Thermische zoncollector / zonnecollectoren

Wat is een thermische zoncollector?
Opbrengst van thermische zoncollectoren vlakke plaat en buis-collector
Opbrengst per maand per m² thermische zoncollectoren
Hoeveel collectoren moet ik nemen?
Installatievoorbeeld zonneboiler
Voorgeschakelde zonneboiler
Gecombineerde zonneboiler
Installatie met 2 boilers / voorgeschakeld en naverwarming
Thermische zonne-energie voor een zwembad
Thermische zonne-energie voor verwarming van een woning?

Deze methode bestaat eruit de warmte van de zonnestralen te laten opnemen door een warmtegeleidende vloeistof, die dan op zijn beurt deze warmte meevoert naar bijvoorbeeld een tapwatervoorraadvat.

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 worden gericht 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 zoncollector

De opbrengst per m² vlakke collector, voor tapwaterverwarming, is in Nederland ca. 1,6 GJ per jaar (444 kWh).
De opbrengst per m² buiscollector (heatpipe) voor tapwaterverwarming 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 vastgesteld simulatieprogramma 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 warm water moet worden verwarmd?
Wat is de doorstroomtijd van dit warmwater (warm tapwaterverbruik)?

Bovenstaand een opbrengstgrafiek van een bepaald type vlakke-dakcollector, gericht op het zuiden onder een hoek van 35 graden.

- Door een simulatieprogramma is theoretisch vastgesteld dat de (gunstige netto) jaaropbrengst van dit type collector 1,6 GJ per m² is.

Uit bovenstaande NL-praktijkgrafiek van dit vlakpaneel 'merk X' volgt dat de gemeten jaaropbrengst 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, logischerwijs ook, in de zomerperiode meer energie te halen is dan in de winterperiode.

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 die 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 hiermee bedoeld wordt) komt dus telkens tijdens het warmwatertappen weer koud water binnen dat niet door iets anders al wordt verwarmd. De zon kan dus al bijdragen als de collectortemperatuur daarboven 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 collectoroppervlak in m²

(voorbeeld: dus bij 4 personen: 4x1 + 1 = 5 m²)

Per m² collectoroppervlak minimaal 50 liter tapwatervoorraad of per m² vacuümbuisoppervlak 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 warm water als voorraad nemen.

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

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

Voorbeeldinzet (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 dagverbruik 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, 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 (simulatiegetal / 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 simulatieberekening
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 energiekosten 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 tapwaterverwarming 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 Δt (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 standaardadvies van 2,6 panelen 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-literboiler gekozen met 3 panelen.

Vanwege de hoge comfortvraag is het verbruik in deze woning dus niet 160 liter per dag, maar meer. Dat verantwoordt de inzet van meer collectoren zonder dat we in de zomer met teveel aan overcapaciteit 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 daadwerkelijke tapwaterverbruik te herleiden en dat als uitgangspunt te nemen voor de voorgeschakelde zonneboiler.

De opbrengst per m² vlakke collector, voor tapwaterverwarming, is in Nederland ca. 1,6 GJ per jaar (444 kWh).

De opbrengst per m² buiscollector (heatpipe) voor tapwaterverwarming is in Nederland ca. 2,3 GJ per jaar (638 kWh).

Installatieschema zonneboiler (voorbeeld 1)

installatie schema voorbeeld zonenergie boiler collector thermisch

Werking voorgeschakelde zonboiler

Tijdens het tappen van warm water komt koud water in de boilertank. Het al dan niet door de zon verwarmde water verlaat aan de bovenkant het boilervat en komt in de combiketel. De combiketel zal (indien nodig) dit tapwater na-verwarmen. Alle energie die de zon heeft geleverd, hoeft de ketel niet meer te leveren (gasbesparing).
De boilerregeling doet niets anders dan de temperatuur van de collector op het dak meten en de temperatuur in de tank meten (sensors). Indien het op het dak meer dan (bijvoorbeeld) 10 °C warmer is dan in de tank, zal de regeling de circulatiepomp starten en wordt de warmte van het dak in de tank afgegeven middels het glycol/watersysteem. Glycol is een antivriesmiddel, zodat in de winter de leidingen en collector niet bevriezen.

Noot: Bij sommige combiketels is er een maximale temperatuur die binnen mag komen op de koudwateraansluiting. Door een mengautomaat (een automaat die koud water bijmengt tot de ingestelde temperatuur) toe te passen, los je dit op. Bovendien moet de ketel geschikt zijn voor een voorgeschakelde zonneboiler. Als op het label van de ketel NZ (Na verwarming Zon) staat, is de ketel geschikt.

Installatieschema zonnecollector met een gecombineerd boilervat (voorbeeld 2)

installatie met gecombineerde boiler zon energie

In deze installatie is één vat gebruikt waarin zowel de ketel als de zoncollector (collectoren) de boiler kan verwarmen.
De boilerthermostaat meet de temperatuur in het vat. Als deze onder de 65 °C komt, zal de ketel de driewegklep richting boiler laten lopen en de bovenste helft van de boiler verwarmen.

Stel dat de tank 200 liter is en de zon zou geen bijdragen leveren, dan is er dus bijvoorbeeld maar 100 liter warm tapwater op voorraad. Als de zon wel een goede bijdrage levert, is er 200 liter voorraad en zal de ketel niet zo snel aangaan.

