SUNWELL Okt. 2009

SOLVARME. Solvarmeakkumulatoren ”SUNWELL” er 100 % tabsfri.

Problemet med at skaffe varme, startede allerede i 1973, hvor vi fik en oliekrise. Det gav mig den-gang anledning til at undersøge, om hvilke muligheder der er, for at skaffe varme. Det var naturligt at sige, ”det må solen kunne klare”. Men hvordan skulle man bære sig ad, med at gemme varmen fra sommer til brug om vinteren. Nogen havde derfor prøvet med store ståltanke, med en masse iso-lering omkring. Det var meget dyrt og dårligt, derfor helt urealistisk. Andre gravede en rørslange ned i haven ca. en meter nede, for at forsyne en varmepumpe med varme, men det gav ret hurtigt permafrost omkring rørene, derfor fik varmepumpen for koldt tilløb og derfor en meget dårlig øko-nomi, samtidig med at haven blev afkølet og grim. På den tid var der en omtale i et dagblad, om fundet af mammutter i den sibiriske tundra. De stod med græs i munden, kun et par meter nede i jorden. Det var jo lidt mærkeligt, for der er dog ret varmt om sommeren. Så mammutten skulle ikke kunne stå i permafrost, men det gjorde de altså. Derfor gav det mig en interesse for at foretage nogle beregninger. For hvis det var rigtigt, så må så-vel kulde som varme kunne gemmes i jorden. Det viste sig at være en rigtig god opdagelse! For ved at bruge de formler vi allerede kender, kunne jeg finde frem til nye formler, som nu fortæller hvor meget varmen fordeler sig, og hvor meget varme vi kan gemme i jorden. Det viste sig at være rig-tigt, for jeg byggede en prototype i fuld skala af en opfindelse ved vort eget hus i Hedensted. Det var en meget billig varmeakkumulator, i form af en ”Pæreformet solbrønd”, som jeg derfor kalder ”SUNWELL”. Den fungerede fint i 15 år, hvor jeg hver uge aflæste alle elmålerne m.v. og tempera-turen ved varmepatronerne i jorden. Alle resultaterne blev noteret i tabelform og beregnet elektro-nisk, så der nu er optegnet kurver, der klart beviser, at solvarmen blev hentet og tabsfri gemt til brug i varmepumpen til 100 % boligvarme. Senere blev solfangerne utætte, de var fremstillet af aluminium, og varmepumpens ene modul skul-le også skiftes. Det viste sig, at HS i Tarm ikke længere fremstillede solfangere. Og Vølund var holdt op med at fremstille varmepumper, så vi havde et problem. Fjernvarmen i Hedensted havde netop et tilbud på tilslutning uden afgift, det tog vi så imod. Derfor har vi nu fjernvarme siden1996. Det er først og fremmest solvarme, men også overskudsvarme fra firmaers produktion, der kan gemmes til senere brug. Dertil kommer, at også meget store fjernvarmeanlæg vil kunne udnytte denne teknik. Der skal blot anvendes mange solbrønde. Man kan også anvende en anden type var-mepumpe end dem der bruger strøm. Nemlig en absorptionsvarmepumpe, der også her foreligger gennemregnet. Den kan udmærket bruge affaldsvarme. Så man kan teoretisk opvarme alle boliger globalt med solvarme, fordi også strømmen til cirkulationspumper og automatik kan skaffes fra solpaneler. Men det vil dog være naturlig, at anvende strøm fra nettet til dette lille forbrug. Dog kan der i Danmark foreløbig kun sælges naturgas, så forslaget venter i en skuffe til nye tider. De moderne varmepumper har en meget bedre funktion, end den jeg måtte bruge, nu er effektfakto-ren meget højere, så nu kan man få, fra 75 % til ca. 85 %, af al varmen fra solen. Derfor er der nu en god grund til at anvende solvarme, for at kunne begrænse CO2 problemet globalt, fordi omkring halvdelen af al energi globalt bruges til opvarmning. Solenergien vil derfor kunne erstatte rigtig mange oliekilder, uden at kunne tømmes. Det ejendommelige ved solvarmen er dog, at det er atomkraft, men af den type der hedder fusion, altså sammensmeltning. I modsætning til den type vi i dag kender, det er fissionsprocessen, altså en spaltning. Man har længe bestræbt sig på, at kunne komme frem til at kunne bruge fusionsprocessen, som finder sted på solen. Nu kan vi bruge den her helt uden at løbe den risiko, som vi fik ved de nuværende anlæg, der forurener virkelig meget i tu-sinder af år. Mit problem er dog, at jeg ikke nu mere kan starte et firma, som oprindelig planlagt, til at producere og opstille sådanne anlæg, på grund af min alder over 82 år. Der foreligger færdige tegninger og styklister til masseproduktion af elle delene, med dimensioneringsdiagram til at afpasse akkumula-torens størrelse til boligens forbruge. Det har været meget dyrt, at komme så langt, ca. 2,7 mio. kr.

