Solarthermische Warmwasserbereitung ist eine temperamentvolle Sache. Wasser wiegt viel, es dehnt sich aus, wenn es gefriert, und es kann Rohre beschädigen, wenn es kocht. Solarthermieanlagen sind wunderbar effizient, und einige Systeme funktionieren über Jahrzehnte gut, aber auch diese müssen regelmäßig überprüft werden. Wenn eine solarthermische Anlage jedoch ausfällt, macht sie sich daran, sich selbst zu zerstören, und es ist seit einiger Zeit klar, dass solarthermische Warmwasserbereitung nicht der Weg der Zukunft ist, abgesehen von sehr niedrigem Wärmeverbrauch, wie Schwimmbädern.
Seit langem ist die Weisheit, dass der relative Effizienzvorteil der solarthermischen Technologie für die Warmwasserbereitung den Komfort der elektrischen Warmwasserbereitung mehr als überwiegt. Die Fähigkeit der Solarthermie, mehr Energie pro Quadratfuß zu sammeln, bedeutet, dass ein Solarstromsystem, das einen herkömmlichen elektrischen Warmwasserbereiter allein antreibt, niemals mit einem Solarthermiesystem konkurrieren wird.
In jüngster Zeit haben jedoch die Senkung der Kosten für Solarstrom (PV) und die Reifung der Luft-Wasser-Wärmepumpentechnologie ein neues Modell geschaffen: solarelektrische unterstützte Wärmepumpen-Warmwasserbereitung (HPWH). HPWH hat weniger Nachteile als Solarthermie, mit einem kleineren Preis für Wohnanwendungen.
Die folgenden Informationen gehen von der Verwendung eines Warmwasserbereiters mit Wärmepumpe mit einem Wirkungsgrad (EF von 2,5) und einer Nennleistung von 1.800 kWh pro Jahr aus, wobei 1 bis 1,3 kW netzgebundene PV zu einer bestehenden Anlage oder Anlage in einer Region hinzugefügt werden, in der die PV mindestens 1.400 kWh / kW / Jahr produziert.
PV Vorteile
Niedrigere Vorlaufkosten: Da sich kostengünstigere offene Systeme als ungeeignet für die Warmwasserbereitung erwiesen haben, sollten die installierten Kosten für Solarthermie auf einem geschlossenen Kreislauf (Glykol oder Drainback), Zwei-Tank- (oder Speicher plus tankloses) System basieren, das vollständig installiert ist. Der Durchschnittspreis für ein solches System, das für eine vierköpfige Familie entwickelt wurde, liegt zwischen 7.000 und 10.000 US-Dollar vor Anreizen. Der PV-betriebene Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe kostet zwischen 1.000 und 2.000 US-Dollar für die Wärmepumpe plus Arbeit und zwischen 3.500 und 6.000 US-Dollar für die zusätzliche PV (zu einem bestehenden netzgebundenen System), also installierte Gesamtkosten zwischen 5.000 und 8.500 US-Dollar vor Anreizen.
Einfacher zu installieren: Das Ersetzen eines Warmwasserbereiters durch einen anderen einzelnen Tank und das Hinzufügen von drei bis fünf zusätzlichen Modulen zu einer PV-Anlage ist viel einfacher als das Ersetzen eines einzelnen Tanks durch zwei Tanks und Rohrleitungswärmeübertragungsflüssigkeit zu schweren Dachpaneelen, die nach der Installation druckgeprüft und aufgeladen werden müssen. Dies führt zu weniger Möglichkeiten für Installationsfehler.
Verbraucht weniger Platz: Um zu vermeiden, dass die Solarthermieanlage mit der Backup-Quelle konkurriert (was den Solaranteil auf etwa 60% begrenzt), werden zwei Tanks benötigt: einer für das Backup und einer für die Solaranlage. Es ist möglich, mit der Verwendung einer Durchlauferhitzerung mit großem Aufwand Platz zu sparen, solange die Durchlauferhitzerin den Wärmestrom bis zu einem sehr niedrigen Punkt modulieren und gleichzeitig den maximalen Bedarf decken kann.
