BOILER VERSLAG VAN EEN ZELFBOUWPROJECT

© Bureau Soft-Huis Technical Training

File Zonnecollector / zonneboiler Verslag van een zelfbouwproject

Page

ZB14

1

DE ZONNECOLLECTOR/BOILER VERSLAG VAN EEN ZELFBOUWPROJECT

ZONNECOLLECTOR

Inhoud:

ZONNEBOILER

BIJWARMBOILER

Pagina:

Deel 1: Uitgangspunten en berekeningen. ............................................................... 2 1.1. Inleiding .......................................................................................................... 2 1.2. Onzekere punten ............................................................................................ 4 1.3. Horizontale of verticale plaatsing van de collector? ........................................ 5 1.4. Thermosifonsysteem of systeem met circulatiepompje? ................................ 5 1.5. Berekening van het vermogen ........................................................................ 7 1.6. Stroomt het warme water 's nachts weer terug naar de collector? ................. 9 1.7. Samenvatting deel 1 ..................................................................................... 10 Deel 2: Bouw van het systeem. .............................................................................. 11 2.1. Inleiding ........................................................................................................ 11 2.2. De zonnecollector ......................................................................................... 11 2.3. De boiler ....................................................................................................... 12 2.4. Het verwarmende circuit ............................................................................... 14 2.5. Conclusie ...................................................................................................... 16 Deel 3: Aanvullingen uit de praktijk......................................................................... 16 3.1. 1e aanvulling (november 1997) ..................................................................... 16 3.2. 2e aanvulling (februari 2008)......................................................................... 18 3.3. Mogelijke toevoeging: thermostaat 3-wegkraan ........................................... 23 3.4. Aanvulling augustus 2013 ............................................................................ 25 3.5. Aanvulling december 2014: Wikipedia .......................................................... 27 ZP14.doc, december 2014 Overname met bronvermelding toegestaan. Laatste wijziging oktober 2014.



ZB14

Page 2

Enige aantekeningen en berekeningen bij het ontwerpen en vervaardigen van een zonnecollector met boiler. Door Jan Huisman. In 1979 heb ik een zonneboilersysteem gebouwd en in bedrijf gesteld. Gedurende de meer dan 34 jaar dat het systeem nu werkt hebben vele deelnemers aan de cursussen die wij voor Thomassen en GE gegeven hebben, belangstelling voor zo'n systeem getoond. Mijn kladaantekeningen, gemaakt bij de voorbereiding en de bouw van het systeem, zijn dan ook vele malen gekopieerd. Het leek mij een goede gedachte (in 2008) om deze notities nu eens netjes op te schrijven, zodat een en ander wat duidelijker over komt. Want zo lang de zon blijft schijnen zal het onderwerp zonne-energie ter sprake blijven komen, tijdens menige koffie- of lunchpauze van de cursussen. Reacties worden op prijs gesteld. Deel 1: Uitgangspunten en berekeningen. 1.1. Inleiding Al sinds mijn jonge jaren ben ik geïnteresseerd in machines, eerst door op jonge leeftijd het boek "Scheepsoliemotoren" te verslinden, later beroepshalve als scheepswerktuigkundige en weer later als docent technische opleidingen bij AKZO, bij Thomassen en bij GE. Bij dit onderwerp komt steeds weer het rendement van een machine ter sprake. Is het niet vreselijk zonde dat bij vrijwel alle warmtewerktuigen meer dan de helft van de toegevoerde brandstofenergie verloren gaat? Studerend op en werkend met machines gaat men vanzelf nadenken over alternatieve energiebronnen (zon, wind, getijden etc.). Waarom benutten wij nauwelijks de vrijwel onuitputtelijke schone energiebronnen die de natuur ons biedt, terwijl de wereld steeds verder wordt vervuild door systemen met een slecht rendement? Zonne-energie is één van de vormen van energie waar relatief weinig mee gedaan wordt. Als je op de wereld rondkijkt lijkt het wel of op die plaatsen waar de zon overdadig schijnt, de brandstofenergie zó goedkoop is dat men geen alternatieven overweegt, en dat in koudere streken zoals in Nederland er ook niets mee gedaan wordt omdat "ons klimaat er niet geschikt voor is". Dit laatste valt nog te betwijfelen en ik begon in de 70er jaren serieus belangstelling voor deze energiebron op te vatten. Er waren toen al enkele systemen voor gebruik in een gezinswoning in de handel. De hoge prijs van die systemen maakte kopen echter niet aantrekkelijk. Begin 1979 kwam ik door toevallige omstandigheden in het bezit van een goede gebruikte warmwaterboiler. Ik vatte toen het idee op om zelf een zonnecollector met boiler te bouwen voor de warmwatervoorziening in mijn huis te Rheden. Veel informatie over het zelf bouwen heb ik gevonden in het boekje "Zonneenergie", door Ch. Kiely, Uitgave De Muiderkring 1978.



