Zonneverwarming van een privéwoning: opties en ontwerpschema's

Het gebruik van “groene” energie uit natuurlijke bronnen reduceert de woonlasten aanzienlijk. Wanneer u bijvoorbeeld uw privéwoning van zonneverwarming voorziet, levert u vrijwel gratis warm water aan lagetemperatuurradiatoren en vloerverwarmingssystemen. Toegegeven, dat betekent direct kostenbesparing.

Alles over “groene technologieën” vindt u in ons voorgestelde artikel. Met onze hulp begrijpt u gemakkelijk de verschillende soorten zonne-installaties, hun aanleg en de specifieke werking ervan. Ongetwijfeld raakt u geïnteresseerd in een populaire variant die wereldwijd intensief wordt ingezet, maar bij ons nog weinig navolging vindt.

In de u aangeboden review worden de constructieve kenmerken van de systemen besproken en zijn de aansluitschema’s gedetailleerd weergegeven. Er is een rekenvoorbeeld van een zonneverwarmingscircuit toegevoegd om de haalbaarheid voor de bouw ervan te kunnen beoordelen. Voor de doe-het-zelver zijn foto-overzichten en video’s bijgevoegd.

“Groene” technologieën om warmte te winnen

Gemiddeld ontvangt 1 m² aardoppervlak 161 watt aan zonne-energie per uur. Uiteraard is deze waarde op de evenaar vele malen hoger dan in de poolstreken. Bovendien is de dichtheid van de zonnestraling afhankelijk van het jaargetijde.

In de oblast Moskou verschilt de intensiteit van de zonnestraling in december-januari meer dan vijf keer zo sterk als in mei-juli. Toch zijn moderne systemen zo efficiënt dat ze bijna overal op aarde kunnen werken.

Moderne zonne-energiesystemen kunnen effectief werken bij bewolkt en koud weer tot -30 °C

De taak om energie van zonnestraling met maximaal rendement te benutten wordt op twee manieren opgelost: directe verwarming in thermische collectoren en fotovoltaïsche zonnepanelen. Zonnepanelen zetten de energie van zonlicht eerst om in elektriciteit en geven deze vervolgens via een speciaal systeem door aan gebruikers, bijvoorbeeld een elektrische boiler.

Warmtecollectoren, die opwarmen onder invloed van zonnestralen, verwarmen de warmtedrager van verwarmings- en warmwatervoorzieningssystemen.

Warmtecollectoren zijn er in verschillende soorten, waaronder open en gesloten systemen, vlakke en bolvormige ontwerpen, halfronde collector-concentratoren en vele andere varianten. De thermische energie die door zonnecollectoren wordt verkregen, wordt gebruikt voor het verwarmen van warm water of de warmtedrager van het verwarmingssysteem.

De industrie produceert een breed scala aan collectorsystemen voor integratie in een onafhankelijk verwarmingsnetwerk. Voor een datsja kunt u echter de eenvoudigste versie gemakkelijk zelf maken:

Ondanks de duidelijke vooruitgang in de ontwikkeling van oplossingen voor het verzamelen, opslaan en gebruiken van zonne-energie, zijn er voor- en nadelen.

Effectief gebruik van zonne-energie

Het meest voor de hand liggende voordeel van het gebruik van zonne-energie is de algemene toegankelijkheid. In feite kan zelfs bij het somberste en bewolkste weer zonne-energie worden verzameld en gebruikt.

Het tweede voordeel – is de nuluitstoot. In feite is dit de meest milieuvriendelijke en natuurlijke energievorm. Zonnepanelen en collectoren produceren geen geluid. In de meeste gevallen worden ze op daken van gebouwen geïnstalleerd, zonder nuttige oppervlakte van het buitenhuis in beslag te nemen.

