EN
Werkingsprincipes en ontwerp van gedrukte systemen
Gedrukte zonneverwarmingsystemen maken gebruik van gesloten circuits. Het warmtedragend medium (dat water of een mengsel van water en propyleenglycol kan zijn) wordt onder een druk van 50–100 psi door een collectorpaneel op het dak en een geïsoleerde warmwatertank gepompt. Het belangrijkste voordeel van deze systemen is hun mogelijkheid om te worden aangesloten op standaard huishoudelijke leidinginstallaties. Dit betekent dat alle kranen en douches een constante watertemperatuur en -druk leveren, zelfs wanneer meerdere gebruikers tegelijkertijd warm en koud water gebruiken in gebouwen met meerdere verdiepingen. Om de door warmte veroorzaakte uitzetting op te vangen, zijn de systemen uitgerust met speciale expansietanks. Bij de meeste installaties wordt als leidingmateriaal bij voorkeur roestvrij staal of koper gebruikt, omdat deze materialen zeer bestand zijn tegen corrosie. Dit maakt ze geschikt voor langdurige prestaties, zowel in residentiële als commerciële leidinginstallaties.
Thermosifon-systemen die onder druk staan, functioneren via een proces dat bekendstaat als natuurlijke convectie. Bij dit proces verwarmen zonnecollectors op het dak water. Dat verwarmde water stijgt van nature naar opslagtanks die hoger zijn geplaatst dan de collectors. Dit betekent dat er geen pompen nodig zijn en ook geen dure onderdelen die bestand zijn tegen druk. Het grootste deel van de constructie wordt uitgevoerd met goedkope materialen (zoals EPDM-rubber en polypropyleen). Dit type constructie is geschikt omdat de systemen werken bij normale druk (atmosferische druk). Deze systemen hebben speciale functies voor wanneer de temperaturen onder het vriespunt dalen (koude winters). Ze legen en spoelen automatisch het water uit de collectorbuizen om bevriezingschade door barstende buizen te voorkomen.
Belangrijke verschillen in materialen en warmtewisseling
Verschillen in materialen en constructie zijn het gevolg van verschillende fundamentele werkwijzen. Vanwege de aanwezigheid van continue druk is er behoefte aan metalen met een hoge integriteit (corrosiebestendig), zoals roestvrij staal, voor de leidingen en warmtewisselaars van onder druk staande systemen. Systemen die niet onder druk staan, hoeven aan deze eisen niet te voldoen, waardoor een groter gebruik van polymere materialen mogelijk is. Dit verlaagt de bouwkosten aanzienlijk en vergemakkelijkt tevens de installatie.
Verschillende systemen hebben verschillende manieren om warmte over te dragen. Eenheden die onder druk staan, hebben meestal interne coils of gejakte warmtewisselaars in goed geïsoleerde tanks. Deze ontwerpen houden drinkwater gescheiden van de glycolkringloop. Hoewel dit ontwerp minder kans geeft op bevriezingsproblemen, leidt het tot meer complexiteit bij het onderhoud. Niet-drukdragende systemen zijn anders. Sommige systemen verwarmen water direct in de collector zelf, wat een directe thermosifon wordt genoemd. Andere zijn uitgerust met eenvoudige externe warmtewisselaars. Niet-drukdragende systemen functioneren doorgaans beter bij milde temperaturen en bieden een hogere efficiëntie. Echter, plotselinge temperatuurwisselingen verlagen hun prestaties en weerbestendigheid.
Het beste zonneboilerstelsel kiezen op basis van de omstandigheden op uw locatie
Waterdruk en type leidingwerk en gebouw
Het begrijpen van het huidige watervoorzieningssysteem is essentieel bij het bepalen van de geschiktheid van een systeem. De meeste moderne bouwprojecten maken gebruik van een onder druk staand systeem, waarbij water via hoofdvoorzieningsleidingen naar de afzonderlijke eenheden wordt gevoerd. Daarom zijn onder druk werkende waterverwarmers ideaal voor appartementen, condominiums en meerlaagse woongebouwen, waar op elke verdieping voldoende watertijd is vereist. Deze systemen zijn ook ideaal bij de renovatie van oudere gebouwen, aangezien zij het vermijden van uitgebreidere aanpassingen aan de bestaande constructie mogelijk maken — in tegenstelling tot conventionele installaties, die vaak gebruikmaken van dakterreinen of zoldergebieden.