Page

ZB14

3

Het systeem bestaat uit een zonnewarmtecollector, waarin het verwarmingsmedium verhit wordt, en een boiler met ingebouwd verwarmingsspiraal (buis), waarin de warmte overgedragen wordt op het warme tapwater. Het verwarmende circuit is gesloten en het wordt gevuld met water plus antivries (automotor-koelvloeistof), zodat het systeem ook in de winter operationeel kan blijven. Ter voorkoming van eventuele lekkageproblemen (antivries in het drinkwatersysteem!) wordt het verwarmende circuit atmosferisch uitgevoerd, met een open expansietankje op het hoogste punt, terwijl de boiler een drukboiler is met de volle waterleidingdruk in het systeem. Bij onverhoopte lekkage lekt er dan slechts drinkwater naar het verwarmende circuit en geen koelvloeistof naar het drinkwatersysteem. Zie ook de aanvullingen in hoofdstuk 3. Het in de zonneboiler opgewarmde water stroomt naar een tweede boiler, die met behulp van een thermostatische regeling bijverwarmd wordt. De bijwarmboiler wordt in mijn geval door de CV-installatie opgewarmd. Hiervoor in de plaats kan uiteraard ook een gasboiler, een elektrische boiler of een geiser worden genomen. De geiser dient dan wel geschikt te zijn voor het toevoeren van voorverwarmd water! Zeer aantrekkelijk in dit systeem is het feit dat er geen enkele regeling nodig is. Bovendien is elke opwarming van het water, hoe gering ook bij donker weer, meegenomen. Dit zou niet kunnen wanneer het zonnecircuit rechtstreeks op de bijwarmboiler zou worden aangesloten; in dat geval zou het zonnesysteem pas gaan werken wanneer de zonnecollector heter wordt dan de bijwarmboiler.

ZONNECOLLECTOR

ZONNEBOILER

BIJWARMBOILER

Principeschema warmwaterinstallatie met zonneboiler Gezien de plaatsruimte op het dak van mijn huis en de gewenste capaciteit (alleen voor warm water, niet voor CV) werd gedacht aan een collector met een oppervlakte van ca. 2 m2.



Page

ZB14

4

Volgens Kiely ontvangt een zonnecollector op onze breedtegraad ongeveer 1000 kWh/m2.jaar. Het rendement is ca. 50%, dus wordt de nuttig beschikbare energie van een 2 m2 collector: 2 x 0,5 x 1000 = 1000 kWh/jaar. Gemiddeld per dag is dit 1000/365 = 2,74 kWh. Een andere benadering is het vermogen van een zonnecollector. De zonneconstante (het zonnevermogen dat per m2 op een zonnecollector valt, bij loodrechte instraling) bedraagt voor Nederland 1,35 kW/m2. Voor een 2 m2 collector met 50 % rendement wordt dit: 2 x 0,5 x 1,35 = 1,35 kW. Een collector op het Zuiden ontvangt gedurende ca. 6 uur instraling. Hiermee moet het water opgewarmd worden. Stel een boiler van 100 liter, die opgewarmd wordt van 20°C tot 80°C. De benodigde energie daarvoor is: 100 x 60 x 4,186 = 25116 kJ Als deze energie in 6 uur (21600 sec) geleverd wordt is het gemiddelde vermogen: 25116 / 21600 = 1,16 kW Op een zonnige dag wordt er dan aan zonne-energie opgenomen: 6 x 1,16 = 6,96 kWh. Op zonloze dagen wordt er vrijwel niets opgenomen, zodat het gemiddelde in Nederland neerkomt op 2,74 kWh, zoals Kiely schrijft. Hieruit volgt dat met een 2 m2 collector het opwarmen van een 100 liter boiler mogelijk moet zijn. 1.2. Onzekere punten Onzeker waren de volgende punten: -

uitgaande van een 2 x 1 m collector, wat is de gunstigste plaatsing, horizontaal of verticaal? kan een zelfwerkend thermosifonsysteem gebruikt worden, of is er een circulatiepompje met een regelsysteem nodig? wat wordt het vermogen van de collector? zal de warmte die overdag gewonnen is 's nachts niet terugstromen naar het dak? raakt het verwarmende circuit niet aan de kook op een hete zomerdag?

Deze vragen heb ik aan de hand van enkele berekeningen zo goed mogelijk getracht te beantwoorden.



Page

ZB14

5

1.3. Horizontale of verticale plaatsing van de collector? Principeschets:

ZONNECOLLECTOR

BOILER

VERTIKALE PLAATSING

HORIZONTALE PLAATSING

Meer hierover in de volgende berekeningen. 1.4. Thermosifonsysteem of systeem met circulatiepompje? Het meest aantrekkelijke systeem voor de watercirculatie in het verwarmende circuit is een zelfwerkend thermosifonsysteem. Daarbij is geen circulatiepompje nodig, en wellicht geen regeling (daarover later meer). De vraag was echter of zo'n thermosifonsysteem voldoende circulatiekracht zou opleveren en of er 's nachts geen terugstroming van het opgewarmde water zou zijn. Het thermosifonsysteem is gebaseerd op een natuurlijke stroming die ontstaat door verschillen in dichtheid van het warme en koude water in het systeem. De volgende grafiek geeft het verband tussen de temperatuur en de dichtheid van water. Normale koelvloeistof heeft bij 20ºC een dichtheid van 1070 kg/m 3. Ik heb bij de berekeningen echter de dichtheden van water bij verschillende temperaturen aangehouden.



