De meeste zonneboilersystemen gebruiken zonnecollectoren of -panelen om energie van de zon te absorberen. Het water wordt door de zon verwarmd terwijl het door de collectoren stroomt. Vervolgens stroomt het naar een geïsoleerde opslagtank voor later gebruik. In passieve systemen stroomt het water door een thermosifoneffect tussen de collectoren en de tank. In inactieve systemen wordt het water tussen de collectoren en de tank gepompt.
De opslagtank is meestal voorzien van een elektrische, gas- of vaste brandstofbooster die het water verwarmt wanneer er onvoldoende zonlicht is. Sommige zonneboilers hebben ook vorstbeveiliging om schade in vorstgevoelige gebieden te voorkomen.
Zonnecollectoren
Zonnecollectoren vangen de warmte van de zon op en gebruiken deze om de watertemperatuur te verhogen. Er zijn twee hoofdtypen zonnecollectoren: vlakkeplaatcollectoren en vacuümbuiscollectoren.
Vlakkeplaatzonnecollectoren – Dit is het meest voorkomende type. Ze bestaan uit:
– Een luchtdichte doos met een transparant deksel.
– Een donkergekleurde, metalen absorberende plaat met waterleidingen. Isolatie om warmteverlies aan de achter- en zijkanten van de absorberplaat te verminderen. Een klein nadeel van vlakkeplaatcollectoren is dat ze alleen optimaal rendement leveren wanneer de zonnestralen loodrecht op de vlakke plaat vallen. Ze hebben ook last van warmteverlies bij koud weer.
Zonne-vacuümbuissysteem voor warm water.
Vacuümbuiszonnecollectoren – Dit type collector bestaat uit:
Een serie transparante glazen buitenbuizen waar lichtstralen doorheen kunnen met minimale reflectie.
In elke buis bevindt zich een interne waterleiding die is bekleed met een laag die de zonnestralen absorbeert en warmte genereert.
Door deze binnenbuis stroomt water dat wordt verwarmd.
Tussen de buitenste buis en de waterleiding ontstaat een vacuüm (vandaar 'geëvacueerd'), dat als isolatie werkt en warmteverlies beperkt.
Vacuümbuissystemen zijn efficiënter dan vlakkeplaatsystemen, vooral in de koudere maanden en op bewolkte dagen. Dit komt deels door de vacuümisolatie (die warmteverlies minimaliseert) en deels doordat het gebogen oppervlak van de buizen ervoor zorgt dat de zonnestralen een groot deel van de dag loodrecht op het water vallen. Vacuümbuissystemen wegen veel minder dan vlakkeplaatsystemen, maar kosten aanzienlijk meer. Individuele buizen kunnen bij schade worden vervangen, waardoor onderhoud op de lange termijn mogelijk goedkoper is. In warmere klimaten, zoals Darwin, zijn de extra kosten van vacuümbuissystemen meestal niet gerechtvaardigd, aangezien een vlakkeplaatzonnecollector het grootste deel van de benodigde energie voor waterverwarming levert. Goed onderhouden zonnecollectoren zouden langer mee moeten gaan dan de opslagtank. Wanneer de tank
Bij vervanging kunnen de bestaande collectoren op de nieuwe tank worden aangesloten.
Vorstbeveiliging
Vorstbescherming voor zonnecollectoren is essentieel in vorstgevoelige gebieden. Bij vorst kan het water in de zonnecollectoren bevriezen.
collector en beschadig deze niet, tenzij er preventieve maatregelen worden genomen. Veelvoorkomende soorten vorstbeveiliging zijn onder andere:
Klopkleppen (mechanische aftapkleppen). Deze kleppen kunnen problematisch zijn, omdat ze vaak vastlopen en de tank leeg laten lopen, of helemaal niet werken, wat ernstige schade veroorzaakt.
Elektrische verwarmingselementen, die kwetsbaar zijn bij stroomuitval.
Gesloten systemen, die de verwarmingsvloeistof van het water scheiden (zie onderstaande afbeelding). Gesloten systemen zijn meestal de beste optie in vorstgevoelige gebieden, omdat ze ervoor zorgen dat er geen water door de zonnecollectoren stroomt en dus niet in de collectoren kan bevriezen.
Open circuit versus gesloten circuit
– Bij een open systeem stroomt het water rechtstreeks door de zonnecollectoren, in de opslagtank en vervolgens via leidingen naar uw woning.
– In een gesloten systeem stroomt een andere vloeistof dan water door de collectoren, neemt warmte op van de zon en draagt deze warmte via een warmtewisselaar over aan het water in de opslagtank. Gesloten systemen worden meestal gebruikt voor vorstbescherming (zie onderstaande afbeelding). Een vloeistof met een lager vriespunt dan water wordt gebruikt om ijsvorming in de zonnecollectoren te voorkomen. Het is belangrijk om de vloeistof zorgvuldig te kiezen, aangezien sommige vloeistoffen 'troebel' worden en het rendement verminderen.
Sommige gesloten circuitsystemen pompen warm water door de collectoren wanneer de temperatuur het vriespunt nadert. Dit verlaagt de efficiëntie aanzienlijk. Vermijd systemen met deze functie.
Passieve versus actieve systemen
Passieve (of thermosifon) systemen
Bij passieve systemen (of thermosifonsystemen) wordt de tank boven de zonnecollectoren geplaatst, zodat het koude water
zakt in de collectoren, waar het door de zon wordt opgewarmd, en stijgt op in de tank. Een continue waterstroom
door de collectoren ontstaat er water zonder dat er pompen nodig zijn.
