Den komplette kilde til at bygge, designe og ombygge grønne hjem

Zak Vetter bidrog til denne artikel, som oprindeligt blev bragt i Home Energy magazine. Den er genoptrykt med tilladelse.

Helt tilbage i 1978 installerede jeg mit første solvarmeanlæg til vandopvarmning. Jeg fortsatte med solvarme og installerede nye systemer, indtil skattefradrag udløb i 1986, og jeg holdt næsten alle de lokale systemer oppe og kørende i mange år efter det. Det blev smerteligt tydeligt for mig, at enkelhed er afgørende for holdbarheden og lang levetid af ethvert solvarmeanlæg. Komplekse systemer dør bare unge. Dengang var den hellige gral inden for solvarme at finde på et system, der kunne koste 1.000 dollars – hvilket det aldrig rigtig lykkedes for nogen. I dag skal man regne med at betale 6.000 til 10.000 dollars for et solvarmeanlæg installeret.

Min ven Martin Holladay udgav i marts 2012 en artikel med titlen “Solar Thermal Is Dead” (Solvarme er død). Han genererede en masse diskussion med den artikel, herunder en del uenighed, så han udgav en anden artikel i december 2014 med titlen “Solar Thermal Is Really, Really Dead”. Martin kiggede på priserne på solvarme og sammenlignede dem med at bruge solceller og en varmepumpevandvarmer til at udføre det samme arbejde. Efter at have lavet regnestykket viste det sig, at solcelleanlæg og en varmepumpe viste sig at slå solvarme til vandopvarmning.

Men ofte afhænger det svar, du får, af dine antagelser, og da vi designede og byggede dette system, valgte vi at udfordre nogle af disse almindeligt forekommende antagelser. For det første er vandvarmere med varmepumpe så nye, at vi ikke rigtig ved, hvor længe de vil holde. For det andet er der store fordele ved at installere et system, der ganske vist ikke er beskyttet mod frysning, men som ikke bliver beskadiget af frysning. Det er grunde til at fortsætte med at undersøge, hvordan man får simpel solvarme til at fungere.

Projektet

Enter Zak Vetter. Zak bad mig om at hjælpe med at designe og installere et solvarmevandssystem til hans hjem nær Carmel i Californien. Det er et tagmonteret system på en bygning, der kombinerer boligareal og butik. Han havde opstillet et simpelt sæt mål for projektet:

• Mærkbart reducere eller fjerne behovet for energi udefra til at levere alt det ønskede varmt vand.
• Byg et system, der fungerer godt under mindre end ideelle forhold. Det betyder, at selv på en overskyet dag dækkes det meste (eller endog hele behovet for varmt vand) af den solenergi, der indsamles og lagres i systemet.
• Byg et system, der næsten ikke kræver nogen vedligeholdelse.

Jeg havde aldrig arbejdet med en så krævende liste. Der er mange antagelser ved udformning og opbygning af et traditionelt solvarmeanlæg, og disse blev udfordret af Zaks mål. Her er nogle af de antagelser, vi typisk arbejder ud fra:

• Solvarme kan i bedste fald levere 75 % af din vandopvarmning.
• Med frysebeskyttelse er solvarme komplekst.
• Overopvarmning er et stort problem for solvarme.
• Installation af solvarme er vanskelig.
• Solvarmeanlæg kræver årlig vedligeholdelse.

Designreglerne indebærer også forudsætninger:

• Vi ønsker de mest effektive solfangere.
• Dimensionering af et system til vinteren vil medføre overophedning om sommeren.
• Parallelle rør samler mest Btu.
• Lagertanke bør ikke overdimensioneres, da dette vil skabe stagnationsproblemer.
• Frostsikring dikterer systemets design.

Det er klart, at Zaks mål ikke stemte overens med standardforudsætningerne. Men jeg er glad for, at han udfordrede konventionerne, for i sidste ende byggede vi et system, der koster mindre og yder bedre end noget solvarmeanlæg, som jeg kender til. Systemet kostede lige omkring 4.000 dollars og leverer 95 % af det årlige varmt vand, som Zaks familie har brug for. En god håndværker kunne gøre det samme arbejde for omkring 3.000 dollars, hvis han/hun byggede sine egne solfangere.

Solfangerne

Følgende er den tankegang, der fik os dertil. Hvis vi ville have effektive solfangere, ville det have tvunget os til at bygge et mere komplekst og dyrt system for at forhindre frysning og overophedning. Så i stedet brugte vi virkelig ineffektive solfangere! Det er blot spoler af ¾-tommers polyethylenrør under en akrylrude (se billede nr. 2 nedenfor).

