A zöld otthonok építésének, tervezésének és átalakításának teljes forrása

Zak Vetter hozzájárult ehhez a cikkhez, amely eredetileg a Home Energy magazinban jelent meg. Engedéllyel újranyomtatjuk.

Még 1978-ban telepítettem az első napelemes vízmelegítő rendszeremet. Folytattam a napkollektoros fűtést, új rendszereket telepítettem, amíg az adókedvezmények 1986-ban le nem jártak, és utána még évekig szinte az összes helyi rendszert üzemben tartottam. Fájdalmasan nyilvánvalóvá vált számomra, hogy az egyszerűség alapvető fontosságú bármely napkollektoros rendszer tartóssága és hosszú élettartama szempontjából. A bonyolult rendszerek egyszerűen fiatalon halnak meg. Akkoriban a napkollektoros hőtermelés szent grálja az volt, hogy olyan rendszert találjanak ki, amely 1000 dollárba kerül – ami senkinek sem sikerült igazán. Manapság 6000 és 10 000 dollár közötti összeget kell fizetni egy napkollektoros melegvíz-rendszerért, telepítve.

Martin Holladay barátom 2012 márciusában publikált egy cikket “A napkollektoros melegvízrendszer halott” címmel. Ezzel a cikkel sok vitát generált, beleértve néhány ellenvéleményt is, ezért 2014 decemberében egy másik cikket is megjelentetett “A napkollektoros hőtermelés tényleg, tényleg halott” címmel. Martin megvizsgálta a napkollektoros hőtermelés árait, és összehasonlította azokat a PV és egy hőszivattyús vízmelegítő használatával ugyanarra a feladatra. A számítások elvégzése után úgy tűnt, hogy a PV és a hőszivattyú legyőzi a napkollektoros vízmelegítést.

De gyakran a válasz, amit kapunk, a feltételezéseinktől függ, és ennek a rendszernek a tervezése és építése során úgy döntöttünk, hogy megkérdőjelezünk néhány ilyen általánosan elfogadott feltételezést. Egyrészt a hőszivattyús vízmelegítők elég újak ahhoz, hogy nem igazán tudjuk, meddig tartanak ki. Másrészt, nagy előnyei vannak egy olyan rendszer telepítésének, amely ugyan nem védett a fagyás ellen, de nem károsodik a fagyás miatt. Ezek okok arra, hogy tovább kutassuk, hogyan lehet az egyszerű napkollektoros termálvizet működőképessé tenni.

A projekt

Bejelentkezik Zak Vetter. Zak megkért, hogy segítsek megtervezni és telepíteni egy napkollektoros melegvíz-rendszert a kaliforniai Carmel közelében lévő otthonába. Ez egy tetőre szerelt rendszer egy olyan épületre, amely egyesíti a lakóteret és a boltot. Egyszerű célokat tűzött ki a projekt számára:

• Nagymértékben csökkenteni vagy megszüntetni az összes kívánt melegvíz előállításához szükséges külső energia szükségességét.
• Elkészíteni egy olyan rendszert, amely nem éppen ideális körülmények között is jól működik. Ez azt jelenti, hogy még egy felhős napon is a melegvízigény nagy részét (vagy akár az egészet) a rendszerben összegyűjtött és tárolt napenergia fedezi.
• Egy olyan rendszert épít, amely szinte nulla karbantartást igényel.

Nem dolgoztam még ilyen igényes listával. Egy hagyományos napkollektoros rendszer megtervezésekor és megépítésekor sok feltételezéssel kell számolni, és ezeket Zak céljai megkérdőjelezték. Íme néhány feltételezés, amelyekből általában kiindulunk:

• A napenergia a legjobb esetben is csak a vízmelegítés 75%-át tudja biztosítani.
• A fagyvédelemmel a napenergia összetett.
• A túlmelegedés nagy probléma a napenergia esetében.
• A napkollektorok telepítése trükkös.
• A napkollektoros rendszerek éves karbantartást igényelnek.

