Sursa completă pentru construirea, proiectarea și remodelarea caselor ecologice

Zak Vetter a contribuit la acest articol, care a apărut inițial în revista Home Energy. El este retipărit cu permisiunea.

Cu mult timp în urmă, în 1978, am instalat primul meu sistem solar de încălzire a apei. Am continuat cu energia solară termică, instalând sisteme noi până când creditele fiscale au expirat în 1986, și am păstrat aproape toate sistemele locale în funcțiune ani de zile după aceea. A devenit dureros de evident pentru mine că simplitatea este esențială pentru durabilitatea și longevitatea oricărui sistem solar- termic. Sistemele complexe pur și simplu mor tinere. Pe atunci, Sfântul Graal al energiei solare termice era să găsești un sistem care să coste 1.000 de dolari – ceea ce nimeni nu a reușit să facă cu adevărat. În aceste zile, te aștepți să plătești între 6.000 și 10.000 de dolari pentru un sistem solar de apă caldă, instalat.

Amicul meu Martin Holladay a publicat un articol în martie 2012, intitulat „Solar Thermal Is Dead”. A generat o mulțime de discuții cu acel articol, inclusiv unele dezacorduri, așa că a publicat un alt articol în decembrie 2014, intitulat „Solar Thermal Is Really, Really Dead”. Martin a analizat prețurile la energia solară termică și le-a comparat cu utilizarea energiei fotovoltaice și a unui încălzitor de apă cu pompă de căldură pentru a face aceeași treabă. După ce a făcut calculele, PV și o pompă de căldură păreau să învingă energia solară termică pentru încălzirea apei.

Dar adesea răspunsul pe care îl obțineți depinde de presupunerile dumneavoastră, iar în proiectarea și construirea acestui sistem am ales să contestăm unele dintre aceste presupuneri obișnuite. În primul rând, încălzitoarele de apă cu pompă de căldură sunt suficient de noi încât să nu știm cu adevărat cât timp vor dura. Pe de altă parte, există mari avantaje în cazul instalării unui sistem care, deși nu este protejat împotriva înghețului, nu va fi deteriorat de îngheț. Acestea sunt motive pentru a continua să explorăm cum să facem să funcționeze un sistem solar termic simplu.

Proiectul

Intra Zak Vetter. Zak m-a rugat să îl ajut să proiecteze și să instaleze un sistem solar de apă caldă pentru casa sa de lângă Carmel, California. Este un sistem montat pe acoperișul unei clădiri care combină spațiul de locuit și magazinul. El își stabilise un set simplu de obiective pentru proiect:

• Reduceți foarte mult sau eliminați nevoia de energie externă pentru a furniza toată apa caldă dorită.
• Construiți un sistem care să funcționeze bine în condiții mai puțin ideale. Acest lucru înseamnă că, chiar și într-o zi înnorată, cea mai mare parte (sau chiar toată cererea de apă caldă este satisfăcută de energia solară colectată și stocată în sistem.
• Construiți un sistem care necesită o întreținere aproape nulă.

Niciodată nu am lucrat cu o listă atât de exigentă. Multe presupuneri intră în proiectarea și construirea unui sistem solar-termic tradițional, iar acestea au fost provocate de obiectivele lui Zak. Iată câteva dintre ipotezele pornind de obicei de la care lucrăm:

• Solara poate asigura, în cel mai bun caz, 75% din încălzirea apei.
• Cu protecție împotriva înghețului, energia solară este complexă.
• Supraîncălzirea este o mare problemă pentru energia solară.
• Instalarea energiei solare termice este complicată.
• Sistemele solare termice au nevoie de întreținere anuală.

Reguli de proiectare implică, de asemenea, presupuneri:

• Vrem cei mai eficienți colectoare.
• Dimensionarea unui sistem pentru iarnă va cauza supraîncălzirea în timpul verii.
• Tubelele paralele adună cei mai mulți Btu.
• Tancurile de stocare nu trebuie supradimensionate, deoarece acest lucru va crea probleme de stagnare.
• Protecția împotriva înghețului dictează proiectarea sistemului.

Evident, obiectivele lui Zak nu se aliniază cu ipotezele standard. Dar mă bucur că a sfidat convențiile, pentru că, în cele din urmă, am construit un sistem care costă mai puțin și funcționează mai bine decât orice sistem solar-termic pe care îl cunosc. Sistemul a costat în jur de 4.000 de dolari și asigură 95% din necesarul anual de apă caldă de care are nevoie familia lui Zak. Cineva priceput ar putea face aceeași treabă cu aproximativ 3.000 de dolari, dacă și-ar construi singur colectoarele.

Colectoarele

În cele ce urmează vă prezentăm modul de gândire care ne-a dus acolo. Dorința de a avea colectoare eficiente ne-ar fi obligat să construim un sistem mai complex și mai scump, pentru a preveni înghețarea și supraîncălzirea. Așa că, în schimb, am folosit colectoare foarte ineficiente! Aceștia sunt doar serpentine de tuburi de polietilenă de ¾ de inch sub un geam acrilic (a se vedea imaginea nr. 2, de mai jos).