Der er ingen isolering i solfangerne, så de kan ikke overophedes og vil sandsynligvis ikke blive beskadiget af frysning. Den højeste temperatur, vi har målt om sommeren uden vandgennemstrømning, er 170°F i kollektorerne, og de har mange gange frosset uden problemer. Denne type solfanger er blevet testet i San Jose, Californien, i 16 år, og der er ikke dukket nogen problemer op. Det er i bund og grund svømmekollektorer, der er modificeret til at producere varmt brugsvand ved at tilføje en glasrude. De fremstilles kommercielt af Gull Industries i San Jose, Californien.

Hver spole måler 26 kvadratfod. En anden fordel ved at bruge “ineffektive” solfangere er, at vi eliminerede behovet for at føre kobberrør til og fra dem ved i stedet at føre PEX-slanger. Med traditionelle kobberkollektorer, som kan stagnere i sommersolen ved op til 400°F, ville PEX-slangerne smelte ret hurtigt. Men vi var i stand til at bruge polyrør og PEX til næsten alt, hvilket forenklede arbejdet yderligere (se billede nr. 3 nedenfor). Vi overdimensionerede med vilje systemet, så det kunne klare sig i perioder uden sol og hurtigt komme sig igen, når solen vender tilbage.

Tanken

Tanken var en anden overvejelse. Normalt vil man med enhver glasbeklædt tank (næsten alle tankvarmere i USA er glasbeklædte) gerne vende volumenet i tanken dagligt for at undgå stagnation og lugtproblemer. Det viser sig, at den anode, der følger med alle glasbeklædte tanke, genererer brintgas, som nogle bakterier virkelig kan lide. Vi omgik dette ved at installere en 105-gallon Marathon-tank fra Rheem (se billede nr. 4 nedenfor). Dette er en ikke-metallisk tank, som ikke behøver nogen anode, så vandet bliver ikke ældet eller forurenet af langsom omsætning. Fordelen ved så meget opbevaring er, at systemet kan fortsætte med at levere varmt vand på solfattige dage.

En anden fordel ved Marathon-tanken er dens isolering. Den har 3 tommer skum, og ifølge litteraturen taber den kun 5°F på 24 timer. Vores datalogning tyder på, at det snarere er 6-8°F i vores situation, men det er stadig ikke dårligt. Isolering var noget andet, vi legede med.

Rørisolering kommer sjældent rigtig tykt, men ved at holde varmetabet nede øger vi den faktiske solfraktion og reducerer mængden af nødvendig reserveenergi. Så vi besluttede at fordoble isoleringen, hvor det var muligt.

Dette er et ¾-tommers PEX-rør med to lag isolering, hvilket giver en samlet vægtykkelse på 1½ tomme. Det ligner ét stort rør, når det er installeret.

Solvandvarmere er normalt konstrueret som systemer med én eller to tanke. Én tank er bedre, hvis du kan få det til at fungere, da der er mindre udstyr at miste varme fra, da der er mindre udstyr at miste varme fra. I dag kan dette kun let lade sig gøre med elektrisk backup. Så en anden ting, vi gjorde, var at afbryde det nederste element i vores ene tank og kun bruge det øverste element som backup. Dette forhindrer, at den elektriske varmekilde konkurrerer med solvarmen. Vi tilsluttede den til 120 volt i stedet for 240 volt, så der var ikke behov for at gøre andet end blot at sætte den i stikket. Det tager 4 gange så lang tid at opvarme ved halvdelen af spændingen, men Zak ville have en god test af solvarmeanlægget. Systemet blev installeret i november 2014, og han har endnu ikke brugt backupen!

Regulatoren

Systemet styres ganske enkelt med en standard Goldline GL-30 solcellecontroller fra Goldline (se billede nr. 5, nedenfor). Den måler temperaturen ved solfangeren og i bunden af tanken. Den sammenligner de to og tænder pumpen, når solfangeren er tilstrækkeligt varm, når den tænder for pumpen. Styringen har justeringer til finjustering af dette setpunkt. Heldigvis har vi ikke brug for den styring, der beskytter mod frysning eller overophedning.

Systemet var enkelt at installere. Hvis man kun ser på installationstiden, tog det kun seks persontimer, hvilket er meget hurtigt. I de gode gamle dage krævede en hurtig installation tre mand og en lang dag, eller omkring 24 persontimer. Dette system gik så hurtigt af flere grunde:

• Vi brugte PEX- og polyethylenslanger.
• Vi monterede de udsatte forbindelser med Sharkbite-stikfittings.
• Kollektorproducenten leverede os en færdigbygget kontrolstation.
• Kollektorerne blev monteret på taget med kun én central bolt.
• Vi havde let adgang til undersiden af taget.
• Kollektorerne er noget fleksible og lette.
• Tanken på 105 gallon er let og nem at flytte.

