  The pre‐heater setup would require a piping schematic like the one shown in Appendix E, the two‐way system piping schematic.    

[Option 1: Thermosyphon] The first option for water heating would be a thermosyphon system.  Thermosyphon systems 

typically employ one of two types of solar collectors, flat plate collectors or evacuated tubes.  Early on in the project, we decided that a flat plate collector was the better option of the two for our purposes, due to its simpler design, lower cost, and easier installation.  A flat plate collector typically consists of a black absorber contained in a weatherproof box glazed on the front and insulated on the back.  Inside this box 

is a network of tubes through which the water flows.  According to The Plant Engineer's Reference Book, the collector works as follows:  “A flat plate collector uses the well known greenhouse effect.  The energy from the sun reaching the earth is mainly in the invisible wavelengths.  The glazing material (glass or plastic) does not absorb these wavelengths to any significant extent and therefore most of the incoming radiation is received by the blackened absorber.  The absorber increases in temperature and the heat is conducted through metal fins to…the waterways.”    Water from a storage tank above enters the collector at the bottom.  As the water in the waterways heats up, it expands and rises through the tubes due to the buoyancy principle.  It then leaves the collector and reenters the storage tank, raising the overall temperature of the water in the tank.  This cycle continues until the water in the tank reaches the required temperature.  When hot water is needed, it is simply drawn out of the top of the storage tank, where the water is the hottest.   Essentially, cold water that would normally go to the geysers for water heating would first pass through the thermosyphon system.  It would first enter the bottom of the storage tank, which is insulated to increase efficiency.  An outlet pipe then carries cold water from the bottom of the water storage tank to the bottom of the solar collector plate, which using heat from the sun, raises the temperature of the water and causes it to rise up through the plate.  The water then enters back into the top of the storage tank.  Another pipe would travel from the top of the storage tank to the geysers you already have installed.  Because this water is already hot, the geysers would not take as much energy to heat the water up to the required temperature.  On some days, the geysers wouldn’t need to turn on at all because the water would already be hot enough from the thermosyphon.  Thus, the thermosyphon acts as a pre‐heater, and could potentially reduce the energy usage of the geysers by 80% or more.       At this point, if you were looking at installing a thermosyphon system, it would be easier and cheaper to buy a premade system than to buy parts and attempt to make your own.  There is also the issue of availability.  As far as we know, no such systems are available in Zimbabwe at the present time.  We have been in contact with Denis Paul a good deal.  According to him, systems are available in Botswana and South Africa.  He is very willing to help, and if TCZ decides to move forward with a thermosyphon system, he said he would be willing to look around for companies that make them in the surrounding countries.   South Africa in particular has a wealth of resources when it comes to thermosyphon systems.  One company that produces them is SOLEX, which is based out of Port Elizabeth, South Africa.  They provide a number of thermosyphon system options, and manufacture systems that can be fitted for existing water geysers.  More information is available at their website, http://www.solexsolar.co.za.  

10  

11  

Another South African solar hot water company is Solarise, which is based out of Durban, South Africa.  Although they mainly work with evacuated tube hot water systems, which work better but are more expensive, they are a very well established and reliable company.  Their website is http://www.solarise‐sa.com, if you would like to read up more on what they have available. 

There are a number of other considerations to take into account when looking at thermosyphon systems.  First of all is the cost.  Thermosyphon systems are rather expensive upfront, with a typical cost of about US$3000 for the size of system we would need.  Although this is a large initial investment, it would be worth it in the long run.  It is a little difficult to quantify how long the payback period for a thermosyphon would be, since electricity is not always available at the school, but thermosyphons pay for themselves quicker than most other solar hot water systems.  At the very least it would provide hot water on a reliable basis.  During the winter months, a thermosyphon alone might not provide water at the same temperature the geysers would every day, but it would still provide warm water throughout the day.  During the summer, the water from the thermosyphon would often be warm enough by itself to meet hot water needs, much more so than batch water heaters.  Thermosyphon systems also store hot water well into the night.  They do this much better than batch water heaters because the tank is insulated.  All this must be considered when comparing the two types of water heaters. 

