Utveckling av Byggnadsintegrerade Solenergisystem för Energieffektiva Hus

Författare

Henrik Davidsson
Bengt Perers
Björn Karlsson

Summary, in Swedish

En solfångarhybrid har utvecklats och utvärderats på avdelningen för Energi och ByggnadsDesign på Lunds Tekniska Högskola, LTH. Solfångarhybriden, ”Solfönstret”, består av solcellslaminerade absorbatorer placerade i ett fönster bakom glasrutorna. Solfönstret finns byggt i ett enfamiljshus, Solgården, i Älvkarleö utanför Gävle. För att minska investeringskostnaderna för solel har reflektorer placerats i konstruktionen för att fokusera ljus på solcellerna. På så vis ersätts de dyra solcellerna med betydligt billigare reflektormaterial. Reflektorerna som är fällbara ger användaren en möjlighet att kontrollera mängden insläppt solljus. Likaså kan reflektorerna stängas för att minska värmeförlusterna genom fönstret.

En beräkningsmodell för el och värmeutbyte har tagits fram. Beräkningsprogrammet, skrivet i Excel, tillåter årssimuleringar av energi där olika effekter, så som skuggning av celler och glasningens inverkan kan inkluderas eller exkluderas. Simuleringar kan göras för uppfällda eller nedfällda reflektorer. Simuleringsmodellen har kalibrerats mot mätningar gjorda på ett prototypfönster placerat i Lund samt mot solfönstret i Solgården, Älvkarleö. Beräkningsmodellen ligger till grund för den nya solfönstermodul som tagits fram för simuleringsprogrammet TRNSYS. En TRNSYS-simuleringsmodell har tagits fram och kalibrerats för hela Solgården. I denna modell ingår modulen för solfönstret. Energibalansen för systemet visar att styrningen av reflektorerna är av stor vikt. En väl genomtänkt reglerteknik kan sänka årsförbrukningen av tilläggsvärme samt förbättra inomhusklimatet. En reglerteknik som styr reflektorerna efter bland annat temperaturen inomhus och utomhus kan exempelvis programmeras att öppna reflektorerna under sommarnätterna för att kyla ner byggnaden.

Årssimuleringar för husets värmebalans med ett solfönster jämfördes med ett fall där det ca 16 m2 stora solfönstret ersatts med ett vanligt fönster på 8 m2. Resultaten visar att den totala årliga mängden tillförd värme till huset blir betydligt lägre med ett utvecklat solfönster än för det vanliga fönstret. Det kräver dock att solfönstret förbättras så att lägre U-värde uppnås i både öppet och stängt läge.

En simulering för överhettning av byggnaden gjordes för solfönstrets olika kontrollmekanismer för reflektorerna. Dessutom gjordes samma simulering för det vanliga fönstret. Resultaten visar att solfönstrets reflektorer fungerar bra som solskydd. Ett vanligt fönster måste kompenseras med ett solskydd av något slag för att hålla nere övervärmen under sommaren.

Förbättringar av solfönstret som kan vara av stor vikt är att belägga glasrutorna med någon form av lågemissionsfilm för att reducera U-värdet ytterliggare. Detta får då vägas mot den begränsning av ljusgenomsläppligheten som orsakas av lågemissionsfilmen och som kommer att begränsa el och värmeutbytet. Andra förbättringar som kan genomföras relativt lätt är bättre isolering av reflektorerna och absorbatorn. En simulering gjordes där dessa parametrar studerades. Omkring 1000 kWh kan sparas om U-värdet sänks för fönstret. Den viktigaste åtgärden för att höja utbytet av el är att använda sig av bättre celler. Idag finns standardceller med en verkningsgrad på 16-17% tillgängliga på marknaden.

Fördelar med Solgårdens elsystem med en batteribank som kan laddas både med solfönstret, Stirlinggeneratorn och från nätet är att man har avbrottsfri kraft under en viss tid, minst ett dygn, även om elnätet faller från, samt att relativt låg säkringsstorlek kan väljas till huset. Simuleringar visar att dygnslagringen i batterierna jämnar ut effekttopparna från både lasten och solcellerna och att ytterligare lagringskapacitet inte har så stor inverkan på varaktigheten för solelen. Simuleringar visar också att solceller och en lokal Stirlinggenerator kan kombineras så att elutbytet stämmer väl överens med elbehovet under hela året.

Solgårdens två parallella elsystem, 230 V och 12 V, har flera fördelar vad beträffar exempelvis elsäkerhet och energiförbrukning. Att spara elenergi är extra intressant då solceller används som kraftkälla. Pga. det höga elpriset från solcellerna kan stora elbesparande åtgärder genomföras innan utökning av solcellsinstallationen blir ekonomiskt intressant. Att flytta energiförbrukningen från el till värme är lönsamt för ett fristående hus eftersom solvärme och pelletsvärme är betydligt billigare än solel. Exempelvis kan torktumlare, tvätt- och diskmaskiner använda ett behovsstyrt cirkulerande varmvattensystem för minimal elanvändning. Ofta stämmer också energibalansen mellan producerad el respektive värme bättre överens med förbrukningen om varmvatten ersätter elektrisk energi i dessa maskiner. Andra viktiga eleffektiviseringar som kan göras är att använda sig av lågenergilampor och av moderna vitvaror, pumpar, fläktar och datorer/hemelektronik som använder 1/5 av elförbrukningen i jämförelse med omodern standardteknik. En bild av hur lågt man kan komma är att titta på hur energieffektiva alla bärbara apparater är jämfört med motsvarande stationära. Elsystemet i solgården med en batteribank som laddas från solceller eller från nätet kan dimensioneras med säkringar i inkommande elanslutningar på 3-4 A. Laddaren i systemet är för övrigt inställd på denna nivå nu och klarar husets behov av hushållsel.

Om ett solcellsystem installeras med villkoret att inte producera ett överskott på elektrisk energi kan en vertikal placering vara att föredra eftersom den ger en jämnare fördelad årsproduktion och lägre produktion på sommaren då behovet är litet. Det årliga utbytet per nominell maxeffekt i kWh/Wp vid vertikal placering är 28% lägre än vid 45° lutning. Den verkliga maximala effekten som en vertikalt placerad modul ger i mars är 6% lägre än maxeffekten i juli från en modul lutande i 45°. Det innebär att det årliga energibytet per verklig toppeffekt är 20% lägre vid vertikal placering än vid 45° lutning. Det innebär att ur både energi och effektsynpunkt är 45° lutning att föredra. Denna slutsats understryks i ett system som har en Stirlinggenerator i energisystemet som tar vinterlasten av el. Då uppnås bästa totalekonomi om solcellerna installeras i en lutning med maximalt årligt energiutbyte.

Avdelning/ar