Figuur 1
figuur 2
Opmerking bij figuur 2: Energiestromen in een collector. De op de collector vallende zonne-energie wordt deels gereflecteerd aan de glasplaat en de absorber en deels geabsorbeerd in de glasplaat. De rest wordt geabsorbeerd in de absorber die een deel van deze ingevangen zonne-energie omzet in door het water afgevoerde warmte. Door warmtestraling, convectie en geleiding verliest de collector energie aan de omgeving.
Het energieverlies kan op verschillende manieren plaatsvinden. Allereerst zal de opgewarmde absorber via straling een deel van de warmte afstaan. Om dit verlies zoveel mogelijk te beperken is de absorberplaat voorzien van een spectraal selectieve laag (figuur 3). Deze laag heeft de eigenschap dat zonlicht goed geabsorbeerd wordt en dat uitstraling van warmte tegengegaan wordt.
Daarnaast zal de warme absorber via de voorkant van de collector warmte verliezen aan langsstromende lucht; dit wordt convectie genoemd. Hoe kouder de buitenlucht en hoe groter de windsnelheid, des te groter dit verlies zal zijn. Het gebruik van de glasplaat als afdekking vermindert het convectieverlies, met name omdat er een luchtspouw van enkele centimeters tussen de absorber en de glasplaat zit.
Het gebruik van de glasplaat als afdeklaag heeft echter ook een klein negatief effect: een deel van het opvallende zonlicht wordt gereflecteerd aan, en geabsorbeerd in de glasplaat. Door gebruik te maken van ijzerarm glas met een hoge lichtdoorlatendheid wordt dit verlies in de glasplaat zo klein mogelijk gehouden.
Aan de achterkant en zijkanten van de absorber treedt warmteverlies op naar de omgeving door geleiding. Een laag isolatiemateriaal van enkele centimeters reduceert dit warmteverlies aanzienlijk.
Een goede collector wordt gekenmerkt door een laag energieverlies. Daarnaast moet de collector in staat zijn om de warmte van de absorberplaat goed af te geven aan het water dat door de buizen loopt. Dat betekent dat er een zeer goed warmtecontact moet zijn tussen plaat en buis. Bovendien moeten materiaaleigenschappen, plaatdikte en -oppervlakte, leidinglengte en -diameter en pompsnelheid zodanig op elkaar afgestemd zijn dat er zoveel mogelijk zonnewarmte wordt overgedragen aan het water. Een zonnecollector wordt gekarakteriseerd
door de rendementscurve (figuur 4).
figuur 3 & figuur 4
figuur 6
Deze gelaagdheid heeft twee voordelen. Ten eerste kan bij het tappen het water met de hoogste temperatuur gebruikt worden; de afnameleiding zit daarom boven in het vat. Ten tweede kan het water in het collector circuit tijdens doorstroming van de warmtewisselaar (van boven naar beneden) afkoelen tot de laagste temperatuur van het opslagvat. De warmtewisseling vindt dus plaats via het zogenaamde tegenstroom principe. Dit heeft een gunstige invloed op het rendement van de collector. Omdat het opslagvat in het waterleidingnet geplaatst wordt, schrijft het waterleidingbedrijf voor dat de inlaat van het opslagvat, net als bij andere boilers, voorzien wordt van een zogenaamde inlaatcombinatie bestaande uit een overdrukbeveiliging en een terugslagklep. De opslagvaten worden gemaakt van koper, roestvaststaal of van geëmailleerd staal. In geëmailleerde stalen vaten moet een anode geplaatst zijn om corrosie te voorkomen. De anode moet regelmatig worden gecontroleerd en indien nodig worden vervangen.
Het collector circuit bestaat uit de collector, de warmtewisselaar in het opslagvat en de verbindende leidingen. In dit circuit wordt water met behulp van een pompje rondgepompt. Doorgaans wordt hiervoor een klein cv-pompje gebruikt met een vermogen van ongeveer 40 W. De stroomsnelheid van het water is in de orde van 1 tot 5 liter per minuut. Het temperatuurverschil tussen het in- en uitstromende water is gemiddeld ongeveer 5 ºC maar kan variëren van 1 tot 25 ºC. Als de regeling aangeeft dat de collector buiten gebruik gesteld moet worden, bijvoorbeeld omdat er geen zon aanbod is of omdat oververhitting dreigt, wordt het pompje uitgeschakeld. Bij een terugloopsysteem is het collector circuit is niet geheel gevuld met water en door het stoppen van het pompje zakt het water tot op een niveau onder dat van de collector. In het collector circuit is een terugloopvat aangebracht waarin het water dat uit de collector komt opgevangen wordt. Het terugloopvat is vaak gecombineerd met de warmtewisselaar. In figuur 7 is een zonneboiler weergegeven die als terugloopsysteem is uitgevoerd.