Page

ZB14

6

Dichtheid van water als functie van de temperatuur Het principe van het thermosifonsysteem kan worden geïllustreerd door de dichtheid van het medium in het systeem voor te stellen door de breedte van balken in een evenwichtsplaatje. In deze voorstelling staat de zonnecollector links en de boiler rechts. Uiteraard zijn er ook verbindingsleidingen waarin het water een bepaalde temperatuur en dus een bepaalde dichtheid heeft. Alleen de verticale afstanden spelen een rol, de horizontale verbindingsleidingen zijn niet interessant. Op de onderkanten van het linkerbeen en van het rechterbeen komt een bepaalde druk te staan, gegeven door de formule: p= ρ.h.g

Hierin is:

p = druk op onderzijde been (N/m2) ρ = dichtheid medium (kg/m3) h = hoogte van de vloeistofkolom (m) g = versnelling van de zwaartekracht (9,81 m/s2) Het drukverschil dat voor de circulatie zorgt wordt gegeven door de totale druk van alle vloeistofkolommen links te verminderen met de totale druk van alle vloeistofkolommen rechts. Voor de lay-out van mijn systeem kwam het volgende principeplaatje er uit:



ZB14

h1 = 0,35 m (boilerspiraal) h2 = 0,6 m (afstand collector – boiler) h3 = 0,6 m (hoogte collector bij horizontale plaatsing) h = 0,5 x h1 + h2 + 0,5 x h3

Principe van een thermosifonsysteem 1.5. Berekening van het vermogen Het berekende vermogen P van de zonnecollector is steeds een momentopname oftewel het aanvangsvermogen voor een aantal aangenomen gevallen, omdat steeds naarmate de boiler warmer wordt het vermogen daalt door afnemende Δ t.

Verloop van temperaturen en vermogen in de tijd

Verloop van temperatuur en vermogen in de tijd Voor de berekening van het theoretische vermogen zijn voor een horizontaal geplaatste collector en voor een verticale collector drie gevallen berekend: Geval 1: hete collector, koude boiler (bijv. aan het begin van de dag) Geval 2: hete collector, warme boiler (bijv. aan het eind van de dag) Geval 3: warme collector, koude boiler (bijv. wintersituatie)

Page 7



ZB14

Deze berekeningen zijn zowel voor een horizontaal geplaatste collector als voor een verticaal geplaatste collector uitgevoerd. De volumestroom Q door het verwarmende circuit werd bepaald aan de hand van tabellen in een boek over het ontwerp van CV-installaties. De berekende vermogens zijn theoretisch, alleen gebaseerd op de door het thermosifonsysteem gerealiseerde stroming door de pijpen. In werkelijkheid kan het vermogen niet groter worden dan: Opp. collector x zonneconstante x rendement = 2 x 1,35 x 0,5 = 1,35 kW. Theoretisch vermogen bij horizontale plaatsing collector h = 1,075 m, Δ p = h(ρ k – ρ w)g = 10,54 Δ ρ N/m2

Theoretisch vermogen bij verticale plaatsing collector h = 0,775 m, Δ p = h(ρ k – ρ w)g = 7,6 Δ ρ N/m2

De conclusie uit deze berekeningen zou kunnen zijn dat een horizontale collector een hoger theoretisch vermogen levert dan een verticaal geplaatste collector. Horizontale plaatsing kwam op het dak ook beter uit in verband met de vereiste afstand tussen collector en boiler, zodat ik besloten heb tot horizontale plaatsing.

Page 8



Page

ZB14

1.6. Stroomt het warme water 's nachts weer terug naar de collector? De vraag was of het gedurende de dag opgewarmde water bij nacht niet zijn warmte weer zou afstaan aan de koude collector op het dak. Terugstroming zou voorkomen kunnen worden door het plaatsen van een terugslagklep in het verwarmende circuit, maar zo'n klep zou de stroming zeker in belangrijke mate hinderen. Een andere oplossing zou een magneetklep zijn, maar daarbij heeft men een regelsysteem nodig, bestaande uit een differentiaal-temperatuurmeter en een schakelcircuit voor de magneetklep. Mooier zou het zijn als er van nature geen terugstroming zou zijn. Volgens Kiely wordt dit gerealiseerd wanneer men een minimale afstand van 0,6 m bewaart tussen de bovenkant van de collector en de onderkant van de boiler. Ik heb getracht dit met enkele rekensommetjes te begrijpen en te bevestigen. Daartoe heb ik twee mogelijkheden bekeken: - stel dat het water 's nachts wel terugstroomt - stel dat het water 's nachts niet terugstroomt Stel: er is wel terugstroming bij nacht Als men uitgaat van nachtelijke terugstroming zal het warme water uit de boiler via de goed geïsoleerde hoogste leiding naar de collector stromen, om daar af te koelen en koud via de goed geïsoleerde laagste leiding naar de boiler terug te stromen. Dit levert het plaatje op dat gelijk is aan de normale situatie overdag, zodat er een drukverschil ontstaat dat de normale stroming (rechtsom) op gang wil brengen. Conclusie hieruit: er is geen terugstroming bij nacht.

