ZONNE-ENERGIE
Install Magazine 973 – november 2020

Thermische zonne-energie, quo vadis?

Warmte benutten tegenover warmte opwekken

Het potentieel van thermische zonne-energie kan maar zeer gedeeltelijk benut worden door een verwarmingsinstallatie met conventionele technieken. Daardoor gaat een groot deel van de mogelijke opbrengst verloren, vooral in de winter. Dit artikel gaat over de oorzaken van dit probleem en toont de mogelijkheden om de dekkingsgraad in de winter te verbeteren.

Thermische zonnesystemen hebben een niet al te beste reputatie. Hoewel het technische rendement vele malen hoger ligt dan bij PV-panelen, denkt men bij het woord ‘zonne-energie’ hoe langer hoe meer alleen maar aan elektrische systemen. Vele vaklui raken er tijdens hun opleiding van overtuigd dat thermische systemen niet rendabel zijn. Tijdens de vakopleiding wordt er dan ook onvoldoende aandacht aan zonnethermie besteed. Daarbij staart men zich meestal blind op de terugverdientijd van een klassieke zonneboiler.

Het is nu mogelijk om een comfortabele binnentemperatuur te garanderen met watervoerende lage-temperatuursystemen op een milieuvriendelijke en zuinige manier. In dat geval kan men nog nauwelijks spreken van ‘stoken’ in de oorspronkelijke zin van het woord. Lage verwarmingsbehoeften en afgiftesystemen met vertrektemperaturen van 35°C zijn de ideale omstandigheden voor verwarmingsondersteuning door zonnewarmte.

De nodige componenten zijn al lang marktrijp, en zijn vlot beschikbaar: efficiënte zonnecollectoren, intelligente pompen en regeltechniek, of buffervaten met slimme oplaad- en ontlaadstrategieën. Bovendien is het toepassingsterrein breder dan woningen alleen.

Er is echter een mentaliteitswijziging nodig om de techniek over te schakelen van een klassieke toepassing (opwekking in functie van het verbruik) tot een maximale benuting (nuttig gebruik van wat voorhanden is). Zo kan men de hinderpalen wegnemen die beletten dat men het volle potentieel van zonnethermie benut. Om dat potentieel te ontsluiten, moet men zonnethermie niet beschouwen als een warmtegenerator, maar als een warmtebron. In plaats van een actieve opwekking moet men denken in termen van een passieve benutting van de warmte die voorhanden is. Men hoeft niet per se warmte te willen produceren. Men kan integendeel diverse warmtebronnen benutten die natuurlijk beschikbaar zijn. De basisvoorwaarde is wel dat men de eigenheid van de warmtebron begrijpt, met andere woorden, men moet het verdeelsysteem ontwerpen in functie van de warmtebron.

Omgevingswarmte benutten

In gebouwenkoeling staat men al verder. Daar spreekt men zowel van de actieve productie van koude als van het passieve gebruik van beschikbare koude. Dit concept stamt niet uit de traditionele verwarming door verbrandingstechniek maar uit het gebruik van de warmte uit de omgeving. Ook de warmtepomp is immers geen warmtegenerator in de strikte zin van het woord. Ze produceert immers geen 100% van de afgegeven warmte op basis van brandstof. In plaats daarvan benut een warmtepomp diverse vormen van warmte die al in de omgeving beschikbaar zijn, dus warmte die niet meer geproduceerd hoeft te worden.

Met een warmtepomp is het aandeel van de omgevingswarmte een veelvoud van de aandrijfenergie van de compressor. Er moet dus minder arbeid geleverd worden. Daarom drukt men het rendement van een warmtepomp uit als een coëfficient (COP). Een warmtepomp met een COP van meer dan 3 wordt algemeen als efficiënt beschouwd, terwijl men er nauwelijks bij stilstaat dat een zonnethermische installatie een COP van meer dan 30 kan hebben.

Passieve koeling maakt gebruik van een bestaande warmtewisselaar (bijvoorbeeld een geothermische warmtepomp) als koudebron om zo in de zomer te koelen, typisch door middel van een watervoerende vloerverwarmingsinstallatie. Daarentegen ziet men een passief gebruik van zonnewarmte veeleer los van de verwarmingsinstallatie. Men denkt dan hooguit door de zonnewinsten via de ramen in de bouwschil.

In de zonnethermie moet men echter gaan denken in de richting van passieve verwarming. Zo kan men ook in de winter optimaal van zonnewarmte gebruik maken. Al was het maar dat de laagstaande winterzon door de ramen een kamer voldoende kan opwarmen, zodat de kamerthermostaat de verwarming uitschakelt.

Warmte opvangen in gevels en gebouwdelen

Maar waarom behoren zonnethermische gevelcollectoren, of beter nog geïntegreerde absorbers in de bouwschil nog tot de standaard praktijk? In de PV-sector, die nochtans slechtere rendementen haalt dan thermische systemen, zijn panelen die in de gevels of andere gebouwdelen geïntegreerd zijn, al gangbaar. Dergelijke collectoren zouden een eerste stap zijn om zonnethermie van in het begin in het ontwerp op te nemen.

Met zonnethermie kan men de beschikbare warmte direct benutten. Het belangrijkste is daarbij dat men de warmtebron optimaliseert voor winterbedrijf. Men moet daarbij niet alleen het collectorveld oriënteren in functie van de zonnestand in de winter, men moet er ook voor zorgen dat de warmte-opbrengst breder benut kan worden dan een klassieke injectie in de retourleiding als ondersteuning van een verwarmingscircuit.

Men mag zich niet blind staren op een klassieke verwarmingsinstallatie. We moeten integendeel naar het gedrag van het hele gebouw kijken. Het gaat er niet alleen om de zonneboiler zo efficiënt mogelijk thermisch op te laden, maar in de eerste plaats om de woonruimte op een aangename temperatuur te brengen.