figuur 8
De vacuümbuis collector is opgebouwd uit een aantal naast elkaar geplaatste glazen buizen waarin zich absorbers bevinden. De ruimte tussen de absorber en de glaswand is vacuüm gemaakt, waardoor de warmteverliezen klein zijn. De in de absorber opgewekte warmte wordt afgevoerd via een zogenaamde 'heat-pipe'. De top hiervan wordt met een kleine warmtewisselaar aangesloten op een leiding waar het collectorwater doorheen stroomt. De gesloten heat-pipe is gevuld met een vloeistof die verdampt als de opvallende zonnestraling de absorber opwarmt. De damp verspreidt zich en condenseert vervolgens op de koele warmtewisselaar. De opgenomen zonnewarmte wordt dan door condensatie afgegeven aan het collectorwater. In de heat-pipe stroomt de gecondenseerde vloeistof naar beneden en de cyclus begint opnieuw. Met een vacuümbuiscollector kan meer zonnewarmte geoogst worden en heeft daardoor een hogere opbrengst dan vlakke plaat collectoren. Er staan echter wel hogere kosten tegenover. Een vacuümbuis collector is +/- een factor 1,5 duurder dan een vlakke plaat collector.
De zonneboiler is uitgerust met een elektronische regeling, de zogenoemde delta-T-regeling, die is aangesloten op twee temperatuursensoren (in het opslagvat en aan de top van de absorberplaat) en op het circulatiepompje. Het verschil tussen de twee temperaturen wordt continu gemeten. Als de temperatuur van de collector hoger is dan die van het vat kan de collector warmte leveren en slaat de circulatiepomp aan.
Komt de collectortemperatuur onder die van het vat dan stopt de pomp. Doordat de collector nu leeg loopt wordt voorkomen dat warmte uit het opslagvat afgegeven wordt aan het water in het collectorcircuit. Door de natuurlijke stijging van warm water zou dit namelijk de collector kunnen bereiken en daar afkoelen, zodat in deze situatie een continu warmtelek van het opslagvat naar de koude collector zou onstaan.
De collector regeling zorgt er ook voor dat er nooit water in de collector aanwezig is als er kans op bevriezing bestaat. Hiermee is dus een vorstbeveiliging ingebouwd.
Het opslagvat moet beveiligd worden tegen oververhitting. Tijdens zomerdagen met veel zon kan het voorkomen dat de temperatuur in het opslagvat hoog oploopt. Met name als er niet of weinig getapt wordt, bijvoorbeeld omdat de gebruikers op vakantie zijn. Om te voorkomen dat er zich stoomontwikkeling voordoet wordt bij een vattemperatuur van meer dan 90 C de pomp uitgezet. Terwijl er een overvloed aan zonne-energie is wordt er dus toch niets meer opgeslagen omdat het opslagvat vol zit. In deze situatie kan het voorkomen dat de lege collector een temperatuur bereikt van ver boven de 100 C, een temperatuur waar de collector overigens goed tegen kan.
Er zijn ook elektronische regelingen, zogenoemde stralingsregelingen, die met een sensor de hoeveelheid zonlicht op de collector meten. Als het zon aanbod voldoende is om het water te verwarmen wordt de pomp ingeschakeld. Bij onvoldoende aanbod schakelt de regeling de pomp uit en loopt de collector leeg. Een temperatuursensor in het opslagvat schakelt de pomp uit als beveiliging tegen oververhitting.
De zonneboiler kan een buffervoorraad water opwarmen. De temperatuur van het vat wordt bepaald door de hoeveelheid zonne-energie die de collector de uren daarvoor opgevangen heeft en door de hoeveelheid water die aan het vat onttrokken is. AI met al heeft dat tot gevolg dat de temperatuur schommelt tussen 10 en 90 C. Meestal wil een warm-water gebruiker echter een vaste temperatuur van het water dat uit de kraan komt, bijvoorbeeld 60 C. Dat betekend dat het water uit het voorraadvat naverwarmd moet worden als d temperatuur te laag is, of bijgemengd moet worden met koud water leidingwater als de temperatuur te hoog wordt. Bijna altijd wordt een naverwarmer geplaatst. Automatisch bijmengen van koud water bij te hoge temperaturen komt minder vaak voor.
