Zonneregeling zenuwcentrum van zonneboiler-installatie

Bewaker van efficiëntie en rendement

De inzet van een zonneboiler-installatie maakt het mogelijk om nagenoeg 50% te besparen op de kosten voor warm water en scheelt bij een gezin van vier personen jaarlijks algauw 300 kilogram CO₂. Om het maximale rendement uit een installatie te halen, is het zaak dat de verschillende installatieonderdelen onderling goed afgestemd functioneren. Verantwoordelijk daarvoor is de zonneregeling die behalve een coördinerende ook een controlerende taak vervult, de installatiefuncties en de veiligheid bewaakt en ook nog eens het beoogde rendement monitort. 

principe zonneboiler

Een zonneboilerinstallatie verwarmt water met behulp van zonne-energie. De belangrijkste onderdelen daarvan zijn: één (of meerdere) zonnecollector(en), de zonneregeling, een voorraadvat en een naverwarmer. De zonnecollector zet de elektromagnetische straling van de zon om in thermische energie. Deze energie warmt met behulp van een warmtewisselaar de warmtetransportvloeistof op die hetzelfde doet met het in het voorraadvat aanwezige water. Wordt dit water niet warm genoeg, dan vindt verdere verwarming plaats door de naverwarmer. 

De inzet van een zonneboilerinstallatie brengt de kosten voor warm water nagenoeg tot de helft terug, wat gas scheelt en dus geld. Een prettige bijkomstigheid is het feit dat de uitgestoten hoeveelheid CO₂ substantieel daalt: voor een vierpersoonshuishouden scheelt dat jaarlijks al gauw 330 kilo.

Regelconcept

Om het maximale rendement uit een zonneboiler-installatie te halen, is het zaak dat de onderdelen goed functioneren en goed zijn afgestemd, zodat er sprake is van een effectieve benutting van de zonnewarmte en een zo efficiënt mogelijk energiemanagement. Die taak wordt vervuld door de microprocessorgestuurde zonneregeling. Dat is het besturingscentrum van de installatie: een intelligente, autonome regeling die in staat is op basis van alle binnenkomende parameters een optimaal regelconcept te definiëren. Dit bestaat onder meer uit:
afstemming van de zonnecollector(en), en de boiler(s)/buffer(s);

• het instellen van de gewenste SWW-temperatuur op basis van het tapprofiel van de gebruikers;
• aansturing van de circulatiepomp;
• het waar nodig inschakelen van de naverwarming;
• het veilig opereren van de installatie.

De keuze van een zonneregeling wordt bepaald door het type systeem dat moet worden aangestuurd. Er is geen sprake van ‘one fits all’. Het kan daarbij gaan om een duosysteem of om een installatie met een bivalente warmwater- of zonneboiler:

• Systeem met een bivalente warmwaterboiler of zonneboiler: Hierbij wordt het water in de warmwaterboiler verwarmd via de onderste warmtewisselaars. Daalt de temperatuur, dan zorgt de verwarmingsketel voor extra verwarming via de tweede warmtewisselaar. Blijft de temperatuur dan nog beneden de instelwaarde, dan schakelt het systeem ook de verwarmingsketel in.
• Duosysteem: Een dergelijk systeem is in staat zowel tapwater te verwarmen als de cv te ondersteunen. Het cv-systeem maakt in dat geval via een warmtewisselaar gebruik van het verwarmde water in een buffervat. De cv-ketel dient wel bestand te zijn tegen een inlaattemperatuur van ten minste 85 graden.

Ook van invloed op de keuze van een zonneregeling is of het gaat om een druksysteem, een terugloopsysteem of een thermosifon:

• Druksysteem: Bij felle zoneschijn bereikt de warmtetransportvloeistof al snel temperaturen tot boven de 100 °C. Om de extra druk die dan ontstaat op te vangen, dient tussen de pomp en de zonnecollector een expansievat te worden geplaatst.
• Terugloopsysteem: Na het stoppen van de pomp loopt de glycol uit de collectoren en leidingen naar het terugloopvat. Bij het opstarten van de pomp worden de leidingen en de collectoren weer opnieuw met de vloeistof gevuld. De lucht in de installatie zal in deze setting de expansie opvangen.
• Thermosifon: Dit systeem werkt op basis van convectie, warmtestroming via een gas of vloeistof. De warme vloeistof stijgt op terwijl de koude vloeistof daalt, vandaar ook dat de boiler altijd boven de collector moet worden geplaatst. Het systeem is energiezuinig – convectie maakt de aanwezigheid van een pomp overbodig − en slijtagevrij (geen draaiende delen).

