Opbrengst zoncollectors (thermisch) in Nederland

Door vloeistof in panelen (zon collectoren) te doen en deze in de zon te plaatsen warm je, door de zon, de vloeistof in de panelen op. Door vervolgens de vloeistof rond te pompen kun je elders (in een tapwater boiler bijvoorbeeld) de warmte weer afdragen.  De panelen zijn speciaal geconstrueerd om zo veel mogelijk warmte op te vangen en zo goed mogelijk af te dragen naar de vloeistof.  Het idee/principe is al heel oud.  In warme landen (denk bijvoorbeeld aan Turkije) zet men bijvoorbeeld vaten met water op dak, welke door de zon opgewarmd worden.

AFBEELDING: In warme landen (denk bijvoorbeeld aan Turkije) plaatste men bijvoorbeeld simpel vaten met water op dak, welke door de zon opgewarmd werden.  Later kwamen daar, voor een betere overdracht van de zonwarmte, panelen bij.  Door natuurlijke circulatie stijgt de warmte in de hoger geplaatste vaten.  In Nederland plaatsen we alleen de panelen op het dak en pompen we de gewonnen warmte naar beneden.

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.

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)

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 (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.

Op de pagina zonneboiler treft u wat voorbeeld schema’s van opstellingen.