The complete source for building, designing, and remodeling green homes

Zak Vetter contributed to this article, which originally appeared in Home Energy magazine. Został on przedrukowany za pozwoleniem.

Droga wstecz w 1978 roku, zainstalowałem mój pierwszy słoneczny system podgrzewania wody. Kontynuowałem pracę z kolektorami słonecznymi, instalując nowe systemy aż do momentu wygaśnięcia ulg podatkowych w 1986 roku, a następnie przez lata utrzymywałem prawie wszystkie lokalne systemy. Stało się dla mnie boleśnie oczywiste, że prostota jest niezbędna dla trwałości i długowieczności każdego systemu solarno-termalnego. Złożone systemy po prostu umierają młodo. W tamtych czasach świętym Graalem w dziedzinie słonecznej energii cieplnej było stworzenie systemu, który kosztowałby 1000 dolarów – co tak naprawdę nikomu się nie udało. W dzisiejszych czasach można się spodziewać, że za zainstalowany system solarny zapłacimy od 6000 do 10 000 dolarów.

Mój przyjaciel Martin Holladay opublikował w marcu 2012 roku artykuł zatytułowany „Solar Thermal Is Dead.” Wygenerował wiele dyskusji z tym artykułem, w tym kilka niezgodności, więc opublikował kolejny artykuł w grudniu 2014 roku, zatytułowany „Solar Thermal Is Really, Really Dead.” Martin spojrzał na ceny solarno-termalne i porównał je z wykorzystaniem PV i podgrzewacza wody z pompą ciepła, aby wykonać tę samą pracę. Po zrobieniu matematyki, PV i pompa ciepła okazały się pokonać słoneczną energię cieplną do ogrzewania wody.

Ale często odpowiedź, którą otrzymujesz, zależy od twoich założeń, a przy projektowaniu i budowaniu tego systemu zdecydowaliśmy się zakwestionować niektóre z tych powszechnie przyjętych założeń. Po pierwsze, podgrzewacze wody z pompą ciepła są na tyle nowe, że tak naprawdę nie wiemy, jak długo będą działać. Po drugie, istnieją duże korzyści z zainstalowania systemu, który, choć nie jest chroniony przed zamarzaniem, nie zostanie uszkodzony przez zamarznięcie. Są to powody, dla których warto kontynuować badania nad tym, jak sprawić, by proste ogrzewanie słoneczne działało.

Projekt

Wejdź Zak Vetter. Zak poprosił mnie o pomoc w zaprojektowaniu i zainstalowaniu słonecznego systemu ciepłej wody użytkowej dla jego domu w pobliżu Carmel w Kalifornii. Jest to system montowany na dachu budynku, który łączy w sobie przestrzeń mieszkalną i sklep. Zak ustalił prosty zestaw celów dla projektu:

• Dużo zredukować lub wyeliminować potrzebę korzystania z energii spoza zakładu w celu zapewnienia całej pożądanej ciepłej wody.
• Zbudować system, który działa dobrze w mniej niż idealnych warunkach. Oznacza to, że nawet w pochmurny dzień, większość (lub nawet całość) zapotrzebowania na ciepłą wodę jest zaspokajana przez energię słoneczną zgromadzoną i zmagazynowaną w systemie.
• Zbudować system, który wymaga prawie zerowej konserwacji.

Nigdy nie pracowałem z tak wymagającą listą. Przy projektowaniu i budowie tradycyjnego systemu solarno-termalnego przyjmuje się wiele założeń, które zostały zakwestionowane przez cele Zaka. Oto niektóre z założeń, na podstawie których zazwyczaj pracujemy:

• Solar może zapewnić, w najlepszym przypadku, 75% ogrzewania wody.
• Z ochroną przed zamarzaniem, solar jest skomplikowany.
• Przegrzanie jest dużym problemem dla solarnego.
• Instalacja kolektorów słonecznych jest trudna.
• Systemy słoneczno-termalne wymagają corocznej konserwacji.

