Ontwerpparameters - Technieken

Wat architecten moeten weten over zonne-energie

Jo Neyens • 4 september 2017

Er doen nog heel wat mythes en misverstanden de ronde over zonne-energie: te weinig zon, te duur, te laag rendement. Wat klopt daarvan en hoe werkt zonne-energie? We hebben het in dit artikel over actieve thermische zonne-energie.

Zoninstraling in België
 

De zoninstraling in België komt voor de helft uit directe instraling aan een heldere hemel en voor de andere helft uit diffuus zonlicht bij bewolking. Zonnepanelen kunnen beide omzetten in nuttige energie. Omdat diffuus licht uit alle richtingen komt, zijn we minder afhankelijk van die ene perfecte oriëntatie en helling. Die bestaat wel, maar ook afwijkende combinaties van helling en oriëntatie leveren nog veel zonne-energie op.
In Ukkel valt het meeste zonne-energie per jaar op een een hellend vlak met een hoek van 30º t.o.v. horizontaal en een oriëntatie van 2º zuidoost (het zwarte punt in de figuur). De jaarlijkse zoninstraling op dit vlak is gemiddeld 1083 kilowattuur per vierkante meter, omgerekend dezelfde energie als een vat ruwe olie.

Zoals het instralingsdiagram (fig 1) hiernaast aantoont, halen we op oriëntaties tussen zuidoost en zuidwest in de rode zone nog altijd 95% van de maximale zoninstraling. De hellingshoeken kunnen variëren tussen 20º en 60º, behalve op de rand van de zone waar 35º aan te raden is. Dat betekent dat diverse hellingen en oriëntaties geschikt zijn om voldoende zonne-energie op te vangen.

Deze zonne-energie kunnen we op verschillende manieren omzetten in nuttige energie:

  • passieve zonne-energie: invangen van zonlicht door de beglazing, zonder extra technische installatie, om bij te dragen aan ruimteverwarming en verlichting (vermijden van kunstlicht).
  • actieve thermische zonne-energie: omzetten van licht in warmte door een zonnecollector met bijhorende apparatuur.
  • fotovoltaïsche zonne-energie: rechtstreekse omzetting van licht in elektriciteit.

fig 1 - zoninstralingsdiagram voor Ukkel

Hoe werkt actieve thermische zonne-energie?
 

Een zonnecollector op het dak vangt de lichtstraling op en zet die via het serre-effect om in warmte. Het opslagvat slaat deze zonnewarmte op tot op het moment van warmtevraag. Als de zon niet of onvoldoende schijnt, zorgt de naverwarming ervoor dat we altijd voldoende warm water beschikbaar hebben op gewenste temperatuur.
De warmte kan gebruikt worden voor de opwarming van sanitair warm water (ook “zonneboiler” genoemd), voor woning- of wijkverwarming, zwembadverwarming, industriële proceswarmte en zelfs voor koeling!

 

 

Types zonnecollectoren


Er bestaan drie types zonnecollectoren: beglaasde vlakkeplaatcollectoren, vacuumbuiscollectoren en onbeglaasde kunststof zonnecollectoren. Dit laatste type is in Vlaanderen alleen geschikt voor openluchtzwembaden. Vacuümbuiscollectoren zijn glazen buizen met een centrale buis met een langwerpig zwart metalen plaatje. Het vacuüm zorgt voor isolatie.
 


Welke thermische toepassingen zijn bruikbaar in Vlaanderen?


De zonneboiler voor sanitair warm water


De populairste toepassing is het verwarmen van sanitair water, ook “zonneboiler” genoemd (zie fig 2 hiernaast). Het complete systeem bestaat uit de zonnecollector, de leidingen, het voorraadvat, de regeling en de naverwarming.