Integratie van het warmte-afgiftesysteem in het zonnethermisch circuit

Uit een reeks monitorings en analyses in bestaande gebouwen door het Forum Wohnenergie bleek dat de klassieke thermische zonnesystemen al snel op hun grenzen stootten. Zodoende begon deze organisatie al tien jaar geleden een uitweg te zoeken. Zo stelde men vast dat het buffervat eigenlijk aan twee verschillende gebruiksprofielen moest beantwoorden, een voor verwarming en een voor SWW. Dat is nadelig voor het totaalrendement.

Het verschil tussen deze twee gebruiksprofielen was echter niet zo duidelijk in het tijdperk van de fossiele brandstoffen. Ondertussen heeft er zich een fundamentele verschuiving tussen beide toepassingen voorgedaan. Bij een ketel op fossiele brandstof was SWW eigenlijk een nevenactiviteit van de hoofdverwarming op hoge temperatuur. Nu stelt de SWW-productie daarentegen de grootste uitdaging. Daardoor zou ook warmteterugwinning uit afvalwater een grote stap zijn om de CO₂-uitstoot te verminderen.

Een gecombineerd buffervat voor verwarming en SWW is volledig tegengesteld aan deze ontwikkeling. De naverwarming van het buffervat, vooral dan wegens de voorrangsschakeling voor SWW-productie is dikwijls nadelig voor een efficiënte verwarmingsondersteuning door de zonnecollectoren. Door de boiler op hoge temperaturen te brengen, vermindert de opnamecapaciteit voor warmte uit de zonnecollectoren. De traditionele verwarmingsondersteuning was dus voor verbetering vatbaar.

Het gebouw als afgiftesysteem voor zonnecollectoren

Het Forum Wohnenergie zocht dus naar een bijkomende manier om de zonnewarmte op te slaan die niet door de zonneboiler kon worden opgenomen. Er moesten dus andere toepassingen voor zonnewarmte gevonden worden. De belangrijkste stap hierbij was om de grenzen van de klassieke installatietechniek te doorbreken en naar het totale gebouw te kijken.

De gebouwde omgeving bevat immers tal van massieve volumes waar zonnewarmte in kan worden opgeslagen. Zelfs al bedraagt de kamertemperatuur 20°C, dan nog kan de kern van een massieve wand een aanzienlijk lagere temperatuur hebben. Dat maakt dit bouwelement geschikt om als warmte-opslag te dienen voor zonnecollectoren.

Een brede waaier aan bouwelementen kunnen op die manier zonnethermisch geactiveerd worden: binnen- en buitenwanden, balies, tot zelfs sculpturen toe. Er gelden dus geen beperkingen voor de inrichting van het interieur. De meeste toepassingen tot nu toe betreffen scheidingswanden of ook buffetten die een open keuken van de rest van de ruimte scheiden. De thermische eigenschappen van het materiaal (opslagcapaciteit, geleidbaarheid) zijn natuurlijk doorslaggevend. De meest geschikte materialen blijken massieve baksteen en leem te zijn.

Zonnethermische activering

De zonnethermische activering van bouwelementen verschilt qua opbouw en regeling niet fundamenteel van een klassieke installatie voor SWW of verwarmingsondersteuning. Een omstelventiel in de retour van de zonnecollectorkring maakt de installatie tot een variant met dubbele warmtebuffer. Een conventionele zonneboiler vormt dan de ene buffer, en een bouwelement de andere. Bovendien heeft een dergelijke vorm van opslag geen stilstandsverliezen: alle warmte-afgifte komt in de verblijfsruimte terecht.

Het grote verschil is de structuur van de secundaire warmtebuffer, wat dan de functie ervan bepaalt. Zo wordt de zonnewarmte niet indirect gebruikt, (via opslag in een zonneboiler en verdeling door het CV-systeem), maar draagt ze rechtstreeks bij tot de verwarming van de woonruimte. In de zomer schakelt men de bouwdeelactivering uit, en gaat alle warmte naar de SWW-productie. Dit volstaat meestal om de behoefte te dekken.

Al in het tussenseizoen kan men de bouwdeelactivering weer inschakelen, nog voor de eigenlijke verwarmingsinstallatie hoeft aan te slaan. De extra zonnewarmte verhindert dan dat het gebouw te snel afkoelt, zodat het stookseizoen korter uitvalt. Door de zonnewarmte direct in het gebouw te injecteren, breekt men de systeemgrenzen van een klassieke zonneboilerinstallatie open. Door deze extra wisselaarskring gaat er minder zonne-opbrengst verloren, bijvoorbeeld als de boiler volledig is opgeladen.

Een zonnethermische installatie voor SWW kan met een dergelijk systeem aangevuld worden. Op manier is verwarmingsondersteuning altijd mogelijk, ook als de bestaande CV-installatie zelf daar niet voor geschikt is, bijvoorbeeld omdat de temperatuurregimes te hoog liggen.

Conclusie

We hebben zonnethermie meer dan ooit nodig, maar daarvoor moeten we anders gaan denken over gebouwen. We moeten de noden van de gebruiker in de context van het hele gebouw bekijken, en niet alleen in functie van een specifiek technisch systeem. Als we thermisch comfort zo beschouwen, dan is dat een stap vooruit voor de energietransitie in verwarming.

Een duurzaam verwarmingsconcept voor het welzijn van mens en milieu vermindert niet alleen de CO₂-uitstoot. Door zonne-energie te gebruiken, verhogen we de graad van zelfvoorziening van het gebouw, en moet er minder back-up verwarming voorzien worden.

Door: Frank Hartmann, Forum Wohnenergie