Beschrijving van de Zonnevloer-installatie

Dit is een beknopte uitleg van de werking van de zonne-installatie die ten doel heeft om ook in de winter een pand zo veel mogelijk met zonne-energie te verwarmen en van warm tapwater te voorzien. Het stuk is bedoeld voor mensen, die geïnteresseerd zijn in zonne-energieverwarming.

(Let op: Dit ontwerp valt onder de bescherming van het intellectueelrecht, het auteursrecht en het copyright. Daarmee is ZONNEVLOER ® een beschermd handelsmerk.)

(NB De temperatuur wordt weergegeven in graden Celsius.)

Techniek is niets anders dan toegepaste natuurkunde
en de techniek van morgen is reeds nu ter beschikking.

INHOUD
Haalbaarheidsberekening
De verschillende bronnen voor de naverwarming
Warmte is een vorm van energie
Begripsverwarring
De eisen waar de installatie aan moet voldoen
De verticale hoek van de collectoren met de horizon
De horizontale hoek van de collectoren ten opzichte van de zon
Meebewegende collectoren
Het buffervat
De opbouw van het buffervat
De vloerverwarming
De vloer als radiator
De buisdiameter
De installatie uitvoering
De DT-regeling en het circulatiesysteem
De vorst- en antikookbeveiliging
De droogloopbeveiliging
Signalering
Het leegloopsysteem
De werking in de praktijk
De capaciteit van het zonlicht
De intensiteit van het zonlicht
Diffuus licht
Het rendement
De verhouding tussen het oppervlak van de collectoren, het oppervlak van de vloerverwarming en de inhoud van het buffervat
De warmtapwatervoorziening
De verschillende warmtebronnen voor de warmtepomp
De zonnevloerinstallatie met warmtepompen
Geothermie
De grondwaterwarmtewisselaar
Ook het grondwater stroomt naar zee
De werking van de zonnevloerinstallatie met zonne-energie als hoofdenergie en elektriciteit als hulpenergie
Glycol
Alternatief
De natuurkunde leert ons
De plafondkoeling

HAALBAARHEIDSBEREKENING
Om deze installatie te kunnen ontwerpen heb ik in 1995 gegevens aan het KNMI in de Bilt opgevraagd en ben ik in bibliotheken laboratoriumgegevens nagegaan. Dit om een haalbaarheids  berekening te kunnen uitvoeren. Dat heb ik niet één keer, maar verschillende keren gedaan. Telkens vanuit een andere benadering. Iedere keer was de uitkomst hetzelfde, n.l. het moet kunnen. Ook volgens het ECN in Petten moet het kunnen.

Maar op de vraag: “hoe moet dat dan”, had men geen antwoord op. Om die vraag te beantwoorden heb ik in 1996 in mijn huis een zonneboiler aan de vloerverwarming gekoppeld en ben ik er mee gaan experimenteren. Dat heet research, oftewel, wetenschappelijk onderzoek. Hierdoor nam mijn kennis en jarenlange praktijkervaring toe en kon ik een aangepaste theorie uitwerken die nodig was om een hydraulisch en een elektrisch stuurstroomschema te kunnen ontwikkelen.

De door mij ontworpen installatie is o.a. geschikt voor:
A) alleenstaande woonhuizen
B) vakantiewoningen
C) rijtjeswoningen
D) maisonnettes
E) bungalows
F) villa’s
G) woonhuizen met praktijk, of kantoor, aan huis, zoals huisartsen, tandartsen, makelaars, notarissen, therapeuten, enz.

De installatie is niet geschikt voor hoogbouw, omdat er dan niet genoeg collectoroppervlak op het dak geplaatst kan worden.

Let wel:
Een sanitaire installatie is het specialisme van de loodgieter.
Een centrale verwarming installatie is het specialisme van de CV-monteur.
Een zon-thermische installatie is een geheel nieuw specialisme.

Dit vereist speciale vakkennis.

Veel amateurs denken dat ze er ook verstand van hebben. Helaas gaan de fouten die ze maken ten koste van de consument. Dit geeft negatieve reclame, waardoor verdere toepassingen stagneren omdat men denkt dat het niet kan. Ook zijn er nog “vakmensen” die beweren dat je met zonneenergie in de winter geen woning kunt verwarmen. Helaas zijn er mensen die, als ze niet weten hoe, hard roepen dat kan niet. Dat was in het verleden zo en dat is nog zo.

Een wagen laten rijden zonder paard kan niet, zeiden ze. Er rijden nu miljoenen auto’s rond. Een schip van ijzer kan niet blijven drijven, zeiden ze. Er varen nu duizenden schepen van staal over heel de wereld. Als je niet weet hoe het moet, wil dat nog niet zeggen dat het niet kan. Als ik geen afdoende antwoord krijg op de vraag waarom iets niet kan, moet het kunnen. Ook als ik niet weet hoe. Zelfs al krijg ik een afdoende antwoord, dan nog valt het te bezien. Ik geef een voorbeeld: Ik kan niet vliegen. Waarom kan ik niet vliegen? Antwoord: Ik heb geen vleugels. Maar als ik nu een vliegtuig bouw, kan ik wel vliegen!

Een zonneboiler voor uitsluitend warm tapwater is wat anders dan een vloerverwarming koppelen aan een zonneboiler. Daar komt heel wat meer bij kijken. Volgens de hernieuwde theorie en jarenlange ervaring, heb ik het hele systeem opnieuw ontworpen en in 2011 in het milieucentrum de “Michaëlshof” op Vatrop (gemeente Den Oever) geïnstalleerd. Het functioneert hier nu boven verwachting van de bewoners.

DE VERSCHILLENDE WARMTEBRONNEN VOOR DE NAVERWARMING
De naverwarming kan een aardgas combi CV-ketel zijn. Het kan ook een mono C.V.-ketel zijn, gestookt op verschillende soorten olie, afgewerkt frituurvet, aardgas, propaangas of biogas. Het kan ook een automatisch gestookte houtkachel, biomassa- of een palletkachel, of elektrische naverwarming zijn.

Het maakt niet uit, het kan allemaal. Helaas zijn het allemaal fossiele brandstoffen. Beter is het om een elektrisch aangedreven warmtepomp toe te passen, want elektriciteit kan CO2 vrij opgewekt worden. Een warmtepomp vraagt een aangepast hydraulisch schema, omdat het voor een warmtepomp moeilijk is in één stap de 60 graden te bereiken. Een installatie met warmtepompen heb ik ook ontworpen.

(Zie ook onderaan, hydraulisch schema met warmtepomp op aardwarmte)

Andere, meestal C.V-ketelfabrikanten, brengen soortgelijke installaties in de handel. Bij deze installaties is de CV-ketel hoofdverwarming en de zoninstallatie is een ondersteuning. Ook zitten er altijd minstens twee warmtewisselaars in. Een warmtewisselaar heeft temperatuurverschil nodig om warmte te kunnen overdragen. Dit temperatuurverschil kan wel oplopen tot 15 gr, C. Daarom kun je met zo’n installatie in de winter een huis niet verwarmen. Door geen warmtewisselaars toe te passen kan het wel.

In de ZONNEVLOERINSTALLATIE zit niet één warmtewisselaar!

(Mocht de klant dit persé willen, dan kan er één warmtewisselaar toegepast worden voor het warme tapwater. Maar dit gaat dan wel ten koste van het rendement) Wanneer er een warmtepomp wordt toegepast is er al een gescheiden circuit. Geen enkele warmtewisselaar toepassen is mogelijk gemaakt doordat de hele installatie onder dezelfde waterleidingdruk staat. Dus in de collectoren, in het buffervat en in de vloerverwarming, zit hetzelfde drinkwater.

Door geen warmtewisselaars tot te passen en niet een buffervat (boiler) het hele jaar op een temperatuur van 60 graden te houden, maar allen dat water na te verwarmen op de temperatuur die we op dat moment nodig hebben, bereiken we een veel hoger rendement van de installatie.

