Η ηλιακή θέρμανση θερμικού νερού είναι ένα ιδιοσυγκρασιακό πράγμα. Το νερό ζυγίζει πολύ, διαστέλλεται όταν παγώνει και μπορεί να προκαλέσει ζημιά στην κλιμάκωση των σωλήνων όταν βράζει. Τα ηλιακά θερμικά συστήματα είναι θαυμάσια αποδοτικά και ορισμένα συστήματα λειτουργούν μια χαρά για δεκαετίες, αλλά ακόμη και αυτά χρειάζονται τακτική επιθεώρηση. Όταν ένα ηλιακό θερμικό σύστημα αποτυγχάνει, ωστόσο, προσπαθεί να αυτοκαταστραφεί και είναι σαφές εδώ και αρκετό καιρό ότι η ηλιακή θέρμανση θερμικού νερού δεν είναι ο τρόπος του μέλλοντος εκτός από την πολύ χαμηλή χρήση θερμότητας, όπως οι πισίνες.
Εδώ και πολύ καιρό, η σοφία είναι ότι το σχετικό πλεονέκτημα απόδοσης της ηλιακής θερμικής τεχνολογίας για θέρμανση νερού υπερτερεί της ευκολίας της ηλεκτρικής θέρμανσης νερού. Η ικανότητα της ηλιακής θερμικής να συλλέγει περισσότερη ενέργεια ανά τετραγωνικό πόδι σημαίνει ότι ένα ηλιακό ηλεκτρικό σύστημα που τροφοδοτεί έναν συμβατικό ηλεκτρικό θερμοσίφωνα από μόνο του δεν θα ανταγωνιστεί ποτέ ένα ηλιακό θερμικό σύστημα.
Πρόσφατα, ωστόσο, οι μειώσεις του κόστους ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας (φωτοβολταϊκά) και η ωρίμανση της τεχνολογίας αντλίας θερμότητας αέρα-νερού παρείχαν ένα νέο μοντέλο: ηλιακή-ηλεκτρική υποβοηθούμενη θέρμανση νερού αντλίας θερμότητας (HPWH). Το HPWH έρχεται με λιγότερα μειονεκτήματα από το ηλιακό θερμικό, με μικρότερη τιμή για οικιακές εφαρμογές.
Οι παρακάτω πληροφορίες προϋποθέτουν τη χρήση θερμαντήρα νερού αντλίας θερμότητας με συντελεστή απόδοσης (EF 2,5) και βαθμολογία 1.800 kWh ετησίως, με 1 έως 1,3 kW φωτοβολταϊκού δικτύου να προστίθεται στην υπάρχουσα εγκατάσταση ή σύστημα σε περιοχή όπου το φωτοβολταϊκό προϊόν παράγει τουλάχιστον 1.400 kWh/kW/έτος.
Πλεονεκτήματα Φ/Β
Χαμηλότερο αρχικό κόστος: Δεδομένου ότι τα ανοιχτά συστήματα χαμηλότερου κόστους έχουν αποδειχθεί ακατάλληλα για οικιακή θέρμανση νερού, το εγκατεστημένο κόστος της ηλιακής θερμικής ενέργειας θα πρέπει να βασίζεται σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου (γλυκόλη ή αποστράγγισης), ενός συστήματος δύο δεξαμενών (ή αποθήκευσης συν χωρίς δεξαμενή), πλήρως εγκατεστημένο. Η μέση τιμή για ένα τέτοιο σύστημα, σχεδιασμένη για μια τετραμελή οικογένεια, είναι μεταξύ 7.000 και 10.000 δολαρίων πριν από τα κίνητρα. Ο PV τροφοδοτημένος θερμαντήρας νερού αντλιών θερμότητας θα κοστίσει μεταξύ $1.000 και $2.000 για την αντλία θερμότητας συν την εργασία και μεταξύ $3.500 και $6.000 για το πρόσθετο Φ/Β (σε ένα υπάρχον πλέγμα-δεσμευμένο σύστημα), κατά συνέπεια ένα συνολικό εγκατεστημένο κόστος μεταξύ $5.000 και $8.500 πριν από τα κίνητρα.