Nu există izolație în colectoare, astfel încât acestea nu se pot supraîncălzi și este puțin probabil să fie deteriorate de îngheț. Temperatura maximă pe care am măsurat-o vara, fără debit de apă, este de 170°F în colectori, iar aceștia au înghețat de multe ori fără nicio problemă. Acest tip de colector a fost testat în San Jose, California, timp de 16 ani și nu au apărut probleme. În esență, acestea sunt colectoare de piscină, modificate pentru a produce apă caldă menajeră prin simpla adăugare de geamuri. Sunt fabricate în comerț de Gull Industries din San Jose, California.

Care serpentină măsoară 26 de picioare pătrate. Un alt beneficiu al utilizării colectoarelor „ineficiente” este că am eliminat necesitatea de a trece țevi de cupru către și de la acestea, trecând în schimb tuburi PEX. În cazul colectoarelor tradiționale din cupru, care pot stagna în soarele de vară la temperaturi de până la 400°F, tubulatura PEX s-ar topi destul de repede. Dar am reușit să folosim țeavă poli și PEX pentru aproape totul, simplificând și mai mult munca (vezi imaginea nr. 3, de mai jos). Am supradimensionat în mod intenționat sistemul, astfel încât să poată rezista în perioadele fără soare și să își revină rapid atunci când soarele revine.

Cisterna

Cisterna a fost un alt considerent. În mod normal, cu orice rezervor cu căptușeală de sticlă (aproape toate încălzitoarele de tip rezervor din Statele Unite sunt cu căptușeală de sticlă), doriți să întoarceți zilnic volumul rezervorului pentru a preveni stagnarea și problemele de mirosuri. Se pare că anodul care vine cu toate rezervoarele căptușite cu sticlă generează hidrogen gazos, care place foarte mult unor bacterii. Am reușit să ocolim acest lucru instalând un rezervor Marathon de 105 galoane de la Rheem (a se vedea imaginea nr. 4, mai jos). Acesta este un rezervor nemetalic care nu are nevoie de anod, astfel încât apa nu se învechește sau se contaminează din cauza schimbării lente. Beneficiul acestei cantități de stocare este că sistemul poate continua să furnizeze apă caldă în zilele fără soare.

Un alt beneficiu al rezervorului Marathon este izolarea sa. Acesta are 5 cm de spumă, iar în literatura de specialitate se spune că pierde doar 5 °F în 24 de ore. Înregistrarea datelor noastre sugerează că este mai mult de 6-8°F în situația noastră, dar totuși, nu este rău. Izolația a fost un alt lucru cu care ne-am jucat.

Izolația țevilor rareori vine cu adevărat groasă, însă menținerea pierderilor de căldură la un nivel scăzut crește fracția solară reală și reduce cantitatea de energie de rezervă necesară. Așa că am decis să dublăm izolația ori de câte ori este posibil.

Aceasta este o țeavă PEX de ¾ de inch cu două straturi de izolație, pentru o grosime totală a peretelui de 1½ inch. Arată ca o țeavă mare atunci când este instalată.

În mod normal, încălzitoarele solare de apă sunt proiectate ca sisteme cu unul sau două rezervoare. Un singur rezervor este mai bun, dacă îl puteți face să funcționeze, deoarece există mai puține echipamente din care să se piardă căldură. În zilele noastre, acest lucru se poate face cu ușurință doar cu ajutorul energiei electrice de rezervă. Așadar, un alt lucru pe care l-am făcut a fost să deconectăm elementul inferior în rezervorul nostru unic și să folosim doar elementul superior ca rezervă. Acest lucru împiedică sursa de căldură electrică să concureze cu cea solară. Am cablat-o la 120 de volți și nu la 240, așa că nu a fost nevoie să facem nimic altceva decât să o conectăm. Îi ia de 4 ori mai mult timp să se încălzească la jumătate din voltaj, dar Zak a vrut un test bun al celei solare. Sistemul a fost instalat în noiembrie 2014, iar el încă nu a folosit rezerva!

Controlerul

Sistemul este gestionat simplu cu un controler solar Goldline GL-30 din comerț (a se vedea imaginea nr. 5, de mai jos). Acesta măsoară temperatura la colectorul solar și pe fundul rezervorului. Le compară pe cele două și, atunci când colectorul este suficient de cald, pornește pompa. Controlul dispune de reglaje pentru reglarea fină a acestui punct de setare. Din fericire, nu avem nevoie de controlul care protejează împotriva înghețului sau supraîncălzirii.

Sistemul a fost simplu de instalat. Dacă ne uităm doar la timpul de instalare, a durat doar șase ore-persoană, ceea ce este foarte rapid. În vremurile bune, o instalare rapidă obișnuia să presupună trei băieți și o zi lungă, sau aproximativ 24 de ore-persoană. Acest sistem a fost atât de rapid din mai multe motive:

• Am folosit tubulatură PEX și polietilenă.
• Am asamblat conexiunile expuse cu fitinguri de împingere Sharkbite.
• Fabricantul colectorului ne-a furnizat o stație de control prefabricată.
• Colectorii au fost instalați pe acoperiș folosind un singur șurub central.
• Am avut acces ușor la partea inferioară a acoperișului.
• Colectoarele sunt oarecum flexibile și ușoare.
• Cisterna de 105 galoane este ușoară și ușor de mutat.