9


Zonnecollector / zonneboiler Verslag van een zelfbouwproject

File

Page

ZB14

10

Stel: er is geen terugstroming bij nacht Hierbij ontstaat de situatie dat de goed geïsoleerde leidingen van het verwarmende circuit de omgevingstemperatuur van de CV-ruimte waarin ze geplaatst zijn (5...20C) zullen aannemen. Onder die omstandigheden zal er geen evenwichtssituatie ontstaan, zie de schets hieronder. Het koude water in de collector veroorzaakt een (geringe) Δp linksom, zodat er enige terugstroming ontstaat. Die terugstroming hoeft alleen maar een bepaald temperatuurverschil tussen de verbindingsleidingen te handhaven, nl. de linker leiding warm en de rechter koud, opdat er een evenwichtssituatie ontstaat. Zie de onderste schets. Het is dus zaak de leidingen goed te isoleren! Conclusie hieruit: er zal een zeer geringe terugstroming zijn om de leidingen de vereiste verschiltemperatuur te houden.

1.7. Samenvatting deel 1 Uit het voorgaande heb ik de volgende conclusies getrokken: 1. 2. 3. 4. 5.

Een zonneboilersysteem kan goed werken in Nederland. Een rechthoekige collector kan het beste horizontaal geplaatst worden. Een zelfwerkend thermosifonsysteem kan goed werken, maar dan moet uiteraard een plaatsing van de boiler boven de zonnecollector mogelijk zijn. De terugstroming bij nacht kan verwaarloosd worden, mits er voldoende hoogteverschil is tussen de collector en de boiler en de leidingen goed worden geïsoleerd. Er is geen regelsysteem nodig, mits men een aparte zonneboiler gebruikt met daarna een bijwarmboiler.

Op basis van deze conclusies heb ik destijds besloten het systeem te bouwen. Hierover meer in het tweede deel van dit artikel.



File

Page

ZB14

11

Deel 2: Bouw van het systeem. 2.1. Inleiding Zoals al in deel 1 van dit artikel vermeld, heb ik veel informatie over het zelf bouwen gevonden in het boekje "Zonne-energie", door Ch. Kiely, Uitgave De Muiderkring 1978. De (Engelse) auteur van dit boekje heeft veel systemen eigenhandig gebouwd, zodat hij veel praktische tips kan geven. Toen ik aan de hand van enkele berekeningen (zie deel 1) ook sommige niet door hem onderbouwde beweringen kon verifiëren kreeg ik een groot vertrouwen in deze auteur. 2.2. De zonnecollector De zonnecollector is een simpele houten bak, waarin een plaat aluminium van 2 x 1 meter, met daarop gemonteerd een zigzag gebogen koperen leiding (12 meter lang in de eerste uitvoering). De bak wordt aan de bovenkant afgedicht door een ruit, zodat de stralingswarmte die door deze ruit heen komt door het zgn. broeikaseffect in de ruimte tussen ruit en plaat gevangen wordt. Plaat en leidingen zijn dofzwart gespoten, zodat ze een maximale absorptie van de gevangen warmte geven. Aangezien de collector jaar in jaar uit aan de weersomstandigheden wordt blootgesteld is een degelijke bouw vereist. Ik ben geen goede timmerman, maar dit keer heb ik mezelf overtroffen door het maken van degelijke pen-en-gat verbindingen, nog versterkt met watervaste houtlijm. Zie de schetsen op de volgende bladzijden. Eenmaal gereed werd de collector op het dak geplaatst met behulp van 2 ladders, 2 buurmannen en een touw over de nok van het huis. Eén man hield het touw over het huis strak, waaraan de collector vastgebonden zat. Twee mannen beklommen elk een ladder, de collector voor zich uit duwend. Op het dak aangekomen werd de collector op de pannen gelegd, met een paar klosjes er onder. De buurmannen werden bedankt en ik heb de collector degelijk vastgezet aan het dakbeschot. Om het maximale hoogteverschil te krijgen is de collector zo laag mogelijk op het dak geplaatst, met de onderzijde praktisch in de dakgoot. Materiaal:

2 2 1 1

hardhouten balkjes 10x6 cm, lang 210 cm idem 10x6 cm, lang 110 cm plaat watervast triplex 200x100cm bus watervaste houtlijm koperen spijkers 1 glaswolplaat dik 5 cm 196x96 cm 1 aluminium plaat 2x1 m, dik 2 mm 30 koperen schroeven 30 mm 1 glasruit 4 mm dik, 204x104 cm 1 tube siliconenkit 3 lengtes (van 5 m) koperen buis 12 mm 2 koperen sokjes 12 mm 1 bus hittebestendige hechtprimer 2 spuitbussen dofzwarte radiatorlak



