De complete bron voor het bouwen, ontwerpen en verbouwen van groene huizen

Zak Vetter droeg bij aan dit artikel, dat oorspronkelijk verscheen in Home Energy magazine. Het is overgenomen met toestemming.

Weg terug in 1978, installeerde ik mijn eerste zonne-water-verwarmingssysteem. Ik ging door met thermische zonne-energie, installeerde nieuwe systemen totdat de belastingvoordelen in 1986 vervielen, en ik hield bijna alle lokale systemen nog jaren in bedrijf. Het werd me pijnlijk duidelijk dat eenvoud essentieel is voor de duurzaamheid en lange levensduur van een zonne-thermisch systeem. Complexe systemen sterven gewoon jong. Destijds was de heilige graal van zonnewarmte een systeem te ontwerpen dat 1000 dollar kostte – wat niemand ooit echt gelukt is. Tegenwoordig verwacht je $6.000 tot $10.000 te betalen voor een geïnstalleerd warmwatersysteem op zonne-energie.

Mijn vriend Martin Holladay publiceerde in maart 2012 een artikel met de titel “Solar Thermal Is Dead.” Hij genereerde veel discussie met dat artikel, waaronder een aantal tegengeluiden, dus publiceerde hij een ander artikel in december 2014, getiteld “Solar Thermal Is Really, Really Dead.” Martin keek naar zonne-thermische prijzen en vergeleek die met het gebruik van PV en een warmtepomp boiler om hetzelfde werk te doen. Na het doen van de wiskunde, bleken PV en een warmtepomp zonne-thermisch te verslaan voor waterverwarming.

Maar vaak hangt het antwoord dat je krijgt af van je veronderstellingen, en bij het ontwerpen en bouwen van dit systeem kozen we ervoor om enkele van die algemeen aanvaarde veronderstellingen in twijfel te trekken. Ten eerste zijn warmtepompboilers zo nieuw dat we niet echt weten hoe lang ze zullen meegaan. Anderzijds zijn er grote voordelen verbonden aan het installeren van een systeem dat, hoewel het niet beschermd is tegen bevriezing, niet beschadigd zal worden door bevriezing. Dit zijn redenen om te blijven onderzoeken hoe we eenvoudige zonne-energie kunnen laten werken.

Het project

Enter Zak Vetter. Zak vroeg me te helpen bij het ontwerp en de installatie van een warmwatersysteem op zonne-energie voor zijn huis in de buurt van Carmel, Californië. Het is een op het dak gemonteerd systeem op een gebouw dat woonruimte en winkel combineert. Hij had een aantal eenvoudige doelen gesteld voor het project:

• De behoefte aan externe energie om al het gewenste warme water te leveren, sterk verminderen of elimineren.
• Bouw een systeem dat goed werkt in minder-dan-ideale omstandigheden. Dit betekent dat zelfs op een bewolkte dag aan de meeste (of zelfs alle) warmwatervraag wordt voldaan door de in het systeem verzamelde en opgeslagen zonne-energie.
• Bouw een systeem dat vrijwel geen onderhoud vereist.

Ik had nog nooit met zo’n veeleisende lijst gewerkt. Bij het ontwerpen en bouwen van een traditioneel zonne-thermisch systeem worden veel aannames gedaan, en die werden door Zak’s doelen op de proef gesteld. Hier zijn enkele van de veronderstellingen waar we gewoonlijk vanuit werken:

• Zonne-energie kan in het beste geval 75% van uw waterverwarming verzorgen.
• Met vorstbescherming is zonne-energie complex.
• Oververhitting is een groot probleem voor zonne-energie.
• Installatie van thermische zonne-energie is lastig.
• Solaire-thermische systemen hebben jaarlijks onderhoud nodig.

Ontwerpregels hebben ook te maken met aannames:

• We willen de meest efficiënte collectoren.
• Een systeem dimensioneren voor de winter leidt tot oververhitting in de zomer.
• Parallelle leidingen verzamelen de meeste Btu.
• Opvangreservoirs mogen niet overgedimensioneerd worden, omdat dit tot stagnatieproblemen leidt.
• Vriesbescherming dicteert het systeemontwerp.

Het is duidelijk dat Zak’s doelen niet overeenkomen met de standaard aannames. Maar ik ben blij dat hij de conventies heeft uitgedaagd, want uiteindelijk hebben we een systeem gebouwd dat minder kost en beter presteert dan elk ander zonne-thermisch systeem dat ik ken. Het systeem kost rond de $4,000 en voorziet in 95% van de jaarlijkse warmwaterbehoefte van Zak’s gezin. Iemand die goed is met zijn handen zou hetzelfde werk kunnen doen voor ongeveer $3.000, als hij zijn eigen collectoren zou bouwen.

De collectoren

Hieronder volgt de gedachtegang die ons zover heeft gebracht. Als we efficiënte collectoren hadden gewild, hadden we een complexer en duurder systeem moeten bouwen om bevriezing en oververhitting te voorkomen. Dus in plaats daarvan hebben we zeer inefficiënte collectoren gebruikt! Dit zijn gewoon spoelen van polyethyleenbuis van ¾ inch onder een acrylbeglazing (zie afbeelding 2, hieronder).