De efficiëntie van zonneverwarming op onze breedtegraden is vrij laag, wat wordt verklaard door het onvoldoende aantal zonnige dagen voor een regelmatige werking van het systeem (+)

De nadelen van het gebruik van zonne-energie liggen in de onbestendigheid van de verlichting. Gedurende de donkere uren is er niets te verzamelen, de situatie wordt verergerd doordat de piek van het stookseizoen valt op de kortste lichte dagen van het jaar. Het is noodzakelijk om te letten op de optische reinheid van de panelen, een geringe vervuiling vermindert het rendement drastisch.

Bovendien kan niet worden gezegd dat de exploitatie van het systeem op zonne-energie volledig gratis is; er zijn continue kosten voor afschrijving van apparatuur, werking van de circulatiepomp en besturingselektronica.

Een belangrijk nadeel van verwarming op basis van zonnecollectoren is het gebrek aan mogelijkheid om thermische energie op te slaan. In het schema is alleen een expansievat opgenomen (+)

Open zonnecollectoren

Een open zonnecollector is een systeem van buizen dat niet beschermd is tegen externe invloeden, waardoor de door de zon direct verwarmde warmtedrager circuleert.

Als warmteoverdrachtsmedium wordt water, gas, lucht of antivries gebruikt. De buizen worden ofwel in een spiraalvorm op het draagpaneel bevestigd, ofwel in parallelle rijen aan de uitlaatbuis aangesloten.

Open zonnecollectoren zijn niet in staat om een particulier huis te verwarmen. Door het ontbreken van isolatie koelt het warmteoverdrachtsmedium snel af. Ze worden in de zomer voornamelijk gebruikt voor het verwarmen van water in douches of zwembaden.

Open collectoren hebben meestal geen isolatie. De constructie is zeer eenvoudig, daarom heeft het een lage kostprijs en wordt het vaak zelf gemaakt.

Door het ontbreken van isolatie behouden ze de van de zon ontvangen energie nauwelijks en hebben ze een laag rendement. Ze worden voornamelijk in de zomer gebruikt voor het verwarmen van water in zwembaden of zomerse douches.

Ze worden geïnstalleerd in zonnige en warme gebieden, bij kleine temperatuurverschillen tussen de omgevingstemperatuur en het te verwarmen water. Ze werken alleen goed bij zonnig, windstil weer.

De eenvoudigste zonnecollector met een warmteontvanger gemaakt van een bundel polymeerbuizen zorgt voor de levering van verwarmd water op de datsja voor irrigatie en huishoudelijke doeleinden.

Buisvormige collectortypen

Buiszonnecollectoren worden samengesteld uit afzonderlijke buizen waar water, gas of stoom doorheen circuleert. Dit is een variant van open zonne-energiesystemen. Het warmteoverdrachtsmedium is echter veel beter beschermd tegen externe invloeden, vooral in vacuüminstallaties die zijn gebouwd volgens het thermosprincipe.

Elke buis wordt afzonderlijk en parallel aan elkaar op het systeem aangesloten. Als een buis defect raakt, kan deze eenvoudig worden vervangen. De hele constructie kan direct op het dak van het gebouw worden gemonteerd, wat de installatie aanzienlijk vergemakkelijkt.

De buiscollector heeft een modulaire structuur. Het belangrijkste element is de vacuümbuis; het aantal buizen varieert van 18 tot 30, waardoor het vermogen van het systeem nauwkeurig kan worden afgestemd.

Een groot voordeel van buiszonnecollectoren is de cilindrische vorm van de hoofdelementen, waardoor zonnestraling gedurende de hele dag worden opgevangen zonder dure volgsystemen voor de zon.

Een speciale meerlaagse coating creëert een soort optische val voor zonnestralen. Het schema toont gedeeltelijk de buitenwand van de vacuümbuis die stralen reflecteert op de binnenwanden van de buis (+).

U onderscheidt op basis van de constructie van de buizen veder- en coaxiale zonnecollectoren.

De coaxiale buis kunt u beschouwen als een Dewarvat of de algemeen bekende thermosfles. Deze is gemaakt van twee kolven waartussen de lucht is verwijderd. Op de binnenwand van de binnenste kolf is een hoogselectieve coating aangebracht die zonne-energie effectief absorbeert.

Bij een cilindrische vorm van de buis vallen de zonnestralen altijd loodrecht op het oppervlak.

De thermische energie van de binnenste selectieve laag wordt overgedragen aan de warmtepijp of de interne warmtewisselaar van aluminiumplaten. In deze fase treden ongewenste warmteverliezen op.

U kunt de vederbuis beschouwen als een glazen cilinder met een daarin geplaatste vederabsorber.

Deze benaming dankt het systeem aan de vederabsorber, die het warmtekanaal van warmtegeleidend metaal stevig omhult.

Voor een goede thermische isolatie is de lucht uit de buis verwijderd. De warmteoverdracht van de absorber vindt plaats zonder verliezen, waardoor het rendement van vederbuizen hoger is.

Er zijn twee systemen op basis van warmteoverdracht: directstroom- en heatpipesystemen. De heatpipe is een afgesloten vat met een gemakkelijk verdampende vloeistof.

Aangezien de gemakkelijk verdampende vloeistof op natuurlijke wijze naar de bodem van de heatpipe stroomt, bedraagt de minimale hellingshoek 20 °C.

In de heatpipe bevindt zich een gemakkelijk verdampende vloeistof, die warmte opneemt van de binnenwand van de kolf of van de vederabsorber. Onder invloed van de temperatuur kookt de vloeistof en stijgt als damp omhoog. Nadat de warmte is afgegeven aan de warmtedrager van verwarming of warm water, condenseert de damp tot vloeistof en stroomt naar beneden.

Als gemakkelijk verdampende vloeistof wordt vaak water onder lage druk gebruikt. In het directstroomsysteem wordt een U-vormige buis gebruikt waarin water of de warmtedrager van het verwarmingssysteem circuleert.

De ene helft van de U-vormige buis is bestemd voor de koude warmtedrager, de andere voert de verwarmde af. Bij verwarming zet de warmtedrager uit en stroomt naar de opslagtank, waardoor natuurlijke circulatie ontstaat. Net als bij systemen met heatpipe moet de minimale hellingshoek ten minste 20⁰ bedragen.

Bij een directstroomaansluiting mag de druk in het systeem niet hoog zijn, omdat er in de kolf een technisch vacuüm heerst.

Directstroomsystemen zijn efficiënter omdat ze de warmtedrager direct opwarmen. Als zonnecollectorsystemen het hele jaar door worden gebruikt, wordt er speciale antivries in gepompt.

Het gebruik van buisvormige zonnecollectoren heeft een aantal voor- en nadelen. De constructie van een buisvormige zonnecollector bestaat uit identieke elementen die relatief eenvoudig te vervangen zijn.

Voordelen:

• lage warmteverliezen;
• vermogen om te werken bij temperaturen tot -30°C;
• effectieve prestaties gedurende de hele daglichtperiode;
• goede werking in gebieden met een gematigd en koud klimaat;
• lage windbelasting, gebaseerd op het vermogen van buisvormige systemen om luchtmassa's door te laten;
• mogelijkheid om een hoge temperatuur van het warmteoverdrachtsmedium te produceren.

Constructief gezien heeft de buisvormige structuur een beperkt apertuuroppervlak.

Heeft de volgende nadelen:

• niet in staat tot zelfreiniging van sneeuw, ijs, rijp;
• hoge kosten.

Ondanks de aanvankelijk hoge kosten, verdienen buisvormige collectoren zich sneller terug. Ze hebben een lange levensduur.

Buisvormige collectoren behoren tot zonne-installaties van het open type, en zijn daarom niet geschikt voor het hele jaar door gebruik in verwarmingssystemen (+)

Vlakke gesloten systemen

Een platte collector bestaat uit een aluminium frame, een speciale absorberende laag – de absorber, een transparante bedekking, leidingwerk en isolatie.

Als absorber wordt zwart gemaakte koperplaat gebruikt, die zich kenmerkt door een ideale thermische geleidbaarheid voor het creëren van zonne-energiesystemen. Bij absorptie van zonne-energie door de absorber wordt de door hem verkregen zonne-energie overgedragen aan het warmteoverdrachtsmedium dat circuleert in het buizensysteem dat aan de absorber grenst.

Aan de buitenzijde is het gesloten paneel beschermd met een transparante bedekking. Deze is gemaakt van slagvast gehard glas met een doorlaatband van 0,4-1,8 µm. Op dit bereik valt het maximum van de zonnestraling. Slagvast glas biedt een goede bescherming tegen hagel. Aan de achterzijde is het hele paneel goed geïsoleerd.

Platte zonnecollectoren onderscheiden zich door maximale prestaties en een eenvoudige constructie. Hun rendement is verhoogd door het gebruik van een absorber. Ze zijn in staat om diffuse en directe zonnestraling op te vangen.

In de lijst van voordelen van gesloten platte panelen bevinden zich:

• eenvoud van constructie;
• goede prestaties in regio's met een warm klimaat;
• mogelijkheid om onder elke hoek te installeren met behulp van voorzieningen voor het wijzigen van de hellingshoek;
• vermogen om zichzelf te reinigen van sneeuw en rijp;
• lage prijs.

Platte zonnecollectoren zijn bijzonder voordelig als het gebruik ervan al in de ontwerpfase wordt gepland. De levensduur van kwaliteitsproducten bedraagt 50 jaar.

Tot de nadelen behoren:

• hoge warmteverliezen;
• groot gewicht;
• hoge windbelasting bij plaatsing van panelen onder een hoek met de horizon;
• Prestatiebeperkingen bij temperatuurschommelingen van meer dan 40°C.

Het toepassingsgebied van gesloten collectoren is veel breder dan dat van open zonnesystemen. In de zomer kunnen ze volledig voldoen aan de behoefte aan warm water. Op koele dagen, die niet door de nutsbedrijven in de stookperiode zijn opgenomen, kunnen ze dienst doen in plaats van gas- en elektrische kachels.

Voor degenen die een zonnecollector met eigen handen willen maken voor de verwarming op de datsja, raden wij aan kennis te nemen van in de praktijk geteste schema's en stapsgewijze montage-instructies.

Vergelijking van de kenmerken van zonnecollectoren

De belangrijkste indicator van een zonnecollector is het rendement. Het nuttige vermogen van zonnecollectoren met verschillende constructies hangt af van het temperatuurverschil. Daarbij zijn platte collectoren aanzienlijk goedkoper dan buisvormige.

De rendementswaarden zijn afhankelijk van de kwaliteit van de fabricage van de zonnecollector. Het doel van de grafiek is om de efficiëntie van verschillende systemen te tonen, afhankelijk van het temperatuurverschil.

Bij het kiezen van een zonnecollector is het raadzaam op een aantal parameters te letten die de efficiëntie en het vermogen van het apparaat aangeven.

Voor zonnecollectoren zijn er een aantal belangrijke kenmerken:

• absorptiecoëfficiënt – toont de verhouding van geabsorbeerde energie tot totale energie;
• emissiecoëfficiënt – toont de verhouding van overgedragen energie tot geabsorbeerde energie;
• totale en apertuuroppervlakte;
• rendement.

Apertuuroppervlakte is het werkende oppervlak van de zonnecollector. Bij een platte collector is de apertuuroppervlakte maximaal. De apertuuroppervlakte is gelijk aan het oppervlak van de absorber.

Aansluitmethoden op het verwarmingssysteem

Aangezien apparaten op zonne-energie geen stabiele en 24-uurs energievoorziening kunnen garanderen, is een systeem nodig dat bestand is tegen deze tekortkomingen.

Voor de centrale regio van Rusland kunnen zonneapparaten geen stabiele energie-instroom garanderen, daarom worden ze als aanvullend systeem gebruikt. De integratie in het bestaande verwarmings- en warmwatersysteem verschilt voor een zonnecollector en een zonnepaneel.

Schema met een watercollector

Afhankelijk van de gebruiksdoelen van de warmtecollector worden verschillende aansluitsystemen toegepast. Er kunnen verschillende opties zijn:

1. Zomervariant voor warmwatervoorziening
2. Wintervariant voor verwarming en warmwatervoorziening

De zomervariant is het eenvoudigst en kan zelfs zonder circulatiepomp functioneren, met gebruikmaking van natuurlijke watercirculatie.

Het water wordt in de zonnecollector verwarmd en stroomt via thermische expansie naar een accumulatietank of boiler. Hierbij vindt natuurlijke circulatie plaats: in plaats van het warme water wordt koud water uit de tank aangezogen.

In de winter is bij temperaturen onder nul directe verwarming van water niet mogelijk. Door een gesloten circuit circuleert een speciale antivries, die zorgt voor warmteoverdracht van de collector naar de warmtewisselaar in de tank.

Zoals elk systeem dat op natuurlijke circulatie is gebaseerd, werkt het niet erg efficiënt en vereist het naleving van de nodige hellingen. Bovendien moet de opslagtank hoger zijn dan de zonnecollector. Om het water zo lang mogelijk warm te houden, moet de tank zorgvuldig worden geïsoleerd.

Als u echt de meest efficiënte werking van de zonnecollector wilt bereiken, wordt het aansluitschema complexer.

Om te voorkomen dat de collector 's nachts een koelradiator wordt, moet de watercirculatie gedwongen worden gestopt.

In het zonnecollectorsysteem circuleert een niet-bevriezend warmtemedium. De geforceerde circulatie wordt verzorgd door een pomp die wordt aangestuurd door een controller.

De controller regelt de werking van de circulatiepomp op basis van metingen van ten minste twee temperatuursensoren. De eerste sensor meet de temperatuur in de opslagtank, de tweede – op de aanvoerleiding van het hete warmtemedium van de zonnecollector.

Zodra de temperatuur in de tank de temperatuur van het warmtemedium in de collector overschrijdt, schakelt de controller de circulatiepomp uit, waardoor de circulatie van het warmtemedium door het systeem wordt gestopt. Op zijn beurt, wanneer de temperatuur in de opslagtank onder een ingestelde waarde daalt, wordt de verwarmingsketel ingeschakeld.

Een nieuw begrip en een effectief alternatief voor zonnecollectoren met warmtedrager zijn systemen met vacuümbuizen, waarvan wij u het werkingsprincipe en de constructie laten leren kennen.

Schema met een zonnepaneel

Het zou aantrekkelijk zijn om een soortgelijk aansluitschema voor een zonnepaneel op het elektriciteitsnet toe te passen, zoals dat bij een zonnecollector is gerealiseerd, waarbij de gedurende de dag ontvangen energie wordt opgeslagen. Helaas is het voor een particulier huishouden erg duur om een accublok van voldoende capaciteit te maken. Daarom ziet het aansluitschema er als volgt uit.

Bij een vermindering van het elektrische stroomvermogen van het zonnepaneel zorgt de AVR-eenheid (automatische reserve-inschakeling) ervoor dat verbruikers worden aangesloten op het algemene elektriciteitsnet.

Van de zonnepanelen gaat de lading naar de laadregelaar, die verschillende functies vervult: hij zorgt voor een constant opladen van de accu's en stabiliseert de spanning. Vervolgens gaat de elektrische stroom naar de omvormer, waar de omzetting van gelijkstroom 12V of 24V naar wisselstroom 220V enkelfasig plaatsvindt.