Beskrivelse af et varmeanlæg med solfangere og varmepumpe, samt den nye type varmeakkumulator.  

Det har ved forsøget med prototypen i fuld skala vist sig, at jorden kan indeholde meget varme, men samtid er jorden en dårlig varmeleder. Disse egenskaber kan nu udnyttes til at gemme varme fra solen i en varmeak-kumulator i jorden, fra sommer til brug om vinteren. Det har samtidig vist sig, at det kan gøres uden tab af varme. Hvilket bekræfter muligheden af fundet af mammutter med græs i munden, i den sibiriske tundra en-gang i årene 1970. Nu kan vi benytte os af solens varme hele året til opvarmning af vore huse. Det kræves derfor, at der opsamles solvarme nok, som derefter tilføres en varmepumpe, der hæver energien op i et bru-geligt temperaturniveau, til boligopvarmning og brugsvand.

Beregning af jordens varmeoptagelse skønnes at kunne foretages med gennemsnitsværdier, fordi man ikke på forhånd ved ret meget om de stedlige forhold.

Jordens massefylde: γ = 2000 kg/m3 Slange d = 19 / 12,5

Jordens varmeledning: λ = 2 kcal/m h oc.                      Rør d = 32/27,6   

Jordens specifikke varme: cp ~ 0,25 kcal/kg oc

L m (iflg. diagram)

  

 

Varmepatron af plast i jorden.

Jordens varmeindhold: I en ikke vist cylinderformet jordmasse med diameteren D m, ud til det sted hvor jor-den har den oprindelige temperatur tj oc, idet der ved forbrug vil ske en varmeoptagelse og temperaturen vil falde til t1 oc, og modsat ved en oplagring af varme fra solfangerne vil der ske en temperaturstigning til t2 c. Der fremkommer en tænkt ca. trekantformet figur af temperaturens fordeling i jorden. Den vil teoretisk være logaritmisk formet, men da temperaturen ikke tilføres ensartet igennem tiden, vil det være en god tilnærmel-se med en trekantformet figur, samtidig er den tilstrækkelig nøjagtig til beregningerne, fordi der her kan bru-ges ”Den anden guldinske sætning ” hvor et rumfang: (Her er en summarisk redegørelse.)

Vy = F 2 π x0. Der omskrevet giver formlen for et rumfang:

V= π/4 D2 1/3 (t2 – tj) m3 Varmeindholdet i jordens rumfang bliver tilsvarende Q = V γ cp kcal/m

Beregning af jordens varmeindhold pr. m: Q = π/4 D2 γ cp 1/3 (t2 – tj) kcal/m 

Den således optagne eller afgivne varme sker ved varmeledning, idet der samtidig er tale om varmestrøm igennem en rørvæg, er varmestrømmen pr. m pr. time i H timer: 

