Den kompletta källan för att bygga, designa och renovera gröna hem

Zak Vetter bidrog till den här artikeln, som ursprungligen publicerades i tidskriften Home Energy. Den återges med tillstånd.

Från 1978 installerade jag mitt första solvärmesystem för vattenvärme. Jag fortsatte med solvärme och installerade nya system tills skattelättnaderna upphörde 1986, och jag höll nästan alla lokala system igång i flera år efter det. Det blev smärtsamt uppenbart för mig att enkelhet är avgörande för hållbarheten och livslängden hos alla solvärmesystem. Komplexa system dör bara unga. På den tiden var den heliga graalen för solvärme att ta fram ett system som skulle kosta 1 000 dollar – vilket ingen någonsin riktigt lyckades med. Numera får man räkna med att betala mellan 6 000 och 10 000 dollar för ett installerat solvärmesystem.

Min vän Martin Holladay publicerade i mars 2012 en artikel med titeln ”Solar Thermal Is Dead” (Solvärme är död). Han genererade en hel del diskussioner med den artikeln, inklusive en del meningsskiljaktigheter, så han publicerade en annan artikel i december 2014 med titeln ”Solar Thermal Is Really, Really Dead” (Solvärme är verkligen, verkligen död). Martin tittade på priserna för solvärme och jämförde dem med att använda solceller och en varmvattenberedare med värmepump för att göra samma jobb. Efter att ha räknat på det verkade solceller och en värmepump slå solvärme för vattenuppvärmning.

Men ofta beror svaret du får på dina antaganden, och när vi utformade och byggde det här systemet valde vi att utmana några av dessa allmänt hållna antaganden. För det första är vattenvärmare med värmepump tillräckligt nya för att vi inte riktigt vet hur länge de kommer att hålla. För det andra finns det stora fördelar med att installera ett system som visserligen inte är skyddat mot frysning, men som inte skadas av frysning. Detta är skäl att fortsätta utforska hur man kan få enkel solvärme att fungera.

Projektet

Enter Zak Vetter. Zak bad mig hjälpa till att utforma och installera ett solvärmesystem för varmvatten i hans hem nära Carmel i Kalifornien. Det är ett takmonterat system på en byggnad som kombinerar bostadsutrymme och butik. Han hade satt upp en rad enkla mål för projektet:

• Minska eller eliminera behovet av energi utanför anläggningen för att tillhandahålla allt varmvatten som önskas.
• Bygg ett system som fungerar bra under mindre än ideala förhållanden. Detta innebär att även en molnig dag tillgodoses det mesta (eller till och med allt varmvattenbehov av den solenergi som samlas in och lagras i systemet.
• Bygg ett system som nästan inte kräver något underhåll.

Jag hade aldrig tidigare arbetat med en så krävande lista. Många antaganden ingår i utformningen och byggandet av ett traditionellt solvärmesystem, och dessa utmanades av Zaks mål. Här är några av de antaganden som vi vanligtvis arbetar utifrån:

• Solvärme kan i bästa fall stå för 75 % av din vattenuppvärmning.
• Med frysskydd är solvärme komplicerat.
• Överhettning är ett stort problem för solvärme.
• Installation av solvärme är knepigt.
• Solvärmesystem behöver årligt underhåll.

Designreglerna innebär också antaganden:

• Vi vill ha de mest effektiva solfångarna.
• Dimensionering av ett system för vintern kommer att leda till överhettning på sommaren.
• Parallella rörledningar samlar in mest Btu.
• Lagertankar bör inte överdimensioneras eftersom detta kommer att skapa stagnationsproblem.
• Frostskydd dikterar systemets utformning.

Det är uppenbart att Zaks mål inte stämde överens med standardantagandena. Men jag är glad att han utmanade konventionerna, för i slutändan byggde vi ett system som kostar mindre och fungerar bättre än alla solvärmesystem jag känner till. Systemet kostade runt 4 000 dollar och ger 95 % av det årliga varmvatten som Zaks familj behöver. Någon som är duktig skulle kunna göra samma jobb för cirka 3 000 dollar om han eller hon byggde sina egna solfångare.

Solfångarna

Följande är det tänkande som fick oss dit. Att vilja ha effektiva solfångare skulle ha tvingat oss att bygga ett mer komplicerat och dyrare system för att förhindra frysning och överhettning. Så i stället använde vi riktigt ineffektiva kollektorer! Dessa är bara rullar av ¾-tums polyetenrör under en akrylglasruta (se bild 2 nedan).