Another important note to consider is the installation process.  Thermosyphons are relatively complicated to install and setup, or at least more so than batch water heaters.  Piping would have to be adjusted, for incoming water must be adjusted to flow through the system before reaching the geysers that are currently in use.  It is also important that the system be installed on a section of the roof where there is sufficient support, for with a tank and collector panel full of water, these systems can weigh as much as 300 kilograms or more.  If the school did choose to go with this option, we would be able to compile and provide a much more in depth installation guide once a properly sized system is decided upon.  The company from which it is bought would also be able to give more information on installation and operation as well.   

In summary, a thermosyphon system would greatly reduce the electricity required to heat water, or potentially eliminate this requirement at some points.  It would be much more effective than simply placing a black tank filled with water on the roof, because the collector plate allows for higher water temperatures and the insulated tank keeps water hot longer.  However, thermosyphon systems are much more expensive than batch water heaters, and are more complicated to install and maintain.  Either option will provide reliable hot water.  The thermosyphon would simply do it better, but for a greater initial investment.    

[Option 2: Batch Solar Water Heater]    The second option that we would like you to consider is one called a Batch Solar Water Heater.  It is a very simple design, has relatively few components, and would be relatively easy to install.  This option is to be considered largely for its economical benefits, and also for ease of installation.  There are drawbacks though, which could deter you from choosing this option.  This option could be expanded though, and so could be chosen as a worst‐case scenario option that could relatively easily be implemented campus‐wide, rather than just in the D‐section apartments.   In its most basic form, a batch solar water heater is a black water tank sitting on top of the roof. It is connected on one side to the water main inlet, and on the other side to the water outlet, going 

either directly to the faucet or to the existing geyser (in which case it acts as a pre‐heater).  As the largest component of this system is a tank, the economic benefits are obvious; up‐front costs are low, 

and only a few plumbing connections are necessary. 

12  

ttained 

  There are drawbacks however, which can hinder the effectiveness of the system.  These drawbacks include the lack of insulation, meaning that the tank temperature will drop through the night, leaving the students with cold water in the morning.  This type of system will also be slower to heat the water, as it has to do it all at one time.  When any of the water is heated up, it interacts with the water surrounding it, passing the heat through the rest of the water, leading to a slow heating up, and for the same reasons, the hottest temperatures ain a batch system will not peak quite as high as that of a thermosyphon system.     While a system like this may not have a huge economic effect on TCZ’s energy consumption, this is not the only way to look at this solution.  At this point, energy is not always a sure thing in Zimbabwe.  While the national electricity supplier has 

recently increased the rates of electricity, from almost nothing, at $0.01USD per kWh to about $0.09USD per kWh, an almost impossible rate in such an economic state, but which could begin to keep electricity supply more constant, the constancy of electricity cannot be assured quite yet.  As such, a purely economic evaluation of the project is not necessarily conclusive.  This problem has to be approached in a subjective manner; the fact that a solar water heater will provide hot water to students at least sometimes can heavily outweigh economic analysis, depending on the importance that this luxury will have in the eyes of the students at TCZ.   While the economic analysis is inconclusive, it is still worth considering.  The most recently reported cost of electricity in Zimbabwe is around $0.09USD per kWh.  At this rate, and using the data that we obtained by testing our batch solar water heater, in which we raised the temperature of over 200 liters of water (in Pennsylvania, nonetheless) by 20 degrees Celsius (Please see Appendix G), could save the college about $0.44USD per day.  While this may seem like an insignificant amount, consider that multiplying this number by 365 days in a year is a savings of over $150 USD in a year.  This is still not a perfect estimate though, it could be better or worse than this figure, but considering the fact that we bought our tank for about $10 USD, it looks like a pretty good deal.   The first reason this is not a perfect analysis is the fact that we are dealing with Pennsylvania weather here.  The climate in PA is much different from that of Bulawayo, Zimbabwe.  While this data is from a very good PA day, it is certainly possible that the weather at TCZ will be more conducive to utilizing a system like this.  Perhaps this is outweighed by the areas in which our setup was less than perfect, making the data acquired look less impressive than it could.  First, we made the mistake of leaving the tank upright (for sake of time and for ease of installation of thermocouples), which meant we lost a lot of surface area in full sunlight at peak hours of the day.  Changing the orientation on the tank could yield huge changes in results.  Still though, if we say that the tank that we used here 