File

Page

ZB14

12



File

Page

ZB14

13

2.3. De boiler De door mij gebruikte zonneboiler is een 80 liter warmwaterboiler met ingebouwde verwarmingsbuis (spiraal). Dit type boiler wordt gewoonlijk gebruikt om het warme tapwater in een woning te verwarmen met behulp van de CV-installatie (combiboiler). Zo'n boiler is zeer goed geïsoleerd tegen warmteverlies, zodat er 's nachts zo weinig mogelijk warmte verloren gaat. Bovendien is het een drukboiler, zodat het warme tapwater onder de volle waterleidingdruk staat. Dit is van belang omdat het verwarmende circuit als stromend medium water met antivries gebruikt, een goedje dat men liever niet in het drinkwatersysteem zou zien bij onverhoopte lekkage van de verwarmingsbuis. Om deze reden is het verwarmende circuit atmosferisch uitgevoerd. De zonneboiler wordt met koud drinkwater gevoed via een normale inlaatcombinatie, bestaande uit afsluiter, terugslagklep en ontlastklep. Het koude water wordt onder in de boiler aangevoerd en gelijkmatig verdeeld, zodat het zich zo weinig mogelijk mengt met het warme water in de boiler. Het voorgewarmde water stroomt naar de bijwarmboiler. Het is raadzaam in de waterleiding op strategische plaatsen afsluiters, eventueel met aftapkraantjes, te monteren. Ik heb die afsluiters pas gemonteerd nadat ik voor het vervangen van een kraanleertje ergens in huis 160 liter heet water moest aftappen... De zonneboiler en de bijwarmboiler, in mijn geval van vrijwel hetzelfde type, hangen broederlijk naast elkaar aan de muur van de CV-ruimte. Ze zijn zo hoog mogelijk opgehangen om het maximale hoogteverschil tussen collector en boiler te krijgen. Gebruikte materialen:

VAN COLLECTOR

1 1 2

lengte (van 5 m) koperen buis 15 mm inlaatcombinatie afsluiters 15 mm aansluitmateriaal voor de waterleidingen isolatiemateriaal voor de warmwaterleidingen



File

Page

ZB14

14

2.4. Het verwarmende circuit Het verwarmende circuit bestaat uit de zonnecollector, de verwarmingsleiding (spiraal) in de boiler, en de beide verbindingsleidingen. Dit circuit heeft maar een kleine waterinhoud, nl.: - collector 12 meter pijp, inwendig  10 m - verbindingsleiding 5 meter pijp inw.  13 mm - boilerspiraal geschat op Totaal ca.

= 1 liter = 0,6 liter 1,4 liter 3 liter

Het circuit moet een expansiemogelijkheid hebben. Het benodigde volume van het expansievaatje (open naar de atmosfeer) heb ik als volgt bepaald: Verandering dichtheid water bij de hoogste en laagste voorkomende temperatuur ca. 60 kg/m3 = ca. 6% van de dichtheid. Tankje met inhoud van 10% van de circuitinhoud oftewel ca. 0,3 liter is voldoende. Ik heb daarvoor een lege siliconenkitspuit genomen, met een klein gaatje in het zuigertje. De bovenste (hete) leiding gaat vanaf de collector via een sleuf in een dakpan naar binnen. Door de lage plaatsing van de collector kon de onderste (koude) leiding onder de laagste dakpan door naar de zoldervloer gevoerd worden. Hier heb ik een aftapkraantje gemonteerd voor eventueel onderhoudswerk. Belangrijk is dat de leidingen overal op afschot liggen, een "zak" in de leiding is bij een thermosifonsysteem beslist ontoelaatbaar! Alle leidingen zijn zowel binnendaks als buitendaks zorgvuldig geïsoleerd. Gebruikte materialen voor de verbindingsleidingen: 1 lengte (van 5 m) koperen buis 15 mm 2 verloopsokjes 12/15 mm 1 T-stuk 15 mm voor aftapleiding 1 aftapkraantje 15 mm 1 T-stuk 15 mm voor expansievaatje 1 expansievaatje (lege siliconenkit-tube) aansluitmateriaal voor boilerleidingen isolatiemateriaal voor de leidingen De schets op de volgende bladzijde toont de lay-out van de collector, de boiler en de verbindingsleidingen. Daarna volgt nog een "artist's impression" (van een matige artist) van mijn echtelijke woning. Op deze schets is te zien hoe de voorbijgangers in de straat de collector zien. Het oogt als een wat merkwaardig geplaatst dakraam. Als zodanig wordt het meestal ook gezien, zodat reeds bij het plaatsen de opmerking te horen was: "dat zal lekker licht geven op de zolder".



