Hoe werkt een thermisch zonlichtsysteem (zonneboiler)?

Een thermisch zonlichtsysteem is bestemd voor het verwarmen van water ten behoeve van sanitair tapwater en / of centrale verwarming door middel van zonlicht. Deze collectoren, zoals bijvoorbeeld zonneboilers, zijn dus anders dan reguliere pv-panelen (zonnepanelen) die elektriciteit opwekken. Onderstaand worden de werking, toepassing en kosten van thermische zonlichtsystemen nader toegelicht.

Typen collectoren

Thermische zonnecollectoren worden onderverdeeld in lage-, midden- of hogetemperatuurverzamelaars. Lagetemperatuurcollectoren worden meestal gebruikt voor het verwarmen van zwembaden. Middentemperatuurcollectoren worden over het algemeen gebruikt voor huishoudelijk, maar ook wel voor commercieel gebruik. Beide typen collectoren zijn over het algemeen vlakke platen. Hogetemperatuurcollectoren concentreren het zonlicht met behulp van spiegels of lenzen, waardoor zeer hoge temperaturen bereikt kunnen worden voor bijvoorbeeld (industriële) stoomproductie of voor chemische reacties.

Werking collectoren

Voor het invangen van zonlicht worden dus vaak vlakke collectoren gebruikt waar het gaat om huishoudelijk gebruik. Een collector, die bestaat uit een behuizing, isolatiemateriaal, een glasplaat en een absorber. De glasplaat is ijzerarm, om weerkaatsing van de zon te voorkomen. De absorber is opgebouwd uit een koperen plaat met watervoerende buizen die het warmtetransport verzorgen. De absorber is voorzien van een spectraal selectieve laag. Deze coatingslaag zorgt ervoor dat het ingevangen zonlicht in de koperen plaat de warmte overdraagt aan het water en niet weerkaatst. Het verwarmde water kan nu benut worden voor gebruik van sanitair water of ten behoeve van de centrale verwarming, bijvoorbeeld door het te verpompen naar een geïsoleerd voorraadvat: een zonneboiler.

Op een zonneboiler zit een pomp, deze wordt door een regeleenheid aangezet op het moment dat de temperatuur in de boiler lager wordt dan de temperatuur van het water in de zonnecollectoren. Hierdoor warmt het water in de boiler op en koelt het water in de collectoren af. Wanneer beide temperaturen weer gelijk zijn, wordt de pomp uitgeschakeld. Op deze wijze kan zelfs bij een lage zoninstraling warm water beschikbaar zijn, omdat dit is opgeslagen in de boiler. Zelfs in de winter kan een zonneboiler voldoende warm water produceren voor gemiddeld huishoudelijk gebruik en in sommige gevallen wordt de centrale verwarming ook van warmte voorzien door de zonneboiler.
Mocht het vrijkomende water echter niet warm genoeg zijn, dan kan altijd door middel van naverwarming door een reguliere cv-ketel of geiser alsnog de gewenste temperatuur bereikt worden.

Instraling en zonoriëntatie

De hoeveelheid ingevangen zonlicht is afhankelijk van de instralingshoek en de zonoriëntatie. Bij een loodrechte instraling is sprake van weinig reflectie; bij een grote instralingshoek is meer reflectie waardoor het rendement afneemt. De optimale instralingshoek is 36 graden. De meest ideale zonoriëntatie is een vlak op het zuiden. Om de instralingshoek en zonoriëntatie zo optimaal mogelijk te benutten zijn er zonvolgsystemen in de handel.

Bescherming tegen vorst en tegen koken

Het is van groot belang om de collectoren te beschermen tegen vorst en koken. Er zijn diverse systemen op de markt. Een zogenaamd leegloopsysteem zorgt ervoor dat de collectoren alleen gevuld zijn met water indien er warmteoverdracht is. Andere systemen worden uitgevoerd met thermolinten (tegen vorst), overstortventielen (tegen koken) of er wordt glycol toegevoegd aan het water dat door de watervoerende buizen wordt gevoerd. Het rendement van een collector is het grootst als er laagtemperatuur water doorheen gaat. Hierdoor zijn de panelen bij uitstek geschikt om koud water voor te verwarmen. Voor een cv-systeem kan dit alleen maar als er gebruik gemaakt wordt van laagtemperatuursystemen. Op een zonnige dag in juli straalt de zon bij ons in Nederland circa 1000 Watt per vierkante meter naar de aarde en in december is dit circa 850 Watt. Indien we een bewolkte dag hebben loopt de zoninstraling soms terug tot minder dan 100 Watt per vierkante meter. Echter, omdat de collectoren al functioneren bij een kleine hoeveelheid zonlicht, dragen deze toch bij aan een duurzaam gebouwde omgeving.

Kosten en besparing

De kosten van een zonneboiler inclusief installatie liggen minimaal zo rond de 500 euro en maximaal rond de 3500 euro. Terugloop of leegloopsystemen zijn het goedkoopst, omdat deze systemen het minst complex zijn en er bovendien geen druk op het systeem staat. Systemen die gevuld zijn met glycol zijn een stuk duurder in aanschaf.

De besparing op jaarbasis van een gemiddeld systeem met een collectoroppervlak van rond de 3 vierkante meter ligt tussen de 150 en 350 kubieke meter aardgas. Uiteraard is de besparing geheel afhankelijk van het waterverbruik. Een goede vuistregel is dat een gemiddeld huishouden circa de helft van het verbruikte gas gebruikt voor het opwarmen van tapwater (dit wordt vervangen door de thermische zonnecollectoren). Daarmee komt de besparing op ongeveer 200 euro op jaarbasis. Bij vervanging van een elektrische boiler kan uitgegaan worden van ongeveer eenzelfde bedrag aan besparing op de elektriciteitsrekening. Uitgaande van een besparing van 200 euro op jaarbasis, is de terugverdientijd van de investering in de thermische zonnecollectoren eenvoudig uit te rekenen.

Let op: bovenstaande bedragen zijn slechts grove inschattingen.