De collectoren zijn niet geïsoleerd, zodat ze niet oververhit kunnen raken en waarschijnlijk niet zullen worden beschadigd door bevriezing. De hoogste temperatuur die we in de zomer zonder waterstroming hebben gemeten is 170°F in de collectoren, en ze zijn vele malen zonder probleem bevroren. Dit type collector is 16 jaar lang getest in San Jose, Californië, en er zijn geen problemen aan het licht gekomen. In wezen zijn het zwembadcollectoren die zijn aangepast om warm water voor huishoudelijk gebruik te produceren door eenvoudigweg beglazing toe te voegen. Zij worden commercieel gemaakt door Gull Industries in San Jose, Californië.

Elke spoel meet 26 vierkante voet. Een ander voordeel van het gebruik van “inefficiënte” collectoren is dat we geen koperen pijp van en naar de collectoren hoeven te leggen, maar in plaats daarvan PEX-buizen hebben gebruikt. Met traditionele koperen collectoren, die in de zomerzon kunnen stagneren bij een temperatuur tot 400°F, zou de PEX-buis vrij snel smelten. Maar wij konden poly-pipe en PEX gebruiken voor bijna alles, wat het werk nog eenvoudiger maakte (zie afbeelding #3, hieronder). We hebben het systeem met opzet overgedimensioneerd, zodat het ook in perioden zonder zon kan draaien en zich snel kan herstellen als de zon weer opkomt.

De tank

De tank was een andere overweging. Normaal gesproken wil je bij een met glas beklede tank (bijna alle tankverwarmers in de Verenigde Staten zijn met glas bekleed) het volume van de tank dagelijks omkeren om stagnatie en stankproblemen te voorkomen. Het blijkt dat de anode die bij alle met glas beklede tanks wordt geleverd waterstofgas genereert, waar sommige bacteriën erg van houden. We hebben dit omzeild door een Marathon tank van Rheem van 105 gallon te installeren (zie afbeelding #4, hieronder). Dit is een niet-metalen tank die geen anode nodig heeft, zodat het water niet veroudert, of besmet raakt, door langzame omloop. Het voordeel van zoveel opslagruimte is dat het systeem warm water kan blijven leveren tijdens dagen zonder zon.

Een ander voordeel van de Marathon-tank is de isolatie. Hij is voorzien van 3 inches schuim, en volgens de literatuur verliest hij slechts 5°F in 24 uur. Onze data logging geeft aan dat het eerder 6-8°F is in onze situatie, maar toch, niet slecht. Isolatie was iets anders waarmee we hebben gespeeld.

Pijpisolatie is zelden echt dik, maar door het warmteverlies laag te houden, wordt de werkelijke zonnefractie groter en is er minder hulpenergie nodig. Daarom hebben we besloten de isolatie waar mogelijk te verdubbelen.

Dit is een ¾ inch PEX pijp met twee lagen isolatie, voor een totale wanddikte van 1½ inch. Het ziet eruit als één grote pijp wanneer het is geïnstalleerd.

Zonneboilers zijn gewoonlijk ontworpen als systemen met één of twee tanks. Eén tank is beter, als je het kunt laten werken, omdat er minder apparatuur is om warmte van te verliezen. Tegenwoordig kan dat alleen met elektrische ondersteuning. Dus een ander ding dat we deden was het onderste element in onze enkele tank loskoppelen en alleen het bovenste element gebruiken als back-up. Dit voorkomt dat de elektrische warmtebron gaat concurreren met de zonne-energie. We hebben het aangesloten op 120 volt in plaats van 240 volt, dus we hoefden niets meer te doen dan de stekker in het stopcontact te steken. Het duurt wel 4 keer zo lang om te verwarmen op de helft van het voltage, maar Zak wilde een goede test van de zonne-energie. Het systeem is in november 2014 geïnstalleerd, en hij moet de back-up nog gebruiken!

De regelaar

Het systeem wordt eenvoudig beheerd met een kant-en-klare Goldline GL-30 zonne-regelaar (zie Afbeelding #5, hieronder). Hij meet de temperatuur bij de zonnecollector en op de bodem van de tank. Hij vergelijkt de twee en wanneer de collector warm genoeg is, schakelt hij de pomp in. De regeling heeft instelmogelijkheden om dit instelpunt nauwkeurig af te stellen. Gelukkig hebben we de regeling die beschermt tegen bevriezing of oververhitting niet nodig.

Het systeem was eenvoudig te installeren. Als je alleen al naar de installatietijd kijkt, kostte het slechts zes manuren, wat erg snel is. In de goede oude tijd was een snelle installatie drie man en een lange dag, of ongeveer 24 manuren. Dit systeem ging om verschillende redenen zo snel:

• We gebruikten PEX en polyethyleen buizen.
• We monteerden de blootliggende verbindingen met Sharkbite push fittingen.
• De fabrikant van de collector leverde ons een voorgebouwd controlestation.
• De collectoren werden op het dak geïnstalleerd met slechts één centrale bout.
• We hadden gemakkelijk toegang tot de onderkant van het dak.
• De collectoren zijn enigszins flexibel en licht van gewicht.
• De tank van 105 gallon is licht van gewicht en gemakkelijk te verplaatsen.