A tervezési szabályok feltételezésekkel is járnak:

• A leghatékonyabb kollektorokat szeretnénk.
• A rendszer télire való méretezése nyáron túlmelegedést okoz.
• A párhuzamos csővezetékek gyűjtik a legtöbb Btu-t.
• A tárolótartályokat nem szabad túlméretezni, mivel ez stagnálási problémákat okoz.
• A fagyvédelem diktálja a rendszer tervezését.

Látható, hogy Zak céljai nem egyeztek a szokásos feltételezésekkel. De örülök, hogy megkérdőjelezte a konvenciókat, mert végül olyan rendszert építettünk, amely olcsóbb és jobban teljesít, mint bármelyik általam ismert napkollektoros rendszer. A rendszer 4000 dollár körüli összegbe került, és Zak családjának éves melegvíz-szükségletének 95%-át biztosítja. Valaki, aki ért a kezéhez, ugyanezt a munkát 3000 dollár körüli összegből meg tudná csinálni, ha saját kollektorokat építene.

A kollektorok

A következő gondolatmenet vezetett minket idáig. Ha hatékony kollektorokat akartunk volna, akkor egy bonyolultabb, drágább rendszer építésére kényszerültünk volna, hogy megakadályozzuk a fagyást és a túlmelegedést. Így ehelyett valóban nem hatékony kollektorokat használtunk! Ezek csak ¾ hüvelykes polietilén csőből készült tekercsek egy akril üvegezés alatt (lásd a 2. képet alább).

A kollektorokban nincs szigetelés, így nem tudnak túlmelegedni, és nem valószínű, hogy a fagyás károsítja őket. Az általunk mért legmagasabb hőmérséklet nyáron, vízáramlás nélkül 170°F a kollektorokban, és már sokszor gond nélkül megfagytak. Ezt a kollektortípust a kaliforniai San Joséban 16 éven át tesztelték, és semmilyen probléma nem merült fel. Lényegében ezek medencekollektorok, amelyeket egyszerűen üvegezéssel használati melegvíz előállítására módosítottak. Kereskedelmi forgalomban a Gull Industries gyártja őket a kaliforniai San Jose-ban.

Minden tekercs 26 négyzetláb méretű. A “nem hatékony” kollektorok használatának másik előnye, hogy kiküszöböltük a rézcsövek vezetésének szükségességét hozzájuk és tőlük, helyette PEX csöveket fektettünk le. A hagyományos rézkollektorok esetében, amelyek a nyári napsütésben akár 400°F-on is stagnálhatnak, a PEX csövek elég gyorsan megolvadnának. Mi azonban szinte mindenhez poliészter csövet és PEX-et tudtunk használni, ami még inkább leegyszerűsítette a munkát (lásd a 3. képet alább). Szándékosan túlméreteztük a rendszert, hogy átvészelhesse a napfény nélküli időszakokat, és gyorsan helyreálljon, amikor a nap visszatér.

A tartály

A tartály egy másik szempont volt. Normális esetben bármilyen üvegbélésű tartály esetében (az Egyesült Államokban szinte minden tartály típusú fűtőberendezés üvegbélésű) naponta át kell forgatni a tartály térfogatát, hogy megelőzzük a stagnálást és a szagproblémákat. Kiderült, hogy az üveggel bélelt tartályokhoz tartozó anód hidrogéngázt termel, amit néhány baktérium nagyon szeret. Ezt úgy kerültük meg, hogy egy 105 gallonos Rheem Marathon tartályt telepítettünk (lásd a 4. képet alább). Ez egy nem fémből készült tartály, amely nem igényel anódot, így a víz nem öregszik vagy szennyeződik a lassú forgás miatt. Az ilyen nagy tároló előnye, hogy a rendszer továbbra is képes meleg vizet szolgáltatni a napsütésmentes napokon.

A Marathon-tartály további előnye a szigetelés. Három hüvelyknyi habszivaccsal van ellátva, és a szakirodalom szerint 24 óra alatt csak 5 °F-ot veszít. A mi adatrögzítésünk szerint a mi helyzetünkben ez inkább 6-8°F, de még így sem rossz. A szigetelés volt még valami, amivel játszottunk.