Layout van het systeem

Schets van de zonnecollector op het dak

File

Page

ZB14

15



File

Page

ZB14

16

2.5. Conclusie Het beschreven systeem werd in mei 1979 gebouwd. Het systeem werkt sinds die tijd zowel in de winter als in de zomer perfect. Bij helder weer bereikt de zonneboiler aan het eind van de middag een temperatuur van ca. 65C, indien er geen warmwaterverbruik is. Afhankelijk van het warmwaterverbruik tot de volgende morgen zal de tweede boiler al of niet bijverwarmen. In warme perioden bleek dit soms enkele weken achter elkaar niet voor te komen. Voorts bleek dat zelfs op de heetste zomerdag bij hete boiler (later in de middag) het verwarmende circuit niet aan de kook raakte. (Dit was een van mijn onzekere punten). Bij koken zouden de dampbellen de werking verstoren en de koelvloeistof uit het expansietankje drukken. Dit is dus niet gebeurd. (Later las ik ergens dat koelvloeistof een kookpunt heeft van zeker 145ºC). Het onderhoud van het systeem bestaat uit het eenmaal per jaar schoonmaken van de zonnecollector, zo nodig het schilderen van het hardhouten kozijn. Verder heb ik er eigenlijk nooit meer naar omgekeken. Het zonneboilersysteem is een comfortabel bezit, dat weliswaar geen spectaculaire besparingen oplevert, maar dat toch voortdurend op milieuvriendelijke wijze energie naar binnen haalt. Vrienden en kennissen vinden het fascinerend en zouden het ook wel willen bouwen. De kosten van de boiler zijn dan meestal de reden om het toch maar niet te doen. Ook heeft niet iedereen een huis waar zo'n systeem op een naar het zuiden gericht dak geplaatst kan worden. Zou bijvoorbeeld de collector op gelijke hoogte met de boiler moeten staan, of zelfs daar boven (plat dak), dan is een regelsysteem nodig, met eventueel een pompje. Dit maakt de installatie een stuk ingewikkelder en minder aantrekkelijk. Mocht de lezer door dit artikel geïnspireerd worden om ook zo'n systeem te bouwen, dan hoor ik daar graag eens het resultaat van. Mijn systeem staat open voor bezichtiging, gaarne tijdig afspreken, dan kan ik de bende in de CV-ruimte even opruimen. Deel 3: Aanvullingen uit de praktijk 3.1. 1e aanvulling (november 1997) In november 1997 heb ik de 23 jaar oude CV-ketel vervangen door een HRcombiketel (Nefit Fasto combiketel). De zonneboiler is gehandhaafd en staat nu is serie met de combiboiler (informeer vóór aankoop of het regelsysteem van de combiketel de voeding met heet water aankan!). Een andere wijziging is dat er nu omloopleidingen gemaakt zijn waarmee het eventueel mogelijk is de zonneboiler los van de CV te gebruiken, of de combiboiler los van de zonneboiler. Daarvoor is het wel noodzakelijk dat beide boilers een inlaatcombinatie krijgen. En, wijs geworden door ervaring, zijn er nu op beide boilers aftapkranen gemonteerd, met leidingen die boven een afvoer uitkomen. (N.B. een afvoer was voor de HR ketel toch nodig). Verder werkt het systeem als vanouds en tot volle tevredenheid.



zonneboiler

ZB14

17

combiketel

B

B C

A

D

F

E

Page

zonneboiler

combiketel

D

File

Warm uit

NORMALE WERKING: ZONNEBOILER EN COMBIKETEL

Koud in

C E

A F

ALLEEN ZONNEBOILER

Warm uit

Koud in

zonneboiler

A C

combiketel

D

E

B

F VULSLANG CV

B C D

E

A F

ALLEEN COMBIKETEL

Warm uit

Koud in

Afsluitkraan open Afsluitkraan dicht Inlaatcomb. open Inlaatcomb. dicht

Na 18 jaren gebruik dient wellicht een veelgestelde vraag beantwoord te worden: wat levert het op? Deze vraag is niet eenvoudig te beantwoorden en de globale sommetjes die ik hierover weleens gemaakt hebben kwamen op een bedrag van ca. 50 euro per jaar. Bij een kostprijs van de collector + leidingen van destijds ca. 200 euro heeft dit zo’n 18 x 50 – 200 = 700 euro opgeleverd. Dit is niet indrukwekkend en dat was mij eigenlijk ook bij voorbaat wel bekend. Het financiële rendement van een gekocht zonneboilersysteem zal zeer gering zijn, als men van dit soort particuliere installaties al een rendement verwacht. Hiermee bedoel ik dat men zelden vraagt naar het rendement van een automobiel of een TV-ontvanger. Ik ben van mening dat je bij een project als dit van een heel ander soort rendement mag spreken: de fascinatie met het “vangen” van zonne-energie en de bevrediging



File

Page

ZB14

18

die het zelf bouwen van zo’n systeem biedt. Als in de zomermaanden enkele weken achtereen de combiketel niet hoeft aan te slaan is dat gewoon leuk. 3.2. 2e aanvulling (februari 2008) In november 2007 had ik een ernstige lekkage van het spiraal in de boiler. Dit was gemaakt van staal dat na 28 jaar de strijd tegen de galvanische corrosie had opgegeven. Een waterballet via het expansietankje was het gevolg, gelukkig op tijd ontdekt door mijn vrouw, die de stopkranen dichtgedraaid heeft. Later bleek dat door de lekkage de koelvloeistof uit de zonnecollector weggedrukt was, hetgeen ik helaas pas merkte toen de collector bij de eerste vorstperiode van 2007 stukvroor. Dit was een goede (!) aanleiding om de collector van het dak te halen en geheel opnieuw op te bouwen. De triplex bodem bleek vrijwel verdwenen, die was dus niet zo watervast als de verkoper beweerde. Voorts vertoonde ook het hardhouten kozijn sporen van het verblijf in weer en wind gedurende al die jaren. Het glas kreeg ik er niet in een stuk af (wel in vele stukjes), zodat het enige dat ik bij de herbouw hergebruikte de aluminiumplaat was.

Nieuw pijpenpatroon (28 m’) Ik heb meteen een paar kleine verbeteringen aangebracht (zie de maatschets verderop): - Thermische overdracht tussen koperen pijp en Alu plaat verbeterd door het rechte deel van de pijpen in een aluminium u-profiel te leggen met opgerold Alu folie er onder. - Pijplengte meer dan verdubbeld door tussen het spiraal twee extra spiralen te leggen (nu totaal 28 strekkende meter pijp in 3 parallelle strangen). - Afwateringsgaatjes in onderste glaslat zodat er geen water op het glas blijft staan. - Betonplex (3 mm) voor de bodem gebruikt.



