Zonneboiler

Een warmtepomp op 35 ⁰C is geschikt voor ruimteverwarming op lage temperaturen. Hij is niet geschikt voor tapwater en douche, net als de stadsverwarming. Verwarming vormt een gesloten circuit, terwijl tapwater doorstromend vers water is. Een duurzame oplossing is een zonneboiler of warmtepompboiler.

Zonnecollectoren zetten licht en warmtestraling van de zon om in warmte, waarmee je dan tapwater warm kunt maken. Dat is dus anders dan zonnecellen, die elektriciteit maken. Zonnecellen kunnen ook een verwarmingselement aansturen, maar dat werkt een stuk minder efficiënt dan zonnecollectoren rechtstreeks.

Zonneboilers zijn een combinatie van een zonnecollector met een watervat waarin de warmte opgeslagen wordt, zodat je kunt douchen of afwassen wanneer je wilt. In zo'n zonneboiler zit altijd een elektrisch verwarmingselement, zodat je zeker bent van genoeg warmte, en bovendien Legionella voorkomen. Een "gewone" boiler doet alleen dat elektrisch verwarmen, zonder de verbinding met de zonnecollector.

Warmte van de zon

De zon levert ongeveer 5 GJ warmte per m² in de loop van het jaar. Met zoveel energie kun je 40000 liter douchewater tot 40 ⁰C verwarmen, of 27000 liter afwaswater tot 55 ⁰C, of een combinatie daarvan. Dat lijkt misschien veel, maar een gmiddeld jaar heeft 365.25 dagen en 40000 liter douchewater met een spaarkop van 6 liter/minuut stroomt dan 18 minuten per dag. Dat vindt niet iedereen genoeg. Vaak zie je dus een 2-4 m² zonnecollector voor tapwater in een woning.

Verschil zomer en winter. De hoeveelheid licht is in januari ongeveer 4x minder dan in juli. De 5 GJ/m² is dus niet gelijkmatig verdeeld. Een dag levert gemiddeld 5 GJ/m²/365.25 dagen op, zo'n 14 MJ/dag dus, in januari echter maar 6 MJ en in juli wel 22 MJ. Te weinig in de winter, te veel in de zomer. Zie het plaatje voor het ruwe verloop volgens dit script:

Praktisch voorbeeld. Een configuratie die je veel ziet is 4 m² heat pipes. In een gezin van 4 zie je dat er in de winter niet dagelijks door iedereen gedouchet kan worden op zonnewarmte, terwijl in de zomer een flink overschot is als bodemwarmte teruggeleverd kan worden. Er is dagelijks een afwasje van 10 liter ingepland met water van 55 ⁰C.

Let wel op dat weersomstandigheden grote invloed kunnen hebben. Heat pipes werken ook bij indirect licht goed, maar wolken houden licht tegen. Daarentegen is ijzige lucht minder vochtig en biedt toch weer meer lichtinval. Zie eventueel Q-waardes in KNMI data als meting van lichtinval per dag.

Let op dat het aantal malen douchen in grote gezinnen hoger ligt, maar die warmtevraag is met een douche-warmtewisselaar te verlagen. Ook moet een groot gezin meer ventileren, en dat is met mechanische ventilatie te verbeteren, het raam hoeft dan minder lang open te staan.

Temperatuur in de boiler

Een belangrijk punt is dat een boiler warm genoeg moet worden om problemen met Legionella tegen te gaan. Als je zonnecollectoren minder temperatuur afleveren dan zal het elektrische element dus meer werk moeten verzetten. Dit kan een reden zijn om een warmtepompboiler te nemen, die is efficiënter. De combinatie met een zonnecolletor is vermoedelijk niet lonend. Een type zonnecollector dat nog vrij ver in het jaar hoge temperaturen oplevert (maar wel minder daarvan) is de heat pipe. Dit zijn vacuümbuizen waarin alchohol verdampt en dan bovenin neerslaat. Dat proces levert grotere "warmtepakketjes" af, en bovendien stroomt het water alleen bovenlangs, waardoor er minder warmte weglekt als het buiten koud is. Als daar dan bijgestookt moet worden, zou je met een hack van je boiler kunnen zorgen voor opwarming tegen het laagste dynamische uurtarief. Daarmee kun je Legionella ook in de winter voorkomen op de goedkoopste manier die met een elektrisch verwarmingselement haalbaar is.