Bij het naderen van de winter is de intensiteit van het zonlicht niet meer voldoende om het tapwater op een temperatuur van 60 graden te brengen. Maar het is nog wel 30- of 40 graden. De naverwarming hoeft het water dan maar 30-of 20 graden na te verwarmen. Dat is een stuk minder dan water verwarmen van 10- naar 60 graden. Een mager winterzonnetje levert toch nog gauw 30 graden, dat is ruim voldoende om de woning te verwarmen met vloerverwarming.

WARMTE IS EEN BRON VAN ENERGIE
Definities: De eenheid van temperatuur is de graad Celsius. Andere eenheden zijn Kelvin, Fahrenheit en Réaumur. In dit schrijven duiden we de temperatuur aan met graden C.

De eenheid van warmte is de kilo calorie. (kcal) 1 kcal is die hoeveelheid warmte die 1 liter zuiver water 1 graad C doet stijgen. Het equivalent van dezelfde hoeveelheid warmte van 1 kW = 860 kcal. 1kcal = 4186 Joule. 1kW = 3.600.000 joule. De Joule is een zeer kleine eenheid 1 J = 1 watt per seconde. Tj. (Terajoule = 1 miljoen maal 1 miljoen joule) 1 TJ = 277,8 MWh. 1 MWh = 3,6 GJ

Omdat de Joule in de praktijk onpraktisch is vanwege de astronomische getallen, gebruiken we de kW voor elektrische energie en de kcal voor warmte-energie. Als alle vormen van energie in J wordt uitgedrukt, is het niet meer duidelijk over welke vorm van energie we het hebben.

Vandaar dat de begrippen zonnepanelen en zonnecollectoren onterecht door elkaar gebruikt worden.

Voor de duidelijkheid:

Een zonnepaneel zet het ultraviolette deel uit het zonlicht om in elektriciteit.
Een zonnecollector zet het infrarode deel uit het zonlicht om in warmte.

Hoewel de verhoudingen per jaargetijden en plaats verschillen, zit er toch nog altijd veel meer infraroodlicht in het zonlicht dan ultravioletlicht. Het rendement van een paneel is hooguit 16 1/2% en van een collector +/- 90 %. Een collector levert dus per m2 oppervlak, ruim 5 maal zo veel energie op dan een paneel. Het rendement van een zonnepaneel is nog wel te verbeteren, maar het kan nooit meer elektriciteit leveren dan er aan ultravioletlicht in het zonlicht aanwezig is. Gezien het feit dat een gemiddeld huishouden 5 maal zo veel energie gebruikt in de vorm van warmte dan in de vorm van elektriciteit, ligt het voor de hand zonnecollectoren toe te passen in plaats van zonnepanelen.

BEGRIPSVERWARRING
De meeste mensen denken dat hoe hoger de temperatuur is, hoe meer warmte er ingewonnen wordt. Maar ze vergeten dat de eenheid van warmte de kilocalorie is en de eenheid van temperatuur is graden Celsius. Om dit te verduidelijken geef ik een voorbeeld:

In een kopje kokend water zit net zo veel warmte als in een emmer die we van 20 graden naar 22 graden verwarmen. Als we een kopje water van 225 CC verwarmen van 12 naar 100 graden dan is dat 100 – 12 = 88 graden. (1000/225=4.444) 88/4.444 = 19.8 kilocalorie. In een emmer van 10L is dat 2 graden maal 10L = 20 kilocalorie.

Hoe later in het najaar, hoe meer warmte we nodig hebben en hoe lager de temperatuur in het buffervat wordt. Maar bij een lagere temperatuur kunnen we ook voldoende warmte inwinnen, het vraagt alleen meerdere collectoren en een groter buffervat.

Naar mate we meer de winter naderen moet de naverwarming eerst steeds meer het tapwater naverwarmen. Want dit moet voldoen aan de wet en regelgeving omtrent de legionella, die bepaalt dat het sanitairwater 60 graden moet zijn. Pas veel later in de winter moet de naverwarming ook bijspringen voor de vloerverwarming.

Helemaal zonder naverwarming kunnen we niet, ’s nachts schijnt de zon niet. Naar mate we meer naar het voorjaar toe gaan hoeft de naverwarming steeds minder de vloerverwarming te verwarmen. We hebben dan alleen nog de naverwarming nodig om het tapwater op de vereiste temperatuur te brengen. Maar alleen op het moment als we het echt nodig hebben. (We houden geen boiler het hele jaar door op een temperatuur van 60 graden.)

Op deze manier is het wel goed mogelijk, ook in de winter, een woning grotendeels met zonne-energie te verwarmen.

DE EISEN WAAR DE INSTALLATIE AAN MOET VOLDOEN
Om een zo hoog mogelijk rendement te bereiken moet de woning zo veel mogelijk aan de onderstaande 7 eisen voldoen. Hoe meer van deze eisen afgeweken wordt, hoe lager het rendement zal zijn. Als het totale rendement minder dan 60% wordt, dekken de kosten de baten niet meer.

1 Op het dak moeten voldoende collectoren geïnstalleerd kunnen worden.
2 Het dak waar de collectoren op moeten komen, moet zo veel mogelijk op het zuiden liggen en er mag geen schaduw op vallen.
3 De hoek die de collectoren met het horizontale vlak maken moet zo dicht mogelijk de 70 graden benaderen. (Op een plat dak kunnen de collectoren precies uitgericht worden.)
4 De gehele benedenvloer en de badkamer (eventueel op de bovenverdieping), moeten voorzien zijn van vloerverwarming die aan de eisen gesteld zijn onder het kopje “De vloer als radiator”.
5 Het pand moet voorzien zijn van een WTW-unit (Warmte-Terug-Win) en/of een vraaggestuurd ventilatiesysteem.
6 Het pand moet goed thermisch geïsoleerd en kierdicht zijn.
7 De verhoudingen tussen de componenten moeten op elkaar afgestemd zijn.

(Zie “De verhoudingen tussen het oppervlak van de collectoren, het oppervlak van de vloerverwarming en de inhoud van het buffervat.”)

DE VERTICALE HOEK VAN DE COLLECTOR MET DE HORIZON
Om een zo hoog mogelijk rendement van de zonnecollector te verkrijgen met als doel, behalve het tapwater, ook de woning te verwarmen, moet de hoek die de zonnecollector met de horizon maakt in Nederland 70 graden zijn. In documentatie wordt vaak een hoek van 35 gr. aanbevolen. Dat is wel juist voor een zonnepaneel, maar niet voor een zonnecollector. De hoek is afhankelijk van de ligging ten opzichte van de geografische breedtegraad.

In de zomer staat de zon het hoogst aan de hemel, maar is de behoefte aan warmte het minst. Op dat moment hebben we een overschot aan warm tapwater en gebruiken we maar weinig voor het verwarmen van de woning. In de winter is de behoefte aan warmte het grootst, maar is het aanbod het minst. Ook overtreft dan de behoefte aan warmte om de woning te verwarmen, de vraag aan warm tapwater. Het kan in de winter voorkomen dat de zon dagenlang niet schijnt. Dan moet de naverwarming bijspringen. Om in de winter zo veel mogelijk zonneenergie in te winnen moet de collector steiler staan, dus de hoek die de collector met de horizon maakt moet kleiner dan gewoonlijk zijn. Zodat het beetje zon, wat er dan nog is, meer loodrecht op de collector schijnt. Op deze manier krijgen we het meeste profijt van zonne-energie. In de zomer is de collectorhoek weliswaar ongunstiger, maar de intensiteit van het zonlicht is sterker. Dat compenseert het verlies aan instraling en we hebben minder behoefte aan warmte.

Berekening van, onder welke hoek de collector met het horizontale vlak moet staan, ten opzichte van de geografische breedtegraad.

Als de zon in Nederland op zijn hoogste punt staat, is dat op 21 juni om 13.40 uur Midden-Europese zomertijd. (Het precieze tijdstip is ieder jaar een beetje anders.) Dan staat hij precies op de Kreeftskeerkring, noordelijker komt de zon niet.

Op 21 december staat de zon precies op de Steenbokskeerkring, het meest zuidelijke punt. Midden-Nederland ligt op 52.5 graden geografische breedtegraad, ten noorden van de Evenaar.