Braucht keine Wartung: Die Achillesferse der Solarthermie ist, dass das System, wenn es nicht mehr funktioniert, nicht nur keine Energie produziert: Es setzt seine eigene Selbstzerstörung an. Ohne Strömung können die Paneele einfrieren oder stagnieren und überhitzen (siehe unten). Der elektronische Differentialregler und die Umwälzpumpe(n) müssen jährlich überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren und dass keine Skalierung oder Korrosion begonnen hat, die zu einem Systemausfall führt. Die Rohrleitungen sollten ebenfalls überprüft werden, insbesondere bei Drainback-Systemen in älteren Gebäuden, die sich im Laufe der Zeit absetzen und Flüssigkeit in den Leitungen einfangen können. Diese jährlichen Inspektionen müssen von einem Fachmann durchgeführt werden und kosten die Hälfte der jährlichen Gaseinsparungen.
Kann nicht einfrieren: Da ein Solarthermiemodul bei Temperaturen von bis zu 42 ° F gefrieren kann, ist auf dem gesamten US-amerikanischen Festland ein Frostschutz für solarthermische Systeme erforderlich. Mit Ausnahme von Drainback-Systemen sind Frostschutzsysteme "aktiv". Dies bedeutet, dass sie ein Gerät benötigen, um als Reaktion auf niedrige Temperaturen zu arbeiten. Infolgedessen und da sie selten benötigt werden, um zu funktionieren, sind Frostschutzfehler sowohl häufig als auch katastrophal, was zu Schäden in Tausenden von Dollar am Kollektor-Array führt.
Kann nicht überhitzen: Überhitzung ist ein häufig übersehenes Problem bei solarthermischen Anlagen. Im Juli wird etwa doppelt so viel Solarenergie geliefert wie im Januar. Daher wird jedes System, das im Januar einen signifikanten Unterschied bei den Warmwasserkosten machen wird, im Juli übertrennt sein. Dies führt zu Perioden der Stagnation, in denen die Sonnenwärme nicht genutzt wird und kein Fluss durch die Tafel(n) erfolgt. Unter dieser Bedingung erwärmen sich die Paneele im Inneren auf etwa 400 ° F. Dies kann zu Schäden führen und beschleunigt die Verschlechterung der Kollektorteile. Es gibt Heizkörpersysteme, die zu Paneelen hinzugefügt wurden, um diesen Effekt zu mildern, aber es gibt keine soliden Daten darüber, wie viel Heizkörper benötigt wird, um einen stagnierenden Kollektor an einem heißen Tag zu kühlen.
Kein Skalenaufbau: Die Waage ist der #1 Feind von Warmwasserbereitern jeglicher Art. Wärme lässt gelöste Feststoffe aus Wasser ausfälzen, wo sie sich auf der heißen Oberfläche sammeln. Selbst bei verwendung einer Transferflüssigkeit auf der Kollektorseite kann die Skalierung ein Problem mit dem Wärmetauscher darstellen, indem die Rohre, durch die das Wasser fließt, verstopft werden, um Wärme zu gewinnen. Die niedrigeren Temperaturen, die zur Ermärkung von Wasser mit einer Wärmepumpe verwendet werden, reduzieren die Neigung zur Ansammlung von Kalk im Tank.
100 Prozent Solaranteil erreichbar: Aufgrund der Launen des Wetters und der Undurchführbarkeit der Speicherung großer Warmwassermengen kann keine Solarthermieanlage, die eine 100-prozentige Zuverlässigkeit bietet, einen 100-prozentigen Solaranteil haben. Die Systeme, die unter dem SRCC OG300-Protokoll am höchsten bewertet werden, haben einen Solaranteil von 90 Prozent. Durch die Verwendung von netzgebundener PV als Solarquelle für den Warmwasserbereiter der Wärmepumpe kann das System Strom im Netz "speichern" und bis zu einem Jahr später nutzen. Der obige Preisvergleich basiert auf einem thermischen System mit einem Solaranteil von 80 Prozent gegenüber einem 100-prozentigen PV-Ausgleich für die Warmwasserbereitung.
