In november 2008 is, na een zoektocht van ongeveer een half jaar, onze zonneboiler geplaatst. Bij het bestellen van de zonneboilerhebben we bewust gekozen voor een zonneboiler van 300 liter, wat zeker voor Nederlandse begrippen vrij groot is.

Ons boilervat is voorzien van twee warmtewisselaars, de onderste voor de zonnecollector en een tweede in het midden van het vat die op dit moment nog niet wordt gebruikt. Eigenlijk loop ik vanaf dag 1 met het idee rond om de zonneboiler niet alleen voor tapwater te gebruiken en om de tweede warmtewisselaar te gebruiken voor verwarmingsondersteuning.

Op dit moment ben ik druk bezig met de laatste concrete voorbereidingen om beide systemen ook voor CV ondersteuning op elkaar aan te sluiten. In dit artikel ga ik in op de problemen waar ik tegenaan gelopen ben, welke oplossingsrichting ik heb gekozen en waarom ik hiervoor gekozen heb. En als laatste uiteraard de huidige status van het project.

Mijn doel is om voor september het systeem draaiende te hebben zodat we er voor de start van het nieuwe winter seizoen gebruik van kunnen maken.

Voordat ik in ga op mijn idee over de zonneboiler met CV-ondersteuning ga ik eerst in op onze uitgangssituatie en een aantal mogelijkheden hoe een losse zonneboiler aangesloten kan worden op een CV ketel in een bestaande situatie en wat er mogelijk is in een nieuwe situatie. Daarna ga ik in op de mogelijke opbrengst en hoe die zo groot als mogelijk kan worden gemaakt. Met dit in het achterhoofd kan ik ook uitleggen waarom ik onze keuze heb gemaakt

Uitgangssituatie

Wij wonen in een rijtjeshuis uit 1978 waar inmiddels aardig wat aan is verbouwd en is verduurzaamd. Het originele verhaal is hier op Olino te lezen.

In 2006 hebben we onze oude CV-ketel vervangen voor een Remeha Avanta CW4 HR-ketel en in 2008 is daar de zonneboiler bij gekomen. We hebben gekozen voor een relatief groot systeem met vacuümbuizen. Het systeem bestaat uit een collector met 48 vacuümbuizen en een boilervat van 300 liter. De collector zou volgens de specificaties een opbrengst geven van 8,4GJ op jaarbasis. Hierover later meer in dit artikel.

De lijst met zaken die we allemaal hebben opgepakt is te lang om hier te noemen. Ik houd vanaf het begin al een gedetailleerde blog  bij over onze energiebesparing en alles wat daarbij komt kijken.

Systemen

Voordat ik in ga op mijn eigen systeem, en ook waarom ik voor mijn systeem heb gekozen, ik maak onderscheid in twee soorten systemen zoals die momenteel worden toegepast:

Geïntegreerd

Bij deze systemen is de zonneboiler geïntegreerd in de CV en bevat het geheel 1 controller die het geheel aanstuurt. Het bekendste systeem is de Atag Q-Solar. Ik ken een aantal mensen met een Atag Q-Solar en dit systeem werkt fantastisch.

Dit type systeem is ideaal wanneer de CV ketel vervangen moet worden en er ruimte is voor een grote zonneboiler. Achteraf had ik het liefste in 2006 de CV ketel meteen vervangen voor een Q-Solar. Dit is uiteraard achteraf makkelijk praten.

Niet-geïntegreerd

Daarnaast zijn er systemen waarbij de zonneboiler en de CV ketel niet geïntegreerd zijn, hiervoor zijn verschillende uitsluitmogelijkheden. Deze zijn weer afhankelijk van het gekozen systeem en wat de CV ketel wel en niet ondersteunt. De mogelijkheden in deze categorie zijn in principe eindeloos. Het spectrum loopt van simpele systemen met alleen een zonneboiler en een CV installatie tot en met systemen waarbij twee ketels in cascade opstelling, een zonneboiler EN een warmtepomp zijn gecombineerd in 1 systeem.