De Poolcirkel ligt op 66.6 graden. In de winter komt de zon niet Noordelijker. Hier moet de hoek die de collector met het horizontale vlak maakt 90 graden. zijn. Op de evenaar moet de collector horizontaal liggen.

Hieruit kunnen we berekenen wat de hoek die de collector met het horizontale vlak maakt, moet zijn. Dat is 4/3 van de geografische breedtegraad. Nederland ligt op 52 á 53 graden, de collectoren moeten dan in Nederland onder een hoek van (52.5 : 3) x 4 = 70 graden met het horizontale vlak staan. Daar we in de winter het meeste profijt van de zon moeten zien te krijgen, is dit dus de beste hoek voor een zonnecollector die ten doel heeft om behalve het tapwater, ook de woning te verwarmen. De praktijk laat zien dat, naar mate we meer naar de winter gaan, de collectoren ook meer warmte gaan leveren. Gaat het om een zonnecollector die alleen tapwater moet verwarmen, dan is de beste hoek gelijk aan de geografische breedtegraad, dus 52 á 53 graden.

De beste hoek voor een zonnepaneel is 2/3 van de geografische breedtegraad, dus 35 graden. Hierbij gaat het er om het hele jaar door zo veel mogelijk elektriciteit op te wekken, het elektriciteitsnet werkt dan als opslag. Hoe noordelijker men komt, hoe steiler de zonnecollector en dus ook het zonnepaneel, moet staan.

DE HORIZONTALE HOEK VAN DE COLLECTOREN TEN OPZICHTE VAN DE ZON
Wanneer de zon niet loodrecht op het paneel- of collectoroppervlak valt, maar onder een hoek van 20 gr., is de opbrengst 63% en bij een hoek van 35 gr. is dat 45% bij een hoek van 60 gr. is dat 18%. Hierbij maakt het niet uit of de afwijking horizontaal of verticaal is. Omdat de zon een boog langs de hemel beschrijft en de collectoren vast staan opgesteld, zal er altijd een afwijking zijn. Daarom is het heel belangrijk dat de collectoren zo veel mogelijk op het zuiden staan gericht om deze afwijking zo klein mogelijk te laten zijn. Een baten – kosten analyse berekening leert dat de investering niet meer lonend is wanneer de opbrengst minder dan 60 % is. Dus de hoekafwijking mag niet groter zijn dan 50 graden.

MEE BEWEGENDE COLLECTOREN
Een installatie die de collectoren de hele dag door op de zon gericht houdt is erg kostbaar. Het moet een sterke, stormvaste constructie zijn, het gebruikt voortdurend elektriciteit voor de motoren en het vraagt de hele levensduur onderhoud. Het is daarom beter om voor een wat groter collectoroppervlak te kiezen. Dat vraagt geen onderhoud en bespaart dus kosten.

HET BUFFERVAT
Het buffervat moet de juiste inhoud hebben. Het doel van het buffervat is om de vraag naar warmte en het aanbod aan warmte, zo veel mogelijk op elkaar af te stemmen. De inhoud van het buffervat moet 60L zijn per m2 van het collectoroppervlak.

Voorbeeld 1: Het totale vloeroppervlak (boven plus de benedenverdieping) is 80 m2. Dan moet het oppervlak van de gezamenlijke collectoren 20 m2 zijn (1/4 van het vloeroppervlak) en de inhoud van het buffervat 1200L. Omdat een buffervat van 1200L niet bestaat (of je zou het speciaal moeten laten maken) komen we, in de praktijk, uit op een buffervat van 1000L.

Voorbeeld 2: Het totale vloeroppervlak is 50 m2. Dan is het oppervlak van de collectoren 12,5 m2 en de inhoud van het buffervat 750L.

Voorbeeld 3; vloeroppervlak 200 m2, collectoren 50 m2, buffervat 3000L.

Het bovenstaande is alleen van toepassing mits er een WTW is toegepast. Anders moeten de collectoren en het buffervat veel groter worden.

Warmte opslag. Een zonnebuffervat kan geen warmte die in de zomer is ingewonnen bewaren voor in de winter. Geen enkele isolatie kan de warmte zo lang vasthouden. De beste isolatie is die van de thermoskan, maar ook bij deze is de temperatuur na zo’n 30 uur zover gedaald, dat we er niets meer aan hebben. De zonnecollectorinstallatie moet dus in de winter de meeste warmte inwinnen.

DE OPBOUW VAN HET BUFFERVAT
Als het buffervat van RVS of zuivelstaal is gemaakt, dan moet het voorzien zijn van een verwisselbaar opofferingselement, b.v. magnesium. Indien het buffervat van roodkoper is gemaakt, is er geen opofferingselement nodig. Roodkoper verdient aanbeveling in verband met de legionellabacterie. Het buffervat moet tegen een druk van 10 bar bij 100 graden bestand zijn. In het buffervat zitten geen gespiranliseerde warmte wisselaars, de z.g.n. serpentines.

DE VLOERVERWARMING

Als de kamerklokthermostaat warmte vraagt, gaat de vloerverwarmingpomp aan. Hierdoor gaat er warm water uit het buffervat naar de vloerverwarming en deze verwarmt de woning. Dit wordt kenbaar gemaakt met een geel lampje op de schakelkast. Dit werkt volgens het principe zoals aangegeven op bovenstaande tekening.

Als er overdag niemand thuis is en de zon schijnt wel, dan gaat de warmte uitsluitend in het buffervat zitten. Als de bewoners ’s namiddags thuis komen willen ze wel warmte hebben. De kamer(klok)thermostaat gaat aan en de warmte uit het buffervat gaat naar de vloerverwarming. Nu neemt de vloer eerst een heleboel warmte op voordat deze zelf warmte af kan geven.

Niet alleen het buffervat maar ook de vloer accumuleert warmte. Er blijft nog maar weinig warmte over om de woning te verwarmen. Uit ervaring blijkt dat het beter is om, als er overdag zon is, de woning rechtstreeks met zonne-energie op temperatuur te houden. Als dan ’s avonds de kamerthermostaat warmte vraagt, kan de warmte uit het buffervat via de vloer, de woning verwarmen. De vloer hoeft niet eerst op temperatuur gebracht te worden om warmte te kunnen afgeven, maar deze kan dat, indien nodig, metéén doen omdat deze nog warm is.De zon hoeft alleen maar de verlieswarmte te compenseren om de woning en ook de vloer, op temperatuur te houden.

Daarom gaat, als extra voorziening, de vloerverwarming ook aan, telkens als de zonne-installatie zonnewarmte inwint. Dit gaat buiten de kamerklokthermostaat om. Er is immers gratis zonnewarmte. Mocht de temperatuur in huis, in de zomer, te hoog oplopen, dan schakelt een aparte kamerthermostaat de vloerverwarming alsnog uit. Deze werkt dus als maximaalthermostaat. De rest van de ingewonnen warmte wordt opgeslagen in het buffervat.

Het kan ook zijn dat er meer warmte aan het buffervat onttrokken word dan er aan zonne-energie in komt. In het geval dat de temperatuur in het buffervat minder dan 10 graden hoger wordt dan de kamertemperatuur, schakelt de schakelkast de vloerverwarming weer uit. Dit werkt uitstekend mits er een WTW wordt toegepast en de woning goed geïsoleerd en kierdicht is.

Op deze manier is het heel goed mogelijk om, ook in de winter, een woning voor meer dan 80% met zonneenergie te verwarmen en van warm tapwater te voorzien.

Het voordeel van een WTW is ook dat er geen insecten, vliegen en muggen de woning in komen. Ze worden tegen gehouden door het luchtfilter. Ook kan er een z.g.n. pollenfilter toegepast worden zodat ook (boom) pollen tegen gehouden worden. Een voordeel voor mensen met een pollenallergie.

DE VLOER ALS RADIATOR
Om in de winter de woning toch zo veel mogelijk met zonne-energie te kunnen verwarmen moet de vloerverwarming zo optimaal mogelijk werken. Als bij de gangbare systemen de temperatuur in de woning niet hoog genoeg wordt, zetten we de CV-watertemperatuur-thermostaat in de ketel een beetje hoger, maar de zon heeft niet zo’n knop. Daarom moet de vloerverwarming aan bepaalde eisen voldoen.