Performanța sistemului

Performanța până acum a fost bună. Am înregistrat date în mai multe puncte ale sistemului pentru a înțelege exact cum funcționează.

Termenul de fracție solară este folosit pentru a indica ce procent din apa caldă a cuiva este încălzită de soare. Făcut corect, determinarea fracției solare ar implica măsurarea consumului total de apă caldă și scăderea porțiunii de încălzire a apei care nu este asigurată de soare.

Am optat în schimb să observăm pur și simplu când apa încălzită cu ajutorul soarelui era suficient de fierbinte pentru a face duș. Dacă apa stocată este în jur de 105°F, este bună pentru duș. Când spunem că sistemul produce 95% din apa caldă, înseamnă că Zak obține temperaturi acceptabile pentru duș în 95% din timp. Este o modalitate rapidă și nematematică de a înțelege în general cum funcționează sistemul. Dacă am face măsurători precise pentru a determina fracția solară, aceasta ar fi probabil mai mare de 95%. Dar pentru că noi considerăm că tot ce este sub 105°F este inadecvat, nu luăm credit pentru apa care nu este destul de fierbinte, dar cu siguranță este cu mult peste temperatura apei subterane.

Graficul din Imaginea #6, de mai jos, arată sistemul în primele zile de primăvară, când sistemul are o contribuție admirabilă la alimentarea cu apă caldă a casei.

Graficul din Imaginea #7 arată sistemul în cel mai rău moment. Barele galbene verticale reprezintă perioadele cu soare, iar cele albastre verticale reprezintă perioadele de noapte. Între 21 și 22 veți vedea chiar și ploaie! Dar observați cum doar câteva ore de soare de iarnă pe 23 cresc rezervorul cu aproape 20°F.

Celelalte două grafice, prezentate în Imaginea #8, ilustrează diferențele dintre decembrie și martie. În aceste grafice, am măsurat ieșirile de la fiecare colector pentru a vedea dacă toate cele patru au furnizat o ieșire utilă. Se pare că primii doi colectoare au adunat mai mulți Btu, dar cei doi colectori au ridicat fiecare temperatura mai sus, așa că au ajutat cu adevărat – în special în perioadele mai reci ale anului.

Relevanța acestui proiect

Este clar că există limitări în ceea ce privește locul în care acest tip de sistem poate fi instalat cu succes. Dacă aceste colectoare sunt acoperite de zăpadă, s-ar putea să nu funcționeze prea bine, așa că ar fi logic să se evite zonele care rămân sub zero grade pentru perioade lungi de timp. Dar, deoarece nu există conducte metalice în acest sistem, acesta poate rezista la înghețuri ocazionale. Iar dacă creditele fiscale sunt principala motivație pentru instalarea de apă caldă solară, acest sistem nu va funcționa, deoarece nu este încă certificat de către Solar Rating and Certification Corporation. Cu toate acestea, acest sistem ar trebui să coste mai puțin decât majoritatea celorlalte sisteme, chiar și fără a beneficia de credite fiscale.

Este în mod clar un lucru bun să se aducă perspective noi pentru încălzirea solară a apei. Punând sub semnul întrebării în mod inteligent ideile vechi și folosind materiale și hardware mai noi – cum ar fi rezervorul Marathon, țevile PEX și colectoarele din polietilenă – Zak ne-a împins să facem mai bine decât credeam că este posibil.

Larry Weingarten a fost crescut în Peninsula Monterey din California și a lucrat pe cont propriu în cea mai mare parte a vieții sale profesionale. Și-a obținut licența de antreprenor general în 1982. Larry a scris articole despre încălzirea apei și energie pentru diverse reviste de specialitate; a predat despre aceste subiecte pentru PG&E, California State Parks, Affordable Comfort și alții; și a ajutat recent la crearea de DVD-uri pe aceste subiecte și altele conexe. În 2006, a terminat de construit o casă off-grid; proiectată pentru a fi foarte eficientă, confortabilă și ieftină, aceasta a fost cea de-a 13-a casă care a răspuns la 1000 Home Challenge, o competiție pentru crearea de case super-eficiente. Îi plac pisicile.

Zak Vetter a contribuit la acest articol. Și el a fost crescut pe coasta Monterey și lucrează pe cont propriu de peste zece ani, reparând și predând despre calculatoare. Din 2008, Zak a început să învețe despre lumea vastă a eficienței energetice în timp ce își îmbunătățește propria proprietate. Sistemul solar de apă din acest articol a fost inspirat de o vizită la casa off-grid a lui Larry, care a demonstrat cât de multe sunt posibile cu ajutorul energiei solare.

.