Al deze niet-geïntegreerde systemen hebben hetzelfde probleem: HOE sluit je deze systemen op elkaar aan en hoe stuur je deze systemen correct aan? Mijn systeem valt in deze categorie en ik heb hetzelfde probleem. Hoe ga ik dit allemaal aansturen? Verderop in dit artikel ga ik dieper op dit type systeem in en laat ik wat simpele aansluitvoorbeelden zien.

Kan het uit?

“Kan het wel uit?”, is de vraag die ik regelmatig krijg als ik over dit onderwerp begin aangezien nagenoeg alle zonneboiler-leveranciers alleen systemen leveren voor verwarming van tapwater. De opbrengst van een gegeven zonneboiler is afhankelijk van de stand van de zon en de duur dat de zon op de collector staat. Anders gezegd: De opbrengst is in de zomermaanden het hoogst en in de winter het laagst. Voor  woningverwarming geldt precies het omgekeerde. In de winter is de verwarmingsvraag het hoogst en in de zomer het laagst. Dus kan het inderdaad uit?

CV-ondersteuning met een zonneboiler werkt voornamelijk in de maanden februari tot en met april en september tot en met november. In deze maanden staat de verwarming regelmatig aan en levert de zonneboiler nog steeds redelijke opbrengsten. In de echte wintermaanden december en januari zal de gasgestookte CV-ketel nog steeds het merendeel van het verwarmingswerk moeten opknappen.

(Z)LTV

Een ander belangrijk aspect in het geheel is de verwarming zelf. In een doorsnee woning werkt de verwarming met temperaturen tot 80 graden Celsius. Als het huis alleen warm is te krijgen met een CV temperatuur van 80 graden Celsius of hoger dan is de vraag of CV-ondersteuning met een zonneboiler gaat helpen. Want hoe vaak staat een zonneboiler op 80 graden Celsius of hoger in de eerder genoemde periodes?

Hier komt (Z)LTV, (zeer) lage temperatuur verwarming, om de hoek kijken. Hierbij wordt het huis niet warm gehouden met een CV-temperatuur van 80 graden Celsius of hoger maar met een temperatuur van 35 graden en soms nog wel lager. En dit soort lage temperaturen tikt de zonneboiler met grote regelmaat aan in de eerder genoemde periodes.

In ons geval zitten we in een bijzondere situatie: We stoken niet met 80 graden Celsius of hoger maar ook niet met LTV. Onze CV installatie staat meestal afgesteld op 50 graden Celsius. Hiermee krijgen we het huis altijd warm. Bij lagere temperaturen in de CV installatie en temperaturen onder -10 buiten lukt dit net niet.

Isolatie

Nog een belangrijk aspect is isolatie, als het huis goed is geïsoleerd wordt de warmte goed vastgehouden in huis en kan er met een lagere CV-temperatuur worden gewerkt. In  een goed geïsoleerd huis heeft een zonneboiler met CV-ondersteuning automatisch meer te vertellen.

Ons huis is goed geïsoleerd maar het kan nog beter. We verliezen vooral veel warmte in de bijkeuken. Dit gaan we ook dit jaar nog aanpakken.

Collector rendement

Onze collector heeft een geschatte opbrengst van 8,4GJ. Dit is bepaald door middel van een test beschreven in de NEN-12976. Met deze test wordt gekeken wat de opbrengst is per jaar door water te verwarmen tot en met 60 graden Celsius. 8,4GJ is omgerekend ( 8,4 * 1000 / 35 )  = 240m3 gas. Is dit dan het absolute maximum wat behaald kan worden?