Ευκολότερη εγκατάσταση: Η αντικατάσταση ενός θερμαντήρα νερού με μια άλλη ενιαία δεξαμενή και η προσθήκη τριών έως πέντε πρόσθετων μονάδων σε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα είναι πολύ πιο εύκολη από την αντικατάσταση μιας ενιαίας δεξαμενής με δύο δεξαμενές και υγρό μεταφοράς θερμότητας σωληνώσεων σε βαριά πάνελ οροφής που πρέπει να δοκιμάζονται και να φορτιστούν μετά την εγκατάσταση. Αυτό έχει ως αποτελέσματα λιγότερες ευκαιρίες για σφάλμα προγράμματος εγκατάστασης.
Χρησιμοποιεί λιγότερο χώρο: Για να αποφευχθεί ο ανταγωνισμός του ηλιακού θερμικού συστήματος με την πηγή δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας (η οποία περιορίζει το ηλιακό κλάσμα σε περίπου 60%), απαιτούνται δύο δεξαμενές: μία για το εφεδρικό και μία για την ηλιακή. Είναι δυνατόν να εξοικονομήσετε χώρο, με μεγάλο κόστος, με τη χρήση θερμαντήρα χωρίς δεξαμενή, εφόσον ο θερμαντήρας χωρίς δεξαμενή μπορεί να διαμορφώσει τη ροή θερμότητας σε πολύ χαμηλό σημείο, ενώ είναι σε θέση να καλύψει επίσης τη μέγιστη ζήτηση.
Δεν χρειάζεται συντήρηση: Η αχίλλειος πτέρνα της ηλιακής θερμικής είναι ότι αν το σύστημα σταματήσει να λειτουργεί, δεν αποτυγχάνει απλώς να παράγει ενέργεια: θέτει για τη δική του αυτοκαταστροφή. Χωρίς ροή τα πάνελ μπορούν να παγώσουν ή να παραμείνουν στάσιμα και να υπερθερμανθούν (βλ. παρακάτω). Ο ηλεκτρονικός διαφορικός ελεγκτής και οι αντλίες κυκλοφορητή πρέπει να επιθεωρούνται ετησίως για να εξασφαλίζεται ότι λειτουργούν σωστά και ότι δεν έχει αρχίσει καμία κλίμακα ή διάβρωση που θα οδηγήσει σε βλάβη του συστήματος. Οι σωληνώσεις θα πρέπει επίσης να ελέγχονται, ειδικά για συστήματα αποστράγγισης σε παλαιότερα κτίρια που μπορεί να εγκατασταθούν με την πάροδο του χρόνου και να παγιδεύουν υγρό στις γραμμές. Αυτές οι ετήσιες επιθεωρήσεις πρέπει να διενεργούνται από επαγγελματία και θα κοστίζουν το ήμισυ της ετήσιας εξοικονόμησης φυσικού αερίου.
Δεν μπορεί να παγώσει: Δεδομένου ότι ένας ηλιακός θερμικός πίνακας μπορεί να παγώσει σε θερμοκρασίες τόσο υψηλές όσο 42ºF, απαιτείται προστασία από το πάγωμα σε όλες τις ηπειρωτικές ΗΠΑ για ηλιακά θερμικά συστήματα. Με εξαίρεση τα συστήματα αποστράγγισης, τα συστήματα προστασίας από το πάγωμα είναι "ενεργά". Αυτό σημαίνει ότι απαιτούν μια συσκευή για να λειτουργήσει ως απάντηση στη χαμηλή θερμοκρασία. Κατά συνέπεια, και δεδομένου ότι σπάνια απαιτούνται να λειτουργήσουν, οι αποτυχίες προστασίας από το πάγωμα είναι τόσο κοινές όσο και καταστροφικές, με αποτέλεσμα χιλιάδες δολάρια ζημιάς στη συστοιχία συλλεκτών.
Δεν μπορεί να υπερθερμανθεί: Η υπερθέρμανση είναι ένα συχνά παραβλέπεται πρόβλημα με τα ηλιακά θερμικά συστήματα. Υπάρχει περίπου διπλάσια ηλιακή ενέργεια που παραδόθηκε τον Ιούλιο από ό, τι τον Ιανουάριο. Έτσι, οποιοδήποτε σύστημα που θα κάνει σημαντική διαφορά στο κόστος ζεστού νερού τον Ιανουάριο θα υπερεκτεθεί τον Ιούλιο. Αυτό έχει ως ως αποτελέσματα περιόδους στασιμότητας όπου δεν υπάρχει χρήση για την ηλιακή θερμότητα και καμία ροή μέσω του(των) πάνελ(-ων). Υπό αυτή την προϋπόθεση, τα πάνελ θα θερμανθούν σε περίπου 400ºF μέσα. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ζημιά και επιταχύνει την υποβάθμιση των συλλεκτικών εξαρτημάτων. Υπάρχουν συστήματα καλοριφέρ που έχουν προστεθεί σε πάνελ για να μετριάσουν αυτό το αποτέλεσμα, αλλά δεν υπάρχουν στερεά δεδομένα για το πόσο καλοριφέρ απαιτείται για να κρυώσει ένας στάσιμος συλλέκτης σε μια ζεστή μέρα.