Het water moet via het oppervlak van de vloerverwarmingbuiswand de vloer verwarmen. Om bij een lage temperatuur, zo veel mogelijk warmte over te kunnen dragen, moet er ook zo veel mogelijk buiswand in de vloer gelegd worden. Het gaat er niet om, zo veel mogelijk waterinhoud in de vloer te krijgen, maar het gaat om een zo groot mogelijk buisoppervlak voor de warmte overdracht. Verder is het belangrijk dat de temperatuur in de vloer overal dezelfde is, dus geen koude plekken, want die leveren geen bijdrage aan de verwarming. Bij lage temperatuur heeft vloerverwarming het hoogste rendement, hoger dan radiatoren. Radiatoren zouden ook snel doorroesten omdat er gewoon drinkwater in zit.

DE BUISDIAMETER

In de figuur kunnen we zien dat de omtrek van de twee kleine cirkels dezelfde is als die van de grote cirkel. (omtr.=phi.d) Maar het oppervlak (opp.= 1/4 phi.d2) van de grote cirkel is groter dan die van de twee kleine cirkels samen. Hieruit kunnen we opmerken dat een dikkere buis in de vloer weliswaar een groter buisoppervlak heeft, maar naar verhouding ook meer waterinhoud. Een dunnere buis in de vloer kan met kortere bochten gelegd worden (de straal is kleiner) en daardoor kunnen de buizen dichter bij elkaar gelegd worden. Meer buisoppervlak per m2 betekent een betere warmtespreiding.

De buizen liggen zo dicht bij elkaar, dat er per m2 vloeroppervlak, 20 m buislengte in gaat. Door het toepassen van draadmatten (krimpnetten, maaswijdte 10 cm) wordt de warmte nog meer gelijkmatig verdeeld. De warmte die de buis aan de onderkant afgeeft, kan via de draadmat naar de bovenkant afgevoerd worden. Uiteraard moet de vloer aan de onderkant goed geïsoleerd worden, maar de buis mag niet pal op de isolatie gelegd worden, want dan wordt een gedeelte van de onderkant van de buis ook geïsoleerd. Onder en boven de buis moet een draadmat liggen. (Dit is absoluut een vereiste.) Door deze constructie kan de vloer ook dunner worden. Een dunnere vloer warmt sneller op en geeft dus ook sneller warmte af. Echter hoe kleiner de buisdiameter, hoe meer groepen de vloerverwarmingverdeler moet hebben om dezelfde warmte over te dragen. De buizen mogen niet te lang worden, (niet langer dan 100 m.) anders kan de pomp er niet meer voldoende water door pompen. Dat komt neer op 5 m2 vloeroppervlak per groep.

De vloer dient afgewerkt te worden met een strijklaag, plavuizen, vloertegels enz., maar niet met hout of een ander isolerend materiaal.

Als we ons aan deze regels houden is het gezamenlijke buisoppervlak in de vloer ongeveer gelijk aan de helft van het vloeroppervlak en het dubbele van het collectoroppervlak. Dan draagt de vloer, ook bij een lage temperatuur, genoeg warmte over om in een groot deel van de winter, de verlieswarmte te compenseren. Het pand in de winter opwarmen met zonnewarmte gaat meestal niet, maar men kan wel in een goed geïsoleerd pand de verlieswarmte compenseren.

DE INSTALLATIE UITVOERING
De installatie is zodanig uitgevoerd dat de naverwarming niet het buffervat kan verwarmen. Ook kan de warmte uit de naverwarming of uit het buffervat niet de collectoren verwarmen. Anders zouden de collectoren ’s nachts het buffervat weer afkoelen. De collectoren blijven gevuld als de temperatuur niet lager dan 3 á 5 graden is, (vorstbeveiliging,) of hoger dan 90 á 95 graden, (kook beveiliging.) Als de naverwarming de vloerverwarming verwarmt, gaat het water van de naverwarming eerst door de vloer en daarna naar het buffervat en vandaar weer terug naar de naverwarming. De temperatuur in het buffervat daalt dan niet verder dan de temperatuur die is ingesteld op het thermostatisch-regelventiel op de vloerverwarmingverdeler min het temperatuurverschil tussen de aanvoer en retour van de vloerverwarmingverdeler. De temperatuur in het buffervat neemt ook niet toe want de naverwarming warmt het buffervat niet op. Zodra het water in de collectoren warmer wordt dan in het buffervat, wordt er weer warmte ingewonnen.

Het kan voorkomen dat zowel de vloerverwarmingpomp als ook de collectorpomp allebei op hetzelfde moment pompen. In dat geval gaat het water uit de collectoren rechtstreeks naar de vloerverwarming. De hoeveelheid water die de vloerverwarmingpomp afneemt is afhankelijk van de temperatuur in de vloerverwarmingverdeler. Deze wordt thermosstatisch geregeld. Indien de volumestroom van de collectorpomp groter is dan die van de vloerverwarmingpomp, dan gaat de rest van het water naar het buffervat.

DE DT-REGELING EN HET CIRCULATIESYSTEEM
DT, betekent delta temperatuur, het staat voor verschiltemperatuur-meting. Het is een elektronische dubbelthermostaat die twee temperaturen met elkaar vergelijkt.

De collectoren zijn vacuümbuis-collectoren (zie tekening 160502)

De vorstbeveiliging-sensor (een sensor is een temperatuurvoeler) zit aan die zijde van de collector waar het water uit het zonne-buffervat de collector in stroomt. De DT-sensor en de maximaaltemperatuur-sensor zitten aan die zijde van de collector waaruit het water naar het zonne-buffervat stroomt. De andere DT-sensor zit onderin het zonne-buffervat.

De twee DT-sensoren meten de verschiltemperatuur. Wanneer de temperatuur in de collector hoger is dan in het buffervat, wordt de collectorpomp aangestuurd. Maar niet als er geen water in de collectoren is, dat verhindert de schakelkast. Als er zonne-energie wordt ingewonnen, wordt dit aangegeven met een groen lampje.

Als de collectorpomp loopt, stroomt er warm water vanuit de collectoren naar de bovenkant van het buffervat en koud water vanuit de onderkant van het buffervat weer via het NC magneetventiel, (vulventiel) naar de collectoren. In de collectoren wordt het water weer warm en op deze manier pompt de collectorcirculatiepomp de warmte uit de collectoren naar het buffervat. Het warme water blijft bovenin het buffervat omdat warm water lichter is dan koud water. Hierdoor pompt de pomp steeds het koudste water naar de collectoren en wordt de warmte in het buffervat opgeslagen.

De pomp blijft nu net zo lang draaien tot de temperatuur in de collectoren minder dan ongeveer 2 graden warmer is dan in het buffervat, dan stopt de DT regeling de collectorpomp. De collectorpomp kan ook niet lopen als de temperatuur in de collectoren kouder is dan in het buffervat. Afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de collectoren en het buffervat wordt het toerental van de collectorpomp geregeld. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe harder de pomp gaat draaien en omgekeerd. Dit is gedaan om een hogere temperatuur te krijgen.

DE VORST- EN ANTIKOOKBEVEILIGING
Als de maximaaltemperatuur-sensor, of de vorstbeveiliging-sensor, geactiveerd is, lopen de collectoren leeg. (Deze temperaturen zijn instelbaar) Daardoor kunnen ze niet gaan koken of bevriezen. Dit wordt met een blauw lampje op de schakelkast aangegeven. Ook de collectorpomp stopt, anders zou hij drooglopen.

Nadat:

1e de maximumtemperatuurbeveiliging is gereactiveerd,
2e de vorstbeveiliging is gereactiveerd,
3e de temperatuur in de collectoren hoger is geworden dan in het buffervat, worden de collectoren weer automatisch gevuld.

