SOLEN SOM DRIVKRAFT

Solen är en förutsättning för allt liv på jorden och ger oss ofantliga mängder energi, långt mycket mer än vad som är allmänt känt. Det räcker faktiskt med endast en timmes solinstrålning för att täcka den globala energianvändningen under ett helt år. Solenergin kommer oss till del utan kostnader och i omvandlingsfasen till el och värme är den helt miljö- och klimatneutral. Solstrålarna träffar brukaren direkt och levereras utan mellanhänder. Solenergin är helt enkelt överlägsen som energibärare!

En vanlig uppfattning är att vi inte har så många soltimmar och så mycket solenergi i Sverige. Faktum är att vi har en solinstrålning som långt överskrider all den energianvändning som vi företar oss under ett år. Det räcker till exempel med att täcka 3 promille av Sveriges areal med solfångare eller solceller för att omvandla en energimängd som motsvarar vårt lands all energianvändning under ett år!

 

Ett vanligt villatak på 100 m2 tar emot en solinstrålning som motsvarar mer än fem gånger så mycket energi som huset använder under ett år. Med andra ord är det fullt möjligt att med hjälp av solenergi skapa förutsättningar för nollenergihus eller till och med plusenergihus!

Solstrålar – Solfångare och Solceller

Solinstrålningen som träffar jordytan kan användas till mycket. I första hand talar vi om solfångare för uppvärmning och varmvattenberedning och solceller som producerar elektricitet. Förtutom detta kan solinstrålningen också användas för passiv uppvärmning och ljusinsläpp direkt genom fönster.

I ett HYSS-system används den gratis flödande solvärmen för att producera värme som antingen förs direkt till lagringstanken eller hjälper till att effektivisera värmepumpen.  Den drivenergi (elektricitet) som HYSS-systemet behöver kan med fördel tillgodoses med solceller.
 

I Sverige är det brukligt att räkna med en årlig solinstrålning på 1000 W under 1000 (h) timmar mot 1 m2 horisontell yta. Det innebär att solinstrålningen motsvarar 1000 kWh / m2 och år. Om ytan söderorienteras och lutas med 30° från horisontalplanet ökar utbytet med med ungefär 25%. Utmed kusterna har vi i stort sett samma mängd solinstrålning på årsbasis, från sydligaste breddgrader till nordliga. I norr är det mer instrålning på sommaren och mindre på vintern, jämfört med de södra delarna av landet.  

Termiska solfångare för solvärme har i allmänhet en verkningsgrad som uppgår till 50-70%, beroende på vilka driftförutsättningar som råder. Det innebär att en solfångare kan bidra med ett maximalt effekttillskott på 500 – 700 W/m2 och producerar 500 – 700 kWh/m2 och år.
 
Kiselsolceller har i allmänhet verkningsgrader som varierar mellan 15-20%, beroende på om de är polykristallina eller monokristallina. Solceller som baserar på tunnfilmsteknik har i regel något lägre verkningsgrad, strax under 10%. Det här innebär att solceller kan bidar med ett effekttillskott på upp till 150 – 200 W/m2 och under ett år producera upp till 200 kWh/m2 och år, beroende på vilken teknik som tillämpas. 

 

Kontentan blir att solfångare är ungefär 4 gånger mer yteffektiva än solceller vilket innebär att solvärmen ger 4 gånger så hög effekt och minst fyra gånger så stor energiomvandling per areaenhet. Därmed inte sagt att den ena tekniken är bättre än den andra. Det viktiga är att fastställa vad energin ska användas till och efter det välja den teknik som har bäst förutsättningar. Om avsikten till exempel är att bereda tappvarmvatten med solens hjälp blir det långt mycket mer kostnadseffektivt och yteffektivt att välja solfångare än solceller.  I de fall solvärmen integreras med HYSS, där solvärmen även används för värmepumpseffektivisering, uppnås en extremt hög SCOP (årsvärmefaktor) för värmepumpen och en betydligt längre säsong skapas för solvärmen. För varje kWh elektricitet som värmepumpen använder kan upp till 5-7 delar värme och varmvatten utvinnas.

 

ÅTERBETALNINGSTID FÖR SOLFÅNGARE

Normalt har en solvärmeanläggning en återbetalningstid på 10-15 år, beroende på systemlösning och användningsområde. Med ett HYSS-system ökar utbytet (antal kWh värme) från solfångarna eftersom systemet inte bara nyttjar solvärmen för varmvattenproduktion utan också för att effektivisera värmepumpen. Av den anledningen blir återbetalningstiden för merinvesteringen i HYSS endast 5-8 år! Återbetalningstider för solceller är normalt 17-27 år (jfr. denna artikkel i Teknisk Ukeblad).