13  

performed at about 60% of the capacity of a tank just like it at TCZ (a conservative estimate), we would still see energy savings of about $100 USD per year.     There are still differences between our model and the way a batch solar water heater system would be installed at TCZ however.  First, the tank that we used for our analysis was a steel 55‐gallon drum, painted with a flat black spray paint.  While steel is a great conductor (perfect for the transfer of heat from the sun to the water), it is capable of rusting, and is thus not suitable for the storage of potable water.  A polyethylene tank would be less conductive, but would be a low‐cost alternative to metal, as stainless steel drums (which are good for potable water) can cost more than $600 USD.  The less conductive material would mean lower temperatures reached through the day, but would also mean less heat loss through the night (though either way, the water temperature will drop considerably through the night).  Another thing that could be a possibility is having a separate tank that would provide preheating for each of the existing geysers, rather than just one for one geyser, or one for all three geysers.  This could be helpful as it would increase the surface area of sun exposure to hot water used ratio.   The best way to carry out an option like this would be to start looking around.  As this system is very simple, the less expensive it can be built for, the better.  Ideally, a large tank, able to hold 25 or more gallons of potable water would be used.  Potable is key here, because we want to be sure to stay away from using a tank that could corrode or rust, leaving chemicals in the water that could harm those drinking or bathing in it.  Sometimes, it is possible to find plastic tanks, and more specifically, high density polyethylene tanks that provide a good, sturdy tank that holds up to the heat, and will not allow chemicals to diffuse into the water.     In conclusion, this option will likely be the most cost‐effective.  At least for now, as the up‐front costs will be extremely cheap, since the tank just needs to be a black tank, to which we can connect the water main lines, stick it on top of the roof, and heat up some water.  This solution should be sought out in the event that money still is not stabilizing at the time you plan to go ahead with the solar project.  If you read on you will find another solution for which these advantages need to be considered, at least for some time.    [Option 3: Step Program]   The third and final option that we would like to present to you is one that we like to call the step plan.  In this plan, we have tried to incorporate all of our findings into one system, in order to solve problems that TCZ is faced with now, as well as in the future.  In this option, the college would begin by installing a batch solar water heater system (top of picture below, with blue lines), and when it feels that it is capable, would then move on with the installation of a collector panel (bottom of picture below, adding red lines), making an effective thermosyphon solar water heater.   

14  

 

 of  

me  

 

  The step plan provides the best of both worlds;it is cost‐effective now and effective later.  All that needs to be purchased right away is a tank, capableproviding warm water as a batch solar water heater,and a few pipes and valves.  The tank has to be versatile though, and must be able to provide sowarm water right away, and able to be insulated later,in order to hold heat through the night after the implementation of the collector panel.    As collector panels can often be rather expensive, TCZ can start off by reaping some of the benefits of using solar energy to heat their water, while looking for and pricing a collector panel.  It is awesome because TCZ can wait as long as they need tomake a decision, and allocate the funds for the collector panel.  All the while, the batch system will still be heating up their water for students in the D‐section of student housing.  Installation of the entire system will also be spread out, meaning that there would be some work to do at two different times, but neither of those times should the work be overwhelming.  It is set up so that work can be completed on both occasions efficiently, rather than waiting for every single component to be in place.  The tank would be installed first, only a few components, and then the collector panel would be installed later while the batch heater is still running, leaving a lag time of only minutes to a couple of hours, depending on the difficulty of the installation.     To sum this up, this is the best option that can be foreseen at this point in time.  While TCZ exists in an unstable economy, unknowing of how the economy will perform tomorrow, not allocating thousands of dollars immediately to this project, but making some advancements towards meeting the goals will be perfect for the current situation.  When the economy finally does stabilize, and TCZ is able to put more funding into the project, the plan can continue on, and will provide even more savings in energy.      [Energy Savings Techniques]   Whether or not the installation of a thermosyphon, batch solar water heater, or any other solar water heater is feasible in the near future, a number of steps could be taken to save energy.  Because heating water for the dormitories is such a big expense, finding ways to cut down on waste could save the college money.  One of the first things that can be done on a large scale is to check for leaks, both on faucets and pipes.  A leak of one drip per second can cost as much as US$1 per month due to wasted water.   

