Täydellinen lähde vihreiden kotien rakentamiseen, suunnitteluun ja muutostöihin

Zak Vetter osallistui tähän artikkeliin, joka ilmestyi alun perin Home Energy -lehdessä. Se on painettu uudelleen luvalla.

Viime vuonna 1978 asensin ensimmäisen aurinkoenergialla toimivan vedenlämmitysjärjestelmäni. Jatkoin aurinkolämpöjärjestelmien käyttöä asentamalla uusia järjestelmiä, kunnes verohyvitykset raukesivat vuonna 1986, ja pidin lähes kaikki paikalliset järjestelmät toiminnassa vielä vuosia sen jälkeen. Minulle kävi tuskallisen selväksi, että yksinkertaisuus on olennaisen tärkeää minkä tahansa aurinkolämpöjärjestelmän kestävyyden ja pitkäikäisyyden kannalta. Monimutkaiset järjestelmät vain kuolevat nuorina. Tuohon aikaan aurinkolämpöjärjestelmien pyhä Graalin malja oli keksiä järjestelmä, joka maksaisi 1 000 dollaria, mutta kukaan ei koskaan onnistunut siinä. Nykyään aurinkolämpöjärjestelmästä voi odottaa maksavan 6 000-10 000 dollaria asennettuna.

Ystäväni Martin Holladay julkaisi maaliskuussa 2012 artikkelin otsikolla ”Aurinkolämpö on kuollut”. Hän herätti tuolla artikkelilla paljon keskustelua, myös jonkin verran eriäviä mielipiteitä, joten hän julkaisi joulukuussa 2014 toisen artikkelin otsikolla ”Solar Thermal Is Really, Really Dead”. Martin tarkasteli aurinkolämmön hintoja ja vertasi niitä aurinkosähkön ja lämpöpumppuvedenlämmittimen käyttöön samaan tehtävään. Laskutoimitusten jälkeen PV ja lämpöpumppu näyttivät päihittävän aurinkolämmön vedenlämmityksessä.

Mutta usein vastaus, jonka saat, riippuu olettamuksistasi, ja tätä järjestelmää suunnitellessamme ja rakentaessamme päätimme kyseenalaistaa joitakin näistä yleisesti pidetyistä olettamuksista. Ensinnäkin lämpöpumppuvedenlämmittimet ovat sen verran uusia, että emme oikeastaan tiedä, kuinka kauan ne kestävät. Toiseksi on suuria etuja asentaa järjestelmä, joka ei ole suojattu jäätymiseltä, mutta joka ei vahingoitu jäätymisestä. Nämä ovat syitä jatkaa sen tutkimista, miten saada yksinkertainen aurinkolämpöjärjestelmä toimimaan.

Projekti

Sisään Zak Vetter. Zak pyysi minua auttamaan suunnittelemaan ja asentamaan aurinkoenergialla toimivan kuuman veden järjestelmän kotiinsa Carmelin lähellä Kaliforniassa. Kyseessä on katolle asennettava järjestelmä rakennukseen, jossa yhdistyvät asuintilat ja myymälä. Hän oli asettanut hankkeelle yksinkertaiset tavoitteet:

• Vähentää huomattavasti tai poistaa kokonaan tai kokonaan ulkopuolisen energian tarve kaiken halutun lämpimän veden tuottamiseen.
• Rakentaa järjestelmä, joka toimii hyvin vähemmän ihanteellisissa olosuhteissa. Tämä tarkoittaa, että jopa pilvisenä päivänä suurin osa (tai jopa kaikki) lämpimän veden tarpeesta katetaan järjestelmään kerätyllä ja varastoidulla aurinkoenergialla.
• Rakenna järjestelmä, joka ei vaadi lähes lainkaan huoltoa.

En ollut koskaan työskennellyt näin vaativan listan kanssa. Perinteisen aurinkolämpöjärjestelmän suunnitteluun ja rakentamiseen liittyy monia oletuksia, ja nämä saivat haasteita Zakin tavoitteiden myötä. Tässä muutamia oletuksia, joista yleensä lähdemme liikkeelle:

• Aurinkolämpö voi tuottaa parhaimmillaan 75 % vedenlämmityksestä.
• Pakkassuojan kanssa aurinkolämpö on monimutkainen.
• Ylilämpeneminen on aurinkolämmön suuri ongelma.
• Aurinkolämpöjärjestelmien asentaminen on hankalaa.
• Aurinkolämpöjärjestelmät tarvitsevat vuosittaista huoltoa.