Läs mer om HYSS – ett värmesystem med solen som drivkraft.

 

VÄDERSTRECK OCH LUTNING

Både solfångare och solceller kan ha en stor variation i lutning och riktning utan att tappa allt för mycket verkningsgrad. På de nordiska breddgraderna är skillnaden i verkningsgrad mindre än 10% om solfångarna placeras i väderstreck mellan sydost (135°) till sydväst (225°) och med en lutning mellan 25° till 65° från horisontalplanet.

Om solfångarna placeras i en riktning rakt i väst eller öst minskar verkningsgraden mindre om lutningen är flackare.

Illustrationen visar att en lutning på 40° från horisontalplanet rakt i söder ger bäst förutsättningar. Riktas solfångarna mot öster i samma lutning minskar värmeproduktionen med cirka 20%. Solfångare placerade vertikalt i öst- eller västläge tappar upp till 45% mot den optimala placeringen. Värdena ska inte ses som absoluta då det varierar beroende på vilken breddgrad som avses.

Bästa infallsvinkel över året uppnås om solfångarna placeras med 10° lägre lutning än den breddgraden enheterna ska placeras på. Det är dock viktigt att inse att den optimala placeringen får en ganska liten betydelse. Det är långt mycket viktigare att i första hand undvika all form av skugga och i andra hand eftersträva enkla och robusta installationer och framför allt skapa bra driftförutsättningar (korrektflöde och låga temperaturer) i solkretsen. Det är i dom allra flesta fall enklast och mest kostnadseffektivt att följa takfallet och dessutom mest estetiskt och en fördel arkitektoniskt.

Det är viktigt att komma ihåg att prestandan i ett solvärmesystem påverkas av många faktorer. En viktig parameter för ett bra utbyte är driftförutsättningarna. Kan solkretsens temperatur hållas låg (som i ett HYSS system) minskar värmeförlusterna vilket ökar verkningsgraden.

En poäng i sammanhanget är att HYSS-systemet har en förprogrammering som gör det möjligt att styra solfångargrupper med olika riktningar för att optimera värmeproduktionen. Det gör att anläggningar med solfångare i grupper riktade mot öst och väst kan optimera sin produktion under morgon och kväll, då hushållen normalt har den intensivaste varmvattenkonsumtionen. Mitt på dagen kan HYSS systemets unika styrning ta till vara på värmen från båda grupperna.

SÄSONGSLAGRAD SOLVÄRME

Ett HYSS-system producerar mer solvärme under sommarhalvåret än vad som momentant används i huset. När värmelagret i kabinettet är fulladdat dumpas därför överskottsvärmen tillbaka i borrhål eller markslingor. Genom den kontinuerliga återladdningen minskar energiuttaget ur borrhål och markvärmeslingor. För att möjliggöra säsonglagring av solöverskottet sommartid har Free Energy inlett ett samarbete med ASES (Active Solar Energy Storage) som utvecklat en patenterad lagerteknik som anläggs under byggnadens bottenplatta i samband med nyproduktion. ASES är en modern form av säsongslagrad solvärme som i kombination med HYSS blir unikt vad gäller täckningsgrad, låg energianvändning och den årsvärmefaktor som systemkombinationen uppnår. HYSS-systemets överskottsvärme från solfångarna kan lagras ner i ASES markvärmelager under sommarhalvåret för att användas under vintern. Genom att HYSS kan tillvarata den lagrade värmen på ett optimalt sätt uppnås en SCOP Combi* på upp till 8!


SOLVÄRME + HYSS + ASES = SCOP Combi 8

Med ASES markvärmelager och HYSS unika styrfunktion utnyttjas solvärmen maximalt under hela året och ger en årsvärmefaktor för värme och varmvatten (SCOP Combi*) på upp till 8. Det innebär att 1 kWh drivenergi till värmepumpen ger 8 gånger värme och varmvatten tillbaka! Markvärmelagret anläggs i samband med schaktningen av bärlagret. Om massorna håller rätt kvalité återanvänds dessa till 85%, därmed hålls kostnaderna nere. En ytterligare fördel är att det inte blir några slangar nergrävda i tomten vilket ökar friheten för att till exempel anlägga en utomhusbassäng i framtiden. Det är även möjligt att placera ASES värmelager utanför huset, till exempel under en större parkering eller annan obebyggd yta. Detta alternativ blir i allmänhet dyrare än om värmelagret anläggs i samband med nybyggnation och placeras under den aktuella byggnaden.