Zwaartekrachtsystemen werken uitstekend voor ondruksystemen, zoals in landelijke gebieden, oudere woningen met koude watertanks op het dak of volledig off-grid-systemen. Problemen ontstaan wanneer er onvoldoende verticale afstand is tussen het verzamelpunt en de aansluiting van het verzamelpunt. Meestal wordt een verticaal verschil van ten minste een halve meter aanbevolen. Dit kan een probleem zijn bij gebouwen met een laag hellend of vlak dak. Een ondrukwaterinstallatie kan onderpresteren wanneer de watertijd laag is (ongeveer 20 psi), omdat het water in dergelijke systemen traag stroomt en nauwelijks druppelt. Een overdrukinstallatie daarentegen verwerkt deze situatie beter. Onderzoek altijd de bestaande leidingen grondig voordat u installeert, om het gebruik van pompen en kleppen tot een minimum te beperken. Dit is essentieel in oudere gebouwen, waarbij u de bestaande leidingen zo min mogelijk wilt verstoren. Capaciteit van dakbelastingen, klimaat en risico op bevriezing
We hebben gezien dat structurele sterkte en weerbestendheid cruciale onderzoeken zijn voordat een gebouw wordt gekozen voor zonne-energie-installaties. Een vlakdaksysteme voegt meestal 30 tot 50 kilogram per vierkante meter toe. Niet-gedrukte systemen zijn doorgaans lichter, omdat ze kleinere tanks in het systeemontwerp integreren, wat de installatie op bestaande constructies vergemakkelijkt. De meeste zonne-energie-installaties zijn geschikt voor schuin gedekte daken. Er is echter één belangrijke overweging: installateurs moeten zich bewust zijn van de sterker windkrachten langs kustgebieden, waardoor de bevestigingsvereisten met ongeveer 15 tot 20 procent toenemen. Dit betekent dat gecertificeerde steunconstructies, geïnstalleerd door speciaal gecertificeerde installateurs, verplicht zijn voor deze gebieden om te waarborgen dat het systeem stormbestendig is.
Het risico op bevriezing is een belangrijke factor bij de keuze van verwarmingssystemen. Gebieden waar jaarlijks meer dan twee opeenvolgende dagen temperaturen van nul graden worden gemeten, kiezen voor onder druk staande systemen in combinatie met glycol-antivriesoplossingen. Deze mengeling voorkomt dat de leidingen bevriezen. Niet-onder-druk-staande systemen daarentegen zijn afhankelijk van effectieve drain-back-systemen. Dit omvat leidingen met een juiste helling voor waterafvoer, veiligheidskleppen, operationele back-ups bij eventuele storingen en een hulpstroomvoorziening voor het regelsysteem. De eisen aan het afvoer- en regelsysteem geven in dergelijke klimaten aanleiding tot meer onderhoudsgerelateerde zorgen. Omgekeerd mogen tropische gebieden en gebieden met een permanent niet-bevriezende klimaat — met uitzondering van enkele extreem koude gebieden — eenvoudige niet-onder-druk-staande thermosifon-systemen gebruiken, die gedurende langere perioden efficiënt functioneren zonder complexe mechanismen. Voor gebieden met minder dan 200 zonnige dagen per jaar zijn onder-druk-staande systemen de betere optie, omdat zij effectiever zijn dan niet-onder-druk-staande systemen bij bewolk weer. Dit komt doordat onder-druk-staande systemen een continue circulatie mogelijk maken tijdens langere perioden met weinig zonlicht, wat uiteindelijk de kans op systeemstoringen tijdens slecht weer vermindert.