Zasady projektowania obejmują również założenia:

• Chcemy mieć najbardziej wydajne kolektory.
• Wymiarowanie systemu na zimę spowoduje przegrzanie w lecie.
• Rurociągi równoległe zbierają najwięcej Btu.
• Zbiorniki magazynowe nie powinny być przewymiarowane, ponieważ spowoduje to problemy ze stagnacją.
• Ochrona przed zamarzaniem dyktuje projekt systemu.

Jasno widać, że cele Zaka nie pokrywały się ze standardowymi założeniami. Ale cieszę się, że zakwestionował konwencję, ponieważ ostatecznie zbudowaliśmy system, który kosztuje mniej i działa lepiej niż jakikolwiek inny system solarno-termiczny, jaki znam. System kosztował około 4000 dolarów i zapewnia 95% rocznego zapotrzebowania rodziny Zaka na ciepłą wodę. Ktoś dobry z ich rąk może zrobić to samo zadanie dla około $3,000, jeśli zbudowali własne kolektory.

Kolektory

Poniżej jest myślenie, które doprowadziło nas tam. Chęć posiadania wydajnych kolektorów zmusiłaby nas do zbudowania bardziej złożonego, kosztownego systemu, aby zapobiec zamarzaniu i przegrzewaniu. Zamiast tego zastosowaliśmy więc naprawdę nieefektywne kolektory! Są to po prostu zwoje ¾-calowej rury polietylenowej pod akrylową szybą (patrz Obraz #2, poniżej).

W kolektorach nie ma żadnej izolacji, więc nie mogą się przegrzać i jest mało prawdopodobne, aby zostały uszkodzone przez zamarzanie. Najwyższa temperatura, jaką zmierzyliśmy w lecie bez przepływu wody, wynosi 170°F w kolektorach, a one same wielokrotnie zamarzały bez problemu. Ten typ kolektora był testowany w San Jose, w Kalifornii, przez 16 lat i nie pojawiły się żadne problemy. Zasadniczo są to kolektory basenowe, zmodyfikowane do produkcji ciepłej wody użytkowej po prostu przez dodanie oszklenia. Są one komercyjnie wykonane przez Gull Industries w San Jose, California.

Każda cewka mierzy 26 stóp kwadratowych. Kolejną korzyścią płynącą z zastosowania „nieefektywnych” kolektorów jest to, że wyeliminowaliśmy konieczność prowadzenia do nich i z nich rur miedzianych, prowadząc zamiast nich rury PEX. W przypadku tradycyjnych kolektorów miedzianych, które w letnim słońcu mogą ulec stagnacji przy temperaturze do 400°F, rurki PEX dość szybko by się topiły. My jednak byliśmy w stanie zastosować rury polietylenowe i PEX do prawie wszystkiego, co jeszcze bardziej uprościło pracę (patrz zdjęcie nr 3, poniżej). Celowo przewymiarowaliśmy system, aby mógł on przetrwać okresy bez słońca i szybko się zregenerować, gdy słońce powróci.

Zbiornik

Zbiornik był kolejnym czynnikiem branym pod uwagę. Zwykle, w przypadku każdego zbiornika wyłożonego szkłem (prawie wszystkie grzejniki typu zbiornik w Stanach Zjednoczonych są wyłożone szkłem), chcesz obracać objętość zbiornika codziennie, aby zapobiec stagnacji i problemom z nieprzyjemnym zapachem. Okazuje się, że anoda dołączona do wszystkich zbiorników z wykładziną szklaną generuje wodór, który niektóre bakterie bardzo lubią. Obeszliśmy ten problem instalując 105-galonowy zbiornik Marathon firmy Rheem (patrz zdjęcie nr 4, poniżej). Jest to zbiornik niemetaliczny, który nie potrzebuje anody, więc woda nie starzeje się, ani nie jest zanieczyszczona, przez powolny obrót. Korzyść z tego dużo przechowywania jest to, że system może nadal dostarczać gorącą wodę podczas dni bez słońca.

Jedna inna korzyść z Marathon zbiornika jest jego izolacja. Ma on 3 cale pianki, a literatura podaje, że traci on tylko 5°F w ciągu 24 godzin. Nasz zapis danych sugeruje, że w naszej sytuacji jest to raczej 6-8°F, ale i tak nie jest źle. Izolacja była czymś innym, z czym się bawiliśmy.

Izolacja rur rzadko kiedy jest naprawdę gruba, jednak utrzymanie strat ciepła w dół zwiększa rzeczywistą frakcję słoneczną i zmniejsza ilość potrzebnej energii zapasowej. Dlatego zdecydowaliśmy się na podwojenie izolacji wszędzie tam, gdzie było to możliwe.

Jest to rura PEX ¾ cala z dwiema warstwami izolacji, o całkowitej grubości ścianki 1½ cala. Wygląda to jak jedna duża rura po zainstalowaniu.

Solarne podgrzewacze wody są zwykle projektowane jako systemy z jednym lub dwoma zbiornikami. Jeden zbiornik jest lepszy, jeśli można go uruchomić, ponieważ jest mniej sprzętu, z którego można stracić ciepło. W dzisiejszych czasach może to być łatwo zrobione tylko z elektrycznym wsparciem. Kolejną rzeczą, którą zrobiliśmy, było odłączenie dolnego elementu w naszym pojedynczym zbiorniku i użycie tylko górnego elementu do podtrzymania. Dzięki temu elektryczne źródło ciepła nie konkuruje z solarnym. Podłączyliśmy go na 120 woltów, a nie na 240, więc nie trzeba było robić nic więcej niż tylko podłączyć go do prądu. Co prawda ogrzewanie przy połowie napięcia zajmuje 4 razy więcej czasu, ale Zak chciał dobrze przetestować solar. System został zainstalowany w listopadzie 2014 r., a on jeszcze nie użył kopii zapasowej!

Kontroler

System jest zarządzany w prosty sposób za pomocą dostępnego na rynku kontrolera solarnego Goldline GL-30 (patrz Obraz #5, poniżej). Mierzy on temperaturę na kolektorze słonecznym i na dnie zbiornika. Porównuje je i gdy kolektor jest wystarczająco gorący, włącza pompę. Sterownik posiada regulacje pozwalające na dokładne dostrojenie tego punktu nastawy. Na szczęście nie potrzebujemy kontroli, która chroni przed zamarzaniem lub przegrzaniem.

System był prosty do zainstalowania. Jeśli spojrzeć tylko na czas instalacji, zajęła ona tylko sześć osobogodzin, co jest bardzo szybkie. W starych, dobrych czasach szybka instalacja wymagała trzech ludzi i jednego długiego dnia, czyli około 24 osobogodzin. Ten system wszedł tak szybko z kilku powodów:

• Użyliśmy rur PEX i rur polietylenowych.
• Zamontowaliśmy odsłonięte połączenia za pomocą złączek zaciskowych Sharkbite.
• Producent kolektorów dostarczył nam wstępnie zbudowaną stację kontrolną.
• Kolektory zostały zainstalowane na dachu przy użyciu tylko jednej śruby centralnej.
• Kolektory są dość elastyczne i lekkie.
• Zbiornik o pojemności 105 galonów jest lekki i łatwy do przenoszenia.

Wydajność systemu

Do tej pory wydajność była dobra. Rejestrowaliśmy dane w wielu punktach systemu, aby zrozumieć, jak on działa.

Termin frakcja słoneczna jest używany do wskazania, jaki procent gorącej wody jest ogrzewany przez słońce. W porządku, określenie frakcji słonecznej wymagałoby zmierzenia całkowitego zużycia gorącej wody i odjęcia części ogrzewania wody nie dostarczonej przez słońce.