)(ln

22 jtt

dDHQ −=

πλ kcal/m.  Hvor H timer nu kan findes af: H = 10,42 D2 ln D/d timer  

Da den samme varmemængde optages i jorden, som den der kommer igennem rørvægen, er de to varme‐mængder lige store. Ligningerne kan nu løses med hensyn til tiden i timer H. Hvor d = varmepatronens ud‐vendige diameter, her valgt til d = 32 mm, og tilsvarende er D m varmeudbredelsen ud til det punkt, hvor jorden ikke har ændret temperatur.  Formlen gælder som normalt forekommende gennemsnit for de fore-kommende jordtyper

Y= Diameter m 1 2 4 6 8 10 12 H timer 35,87 172,35 804,98 3682,15 3682,15 8893,88 16577,59 X = M å n e d e r 0,05 0,24 1,12 2,73 5,11 8,31 12,35

                                 

Diagrammet viser, at varme spredes med tiden. Det betyder også, at der ved et forbrug, vil varmens retning vende, så varmen kan hentes, fordi varmen søger mod det kolde sted. Vi kende det fra vand, der altid søger nedad.

Ved konstruktionens analyse, viste det sig mest praktisk, at indrette varmeakkumulatoren som en pæreformet model i jorden, med ”stilken” opad. Rørforbindelserne kan praktisk udgå fra en lille brønd på ca. en meters dybde og med en diameter på ca. halvanden meter. Fra denne brønd kan der bores et antal varmepatroner skråt ned i jorden, f.eks. med en vinkel på 150, så der fremkommer et fælles toppunkt af varmepatronernes midtlinjer i nærheden af jordoverfladen. Det giver nemlig boremaskinen mulighed for at stå det samme sted uden at skulle flyttes under borearbejdet, samtidig med at en ”Fordelerring” for varmepatronerne kan stan-dardiseres. Og samtidig kan antallet af varmepatroner også standardiseres til at vælges til 16 styk. Derved spares tid og mange penge. Ved borearbejdet skal varmepatronerne sikres mod beskadigelser ved at der ef-terfyldes med f.eks. en cementvælling, når borerøret trækkes tilbage, samtidig sikres der også en god varme-kontakt til den omgivende jord. Det vil også være praktisk, at vælge et let tilgængeligt sted f.eks. indkørse-len, for ikke at få haven belastet af kørsel med en boremaskine med larvefødder. Her er en skitse af varme-akkumulatoren:

Jordoverfladen Fordelerring

Rørforbindelsen isoleret ind til huset.

L meter. Vælges fra dimensioneringsdiagrammet.

Der forudsættes 16 stk. varmepatroner i hver ”solbrønd”, derved fremkommer en pæreformet varmeakkumulering.

Der kan vælges det antal varmeakkumulatorer der skal til, for at kunne dække forbruget, enten ved et parcelhus eller mange flere ved f.eks. fjernvarmeanlæg. Patronlængde bør ikke vælges større end ca. 30 meter. Fordi boremaskinen kan gøre det hurtigst, når der ikke er valgt dybere end netop 30 meter. Afstanden imellem flere brønde kan passende vælges til ca. 20 meter fra center til center af brøndene. Ligeledes bør der vælges 16 varmepatroner, eller et standardiseret antal, for at kunne montere fordelerringen i brønden uden problemer. Solfangerne bør anbringes et praktisk sted uden at berøre husets tagflade, det erfarede vi! Se billedet af vort hus.

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

Solvarmens spredning i jorden = YTidsforløbet i måneder = X

Y‐værdier

          

Måneder

Diameter i meter

Der sker stadig en udvikling også af solfangerne. Derfor ændres også effektiviteten af solfangerne, samtidig med at solfangerne derfor kan anbringes andre steder. Det er en vigtig opgave for arkitek-ten, at finde frem til en god anbringelse.

