Die vollständige Quelle für den Bau, die Planung und die Umgestaltung umweltfreundlicher Häuser

Zak Vetter hat zu diesem Artikel beigetragen, der ursprünglich in der Zeitschrift Home Energy erschienen ist. Der Nachdruck erfolgt mit Genehmigung.

Bereits 1978 installierte ich meine erste Solaranlage zur Warmwasserbereitung. Ich fuhr mit der Solarthermie fort und installierte neue Systeme, bis die Steuervergünstigungen 1986 ausliefen, und ich hielt fast alle lokalen Systeme noch jahrelang in Betrieb. Es wurde mir schmerzlich bewusst, dass Einfachheit für die Haltbarkeit und Langlebigkeit eines jeden solarthermischen Systems entscheidend ist. Komplexe Systeme sterben einfach jung. Damals bestand der heilige Gral der Solarthermie darin, ein System zu entwickeln, das 1.000 Dollar kostet – was niemandem wirklich gelungen ist. Heutzutage muss man mit 6.000 bis 10.000 Dollar für ein installiertes solares Warmwassersystem rechnen.

Mein Freund Martin Holladay veröffentlichte im März 2012 einen Artikel mit dem Titel „Solar Thermal Is Dead“. Er löste mit diesem Artikel eine Menge Diskussionen aus, einschließlich einiger Gegenstimmen, so dass er im Dezember 2014 einen weiteren Artikel mit dem Titel „Solar Thermal Is Really, Really Dead“ veröffentlichte. Martin untersuchte die Preise für Solarthermie und verglich sie mit der Verwendung von Photovoltaik und einem Wärmepumpen-Wassererhitzer, um die gleiche Aufgabe zu erfüllen. Nach den Berechnungen schienen PV und eine Wärmepumpe die Solarthermie für die Warmwasserbereitung zu schlagen.

Aber oft hängt die Antwort, die man erhält, von den eigenen Annahmen ab, und bei der Planung und dem Bau dieses Systems haben wir uns entschieden, einige dieser gängigen Annahmen in Frage zu stellen. Zum einen sind Wärmepumpen-Wasserheizungen noch so neu, dass wir nicht genau wissen, wie lange sie halten werden. Zum anderen hat es große Vorteile, ein System zu installieren, das zwar nicht vor dem Einfrieren geschützt ist, aber durch das Einfrieren nicht beschädigt wird. Das sind Gründe, weiter zu erforschen, wie man einfache solarthermische Anlagen zum Laufen bringen kann.

Das Projekt

Zak Vetter kommt ins Spiel. Zak bat mich um Hilfe bei der Planung und Installation einer solaren Warmwasseranlage für sein Haus in der Nähe von Carmel, Kalifornien. Es handelt sich um eine auf dem Dach montierte Anlage auf einem Gebäude, das Wohnraum und Werkstatt vereint. Er hatte sich für das Projekt eine Reihe einfacher Ziele gesetzt:

• Der Bedarf an externer Energie zur Bereitstellung des gesamten gewünschten Warmwassers sollte erheblich reduziert oder ganz eliminiert werden.
• Ein System bauen, das auch unter weniger idealen Bedingungen gut funktioniert. Das bedeutet, dass selbst an einem bewölkten Tag der größte Teil (oder sogar der gesamte) Warmwasserbedarf durch die gesammelte und im System gespeicherte Solarenergie gedeckt wird.
• Baue ein System, das fast keine Wartung erfordert.

Ich hatte noch nie mit einer so anspruchsvollen Liste gearbeitet. Bei der Planung und dem Bau eines herkömmlichen solarthermischen Systems werden viele Annahmen zugrunde gelegt, die durch Zaks Ziele in Frage gestellt werden. Hier sind einige der Annahmen, von denen wir typischerweise ausgehen:

• Solaranlagen können bestenfalls 75 % der Warmwasserbereitung übernehmen.
• Solaranlagen mit Frostschutz sind komplex.
• Überhitzung ist ein großes Problem bei Solaranlagen.
• Die Installation von Solarthermie ist knifflig.
• Solarthermische Anlagen müssen jährlich gewartet werden.