Het antwoord is nee. De opbrengstmeting gaat uit van water op 60 graden en niet van 30,40 of 50 graden. Zonneboilerbezitters zullen dit beamen. Het opwarmen tot bijvoorbeeld 40 graden gaat heel snel. Van 40 naar 60 graden duurt al wat langer en van 60 tot 80 graden duurt nog  langer. Het laatste stukje van 80 en hoger duurt een eeuwigheid en in dit laatste stuk slaat de boilerpomp steeds uit omdat het temperatuurverschil te laag is. Met andere woorden de efficiëntie van de collector is het hoogst als de invoertemperatuur vanuit de boiler zo laag als mogelijk is.

Cijfers

Ik houd sinds dat we een zonneboiler hebben een Excelsheet bij met daarin opbrengstcijfers van de zonneboiler. Ik houd onder andere de volgende getallen bij:

–        Temperatuur van de zonneboiler in de ochtend;
–        Temperatuur van de zonneboiler in de avond;
–        KNMI cijfers;
–        Graaddagen.

Met deze cijfers kan ik verder in dit artikel bekijken wat het rendement van mijn idee is.

Het eerste idee

Van diverse mensen kreeg ik het volgende hydraulische schema. Deze werkt bij diverse mensen prima en zou ook bij ons moeten werken.

Hier wordt het retourwater van de CV door de zonneboiler heen geleid en verwarmd tot een instelbare temperatuur door middel vaneen mengventiel. Eigenlijk warmt de zonneboiler dus het retourwater voor. Des te kouder het retourwater van de CV des te meer kan de zonneboiler bijspringen voor de ketel. Dit systeem bespaart dus gas wanneer de zonneboiler warmer is dan de retour van de CV ketel.

Dit systeem is erg eenvoudig, een mengventiel en wat leidingwerk is voldoende. De thermostaat en de CV ketel weten niet dat de zonneboiler is toegevoegd in het systeem.

In mijn cijfers heb ik gekeken wanneer dit het geval was in de eerder genoemde maanden. Ik heb het aantal dagen geteld waarvoor geldt dat de temperatuur aan het einde van de middag in de boiler hoger is dan 40 graden. Ik ga er hier dus van uit dat de retourtemperatuur in dit geval altijd lager is dan 40 graden.

Opbrengst

Het aantal dagen met opbrengst:

Nu zegt dit natuurlijk nog niet alles. Als de boiler 41 graden is geworden dan staat hij hierboven wel in de tabel maar is de opbrengst voor CV ondersteuning te verwaarlozen. In de tabel hieronder heb ik gezet hoeveel m3 er bespaard had kunnen worden. Dit doe ik door eerst met ( Q = m  * c * dt ) / 1000  de opbrengst in MJ te bepalen. Daarna ga ik van MJ naar m3, hier ga ik uit dat er 35MJ in een m³ aardgas zitten.

De opbrengst tabel ziet er dan als volgt uit:

Samengevat zou dit een theoretische besparing van ongeveer 45 tot 55m3 extra per jaar op moeten kunnen leveren. Dit gaat dus wel ten koste van de hoeveelheid gas die we verbruiken voor het douchen. De temperatuur in het boilervat wordt immers lager.

Dit klinkt als het ideale systeem, of niet?

Problemen?

Mijn Remeha Avanta CV-ketel heeft een mogelijk probleem met bovenstaand systeem. Het moment dat de retour van de CV warmer is dan de ingestelde aanvoer dan gaat het systeem in storing en stopt de pomp. Dit heb ik bij Remeha nagevraagd en zij bevestigen dit.

Ik moet dit overigens nog zelf testen door de CV ketel eerst op 80 graden aanvoer te laten werken en het systeem snel op te warmen. Daarna meteen de CV ketel uit en de aanvoer naar 40 graden terugzetten. Wat gebeurd er nu als ik de CV ketel weer aan zet en meteen weer warmte vraag?  De CV ketel krijgt dan ongeveer 70 a 80 graden water via de retour terwijl de aanvoer 40 graden is. Ik ben benieuwd wat er dan gebeurd.

Overigens denk ik een nog veel beter systeem te hebben uitgedacht!

Mijn systeem

Ik vind de opbrengst van het hierboven genoemde systeem te laag, het moet hoger kunnen. De temperatuur in de boiler blijft met het eerste systeem minimaal 40 graden. Onder deze temperatuur stopt de CV-ondersteuning en dat terwijl die warmte nog best ingezet kan worden voor ruimteverwarming. Daarbij wil ik bij voorkeur de mogelijke problemen met de ketel proberen te voorkomen.

Het systeem wat ik heb uitgewerkt ziet er als volgt uit:

De zonneboiler is nu volledig losgekoppeld van de CV ketel en zit dus niet op de retour aangesloten. In deze opzet fungeert de zonneboiler letterlijk als verwarming! Wanneer er warmtevraag is  dan zijn er twee mogelijkheden:

–        De CV-ketel draait;
–        De zonneboiler draait.

OF de CV-ketel is het huis aan het verwarmen OF de zonneboiler is het huis aan het verwarmen. De CV ketel heeft de leiding in het systeem. Dit houdt in dat wanneer de CV-ketel start terwijl de zonneboiler-CV draait, de laatstgenoemde stopt met draaien.

CV-ketel bedrijf

Het stroomschema van de CV ketel ziet er zo uit:

Zonneboiler-CV-bedrijf

Het stroomschema van de Zonneboiler-CV ziet er zo uit:

Een tweede pomp ( P2 ) pompt nu het water in het leidingnet rond. Het water wordt door het boilervat van de zonneboiler heen gepompt. Een mengventiel zorgt ervoor dat de temperatuur niet te hoog kan oplopen in de aanvoer. Als laatste zorgen twee keerkleppen ervoor dat er geen “kortsluiting” in het ene systeem kan ontstaan wanneer de andere draait.

De “truc”

Het systeem wordt niet aangestuurd door 1 maar door 2 klokthermostaten! Door nu de tweede klokthermostaat, welke de zonneboiler aanstuurt, iets anders af te stellen dan die van de CV-ketel, kan de opbrengst van de zonneboiler-CV erg hoog worden.

Thermostaat1, van de CV Ketel

Onze klokthermostaat staat als volgt geprogrammeerd voor de hele week:

De CV moet om 8 uur het huis op 19,2 graden Celsius hebben. Om 12 uur op 19,4 graden Celsius etc. In de praktijk betekent dit dat de CV rond 6:30 aan springt om het huis op temperatuur te krijgen. Aan dit thermostaat programma ga ik niets veranderen.

Thermostaat2, van de Zonneboiler-CV

Nu komt het interessante. De klokthermostaat van de zonneboiler ga ik als volgt programmeren

De zonneboilerCV mag om 5 uur aan en moet dan het huis op 20 graden Celsius proberen te krijgen. Om 8 uur op 20,2 graden Celsius om 12 uur op 20,4 graden Celsius etc. Deze thermostaat staat consequent 1 graad Celsius warmer ingesteld dan de klokthermostaat van de CV ketel.

Er staat bewust “proberen”! Dit wordt duidelijk in een later gegeven voorbeeld.

Bedrijfsregels

De tweede pomp, van de zonneboiler-CV, mag starten als aan deze voorwaarden is voldaan:

–        De CV ketel draait NIET;
–        Het verschil in temperatuur tussen de woonkamer en de zonneboiler is groot genoeg;
–        De retourtemperatuur van de CV-installatie heeft een lagere temperatuur dan de zonneboiler;
–        De temperatuur in de woonkamer heeft nog niet de gewenste temperatuur bereikt.

Een voorbeeld

De dag ervoor is het redelijk zonnig geweest en de zonneboiler is tot 39 graden Celsius gekomen. Bewust heb ik hier 39 graden Celsius gekozen om meteen het grote verschil met het andere systeem te laten zien, immers met 39 graden Celsius in de zonneboiler had het andere systeem niets gedaan. Het wordt 5 uur in de ochtend en het is 17,5 graad Celsius in de woonkamer en aan alle voorwaarden is voldaan om de zonneboilerCV te starten.