In plaats van de soloketel kan natuurlijk ook een bodemwarmtepomp of lucht/waterwarmtepomp worden ingezet met een daarvoor geschikte combiboiler.

Nadeel: de gelaagdheid van een boiler valt in de praktijk soms tegen. Als de ketel de bovenste helft op 65 °C brengt, dan komt er toch vaak ook warmte in de onderste helft terecht. De onderste helft zou door de ketel bijvoorbeeld 35 °C kunnen worden. Dan kan dus de zon pas bij gaan dragen als de collectortemperatuur 45 °C is. Bij een voorgeschakelde boiler kan de zon ook bij lagere temperaturen al bijdragen aan verwarming. Over het jaar gezien pak je dus meer energie van de zon bij een voorgeschakelde boiler.

Installatieschema met 2 boilers / zon-energie (voorbeeld 3)

zonne installatie met 2 boilers een voorgeschakeld op de ander

Bovenstaand voorbeeld wordt vaak toegepast in combinatie met een warmtepomp. Vervang in de tekening dan de solo-ketel voor een warmtepomp en de radiator voor vloerverwarming of laagtemperatuur-radiatoren of convectoren.

Voordeel van een voorgeschakelde zonneboiler: de zon kan op jaarbasis meer bijdragen dan bij één gecombineerde boiler. Tijdens tappen komt koud water in de eerste tank, waardoor de zon ook bij lagere collectortemperaturen nog een bijdrage kan leveren.
Het al dan niet voorverwarmde water komt daarna in de 2e tank, waar het door de ketel (of warmtepomp) op de gewenste temperatuur wordt gebracht en gehouden.

Zwembadwater en tapwater verwarmen met zonne-energie

zon energie voor zwembad en tapwater verwarming

In bovenstaand schema, maar er zijn natuurlijk vele schema’s mogelijk, ziet u hoe zonne-energie kan bijdragen aan tapwater- en zwembadverwarming.

Een ketel houdt de bovenkant van een groot vat op temperatuur. Bovenin dit buffervat zit ook nog een binnenvat met tapwater en bovenuit de buffer onttrekt het zwembad, als deze warmte nodig heeft, ook warmte. Als het zwembad warmte nodig heeft, start een zwembadregeling de circulatiepomp en zwembadpomp voor het zwembad. De warmte uit het vat wordt in een zwembadwisselaar overgedragen aan het zwembadwater.

Het tapwatervat, dat in de buffer zit, wordt ook warm gemaakt en warm gehouden door ketel en/of zonne-energie.

Thermische zonne-energie is met name uitstekend geschikt voor een buitenzwembad. Immers, in het seizoen dat u het buitenzwembad wil gebruiken, schijnt de zon!

Als de buffer een temperatuur heeft bereikt van 85 graden, kan ook de zwembadpomp en circulatiepomp voor het zwembad worden gestart. Immers, je kan de overtollige warmte van de zon goed kwijt in het zwembad. Dat een zwembad warmer wordt dan nodig is, is niet belangrijk. Immers, als een paar dagen de zon niet schijnt, heeft het zwembad wat langer de tijd om af te koelen.

Met een buitenzwembad zit je dus eigenlijk niet met energie van thermische panelen die je niet kwijt zou kunnen. Met alleen tapwater loop je dat risico wel. Immers, als je op vakantie bent in de zomer, en niemand gebruikt tapwater in de woning, dan kan de zon zijn energie niet kwijt, omdat het vat al op temperatuur is.

Anderzijds, een eigen zwembad is misschien ook wel ‘overdreven luxe'?

Thermische zonne-energie voor verwarming van uw woning?

Zon thermische energie voor verwarming van een woning ?

In bovenstaand voorbeeld zou de zon ook kunnen bijdragen aan verwarming van de woning. Is dit een goede keuze? In een supergeïsoleerde woning waar nauwelijks nog warmte nodig is, is dit misschien goed mogelijk.

Als energieambassadeur zijn wij ook dergelijke installaties tegengekomen, waarbij echter meer problemen waren dan dat het goed deed.

Redenatie:

Er komt veel energie van de thermische zoncollectoren in de zomer als de zon schijnt. Helaas heeft uw woning in het zomerseizoen die warmte niet nodig. Om in het voor- en najaar en eventueel winter met thermische zonne-energie te (bij)verwarmen, moet je dus eigenlijk veel collectoren plaatsen om in de winter aan voldoende zonondersteuning te komen. Dat betekent dat je in de zomer een gigantisch overschot aan thermische zonne-energie zult hebben. Dat is niet goed voor uw zon-installatie.

Als er veel verwarmingsvraag is, kan de pomp van het verwarmingssysteem soms net te veel energie uit het vat trekken, waardoor de gelaagdheid slechter wordt en uw tapwater soms onnodig net te veel afkoelt in het vat.

Een dergelijke installatie maken is, wat uw energieambassadeurs betreft, niet echt aan te raden. U kunt thermische zonne-energie beter inzetten voor tapwater en/of zwembad.

Als u een buitenzwembad heeft dat u alleen in het ‘zomerseizoen’ gebruikt, bijvoorbeeld van mei t/m september, kunt u natuurlijk wel de thermische warmte kwijt in het zwembad. Als u dan het buitenbad in september heeft leeggemaakt, kan de thermische zonne-energie, als die er is, nog wel helpen bij ondersteuning van de verwarming. Op dat moment is een teveel aan panelen dus minder kwalijk.