Pas nadat de collectoren gevuld zijn kan de collectorpomp weer draaien en het blauwe lampje gaat uit. De vorstbeveiliging treed iedere winter menigmaal in werking, maar de maximaaltemperatuurbeveiliging maar zelden. Deze maximumtemperatuurbeveiliging is voor de zekerheid aangebracht. In de praktijk komt het bijna nooit voor dat de temperatuur zo hoog oploopt dat de maximumtemperatuurbeveiliging in werking reed. Om aan het veiligheidsvoorschrift te voldoen is er ook nog een overstortventiel aangebracht. Als er zonne-energie wordt ingewonnen, wordt dit aangegeven met een groen lampje op de schakelkast.

Nadeel: Het nadeel van deze voorziening is, dat als de maximale temperatuur bereikt is, de collectoren leeg zijn en de pomp stil staat, dat dan de temperatuur in de collectoren blijft stijgen. De zon blijft immers gewoon doorgaan met schijnen. Zelfs als het buffervat inmiddels steenkoud is geworden, wordt er geen warmte meer ingewonnen voordat de temperatuur in de collectoren is gedaald tot de ingestelde waarde van 90 á 95 graden. Als de temperatuur hoger is dan 100 graden en de collectoren zouden gevuld worden met water, dan ontstaat er stoomvorming die zeer schadelijk kan zijn. Zo erg nadelig is het nou ook weer niet dat er geen warmte meer ingewonnen wordt, want het doet zich alleen maar voor als het hoogzomer is en dan hebben we natuurlijk nog maar weinig warmte nodig.

DE DROOGLOOPBEVEILIGING
In het geval er geen waterdruk meer op het systeem staat, schakelt een minimumdrukschakelaar de stroom voor de pompen uit. De collectoren lopen nu leeg en de pompen kunnen dan niet zonder water gaan lopen. Want dat is erg schadelijk, het water smeert de pomplagers niet meer.

SIGNALERING
Rood lampje: Als de naverwarming aan staat, geeft een rood lampje dit aan

Geel lampje: Als de vloerverwarming aan staat, brandt er een geel lampje.

Groen lampje: Als er zonne-warmte-energie ingewonnen wordt, brandt er een groen lampje.

Blauw lampje: Als de collectoren leeg zijn, geeft een blauw lampje dit aan. Is er wel water in de collectoren, dan is het lampje uit.

HET LEEGLOOPSYSTEEM

Het hele systeem staat onder waterleidingdruk en voldoet aan de eisen van de wet en regelgeving van de verschillende overheidsorganen.

Een klein magneetventiel NO (normaal open) en een groter magneetventiel NC (normaal closed) laten de collectoren leeg of vol lopen, zie tekening 160801. Het systeem is zodanig uitgerust dat wanneer de stroom uitvalt, de collectoren leeg lopen. (Zonder elektriciteit werken de beveiligingen niet meer) Op het hele systeem staat waterleidingdruk. Beide magneetventielen werken samen en krijgen allebei tegelijk spanning of geen spanning. Als de ventielen bekrachtigd worden, sluit het kleine NO ventiel en opent het grote NC ventiel. De collectoren lopen nu vol.

Door een voorziening in de schakelkast, kan de collectorpomp pas draaien als de collectoren zijn ontlucht. Daardoor kan de collectorpomp dus niet drooglopen. Als beide ventielen geen spanning krijgen, sluit het NC ventiel en opent het NO ventiel. Het water kan nu niet vanuit de onderkant van het buffervat naar de collectoren stromen en vanaf de bovenkant van het buffervat wordt het tegengehouden door de terugslagklep boven de collectorpomp. Het NO ventiel staat open, waardoor de collectoren naar het riool leeg lopen. Op het hoogste punt van de collectoren zit een automatische ontluchter die de lucht, niet alleen uit de collectoren laat, maar ook erin.

DE WERKING IN DE PRAKTIJK
Als de collectorpomp stil staat omdat de temperatuur in de collectoren lager is dan in het buffervat en er nog wel water in de collectoren is, zou er spontaan een natuurlijke circulatie kunnen ontstaan, omdat warm water lichter is dan koud water en dus omhoog wil stijgen. Dan zouden de collectoren het buffervat gaan afkoelen in plaats van opwarmen. Een veerbelaste keerklep, direct onder de collectorpomp, verhindert dat.

Doordat dit leegloopprincipe is toegepast mag het buffervat hoger staan dan de collectoren, bijvoorbeeld op zolder, als de 2 ventielen maar lager staan en het water er uit weg kan stromen. Er mag geen antivriesmiddel gebruikt worden omdat alle water drinkwater is en als tapwater gebruikt wordt. Ook beveiligd antivries niet tegen koken. Daarom kan alleen dit leegloopsysteem toegepast worden.

DE CAPACITEIT VAN HET ZONLICHT

Als een voorwerp in de zon ligt, wordt het warm. De maximum temperatuur die wordt bereikt is wanneer de hoeveelheid warmte die het opneemt gelijk is aan de hoeveelheid warmte die het uitstraalt. De temperatuur die het uiteindelijk bereikt is afhankelijk van de intensiteit van het opvallende zonlicht en het absorptievermogen van het voorwerp.

Om er nut van te hebben moeten we de warmte kunnen afvoeren en elders gebruiken. Als er warmte afgevoerd wordt, zal de temperatuur dalen. De zon zal de temperatuur weer willen verhogen tot het hierboven genoemde maximum. Doordat dit proces voortdurend plaats vindt, wordt er zonne-energie-capaciteit ingewonnen. We kunnen hieruit opmaken dat, hoe groter het temperatuurverschil tussen het voorwerp (collector) en de hierboven genoemde eindtemperatuur, hoe meer warmte-energie er ingewonnen wordt. Wanneer er geen temperatuurverschil meer is, wordt er ook geen zonne-warmte energie meer ingewonnen.

Dus bij een zonne-collector gaat het buffervat pas warmte inwinnen als de temperatuur van de collector boven die van het buffervat komt. Dus hoe lager de buffervattemperatuur, hoe meer warmte er ingewonnen wordt. Hoe groter de verschiltemperatuur tussen collector en het buffervat en ook, hoe langer dit verschil gehandhaafd blijft, hoe meer warmte er ingewonnen wordt.

DE INTENSITEIT VAN HET ZONLICHT
De intensiteit van het zonlicht is afhankelijk van verschillende factoren, zoals mist, regen, stof, enz. Hoe hoog de zon boven de horizon staat en onder welke hoek de zon op de collector schijnt, maakt hier ook deel van uit. De maximale temperatuur die de collector kan bereiken is afhankelijk van bovenstaande factoren, de afstand naar de evenaar (geografische ligging) en het jaargetijde.

Voorbeeld: Vergelijking; twee huizen onder één kap.

Gegevens:
Beide huizen zijn voorzien van precies dezelfde zonneboilers.
De watertemperatuur in de boiler van huis A is ’s morgens 20 graden C.
De watertemperatuur in de boiler van huis B is ’s morgens 40 graden C.
Na een dag matige zonneschijn in de winter, is de temperatuur van de boiler in huis A 40 graden C.

Vraag: Wat is nu de temperatuur in de boiler van huis B?

Antwoord: Men zou denken 60 graden, maar het is hooguit 45 graden, want de zonlichtintensiteit is in de winter (in Nederland) niet voldoende om een hogere temperatuur dan 45 graden te bereiken.

DIFFUUS LICHT
Als het pand in een waterrijke omgeving ligt, winnen we meer warmte in. Want als de zon bij een bewolkte hemel even tussen de wolken door schijnt, weerkaatst het water het zonlicht tegen de onderkant van de wolken en deze kaatsen het licht weer terug naar beneden. Op deze manier komt er diffuus licht op de zonnecollector. Ook dit licht draagt bij aan het inwinnen van warmte in de zonnecollector. Als de zonnecollector op deze manier door de zon opgewarmd wordt is dat ook in de wintermaanden, zelfs bij vorst, voldoende om met vloerverwarming het pand op temperatuur te houden.

HET RENDEMENT
De leverancier van warmtepompen zegt met 1 kWh aan elektrisch vermogen 4 kW aan warmte te winnen. Dat is dus een rendement van 400%. De zonneboiler kan met 1 kW aan elektrisch vermogen wel 70 kW aan warmte inwinnen. Volgens hetzelfde argument als dat van de warmtepompleverancier levert een zonneboiler dan 7000 %.