Praktisch gebruik en efficiëntie van verschillende soorten zonne-energie-waterverwarmers
Er zijn twee hoofdtypen zonne-energie-waterverwarmers: onder druk staande en niet-onder-druk-staande modellen. Deze twee typen zonne-energie-waterverwarmers kunnen op vele verschillende manieren worden gebouwd en geconfigureerd, en hun constructie, de weersomstandigheden waaraan ze blootstaan en de vakbekwaamheid van de installateur kunnen hun prestaties sterk beïnvloeden. Kwalitatief hoogwaardige installaties halen doorgaans 50 tot 75% van hun behoefte aan warm water uit zonne-energie. Onder-druk-staande modellen behalen meestal deze hogere percentages, omdat de ontwerpen van hun warmtewisselaars beter zijn, wat een efficiëntere doorstroming door de leidingen mogelijk maakt. Dit maakt ze ook efficiënter bij koud weer of wanneer temperatuurschommelingen optreden.
Gedrukte en ongedrukte systemen werken anders wat betreft warmte. Niet-gedrukte systemen, ook wel thermosifon-systemen genoemd, presteren ongeveer 10–15% beter wanneer het warm is en er geen negatieve invloed is van pompen of warmteoverdracht van componenten die minder effectief worden. Het omgekeerde hiervan is dat gedrukte systemen gedurende de gehele tijd een consistente prestatie leveren — gemiddeld per seizoen en per jaar, en in de winter bij vorsttemperatuur ongeveer 30% beter qua algehele prestatie. Echter, het omgekeerde geldt vooral in tropische gebieden en warme gebieden, waar de vereenvoudigde, directe verwarmingsmethode van niet-gedrukte systemen effectiever is.
Wanneer systemen worden geïnstalleerd, hangt hun werking in veel grotere mate af van de aandacht die aan de installatie wordt besteed dan van het type systeem in kwestie. Het correct instellen van de hoek van het systeem is zeer belangrijk en kan zelfs de opbrengst van het systeem met tot wel 25% verhogen. Problemen zoals schaduwvorming door andere gebouwen, onjuiste buisafmetingen en slechte isolatie kunnen de opbrengst van de systemen echter veel sterker verminderen dan andere, in het systeem ingebouwde factoren. Onderhoud is zeer belangrijk. Aanslag vormt zich aan de binnenzijde van onder druk staande warmtewisselaars en indien deze warmtewisselaars niet worden gereinigd, neemt het rendement met 12% per jaar af. Niet-onder-druk-staande systemen zijn minder gevoelig voor aanslagproblemen, maar wel gevoeliger voor luchtbellen en sedimentophoping in open tanks. De meest recente innovaties op het gebied van vacuümbuiscollectoren zijn ongeveer 15% efficiënter dan vlakke-plaatcollectoren en vormen daarom de nieuwste en meest optimale oplossing. De meest recente innovaties op het gebied van collectoren zijn toepasbaar op beide systemen, mits zij allemaal correct worden geïnstalleerd.
Totale eigendomskosten: initiële investering, onderhoud en rendement op investering voor zonne-energiesystemen voor warm water
Bij het berekenen van de langetermijnkosten worden vaak kosten buiten de aanschafprijs over het hoofd gezien. De werkelijke waarde omvat de installatie, regulier onderhoud en de besparingen die het systeem gedurende de jaren oplevert. De meeste huiseigenaren die zonne-energie-systemen voor warm water installeren, besteden tussen de $3.000 en $8.000, inclusief de kosten van het systeem zelf. Gedrukte systemen liggen doorgaans aan de hogere kant van dat bereik. Dit komt door de aanvullende gespecialiseerde componenten, zoals warmtewisselaars en expansietanks, evenals de glycolklep die is goedgekeurd voor hoge temperaturen en die extra werk vereist van de installateurs. Niet-gedrukte modellen, zoals eenvoudige thermosifonmodellen, lijken daarentegen in eerste instantie goedkoper te zijn. Maar indien bepaalde locatievoorwaarden niet worden vervuld, kunnen er extra kosten ontstaan. Onvoldoende dakvrijheid en vorsttemperaturen kunnen leiden tot vertragingen en hogere kosten voor de toevoeging van een drain-backregeling en verwarmingsoplossingen.
een goede onderhoudsbeurt kost ongeveer een halve procent van de totale installatiekosten van het systeem. Dit komt neer op ongeveer $15–40 per jaar voor controles van de systeemstatus, aanvullingen van gepresuriseerde glycolcircuits en klepcontroles die elke drie tot vijf jaar plaatsvinden. Over het algemeen vereisen gepresuriseerde systemen minder bezoeken van technici indien geïnstalleerd in koudere klimaten, in vergelijking met niet-gepresuriseerde systemen die mechanische drain-backsystemen vereisen. De twee grootste operationele problemen die niet-gepresuriseerde systemen beïnvloeden, zijn aanslagvorming en sediment. Daarom is het uitvoeren van waterkwaliteitstests belangrijk, vooral wanneer de lokale waterhardheid hoger is dan zeven graan per gallon. Het behandelen van het water om mineraalafzetting te minimaliseren, is essentieel om toekomstige operationele problemen te voorkomen.