Suunnittelusääntöihin liittyy myös olettamuksia:

• Haluamme mahdollisimman tehokkaat keräimet.
• Järjestelmän mitoittaminen talvea varten aiheuttaa ylikuumenemista kesällä.
• Rinnakkaiset putkistot keräävät eniten Btu:ta.
• Varastosäiliöitä ei pidä mitoittaa liian suuriksi, koska se aiheuttaa stagnaatio-ongelmia.
• Pakkassuojaus sanelee järjestelmäsuunnittelun.

Ymmärrettävästi Zakin päämäärät eivät olleet linjassa vakio-olettamien kanssa. Mutta olen iloinen, että hän haastoi konventiot, koska lopulta rakensimme järjestelmän, joka maksaa vähemmän ja toimii paremmin kuin mikään tuntemani aurinkolämpöjärjestelmä. Järjestelmä maksoi noin 4 000 dollaria, ja se tuottaa 95 prosenttia Zakin perheen vuotuisesta lämpimän veden tarpeesta. Joku, jolla on hyvät kädet, voisi tehdä saman työn noin 3 000 dollarilla, jos hän rakentaisi omat keräimet.

Keräimet

Seuraavassa on ajattelutapa, jonka avulla pääsimme tähän. Tehokkaiden keräinten haluaminen olisi pakottanut meidät rakentamaan monimutkaisemman ja kalliimman järjestelmän jäätymisen ja ylikuumenemisen estämiseksi. Joten sen sijaan käytimme todella tehottomia keräimiä! Ne ovat vain käämejä ¾ tuuman polyeteeniputkea akryylilasin alla (ks. kuva #2, alla).

Keräimissä ei ole eristystä, joten ne eivät voi ylikuumentua eivätkä todennäköisesti vahingoitu jäätymisestä. Ylin lämpötila, jonka olemme mitanneet kesällä ilman veden virtausta, on 170 °F keräimissä, ja ne ovat jäätyneet monta kertaa ilman ongelmia. Tämäntyyppisiä keräimiä on testattu San Josessa, Kaliforniassa, 16 vuoden ajan, eikä ongelmia ole ilmennyt. Pohjimmiltaan ne ovat uima-altaan keräimiä, jotka on muutettu tuottamaan kuumaa käyttövettä yksinkertaisesti lisäämällä lasitus. Niitä valmistaa kaupallisesti Gull Industries San Josessa, Kaliforniassa.

Kunkin kierukan koko on 26 neliöjalkaa. Toinen hyöty ”tehottomien” keräinten käytöstä on se, että emme tarvinneet kupariputkea niihin ja niistä pois, vaan käytimme sen sijaan PEX-putkia. Perinteisissä kuparikeräimissä, jotka voivat pysähtyä kesäauringossa jopa 400 asteen lämpötilaan, PEX-putket sulaisivat melko nopeasti. Pystyimme kuitenkin käyttämään poly- ja PEX-putkia lähes kaikkeen, mikä yksinkertaisti työtä entisestään (ks. kuva 3 alla). Mitoitimme järjestelmän tarkoituksella ylimitoitetuksi, jotta se pystyisi selviytymään ilman aurinkoa olleista jaksoista ja toipumaan nopeasti, kun aurinko palaa.

Säiliö

Säiliö oli toinen näkökohta. Normaalisti minkä tahansa lasivuoratun säiliön (lähes kaikki säiliötyyppiset lämmittimet Yhdysvalloissa ovat lasivuorattuja) kanssa säiliön tilavuus halutaan kääntää päivittäin, jotta vältetään pysähtyminen ja hajuongelmat. Kävi ilmi, että kaikkien lasivuorattujen säiliöiden mukana tuleva anodi tuottaa vetykaasua, josta jotkut bakteerit todella pitävät. Ohitimme tämän asentamalla Rheemin 105 gallonan Marathon-säiliön (ks. kuva #4, alla). Tämä on ei-metallinen säiliö, joka ei tarvitse anodia, joten vesi ei vanhene tai saastu hitaasta vaihtuvuudesta. Näin suuresta varastomäärästä on se hyöty, että järjestelmä voi jatkaa lämpimän veden tuottamista auringottomina päivinä.

Marathon-säiliön toinen hyöty on sen eristys. Siinä on 3 tuumaa vaahtomuovia, ja kirjallisuuden mukaan se menettää vain 5 °F 24 tunnissa. Tietojen kirjaaminen viittaa siihen, että meidän tilanteessamme se on pikemminkin 6-8°F, mutta se ei silti ole paha. Eristäminen oli toinen asia, jonka kanssa leikimme.