Netzbedarfsmanagement: Obwohl die Warmwasserbereitung der Wärmepumpe das Netz belastet, wenn sie zum Ersetzen einer Gas- oder Propaneinheit verwendet wird, fügt die PV dem Netz während der Spitzenstunden bei Tageslicht Strom hinzu, wo sie am wahrscheinlichsten von der Gemeinde benötigt wird. Das meiste Warmwasser im Haushalt wird früh morgens und abends verbraucht, wenn der gemeinschaftsweite Strombedarf geringer ist. Wenn das Versorgungsunternehmen diesen Vorteil nutzt, könnte es auch die Möglichkeit hinzufügen, den Warmwasserbereiter durch den intelligenten Zähler zu überhitzen, wenn überschüssiger Strom im Netz verfügbar ist. In der Leitung mit einem Mischventil verwendet, um das Haus vor Verbrühungswasser zu schützen, "leitet" es effektiv heißes Wasser und kann die Notwendigkeit des Einschaltens der Wärmepumpe verzögern.
Keine CO2-Emissionen: Jede Verwendung von Erdgas oder Propan, egal wie effizient oder billig, führt zur Zugabe von CO2 in die Atmosphäre, was der #1 Risikofaktor ist, mit dem die Zivilisation heute konfrontiert ist. Ein Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe, der zu 100 Prozent mit PV betrieben (oder ausgeglichen) wird, trägt zu diesem Problem nicht bei.
Benachteiligungen
Nettonetzeffizienz vs. direkte Gasnutzung: Die Standardvermutung beim Vergleich des Gasverbrauchs mit dem Stromverbrauch ist, dass nach Berücksichtigung von Umwandlungs- und Übertragungsverlusten drei Einheiten fossiler Energie (Gas, Öl, Kohle) benötigt werden, um eine Einheit elektrischer Energie zu liefern. Daher die Begründung, dass, wenn Gas an den Einsatzort geliefert werden kann, es effizienter ist, das Gas zu verwenden, als Strom zu verwenden. Da die meisten fossil betriebenen Warmwasserbereiter nur etwa 60 Prozent effizient sind, ist dieser Effekt nur halb so signifikant, wie es scheint. Darüber hinaus nutzen fossil betriebene Warmwasserbereiter nicht die Vorteile der Renewable Portfolio Standards, die das Verhältnis von verbrauchtem Gas zu geliefertem Strom weiter reduzieren.
Warmwasserbereiter erforderlich: Der Wirkungsgrad des Warmwasserbereiters der Wärmepumpe hängt von der verfügbaren Wärmequelle ab, die normalerweise die Luft in dem Raum ist, in dem die Heizung aufgestellt wird. In unbeheizten Räumen in gemäßigten Klimazonen installiert, stellt dies kein Problem dar. Wenn der Warmwasserbereiterraum jedoch beheizt wird oder die meiste Zeit des Jahres unter 55 ° -60 ° F fällt, wird das Backup-Element benötigt und die Effizienz wird leiden. Umgekehrt kühlt und entfeuchtet der Warmwasserbereiter der Wärmepumpe den Raum, in dem er sich befindet. Dies kann ein wünschenswertes Merkmal sein.
Neuer auf dem Markt: Obwohl die Luft-Wasser-Wärmepumpen-Warmwasserbereitung nur bewährte Konzepte verwendet, hat die Haushalts-HPWH erst etwa zwanzig Jahre Entwicklung auf dem Verbrauchermarkt hinter sich: lang genug, um auf seine Effizienz und Leichtigkeit zu vertrauen, aber nicht lange genug, um weit verbreitet zu sein. Während es etwa fünfhundert solarthermische Modelle und sechshundert durchlaufene ("sofortige") Warmwasserbereiter gibt, die vom Energy Star-System des DOE erkannt werden, gibt es derzeit nur 23 anerkannte HPWH-Modelle.
Für das, was es war, stellte die Solarthermie eine Verbesserung dar. Es hat immer noch einige legitime Anwendungen, sogar. Die solare Warmwasserbereitung auf Haushaltsebene bringt jedoch so viele unnötige Nachteile mit sich, dass klar ist, dass die Zukunft in eine andere Richtung liegt. Solare Photovoltaik ist eine hochwirksame Quelle für eine Wärmepumpen-Wasserheizung. Bald könnten diese Wasser-Wasser-Wärmepumpen auf dem Markt erhältlich sein, aber die heutigen Luft-Wasser-Systeme sind je nach Klima und Konfiguration die optimale Wahl für viele Haushalte.
