Zonnecollectoren en zonneboilers - Gratis warmte van de zon

Installateur vinden

Het systeem van een zonneboiler met thermische zonnepanelen of buiscollectoren kan ingezet worden voor de productie van warm water en voor verwarming. Warmte van de zon is gratis, dus je bespaart niet alleen op fossiele energie. Je zal merken dat je je investering in een systeem met een zonneboiler na enkele jaren al hebt terugverdiend.

Basisprincipe en types

Afgezien van enkele speciale technische oplossingen worden hoofdzakelijk collectoren gebruikt waarin een warmtedragend medium circuleert. Meestal gaat het hierbij om een mengsel van water en het antivriesmiddel glycol. De vloeistof bevindt zich in een buis. 

Deze collectoren absorberen zonnestralen en zetten die om in bruikbare warmte. Daarnaast bestaat een systeem van zonnecollectoren ook uit een absorber, een zonneboiler en een warmtegeleidende vloeistof. Als de stralen op de collectoren vallen, wordt die energie in de absorber omgezet in warmte. Die warmte wordt eerst naar het buffervat of de warmwaterboiler gevoerd en van daaruit via het circuit over alle ruimtes verdeeld, hetzij als back-up voor de verwarming of voor de warmwaterproductie. De warmte wordt via de warmtegeleidende vloeistof eerst naar het bijbehorende reservoir gevoerd. Vanuit de warmwaterboiler komt de warmte dan in afnamepunten terecht, zoals de kraan of douche, in de vorm van warm water.

Er zijn twee verschillende soorten zonneboilers: buis- en vlakke collectoren.  Wat beide echter gemeen hebben, is dat een absorber de zonnestraling in warmte omzet. Een warmtedragend medium neemt de warmte op en voert deze weg uit de collector. Dit proces vindt in elke collector plaats.

 

Zonneboiler met vacuümbuiscollectoren

In het algemeen kunnen zonneboilers met buiscollectoren worden onderscheiden op basis van hun ontwerp: bij vacuümbuiscollectoren met directe stroom circuleert het warmtedragende medium door de absorberbuizen die in de buizen zijn aangebracht. Bij heatpipe-systemen stroomt het warmtedragende medium niet door de buizen. In plaats daarvan verdampt een medium (meestal water) in de koperen leiding onder de absorber. De stoom condenseert in de toepasselijk genaamde condensor aan het bovenste uiteinde van de buizen - hier wordt de energie naar het warmtedragende medium in de collector doorgegeven. De heatpipe-collectoren bieden het voordeel van een betrouwbare warmteopname.

Zonneboiler met vlakke collectoren – meanderende buizen

Bij een zonneboiler met vlakke collectoren wordt de absorber meestal beschermd tegen de elementen door een behuizing van gecoat plaatstaal, aluminium of roestvrij staal en een frontafdekking van ijzerarm solair veiligheidsglas. Een antireflectiecoating (AR) op het glas kan reflectie verder verminderen. De thermische isolatie van de collectorbehuizing beperkt het warmteverlies.

Toepassingsmogelijkheden

Je kan zonnestroom voor eigenverbruik op twee manieren benutten. In de volgende delen kom je meer te weten over thermische zonnepanelen als back-up van de warmwaterproductie en centrale verwarming.

Diagram: warmwaterproductie met thermische zonnepanelen

De bivalente warmwaterboiler, zoals Vitocell 300-B, is het kloppend hart van dit systeem. Als de zonnestralen krachtig genoeg zijn, verwarmt de warmtegeleidende vloeistof in het systeem het water in de warmwaterboiler via de onderste buisspiraal.

Als je dan warm water gebruikt, bijvoorbeeld om een bad of douche te nemen, daalt de temperatuur en schakelt de ketel eventueel in om bijkomende verwarming te voorzien via de tweede spiraal. De zonnecollectoren Vitosol van Viessmann zijn heel eenvoudig te installeren, dankzij de ingebouwde aanvoer- en retourleidingen, een voordeel dat de investeringskosten bovendien relatief beperkt houdt.

Als je een systeem met thermische zonnepanelen uittekent voor je woning geldt de volgende algemene regel: als de collector naar het zuidoosten tot zuidwesten gericht is, moet je rekenen op een vlakke collector van 1,5 vierkante meter of een buiscollector van 1,0 vierkante meter voor elke 100 liter boilervolume. Een lagere opbrengst als gevolg van een ongunstige oriëntatie of helling kan gecompenseerd worden door een iets grotere collector te plaatsen. Onze ervaren partners zullen je helpen met je ontwerp. 