De pomp gaat nu aan en begint het water rond te pompen in het systeem en het huis warmt heel langzaam op. Om 6:30 is de woonkamer 18,1 graden Celsius geworden en de CV ketel slaat aan. De zonneboilerCV gaat meteen uit.

De zonneboilerCV heeft dus de kou uit de kamer weggehaald en de CV hoeft nog maar 1,1 graden Celsius te verwarmen in plaats van 1,7 graden Celsius.

Om 8 uur is de woonkamer 19,2 graden Celsius en de CV ketel gaat weer uit. Het boilervat van de zonneboiler is op dit moment ook te ver afgekoeld en de zonneboiler-CV pomp blijft uitgeschakeld. Rond het middaguur begint de zonneboiler weer goed op te warmen en om 16:00 heeft het boilervat een temperatuur van 44 graden Celsius bereikt. In de woonkamer is het 19,6 graden Celsius en de CV ketel blijft dus uit. De zonneboiler-CV gaat wel draaien, die wil het huis op 20,4 graden Celsius krijgen!

Het huis warmt nu langzaam verder op tot 20,0 graden Celsius en hierdoor blijft de CV ketel dus uit terwijl het huis wel op temperatuur is!

Samengevat

Door dus de tweede thermostaat eerder te laten starten en iets hoger in te stellen halen we dus zo veel warmte als mogelijk uit de zonneboiler om in het huis te stoppen.

Opbrengst

Ik heb met mijn cijfers een poging inschatting gemaakt van de te verwachten opbrengst. De voorwaarden:

–        Bij een DeltaT van minimaal 8 graden Celsius tussen woonkamer en zonneboiler mag het systeem aan;
–        Bij een DeltaT van 2 graden Celsius tussen woonkamer en zonneboiler moet het systeem uit;
–        Ochtendopbrengst en avondopbrengst zijn beide meegenomen;

Die laatste maakt het lastig, als ’s avonds de zonneboiler-CV het huis heeft verwarmd dan is de temperatuur van het boilervat in de ochtend natuurlijk lager. Met dat effect houd ik nu nog geen rekening mee in opbrengstberekening.

De opbrengst tabel ziet er als volgt uit:

Dat is een gigantisch verschil met het eerste systeem. De gemiddelde theoretische opbrengst van de zonneboiler-CV zit nu zo rond de 180-200m3 per jaar volgens deze tabel. Hier moet dus nog wel een slag om de arm worden gehouden omdat de berekening, zoals hierboven is uitgelegd, niet helemaal zuiver is.

Het grootste verschil zit hem in het feit dat dit systeem begint bij ongeveer 28 graden in de zonneboiler en stopt bij ongeveer 22 graden. Het stuk tussen 40 graden Celsius en 22 graden Celsius in de boiler wordt dus nu ook gebruikt door de zonneboiler-CV, en hierdoor schiet het rendement omhoog.

De Controller

Ik wil zelf een controller gaan maken met een Arduino als basis. Arduino is een opensource elektronica platform. Of zoals ze het zelf perfect op de website samenvatten:

“Arduino is an open-source electronics prototyping platform based on flexible, easy-to-use hardware and software. It’s intended for artists, designers, hobbyists, and anyone interested in creating interactive objects or environments.”

Ik heb al enige ervaring met het werken met een Arduino dus die ervaring gaat goed van pas komen. Nog een voordeel is dat een Arduino spotgoedkoop is.

Er zijn wel geïntegreerde controllers van bijvoorbeeld Steca maar die zijn schreeuwend duur, complex, en erg lastig te programmeren.

