Thermische energie

Thermische zoncollectoren

Thermische energieDeze methode bestaat eruit de warmte van de zonnestralen te laten opnemen door een warmtegeleidende vloeistof, die dan op zijn beurt deze warmte meevoert naar bij voorbeeld een tapwater voorraadvat.

De meest toegepaste vorm van thermische zonne-energie in Nederland zijn thermische zoncollectoren,daarnaast zijn er bijvoorbeeld ook nog ‘energiedaken’ en ‘zonvloeren’. Maar het principe blijft gelijk.

De thermische zonnecollector maakt gebruik van het infrarode licht uit het zonlicht en zet dat om in warmte.

Thermische zonnepanelen worden meestal op het dak van de woning geplaatst; dit kan zowel op een hellend als op een plat dak. Om voldoende energie uit een dergelijk systeem te halen, dienen deze modules zoveel mogelijk naar de zon gericht te worden. Een installatie naar het zuiden gericht is uitstekend, maar is niet per se noodzakelijk. Met een oriëntatie tussen zuidoost en zuidwest en een hellingsgraad tussen 20º en 60º worden goede resultaten behaald. Biedt het dak deze mogelijkheid niet dan kunnen thermische panelen ook gewoon op de grond gemonteerd worden. Het voordeel van dit systeem is dat de zonnecollectoren perfect naar het zuiden kunnen gericht worden om zo een nog beter rendement te halen.

Verder zijn er collectoren die altijd gevuld zijn (water met antivries toevoeging) en systemen met toepassing van het terugloopprincipe. Dit laatste betekent dat er alleen water in de collector zit als er genoeg zon is en het collectorvat nog warmte op kan nemen. Er hoeft daarom geen vorstbeschermingsmiddel aan het water te worden toegevoegd en er is ook geen beveiliging tegen oververhitting nodig. Het water moet wel vrij kunnen teruglopen in het voorraadvat als de pomp stopt en daarvoor is het noodzakelijk dat vanaf de collector de leidingen in een continue helling naar beneden lopen.

Naast de bekende vlakke plaatcollectoren zijn er ook nog vacuümcollectoren.

Deze collectoren zijn opgebouwd uit een aantal naast elkaar geplaatste vacuümglazen buizen. Binnenin bevindt zich de absorber die de zoninstraling opvangt en die verbonden is met een gesloten buis of heatingpipe genoemd. Bij zoninstraling verdampt de vloeistof die bovenaan zijn warmte afgeeft aan het water van het voorraadvat. Deze collectoren hebben zeer weinig invloed van de buitentemperatuur en kunnen bijgevolg ook bij koude nog redelijk veel warmte produceren.


Opbrengst per m² Thermische zon collector

De opbrengst per m² vlakke collector, voor tapwater verwarming, is in Nederland ca. 1.6 GJ per jaar (444 kWh)
De opbrengst per m² Buiscollector (heatpipe), voor tapwater verwarming is in Nederland ca. 2,3 GJ per jaar (638 kWh)

Een en ander hangt natuurlijk ook gedeeltelijk van het fabricaat af, deze opgegeven opbrengst is berekend door o.a. TNO met een vast gesteld simulatie programma en theoretische parameters.

De praktische (werkelijke) opbrengst hangt van veel factoren af, om er een paar te noemen:

  • Onder welke hoek staan de panelen
  • Zijn de panelen naar het Zuiden gericht of anders
  • Hoeveel zonuren zijn er in een bepaald jaar
  • Hoeveel voorraad warmwater moet worden verwarmt
  • Wat is de doorstroomtijd van dit warmwater (warm tapwaterverbruik)

Opbrengst Zon Thermisch vlak paneel Nederland per jaar per m²

Bovenstaand een opbrengst grafiek van een bepaald type vlakke dak collector gericht op het zuiden onder een hoek van 35 graden.

-Door een simulatie programma is theoretisch vastgesteld dat de (gunstige netto) jaar opbrengst van dit type collector 1,6 GJ per m² is.

Uit bovenstaande NL praktijk grafiek van dit vlakpaneel ‘merk X’ volgt dat de gemeten jaar opbrengst per m² het volgende was:

Bij verwarmen van 10 naar 25 ̊ C : 4,9 GJ per m² per jaar (blauw)
Bij verwarmen van 10 naar 50 ̊ C : 3,0 GJ per m² per jaar (rood)
Bij verwarmen van 10 naar 75 ̊ C : 1,7 GJ per m² per jaar (groen)

U ziet in de grafiek dat, logischer wijze ook, in de zomerperiode meer energie te halen is dan in de winter periode.

Als u veel tapwater verbruikt, waardoor veel koud water steeds de boiler instroomt, kunt u dus meer energie van het dak halen dan als u voorraad warm blijft staan. Dit geeft meteen aan dat u meer energie kunt winnen met een voorgeschakelde boiler (die niet door iets anders op temperatuur wordt gehouden) dan met een boiler waarin een extra spiraal zit en al warm wordt gehouden door bijvoorbeeld een cv-ketel. De collectoren kunnen immers pas energie bijdragen op het moment dat ze warmer zijn dan het water in het voorraadvat. In een voorgeschakeld vat (zie verder hieronder wat hier mee bedoeld wordt) komt dus telkens tijdens het warmwater tappen weer koud water binnen dat niet door iets anders al wordt verwarmt, de zon kan dus al bijdragen als de collector temperatuur daar boven zit.

Verder blijkt hieruit dat het lastig is om een keuze te maken hoeveel collectoren u moet kiezen. Wilt u alle tapwatervraag kunnen dekken dan moet u zich op de wintersituatie oriënteren, maar dat houdt tevens in dat u in de zomermaanden met een flink overschot aan warmte zit, dat is dus niet efficiënt en slecht voor uw panelen! Een efficiënte keuze houdt rekening met opbrengst, dekking en aanschafprijs.

Voor woningen zijn er ‘vuistregels’:

  • Aantal personen in woning x 1 + 1 = gewenst collector oppervlak in m²

(voorbeeld: dus bij 4 personen: 4×1 + 1 = 5 m²)

  • Per m² collector oppervlak minimaal 50 liter tapwatervoorraad of per m² vacuümbuis oppervlak minimaal 70 liter tapwatervoorraad

(uitgaande dat de collectors in een goede hoek tussen zuidwest en zuidoost zijn gericht / liefst zuid)

  • Bij een voorgeschakelde boiler: minimaal het dagverbruik in liters aan warmwater als voorraad nemen.

-Bij naverwarming met een warmtepomp voor de 2e boiler het zelfde aantal liters nemen
-Bij naverwarming met een cv ketel; aan de hand van het ketel en spiraal vermogen kan een kleinere 2e boiler worden gekozen (laadtijd).
-Als het binnen de comfortvraag valt kan ook als naverwarming voor een combi cvketel worden gekozen.

  • Bij een bivalentboiler: (2 warmteleveranciers in één boiler bijvoorbeeld boiler met cv spiraal en zon spiraal) 2 x de dagelijkse hoeveelheid in liters in voorraad nemen

Voorbeeld inzet (volgens vuistregels) en berekening.

Woning met 4 personen;

Hoeveelheid collector = 4 personen x 1 m² + 1 m² = 5 m²

We hebben onze keuze in dit voorbeeld al gemaakt voor een vlakke collector van merk X.
Deze collectoren zijn per stuk 1,9 m² groot.

Advies van de vuistregel is 5 m² : 1,9 m² (collector) is dus: 2,6 panelen.

Per persoon per dag rekenen we 40 liter warm water, 4 x 40 is 160 liter per dag.

We kiezen voor een voorgeschakelde boiler, het advies is dan om minimaal het dag verbruik op voorraad te nemen. We kiezen dus voor een boiler van 200 liter in dit voorbeeld.
Als we kiezen voor 2 panelen hebben we 1,9 x 2 = 3,8 m² collector.

We moeten, volgens een vuistregel, per m² minimaal 50 liter water hebben, is dus 3,8 m² x 50 = 190 liter minimaal nodig.
Met een boiler van 200 liter zitten we dus met deze 2 collectoren goed.

We hebben dus gekozen voor 2 panelen die volgens opgave (Simulatie getal / TNO berekening) per m² 1,6 GJ per jaar nuttig leveren (bij inzet volgens de vuistregel, welke min of meer een herleiding is van de simulatie berekening)
Per jaar winnen we hier dus theoretisch 3,8 m² x 1,6 GJ = 6,08 GJ. (is omgerekend 1688 kWh)

Besparing in geld, op energie kosten per jaar, in dit rekenvoorbeeld:

Stel dat een elektrische boiler dit had moeten doen: 1688 kWh x € 0,23 (kWh prijs) = € 388,- per jaar
Stel dat een warmtepomp dit had moeten doen (COP 3,3) (1688 : 3,3) = 511 kWh uit het net x € 0,23 (kWh prijs) = €117,- per jaar
Stel dat een HR-cv ketel dit had moeten doen 6,08 GJ : 0,88 (rendement) = 6,9 GJ = 6900 MJ : 35,17 (in aardgas per m³) = 196 m³ x € 0,65 = € 127,40 per jaar

Aan tapwater verwarming is in deze woning theoretisch nodig:

4 personen x 40 liter = 160 liter per dag van 65°C
160 liter x 365 dagen = 58.400 liter

Formule: q (in kJ) = m (in kg) x c (in kJ/kg.k) x Delta t (in Kelvin)
(1 liter water is 1 kg) (we verwarmen van 10 naar 65 °C = temperatuurverschil van 55 °)
q = 58400 x 4,2 x 55
q = 13490,4 KJ = 13,490 GJ
Met de 2 panelen (6,08 GJ) dekken we dus (6,08/13,49) 45% van de jaarvraag.