Goede planning en installatie 

Dankzij hun uiteenlopende ontwerpen kunnen zonnecollectoren in bijna elk gebouwconcept worden geïntegreerd, zowel in nieuwbouw- als in renovatieprojecten, zowel op het gebouw als in de buurt. Ze kunnen op schuine daken, platte daken en op muren worden geplaatst evenals vrijstaand op de grond, indien nodig. In alle gevallen vormen collector en bevestiging één statische eenheid. Viessmann biedt volledig geteste systemen voor alle conventionele daktypes en geschikt voor alle collectoren als onderdeel van zijn standaard productassortiment - dit zorgt voor meer betrouwbaarheid en gemoedsrust tijdens de plannings- en installatiefase.

Prestatiekenmerken

Een belangrijke waarde die je moet overwegen voordat je thermische zonnecollectoren aankoopt, is het rendement van de collectoren. Deze waarde geeft het aandeel van de zonnestraling weer dat wordt omgezet in bruikbare warmte-energie. Deze waarde is bepaald volgens de Europese norm EN 12975 en vind je terug in de informatiebladen van de toestellen.

Het berekenen van het rendement van de thermische zonnecollectoren houdt ook rekening met de energiestromen en warmteverliezen. Dit betekent dat niet al het licht dat de oppervlakken bereikt, kan worden benut om warmte op te wekken (optische verliezen). Bovendien gaat ook een klein deel van de door de collectoren opgewekte warmte verloren (thermische warmteverliezen).

De opbrengst van een zonneboiler met vlakke collectoren wordt grotendeels bepaald door de omstandigheden ter plaatse. Op het zuiden gerichte daken met een hellingshoek van 30 tot 40 graden leveren uitstekende resultaten op. Is je dak, met een vergelijkbare hellingshoek, op het oosten of westen gericht, dan zal je die opbrengst met tot 20 procent zien dalen. Een iets minder gunstige oriëntatie kan je compenseren door een grotere collector te plaatsen. Naast de oriëntatie en hellingshoek van het dak, is het ook belangrijk dat je dak groot genoeg is en er zo weinig mogelijk schaduw op valt. Als de huizen van de buren, bomen of bergen meerdere maanden per jaar een schaduw werpen op je dak dan zal de opbrengst dalen. Je zal dan minder energie besparen en dat is slecht nieuws voor de economische efficiëntie van je systeem.

Energiestromen in de collectorA Instraling op de collector E Absorber verwarmd door straling

Optische verliezen: B Reflecties op de glasplaat C Absorptie op de glasplaat D Reflectie op de absorber

Thermische verliezen: F Warmtegeleiding van het collectormateriaal  G Warmtestraling van de absorber Convectie

De helling en oriëntatie van de collectoren zijn van cruciaal belang

De hoeveelheid energie die beschikbaar is voor warmteopwekking, is het grootst als de straling in een rechte hoek het collectoroppervlak raakt. Op onze breedtegraad is dit niet mogelijk met een horizontaal oppervlak. Maar het collectoroppervlak kan dienovereenkomstig worden gekanteld. Daarnaast bepaalt ook de oriëntatie het juiste gebruik van zonne-energie. Op het noordelijk halfrond is een oriëntatie op het zuiden ideaal.

Diagram: zonnepanelen als back-up voor warmwaterproductie en centrale verwarming

De warmtegeleidende vloeistof in de zonnecollectoren kan ook gebruikt worden om verwarmingswater op de gewenste temperatuur te brengen. Daarbij gebruikt het verwarmingscircuit, via een warmtewisselaar, het water in de zonneboiler dat voortdurend opgewarmd wordt door de zonnecollectoren. De regeleenheid controleert of de gevraagde kamertemperatuur bereikt kan worden. Als de temperatuur lager ligt dan de ingestelde waarde, schakelt ook de ketel in. Zonnepanelen als back-up voor warmwaterproductie en centrale verwarming hebben een oppervlakte van zo'n vierkante meter voor elke tien vierkante meter leefruimte.

Oververhittingsbeveiliging door temperatuurbeveiliging ThermProtect

Als er geen warmte aan de collector wordt onttrokken (omdat de pomp stilstaat en het warmtedragende medium niet circuleert), warmt de collector op tot de zogenaamde stagnatietemperatuur. Het risico op oververhitting neemt toe bij een toenemend temperatuurverschil met de omgeving. Stagnatietemperaturen van 200°C en meer leiden tot ongewenste effecten. In dat geval zal het zonnemedium verdampen en snel en uitgebreid uitzetten in het zonnecircuit. De resulterende hoge thermische belasting van de componenten en het warmtedragende medium zelf zal dan schade veroorzaken.