File

Page

ZB14

19

Op zoek naar een vervangende boiler kon ik alleen maar exemplaren vinden die alle leidingen aan de bovenkant van de boiler hadden, dus zowel de drinkwater toeen afvoer als de aansluitingen op de zonnecollector. (De oude boiler had de aansluitingen naar de zonnecollector aan de zijkant). Zo’n boiler kun je niet ondersteboven plaatsen omdat er dan geen ontluchting van het verwarmende circuit mogelijk is. Door de extra omweg die het verwarmende circuit dan moet maken en door de heropwarming in dit circuit was het niet zo zeker dat het systeem zou functioneren. Aangezien dat moeilijk uit te rekenen is besloot ik de boiler te plaatsen en aan te sluiten en in de praktijk te bepalen of een en ander werkte of niet. (Ook deze boiler heb ik overigens gratis gekregen van een particulier die een ombouw van zijn CV-installatie deed). Aansluitend op het verhaal over stijgkracht en eventuele terugstroming bij nacht had ik met de nieuwe boiler wel een complex probleem. Vanaf de zonnecollector gaat de hete vloeistof naar het spiraal in de boiler; daar koelt het naar beneden stromend af, om vervolgens via een stijgpijp aan de bovenkant de boiler te verlaten en terug te stromen naar de zonnecollector. Er komt dan bij de overwegingen van stijgkracht en terugstroming een extra omweg bij: die in de boiler, eerst naar beneden en dan weer naar boven. Bij die stroming naar boven zal een geringe heropwarming van de vloeistof plaatsvinden. Het volgende plaatje probeert dit te verduidelijken. ρw

ρk2

h1

ρk1

AANVOERLEIDING

BOILER h2 STROMING

RETOURLEIDING

COLLECTO R

h3

ρk2

Thermosyfonsysteem bij aansluitingen boven aan de boiler h1 = 0,40 m (boilerspiraal) h2 = 0,55 m (afstand collector–boiler) h3 = 0,60 m (hoogte collector) h = 0,5.h1 + h2 + 0,5. h3

Δp = h . (ρk2 – ρw) . g



File

Page

ZB14

20

Hierin is ρk2 wat lager dan bij de oorspronkelijke collector, door de geringe opwarming die in de stijgpijp in de boiler zal optreden. (Let op: de richting van het koelvloeistofcircuit is zo gekozen dat de vloeistof dalend door het spiraal in de boiler stroomt, en stijgend door de stijgpijp in de boiler. Dit is tegengesteld aan de richting die de fabrikant van deze boiler met stickers bij de aansluitingen aangeeft! Zie de schets aan het eind van dit verslag. Het plaatje rechtvaardigt de poging om de boiler te installeren. Door de aansluitingen aan de bovenkant zijn er twee hoogste punten van het verwarmende circuit. Aangezien luchtbellen in dit circuit de werking teniet doen heb ik een dubbele ontluchting op een expansievaatje (plastic voorraaddoos uit de keuken geleend) aangesloten. Zo zijn beide hoogste punten ontlucht en kan er expansie plaatsvinden. (Eind februari 2008) De collector en de boiler zijn geïnstalleerd en het systeem werkt naar behoren. Echt helder weer is het nog niet geweest, dus ik weet nog niet wat de watertemperatuur na een heldere dag wordt. Tot op heden heeft de boiler een temperatuur van zo’n 40ºC bereikt. (Juli 2008) Op heldere, warme dagen bereikt de boiler een temperatuur van boven de 80ºC. Het vergrote pijpenpatroon heeft duidelijk invloed op de capaciteit!



File

Page

ZB14

21

Gebogen 12 mm pijp

Kozijn met glaslatten

Aluminium U-profiel met Alu folie

Pijpen gemonteerd op plaat

Glaswoldeken met Alu folie en droogmiddel

Plaat + pijpen in de bak



File

Page

ZB14

22

De oude collector gaat van het dak...

...en het nieuwe gaat er op

Hulp zowel aan de voorkant...

...als aan de achterkant

De zonneboiler...

...en de ondersteuningsstoel



File

Page

ZB14

23

Dankbetuiging. Het ontwerp en de bouw van het oorspronkelijke beschreven systeem werden in 1979 door mijzelf gedaan. Bij de herbouw in 2008 hebben aan het verkrijgen van de benodigde onderdelen en de plaatsing van de zonnecollector de volgende vrienden meegedaan of bijgedragen: - boiler: - isolatiemateriaal: - hardhouten kozijn: - hijshulpen (op de ladder): - hijsteam (achter het huis):

Gerrit Jansen Bert Prak en Arnold Kroonsberg Gerrit Jansen Jurjen Hoitsma (af ) en Arjen Hoitsma (op) Harry Blok en Jan Wieggers

Voor de geboden hulp ben ik allen dankbaar. Rheden, oktober 2014. Jan Huisman Waardweg 5 6991 VA Rheden Tel. 026 4952768 Email: [email protected]

3.3. Mogelijke toevoeging: thermostaat 3-wegkraan Bij het huidige systeem wil het nog wel eens gebeuren dat de boiler heet is, maar dat toch bij het openen van de warmwaterkraan de combiboiler aanslaat. Dit kan komen doordat het water in de leiding tussen de zonneboiler en de combiboiler nog koud is, of door een doorstroomschakelkaar in de combiboiler, als die er in zit. Het kan ook zijn dat onze CV-ketel, die geen NZ-label heeft (NZ staat voor Naverwarming Zonneboiler) een onderdeeltje mist dat is een NZ-boiler wel zit. Het gevolg is dat we onnodig gas verbruiken. Ik heb als oplossing gedacht aan een thermostatisch gestuurde 3-weg magneetklep die het warme zonneboilerwater rechtstreeks naar de tappunten brengt als de temperatuur in de zonneboiler voldoende hoog is, zeg 50°C. Tot op heden (2014) is dit bij een plan gebleven. Zie de schets op de volgende bladzijde.