Δεν υπάρχει συσσώρευση κλίμακας: Η κλίμακα είναι ο #1 εχθρός των θερμαντήρων νερού οποιουδήποτε τύπου. Η θερμότητα κάνει τα διαλυμένα στερεά να κατακρημνίζονται από το νερό όπου συλλέγουν στην καυτή επιφάνεια. Ακόμη και με τη χρήση ενός υγρού μεταφοράς στην πλευρά του συλλέκτη, η κλίμακα μπορεί να είναι ένα πρόβλημα με τον εναλλάκτη θερμότητας φράσσοντας τους σωλήνες μέσω των ροών νερού για να κερδίσει θερμότητα. Οι χαμηλότερες θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση του νερού με αντλία θερμότητας μειώνουν την τάση συσσώρευσης κλίμακας στη δεξαμενή.
100 τοις εκατό ηλιακό κλάσμα εφικτό: Λόγω των ιδιοτροπιών του καιρού και της αδυναμίας αποθήκευσης μεγάλων όγκων ζεστού νερού, κανένα ηλιακό θερμικό σύστημα που προσφέρει 100 τοις εκατό αξιοπιστία δεν μπορεί να έχει ένα 100 τοις εκατό ηλιακό κλάσμα. Τα συστήματα με την υψηλότερη βαθμολογία σύμφωνα με το πρωτόκολλο SRCC OG300 έχουν 90 τοις εκατό ηλιακό κλάσμα. Η χρήση φωτοβολταϊκών που συνδέονται με το δίκτυο ως ηλιακή πηγή για τον θερμαντήρα νερού αντλίας θερμότητας επιτρέπει στο σύστημα να "αποθηκεύει" ενέργεια στο δίκτυο για χρήση έως και ένα χρόνο αργότερα. Η παραπάνω σύγκριση τιμών βασίζεται σε ένα θερμικό σύστημα με ένα 80 τοις εκατό ηλιακό κλάσμα έναντι μιας αντιστάθμισης 100 τοις εκατό Φ/Β για τη θέρμανση νερού.
Διαχείριση ζήτησης πλέγματος: Αν και η θέρμανση νερού αντλίας θερμότητας προσθέτει ένα φορτίο στο δίκτυο όταν χρησιμοποιείται για την αντικατάσταση μιας μονάδας αερίου ή προπανίου, το φωτοβολταϊκό προσθέτει ισχύ στο δίκτυο κατά τις ώρες αιχμής της ημέρας όπου είναι πιο πιθανό να χρειαστεί από την κοινότητα. Το μεγαλύτερο μέρος του οικιακού ζεστού νερού χρησιμοποιείται νωρίς το πρωί και το βράδυ όταν υπάρχει λιγότερη ηλεκτρική ζήτηση σε όλη την κοινότητα. Εάν η επιχείρηση επιλέξει να χρησιμοποιήσει αυτό το πλεονέκτημα, θα μπορούσε επίσης να προσθέσει την ικανότητα υπερθέρμανσης του θερμαντήρα νερού μέσω του έξυπνου μετρητή όταν υπάρχει υπερβολική ηλεκτρική ενέργεια στο δίκτυο. Χρησιμοποιημένος στη διεξαγωγή με μια βαλβίδα μίξης για να προστατεύσει το σπίτι από το ζεματιστό νερό, ουσιαστικά «τράπεζες» ζεστό νερό και μπορεί να καθυστερήσει την ανάγκη για την αντλία θερμότητας για να ανάψουν.
Χωρίς εκπομπές CO2: Οποιαδήποτε χρήση φυσικού αερίου ή προπανίου, ανεξάρτητα από το πόσο αποτελεσματική ή φθηνή είναι, έχει ως αποτελέσματα την προσθήκη CO2 στην ατμόσφαιρα που είναι ο #1 παράγοντας κινδύνου που αντιμετωπίζει σήμερα ο πολιτισμός. Ένας θερμαντήρας νερού αντλίας θερμότητας που τροφοδοτείται 100 τοις εκατό (ή αντισταθμίζεται) από φωτοβολταϊκά δεν συμβάλλει σε αυτό το πρόβλημα.