Ingebruikname

Wanneer het systeem hydraulisch gevuld en verder bedrijfsklaar is, kan de zonneregelaar op de voeding worden aangesloten. Een randvoorwaarde daarbij is dat deze van het lichtnet moet kunnen worden geïsoleerd via een stroomonderbreker die voldoet aan de installatienormen. Verder moet er op worden gelet dat de regeling wordt geïnstalleerd op een voldoende droge plaats, dat het apparaat niet wordt blootgesteld aan statische elektriciteit of een magnetisch veld en dat de voedingskabel en de kabels van de sensoren afzonderlijk van elkaar worden aangesloten. De systeemgerelateerde instellingen van de regelaar zijn afhankelijk van het gekozen hydraulische schema voor het zonnesysteem: tapwateropwarming, verwarmingsondersteuning en/of zwembadverwarming.

Wanneer de spanning is ingeschakeld, start de regeling met de initialisatiefase. Dit gebeurt aan de hand van een inbedrijfstellingsmenu dat inzage biedt in de belangrijkste instelkanalen. Zodra de initialisatiefase is voltooid, schakelt de regeling over op de automatische modus. Met de fabrieksinstelling van de regelaar functioneert de zonneboilerinstallatie normaal gesproken optimaal, en daarom wordt aangeraden deze niet te wijzigen. Indien de installatie conform de voorschriften van de fabrikant is uitgevoerd, opereert de zonne-installatie onder normale omstandigheden veilig; de zonneregeling ziet daar actief op toe.

Controle

Een zonneregeling controleert het functioneren van een solair systeem op twee manieren: door het uitvoeren van functietesten op de afzonderlijke componenten en/of door middel van een opbrengstmeting. Deze functietesten zijn mogelijk indien de regelaar de functie kan activeren, maar ook moet de functie hiervoor geschikt zijn. Voorbeelden van functietesten zijn:

• De temperatuurcontrole: Doorgaans vergelijkt de regeling de collectortemperatuur met die in het opslagvat middels de daarin aanwezige sensoren. Zodra het temperatuurverschil de vooraf ingestelde waarde overschrijdt, wordt de pomp ingeschakeld en transporteert het zonnemedium de warmte van de collector naar het opslagvat. De pomp wordt via het toerental gestuurd richting een optimale circulatieflow volgens het gemeten temperatuurverschil. Het uitschakelpunt van de pomp wordt gekozen zodra het temperatuurverschil te klein wordt.
• Controle op de energieafname: Is er geen energietransport van de collector naar de boiler doordat er geen circulatie ontstaat, dan is de zonneregeling op basis van de beschikbare gegevens in staat de oorzaak vast te stellen, bijvoorbeeld een defecte zonnecircuitpomp (primair), een onderbreking van de voedingsspanning naar de pomp, hydraulische problemen door lucht, lekkage en/of vervuiling, verkeerd ingestelde ventielen of beschadiging/vervuiling van de warmtewisselaar.
• Controle op de koel- en terugkoelfunctie: Normaal gesproken wordt de pomp uitgeschakeld zodra de ingestelde boilertemperatuur is bereikt. Is de koelfunctie van de collector geactiveerd en stijgt de collectortemperatuur tot de ingestelde maximale waarde, dan wordt de pomp ingeschakeld op de ingestelde maximale boilertemperatuur (basisinstelling: 95 °C). Op die manier kan de oververhitting van de collectoren worden vertraagd. ’s Avonds blijft de pomp met een actieve systeemkoeling (terugkoelfunctie) doorlopen tot de boiler weer is afgekoeld.

Opbrengstmeting

Opbrengstmetingen via een zonneregeling leveren doorgaans eerder realistische schattingen dan daadwerkelijk betrouwbare waarden op. Voor dat laatste is namelijk zowel het correcte debiet als het temperatuurverschil noodzakelijk. Indien de meting plaatsvindt in het primaire circuit, dient rekening te worden gehouden met de verschillen in viscositeit en warmtecapaciteit van het water en het waterglycolmengsel. Bij installaties die gebruikmaken van een externe warmtewisselaar is het aan te raden de metingen te verrichten in het secundaire circuit.