Die Konstruktionsregeln beinhalten auch Annahmen:

• Wir wollen die effizientesten Kollektoren.
• Ein System für den Winter zu dimensionieren, führt im Sommer zu Überhitzung.
• Parallele Rohrleitungen sammeln am meisten Btu.
• Speicher sollten nicht überdimensioniert werden, da dies zu Stagnationsproblemen führt.
• Frostschutz diktiert die Systemauslegung.

Es ist klar, dass Zaks Ziele nicht mit den Standardannahmen übereinstimmen. Aber ich bin froh, dass er die Konventionen in Frage gestellt hat, denn schließlich haben wir ein System gebaut, das weniger kostet und besser funktioniert als jedes mir bekannte solarthermische System. Das System kostete etwa 4.000 Dollar und deckt 95 % des jährlichen Warmwasserbedarfs von Zaks Familie. Jemand, der handwerklich begabt ist, könnte die gleiche Leistung für etwa 3.000 $ erbringen, wenn er seine eigenen Kollektoren bauen würde.

Die Kollektoren

Die folgenden Überlegungen haben uns zu diesem Ziel geführt. Effiziente Kollektoren hätten uns gezwungen, ein komplexeres, teureres System zu bauen, um das Einfrieren und Überhitzen zu verhindern. Also haben wir stattdessen wirklich ineffiziente Kollektoren verwendet! Es handelt sich lediglich um Rohrschlangen aus ¾-Zoll-Polyethylen unter einer Acrylverglasung (siehe Bild Nr. 2 unten).

Die Kollektoren sind nicht isoliert, so dass sie nicht überhitzen können und es unwahrscheinlich ist, dass sie durch Gefrieren beschädigt werden. Die höchste Temperatur, die wir im Sommer ohne Wasserdurchfluss gemessen haben, liegt bei 170°F in den Kollektoren, und sie sind schon viele Male ohne Probleme eingefroren. Dieser Kollektortyp wurde in San Jose, Kalifornien, 16 Jahre lang getestet, und es sind keine Probleme aufgetreten. Im Wesentlichen handelt es sich um Schwimmbadkollektoren, die durch Hinzufügen einer Verglasung für die Erzeugung von Brauchwarmwasser modifiziert wurden. Sie werden von Gull Industries in San Jose, Kalifornien, hergestellt.

Jede Spule misst 26 Quadratfuß. Ein weiterer Vorteil der „ineffizienten“ Kollektoren ist, dass wir keine Kupferrohre zu und von ihnen verlegen müssen, sondern stattdessen PEX-Rohre verwenden. Bei herkömmlichen Kupferkollektoren, die in der Sommersonne bei bis zu 400°F stagnieren können, würden PEX-Rohre ziemlich schnell schmelzen. Wir konnten jedoch für fast alles Polyrohr und PEX verwenden, was die Arbeit noch weiter vereinfachte (siehe Bild Nr. 3, unten). Wir haben das System bewusst überdimensioniert, damit es auch in sonnenlosen Zeiten funktioniert und sich schnell erholt, wenn die Sonne wiederkommt.

Der Tank

Der Tank war eine weitere Überlegung. Normalerweise sollte man bei einem emaillierten Tank (fast alle Tankheizungen in den Vereinigten Staaten sind emailliert) das Volumen des Tanks täglich umdrehen, um Stagnation und Geruchsprobleme zu vermeiden. Es hat sich herausgestellt, dass die Anode, die mit allen emaillierten Tanks geliefert wird, Wasserstoffgas erzeugt, das einige Bakterien sehr mögen. Wir umgingen dies, indem wir einen 105-Gallonen-Marathon-Tank von Rheem installierten (siehe Bild #4, unten). Dies ist ein nichtmetallischer Tank, der keine Anode benötigt, so dass das Wasser nicht altert oder durch langsamen Umsatz verunreinigt wird. Der Vorteil dieser großen Speicherkapazität ist, dass das System auch an sonnenlosen Tagen heißes Wasser liefern kann.

Ein weiterer Vorteil des Marathontanks ist seine Isolierung. Er ist mit einer 15 cm dicken Schaumstoffschicht versehen, und in der Literatur heißt es, dass er in 24 Stunden nur 5°F verliert. Unsere Datenaufzeichnungen deuten darauf hin, dass es in unserer Situation eher 6-8°F sind, aber das ist auch nicht schlecht. Wir haben auch mit der Isolierung gespielt.