It could also be helpful to check that the pipes leading from geysers to faucets are properly insulated, for without adequate insulation, a great deal of energy is lost as the water in the pipe cools.  Thus, the water has to be heated more than necessary in order to maintain the proper temperature.  Insulating the geysers themselves (if you haven’t already done so) would also reduce energy waste.    

15  

Although I am not sure if the school’s current geysers have adjustable temperature settings, reducing this temperature a small amount can have a huge impact.  In fact, for each 5°C that the water temperature is reduced, you can save 3‐5% in energy costs.  Reducing the water temperature to about 50°C or a little less can also slow mineral buildup and corrosion the geysers and pipes, thus increasing the life and efficiency of the system.  In addition to reducing the water temperature setting of the geyser, installing a timer that turns the geyser off at night could potentially save an additional 5‐12% of energy. 

The students themselves can also play a big role in saving energy.  If a solar water heating system is installed, the water will be hottest during the day and early evening.  Thus, bathing during the day or early evening would reduce the amount that the geysers had to be used to heat the water, because it would be much hotter to start.  Bathing in the morning, although it is a big part of many people’s routines, wastes the most amount of energy, because the water has to be heated almost entirely by the geyser.  The sun would not have had time to heat the water in the solar water heater, and the water in the storage tank would have spent the whole night cooling off.  Also, when possible, use cold water instead of hot for cleaning, or boil cold water for cooking instead of using warm water from the tap.  Simply being conscious of the water you are using can go a long way to conserving it.  Thus, saving energy and water is not only the school’s responsibility, but the students’ as well.    

16  

Appendices  Appendix A: References  Dunkle, Brandon, Brendon Earl, Christopher Grove, Matthew Rooke.  Solar Water Heating for the 

Developing World: Final Project Report.  May 9, 2005, Messiah College Engineering Department.  Earl, Brendon.  Notebook from Site Team Trip to Zimbabwe.  Circa 2005, Messiah College Engineering 

Department.  Snow, Dennis A., ed. Plant Engineer's Reference Book. Chicago: 

Butterworth‐Heinemann Limited, 2001. 825‐26. Engineering Village. 5 Nov. 2008 <http://www.engineeringvillage2.com/controller/servlet/controller?cid=quicksearc hcitationformat&searchword1={hussein%2c+h.m.s.}&section1=au&database=13 1073&yearselect=yearrange&sort=yr>. 

     

17  

Appendix B – Excel Sizing Calculator    

Variable: Constant: tank mat'l data:

Independent: Tin (avg yearly Tamb) 19.46767494 http://www.siliconsolar.com/80-gallon-thermosyphon-solar-hot-water-system-p-16559.html

A (collector plate) (m^2) 4.5 Collector plate Effiency (est) 0.2

D (tank) (m) 0.4 Specific Heat H2O (J/kg*K) 4186 Assumptions:

L (tank) (m) 2.35 Density Water (kg/m^3)(@40C) 992.2 Radiation can be neglected

t (inner tank) (m) 0.0002 SUS316L Stainless Steel T min 60 Hot water usage is about 70% of total warm water usage

t (outer tank) (m) 0.0006 SUS304 Stainless Steel convection water (500-10000) (W/m^2*K)500

t (insulation) (m) 0.05 Polyurethane convection air (10-100) (W/m^2*K) 20

Top Loss (Ucol) 3

k (SUS316L) (W/m*K) 16.2 at 100C (matweb.com)

k (SUS304) (W/m*K) 16.2 at 100C (matweb.com) Dependent:

k (polyurethane) (W/m*K) 0.08 Thermoset Polyurethane Foam, Unreinforced (matweb.com) V (m^3) 0.29516

emissivity black paint 0.92 black oil paint, matweb V*c*rho (J/K) 1225902.55

time step (s) 3600 Surface Area of tank 3.204424507

Heat Loss Coefficient 4.732925823

max T= 31.91653

Time Dependent: initial T= 27.5997439 min T= 25.02587

time (hour) Tamb Q (m^3/s) Insolation (W/m^2)Insolation (with clouds)Efficiency Eout3 Eout2 Ein Eout1 Eout Ttank