—-

Stel nu dat we als extra informatie hadden meegekregen dat er een ligbad is en de familie erg gesteld is op comfort. Het standaard advies van 2,6 paneel hadden we dan naar boven kunnen afronden op 3 panelen. 3 panelen van elk 1,9m² geeft totaal (3 x 1,9) 5,7 m².
Per m² paneel hebben we minimaal 50 liter water nodig, dat maakt 5,7 m² x 50 liter = 285 liter.
In dat geval hadden we dus voor een 300 liter boiler gekozen met 3 panelen.

Vanwege de hoge comfortvraag is het verbruik in deze woning dus geen 160 liter per dag , maar meer, dat verantwoord de inzet van meer collectoren zonder dat we in de zomer met teveel aan over capaciteit zitten en geeft hierdoor waarschijnlijk nog steeds een nuttige opbrengst van 1,6 GJ per jaar per m² paneel.
Natuurlijk kan er ook geprobeerd worden het daadwerkelijk tapwater verbruik te herleiden en dat als uitgangspunt te nemen voor de voorgeschakelde zonneboiler.
vlakke collector zonbuiscollector zon


Inzet voorbeelden:

Thermische zon energie met boilers

Gecombineerde boiler (Schema A) ————————————————– Voorgeschakelde zonneboiler (Schema B)

De methode waarbij je, voor tapwater, het meeste energie van de zon gebruikt is die met de voorgeschakelde boiler (schema B).

Immers koud water komt in deze boiler binnen en de collector kan bij een temperatuur die hoger is dan de temperatuur in de boiler al energie gaan leveren. Bij een gecombineerde boiler tracht meestal een andere bron (ketel of warmtepomp bijvoorbeeld) het vat al op temperatuur te brengen en houden. De zon gaat dus pas later (als de collectortemperatuur 10 graden hoger is dan de temperatuur in het vat) bijdragen.

Een methode die soms toegepast wordt is door met een gecombineerd vat middels een klok bijvoorbeeld van 14.00 tot 16.00 de ketel of warmtepomp uit te schakelen voor tapwater. Maar dan nog is de energie hoeveelheid die de zon kan doen minder dan bij een voor geschakeld vat, bovendien gaat je comfort iets omlaag omdat je tussen genoemd tijdstip minder tapwater kan hebben.

Een zonlicht systeem voor tapwater wordt meestal zo geselecteerd dat het 50 tot 60 % van de warmwater behoefte kan dekken.
Op deze manier is de efficiëntie het hoogst ( aanschaf t.o.v. opbrengst).

In het algemeen geld: Hoe hoger de solaire dekking (bijdragen van de zoncollector), hoe lager de nuttige opbrengst per m². Dit komt omdat men bij hoge dekking onvermijdelijk een niet bruikbaar overschot aan zonne-energie in de zomer heeft, alsmede een laag collectorrendement.

Bij het hebben van een buitenzwembad zou je de energie daar in kunnen brengen. Het regenereren van de bron zou gedeeltelijk kunnen, mits dit heel goed gestuurd word en men ook rekening blijft houden met de mogelijkheid om een woning passief te kunnen koelen.


Thermische zonenergie voor tapwater en verwarming

Thermische zonenergie voor tapwater en verwarming

(hier boven Schema C / hier onder schema D)

Warmtepomp en zon energie voor verwarming en tapwater


Als u naast energie voor tapwater, in het voor en na seizoen, ook nog warmte voor verwarming van uw woning van de collector wil genieten, heeft u natuurlijk meer collectoroppervlak nodig. Een ‘vuistregel’ is hier lastig voor, dit hangt natuurlijk geheel van uw woning af.

Deze methode wordt in de praktijk ook nog niet vaak toegepast omdat het ‘overschot’ aan collectoroppervlak in de zomer periode te groot wordt. U ontvangt dan warmte waar u eigenlijk op dat moment nergens mee naar toe kan tenzij u een buitenzwembad heeft. De aandacht voor oververhitting moet bij een dergelijk systeem goed onder de loep worden genomen.