Een zonneboiler werkt ’s nachts niet en overdag is er ook niet altijd zon. Volgens metingen van het KNMI te De Bilt, schijnt de zon gemiddeld 2000 uur per jaar. Voor berekeningen gaan we er van uit dat het jaargemiddelde van de capaciteit van het zonlicht, voor een zonnecollector, 700Watt. per m2 is. Voor een zonnepaneel is dat 140 Watt. per m2. Dat is dus een vijfde deel. Als het hoogzomer is kan een collector wel 1000 W per m2 opbrengen. Een paneel kan dan ook wel 200 W per m2 leveren. Echter een paneel levert weer minder elektriciteit naarmate de temperatuur toeneemt.

DE VERHOUDING TUSSEN HET OPPERVLAK VAN DE COLLECTOREN, HET OPPERVLAK VAN DE VLOERVERWARMING EN DE INHOUD VAN HET BUFFERVAT
Het oppervlak van collectoren moet ongeveer een vierde zijn van het totale vloeroppervlak. De inhoud van het buffervat moet 60 L per m2 gezamenlijk vloeroppervlak zijn waar vloerverwarming in zit. Minder dan 50L per m2 maakt dat we niet genoeg warmte kunnen opslaan. Bij meer dan 70L per m2 wordt de temperatuur van het water in de winter niet hoog genoeg om het nuttig te kunnen gebruiken. Als we de inhoud hier tussenin kunnen houden, hebben we het hoogste rendement.

Het totale buiswandoppervlak in de vloer moet ongeveer gelijk zijn aan de helft van het vloeroppervlak en dus het dubbele van het collectoroppervlak. In de hele vloer van de benedenverdieping en als de badkamer een verdieping hoger ligt ook in deze vloer, moet vloerverwarming aangebracht zijn. De woning moet voorzien zijn van WTW, anders is er veel meer collectoroppervlak en een groter buffervat nodig.

Hoe Noordelijker men komt, hoe meer collectoroppervlak er nodig is per m2 vloeroppervlak. Op de Kreeftskeerkring is dat hetzelfde oppervlak als de vloer. Noordelijker dan 66 gr. geografische breedtegraad (Kreeftskeerkring) is het niet meer mogelijk om zonne-energie nuttig toe te passen.

DE WARM TAPWATERVOORZIENING
Daar alle water, in het buffervat, in de naverwarming, in de collectoren en in de vloerverwarming, hetzelfde drinkwater is, (er worden geen warmtewisselaars toegepast) kan het zondermeer afgetapt worden voor de warmtapwatervoorziening. De vloerverwarmingbuizen hoeven dan ook niet diffusiedicht te zijn, want er komt steeds weer zuurstofrijk water in. Alle componenten die met dit water in aanraking komen voldoen aan de wet en regelgeving van de verschillende overheidsorganen.

Op het moment dat er een warmwaterkraan geopend wordt en de temperatuur in het buffervat lager is dan 60 graden, stuurt de schakelkast via een stromingschakelaar, de naverwarming aan. Deze brengt dan de temperatuur toch op 60 graden. Is de temperatuur in het buffervat 60 graden of hoger, dan blijft de naverwarming uit. Het kan in de zomer voorkomen dat de temperatuur in het buffervat hoger is dan 60 graden. In dat geval brengt het thermosstatisch mixventiel de watertemperatuur weer terug op 60 graden door het met koud water te mengen. Door deze voorzieningen komt er altijd water van 60 graden uit de kraan, nooit veel warmer of kouder. (differentie 5 graden)

De wasmachine kan heel goed op de warmwaterleiding aangesloten worden. Het verdient in dat geval wel aanbeveling om de wasmachine via een thermostaatkraan (zo een als voor de douche gebruikt wordt) aan te sluiten. Dat geeft de mogelijkheid om de watertemperatuur die in de machine stroomt lager in te stellen dan de 60 gr. dat uit de warmwaterleiding komt, bv. voor de wolwas. Niet vergeten om de thermostaatkraan weer op koudwater terug te draaien voordat de wasmachine gaat spoelen! Anders gaat deze ook op warmwater spoelen.

De installatie is berekend om in de winter de woning, zo veel mogelijk met zonne-energie te verwarmen. De warmtevraag voor de vloerverwarming is vele malen groter dan er aan warmte voor het tapwater nodig is. Het gevolg is wel, dat je in de zomer bijna onbeperkt kunt douchen. Het is jammer dat het water voor het douchen, tengevolge van de eis om de legionellabacterie te doden, eerst naar 60 graden verwarmt moet worden en daarna weer teruggebracht wordt naar +/_ 38 graden. Want deze 38 graden wordt in de winter veelvuldig gehaald, maar de 60 graden niet.

In de winter wordt de temperatuur van de collectoren niet veel hoger dan 40 graden. De zonlichtintensiteit is dan niet toereikend om een hogere temperatuur te bereiken. Willen we meer warmte (gemeten in kcal, niet in graden C), dan hebben we een grotere collector nodig, of meerdere collectoren. Echter, 40 graden is wel ruim voldoende om de woning, via de vloerverwarming, te verwarmen, mits het gezamenlijke oppervlak van de collectoren groot genoeg is. De meeste energie van de naverwarming is nodig om het tapwater na te verwarmen en niet om de woning te verwarmen.

DE VERSCHILLENDE WARMTEBRONNEN VOOR DE WARMTEPOMP
Met een warmtepomp kunnen we wel de temperatuur van het water omhoog brengen, maar niet de capaciteit vermeerderen. Als we denken meer capaciteit uit de zonnecollector te kunnen halen met een elektrisch aangedreven warmtepomp, dan is deze extra capaciteit afkomstig van het elektriciteitsnet en niet van de zon. (Je kan geen zonne-energie aanzuigen.)

Anders zou het in theorie mogelijk moeten zijn dat een WP warmte uit de buitenlucht haalt en dit opwarmt tot 50 graden. Als we hierachter een WP schakelen die deze warmte oppompt naar 200 graden en daarachter weer een WP om 800 graden te verkrijgen, dan zou op deze warmte een heteluchtmotor kunnen draaien. Deze motor zou dan een dynamo kunnen aandrijven die de stroom levert voor de warmtepompen. Omdat er aan de buitenlucht meer warmte-energie wordt onttrokken dan de warmtepompen zelf nodig hebben, zouden we een gratis energiebron hebben gecreëerd. Helaas kan dit niet, want we brengen wel de temperatuur (graden C) omhoog, maar krijgen niet meer warmte (kcal.) (Natuurwet tot behoud van energie) Precies zo werkt het ook met collectoren, ongeacht welk type, we kunnen er niet meer energie uit halen dan er aan zonne-energie op valt.

Oppervlakte water
Onder het ijs vriest het nooit. Als het huis in de buurt van oppervlaktewater staat waar ook een zekere doorstroming in aanwezig is en minimaal 1 meter diep, dan kan de absorber hier het beste de warmte aan onttrekken.

Meren, vaarten, boezems, singels, uitwateringskanalen enz. zijn hiervoor geschikt. (Zie hiervoor ook hydraulisch schema met warmtepomp) Dit zelfde water kan in de zomer ook gebruikt worden om de woning te koelen. Uitermate ideaal voor woonboten. Het nadeel is, dat als er een warmtewisselaar in het oppervlaktewater is aangebracht, deze gaat aankoeken met algen.

Op deze manier toegepast, is dit een warmtebron om op terug te vallen, indien er niet voldoende zonne-energie meer is. We gebruiken dan elektriciteit als energievervanger met een hoog rendement. Elektriciteit gebruiken we ook voor een inductiekookplaat. Het rendement om met een inductiekookplaat te koken is hoger dan koken op gas. Bij het koken op gas gaat de meeste warmte om de pan heen en bij het inductiekoken, bakken of braden, komt de warmte in de bodem van de pan vrij. Elektriciteit heeft ook het voordeel dat het zonder dat er CO2 (kooldioxide) vrij komt, opgewekt kan worden.