Putkien eristys on harvoin todella paksu, mutta lämpöhäviön pitäminen pienenä lisää todellista aurinkoenergian osuutta ja vähentää tarvittavan varavoiman määrää. Päätimme siis kaksinkertaistaa eristyksen aina kun se on mahdollista.

Tämä on ¾-tuumainen PEX-putki, jossa on kaksi eristekerrosta, jolloin seinämän kokonaispaksuus on 1½ tuumaa. Asennettuna se näyttää yhdeltä isolta putkelta.

Aurinkovedenlämmittimet suunnitellaan yleensä yhden tai kahden säiliön järjestelmiksi. Yksi säiliö on parempi, jos sen saa toimimaan, koska siinä on vähemmän laitteita, joista lämpöä voi hävitä. Nykyään tämä onnistuu helposti vain sähkövarauksella. Toinen asia, jonka teimme, oli se, että irrotimme yhden säiliön alemman elementin ja käytimme vain ylempää elementtiä varajärjestelmänä. Tämä estää sähkölämmönlähdettä kilpailemasta aurinkolämmön kanssa. Johdotimme sen 120 voltin eikä 240 voltin jännitteelle, joten ei tarvinnut tehdä muuta kuin kytkeä se vain virtalähteeseen. Lämmitys kestää neljä kertaa kauemmin puolet pienemmällä jännitteellä, mutta Zak halusi testata aurinkolämpöä. Järjestelmä asennettiin marraskuussa 2014, eikä hän ole vielä käyttänyt varajärjestelmää!

Säädin

Järjestelmää hallitaan yksinkertaisesti valmiilla Goldline GL-30 -aurinkosäätimellä (ks. kuva #5, alla). Se mittaa lämpötilaa aurinkokeräimessä ja säiliön pohjassa. Se vertaa näitä kahta ja kytkee pumpun päälle, kun keräin on riittävän kuuma. Säätimessä on säädöt tämän asetusarvon hienosäätöä varten. Onneksi emme tarvitse jäätymiseltä tai ylikuumenemiselta suojaavaa säätöä.

Järjestelmä oli helppo asentaa. Jos tarkastellaan pelkästään asennusaikaa, siihen kului vain kuusi henkilötyötuntia, mikä on hyvin nopeaa. Vanhoina hyvinä aikoina nopea asennus vaati kolme miestä ja yhden pitkän päivän eli noin 24 henkilötyötuntia. Tämä järjestelmä meni niin nopeasti useista syistä:

• Käytimme PEX- ja polyeteeniputkia.
• Kokosimme paljaat liitännät Sharkbite-työntöliitoksilla.
• Keräinvalmistaja toimitti meille valmiiksi rakennetun valvontapisteen.
• Keräimet asennettiin katolle vain yhdellä keskipultilla.
• Pääsimme helposti käsiksi katon alapuolelle.
• Keräimet ovat jokseenkin joustavia ja kevyitä.
• 105 gallonan säiliö on kevyt ja helppo siirtää.

Järjestelmän suorituskyky

Suorituskyky on toistaiseksi ollut hyvä. Olemme tallentaneet tietoja useista eri kohdista järjestelmää, jotta ymmärtäisimme, miten se toimii.

Termiä solar fraction käytetään ilmaisemaan, kuinka suuren osan lämpimästä vedestä aurinko lämmittää. Oikein tehtynä aurinko-osuuden määrittäminen edellyttäisi lämpimän veden kokonaiskäytön mittaamista ja sen vähentämistä siitä osasta vedenlämmitystä, jota aurinko ei tuota.

Päätimme sen sijaan yksinkertaisesti huomata, milloin aurinkolämmitteinen vesi oli tarpeeksi kuumaa suihkua varten. Jos varastoitu vesi on noin 105°F, se on hyvää suihkua varten. Kun sanomme, että järjestelmä tuottaa 95 % kuumasta vedestä, se tarkoittaa, että Zak saa 95 % ajasta hyväksyttävän suihkulämpötilan. Se on nopea, ei-matemaattinen tapa ymmärtää yleisesti, miten järjestelmä toimii. Jos tekisimme tarkkoja mittauksia auringon osuuden määrittämiseksi, se olisi luultavasti suurempi kuin 95 prosenttia. Mutta koska pidämme kaikkea alle 105°F:n lämpötilaa riittämättömänä, emme ota kiitosta vedestä, joka ei ole aivan tarpeeksi kuumaa, mutta joka on varmasti reilusti pohjaveden lämpötilan yläpuolella.