Die Rohrisolierung ist selten wirklich dick, aber wenn man den Wärmeverlust niedrig hält, erhöht sich der tatsächliche Solaranteil und die benötigte Reserveenergie wird reduziert. Deshalb haben wir uns entschlossen, die Isolierung zu verdoppeln, wo immer es möglich ist.

Dies ist ein ¾-Zoll-PEX-Rohr mit zwei Lagen Isolierung, was eine Gesamtwandstärke von 1½ Zoll ergibt. Nach der Installation sieht es wie ein einziges großes Rohr aus.

Solare Warmwasserbereiter sind normalerweise als Ein- oder Zwei-Tank-Systeme konzipiert. Ein Tank ist besser, wenn man es einrichten kann, da es weniger Geräte gibt, aus denen Wärme verloren geht. Heutzutage ist dies nur noch mit elektrischer Unterstützung möglich. Deshalb haben wir bei unserem Einzeltank das untere Element abgeklemmt und nur das obere Element als Reserve verwendet. Dadurch wird verhindert, dass die elektrische Wärmequelle mit der Solarwärme konkurriert. Wir haben ihn mit 120 Volt statt 240 Volt verdrahtet, so dass wir nichts weiter tun mussten, als ihn einfach anzuschließen. Bei halber Spannung dauert es zwar viermal so lange, um zu heizen, aber Zak wollte einen guten Test der Solaranlage. Das System wurde im November 2014 installiert, und er hat das Backup noch nicht benutzt!

Der Regler

Das System wird einfach mit einem handelsüblichen Goldline GL-30 Solarregler verwaltet (siehe Bild #5, unten). Er misst die Temperatur am Solarkollektor und am Boden des Speichers. Er vergleicht die beiden Werte und schaltet die Pumpe ein, wenn der Kollektor ausreichend heiß ist. Die Steuerung verfügt über Einstellungen zur Feinabstimmung dieses Sollwerts. Zum Glück brauchen wir die Steuerung, die vor Frost oder Überhitzung schützt, nicht.

Das System war einfach zu installieren. Wenn man nur die Installationszeit betrachtet, hat es nur sechs Personenstunden gedauert, was sehr schnell ist. In den guten alten Zeiten brauchte man für eine schnelle Installation drei Leute und einen langen Tag, also etwa 24 Personenstunden. Bei diesem System ging es aus mehreren Gründen so schnell:

• Wir verwendeten PEX- und Polyethylenrohre.
• Wir montierten die freiliegenden Anschlüsse mit Sharkbite-Steckfittings.
• Der Kollektorhersteller lieferte uns eine vorgefertigte Kontrollstation.
• Die Kollektoren wurden mit nur einer zentralen Schraube auf dem Dach installiert.
• Wir hatten einfachen Zugang zur Unterseite des Daches.
• Die Kollektoren sind einigermaßen flexibel und leicht.
• Der 105-Gallonen-Tank ist leicht und lässt sich einfach bewegen.

Systemleistung

Die bisherige Leistung war gut. Wir haben die Daten an mehreren Punkten des Systems aufgezeichnet, um zu verstehen, wie es funktioniert.

Der Begriff Solaranteil wird verwendet, um anzugeben, wie viel Prozent des Warmwassers von der Sonne erwärmt wird. Um den Solaranteil richtig zu bestimmen, müsste man den gesamten Warmwasserverbrauch messen und den Anteil der Wassererwärmung, der nicht von der Sonne stammt, abziehen.

Wir haben uns stattdessen dafür entschieden, einfach zu beobachten, wann das solar erwärmte Wasser heiß genug zum Duschen ist. Wenn das gespeicherte Wasser etwa 105°F hat, ist es zum Duschen geeignet. Wenn wir sagen, dass das System 95 % des Warmwassers produziert, bedeutet das, dass Zak in 95 % der Fälle eine akzeptable Duschtemperatur hat. Das ist eine schnelle, nicht-mathematische Methode, um zu verstehen, wie das System im Allgemeinen funktioniert. Wenn wir genaue Messungen vornehmen würden, um den Solaranteil zu bestimmen, wäre er wahrscheinlich höher als 95 %. Aber da wir alles unter 105°F als unzureichend betrachten, nehmen wir kein Lob für Wasser entgegen, das nicht ganz heiß genug ist, aber auf jeden Fall weit über der Grundwassertemperatur liegt.

