Het principe is eigenlijk heel eenvoudig, je legt panelen op dak met daarin een vloeistof (water + antivries) in de woning plaats je een tank met bijvoorbeeld tapwater. Met een regeling meet je de temperatuur van de vloeistof in de panelen op dak en de temperatuur in de tank. Zodra de temperatuur op het dak bijvoorbeeld 7 graden hoger is dan in de tank dan start je een pompje die de warmte van het dak naar beneden pomp, omdat de warmevloeistof door de koude tank wordt gevoerd, meestal door middel van een spiraal, zal het warmte afgeven aan het koudere tapwater in de tank. Op het dak doet de zon gewoon het werk.
Heel simpel dus.
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.
Inhoud
Wat is de jaar opbrengst van een zonne paneel per m²
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)
Maar 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 verwarmd
- Wat is de doorstroomtijd van dit warmwater (warm tapwaterverbruik)
Hier onder, als voorbeeld, een opbrengst grafiek van vlakke dak collector gericht op het zuiden onder een hoek van 35 graden.
-Door een zonenergie simulatie programma is theoretisch vastgesteld dat de jaar opbrengst van dit type collector 1,6 GJ per m² is.
Uit bovenstaande NL praktijk grafiek, van ‘n bepaald merk paneel, 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 verwarmd, 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.
Selectie methode zon-collectoren voor woning:
In de praktijk wordt vaak uitgegaan van deze ‘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 toepassing zon-thermisch aan de hand van vuistregels:
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.
Schema gecombineerde zonneboiler:
In bovenstaande installatie is één vat gebruikt waarin zowel de warmtepomp als de zoncollector (collectoren) de boiler kunnen verwarmen. De boilersensor meet de temperatuur in het vat, als deze onder de 50° C komt zal de warmtepomp de driewegklep richting boiler laten lopen en de bovenste helft van de boiler verwarmen, waardoor het tapwater in de binnen tank weer warmer wordt. Als de zon gaat schijnen en bij kan dragen wordt warmte gebracht in de tank over de onderste spiraal, daardoor kan het systeemwater worden opgewarmd en wordt het tapwater warmer, tot wel 85°C toe. Zolang de zon het vat op temperatuur kan houden hoeft de warmtepomp dat niet te doen.
Nadeel: De zon kan pas bijdragen als de temperatuur van de collector minimaal 7 graden hoger is dan de temperatuur in de tank. Omdat de tank al voor een groot deel door de warmtepomp wordt verwarmd kan de zon pas ‘laat’ en beperkt bijdragen.
Een voorgeschakelde boiler kan veel meer bijdragen;
Immers, op het moment dat er getapt wordt koelt de voorgeschakelde boiler meteen af omdat koud water wordt ingebracht, ook in het voor- en naseizoen, als de collector temperatuur niet zo hoog is, kan de zon al energie bijdragen.
Onderstaand een voorgeschakelde boiler:
