Vacuümzonnecollector: werkingsprincipe + hoe u er zelf een kunt monteren

Voor warmwatervoorziening en ruimteverwarming worden aanzienlijke bedragen uitgegeven. Maar er bestaat een alternatieve energiebron – de vacuümzonnecollector. Heeft u er wel eens van gehoord? Deze maakt het mogelijk om de financiële kosten voor het handhaven van comfort aanzienlijk te verlagen, met een maximaal verwarmingseffect bij minimale warmteverliezen.

Dit apparaat kan worden gekocht bij fabrikanten van huishoudelijke apparatuur of zelf thuis worden gemonteerd. Om een geschikt model te kiezen, moet u veel informatie bestuderen. Wij helpen u bij het bepalen van de belangrijkste aankoopcriteria.

In het artikel wordt ingegaan op het werkingsprincipe en de opbouw van de vacuümcollector. We zullen de constructieve kenmerken van verschillende modellen bespreken, de voor- en nadelen van deze installaties bekijken. Daarnaast beschrijven we in detail hoe u zelf een vacuümzonnecollector kunt maken en installeren.

Het materiaal wordt begeleid door videofragmenten, waaruit u belangrijke kenmerken en werkingsprincipes van vacuümcollectoren leert kennen.

Werkingsprincipe van de vacuümeenheid

In tegenstelling tot gewone zonnesystemen onderscheidt de vacuümzonnecollector zich door de manier van verwerking van zonne-energie. Een klassiek zonnepaneel neemt eenvoudig licht op en zet het om in elektriciteit. De collector daarentegen bestaat uit glazen buizen met een kunstmatig gecreëerd vacuüm erin. Ze worden tot één systeem samengevoegd via speciale verbindingsstukken.

In elke buis bevindt zich een kanaal van een of twee koperen staven met een warmtedrager. Door het opvangen van zonnestralen verwarmt het werkende element het warmtedragermateriaal, waardoor de werking van de collector wordt gewaarborgd.

Dankzij deze constructie neemt het energieniveau aanzienlijk toe en worden warmteverliezen aanzienlijk verminderd, omdat de vacuümlaag ongeveer 95% van de opgevangen zonne-energie kan behouden.

Een vacuümzonnecollector die op het dak van een privéwoning is geplaatst, zal de bewoners het hele jaar door van warm water voorzien en in het koude seizoen het pand comfortabel verwarmen, zonder dat daar grote financiële middelen voor nodig zijn.

Bovendien neemt de afhankelijkheid van de collectorprestaties van het seizoen, de omgevingstemperatuur en verschillende weersomstandigheden zoals windstoten, wisselende bewolking, neerslag enz. af.

Hoe is een vacuümcollector opgebouwd?

Moderne vacuümapparaten die gebouwen van warmte en warm water voorzien met behulp van zonne-energie, verschillen technologisch van elkaar.

Collectoren worden onderverdeeld in de volgende typen:

• buisvormig zonder glazen beschermende bekleding;
• module met gereduceerde conversie;
• standaard platte variant;
• apparaat met transparante thermische isolatie;
• luchtaggregaat;
• platte vacuümcollector.

Een vacuümzonnecollector kan het hele jaar door en bij elk weer zorgen voor warmwatervoorziening en verwarming (+)

Ze vertonen allemaal een gemeenschappelijke structurele gelijkenis en bestaan uit:

• externe transparante buis, waaruit volledig lucht is verwijderd;
• verwarmde pijp, geplaatst in de grote buis, waarin het vloeibare of gasvormige warmteoverdrachtsmedium zich verplaatst;
• een of twee gemonteerde verdeelstukken waaraan buizen met een grotere diameter worden aangesloten en waarin het circulatiecircuit van dunne, inwendig geplaatste buizen loopt.

De gehele constructie doet enigszins denken aan een thermosfles met doorzichtige wanden, waarin een ongekend hoog niveau van thermische isolatie wordt gehandhaafd. Dankzij deze eigenschap krijgt de behuizing van de binnenbuis het vermogen om goed op te warmen en de energiebron volledig af te geven aan de binnen circulerende warmtedrager.

Constructieve nuances en classificatie

Collectoren van het vacuümtype worden geclassificeerd op basis van het type glazen buizen dat in de constructie is geïnstalleerd, of op basis van de kenmerken van de warmtekanalen. De buizen zijn meestal coaxiaal of veren, en de warmtekanalen zijn U-vormig, rechtstreeks doorstroomd en van het heat pipe-type.

Kenmerken van coaxiale buizen

Coaxiale buizen bestaan uit een dubbele glazen thermosfles met een kunstmatig gecreëerde vacuümruimte tussen de wanden. Het binnenoppervlak van de buis heeft een laag speciale warmteabsorberende coating, waardoor de feitelijke warmteoverdracht rechtstreeks van de wanden van de glazen fles plaatsvindt.

Coaxiale buizen worden gemaakt van zeer sterk glas op basis van borosilikaten, met een hoge lichtdoorlatendheid. De elementen hebben, afhankelijk van de fabrikant, tot drie lagen magnetronafzetting, tonen uitstekende sterkte en weerstand tegen verschillende atmosferische verschijnselen (regen, hagel enz.), weerstaan een druk van 1 MPa en gaan betrouwbaar 15 jaar mee.

Als absorberend element wordt in de glazen buis een koperen buis gesoldeerd die een etherische samenstelling bevat. Tijdens het verwarmen verdampt deze, geeft efficiënt zijn warmte af, condenseert en stroomt naar het onderste deel van de buis. Vervolgens herhaalt de cyclus zich, waardoor een continu warmtewisselingsproces ontstaat.

Eigenschappen van veerbuizen

Vacuümverenbuizen hebben een grotere wanddikte dan coaxiale buizen en bestaan niet uit twee, maar uit één fles. Het interne absorptie-element van koper wordt over de gehele lengte voorzien van een sterke versterker – een gegolfde plaat met een hoogwaardige energieabsorberende coating.

Dankzij deze constructieve eigenschap bevindt het vacuüm zich rechtstreeks in het warmtekanaal, waarvan een deel samen met de absorber direct in de fles wordt geïntegreerd.

De verenvacuümbuis bevat aan de binnenkant een plaat die qua vorm op een veer lijkt. Qua rendementsniveau overtreft het de mogelijkheden van zijn coaxiale tegenhanger, maar heeft een aanzienlijk hogere kostprijs en is moeilijk te vervangen bij beschadiging van de fles of defect raken van het verwarmingselement.

Collectoren die zijn vervaardigd op basis van verenvacuümbuizen worden beschouwd als de meest efficiënte in hun klasse, vervullen hun taken uitstekend en gaan jarenlang betrouwbaar mee.

Werkingsprincipe van het warmtekanal heat pipe

Heat pipe-warmtekanalen bestaan uit gesloten buizen die een snel verdampende vloeibare samenstelling bevatten. Onder invloed van zonlicht wordt deze verhit, stijgt naar het bovenste gedeelte van het kanaal en verzamelt zich daar in een speciale warmtecollector (manifold).

Op dat moment geeft de werkvloeistof alle opgeslagen warmte af en daalt weer naar beneden om het proces te hervatten.

De huls van de heat-pipe-warmtewisselaar wordt verbonden met de warmtewisselaar van de manifold via een speciale houder die in de 1-buis warmtewisselaar is gesoldeerd, of wordt omgeven door een 2-buis warmtewisselaar.

Het werkelement van het heat pipe warmtekanaal wordt vervaardigd uit koper, in zeldzamere gevallen uit aluminium. Het vertoont een hoge weerstand tegen operationele belastingen, gaat betrouwbaar 15 jaar mee, heeft een redelijke prijs en is een van de populairste elementen van moderne buisvormige vacuümzonne-energiesystemen.

De warmteoverdrachtsvloeistof neemt de vrijgekomen energie uit het warmtereservoir op en transporteert deze verder door het systeem, waardoor warm water uit de kranen en verwarmingsradiatoren wordt geleverd. Het heat pipe-systeem is eenvoudig te monteren en toont een hoge efficiëntie tijdens het gebruik.

Collectoren uitgerust met heat pipe-vacuümbuizen onderscheiden zich door een goede betrouwbaarheid en zijn geschikt voor gebruik niet alleen in huishoudens, maar ook in hogedrukzonne-thermische systemen.

In geval van een defect of storing is het zonder enige moeite mogelijk om het beschadigde onderdeel te vervangen door een nieuw, zonder het hele systeem te hoeven verbouwen.

Reparatiewerkzaamheden kunnen eenvoudig ter plaatse van de collector worden uitgevoerd, zonder het apparaat te demonteren of overbodige inspanningen te leveren.

Beschrijving van de U-vormige directflow warmtewisselaar

De buis van de doorstroomwarmtewisselaar heeft de vorm van een U. Binnenin circuleert water of de werkvloeistof van het verwarmingssysteem. Het ene deel van het element is bestemd voor koude warmteoverdrachtsvloeistof en het andere voert de reeds verwarmde vloeistof correct af.

Bij verhitting zet de werkzame samenstelling uit en stroomt naar de opslagtank, waardoor een natuurlijke circulatie van de vloeistof in het systeem ontstaat. Een speciale selectieve coating op de binnenwanden verhoogt het warmteabsorberend vermogen en verbetert de algehele efficiëntie van het systeem.

In vergelijking met heat-pipe-buizen hebben U-vormige producten een grotere hydraulische weerstand, stellen ze hogere eisen aan de warmteoverdrachtsvloeistof en zijn ze aanzienlijk duurder. Collectoren die werken met doorstroom U-buizen kunnen niet onder hoge druk werken en leveren alleen tijdens het warme seizoen een goede warmteafgifte.

U-type buizen vertonen een hoge prestatie en geven een solide warmteafgifte, maar hebben één belangrijk nadeel. Ze vormen één geheel met de manifold en worden altijd samen ermee gemonteerd.

Het is niet mogelijk om een enkele defecte buis te vervangen. Voor reparatie moet het hele systeem volledig worden gedemonteerd en vervangen door een nieuw.

Vergelijking van verschillende modificaties

Bij de vervaardiging van zonne-energieapparaten worden warmtekanalen en vacuümglazen buizen voor zonnecollectoren in diverse combinaties samengevoegd.

Coaxiale modellen met een heat pipe-warmtekanaal zijn het populairst bij consumenten. Kopers worden aangetrokken door de gunstige prijs van de apparaten en het zeer eenvoudige, toegankelijke onderhoud gedurende de gehele levensduur.

Een vacuümzonnecollector met een werkend heat pipe-kanaal kan uitstekend worden gerepareerd. Het vervangen van beschadigde buizen gebeurt ter plaatse en vereist geen demontage van het systeem of verplaatsing. De warmteoverdracht in deze modellen verloopt echter moeizaam, waardoor het rendement maximaal 65% bedraagt.

Vacuümapparaten met heat pipe-kanalen tonen een hoge betrouwbaarheid en kennen geen gebruiksbeperkingen, zelfs niet in hogedruk zonne-thermische systemen.

Apparaten met een coaxiale buis die doorstroom U-vormige kanalen bevatten, behoren ook tot de gewilde modellen. Ze worden gekenmerkt door een lage warmteverlies en een rendement van 70% of hoger.

Voor een correcte werking moet het vacuümapparaat met U-kanaal correct worden geïnstalleerd. Het is wenselijk dat de minimale hellingshoek ten minste 20⁰ bedraagt. Alleen op die manier kan maximale opbrengst worden gegarandeerd.

De situatie wordt enigszins bemoeilijkt door: het complexe reparatieproces, specifiek onderhoud tijdens gebruik en de onmogelijkheid om een afzonderlijk defect onderdeel te vervangen. Als er iets met het apparaat gebeurt, wordt het gedemonteerd en wordt er een volledig nieuwe collector geplaatst.

Veerbuizen bestaan constructief uit een enkele glazen cilinder met verdikte, stevige wanden (afhankelijk van de fabrikant vanaf 2,5 mm dik). De binnenin bevindende veerabsorberende inzet omsluit nauw het werkkanaal, dat is vervaardigd van warmtegeleidend metaal.

Een bijna perfecte isolatie wordt gecreëerd door de vacuümruimte in de glazen container. De absorber geeft de geabsorbeerde warmte zonder verlies door en zorgt voor een systeemrendement tot 77%.

In geval van een defect kunnen collectoren uitgerust met veerbuizen worden gerepareerd. Het is niet nodig om het hele systeem te vervangen; het volstaat om het beschadigde onderdeel te vinden, te demonteren en er een nieuwe op zijn plaats te zetten.

Modellen met een veerelement zijn iets duurder dan coaxiale modellen, maar dankzij hun hoge efficiëntie zorgen ze voor volledig comfort in de ruimte en verdienen ze zich snel terug.

De meest efficiënte en productieve zijn veerbuizen met interne doorstroomkanalen. Hun werkelijke rendement bereikt soms recordwaarden van 80%.

Bij de montage van veerbuizen in het frame wordt op de staaf van elk onderdeel een stevige knelmoer met ring en hittebestendige pakking aangebracht. Dit zorgt voor de dichtheid van de gehele constructie en stelt de collector in staat om onder alle omstandigheden volledig te functioneren.

De prijs van de producten is vrij hoog, en bij reparatie moet alle warmtedrager uit het systeem worden afgetapt en pas daarna worden begonnen met het verhelpen van de storingen.

Hoe moet de warmtecollector eruitzien?

De warmteverzamelaar is een ander zeer belangrijk werkend onderdeel van de vacuümcollector. Via dit element wordt de overdracht van opgeslagen warmte van de buizen naar de warmtedrager gerealiseerd.

De warmteverzamelaar bevindt zich in het bovenste deel van het apparaat. Een van zijn componenten, de koperen kern, ontvangt de energie en geeft deze door aan de primaire warmtedrager die circuleert in het gesloten systeem 'warmtewisselaar tank-collector'.

Een correcte werking wordt gegarandeerd door een op het systeem aangesloten circulatiepomp. De automatisering die het verwarmingscomplex bestuurt, houdt nauwlettend het temperatuurniveau in de kanalen in de gaten en stopt, wanneer dit onder het toelaatbare kritische minimum daalt (bijvoorbeeld 's nachts), de werking van de pomp.

Dit voorkomt terugverwarming, wanneer de warmtedrager warmte begint te onttrekken aan het hete water dat zich in de opslagtank heeft verzameld.

Voor- en nadelen van vacuümcollectoren

Het belangrijkste voordeel van de units is het vrijwel volledige gebrek aan warmteverlies tijdens het gebruik. Dit wordt mogelijk gemaakt door de vacuümomgeving, die een van de meest hoogwaardige natuurlijke isolatoren is. Maar daarmee houdt de lijst met voordelen niet op.

De apparaten hebben ook andere duidelijke voordelen:

• werkefficiëntie bij lage temperaturen (tot -30°C);
• vermogen om temperaturen tot 300°C te accumuleren;
• maximale mogelijke absorptie van thermische energie, inclusief het onzichtbare spectrum;
• operationele stabiliteit;
• lage gevoeligheid voor agressieve atmosferische verschijnselen;
• lage windgevoeligheid, te danken aan de constructieve kenmerken van buissystemen die luchtmassa's van verschillende dichtheid door zich heen kunnen laten stromen;
• hoog rendement in regio's met een gematigd en koel klimaat met weinig heldere en zonnige dagen;
• levensduur bij naleving van de basisgebruiksregels;
• toegankelijkheid voor reparatie en de mogelijkheid om niet het hele systeem te vervangen, maar slechts één defect onderdeel.

Tot de nadelen behoren het onvermogen van de collectoren om zichzelf te ontdoen van rijp, ijs en sneeuw, en de hoge prijs van onderdelen die nodig zijn om het apparaat thuis te assembleren.

Een zonnecollector is een efficiënt apparaat dat zonne-energie vrijwel zonder verlies omzet in thermische energie

Zelfmontage van de eenheid

Het assemblageproces van de vacuümcollector begint met het maken van een draagframe voor de werkende elementen. Dit wordt direct gemonteerd op de plaats die voor het apparaat is bestemd.

De afmetingen van het frame zijn volledig afhankelijk van het model dat men van plan is te maken, en worden meestal vermeld in de instructies die bij de componenten worden geleverd.

Het voltooide frame voor de collector wordt op het dak bevestigd, zodat het een vaste positie heeft en niet wiebelt. Als het dak van leisteen is, worden latten en dikke schroeven met grote diameter gebruikt. Voor andere dakbedekkingsmaterialen worden gewone ankers gebruikt.

De contactpunten van het frame met het dakoppervlak worden extra met kit bevestigd om te voorkomen dat er in de toekomst water door de gaten in het huis komt. Vervolgens wordt de opslagtank naar de montageplaats gebracht en met schroeven op het bovenste deel van het frame bevestigd.

In de volgende fase worden het verwarmingselement, de temperatuursensor en de geautomatiseerde ontluchter gemonteerd. Alle hulpcomponenten en bijbehorende onderdelen worden op de meegeleverde dempende pakkingen geplaatst. Voor het bevestigen van de temperatuursensor wordt een dopsleutel gebruikt.

Vervolgens wordt de aanleg van de waterleidingvoorzieningen georganiseerd. Hiervoor worden buizen gebruikt van elk materiaal dat bestand is tegen lage temperaturen en tot 95°C kan weerstaan. Polypropyleen buizen en fittingen hebben zich goed bewezen.

Polypropyleen buizen zijn ideaal voor het verbinden van een zonnecollector met het waterleidingssysteem van een woning. De fittingen hebben goede fysieke eigenschappen en operationele duurzaamheid, gaan vele jaren betrouwbaar mee en kunnen eenvoudig worden vervangen bij scheuren of breuken.

Nadat de waterleiding is aangesloten, wordt het opslagvat met water gevuld en getest op dichtheid. Als er binnen 3-4 uur ergens lekken worden gedetecteerd, worden deze verholpen.

Tot slot worden de verwarmingselementen geïnstalleerd. Hiervoor wordt een koperen buis omwikkeld met aluminiumfolie en in een glazen vacuümbuis geplaatst. Aan de onderkant van de kolf wordt een fixatiecup en een stofkap van stevig, flexibel rubber geplaatst.

De bovenste koperen punt van de buis wordt tot de aanslag in de messing condensor geschoven. De viskeuze thermische contactpasta wordt niet van de buizen verwijderd. Het bevestigingsmechanisme wordt op de beugel geklikt en volgens hetzelfde principe worden alle overige glazen buizen gemonteerd.

Buizencollectoren voor zonne-energie hebben regelmatig onderhoud en verplichte reiniging nodig, vooral tijdens periodes van actieve sneeuwval. Als deze eenvoudige regels worden gevolgd, zullen ze lang werken en gedurende de hele levensduur een hoog rendement behouden.

Op de constructie wordt een montageblok geplaatst, wordt er 220 volt stroomvoorziening aangesloten en worden er drie hulpblokken aan het systeem gekoppeld: het verwarmingselement, de ontluchter en de temperatuursensor.

Als laatste wordt de controller aangesloten, die bedoeld is voor het correct beheren van het systeem. In het menu van de controller worden de gewenste werkparameters ingevoerd en wordt het systeem in de standaardmodus gestart.

Een stapsgewijze instructie voor de bouw van een zonnecollector wordt gegeven in dit artikel.

Hoe plaatst u het apparaat correct?

Om een vacuümcollector volledig te laten werken en een woonruimte effectief van de benodigde energie te voorzien, is het noodzakelijk om de meest gunstige locatie te vinden en het apparaat correct te oriënteren ten opzichte van de windstreken.

Zonnecollectoren van het vacuümtype zijn veel praktischer dan hun vlakke tegenhangers. Wanneer een van de werkbuizen beschadigd raakt en uitvalt, is deze zeer eenvoudig te vervangen door een nieuwe. Daarna blijft het systeem in dezelfde modus functioneren. Als het niet direct mogelijk is om een nieuw element op de plaats van het defecte te plaatsen, is dat geen probleem. Het apparaat kan zijn 'taken' blijven uitvoeren, zelfs als het een onderdeel met een beschadigd element bevat.

Voor nederzettingen op het noordelijk halfrond is het relevant om de collector op het zuidelijke deel van het dak van het huis of aan de zonnige kant van het terrein te plaatsen. Het is wenselijk om voor het vlak van het apparaat een minimale afwijking te garanderen.

Als het niet mogelijk is het oppervlak op het zuiden te richten, kiest u best voor het helderste perspectief uit west en oost in een open ruimte.

De hoge werkefficiëntie van de vacuümcollector is ook te danken aan het feit dat hij volgens het principe van een spiegel werkt en zijn thermisch vermogen aanpast aan de huidige hoogte van de zon.

Het zonne-energiecomplex mag niet worden geblokkeerd door schoorstenen, decoratieve dakbedekkingselementen, uitgestrekte boomtakken en hoge woongebouwen of technische constructies. Dit vermindert de efficiëntie en verlaagt het verhittingsniveau van de actieve elementen.

Als het apparaat correct is geplaatst, zorgt het voor een vrijwel gelijke warmteafgifte gedurende het hele jaar, ongeacht het seizoen.

Als u geen uitgebreide ervaring heeft met complexe reparatie-, montage- en loodgieterswerken, is het niet verstandig om thuis buizen te vacumeren. Dit proces is zeer arbeidsintensief en vereist gespecialiseerde kennis en professionele apparatuur.

Bovendien hebben zelfgemaakte vacuümelementen een veel lager rendement dan fabrieksonderdelen. Daarom is het het verstandigst om producten bij een gespecialiseerde fabrikant te kopen en vervolgens thuis te proberen enkele secties in elkaar te zetten.

Op de site is een selectie van artikelen over het installeren van een zonneverwarmingssysteem te vinden; wij raden u aan deze te bekijken:

1. Zonneverwarmingssystemen: analyse van technologieën voor het inrichten van verwarming op basis van zonnesystemen
2. Verwarming van een privéwoning met zonnepanelen: schema's en ontwerp
3. Flexibele zonnepanelen: soorten, kenmerken + aansluiting

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

Een gedetailleerde beschrijving van de vacuümbuis, het werkingsprincipe en de bijzonderheden van de werking van de zonnecollector als geheel. De auteur vertelt over enkele interessante nuances en laat zien dat de installatie een echt alternatief kan zijn voor een gasketel.

Interessante informatie over de werking van de zonnecollector in de winterperiode.

Hoe u zelf een vacuümzonnecollector correct monteert in huiselijke omstandigheden. Alle nuances van het proces, aanbevelingen en nuttige tips.

Als u het basisprincipe van de werking van een buisvormige vacuümzonnecollector kent, kunt u het apparaat zelf in elkaar zetten. De installatie zal volledig voldoen aan uw persoonlijke individuele eisen en behoeften.

Het is geen al te moeilijke bezigheid, maar het vereist extra aandacht, nauwkeurigheid en bepaalde vaardigheden, anders neemt het risico op beschadiging van de integriteit van de glazen buis en het verbreken van de afdichting aanzienlijk toe.

Wij nodigen iedereen die geïnteresseerd is in het kiezen, installeren of zelf monteren van een zonnecollector uit om reacties achter te laten en vragen te stellen. Het contactformulier bevindt zich in het onderste blok.