  1. De zonnecollector zet het invallende licht om in warmte die door geleiding overgedragen wordt aan de vloeistofbuisjes van de absorberplaat.
  2. In een primair gesloten circuit met pomp circuleert een vloeistof (water of water met antivries) die de warmte van de collector overdraagt aan het voorraadvat via een warmtewisselaar. We kunnen twee vloeistofcircuits onderscheiden: water met antivries onder druk of gewoon “dood” water dat bij risico’s op stoomvorming of bevriezing leegloopt in een leegloopvat bij het opslagvat. Op dat moment bevat de zonnecollector op het dak alleen lucht.
  3. Het voorraadvat slaat de geproduceerde zonnewarmte op. Het moet goed geïsoleerd zijn en staat bij voorkeur vlak bij de zonnecollector.
  4. De regeling schakelt de pomp aan van zodra de zonnecollector warmer is dan het water in het voorraadvat. Ze beschermt eveneens tegen bevriezing en oververhitting.
  5. Als de zon niet voldoende warmte levert, zorgt de naverwarming ervoor dat de gewenste watertemperatuur bereikt wordt.

 

fig 2 - schema van een zonneboiler (bron: ODE)

Naverwarming

Het type naverwarming hangt af van het bestaande systeem bij renovatie of van de keuze van het verwarmingssysteem in een nieuwe woning. De naverwarming kan extern gebeuren door het voorverwarmde zonnewater naar een externe boiler (gas, elektrisch), doorstroomtoestel of CV-boiler te sturen.
Intern naverwarmen, binnen in het zonneopslagvat, kan ook met een tweede warmtewisselaar die door de CV-ketel verwarmd wordt. Dat noemt men dan een combiboiler of duoboiler. Geregelde opwarming boven 60º schakelt eventuele legionellabacteriën uit.
 

Woningverwarming

Zonne-energie kan slechts optimaal bijdragen aan de woningverwarming bij goede isolatie en warmteafgifte op lage temperatuur (vloer- of wandverwarming, overgedimensioneerde radiatoren). In Vlaanderen kan thermische zonne-energie 10 à 25 % besparen op het energieverbruik voor woningverwarming, afhankelijk van systeem en woning. Daarvoor is wel een collectoroppervlak nodig van minstens 10 à 15 m² en een buffervat van 500 tot 1000 liter. De trend naar passiefhuizen maakt een grootschalige toepassing van woningverwarming met actieve thermische zonne-energie echter weinig waarschijnlijk, omdat de netto warmtevraag zo klein is dat een “groot” thermisch zonnesysteem niet nodig en onrendabel is. Een zonneboiler voor warmwaterbereiding is wel op zijn plaats in een passiefhuis.

 

Zwembadverwarming

Zwembadcollectoren voor openluchtzwembaden zijn meestal eenvoudige en goedkope kunststof buizen of platen zonder isolatie of beglazing, met een oppervlakte van 1/3 à 2/3 van de wateroppervlakte. Het zwembadwater stroomt rechtstreeks door de collector, het zwembad zelf werkt als opslag, zonder naverwarming.

 

Opbrengst van een zonneboiler

Een gemiddeld gezin van vier personen heeft jaarlijks 3000 kWh nodig heeft voor de aanmaak van sanitair warm water. Daarvan kan een zonneboiler gemiddeld over het ganse jaar 50 tot 65% uit de zon halen. Voor het warmwaterverbruik is een collectoroppervlak van 3 tot 4 m2 nodig (vuistregel: 1 m2 per persoon). Het voorraadvat heeft een inhoud van 50 liter per persoon. Kostprijs (voor gezin van 4 personen): 3000 à 5000 euro (excl. BTW)
 

 

Markt en trends

 

Eind 2008 stond er over heel België ongeveer 230 000 m2 aan zonnecollectoren geinstalleerd. Omgerekend betekent dat per 1000 inwoners een oppervlakte van 23 m2. Daarmee zit Vlaanderen ver achter Duitsland, dat het met 138 m2 per 1000 inwoners ruim drie keer beter deed in 2008.

Vlaams minister van energie Freya Van den Bossche schrijft in haar recente beleidsnota dat ze de mogelijkheid wil bekijken om zonneboilers op te nemen in de bouwvoorschriften. In het Waals decreet op de ruimtelijke ordening (CWATUPE) is nu al een verplichting tot installatie van een zonneboiler opgenomen, maar er zijn nog geen uitvoeringsbesluiten om dit principe in wettelijk verplichte praktijk om te zetten.