Karakteristiek rendement: het risico op oververhitting neemt toe bij een toenemend temperatuurverschil met de omgeving. Hier komen collectoren met oververhittingsbeveiliging van pas

ThermProtect en het heatpipe-principe als beveiliging tegen oververhitting

Viessmann pakt dit fenomeen aan met een speciale absorbercoating – ThermProtect. Als onderdeel van het proces straalt de absorber steeds meer warmte uit naarmate hij opwarmt. Hierdoor nemen de warmteverliezen van de collector toe, terwijl tegelijkertijd de collectortemperatuur slechts weinig stijgt en de stagnatietemperatuur duidelijk onder de gebruikelijke waarden blijft. Hoe werkt dat precies?

ThermProtect verandert de kristalstructuur van de vlakke collectoren. De optische eigenschappen veranderen ook bij een temperatuur van 75°C. Dit betekent dat de interne temperaturen van de collectoren niet boven de 145°C kunnen komen. Als de temperatuur weer daalt, keert de kristalstructuur terug naar haar oorspronkelijke staat.

Omgekeerd wordt bij vacuümbuiscollectoren het heatpipe-principe gebruikt om het systeem te beschermen tegen oververhitting. Als de zonnestraling te hoog is en de warmteoverdracht begint af te nemen, wordt een gefaseerde temperatuurafhankelijke uitschakeling geactiveerd. Dit blokkeert condensatie bij de warmtewisselaar. Het warmtedragende medium kan niet meer vloeibaar worden en de warmte wordt niet meer getransporteerd. De warmteoverdracht wordt pas hervat als de temperatuur in het zonnecircuit is gedaald.

Zonnestroom kan je besparingen opleveren

Warmwaterproductie biedt interessante mogelijkheden om te besparen. In onze contreien zijn zonnecollectoren in combinatie met een warmwaterboiler het meest interessante alternatief voor een systeem met een ketel, vooral tijdens de zomermaanden. Zonnestroom kan voorzien in tot 60 procent van de energie die nodig is om je huishoudelijk water te verwarmen. Als je het huishoudelijk water én het verwarmingswater verwarmt, zal je zo'n 35 procent besparen op je totale energiefactuur - elk jaar. Zelfs in de lente en de herfst zal je merken dat je je ketel vaak kan uitzetten en zonnestroom kan gebruiken als back-up voor de centrale verwarming.  

Onderstaande tabel geeft een idee van hoeveel je kunt besparen:

Technologie Gasbesparing CO₂-besparing/jaar Energiekostenbesparing/jaar
Gascondensatieketel + combiwarmwaterboiler ondersteund door thermische zonnepanelen* 29 % 20 % € 1030

* Waarden op basis van simulaties voor een standaardgezin, uitgevoerd in Potsdam, Duitsland. Eengezinswoning met een gezin van 4 personen (met bestaande gasketel), 150 m² bewoonbare oppervlakte en een gasverbruik van 2500 m³. Afgeronde verbruikskosten aan de hand van standaardwaarden van de Duitse Energie Informationsdienst. Voor de berekening van de economische efficiëntie werden de energieprijzen van Destatis (het Duitse Bureau voor de Statistiek) gebruikt. Investeringskosten: brutocatalogusprijs van Viessmann plus gemiddelde installatiekosten (kan van geval tot geval verschillen).

Opmerking: onze berekeningen zijn theoretische voorbeelden op basis van verschillende veronderstellingen en afhankelijk van bepaalde algemene omstandigheden. Wij kunnen niet aansprakelijk worden gesteld voor de juistheid en de overdraagbaarheid op werkelijke systemen. De werkelijke kosten en mogelijke besparingen kunnen verschillen en moeten voor elk specifiek geval worden berekend op basis van de bijzondere en algemene omstandigheden van de locatie in kwestie.

Voor je thermische zonnepanelen koopt: wat heb je precies nodig?

Buiscollectoren van Viessmann

Zonnethermische systemen voor commerciële en industriële gebouwen

Een systeem met zonnepanelen is vooral interessant voor bedrijfsprocessen die warmte op een redelijk lage temperatuur vereisen. De collectortechnologie die momenteel op de markt verkrijgbaar is (met uitzondering van de concentratiesystemen) kan zonnestroom gebruiken om warmte te produceren tot 80 graden Celsius in heel Centraal-Europa.

Alternatieve oplossingen bij grote vraag

Sommige sectoren kunnen niet zonder warmte op heel hoge temperaturen. Dan denken we bijvoorbeeld aan de productie van voeding, meststoffen en bouwmaterialen en ook aan farmaceutische bedrijven en ziekenhuizen. Als er meer warmte nodig is, heeft Viessmann tal van oplossingen om warmte, stoom, elektriciteit of koeling te produceren. Fossiele brandstoffen, zoals mazout en gas, en ook hernieuwbare energiebronnen, zoals hout en biogas, kunnen de nodige energie leveren. Om warmte te onttrekken aan de omgeving, kies je het best voor grote warmtepompen. En voor wie tegelijk elektriciteit en warmte wil produceren, is een warmte-krachtkoppelingsinstallatie op gas de ideale keuze.