Helaas zijn onze elektriciteitsnetten niet geschikt voor het ontvangen van energie; zij kunnen slechts in één richting werken, van bron naar verbruiker. Om deze reden kunt u geen opgewekte elektriciteit verkopen of de meter in de tegenovergestelde richting laten draaien.

Het gebruik van zonnepanelen is gunstig omdat zij een meer universele vorm van energie leveren, maar zij kunnen qua efficiëntie niet tippen aan zonnecollectoren. Deze laatste hebben echter niet de mogelijkheid om energie op te slaan, in tegenstelling tot fotovoltaïsche zonnepanelen.

Rekenvoorbeeld van de benodigde capaciteit

Bij het berekenen van het benodigde vermogen van een zonnecollector wordt zeer vaak ten onrechte gerekend op basis van de binnenkomende zonne-energie in de koudste maanden van het jaar.

De zaak is dat in de overige maanden van het jaar het hele systeem voortdurend oververhit raakt. De temperatuur van het warmtemedium bij de uitgang van de zonnecollector kan in de zomer 200°C bereiken bij het verwarmen van stoom of gas, 120°C voor antivries, 150°C voor water. Als het warmtemedium kookt, zal het gedeeltelijk verdampen. U zult het dan moeten vervangen.

Fabrikanten raden aan uit te gaan van de volgende cijfers:

• voorziening van warm water niet meer dan 70%;
• voorziening van het verwarmingssysteem niet meer dan 30%.

De resterende benodigde warmte moet door standaard verwarmingsapparatuur worden opgewekt. Desondanks wordt bij deze cijfers gemiddeld ongeveer 40% per jaar bespaard op verwarming en warmwatervoorziening.

Het vermogen dat door één buis van een vacuümsysteem wordt opgewekt, hangt af van de geografische locatie. De hoeveelheid zonne-energie die per jaar op 1 m² land valt, wordt insolatie genoemd.

Als u de lengte en diameter van de buis kent, kunt u de apertuur berekenen – het effectieve absorptieoppervlak. Vervolgens moet u de absorptie- en emissiecoëfficiënten toepassen om het vermogen van één buis per jaar te berekenen.

Voorbeeldberekening:

De standaardlengte van de buis is 1800 mm, effectief 1600 mm. Diameter 58 mm. Apertuur – het beschaduwde gedeelte dat door de buis wordt gecreëerd. De oppervlakte van de schaduwrechthoek bedraagt dus:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Het rendement van een gemiddelde buis bedraagt 80%, de zonne-insolatie voor Moskou is ongeveer 1170 kWh/m² per jaar. Zo zal één buis per jaar opwekken:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Het moet worden opgemerkt dat dit een zeer benaderende berekening is. De hoeveelheid geproduceerde energie hangt af van de oriëntatie van de installatie, de hoek, de gemiddelde jaartemperatuur, enz.

Met alle soorten alternatieve energiebronnen en manieren om ze te gebruiken kunt u kennismaken in het gepresenteerde artikel.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Video #1. Demonstratie van de werking van de zonnecollector in de winter:

Video #2. Vergelijking van verschillende modellen zonnecollectoren:

Gedurende het hele bestaan verbruikt de mensheid elk jaar steeds meer energie. Pogingen om gratis zonnestraling te gebruiken werden al lang ondernomen, maar pas recentelijk is het mogelijk geworden om de zon effectief te gebruiken in onze breedtegraden. Ongetwijfeld is de toekomst aan zonne-energiesystemen.

Wilt u interessante bijzonderheden melden over de organisatie van zonneverwarming voor een buitenhuis of datsja? Schrijf dan uw opmerkingen in het onderstaande blok. Hier kunt u ook een vraag stellen, een foto achterlaten met de demonstratie van het montageproces van het systeem, nuttige informatie delen.