1 11.35 0 0 0 0.17608215 0 276871.797 0 0 276871.8 27.37389

2 11.35 0 0 0 0.176746419 0 273023.6206 0 0 273023.6 27.15118

3 11.35 0 0 0 0.177401455 0 269228.9291 0 0 269228.9 26.93156

4 11.85 0 0 0 0.178047387 0 256967.7127 0 0 256967.7 26.72195

5 12.35 3.30556E-06 0 0 0.178663902 698476.6795 244876.9121 0 361.36 943715 25.95214

6 13.25 2.91667E-05 70 46.844 0.180928056 617323.7981 216425.7589 137301.3808 2850.115 836599.7 25.3817

7 14.5 0.000114722 145.61985 97.44880204 0.182605808 528850.6345 185408.2092 288274.4188 10224.27 724483.1 25.025877 14.5 0.000114722 145.61985 97.44880204 0.182605808 528850.6345 185408.2092 288274.4188 10224.27 724483.1 25.02587

8 16 0.000104417 435.21019 291.2426563 0.183652356 438657.4632 153787.647 866495.8823 8745.923 601191 25.24229

9 17.5 3.20833E-05 683.88705 457.6572117 0.183015839 376275.2778 131917.2577 1356888.001 2791.928 510984.5 25.93231

10 19.25 5.54167E-05 874.70351 585.3515912 0.180986353 324760.498 113856.8405 1716238.529 5398.666 444016 26.9701

11 20.6 4.86111E-05 994.65576 665.6236339 0.177934046 309586.8191 108537.1445 1918681.126 5495.901 423619.9 28.18966

12 21.5 4.39444E-05 1035.5692 693.0029328 0.174347106 325117.4172 113981.9718 1957333.507 5775.918 444875.3 29.42341

13 22.5 3.83056E-05 994.65576 665.6236339 0.170718428 336477.7041 117964.7418 1840874.367 5746.942 460189.4 30.54967

14 23 2.52778E-05 874.70351 585.3515912 0.167405898 366913.939 128635.2931 1587459.204 4221.42 499770.7 31.43692

15 21.7 9.72222E-06 683.88705 457.6572117 0.164796324 473214.5473 165902.9149 1221807.662 1753.615 640871.1 31.91081

16 20.3 9.72222E-06 435.21019 291.2426563 0.163402545 564285.3486 197831.1628 770954.6182 1823.044 763939.6 31.91653

17 19 2.13889E-05 145.61985 97.44880204 0.163385714 627743.4556 220078.7564 257932.2228 4012.541 851834.8 31.43207

18 17.5 2.91667E-05 70 46.844 0.164810601 677098.629 237382.0434 125070.2823 5258.711 919739.4 30.78384

19 15.5 1.76944E-05 30 20.076 0.166717165 742794.5602 260414.1892 54221.62378 3017.435 1006226 30.00726

20 14.2 5.19167E-05 0 0 0.169001208 768233.0434 269332.5933 0 8245.789 1045811 29.15417

21 13 3.69444E-06 0 0 0.171510311 785092.6229 275243.3443 0 539.2839 1060875 28.28879

22 11.7 0 0 0 0.174055555 0 282648.58 0 0 282648.6 28.05822

23 11.55 0 0 0 0.174733684 0 281275.8934 0 0 281275.9 27.82878

24 11.35 0 0 0 0.175408519 0 280774.2121 0 0 280774.2 27.59974

19  

Appendix C – Original Gantt Chart    

ID Task Name Duration Start Finish

1 TCZ Thermosiphon Project 181 days? Mon 9/22/08 Mon 6/1/092 Research 52 days? Mon 9/22/08 Tue 12/2/083 Preliminary 31 days? Mon 9/22/08 Mon 11/3/084 D-Section Housing, Hot Water Requirements (Sizing of Gallons 6 days? Thu 9/25/08 Thu 10/2/085 Cost Estimate for System (Include Configuration) 8 days? Thu 9/25/08 Mon 10/6/086 Sizing, based on differential equation 31 days? Mon 9/22/08 Mon 11/3/087 Identify Possible Systems 8 days? Tue 11/4/08 Thu 11/13/088 Choose COTS Sytem 11 days? Tue 11/18/08 Tue 12/2/089 Determine parts/supplies required for implementation - Schematic 26 days Wed 12/3/08 Wed 1/7/09