Erfaringerne fra vort hus fortæller, at solfangerne ikke må røre taget, fordi frostsprængninger beskadiger overfladen. Energiløsninger har altid interesseret mig meget, derfor var jeg i sin tid med til at starte Risø, jeg var i reaktorafdelin-gen, som leder af 4 tegnestuer. Da vi ikke skulle have atomkraft i Danmark, flyttede vi til Hedensted og byggede huset på billedet.

 

 

Billedet Fig. 1, efterfølgende herunder, viser varmeakkumulatoren hvordan den blev bygget som en prototy-pe med alt det, der skal til for at kunne følge med i varmens udbredelse i jorden. Der blev anvendt termoføle-re, hver med tre ledninger frem til måleinstrumentet, der kunne nulstilles, så man kunne kompensere for led-ningernes egen modstands bidrag, fordi den en ledning var forbundet til termofølerens ene ende, medens de to andre, var forbundet til følerens anden ende. For at sikre rigtige og nøjagtige måleresultater, var lednin-gerne forbundet til måleinstrumentets tilledning ved hjælp af guldbelagte kontakter.

Termofølerne blev anbragt dels på den ene varmepatron, samt i to sonder, den ene i midten af varmeakkumu-latoren, den anden i en afstand på 8 meter fra midten. Derved fremkom der et mønster, som kunne fortælle hvor meget varmen blev spredt ud fra varmepatronen i jorden i forskellige afstande.

Billedet Fig 2, herunder viser måleresultaterne fra temperaturmålingerne i jorden, og hvordan det fordeler sig efter tidsforløbet, ved oplagring og efterfølgende forbrug. Samtidig med at begyndelsestemperaturen er angi-vet til at være 9,380C ved starten den 16.10.1980. Man bemærker hvordan varmen spreder sig logaritmisk ud i jorden. Samtidig ser man at der ikke er tale om permafrost, men at temperaturen ved varmepatronerne, der er tænkt vist som den odrette termometer, ikke får meget lave temperaturer. Dette sikrer at varmepumpen ikke får meget kold tilløb, hvilket ville kræve større strømforbrug til pumpenens drift.

Hver termoføler var gennemmålt inden monteringen, så der var et godt kendskab til følerens visning, i for-hold til den rigtige temperatur. Derved kunne alle måleresultater fra hver sin føler, fra nr. 1 til nr. 11, bringes til at måle den rigtige temperatur, fordi alle følerne nu fik hver sin formel, der beskrev den rigtige tempera-tur. Det var indbygget i EDB regneprogrammet. Derfor er alle måleresultater meget nøjagtige. De blev aflæst og beregnet en gang hver uge og ført op i et skema for hver måned, for at samles årsvis. Samtidig med tem-peraturmålingerne, blev alle andre måleinstrumenter aflæst, så man kunne følge med i varmens fordeling. Resultaterne indgik i det samme EDB program, som derfor blev meget omfattende.

Resultaterne blev indtegnet i kurveform, så der fremkom kurveblade til beskrivelse af forløbet af varmefor-bruget, og solens bidrag til forsyningen. Det afsløredes derfor ret tydeligt, at der ikke var tale om noget var-metab i jorden. Derfor kan man nu erfare, at solvarmen kan akkumuleres tabsfrit, når man udnytter naturens egen måde at behandle varmen på. Det ses tydeligt på de kurveblade, der er udskrevet fra den efterfølgende viste samlende tabel.

Der fremkommer stadig nye muligheder. Noget af det sidste, er en helt ny type boremaskine der ikke kan ge-neres af sten eller klipper, det nedsætter derfor nu tiden for borearbejdet betydeligt. Fordi der kan fremstilles en akkumulator på få timer, samtidig med at monteringen af varmepatronerne også sikres bedst muligt. Det vil derfor kunne fremme udbredelsen af solvarmen, fordi prisen vil blive tilsvarende begrænset.