Det finns ingen isolering i kollektorerna, så de kan inte överhettas och det är osannolikt att de skadas av frysning. Den högsta temperatur som vi har uppmätt på sommaren utan vattenflöde är 170°F i kollektorerna, och de har frusit många gånger utan problem. Denna typ av kollektor har testats i San Jose, Kalifornien, i 16 år och inga problem har dykt upp. I huvudsak är det poolkollektorer som modifierats för att producera varmvatten för hushållsbruk helt enkelt genom att lägga till glasrutor. De tillverkas kommersiellt av Gull Industries i San Jose, Kalifornien.

Varje spole mäter 26 kvadratfot. En annan fördel med att använda ”ineffektiva” solfångare är att vi eliminerade behovet av att dra kopparrör till och från dem, genom att i stället dra PEX-slangar. Med traditionella kopparkollektorer, som kan stagnera i sommarsolen vid upp till 400°F, skulle PEX-slangar smälta ganska snabbt. Men vi kunde använda polyrör och PEX till nästan allt, vilket förenklade arbetet ytterligare (se bild 3 nedan). Vi överdimensionerade medvetet systemet, så att det kunde klara perioder utan sol och återhämta sig snabbt när solen återvänder.

Tanken

Tanken var ett annat övervägande. Normalt sett vill man med en glasfodrad tank (nästan alla tankvärmare i USA är glasfodrade) vända volymen i tanken dagligen för att förhindra stagnation och luktproblem. Det visade sig att den anod som följer med alla glasfodrade tankar genererar vätgas, som vissa bakterier verkligen gillar. Vi kringgick detta genom att installera en 105-gallon Marathon-tank från Rheem (se bild 4 nedan). Detta är en icke-metallisk tank som inte behöver någon anod, så att vattnet inte åldras eller förorenas av långsam omsättning. Fördelen med så mycket lagring är att systemet kan fortsätta att leverera varmvatten under solfattiga dagar.

En annan fördel med Marathon-tanken är dess isolering. Den har 3 tum skum och enligt litteraturen förlorar den endast 5°F på 24 timmar. Vår dataloggning tyder på att det snarare är 6-8°F i vår situation, men ändå, inte illa. Isolering var något annat vi lekte med.

Rörisolering kommer sällan riktigt tjockt, men genom att hålla värmeförlusterna nere ökar den faktiska solfraktionen och minskar mängden reservkraft som behövs. Så vi bestämde oss för att dubbla isoleringen där det är möjligt.

Detta är ¾-tums PEX-rör med två lager isolering, vilket ger en total väggtjocklek på 1½ tum. Det ser ut som ett enda stort rör när det är installerat.

Solvattenvärmare är normalt utformade som system med en eller två tankar. En tank är bättre, om du kan få det att fungera, eftersom det finns mindre utrustning att förlora värme från. Numera kan detta endast göras med hjälp av elektrisk backup. En annan sak vi gjorde var att koppla bort det nedre elementet i vår enda tank och endast använda det övre elementet som reservkraft. Detta förhindrar att den elektriska värmekällan konkurrerar med solvärmen. Vi kopplade in den på 120 volt i stället för 240, så det fanns ingen anledning att göra något mer än att bara koppla in den. Det tar visserligen fyra gånger så lång tid att värma med halva spänningen, men Zak ville ha ett bra test av solvärmen. Systemet installerades i november 2014, och han har ännu inte använt backupen!

Regulatorn

Systemet hanteras enkelt med en färdig Goldline GL-30 solcellsregulator (se bild #5, nedan). Den mäter temperaturen vid solfångaren och i botten av tanken. Den jämför de två och när solfångaren är tillräckligt varm slår den på pumpen. Kontrollen har justeringar för att finjustera denna inställning. Lyckligtvis behöver vi inte den styrning som skyddar mot frysning eller överhettning.

Systemet var enkelt att installera. Om man bara tittar på installationstiden tog det bara sex persontimmar, vilket är mycket snabbt. På den gamla goda tiden brukade en snabb installation kräva tre killar och en lång dag, eller cirka 24 persontimmar. Det här systemet gick så snabbt av flera anledningar:

• Vi använde PEX- och polyetylenslangar.
• Vi monterade de utsatta anslutningarna med Sharkbite tryckfästen.
• Kollektorfabrikanten försåg oss med en färdigbyggd kontrollstation.
• Kollektorerna installerades på taket med hjälp av endast en central skruv.
• Vi hade lätt tillgång till takets undersida.
• Kollektorerna är något flexibla och lätta.
• Tanken på 105 gallon är lätt och lätt att flytta.