10 Project Proposal 6 days? Mon 9/22/08 Mon 9/29/0811 Verification from TCZ 71 days? Thu 10/23/08 Thu 1/29/0912 Budget 18 days Thu 10/23/08 Mon 11/17/0813 Training Manuals 15 days? Wed 12/3/08 Tue 12/23/0814 Maintenance Guide 35 days? Wed 12/3/08 Tue 1/20/0915 Manpower 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0816 How to install (simple schematic) 14 days Wed 12/3/08 Mon 12/22/0817 Exact configurations and implementation procedures 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0818 Training/tools necessary for implementation 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0819 Feasability 42 days Wed 12/3/08 Thu 1/29/0920 Roof supports 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0821 Beam Analysis 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0822 Ease of use - location 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0823 Tools/Supplies over to TCZ 21 days Thu 1/1/09 Thu 1/29/0924 Acquire COTS System 21 days Wed 12/3/08 Wed 12/31/0825 Installation at TCZ 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0926 Provide Support for TCZ during/after implementation 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0927 Difficulties/needs of workers 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0928 Feedback from students about performance 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0929 Include date/time of day 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0930 Has maintenance been happening? 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0931 Documentation of all procedures, calculations, and design plans 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0932 Feedback from Stambolie/Ghana - Difficulties in installation pro 45 days Fri 1/30/09 Thu 4/2/0933 Analysis and Testing 127 days? Thu 11/6/08 Fri 5/1/0934 Acquire Data for Program 127 days? Thu 11/6/08 Fri 5/1/0935 Acquire Data for Install 127 days? Thu 11/6/08 Fri 5/1/0936 Project Follow-up 84 days? Wed 2/4/09 Mon 6/1/0937 Have we met goals? 21 days Fri 4/3/09 Fri 5/1/0938 Long-term benefit/analysis 21 days Mon 5/4/09 Mon 6/1/0939 Deliverables 64 days? Wed 2/4/09 Mon 5/4/0940 Documentation of acquisition of supplies 63 days? Wed 2/4/09 Fri 5/1/0941 Documentation of installation procedures 1 day? Fri 5/1/09 Fri 5/1/0942 Documentation of follow-up 1 day? Mon 5/4/09 Mon 5/4/0943 On-going documentation of problems/student feedback 1 day? Fri 5/1/09 Fri 5/1/09

Reid HoffmanTrevor Book

Kawila Miller,Brendon Earl

9/7 9/14 9/21 9/28 10/5 0/1 0/1 0/2 11/2 11/9 1/1 1/2 1/3 12/7 2/1 2/2 2/2 1/4 1/11 1/18 1/25 2/1 2/8 2/15 2/22 3/1 3/8 3/15 3/22 3/29 4/5 4/12 4/19 4/26 5/3 5/10 5/17 5/24 5/31 6/7 6/tember October November December January February March April May June

Task

Split

Progress

Milestone

Summary

Project Summary

External Tasks

External Milestone

Deadline

Page 1

Project: TCZ Thermosiphon Gantt ChaDate: Thu 11/20/08

21  

Appendix D – Updated Gantt Chart 

   