figuur 9
Één van de mogelijkheden om het water te verwarmen, is om tussen het voorraadvat van de zonneboiler en de kranen een doorstoomtoestel (geiser of combiketel) te plaatsen. Voorwaarde is dat de naverwarmer modulerend werkt , dat wil zeggen dat de hoeveelheid energie die het toestel levert afhankelijk is van de temperatuur van het uitstromende water. Een doorstroomtoestel waarvan de gastoevoer van de brander wordt geregeld aan de hand van de stroomsnelheid van het water , zoals vaak voorkomt bij geisers, het is niet geschikt als naverwarmer temperaturen tot 90 C op de kouwateringang kan verdragen, is het mogelijk water uit het voorraadvat altijd door de naverwarmer te laten stromen. Bij een aantal toestellen kan dat niet, omdat gebruik gemaakt is van (kunststof) onderdelen die niet hittebestendig zijn. In zo'n geval kan het water uit het boiler-vat via een omloop om de naverwarmer gestuurd worden. Een thermostatisch driewegventiel zorgt er dan voor dat water dat naverwarmd moet worden door de naverwarmer gaat, en water dat al voldoende warm is, door de omloop. Een andere mogelijkheid is, om het water uit de zonneboiler na te verwarmen, is het via een voorraadtoestel te laten lopen. De zonneboiler-fabrikanten hebben op deze mogelijkheid ingespeeld door zonneboilers aan te bieden waarvan het voorraadvat van het navermingstoestel al boven op het voorraadvat van de zonneboiler geplaatst is. In het bovenste vat (80-140 liter) zit dan een warmtewisselaar die aangesloten kan worden op de cv-ketel. Voorwaarde is dat de ketel voorzien is van een boilerregeling. We spreken dan van een zonneboiler met geïntegreerde indirect gestookte boiler. In een andere uitvoering wordt in het bovenste voorraadvat een elektrisch naverwarmingselement Het betreft dan een zonneboiler met een geïntegreerde elektrische naverwarming. Van een zonneboiler die naverwarmd wordt met een voorraadnaverwarmer wordt het bovenste vat op een vaste temperatuur gehouden. Het onderste vat wordt door de collector verwarmd. Er is ook een uitvoering waarbij de rol van het bovenste vat overgenomen wordt door het bovenste deel van een groot van, dat een inhoud heeft van 160-240 liter. De zonneboiler waarbij het voorraadvat is uitgebreid met extra verwarmingsvat, wordt ook wel duoboiler of hot-top genoemd.
Bij de keuze van het naverwarmingstoestel is het verstandig te kiezen voor een toestel zonder waakvlam en met een hoog opwekkingsrendament; bijvoorbeeld een verbeterd-rendement (VR) of hoog-rendement (HR) toestel. Verder is aan te bevelen een toestel te nemen met een lage temperatuur (55 tot 65 C), waardoor de dekkingsgraad van de zonneboiler maximaal is. Tenslotte kan men beter volstaan met één opslagvat (of eventueel twee gecombineerde, zoals in een duoboiler), omdat meerdere vaten meestal een groter energieverlies geven.
In zogenaamde ICS-systemen (afkorting van de Engelse term Integrated Collector Storage) worden het opslagvat en de collector samengevoegd tot één deel dat op het dak of aan de buitenwand gemonteerd wordt. Door de integratie neemt het aantal benodigde componenten af en kunnen kostprijs en plaatsingskosten omlaag. Ook in dit systeem zijn pomp en
elektronische regeling niet nodig en er is geen sprake van ruimtebeslag binnenshuis. Het met zonne-energie opgewarmde water wordt namelijk buiten opgeslagen. Om te voorkomen dat het water gedurende de nacht of in perioden dat de zon geen energie levert sterk afkoelt of bevriest, bestaan er twee isolatiesystemen.Transparante isolatiematerialen combineren een goede warmte-isolerende werking met een hoge doorlaatbaarheid van zonlicht. Door nu het opslagvat (bijvoorbeeld een plane watertank)
aan de bovenzijde met transparante isolatie af te dekken worden die eigenschappen ten volle benut. Overdag schijnt het zonlicht door de transparante isolatie op de bovenzijde van het opslagvat dat als collector functioneert. ' s Nachts voorkomt het transparante isolatiemateriaal dat het opgewarmde water in het opslagvat teveel afkoelt of zelfs bevriest. De bovenzijde van de opslagtank is net als bij gewone collectoren voorzien van een spectraal selectieve laag waardoor zoveel mogelijk zonlicht benut wordt.
figuur 10
Een andere manier om warmteverlies te onderdruk.ken en bevriezing te voorkomen is het gebruik van vacuüm als isolatie In een vacuüm kan alleen warmte getransporteerd worden door straling. In een ICS-systeem met vacuürnisolatie bestaat de collector / opslag uit een aantal met elkaar verbonden dubbelwandige koperen cylinders. In de binnencylinder bevindt zich het op te
warmen tapwater. De dubbele wand is vacuüm gemaakt waardoor de opslag als een thermoskan isoleert. Afkoeling en bevriezing worden zo voorkomen. De buitencylinder die door de zon beschenen wordt is voorzien van een spectraal selectieve laag. Om zonne-energie naar de binnencylinder met tapwater te transporteren is een beetje water in de dubbele wand aanwezig. De buitencylinder zet de opvallende zonne-energie om in warmte. Deze warmte wordt opgenomen door het laagje water in de dubbele wand dat daardoor verdampt. Als deze waterdamp vervolgens condenseert op de koudere binnencylinder wordt de opgenomen warmte aan de binnenhuis afgegeven. Beveiliging tegen oververhitting (of overdruk) werkt net als bij het thermosifonsysteem.