Μειονεκτήματα
Καθαρή απόδοση δικτύου έναντι άμεσης χρήσης αερίου: Το βασικό τεκμήριο κατά τη σύγκριση της χρήσης αερίου με την ηλεκτρική χρήση είναι ότι, αφού συνυπολογίζονται οι απώλειες μετατροπής και μεταφοράς, χρειάζονται τρεις μονάδες ενέργειας ορυκτών καυσίμων (φυσικό αέριο, πετρέλαιο, άνθρακας) για την παροχή μιας μονάδας ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, το σκεπτικό σύμφωνα με το οποίο, εάν το φυσικό αέριο μπορεί να παραδοθεί στο σημείο χρήσης, είναι πιο αποτελεσματικό να χρησιμοποιείται το αέριο παρά να χρησιμοποιείται ηλεκτρική ενέργεια. Δεδομένου ότι οι περισσότεροι θερμαντήρες νερού με ορυκτά καύσιμα είναι μόνο περίπου 60 τοις εκατό αποτελεσματικοί, αυτή η επίδραση είναι μόνο το ήμισυ τόσο σημαντική όσο φαίνεται. Επιπλέον, οι θερμαντήρες νερού με ορυκτά καύσιμα δεν αξιοποιούν τα πρότυπα χαρτοφυλακίου ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που μειώνουν περαιτέρω την αναλογία του φυσικού αερίου που χρησιμοποιείται στην ηλεκτρική ενέργεια που παραδίδεται.
Απαιτείται ζεστός αέρας: Η απόδοση του θερμαντήρα νερού αντλίας θερμότητας εξαρτάται από τη διαθέσιμη πηγή θερμότητας που είναι συνήθως ο αέρας στο χώρο στον οποίο τοποθετείται ο θερμαντήρας. Εγκατεστημένο σε μηθερμασμένους χώρους σε εύκρατα κλίματα, αυτό δεν παρουσιάζει κανένα πρόβλημα. Ωστόσο, εάν ο χώρος του θερμοσίφωνα θερμανθεί ή πέσει κάτω από 55º-60ºF μεγάλο μέρος του έτους, το στοιχείο δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας θα χρειαστεί και η αποτελεσματικότητα θα υποφέρει. Αντίθετα, ο θερμαντήρας νερού αντλίας θερμότητας θα κρυώσει και θα αφυδαώσει το χώρο στον οποίο βρίσκεται. Αυτό μπορεί να είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό.
Νεότερες στην αγορά: Αν και η θέρμανση νερού αντλίας θερμότητας αέρα-νερού χρησιμοποιεί μόνο δοκιμασμένες και αληθινές έννοιες, η οικιακή HPWH είχε μόνο περίπου είκοσι χρόνια ανάπτυξης στην καταναλωτική αγορά: αρκετό καιρό για να είναι σίγουρη για την αποδοτικότητα και την ευκολία της, αλλά όχι αρκετά για να είναι ευρέως διαδεδομένη. Ενώ υπάρχουν περίπου πεντακόσια ηλιακά θερμικά μοντέλα και εξακόσιοι θερμοσίφωνες χωρίς δεξαμενές ("στιγμιαίοι") που αναγνωρίζονται από το σύστημα Energy Star του DOE, υπάρχουν επί του παρόντος μόνο 23 αναγνωρισμένα μοντέλα HPWH.
Γι' αυτό που ήταν, η ηλιακή θερμική τεχνολογία αντιπροσώπευε μια βελτίωση. Έχει ακόμα κάποιες νόμιμες εφαρμογές, ακόμη και. Ωστόσο, η θέρμανση ηλιακού νερού σε επίπεδο νοικοκυριού συνοδεύεται από τόσα πολλά περιττά μειονεκτήματα που είναι σαφές ότι το μέλλον βρίσκεται σε μια άλλη κατεύθυνση. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική πηγή για ένα σύστημα θέρμανσης νερού με αντλία θερμότητας. Σύντομα, ότι οι αντλίες θερμότητας από το νερό στο νερό μπορεί να είναι διαθέσιμες στην αγορά, αλλά τα σημερινά συστήματα αέρα-νερού είναι η βέλτιστη επιλογή για πολλά νοικοκυριά, ανάλογα με το κλίμα και τη διαμόρφωση.