Grondwaterwarmte
Zoals alle rivieren naar zee stromen, stroomt het grondwater ook naar zee. Veel langzamer dan rivierwater, ongeveer 20 meter per jaar, ruim 5 cm per etmaal. Dit is een gemiddelde. Op sommige plaatsen is het iets meer en op andere plaatsen minder. Dus de warmte die je ‘s zomers in de grond pompt om je huis te koelen, kan hooguit je westelijk gelegen buurman er in de winter weer uithalen, maar jij niet. Op geringe diepte stroomt het water harder dan op grotere diepte. Op 1 meter onder het laagste grondwaterpeil stroomt het water wel snel genoeg om een warmtewisselaar continu van warm grondwater te voorzien. Op een diepte van 50 meter stroomt het water te langzaam. Daar moet warmtegeleiding door de grondlagen, de sonde van warmte voorzien.

De grondlagen geleiden de warmte maar langzaam, waardoor de temperatuur aan de sonde erg laag wordt. Vaak moet er antivries (glycol) aan toegevoegd worden. Regenwater dat op de Veluwe valt zakt in de grond, gaat dan westwaarts onder het IJsselmeer door en door de grond van Noord-Holland naar de Noordzee. (Bron: Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier.)

Er zijn ook (kust) plaatsen waar het grondwater zich met zeewater vermengt. Dit grondwater is onderhevig aan de getijden van eb en vloed. Er ontstaat zilt grondwater. Ook hier blijft het grondwater niet op dezelfde plaats en kunnen we dus de in de zomer opgeslagen warmte, er in de winter niet uithalen. Lang voor de winter heeft het zich al met zeewater vermengt. We kunnen het zeewater wel goed gebruiken om er warmte aan te onttrekken.

Aardwarmte
Op grote diepte is er geen grondwater meer, alleen steenlagen. De temperatuur is er weliswaar hoger, maar als we aan deze steenlagen warmte onttrekken zal de temperatuur rondom de sonde dalen. De warmte in de aardlaag moet na verloop van tijd een tientallen meters lange weg afleggen, via geleiding, om bij de sonde te komen. Dat gaat steeds trager, op den duur kan er geen warmte meer aan onttrokken worden. Op een diepte van +/_ 200 meter is er vaak nog wel grondwater. En op sommige plaatsen in Nederland is dit water ook warm, +/_ 17 graden en dus goed te gebruiken voor de warmtepomp. Dit water kan heel lang opgepompt worden zonder dat het kouder wordt. Het moet, na gebruik, op het oppervlaktewater geloosd worden, want het mag niet op het riool geloosd worden. Anders zou het grondwaterpeil dalen. Ook moet hiervoor vergunning aangevraagd worden, want het drinkwaterbedrijf is er niet blij mee.

Buitenlucht
Hoe groter het temperatuurverschil tussen condensor en absorber van de warmtepomp, hoe lager het rendement zal zijn. En ook als de warmtepomp meer warmte moet transporteren, neemt het rendement af. Een warmtepomp die de warmte uit de buitenlucht moet halen zal dus een steeds lager rendement hebben naar mate de buitentemperatuur daalt en we tevens meer warmte nodig hebben. Dat geeft dus dubbelop rendementverlies. Het gevolg is dat de WP veel elektriciteit verbruikt en dat daardoor de terugverdientijd langer wordt dan de levensduur van deze warmtepomp.

DE ZONNEVLOERINSTALLATIE MET WARMTEPOMPEN
In plaats van fossiele brandstoffen kan beter elektriciteit als reserve-energie voor de naverwarming worden gebruikt, want dit kan CO2-vrij opgewekt worden. Speciaal voor dit doel heeft ZONNEVLOER een aangepaste installatie ontworpen. De elektriciteit kan het beste gebruikt worden om met behulp van een warmtepomp (WP) warmte uit de grond te halen. (aardwarmte) Daarmee winnen we met 1kW aan elektriciteit +/- 3 kW aan warmte.

Zowel in de zomer als in de winter is de temperatuur van grondwarmte redelijk stabiel. Een halve meter onder het laagste grondwaterpeil is de temperatuur +/- 10 graden. De sonde, welke in de grond geboord en aan een WP gekoppeld word, is een warmtewisselaar. De capaciteit van een warmtewisselaar is afhankelijk van het oppervlak waarover de warmte overgedragen moet worden. Hoe kleiner het oppervlak, hoe groter het temperatuurverschil zal zijn om dezelfde hoeveelheid warmte over te dragen.

Het komt dan ook vaak voor dat het grondwater rond de sonde bevriest, want het warmtewisselende oppervlak van de sonde is dan te klein. Het is het grondwater dat de warmte overdraagt aan de warmtewisselaar. (sonde) De aarde draagt de warmte weer over aan het grondwater. Op de meeste plaatsen in Nederland is de temperatuur in de winter op 1 meter diepte ongeveer 8 graden. Op een diepte van 50 meter is dat niet veel hoger, hooguit 12 graden. Maar de kosten om op 50 meter diepte, of nog dieper, de warmte uit de grond te krijgen zijn aanzienlijk. Daar is een boortoren voor nodig. De baten van maar 4 graden warmer wegen niet tegen de kosten op.

GEOTHERMIE
Pas op een diepte van 2 kilometer is de temperatuur, op sommige plaatsen, hoog genoeg om zonder WP te kunnen. Het is problematisch om een warmtewisselaar met een voldoende groot oppervlak, op deze diepte te krijgen. Het water kan beter uit die diepte opgepompt worden en boven de grond door een warmtewisselaar gepompt worden. Er komt nog bij dat dit geen gewoon water, maar pekel is. Het is zo zout en agressief, dat alleen duur materiaal als inconel (een legering van o.a. koper en nikkel) hier tegen bestand is. Buizen en pompen moeten van inconel gemaakt zijn, anders zijn ze zeer snel door de pekel geheel gecorrodeerd.

Agriport A7 aan de Oostlanderweg 15-17 bij Medemblik heeft zo’n installatie voor het verwarmen van de glastuinbedrijven. (www.ecwnetwerk.nl) Daar word de pekel op een diepte van 2.25 km uit de grond opgepompt. Aan de oppervlakte wordt er met een warmtewisselaar de warmte met een temperatuur van 90 graden overgedragen aan zoetwater. Daarna wordt het water 1.4 km verderop, weer terug de grond ingepompt. Dat heeft 30 miljoen euro gekost. Kortom, voor particulieren te kostbaar.

Maar zo hoeft het ook niet. Een halve meter onder het laagste grondwaterpeil is diep genoeg. Daar is de temperatuur in de winter nog +/- 8 graden, ruim voldoende om met een warmtepomp (WP) het tekort aan warmte aan te vullen.

DE GRONDWATERWARMTEWISSELAAR
Zoals al genoemd, wordt het rendement van de WP groter naarmate het oppervlak van de warmtewisselaar (absorber) ook groter wordt. Een warmtewisselaar van voldoende groot oppervlak kan op de hier volgende manier gemaakt worden:

Maak matten van betonijzer of draadmatten aan elkaar tot je een lengte krijgt van 12 meter en een breedte van 1 meter. Versterk dit met oud ijzer tot een stevig geheel. Het mag oud ijzer zijn, want het dient er voor om het geheel op de juiste plaats in de grond te krijgen. Als het eenmaal in de grond zit, heeft het geen functie meer.

Maak hierop 100 meter waterleidingbuis vast van 16 m/m dik, gemaakt van een kunststof die in de grond ingegraven mag worden, op dezelfde manier als vloerverwarming, (4 maal 25 meter parallel) op de meander manier. (zig-zag) (zie tekening nr.; 160502)

Graaf een smalle geul 1 1/2 meter dieper dan het laagste grondwaterpeil en 12 1/2 meter lang. Graaf deze geul in N-Z richting. Plaats deze constructie verticaal in de geul. Sluit het aan op de WP en maak de geul met de uitgegraven aarde weer dicht. Je hebt dan een warmtewisselaar met een warmtewisselend oppervlak van 4 m2 in de grond. (Reken eens uit hoeveel sondes in de grond geboord moeten worden om aan hetzelfde warmtewisselend oppervlak te komen en hoeveel duurder dat is.)