Systeemprestaties

De prestaties zijn tot nu toe goed geweest. We hebben data gelogd op meerdere punten in het systeem om te begrijpen hoe het werkt.

De term zonnefractie wordt gebruikt om aan te geven welk percentage van iemands warm water wordt verwarmd door de zon. Als je het goed doet, zou het bepalen van de zonnefractie inhouden dat je het totale warmwaterverbruik meet en daarvan aftrekt het deel van de waterverwarming dat niet door de zon wordt geleverd.

Wij kozen er in plaats daarvan voor om gewoon op te merken wanneer het door de zon verwarmde water warm genoeg was om mee te douchen. Als het opgeslagen water rond de 105°F is, is het goed om te douchen. Als we zeggen dat het systeem 95% van het warme water produceert, betekent dit dat Zak 95% van de tijd een acceptabele douchetemperatuur krijgt. Het is een snelle, niet-wiskundige manier om te begrijpen hoe het systeem in het algemeen presteert. Als we nauwkeurige metingen zouden doen om de zonnefractie te bepalen, zou die waarschijnlijk hoger zijn dan 95%. Maar omdat we alles onder 105°F als onvoldoende beschouwen, nemen we geen krediet voor water dat niet warm genoeg is, maar zeker ver boven de grondwatertemperatuur ligt.

De grafiek in Afbeelding #6, hieronder, toont het systeem tijdens de eerste dagen van de lente, wanneer het systeem een bewonderenswaardige bijdrage levert aan de warmwatervoorziening van het huis.

De grafiek in Afbeelding #7 toont het systeem op zijn slechtst. De verticale gele balken geven de perioden met zonneschijn aan, en de verticale blauwe balken de perioden met nacht. Tussen de 21e en de 22e zie je zelfs regen! Maar merk op hoe slechts een paar uur winterzon op de 23e de tank met bijna 20°F opvoert.

De andere twee grafieken, in afbeelding #8, illustreren de verschillen tussen december en maart. In deze grafieken hebben we de opbrengst van elke collector gemeten om te zien of ze alle vier een bruikbare opbrengst leverden. Het blijkt dat de eerste twee collectoren meer Btu verzamelden, maar dat de tweede twee collectoren elk de temperatuur hoger stuwden, zodat ze echt hielpen – vooral tijdens de koudere perioden van het jaar.

De relevantie van dit ontwerp

Het is duidelijk dat er beperkingen zijn aan waar dit soort systeem met succes kan worden geïnstalleerd. Als deze collectoren bedekt zijn met sneeuw, zouden ze niet al te goed kunnen functioneren, zodat het zinvol zou zijn om gebieden te vermijden die gedurende langere perioden onder het vriespunt blijven. Maar omdat er geen metalen leidingen in dit systeem zitten, kan het af en toe bevriezen weerstaan. En als belastingvoordelen de belangrijkste motivatie zijn om warm water op zonne-energie te installeren, dan is dit systeem niet geschikt, omdat het nog niet is gecertificeerd door de Solar Rating and Certification Corporation. Toch zou dit systeem minder moeten kosten dan de meeste andere systemen, zelfs zonder het voordeel van belastingvoordelen.

Het is duidelijk een goede zaak om zonne-water-verwarming vanuit een frisse invalshoek te benaderen. Door op intelligente wijze oude ideeën in twijfel te trekken en door nieuwere materialen en hardware te gebruiken – zoals de Marathon tank, PEX leidingen, en polyethyleen collectoren – heeft Zak ons ertoe aangezet het beter te doen dan ik voor mogelijk had gehouden.

Larry Weingarten is opgegroeid op het Monterey schiereiland van Californië en is het grootste deel van zijn werkzame leven zelfstandig ondernemer geweest. Hij behaalde zijn algemene aannemerslicentie in 1982. Larry heeft artikelen geschreven over waterverwarming en energie voor verschillende vakbladen; heeft les gegeven over deze onderwerpen voor PG&E, California State Parks, Affordable Comfort, en anderen; en heeft onlangs geholpen bij het maken van DVD’s over deze en aanverwante onderwerpen. In 2006 voltooide hij de bouw van een off-grid huis; ontworpen om zeer efficiënt, comfortabel en goedkoop te zijn, het was het 13e huis dat voldeed aan de 1000 Home Challenge, een wedstrijd voor het creëren van superefficiënte huizen. Hij houdt van katten.

Zak Vetter droeg bij aan dit artikel. Hij is ook opgegroeid aan de kust van Monterey, en is al meer dan tien jaar zelfstandig bezig met het repareren van en lesgeven over computers. Sinds 2008 leert Zak over de veelomvattende wereld van energie-efficiëntie terwijl hij zijn eigen bezit verbetert. Het zonneboilersysteem in dit artikel is geïnspireerd op een bezoek aan Larry’s off-grid huis, dat aantoonde hoeveel er mogelijk was met zonne-energie.