Moderne regelingen voor zonnesystemen zorgen behalve voor het correct functioneren ook voor de bewaking en beveiliging van de installatie

De uitlezing van de waarden kan variëren van een (grafische) displayweergave van de dag- en de totale opbrengst tot aan een weergave via Bluetooth of WiFi. Ook uitlezing via een webportal is mogelijk: de gegevens worden dan doorgestuurd naar een centrale database die overal is in te zien en systeemvergelijking mogelijk maakt.

Bewakings- en beveiligingsfuncties

Moderne regelingen voor zonnesystemen zorgen behalve voor het correct functioneren van de installatie ook voor de bewaking en beveiliging van de belangrijkste onderdelen en functies. Voorbeelden daarvan zijn:

• Bescherming tegen oververhitting: Indien de temperatuur op de boilertemperatuurvoeler de maximaal ingestelde boilertemperatuur bereikt – doorgaans 60 °C − wordt de pomp uitgeschakeld.
• Blokkering naverwarming: Op vooraf ingestelde tijden wordt de naverwarmtemperatuur gereduceerd, dit om zoveel mogelijk profijt te kunnen trekken van de zonnewarmte.
• Signalering van defecten in de sensorkabel: Een dergelijk defect kan bijvoorbeeld worden veroorzaakt door ‘knaagschade’. Deze wordt door de regeling geregistreerd als een weerstand van nul of oneindig oftewel een oneindig lage of hoge temperatuur op de sensoringangen. Omdat de gemeten waarden niet in overeenstemming zijn met de voorgeprogrammeerde grenswaarden, zal de regeling een foutmelding genereren.
• Thermische desinfectie: Met betrekking tot hygiëne – legionellapreventie − wordt eenmaal per dag het warme water verwarmd tot 60 °C. Dit betreft het onderste deel van de bivalente boiler of de toegepaste voorgeschakelde (zonne)boiler. De positionering van de sensoren dient zodanig te zijn dat de complete boiler de vereiste temperatuur bereikt.
• Vorstbeveiliging: De functie vorstbeveiliging zet de kring tussen de collector en het reservoir in werking om het medium te beschermen tegen bevriezen of ‘indikken’ als de ingestelde temperatuur van de vorstbeveiliging niet langer wordt bereikt. Wanneer de temperatuur van de vorstbeveiliging met 1 °C wordt overschreden, wordt de kring uitgeschakeld.
• Zelfcontrole van de regeling: Een zonneregeling omvat diverse schakelingen. Het correct functioneren hiervan wordt door de regeling zelf bewaakt. Valt een van deze schakelingen uit, dan wordt een foutmelding gegenereerd.

Genoemde instellingen dienen onder de verantwoordelijkheid van een installateur te worden geactiveerd tijdens de ingebruikname van het systeem.

Regelstrategieën

Bij zonnesystemen met meerdere boilers of verbruikers is het de taak van de regeling verschillende temperatuurverschillen te meten en te combineren. Daarvoor kunnen verschillende regelstrategieën worden gehanteerd:

• Regeling met een bypasspomp: De bypassfunctie zorgt dat bij het inschakelen van de lading van de boiler het koude, warmtedragende medium via een bypass terug naar de collector stroomt zonder door de boiler te gaan. De lading wordt pas gestart als de toevoerleiding voldoende warm is. De inschakelvoorwaarden kunnen individueel worden ingesteld.
• Regeling met een stralingssensor: Deze regeling onderscheidt zich van die met een bypasspomp doordat niet wordt gewerkt met een temperatuursensor, maar met een stralingssensor die de zonne-intensiteit meet. Bij het overschrijden van de ingestelde drempel wordt de bypasspomp ingeschakeld.
• Regelen op efficiëntie: Voor een optimale efficiënte dient altijd te worden gewerkt in het bereik met het hoogst haalbare rendement. Bij een installatie met twee boilers die het gehele jaar worden naverwarmd, moet de regeling er derhalve altijd voor zorgen dat de boiler met de laagste temperatuur wordt verwarmd. Een dergelijk concept wordt onder meer toegepast bij twee woningen die een zonnesysteem delen.
• Regelen op voorrang: Indien er twee apparaten op de zonnecollector zijn aangesloten, bijvoorbeeld een boiler en een verwarmingssysteem van een zwembad zonder conventionele naverwarming, wordt de installatie zo ingesteld dat de boiler met voorrang wordt verwarmd. Pas als de boiler de streeftemperatuur heeft bereikt, gaat het zonnesysteem het zwembad verwarmen.

Met dank aan Belsolar, Remeha en Wolf