OOK HET GRONDWATER STROOMT NAAR ZEE
Zoals alle rivieren naar zee stromen, stroomt het grondwater ook naar zee. Daarom moet de geul in N-Z waarste richting gegraven worden, zodat het grondwater er dwars doorheen stroomt. Een afwijking van NW-ZO of NO-ZW is toelaatbaar. Op andere plaatsen in Nederland, moet bij het plaatselijke waterschap nagevraagd worden in welke richting het grondwater loopt.

Er moet meestal bij de plaatselijke overheid een vergunning aangevraagd worden om deze constructie te mogen plaatsen, (waterleidingwet) maar omdat er geen water aan de grond onttrokken wordt, alleen maar warmte, is er geen reden om deze vergunning te weigeren. We kunnen dit grondwater ook gebruiken om in de zomer ons huis te koelen.

Warmte (of koude) die we in de grond pompen verspreid zich in bolvormige beweging tot het oneindige. Ter plaatse warmt het grondwater wel even op, maar gezien het bovenstaande kan alleen de Westelijk gelegen buurman er nut van hebben. Het is na een half jaar immers niet meer onder ons huis en de warmte is verspreid in de omtrek.

DE WERKING VAN DE ZONNEVLOERINSTALLATIE MET ZONNE-ENERGIE ALS HOOFDENERGIE EN ELEKTRICITEIT ALS HULPENERGIE

De onderdelen bestaan uit:

1) Een aantal vacuümbuiscollectoren;
2) Een voldoende groot zonne-buffervat (boiler);
3) Lage temperatuur vloerverwarming voorzien van het ZONNEVLOERKOPPELSTUK;
4) De grondwater warmtewisselaar;
5) 2 warmtepompen (één om de warmte uit de grond te halen en de andere voor het warme sanitairwater;
6) Een plafondverwarmingsinstallatie, maar dan om te koelen;
7) Een warmteterugwinunit (WTW) (om de warmte in de ventilatielucht in huis te houden, terwijl er toch 100% ventilatie is.)

De collectoren verwarmen het buffervat. Het buffervat verwarmt de vloerverwarming. De vloerverwarming verwarmt het huis. Ook verwarmt het buffervat de sanitairwater-warmtepomp. (WP) Wanneer er te weinig zonne-energie is, wordt de temperatuur in het buffervat te laag. De grondwater WP vult het tekort dan weer aan. Dit wordt op de schakelkast aangegeven met een rood lampje. Maar de grondwater WP gaat alleen dan aan als er ook warmtevraag is voor de vloerverwarming, of voor het warme sanitairwater. De grondwater WP verwarmt niet het buffervat.

De grondwater WP houdt een buffervat van +/- 300 L continu op een temperatuur van 30 graden. Hierdoor kan een plotselinge vraag aan veel warmte opgevangen worden. Zo ook het buffervat van 200 L in de warm sanitairwater WP.

GLYCOL
In de twee warmtepompen zitten al warmtewisselaars. Het apart scheiden van het buffervatwater en het sanitairwater is niet nodig. We passen dit leegloopsysteem toe om geen glycol (of een ander antivriesmiddel) te hoeven toevoegen. Het glycol zou dan ook in de vloerverwarming, in het zonnebuffervat en in het buffervat van de aardwarmte WP zitten. Dat wordt een gigantische hoeveelheid. Bovendien beschermt het glycol niet tegen koken en het moet om de 2 jaar aangevuld worden.

Het voorkomen van het vastzitten van de pompen en de magneetventielen
In de schakelkast zit een schakeling die de magneetventielen, als ze 50 uur lang (instelbaar) niet meer omgeschakeld zijn, een keer uit en aan schakelen. Dit voorkomt het vastzitten door kalk in het water, omdat ze te lang in één stand staan. Een degelijke schakeling voorkomt ook het vastzitten van de pompen wanneer ze te lang stil zouden staan.

ALTERNATIEF
Wanneer er geen gebruik kan worden gemaakt van aardwarmte, of de warmte uit oppervlaktewater, b.v. in de stad, dan is het toch nog rendabeler het zonnebuffervat rechtstreeks elektrisch na te verwarmen, dan de warmte uit de buitenlucht te halen. Voor het tapwater is het beter een water/water warmtepomp te gebruiken. Deze onttrekt zijn warmte uit het zonnebuffervat. De investering hiervan verdient zich altijd terug. Er word immers gebruik gemaakt van zonne-energie.

DE NATUURKUNDE LEERT ONS
De capaciteit van de collectoren, (gemeten in kcal, niet in graden C), wordt niet bepaald door de temperatuur die ze kunnen leveren, maar is recht evenredig aan de grootte van het collectoroppervlak. Geen enkele zonnecollector kan meer energie afgeven dan er aan zonnestraling opvalt.

Wet tot behoud van energie
De formule luidt:

kcal = L x temp hieruit volgt: L= kcal / temp en temp = kcal / L

Hierin is:
kcal = kilocalorie (eenheid van hoeveelheid warmte)
L = liter (1 kubieke decimeter vloeistof)
temp = temperatuur (in graden Celsius)

Gegeven: De hoeveelheid zonne-energie die een collector omzet in warmte is recht evenredig aan het oppervlak van die collector. (Zonlicht kan niet aangezogen worden)

De collector kan alleen dan een hogere temperatuur afgeven als de doorstroming lager is. Het aantal ingewonnen kcal blijft hetzelfde. kcal = L x temp. Dit is in tegenstelling van wat men logischerwijs zou denken. (De energie-inhoud blijft hetzelfde)

Dezelfde hoeveelheid warmte opslaan in een grotere hoeveelheid water, geeft een lagere temperatuur.
Dezelfde hoeveelheid warmte opslaan in een kleinere hoeveelheid water kan een zonnecollector meestal niet.

Als er geen warmte meer wordt afgenomen stijgt de temperatuur in de collector tot een bepaalt maximum. Dit maximum is afhankelijk van de zonlichtintensiteit. Dezelfde hoeveelheid warmte opslaan in een kleinere hoeveelheid water vraagt een hogere temperatuur en als de zonlichtintensiteit niet voldoende is, bereikt de collector niet de vereiste temperatuur en levert dus minder warmte.

Met dit gegeven heb ik berekend wat de verhouding moet zijn tussen de inhoud van het buffervat en het oppervlak van de collectoren. De hoeveelheid energie die een collector omzet in warmte is afhankelijk van de zonlichtintensiteit. De zonlichtintensiteit wordt beïnvloed door; luchtvochtigheid, stof in de lucht, diffusielicht (weerkaatsing van bv. wateroppervlakten), hoe hoog de zon aan de hemel staat, de collectorhoek, het jaargetijde en de plaats op aarde.

PLAFONDKOELING
Er zijn installateurs die de WP andersom gebruiken om de vloerverwarming te koelen. Daarmee kan je niet de lucht boven de vloer koelen en daar gaat het juist om. Bij warm weer heb je niets aan koude voeten en een heet hoofd. Zoals bekend stijgt warmte omhoog, daarom kan je beter het plafond koelen dan de vloer. Dan koel je de hele ruimte. Vloerverwarming kan tegen het plafond aangebracht worden. (Systeem WARP) Door het vervolgens te stucen, net eender zoals dat vroeger ook gedaan is, ziet het plafond er ook uit zoals toen.

De vloerverwarmingverdeler, waar nu koud water doorheen gaat, moet op een verdieping boven het plafond aangebracht zijn. Anders kan er niet automatisch ontlucht worden. Daar de temperatuur van de grond redelijk stabiel is kan dezelfde aardwarmtewisselaar gebruikt worden voor de koeling van het plafond. (zie tekening 160602 Zonnevloerinstallatie met vacuümbuizen)

In de WTW zit al een voorziening die, als het te warm wordt, de bypass doet aangaan. Daarmee kan ook de koelwaterpomp voor de plafondkoeling aangestuurd worden.


ZONNEVLOER

Koert H. Hofstra
Wilhelminastraat 18
1782 PR Den Helder

M.  0652325640
T.   0223-622781
E.  zie contactformulier

KvK Alkmaar 37128651