Systemets ydeevne

Den hidtidige ydeevne har været god. Vi har datalogget på flere punkter i hele systemet for at forstå, hvordan det fungerer.

Begrebet solfraktion bruges til at angive, hvor stor en procentdel af ens varmt vand der opvarmes af solen. Hvis man gjorde det rigtigt, ville det at bestemme solfraktionen indebære, at man skulle måle det samlede varmtvandsforbrug og trække den del af vandopvarmningen, der ikke leveres af solen, fra.

Vi valgte i stedet blot at lægge mærke til, hvornår det solopvarmede vand var varmt nok til at tage brusebad med. Hvis det lagrede vand er omkring 105°F, er det godt til at tage brusebad. Når vi siger, at systemet producerer 95 % af det varme vand, betyder det, at Zak får acceptable badetider 95 % af tiden. Det er en hurtig, ikke-matematisk måde at forstå generelt, hvordan systemet fungerer. Hvis vi foretog nøjagtige målinger for at bestemme solfraktionen, ville den sandsynligvis være højere end 95 %. Men da vi betragter alt under 105°F som utilstrækkeligt, tager vi ikke æren for vand, der ikke er helt varmt nok, men som bestemt ligger et godt stykke over grundvandstemperaturen.

Diagrammet i billede #6 nedenfor viser systemet i de første forårsdage, hvor systemet yder et beundringsværdigt bidrag til hjemmets varmtvandsforsyning.

Diagrammet i billede #7 viser systemet, når det er værst. De lodrette gule søjler repræsenterer perioder med solskin, og de lodrette blå søjler repræsenterer nattetid. Mellem den 21. og 22. ser man endda regn! Men bemærk, hvordan blot et par timers vintersol den 23. øger tanken med næsten 20°F.

De to andre grafer, der er vist i billede nr. 8, illustrerer forskellene mellem december og marts. I disse grafer målte vi output fra hver enkelt solfanger for at se, om alle fire gav et brugbart output. Det viser sig, at de to første solfangere samlede mere Btu, men at de to andre solfangere hver især bumpede temperaturen højere op, så de hjalp virkelig – især i de koldere perioder af året.

Relevansen af dette design

Der er tydeligvis begrænsninger for, hvor denne type system med succes kan installeres. Hvis disse solfangere er dækket af sne, vil de måske ikke fungere særlig godt, så det ville være fornuftigt at undgå områder, der holder sig under frysepunktet i længere perioder. Men da der ikke er nogen metalrør i dette system, kan det tåle lejlighedsvis nedfrysning. Og hvis skattefradrag er den vigtigste motivation for at installere solvarmevand, kan dette system ikke bruges, fordi det endnu ikke er certificeret af Solar Rating and Certification Corporation. Alligevel skulle dette system koste mindre end de fleste andre systemer, selv uden fordelene ved skattefradrag.

Det er helt klart en god ting at bringe nye perspektiver på solvarme til opvarmning af varmt brugsvand. Ved på intelligent vis at sætte spørgsmålstegn ved gamle idéer og ved at bruge nyere materialer og hardware – såsom Marathon-tanken, PEX-rør og polyethylen-kollektorer – fik Zak os til at gøre det bedre, end jeg havde troet muligt.

Larry Weingarten er opvokset på Monterey-halvøen i Californien og har været selvstændig erhvervsdrivende i det meste af sit arbejdsliv. Han fik sin licens som totalentreprenør i 1982. Larry har skrevet artikler om vandopvarmning og energi til forskellige fagblade; han har undervist i disse emner for PG&E, California State Parks, Affordable Comfort og andre; og han har for nylig været med til at lave dvd’er om disse og beslægtede emner. I 2006 blev han færdig med at bygge et hus uden for nettet; det var designet til at være meget effektivt, komfortabelt og billigt, og det var det 13. hjem, der opfyldte 1000 Home Challenge, en konkurrence om at skabe supereffektive hjem. Han kan godt lide katte.

Zak Vetter har bidraget til denne artikel. Han er også opvokset på Monterey-kysten og har været selvstændig i over ti år, hvor han reparerer og underviser om computere. Siden 2008 har Zak lært om den vidtfavnende verden af energieffektivitet, mens han har forbedret sin egen ejendom. Solvandssystemet i denne artikel blev inspireret af et besøg i Larrys off-grid-hus, som viste, hvor meget der var muligt med solenergi.