Er zijn twee soorten passieve systemen:
– gesloten koppeling of zwaartekrachtvoeding.
In een kortgekoppeld systeem wordt de horizontale opslagtank direct boven de collector op het dak gemonteerd. Het verwarmde water wordt geleverd onder leidingdruk. Deze opstelling is het meest kosteneffectief om te installeren, maar de efficiëntie neemt af in koele en koude klimaten door warmteverlies uit de tank.
Extra isolatie van tanks is wenselijk in deze klimaten. Als alternatief kunnen tanks worden losgemaakt en in de dakruimte worden geplaatst, hoewel dit de kosten verhoogt. Bij een zwaartekrachtvoedingssysteem wordt de opslagtank in de dakspouw geplaatst. Deze systemen zijn het goedkoopst in aanschaf, maar de waterleiding in huis moet geschikt zijn voor zwaartekrachtvoeding, inclusief leidingen met een grotere diameter tussen de boiler en de kranen. Een veelgebruikt alternatief is het gebruik van een gesloten zwaartekrachtvoedingssysteem om water onder leidingdruk te verwarmen met behulp van een warmtewisselaar.
Actieve (of gepompte) systemen
Inactieve systemen (ook wel pompsystemen of splitsystemen genoemd) bestaan uit zonnepanelen die op het dak worden geïnstalleerd en de opslagtank bevindt zich op de grond of een andere geschikte locatie, die niet boven de zonnecollectoren hoeft te liggen. Water (of een andere vloeistof) wordt met een kleine elektrische pomp door de zonnecollectoren gepompt. Omdat actieve systemen geen tank op het dak nodig hebben, hebben ze minder visuele impact, vooral wanneer de zonnecollectoren vlak op het dak zijn gemonteerd. Actieve systemen zijn echter meestal duurder in aanschaf en vereisen meer onderhoud dan passieve systemen.
Actieve systemen verbruiken meer energie dan passieve systemen, omdat er extra energie nodig is om de vloeistof door het systeem te pompen. Er is ook sprake van extra warmteverlies in de leidingen tussen de tank en de zonnecollectoren. Als de pomp echter wordt aangedreven door hernieuwbare energie en de leidingen en de tank goed zijn geïsoleerd, kunnen actieve systemen de uitstoot van broeikasgassen net zo sterk verminderen als passieve systemen. Actieve systemen worden vaak gebruikt voor zonne-energieconversies wanneer zonnecollectoren worden toegevoegd aan een bestaand warmwatersysteem. Ze kunnen ook worden gebruikt wanneer het dak een passief systeem niet kan dragen.
Opslagtanks
Tanks worden gemaakt van roestvrij staal, koper of zacht staal, gecoat met glasachtig email.
Koperen tanks zijn alleen geschikt voor lagedruksystemen. De overige tanks zijn geschikt voor netdruk.
Geëmailleerde tanks zijn voorzien van een 'opofferingsanode' die om de paar jaar vervangen moet worden ter bescherming tegen corrosie (vaker bij slechte waterkwaliteit). Andere tanks hebben deze bescherming niet nodig. Opslagtanks buiten kunnen in koele klimaten vorstschade en aanzienlijk warmteverlies oplopen. In dergelijke klimaten moeten ze zoveel mogelijk binnen worden geplaatst, als onderdeel van een droogkast.
Boostersystemen
Zonneboilers kunnen op gas, elektriciteit of vaste brandstof werken.
Elektrische boosters gebruiken een elektrisch element in de opslagtank om water te verwarmen. Gasboosters gebruiken een aardgasbrander om water te verwarmen, hetzij in de opslagtank, hetzij, vaker, als een aparte boiler.
Eenheid stroomafwaarts van de opslagtank. Inline gasboosters worden steeds gebruikelijker omdat ze garanderen dat warm water op de gewenste temperatuur wordt geleverd en tegelijkertijd de bijdrage van de zon wordt gemaximaliseerd. Vastebrandstofboosters verwarmen water via een warmtewisselaar, ook wel bekend als een 'nat terug'-systeem.
Systemen met gas- en vaste brandstofversterking produceren minder broeikasgasemissies. Boosters kunnen handmatig worden bediend of automatisch worden aangestuurd door een thermostaat die inschakelt wanneer de tank vol is.
Temperaturen dalen onder het gewenste niveau. Als boosters niet goed zijn ontworpen en bediend, kunnen ze het doel van een zonneboiler tenietdoen door de zonne-energiebijdrage te verminderen.
Zo worden bijvoorbeeld thermostaatgestuurde boosters die zich in het aquarium bevinden vaak 's nachts ingeschakeld, waardoor er bij zonsopgang weinig nuttigs te verwarmen valt.
Bij goed ontworpen zonneboilers met een elektrische booster in de boiler, wordt het booster-verwarmingselement zo geplaatst dat de zonne-energie maximaal wordt benut. Warm water komt onderin de boiler binnen, dus het element moet hoog in de boiler worden geplaatst om de warmwatertoevoer te voorkomen. Als het element echter te hoog in de boiler zit, kan het op bewolkte dagen niet voldoende water verwarmen.
Timers kunnen ook worden gebruikt om boosters te beheren en ervoor te zorgen dat u de maximale zonne-energiebijdrage haalt. Overleg met uw leverancier over de juiste werking van timers.