* SCOP Combi anger årsvärmefaktorn för värme och varmvatten

Det är alltid klokt att välja HYSS

HYSS-systemet nyttjar solenergin maximalt. Först och främst nyttjas solvärmen för att värma lagringstanken direkt. På så vis sparas drifttid för värmepumpen samtidigt som värmeuttaget ur borrhålet eller markslingan minskar.

Solvärmen används även vid lägre temperaturer, för att öka köldbärartemperaturen, vilket effektiviserar värmepumpen rejält. Solfångarna i ett HYSS-system används genom detta långt många fler timmar per år än i konventionella solvärmesystem, samtidigt som verkningsgraden ökar då temperaturen i solkretsen är lägre. HYSS-systemet kan också med fördel använda solel för att driva cirkulationspumpar, kompressorn och systemets andra el-drivna komponenter. Med HYSS-systemet blir det mycket enklare att uppnå nollenergihus och plusenergihus, eftersom det blir en mindre energimängd att hantera.

Om målet är att uppnå en extremt låg energianvändning gäller det att inledningsvis identifiera hur energianvändningen fördelas i hushållet (eller byggnaden). I de allra flesta fall uppgår värme-och varmvattenandelen till 80% i ett normalhushåll med 4 personer. Det innebär att den stora besparingspotentialen ligger i att effektivisera och minska energianvändningen för värme och varmvatten.

 

Fördelning av energianvändningen i ett småhus
I ett konventionellt enfamiljshus används 80% av energianvändningen för värme och varmvatten och endast 20% för hushållsel. I nybyggda småhus står uppvärmning och varmvatten för ungefär 60% av energianvändningen och hushållselen för cirka 40%. Är målsättningen att spara en stor andel energi är det följaktligen genom att minska energianvändningen för värme och varmvatten som den stora besparingen finns. Att investera i ett HYSS-system ger verkligen en möjlighet till detta!

 

Solvärme är mer yteffektivt än solceller
Om solinstrålningen är 1 000 W per m2 ger varje m2 solceller 150 W i effektutbyte om solcellen har 15% verkningsgrad. En solfångare med samma area ger vid en verkningsgrad på 60% ett effektutbyte på 600 W. Om enheterna är i drift 1 000 timmar på ett år genererar solcellen 150 kWh/m2 och solfångaren 600 kWh/m2.

Den riktigt stora fördelen med solvärmen erhålls när den används i ett HYSS-system. I ett HYSS- system kan utväxlingen bli så stor att för varje kWh el som driver värmepumpen erhålls 5-7 delar värme och varmvatten.



Med ett HYSS-system ökar årsvärmefaktorn (SCOP Combi) till 5-7
Om solceller driver en konventionell värmepump ökar utnyttjandegraden från solcellen med värmepumpens värmefaktor, i dom vanligaste fallen mellan 3-4. Det innebär att för varje kWh solel som driver värmepumpen blir det 3-4 delar värme och varmvatten att använda. I ett HYSS-system används solvärme, som är betydligt mer yteffektivt än solceller men som också ger gratis varmvatten och värmepumpseffektivisering. Det innebär att för varje kWh elektricitet som tillförs skapas 5-7 delar värme och varmvatten.

Solvärmen blir i den jämförelsen en oslagbar investering, både tekniskt och ekonomiskt, när det gäller att minska behovet av köpt energi för värme och varmvatten. Solelen har naturligtvis sina fördelar och i syfte att bidra med drivenergi för el-komponenterna i HYSS-systemet blir det en fantastiskt bra kombination mellan solel och solvärme!

 

Med ett HYSS-system blir det enklare att uppnå standarden för ett nollenergihus
Genom att använda ett HYSS-system minskar behovet av tillförd energi för värme- och varmvattenförsörjningen. På så vis blir det enklare att klara elförsörjningen med solceller. Genom kombinationen HYSS och solel ökar möjligheten att skapa självförsörjande småhus med förnybar, ren och gratis flödande energi!

Exempel på storlekar av socellsanläggningar till nollenergihus för nyproduktion
Förutsättningar:
Hushållsel: 4000 kWh/år
Uppvärmning och varmvatten 9000 kWh/år
Solcellspanel per 1000 kWh: 7m2
För att klara el-produktionen krävs följande area på solcellerna :
Utan bergvärmepump (enbart solceller): 91m2 solceller
Bergvärmepump integrerad med 8m² termiska solfångere (HYSS): 36m2 solceller
Den stora mängden solinstrålning kan antingen omvandlas till värme eller elektricitet eller naturligtvis både och. Potenitalen är störst med solvärme eftersom den övervägande andelen energianvändning för ett bostadshus går åt till värme- och tappvarmvattenförsörjning.