Der er af andre gjort forsøg på at anvende meget dybe boringer, med det resultat, at solfangerne bliver min-dre effektive, fordi temperaturen også samtidig ønskes forøget. Resultatet er derfor mange flere solfangere, samt meget dyrere boringer. Den type vareakkumulatorer kan ikke udnytte den nye boreteknik, derfor bliver det meget dyrere, og derfor ikke fremmende for anvendelsen af solvarmen.

  Vort hus med 24 m2 solfangere på taget.

 

Efter afslutningen af forsøget med varmepumpen, blev der gjort en opgørelse over forbruget og den tilhøren-de økonomi. På den tid, før 1990, var der ikke de samme priser med store afgifter.

År Soltimer Varmepumpetimer Varmepumpe kWh Varmeforbrug kWh 1980 Start 27.9.1980 81 1542 3448 5880 15 025,90 82 1530 3512 5939 14 989,76 83 1808 3457 5896 14 995,32 84 1931 3497 6035 15 609,70 85 1702 3477 5937 15 155,17 86 1702 3477 5937 15 155,17 87 1702 3477 5937 15 155,17 88 1702 3477 5937 15 155,17 89 1702 3477 5937 15 155,77 Forbruget i de første 9 år: 53 435 138 669,18

Forbruget i forhold til et oliefyret anlæg, med de da gældende priser:

Olieforbruget i 9 år á 3500 liter á 4300 kr. = 135. 450 kr.

Strømforbrug 53 435 kWh á kr. 1,22 = 65. 191 –

Besparelse = 70. 259 kr.

I år 2009 ville besparelserne være meget større. Så der kan nu gøres en god forretning, for den der vil starte efter mig. Der foreligger meget materiale at starte op på. Patenterne ville kunne være et godt grundlag for nye tiltag. En kort oversigt over det der kan overtages efter mig er:

1. Konstruktionstegninger for masseproduktion af fordelerring og varmepatroner. 2. Dimensioneringsdiagram for komplet varmeanlæg, når varmeforbruget kendes. 3. Erfaringsmateriale i form af tabeller fra ugentlige aflæsninger af mange målere. 4. Kurver der fortæller, at der er brugt lige så meget energi, som der er akkumuleret 5. Patenter, udløbne, i Danmark, USA og Canada, som nu er et godt grundlag for nye ansøgninger. 6. Diplom med en pris, fra ”Nordiske Uppfinnarpristävlingen NORDINNOVATION 83”. 7. Mange henvendelser med adresselister, efter en artikel i ”Ingeniøren” nr. 21 år 2006. 8. Alle rettigheder til brug for det fortsatte arbejde med varmeakkumulatoren. 9. Et tilbud om at hjælpe med, at vælge en passende opbygning af seriestørrelser. 10. Der skal findes et firma der kan massefremstille delene til varmeakkumulatoren. Måske er der nu

ved at komme forbindelse til nogle firmaer, som har holdt et møde om sagen, men der er ingen pen-ge til at komme i gang med.

11. Der er i år tildelt opfindelsen en 2. præmie i klima- DM, der var desværre sket en forveksling med jordvarme, der er dog her tale om solvarme i en pæreformet varmeakkumulator i jorden.

Opfindelsen kan dække såvel varmen til et enkelt hus, som varme til en hel by med fjernvarmen. Der skal blot bruges flere solbrønde. Der bør ikke, af flere grunde, bruges dybere patroner end op til 30 m. En solbrønd på denne størrelse kan oplagre ca. 26,4 kW/h. Altså meget store energimængder på et halvt år.Skal der være flere solbrønde, for at kunne dække behovet, kan der regnes med en centerafstand på 20 m. Rørfor-bindelserne skal udføres så der bliver samme rørmodstand til hver enkelt solbrønd.

Derfor kan der nu bruges solvarme ubegrænset globalt til varme. Det svarer til at ca. 45 % af alt energifor-brug nu kan komme fra solen, uden forurening!!

Maskiningeniør N.K. Knudsen Rolighedsvej 13 8722 Hedensted Tlf.: 75 89 14 17. Mail: n.k.knudsen@profibermail.dk