Das Diagramm in Abbildung 6 unten zeigt das System in den ersten Frühlingstagen, wenn das System einen bewundernswerten Beitrag zur Warmwasserversorgung des Hauses leistet.

Das Diagramm in Abbildung 7 zeigt das System in seiner schlechtesten Phase. Die senkrechten gelben Balken stehen für Sonnenscheinperioden, die senkrechten blauen Balken für die Nachtstunden. Zwischen dem 21. und 22. kommt es sogar zu Regen! Aber beachten Sie, wie nur ein paar Stunden Wintersonne am 23. den Tank um fast 20°F ansteigen lassen.

Die beiden anderen Diagramme in Abbildung #8 zeigen die Unterschiede zwischen Dezember und März. In diesen Diagrammen haben wir die Leistung der einzelnen Kollektoren gemessen, um zu sehen, ob alle vier Kollektoren eine brauchbare Leistung erbringen. Es stellte sich heraus, dass die ersten beiden Kollektoren mehr Btu sammelten, aber die zweiten beiden Kollektoren erhöhten jeweils die Temperatur, so dass sie wirklich halfen – vor allem während der kälteren Jahreszeit.

Die Relevanz dieser Konstruktion

Es gibt eindeutig Grenzen, wo diese Art von System erfolgreich installiert werden kann. Wenn diese Kollektoren mit Schnee bedeckt sind, funktionieren sie möglicherweise nicht so gut, so dass es sinnvoll wäre, Gebiete zu vermeiden, die über längere Zeit unter dem Gefrierpunkt liegen. Da dieses System jedoch keine Metallrohre enthält, kann es gelegentlichem Einfrieren standhalten. Und wenn Steuergutschriften die Hauptmotivation für die Installation einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung sind, wird dieses System nicht ausreichen, da es noch nicht von der Solar Rating and Certification Corporation zertifiziert wurde. Dennoch dürfte dieses System auch ohne Steuergutschriften weniger kosten als die meisten anderen Systeme.

Es ist eindeutig eine gute Sache, der solaren Warmwasserbereitung neue Perspektiven zu geben. Indem er alte Ideen intelligent in Frage stellte und neuere Materialien und Geräte – wie den Marathon-Speicher, PEX-Rohre und Polyethylen-Kollektoren – verwendete, brachte uns Zak dazu, mehr zu erreichen, als ich für möglich gehalten hatte.

Larry Weingarten ist auf der Monterey-Halbinsel in Kalifornien aufgewachsen und war die meiste Zeit seines Berufslebens selbstständig. Seine Lizenz als Generalunternehmer erhielt er 1982. Larry Weingarten hat für verschiedene Fachzeitschriften Artikel über Warmwasserbereitung und Energie geschrieben; er hat für PG&E, California State Parks, Affordable Comfort und andere über diese Themen gelehrt und vor kurzem an der Erstellung von DVDs zu diesen und ähnlichen Themen mitgearbeitet. Im Jahr 2006 beendete er den Bau eines netzunabhängigen Hauses, das sehr effizient, komfortabel und kostengünstig ist. Es war das dreizehnte Haus, das die 1000 Home Challenge, einen Wettbewerb für supereffiziente Häuser, bestand. Er mag Katzen.

Zak Vetter hat zu diesem Artikel beigetragen. Er ist ebenfalls an der Küste von Monterey aufgewachsen und arbeitet seit über zehn Jahren als Selbstständiger, der Computer repariert und unterrichtet. Seit 2008 lernt Zak die vielfältige Welt der Energieeffizienz kennen, während er seine eigene Immobilie verbessert. Das Solar-Wassersystem in diesem Artikel wurde durch einen Besuch in Larrys netzunabhängigem Haus inspiriert, das zeigte, wie viel mit Solarenergie möglich ist.