Systemets prestanda

Prestationen hittills har varit god. Vi har dataloggat på flera punkter i systemet för att förstå hur det fungerar.

Termen solfraktion används för att ange hur stor andel av ens varmvatten som värms upp av solen. Om man gör det rätt skulle det innebära att mäta den totala varmvattenförbrukningen och subtrahera den del av vattenuppvärmningen som inte kommer från solen.

Vi valde i stället att helt enkelt lägga märke till när det soluppvärmda vattnet var tillräckligt varmt för att duscha med. Om det lagrade vattnet ligger runt 105°F är det bra för duschning. När vi säger att systemet producerar 95 % av varmvattnet betyder det att Zak får acceptabla duschtider 95 % av tiden. Det är ett snabbt, icke-matematiskt sätt att förstå hur systemet fungerar i allmänhet. Om vi gjorde noggranna mätningar för att bestämma solfraktionen skulle den förmodligen vara högre än 95 %. Men eftersom vi anser att allt under 105°F är otillräckligt, tar vi inte åt oss äran för vatten som inte riktigt är tillräckligt varmt, men som definitivt ligger en bra bit över grundvattentemperaturen.

Diagrammet i bild 6 nedan visar systemet under de första dagarna på våren, när systemet bidrar på ett beundransvärt sätt till hemmets varmvattenförsörjning.

Diagrammet i bild 7 visar systemet när det är som sämst. De lodräta gula staplarna representerar perioder med solsken och de lodräta blå staplarna representerar nattetid. Mellan den 21 och 22 ser du till och med regn! Men notera hur bara några timmar vintersol den 23:e ökar tanken med nästan 20°F.

De andra två graferna, som visas i bild 8, illustrerar skillnaderna mellan december och mars. I dessa grafer mätte vi utgångarna från varje solfångare för att se om alla fyra gav användbara utgångar. Det visar sig att de två första solfångarna samlade in mer Btu, men att de två andra solfångarna var och en höjde temperaturen, så de hjälpte verkligen till – särskilt under de kallare perioderna på året.

Relevansen av den här konstruktionen

Det finns uppenbarligen begränsningar för var den här typen av system kan installeras med framgång. Om dessa solfångare är täckta av snö kanske de inte fungerar så bra, så det skulle vara klokt att undvika områden som håller sig under fryspunkten under längre perioder. Men eftersom det inte finns några metallrör i det här systemet kan det tåla tillfällig frysning. Och om skattelättnader är huvudmotivet för att installera solvärmevatten kommer det här systemet inte att duga, eftersom det ännu inte är certifierat av Solar Rating and Certification Corporation. Ändå bör detta system kosta mindre än de flesta andra system, även utan skattelättnader.

Det är helt klart bra att föra in nya perspektiv på solvärme. Genom att på ett intelligent sätt ifrågasätta gamla idéer och genom att använda nyare material och hårdvara – som Marathon-tanken, PEX-rörledningar och polyetenkollektorer – fick Zak oss att göra bättre ifrån oss än vad jag hade trott var möjligt.

Larry Weingarten är uppvuxen på Montereyhalvön i Kalifornien och har varit egenföretagare under större delen av sitt yrkesverksamma liv. Han fick sin licens som generalentreprenör 1982. Larry har skrivit artiklar om vattenuppvärmning och energi för olika facktidskrifter; han har undervisat om dessa ämnen för PG&E, California State Parks, Affordable Comfort och andra; och han har nyligen hjälpt till att skapa DVD:er om dessa och relaterade ämnen. År 2006 avslutade han byggandet av ett hem utanför elnätet, som utformades för att vara mycket effektivt, bekvämt och billigt. Det var det 13:e hemmet som uppfyllde 1000 Home Challenge, en tävling för att skapa supereffektiva hem. Han gillar katter.

Zak Vetter bidrog till den här artikeln. Han är också uppvuxen på Monterey-kusten och har varit egenföretagare i över tio år med att reparera och undervisa om datorer. Sedan 2008 har Zak lärt sig om den breda världen av energieffektivitet samtidigt som han förbättrat sin egen fastighet. Solvattensystemet i den här artikeln inspirerades av ett besök i Larrys off-grid-hus, som visade hur mycket som är möjligt med solenergi.