Terugleveren in de zomer

In de zomer krijg je met een zonnecollector meestal meer warmte dan je nodig hebt. Dat kan onhandig zijn als je collectorvloeistof daardoor gaat koken. Nu zitten er tegenwoordig kleppen in een heat pipe die dat voorkomen, maar dan gebruik je dus je zonnecollectoren minder efficiënt (en dat benadeelt ook je zonnecollectorsubsidie).

Met een warmtebron kun je warmteoverschot ook terugvoeren naar de bodem, die daarmee gecompenseerd wordt voor de afgegeven warmte in de winter. Zo voorkome je dat de warmtebron in de loop der jaren afkoelt, waarde de warmtepomp het zwaarder krijgt (in de zin van een lagere SCOP, meer elektriciteitsverbruik) en uiteindelijk zelfs te weinig warmte afgeeft. Dit speelt over vele jaren, maar kan voorkomen worden door warmte toe terug te voeren naar de bodem. Omdat het zo langzaam werkt hoeft dat niet in het koude jaargetijde, het kan dus prima in de zomer. Ook kan het dus prima met warmte die overblijft nadat je je boiler hebt verwarmd. Bodemwarmte is daarmee een hele fijne combinatie met zonnewarmte.

De warmte die je teruglevert compenseert voor afkoeling. Dat wil dus zeggen dat je al warmtetoestroom hebt van de bodem in de omgeving van de warmtebron, en dat je daar een tegengestelde beweging voor inzet. De bodem zal rond de warmtebron dus telkens iets dalen en stijgen in temperatuur, maar op afstand nemen die rimpelingen heel snel af. Dat is het idee van opslag van warmte in de bodem. De efficiëntie is dus ongeveer 100%. Alleen verlies je de verschillen in temperaturen die het inzetbaar maken, ook wel lage entropie genoemd; dat moet je nog wel tegenwerken, en dat is wat een warmtepomp doet. Met een SCOP van 5 heeft die zelf nog wat energie nodig, maar van de teruggevoerde warmte kan dus 80% hergebruikt worden, zou je kunnen stellen. Stel je voor: de warmte die je in de winter verbruikt bestaat dan voor 80% uit overschot uit de zomer!

Stroomsnelheid. Een warmtebron voert water rond 10 ⁰C aan, en mag gevoed worden met ongeveer 25 ⁰C. Een liter water 15 ⁰C bijverwarmen kost 0.062 MJ, dus een overschot van 22 MJ/m² moet 355 liter water opwarmen per m² zonnecollector. Als je dat over een uur of 4 uitsmeert is dat 1,5 liter/min. De pompsnelheid van de warmtepomp bepaalt nu wat het maximale aantal m² zonnecollector is dat zo kan afvoeren. Voor 11 woningen met 4 m² zonnecollector zit je op 65 liter/min.

Door de warmte uit de boiler te onttrekken kun je eventueel al vroeger beginnen of langer doorgaan met aftappen van zonnewarmte, zonder het meteen van de zonnecollector af te nemen. Dat vraagt wel een complexere regeling, die weet wat de weersverwachtingen zijn.

Woningkoeling. Als de woningen in de zomer warm worden, kunnen ze gekoeld worden met koel water uit de bodem. De warmtepomp is dan niet actief. Ook dat is in feite een zonnecollector; de vloerverwarming of de lagetemperatuur-radiator verzamelt ("collects") de warmte in de woning en voert die af naar de bron. Woningen warmen veel langzamer op dat zonnecollectoren, door de thermische massa van beton, dus woningkoeling kan vooral nuttig zijn buiten de piekuren waarin een zonneboiler warmte moet afvoeren. Dat zou 20 uur laten om de woning in een geleidelijker tempo af te koelen, voor een fijne nacht en een frisse start van de volgende dag. Hitte is immers vooral een probleem als het dagenlang aanhoudt en er geen koeling is.

De koeling met bodemwarmte is bijna gratis, je hoeft alleen water rond te pompen. Dat is extreem gunstig. Waar een "airco" al ongeveer een half zo gunstige SCOP haalt als een warmtebron, is het feit dat er niet actief warmte gepompt hoeft te worden in de zomer nog een verdubbeling van de effectiviteit van een bodemwarmtepomp.