Volgens het Amerikaanse ministerie van Energie zijn de besparingen van zonne-energieverwarmers aanzienlijk. Hun onderzoek toont aan dat zonne-energieverwarmers 50% tot 80% besparen op de kosten voor waterverwarming. Als een huishouden een conventionele elektrische verwarmer met een Uniform Energy Factor van 1,0 vervangt door een zonne-energiesysteem, dan bespaart dat huishouden, gebaseerd op de nationale gemiddelde elektriciteitsprijzen, $274 per jaar; voor sommige huishoudens kan deze besparing nog hoger uitvallen. Ook al zijn deze besparingen aanzienlijk, er zijn andere factoren die moeten worden meegenomen bij de analyse van het rendement op de investering. Verwacht wordt dat energieprijzen jaarlijks met 2% tot 5% zullen stijgen, wat de besparingen verder vergroot. Daarnaast neemt de efficiëntie van het systeem in de loop der tijd af. Gemiddeld verliest een systeem elk jaar 0,5% tot 1% van zijn efficiëntie. Ook subsidies kunnen worden meegenomen, zoals de federale belastingvoordelen van 30% van de aanschafkosten en lokale terugbetalingen. Al deze factoren wijzen erop dat kwalitatief hoogwaardige zonne-energieverwarmers zich binnen 6 tot 12 jaar terugverdienen. In koude gebieden en vooral in meerlaagse gebouwen kunnen nieuw aangeschafte onder druk werkende modellen iets duurder zijn, maar zijn vaak effectiever en duurzamer.
Deze systemen behouden gedurende de bevriezingsperioden dezelfde betrouwbaarheid, waarborgen een constante druk in het hele gebouw en besparen u onderbrekingen van reparatie- en onderhoudsdiensten die andere systemen u zouden kosten.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen onder druk staande en niet-onder-druk-staande zonne-energie-systemen voor warm water?
Het verschil tussen de twee typen ligt in de wijze waarop de systemen werken. Bij onder druk staande systemen wordt het water onder een bepaalde druk gehouden in een gesloten circuit, terwijl bij niet-onder-druk-staande systemen het water door natuurlijke circulatie stroomt, zodat geen pomp nodig is en de druk gelijk blijft aan de atmosferische druk.
Welk materiaal wordt gebruikt in onder druk staande systemen om corrosie te voorkomen?
Voor corrosiebestendigheid in onder druk staande systemen worden hoogwaardige metalen, koper en roestvrij staal, gebruikt om de druk veilig te kunnen opsluiten in leidingen, warmtewisselaars en reservoirs.
Zijn niet-onder-druk-staande systemen geschikt voor koude klimaten?
Niet-gedrukte systemen zijn vaak minder geschikt voor koude klimaten, omdat ze last kunnen hebben van bevriezingsproblemen. Ze vereisen goede afvoereigenschappen om schade aan leidingen door bevroren water te voorkomen.
Hoe beïnvloedt het daktype de installatie van zonne-energie-waterverwarmers?
De helling van een dak kan van invloed zijn op de installatie van een zonne-energie-waterverwarmer. Vlakke daken brengen een bepaalde extra belasting met zich mee, terwijl schuin aflopende daken over het algemeen geschikter zijn. In kustgebieden is echter een speciale montage vereist vanwege de sterke windkrachten.
Wat is het standaardonderhoud dat nodig is voor zonne-energie-waterverwarmers?
Onderhoud bestaat meestal uit het controleren van de apparatuur, het bijvullen van vloeistoffen in gedrukte systemen en het controleren op aanslag- en sedimentopbouw. Regelmatig testen van de waterkwaliteit is vereist om afzettingen te voorkomen.