In de Europese richtlijn voor de bevordering van hernieuwbare energie worden de lidstaten verplicht om tegen eind 2014 een wetgeving uit te werken die een minimum aandeel van hernieuwbare energie in het energieverbruik in nieuwe gebouwen verplicht. De zonneboiler kan hierin een belangrijke rol te spelen.

 

 

Zonne-energie en architectuur

De groeiende toepassing van zonne-energie voor groene warmte en stroom zal ook een plaats opeisen in de architectuur, uit ecologische noodzaak. In plaats van een technisch lelijke opbouw kan het ook een uitdaging zijn om zonne-energie te integreren in het ontwerp. (foto 3)

Thermische zonnecollectoren kunnen in opbouw geplaatst worden op dakhaken en metalen profielen, bevestigd bovenop de bestaande dakbedekking. De inbouw van zonnecollectoren gebeurt zoals bij dakvlakvensters met gootstukken
 

Fabrikanten van dakvlakvensters bieden trouwens ook zonnecollectoren aan met dezelfde afwerkingsprofielen en maatvoering.
Zonnecollectoren kunnen ook op platte daken opgesteld worden, op een metaalconstructie verzwaard met ballast. Als er nergens anders plaats of zon is, kan een zonnecollector ook tegen de gevel komen als een hellende oversteek, die tegelijk als zonnewering dienst kan doen.

foto 3 - zonnecollector in combinatie met dakvlakvenster (bron: Velux)

Voordelen en kwaliteit

Per jaar produceert een zonnecollector ongeveer 400 kWh nuttige warmte per vierkante meter. Dat is meer dan fotovoltaïsche panelen. Bovendien wordt deze warmte opgeslagen voor later gebruik ook als er geen zon is. De regeling en bijverwarming functioneren automatisch en garanderen een comfortabele voorraad warm water.
De kwaliteitseisen voor zonnecollectoren staan in de Europese normen EN 12975 en EN 12976. Daarop is ook het Solar Keymark gebaseerd, een vrijwillig internationaal kwaliteitslabel voor zonnecollectoren en complete systemen. Naast de technische testen omvat het label ook een kwaliteitsbeheersysteem bij de fabrikant. Het Solar Keymark is al verplicht in Duitsland en Spanje. In België verwijzen de netbeheerders er ook naar in hun voorwaarden voor premies.
Voor kwaliteitsbewaking van kleinschalige hernieuwbare energietechnieken heeft de Vlaamse overheid, het onafhankelijke kwaliteitscentrum QUEST vzw opgericht. Het doel is om een kwaliteitscharter uit te werken voor o.a. de zonneboiler. In het voorjaar van 2010 wil Quest de technische voorwaarden publiceren, zodat installateurs een kwaliteitslabel kunnen behalen.

 

Code van goede praktijk

Het WTCB heeft in 1999 een code van goede praktijk gepubliceerd: de Technische Voorlichting 212 "Leidraad voor de installatie van zonneboilers". In 2010 is een herziene uitgave gepland, samen met een Technische specificatie (STS) over de integratie van zonne-energie op gebouwen (zowel zonnecollectoren als PV-modules). De nadruk ligt hier op de bouwkundige aandachtspunten.
De VMSW (Vlaamse Maatschappij voor Sociaal Wonen) heeft specifiek voor thermische zonne-energie een bestektekst opgesteld in artikel 63.50 van het typebestek (zie website).
 

foto 4 - Vacuumbuiscollectoren in opbouw

Conclusie


Na dertig jaar ervaring met zonnecollectoren en tienduizenden geïnstalleerde zonneboilers hoeven we thermische zonne-energie niet langer te beschouwen als een “alternatieve” energie, maar wel als een efficiënte en ecologische techniek die in de toekomst even standaard wordt als een badkamer of een inbouwkeuken.