A csőszigetelés ritkán jön igazán vastag, mégis a hőveszteség alacsonyan tartása növeli a tényleges szoláris frakciót és csökkenti a szükséges tartalék energia mennyiségét. Ezért úgy döntöttünk, hogy ahol csak lehet, megduplázzuk a szigetelést.

Ez egy ¾ hüvelykes PEX-cső két réteg szigeteléssel, így a teljes falvastagság 1½ hüvelyk. Beépítve úgy néz ki, mintha egyetlen nagy cső lenne.

A napkollektoros vízmelegítőket általában egy- vagy kéttartályos rendszerekre tervezik. Az egy tartály jobb, ha működőképes, mivel kevesebb olyan berendezés van, amelyből hőveszteség keletkezhet. Manapság ezt csak elektromos tartalékkal lehet könnyedén megoldani. Ezért a másik dolog, amit tettünk, az volt, hogy az egy tartályos rendszerünkben leválasztottuk az alsó elemet, és csak a felső elemet használtuk tartalékként. Ez megakadályozza, hogy az elektromos hőforrás versenyezzen a napenergiával. Nem 240, hanem 120 voltra kábeleztük, így nem kellett mást tenni, mint egyszerűen bedugni. Feleannyi feszültség mellett négyszer annyi időbe telik a fűtés, de Zak egy jó tesztet akart a szolárral. A rendszert 2014 novemberében telepítette, és még nem használta a tartalékot!

A vezérlő

A rendszert egyszerűen egy kapható Goldline GL-30 napelemes vezérlővel kezeli (lásd az 5. képet alább). Ez méri a hőmérsékletet a napkollektoron és a tartály alján. Összehasonlítja a kettőt, és amikor a kollektor eléggé felmelegszik, bekapcsolja a szivattyút. A vezérlő rendelkezik a beállítási pont finomhangolásához szükséges beállításokkal. Szerencsére nincs szükségünk a fagyás vagy túlmelegedés ellen védő vezérlésre.

A rendszert egyszerű volt telepíteni. Ha csak a telepítési időt nézzük, mindössze hat emberórát vett igénybe, ami nagyon gyors. A régi szép időkben egy gyors telepítéshez három ember és egy hosszú nap, vagyis körülbelül 24 emberóra kellett. Ez a rendszer több okból ment ilyen gyorsan:

• PEX- és polietiléncsöveket használtunk.
• A szabadon lévő csatlakozásokat Sharkbite nyomószerelvényekkel szereltük össze.
• A kollektor gyártója egy előre elkészített vezérlőállomást szállított nekünk.
• A kollektorokat egyetlen központi csavarral szereltük fel a tetőre.
• A tető aljához könnyen hozzáférhettünk.
• A kollektorok kissé rugalmasak és könnyűek.
• A 105 gallonos tartály könnyű és könnyen mozgatható.

A rendszer teljesítménye

A teljesítmény eddig jó volt. A rendszer több pontján is naplóztuk az adatokat, hogy megértsük, hogyan működik.

A napenergia-frakció kifejezés arra utal, hogy az ember melegvízének hány százalékát melegíti a nap. Ha jól csinálnánk, a napenergia-frakció meghatározásához meg kellene mérni a teljes melegvíz-felhasználást, és le kellene vonni a vízmelegítésnek azt a részét, amelyet nem a nap szolgáltat.

Mi ehelyett úgy döntöttünk, hogy egyszerűen észrevesszük, mikor elég meleg a napenergiával melegített víz a zuhanyozáshoz. Ha a tárolt víz 105°F körül van, akkor jó a zuhanyzáshoz. Amikor azt mondjuk, hogy a rendszer a meleg víz 95%-át termeli, az azt jelenti, hogy Zak az idő 95%-ában elfogadható hőmérsékletű zuhanyzót kap. Ez egy gyors, nem matematikai módszer arra, hogy általában megértsük, hogyan működik a rendszer. Ha pontos méréseket végeznénk a szoláris frakció meghatározásához, akkor valószínűleg 95%-nál magasabb lenne. De mivel mindent, ami 105°F alatt van, nem tartunk megfelelőnek, nem vesszük figyelembe azt a vizet, ami nem elég meleg, de biztosan jóval a talajvíz hőmérséklete felett van.