Kuvan #6 kuvaajassa, alla, näkyy järjestelmä kevään ensimmäisinä päivinä, jolloin järjestelmä antaa ihailtavan panoksen kodin lämpimän veden tarjontaan.

Kuvan #7 kuvaajassa näkyy järjestelmä huonoimmillaan. Pystysuorat keltaiset palkit kuvaavat auringonpaisteen aikoja, ja pystysuorat siniset palkit kuvaavat yöaikaa. 21. ja 22. päivän välillä näkyy jopa sadetta! Huomaa kuitenkin, kuinka vain muutama tunti talviaurinkoa 23. päivänä nostaa säiliön lämpötilaa lähes 20°F.

Kahdessa muussa kuvassa #8 esitetyt kuvaajat havainnollistavat joulukuun ja maaliskuun välisiä eroja. Näissä kuvaajissa mittasimme kunkin keräimen tuoton nähdaksemme, tuottavatko kaikki neljä hyödyllistä tuottoa. Kävi ilmi, että kaksi ensimmäistä keräintä keräsivät enemmän Btu:ta, mutta kaksi jälkimmäistä keräintä nostivat kukin lämpötilaa korkeammaksi, joten ne todella auttoivat – erityisesti vuoden kylmempinä aikoina.

Tämän mallin merkitys

On selvää, että on olemassa rajoituksia sille, mihin tällainen järjestelmä voidaan onnistuneesti asentaa. Jos nämä keräimet ovat lumen peitossa, ne eivät välttämättä toimi kovin hyvin, joten olisi järkevää välttää alueita, jotka pysyvät pitkään pakkasen alapuolella. Koska tässä järjestelmässä ei kuitenkaan ole metalliputkia, se kestää satunnaista jäätymistä. Ja jos verohyvitykset ovat tärkein motivaatio aurinkolämpimän käyttöveden asentamiseen, tämä järjestelmä ei käy, koska Solar Rating and Certification Corporation ei ole vielä sertifioinut sitä. Silti tämän järjestelmän pitäisi maksaa vähemmän kuin useimpien muiden järjestelmien, jopa ilman verohyvityksiä.

On selvästi hyvä asia tuoda uusia näkökulmia aurinkoenergialla tapahtuvaan vedenlämmitykseen. Kyseenalaistamalla älykkäästi vanhoja ajatuksia ja käyttämällä uudempia materiaaleja ja laitteistoja – kuten Marathon-säiliötä, PEX-putkistoa ja polyeteenikeräimiä – Zak ajoi meidät tekemään parempaa kuin olin uskonut mahdolliseksi.

Larry Weingarten on kasvanut Kalifornian Montereyn niemimaalla, ja hän on ollut itsenäisenä ammatinharjoittajana suurimman osan työelämästään. Hän sai pääurakoitsijan toimiluvan vuonna 1982. Larry on kirjoittanut artikkeleita vedenlämmityksestä ja energiasta eri ammattilehtiin; hän on opettanut näistä aiheista muun muassa PG&E:lle, Kalifornian osavaltion puistoille, Affordable Comfortille ja muille; ja hän on hiljattain auttanut luomaan DVD-levyjä näistä ja niihin liittyvistä aiheista. Vuonna 2006 hän sai valmiiksi verkon ulkopuolisen kodin, joka on suunniteltu erittäin tehokkaaksi, mukavaksi ja edulliseksi, ja se oli 13. koti, joka täytti 1000 Home Challenge -kilpailun (1000 Home Challenge), joka on kilpailu huipputehokkaiden kotien luomiseksi. Hän pitää kissoista.

Zak Vetter osallistui tähän artikkeliin. Hänkin on kasvanut Montereyn rannikolla, ja hän on toiminut yli kymmenen vuotta itsenäisenä ammatinharjoittajana, joka korjaa ja opettaa tietokoneista. Vuodesta 2008 lähtien Zak on perehtynyt energiatehokkuuden laaja-alaiseen maailmaan samalla kun hän on parantanut omaa omaisuuttaan. Tämän artikkelin aurinkovesijärjestelmä sai inspiraationsa vierailusta Larryn off-grid-talossa, joka osoitti, kuinka paljon on mahdollista aurinkoenergialla.