File

Page

ZB14

24

voeler

40 °C Temp. regelaar of thermostaat

230V AC

combiketel

zonneboiler A

B

D

C ZBK

Magneetklep 230V AC

ZBW

E VOORGEWARMD

WARM UIT

ZBW = Zonneboiler warm (> 40 °C): magneetklep bekrachtigd ZBK = Zonneboiler koud (< 40 °C): magneetklep niet bekrachtigd Bij dit systeem schakelt de 3-weg kraan pas om als je daadwerkelijk water tapt

Afsluitkraan open Afsluitkraan dicht Inlaatcomb. open Inlaatcomb. dicht

KOUD IN



File

Page

ZB14

25

3.4. Aanvulling augustus 2013 Het patroon van de pijpenbundel op de collector was destijds door mij gekozen met de voorbeelden van Kiely in gedachten. Aangezien het buigen van 180° bochten in koperen pijpen niet zo eenvoudig is zou men kunnen overwegen om een ander patroon te kiezen, waarbij dit buigprobleem bermeden wordt. Hier volgen daarvoor wat mogelijkheden. Daarbij lijkt mij de optie om alle pijpen binnen het kozijn te houden toch de meest aantrekkelijke, bijvoorbeeld plaatje 1 met verticale stijgpijpen, waarbij de verwarmende pijpen aan de einden iets gebogen moeten worden. Wel is het zaak om de dunne pijpen vlak op de aluminium plaat te monteren i.v.m. de warmteoverdracht. Dit vereist enige creativiteit.

1 meter

2 stijgpijpen opbouwen uit Tstukken 22x10x22 mm

2 meter

1

ZONNECOLLECTOR MET 26 METER PIJP, AAN- EN AFVOER IN DE BAK (EFFECTIEVE LENGTE 26 + 4 = 30 METER)

ALLES BUITEN DE BAK GOED ISOLEREN

1 meter

2,3 meter

2

ZONNEPANEEL MET 30 METER PIJP, AAN- EN AFVOER BUITEN DE BAK (EFFECTIEVE LENGTE 26 + 2 = 28 METER)



File

Page

ZB14

26

1 meter

2 meter

3

ZONNECOLLECTOR MET 26 METER PIJP, AAN- EN AFVOER IN DE BAK (EFFECTIEVE LENGTE 26 + 4 = 30 METER)

ALLES BUITEN DE BAK GOED ISOLEREN

1 meter

2 meter

4

ZONNECOLLECTOR MET 26 METER PIJP, AAN- EN AFVOER BUITEN DE BAK (EFFECTIEVE LENGTE CA. 21 + 2 = 23 METER)



File

Page

ZB14

27

1 meter

2 meter 2,25 meter

5

ALTERNATIEF ZONNECOLLECTOR MET SCHUIN KOZIJN 26 METER PIJP, AAN- EN AFVOER IN DE BAK (EFFECTIEVE LENGTE 26 + 4 = 30 METER)

3.5. Aanvulling december 2014: Wikipedia Het gedeelte over het thermosyfonsysteem heb ik in 2014 als aanvulling op het artikel over zonnecollectoren in Wikipedia gezet. Daar heb ik ook wat plaatjes in kleur bij geplaatst. Zie http://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnecollector

File


Page

60

20

GLASRUIT 5 mm

20 GLAS + LATTEN KITTEN MET SILIKONENKIT

25

KOPER ALU PLAAT 10/12 mm 2 mm OPGEROLD ALUFOLIE ONDER DE BUIS

BINNENWERKS 2048 X 1044 mm ALU U-PROFIEL 15 x 15 mm

BINNENWERKS 2010 X 1005 mm

20 100

KOPERDRAAD BOVENKANT GLASWOL AFDEKKEN MET ALU FOLIE

6

40 WV BETONPLEX 6 mm

GLASWOL 50 mm

3 ZAKJES SILICAGEL IN DE GLASWOLDEKEN

File


Page

ZCK ZPW ZCW = zonnecollector warme vloeistof ZCK = zonnecollector koude vloeistof DWK = drinkwater koud DWW= drinkwater warm

DWW DWK

ZCW

ZCK

Zijaanzicht

DWW DWK

File


Page

EXP. VAT

DWK

ZCW = zonnecollector warme vloeistof ZCK = zonnecollector koude vloeistof DWK = drinkwater koud DWW= drinkwater warm

DWW

Bovenaanzicht ZCK

ZCW


File

Page

BOILER VERSLAG VAN EEN ZELFBOUWPROJECT

Recommend Documents