Shields

Het Arduino platform is heel makkelijk uit te breiden met allerlei extra functies. Deze hardware bordjes worden “Shields” genoemd. Ik wil een tweetal standaard shields gaan gebruiken. In de woonkamer wil ik graag een display shield hebben. Hierop kan ik dan de status van de zonneboiler-CV laten zien. Daarnaast wil ik wil een SD kaart shield met klokfunctie gaan gebruiken. Deze biedt de mogelijkheid om alle informatie te loggen op een SD kaartje. Dit is interessant om later grafieken mee te maken en om te kijken of het systeem nog anders moet worden ingesteld.

Om het geheel netjes af te maken wil ik mijn eigen print annex shield gaan maken waar alle elektronica op zit. Zo vormt het straks een mooi geheel welke ik ook kan plaatsen in een nette behuizing.

Sensoren

Het systeem werkt met slechts 4 sensoren

S1 = Temperatuur sensor: Zonneboiler circuit voor CV ( tweede spiraal )
S2 = Temperatuur sensor: Retourtemperatuur CV.
S3 = Temperatuur sensor: Temperatuur woonkamer.
P1 = Status van de CV pomp.

Het systeem hoeft maar 1 component aan te sturen namelijk de zonneboiler-CV pomp.

De logica

Ik ben al redelijk ver met het specificeren van de logica waarmee ik het systeem wil werken. Inmiddels heb ik ook al een simulatieprogramma geschreven om te kijken of de logica valide is en werkt.

Per 21 april 2012 is dit de logica die ik heb beschreven ( pseudocode ), die hier te downloaden is.

Temperaturen uitlezen

Ik wil graag Maxim DS18S20 temperatuursensoren gaan gebruiken. Het voordeel is dat ze digitaal zijn en met slechts 3 draden aangesloten kunnen worden. Twee pins zorgen voor de stroom terwijl de derde pin de temperatuur terug geeft. Daarnaast werken de sensoren van -55 tot +125 graden Celsius.

De sensoren worden in een 1-wire netwerk op elkaar aangesloten. Omdat de sensoren digitaal zijn is het ook ontzettend eenvoudig om de sensoren aan te sluiten op de Arduino. Op het internet zijn er tientallen voorbeelden te vinden en er zijn zelfs mensen geweest die een complete programmeer bibliotheek hebben gemaakt voor de Arduino en de DS18S20.

230V detectie

Om te detecteren of de CV pomp werkt laat ik de Arduino controller controlleren of er 230V op de pomp staat. We hebben geen modulerende pomp dus de pomp krijgt of 0V of 230V geschakeld. Ik wil hier een aftakking van maken en deze richting de Arduino laten lopen.

230V detecteren met een Arduino is ook eenvoudig, met een simpele 230V AC/DC optocoupler en een weerstand.

Aansturen pomp

Voor het aansturen van 230V vanaf de Arduino is een relais nodig. Aangezien de Arduino maar 5V kan leveren is het lastig om van een 5V stuurlijn een 230V relais aan te sturen. Ik heb een standaardprint gevonden met twee relais waarmee veilig 230V kan worden geschakeld vanaf de Arduino.

Uitdagingen

Dan zijn er ook nog genoeg uitdagingen.

–        Hoe ga ik alles netjes integreren in 1 print?
–        Hoe ga ik de behuizing regelen voor zowel de hoofdregeling als het display in de woonkamer?
–        Hoe kan ik het display op een andere locatie aansluiten dan de hoofdprint?

Samenvatting

Ik denk dat ik op de goede weg ben om onze zonneboiler aan te sluiten op de CV installatie. Ik denk redelijk wat extra rendement uit mijn zonneboiler te kunnen trekken op deze manier. Er is trouwens nog meer dan genoeg te doen voordat het systeem volledig operationeel is.

De komende tijd moet ik nog eerst een hoop testen, te beginnen met de drie losse componenten. Als die alle drie los van elkaar werken dan kan ik gaan kijken of mijn algoritme in de praktijk in de Arduino ook werkt.

Mocht er iemand tips en/of opmerkingen hebben dan hoor ik dat graag!

Martin Kleinman, website Familie Kleinman