In de winterperiode komt er te weinig energie van de collector om hiermee te kunnen verwarmen, het kan alleen in het voor- en naseizoen bijdragen aan verwarming.

Verschil tussen schema C en D

In schema C is één vat gebruikt voor zowel tapwater als cv-water (verwarming woning).
In schema D zijn deze 2 ‘buffers’ gesplitst.

Schema D is meer energie efficiënt. (Zet je nu tapwaterzijdig ook nog een losse zonneboiler voor de tapwaterboiler als schema B , dan wordt het nog beter).

Waarom is schema D beter dan schema C ?

De gelaagdheid in een buffervat is in de praktijk nooit zo goed als in de theorie is bedacht.
Hierdoor kan, bij verwarmingsvraag cv, het tapwater ( in schema C) steeds onbedoeld worden afgekoeld. De warmtepomp zal dan meer bijkomen om tapwater te verwarmen: omdat tapwater verwarming met een hogere temperatuur (55 °C) geschied dan cv verwarming (35°C) is het rendement (COP) van de warmtepomp dan lager. Je bent dus eigenlijk met een hoge temperatuur deels cv-water aan het verwarmen. In de praktijk is een voorbeeld bekend waarbij de ‘gratis energie’ van de zon door het ongunstiger verwarmen van de cv in één vat voor tapwater (als in schema C), voor een deel teniet werd gedaan. Daarom is schema D een betere uitgangsconditie.

In schema D verwarmt het zonne energy systeem eerst tapwater en daarna (als er nog steeds energie is) verwarmingswater.


Er zijn op internet voorbeelden te vinden waarbij het mensen gelukt is om met deze methode de periode van maart t/m oktober te dekken. Het betreft dan zeer goed geïsoleerde, kier dichte woningen met ‘3 dubbel glas’, het open zetten van een raam is in de ‘verwarmingsperiode’ uit den boze, voor ventilatie is er een WTW systeem CO2 gestuurd (minimale ventilatie en terugwinning van warmte uit de afgezogen lucht).

Als u besluit om voor deze methode te kiezen, dient in het afgifte systeem richting vloerverwarming een mengklep opgenomen te worden. Immers door de energie van de zon kan op zonnige dagen de temperatuur in het vat tot wel 90 graden op lopen. Deze hoge temperatuur wilt u niet in uw ‘laag temperatuur’ afgifte systeem hebben (vloerverwarming) dus zal deze middels een mengklep verlaagt moeten worden.

Tevens ziet u dat bij toepassing van zoncollectoren ook een mengventiel in de warmwaterleiding wordt aangebracht, dit ook om zeer hoge temperaturen uit uw tapkraan te voorkomen.

Andere praktijk voorbeelden van waar het fout ging:

Middels een drieweg klep bracht iemand de teveel geleverde warmte in de zomer in de gesloten bron, hierdoor kon niet meer gekoeld worden, bovendien was in dit praktijkgeval de bron temperatuur opgelopen tot 35 graden, waardoor de warmtepomp in storing ging. (Heeft een maximale bron temperatuur).
Een installateur had voor zich zelf een Multi vat aangeschaft met daarop een warmtepomp, houtkachel, HR-cvketel en een zoncollector. Maar regeltechnisch wilde hij (als de houtkachel uit was en geen zon energie aanwezig was) , met de CV ketel tapwater verwarmen (vat in vat boven in) en met de warmtepomp CV verwarming onder in het vat, ook hier bleek de ‘gelaagdheid van het vat’ minder goed dan bedacht waardoor de warmtepomp nauwelijks aan was geweest en met duurdere energieverbruikkosten de CV ketel ook de verwarming had verzorgt. Bovendien kon de houtkachel, als deze aanging, onvoldoende warmte kwijt in het vat omdat deze al op een hoge temperatuur stond door de ketel, hierdoor regelde de ‘intelligente’ houtkachel zich weer terug naar een kleine stand waardoor deze ook niet optimaal functioneerde.
Natuurlijk is het ‘leuk’ om dingen te verzinnen en zoveel mogelijk energie zien te winnen….

Aan de andere kant zien we in de praktijk dat een KISS installatie vaak meer zorgeloze verwarming biedt aan de eindgebruiker
(Keep It Small and Simple).

De persoonlijke keuze van ‘Warmtepomp-informatie.be’ voor particulieren is daarom:

Een thermische zoncollector bij voorkeur alleen inzetten voor gebruik van tapwater met een voorgeschakelde zonboiler (schema B )

Heeft u te weinig plaats kies dan voor de gecombineerde boiler (schema A )

Bent u echter een ‘fanaat’ en technisch aangelegd… dan is het leuk om zoveel mogelijk ‘te winnen’. Zolang u maar weet wat u doet.