A lenti 6. képen látható grafikon a rendszert mutatja a tavasz első napjaiban, amikor a rendszer csodálatosan hozzájárul az otthoni melegvíz-ellátáshoz.

A 7. képen látható grafikon a rendszer legrosszabb állapotát mutatja. A függőleges sárga sávok a napsütéses időszakokat, a függőleges kék sávok pedig az éjszakai időszakot jelölik. A 21. és 22. között még eső is látható! De figyeljük meg, hogy 23-án csak néhány óra téli napsütés csaknem 20°F-kal növeli a tartályt.

A másik két grafikon, amely a #8. képen látható, a december és március közötti különbségeket szemlélteti. Ezeken a grafikonokon minden egyes kollektor teljesítményét megmértük, hogy lássuk, mind a négy hasznos teljesítményt nyújt-e. Kiderült, hogy az első két kollektor több Btu-t gyűjtött össze, de a második két kollektor mindegyike magasabbra emelte a hőmérsékletet, így valóban segítettek – különösen az év hidegebb időszakában.

Ez a konstrukció jelentősége

Egyértelműen vannak korlátai annak, hogy hol lehet sikeresen telepíteni egy ilyen rendszert. Ha ezeket a kollektorokat hó borítja, nem biztos, hogy túl jól működnek, ezért érdemes elkerülni azokat a területeket, ahol hosszabb ideig fagypont alatt marad a hőmérséklet. Mivel azonban ebben a rendszerben nincsenek fémcsövek, ellenáll az időnkénti fagyásnak. És ha az adójóváírás a fő motiváció a napkollektoros melegvíz telepítésére, akkor ez a rendszer nem fog működni, mivel még nem rendelkezik a Solar Rating and Certification Corporation tanúsítványával. Mégis, ennek a rendszernek még az adójóváírás előnyei nélkül is kevesebbe kell kerülnie, mint a legtöbb más rendszernek.

Ez egyértelműen jó dolog, hogy új perspektívákat hoz a napkollektoros vízmelegítéshez. A régi elképzelések intelligens megkérdőjelezésével, valamint az újabb anyagok és hardverek – mint például a Marathon tartály, a PEX csővezetékek és a polietilén kollektorok – használatával Zak jobb teljesítményre sarkallt minket, mint amiről eddig hittem, hogy lehetséges.”

Larry Weingarten a kaliforniai Monterey-félszigeten nőtt fel, és munkás élete nagy részében önálló vállalkozó volt. Általános vállalkozói engedélyét 1982-ben szerezte meg. Larry cikkeket írt a vízmelegítésről és az energiáról különböző szaklapok számára; tanított ezekről a témákról a PG&E, a California State Parks, az Affordable Comfort és mások számára; és nemrégiben segített DVD-k készítésében ezekről és a kapcsolódó témákról. 2006-ban befejezte egy off-grid otthon építését; úgy tervezte, hogy nagyon hatékony, kényelmes és olcsó legyen, és ez volt a 13. otthon, amely megfelelt az 1000 Home Challenge-nek, a szuperhatékony otthonok létrehozására irányuló versenynek. Szereti a macskákat.

Zak Vetter hozzájárult ehhez a cikkhez. Ő is a Monterey partján nőtt fel, és több mint tíz éve önálló vállalkozóként számítógépek javításával és tanításával foglalkozik. Zak 2008 óta tanulja az energiahatékonyság szerteágazó világát, miközben saját ingatlanjait javítja. A cikkben szereplő napkollektoros vízrendszert egy Larry off-grid házában tett látogatás inspirálta, amely megmutatta, hogy mennyi minden lehetséges a napenergiával.