W zamian zdecydowaliśmy się po prostu zauważyć, kiedy woda ogrzewana energią słoneczną była wystarczająco gorąca, aby wziąć prysznic. Jeśli zmagazynowana woda ma temperaturę około 105°F, jest dobra do wzięcia prysznica. Kiedy mówimy, że system produkuje 95% gorącej wody, oznacza to, że Zak uzyskuje akceptowalną temperaturę wody pod prysznicem przez 95% czasu. Jest to szybki, niematematyczny sposób na ogólne zrozumienie działania systemu. Gdybyśmy dokonali dokładnych pomiarów w celu określenia frakcji słonecznej, prawdopodobnie byłaby ona wyższa niż 95%. Ale ponieważ uważamy wszystko poniżej 105°F za nieodpowiednie, nie bierzemy kredytu za wodę, która nie jest wystarczająco gorąca, ale z pewnością jest znacznie powyżej temperatury wody gruntowej.

Wykres na Obrazku #6, poniżej, pokazuje system podczas pierwszych dni wiosny, kiedy system wnosi godny podziwu wkład w zaopatrzenie domu w ciepłą wodę.

Wykres na Obrazku #7 pokazuje system w najgorszym momencie. Pionowe żółte słupki oznaczają okresy słoneczne, a pionowe niebieskie – nocne. Między 21 a 22 widać nawet deszcz! Ale zauważ jak tylko kilka godzin zimowego słońca 23-go podnosi temperaturę zbiornika o prawie 20°F.

Dwa pozostałe wykresy, pokazane na obrazku nr 8, ilustrują różnice pomiędzy grudniem a marcem. Na tych wykresach zmierzyliśmy moc wyjściową z każdego kolektora, aby sprawdzić, czy wszystkie cztery zapewniają użyteczną moc wyjściową. Okazuje się, że pierwsze dwa kolektory zebrał więcej Btu, ale dwa drugie kolektory każdy bumped temp wyżej, więc naprawdę pomógł – zwłaszcza w zimniejszych okresach roku.

The znaczenie tego projektu

Clearly istnieją ograniczenia, gdzie tego rodzaju system może być z powodzeniem zainstalowany. Jeśli te kolektory są pokryte śniegiem, mogą nie działać zbyt dobrze, więc byłoby sensowne, aby uniknąć obszarów, które pozostają poniżej zera przez dłuższy okres czasu. Ale ponieważ w tym systemie nie ma metalowych rur, może on wytrzymać sporadyczne zamarzanie. I jeśli ulgi podatkowe są główną motywacją do instalacji słonecznej ciepłej wody, ten system nie zrobi, ponieważ nie jest jeszcze certyfikowany przez Solar Rating and Certification Corporation. Mimo to, ten system powinien kosztować mniej niż większość innych systemów, nawet bez korzyści z ulg podatkowych.

Jest to wyraźnie dobra rzecz, aby przynieść świeże perspektywy do słonecznego ogrzewania wody. Dzięki inteligentnemu kwestionowaniu starych pomysłów oraz zastosowaniu nowszych materiałów i sprzętu – takich jak zbiornik Marathon, rury PEX i kolektory polietylenowe – Zak popchnął nas do zrobienia czegoś lepszego, niż wydawało mi się możliwe.

Larry Weingarten wychował się na Półwyspie Monterey w Kalifornii i przez większość swojego życia zawodowego pracował na własny rachunek. Licencję generalnego wykonawcy uzyskał w 1982 roku. Larry pisał artykuły na temat ogrzewania wody i energii dla różnych czasopism branżowych; prowadził wykłady na te tematy dla PG&E, California State Parks, Affordable Comfort i innych; a ostatnio pomagał w tworzeniu płyt DVD na te i pokrewne tematy. W 2006 r. ukończył budowę domu poza siecią; zaprojektowany jako bardzo wydajny, wygodny i niedrogi, był 13. domem, który spełnił wymagania 1000 Home Challenge, konkursu na tworzenie superwydajnych domów. Lubi koty.

Zak Vetter przyczynił się do powstania tego artykułu. On również wychował się na wybrzeżu Monterey i od ponad dziesięciu lat pracuje na własny rachunek, naprawiając komputery i ucząc o nich. Od 2008 roku Zak uczy się o szeroko pojętym świecie efektywności energetycznej, jednocześnie ulepszając swoją własną nieruchomość. System wody solarnej w tym artykule został zainspirowany wizytą w domu Larry’ego, który pokazał jak wiele jest możliwe dzięki energii słonecznej.