ID Task Name Duration Start Finish

1 Define Customer Requirements 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

2 Review Feedback from TCZ 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

3 Research tools/equipment available 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

4 Research Roof structure info 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

5 Research TS and Batch SWH differences 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

6 Define Specifications 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

7 Pressurized 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

8 Volume 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

9 Temperature 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

10 Inlet/Outlet dimensions/locations 6 days? Mon 2/23/09 Mon 3/2/09

11 Analyze Feasibility of Batch Solar Water Heater 53 days? Fri 2/20/09 Tue 5/5/09

12 Economic Analysis 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

13 Can TCZ afford it? 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

14 Are Components available? 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

15 Payback Period 11 days? Mon 2/23/09 Mon 3/9/09

16 SolidWorks Model 53 days? Fri 2/20/09 Tue 5/5/09

17 Pipe Routing Schematics 12 days? Fri 2/20/09 Mon 3/9/09

18 Thermal Analysis 52 days? Fri 2/20/09 Mon 5/4/09

19 Reach Specified Temp? 52 days? Fri 2/20/09 Mon 5/4/09

20 Hold Heat? 52 days? Fri 2/20/09 Mon 5/4/09

21 Structural Analysis 53 days? Fri 2/20/09 Tue 5/5/09

24 Construct Prototype 41 days? Mon 3/9/09 Mon 5/4/09

25 Purchase Tank and Components 5 days? Mon 3/9/09 Fri 3/13/09

26 Construct Model 16 days? Mon 3/23/09 Mon 4/13/09

27 Based on SolidWorks Model 16 days? Mon 3/23/09 Mon 4/13/09

28 Based on TCZ piping schematics 16 days? Mon 3/23/09 Mon 4/13/09

29 Verify Analyses 9 days? Tue 4/14/09 Fri 4/24/09

30 Thermal Analysis 9 days? Tue 4/14/09 Fri 4/24/09

31 Structural Analysis 9 days? Tue 4/14/09 Fri 4/24/09

32 Locate problem areas 5 days? Tue 4/21/09 Mon 4/27/09

33 Troubleshooting/maintenance 5 days? Tue 4/21/09 Mon 4/27/09

34 Components 5 days? Tue 4/21/09 Mon 4/27/09

35 Difficulties in Construction 5 days? Tue 4/21/09 Mon 4/27/09

36 Difficulties in operation 5 days? Tue 4/21/09 Mon 4/27/09

37 Hands-On Experience 6 days? Mon 4/27/09 Mon 5/4/09

38 Construction Techniques 6 days? Mon 4/27/09 Mon 5/4/09

39 Transformation into Thermosyphon 6 days? Mon 4/27/09 Mon 5/4/09

40 Student Scholar's Day Presentation 11 days? Mon 4/27/09 Mon 5/11/09

41 Write Report for TCZ 40 days? Tue 3/10/09 Mon 5/4/09

42 Spring Break 5 days? Mon 3/16/09 Fri 3/20/09

T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T W T F S S M T9 Feb 22, '09 Mar 1, '09 Mar 8, '09 Mar 15, '09 Mar 22, '09 Mar 29, '09 Apr 5, '09 Apr 12, '09 Apr 19, '09 Apr 26, '09 May 3, '09 May 1

Task

Split

Progress

Milestone

Summary

Project Summary

External Tasks

External Milestone

Deadline

Page 1

Project: ThermosyphonDate: Mon 3/9/09

Appendix E – Two‐way System Schematic 

 

   

23  

24  

Appendix F –Components and Locations  

Batch Solar Water Heater Tank and Thermocouples – Turkey shed at Professor Erikson’s Farm 

Engineering Laptop #4 – Electrical/Computer Engineering Technician’s Office 

NI USB‐9211 – Cabinet in Fluids Lab (Ask John Meyer) 

Pyranometer – Cabinet in Fluids Lab 

Voltage Divider – In middle cabinet in Frey 254, on shelf labeled ‘Dokimoi Ergatai’ 

All Project Related Files ‐ \\collab‐main\collabenergy\TCZ\08‐09 

 

   

Appendix G – Test Results  

0

200

400

600

800

1000

1200

12:00 AM 6:00 AM 12:00 PM 6:00 PM 12:00 AM

Irradiation (W

/m^2)

Time

Incident Shortwave Radiation (4/18/09)

   

10

15

20

25

30

35

40

12:00 AM 6:00 AM 12:00 PM 6:00 PM 12:00 AM

Tempe

rature (C

)

Time

Water Temperature (4/18/09)

 

25