Impact op de warmtebron. Het groene deel in de tweede grafiek toont ongeveer 2/5 overdaad over het jaar voor 4 personen (of eigenlijk 4 douches per dag) en ongeveer 3/5 voor 2 of 3. Gaan we gemiddeld uit van de helft. Met 11 woningen van 4 m² is het overschot dan 110 GJ, voor evenzoveel energie voor douchen en tapwater. Dat maakt 10 GJ van het jaarverbruik goed. Voeg daaraan koeling toe dan moet het totaal tussen 70% en 100% van de jaarafname uitkomen om de bron langdurig te behouden. Als de systemen gebouwd zijn op 17 GJ per woning, dan is met SCOP 5 uit de bron 13,6 GJ nodig, en dat moet er dus ook ingestopt worden. Aangezien al 10 GJ uit zonnecollectoren gehaald wordt lijkt dat goed mogelijk. De daadwerkelijke situatie moet bijgehouden worden, want (structureel) boven 100% gaan is niet mogelijk zonder speciale permissie. Het idee van 70% ondergrens is dat er in de bodem een herstelmogelijkheid ingebouwd is; dat komt uit de omgeving qua bodem, atmosfeer en de warmte in het binnenste van de Aarde.

Beloning voor teruglevering

De prijs per GJ zit onder het markttarief. Die prijs is zonder beloning voor teruggeleverde warmte. Teruglevering in de zomer mikt op 70% van de afname, maar is wel een sociaal systeem en het helpt als teruglevering ook loont. Dat kan in prijs worden uitgedrukt, maar wat je betaalt aan teruglevering komt dan wel bij de afgenomen prijs op.

Er kunnen situaties ontstaan waarin een huishouden meer teruglevert dan afneemt, in GJ of in Euro's. Er kunnen situaties ontstaan waarin een bron meer dan 70% teruggeleverd krijgt, dat wil zeggen meer dan nodig voor regeneratie van de bron. Zo'n overschot dient niet beloond te worden (duurzame energie kan onbenut blijven door timing). In dat soort situaties moet worden gekeken welke bedragen minder gaan opleveren. Dat kan teruggerekend worden of ingeschat op basis van voorspellingen.

Speelruimte. Stel, ACM staat maximaal € 43,79/GJ toe aan kosten. Als de werkelijke kosten voor de afgeleverde warmte € 21,67/GJ zijn dan is er dus een speelruimte van € 22,12/GJ, en dat bedrag kun je in principe herverdelen om bij te betalen voor een tekort aan teruglevering, en dan alleen voor het missende deel. De betaling kan dan worden gedaan aan iemand die de warmte extra teruglevert, voorbij de 70% die nodig is.

Als de speelruimte van € 22,12/GJ geldt voor 100%, dan geldt voor 70% een tarief van € 30,95/GJ. Of je kunt een lager tarief pakken en toelaten dat tot een hoger percentage wordt teruggeleverd. Let daarbij op dat <70% de bron onvoldoende regenereert en dat >100% tegen de wetgeving voor bodemwarmte indruist.

Praktijkvoorbeeld. Stel, je betaalt gedurende de winter gewoon € 21,67/GJ, in principe op het moment van verbruik. Dan breekt de zomer aan, en wordt verwacht dat de energie terugstroomt. Dat laat zich voorspellen, en gaandeweg de zomerperiode wordt steeds duidelijker hoe ver de 70% verwijderd is. Op basis van de verwachting wordt de teruglevering verdeeld, en wordt een prijs in rekening gebracht bij hen die op een traject zitten dat onder 70% uitkomt, en datzelfde toegekend aan hen die erboven lijken uit te komen.

Iemand die niets teruglevert betaalt in de zomer alsnog € 30,95/GJ bij over 70% van de winterafname, wat neerkomt op het ACM-maximum. Wie rond de 70% zit betaalt (of ontvangt) maar over een klein deel van de totale rekening het gelijktrekbedrag.

Deze bedragen vormen het meest extreme voorbeeld, en er kan gekozen worden voor een deel van deze gelijktrekbedragen. Let wel op dat regeneratie keihard nodig is! En let ook op dat het afstaan van die warmte beloond hoort te worden. Van de andere kant, iemand met overcapaciteit die voorbijgaat aan de bronnoodzaak kan gerust wat vaker douchen. Het mooie is verder dat alles over het jaar samengevoegd wordt, dus gedurende het jaar kan vanalles worden bedacht om energie over te houden -- inclusief vakantie op Mallorca en in die tijd extra terugleveren.

Het is wat ingewikkeld, maar wel eerlijk en met geleidelijke gevolgen voor de niet-70%-teruggeleverde fractie. Vooral is het een systeem waarin keuzes mogelijk zijn om de eigen situatie te verbeteren.