Zonneverwarmingssystemen: Van Passief tot Actieve Oplossingen voor Duurzame Huisverwarming

Achtergrond

In één seconde emiteert de zon 13 miljoen keer meer energie dan de hele VS in een jaar verbruikt. Hoewel slechts een fractie de aarde bereikt, zou dat bedrag de hele planeet comfortabel kunnen voorzien.

Zonne-energie bewijste haar elektrisch potentieel in de jaren '50, toen NASA een betrouwbare energiebron voor ruimtesatellieten nodig had. De pionerende siliciumcellen geproduceerd bij Bell Labs converteren nog steeds slechts ongeveer 18% van zonlicht in elektriciteit. Ondanks deze bescheiden efficiëntie, heeft zonne-energie hoogprofiele projecten als de International Solar Challenge race succesvol aangedreven.

Warmteopvang van de zon heeft zich als bijzonder effectief bewezen voor domestiek warm water en gebouwklimaatcontrole. Zwembaden gebruiken routinematig zonnecollectoren. Voor residentiële ruimteverwarming bestaan twee hoofdsysteemtypen:

• Passieve zonneverwarming laat zonlicht direct in een gebouw via zuidgerichte ramen (noordhalvebol) of via een muur of dak dat warmte absorbeert, opslaat en naar het interieur overbrengt. Een variant - een geïsoleerd-winningsysteem - slaat warmte op in een afzonderlijke kamer zoals een steenbed.
• Actieve zonneverwarming gebruikt water of lucht als warmtetransportmedium. Collectoren op een zuidgericht dak leiden warmte naar steenbedden of watertanks. De opgeslagen warmte kan vervolgens via luchtkanalen, ventilator-convector units of directe luchtcirculatie worden afgeleverd.

Koelsystemen zijn eveneens verdeeld in passieve en actieve ontwerpen, die nachtelijke luchtstroom en condensatie benutten om binnentemperaturen te verlagen.

Verschillende collectortypes passen bij specifieke toepassingen. Platte-plaatcollectoren, met een glasbovenkant en zwarte absorberplaat, passen bij domestiek gebruik. Concentrerende collectoren - gevormd als gootjes of kommen - dienen industriële toepassingen.

Geschiedenis

De zon is altijd de primaire warmtebron van de mensheid geweest, maar de eerste gedocumenteerde door mensen gemaakte zonnecollector dateert uit 1776 toen de Zwitserse wetenschapper Horace de Saussure een eenvoudige "heet doos" bouwde.

Sir John Herschel gebruikte later hete dozen om voedsel te koken tijdens zijn Afrika-expeditie in de jaren 1830. Zonnethermische koken en waterdistillatie verspreidden zich vervolgens in delen van Afrika.

In de VS gebruikten pioniers in de late 1800s zwarte potten en pannen om water overdag te verwarmen, wat wijdverspreide adoptie in regio's die anders afhankelijk waren van geïmporteerde brandstoffen uitlokte. In 1897 gebruikten bijna 30% van de huizen in Pasadena, Californië, zonnewaterverhitters.

Zonnetchnologie groeide voortdurend door de 20e eeuw, piekend tijdens de energiecrise van de jaren '70. Na afname van de crisis daalde het belang, om in de jaren '90 weer te stijgen door zorgen over fossiele brandstofemissies en nucleaire veiligheid.

Grondstoffen

Zonneverwarmingssystemen variëren, maar het volgende richt zich op een basale residentiële passieve en actieve configuratie.

Een passief systeem vereist een zwart platte-plaat collectorpaneel: een staal absorberplaat getopt met twee glasplaten, omringd door glasvezel of polyurethaan schuim isolatie met een aluminiumfolie vochtbarrière. De unit is behuist in een ondiepe houten, verzinkte staal of aluminium doos. Een warmteopslagbak - gevuld met droge kiezelstenen of stenen - vangt overmaat warmte. Een differentiële thermostaat biedt handmatige temperatuurcontrole, en een luchtbehandlingsmodule (kanalen, filters, blower, automatische dampers) circuleert de verwarmde lucht.

Een actief systeem dat warmte in water opslaat, heeft een platte-plaat collector met één of twee transparante lagen, zwarte metalen buizen en isolatie. Het systeem incorporeert ook een waterpomp, opslagtank, warmtewisselerspulen, een auxiliaire verwarmingsunit, een ventilator, filters en een besturingsklep. Als steenopslag in plaats van water gebruikt wordt, houdt een geïsoleerde bak de stenen en elimineert de noodzaak voor pompen en spoelen.

Alle zonneverwarmingsinstallaties gebruiken kitten, aluminium bekleding en afdichtstrippen van rubber, verf of hout om voegen te verzegelen en het systeem te beschermen.

Het Productieproces

Collectors

1. Platte-plaatcollectoren worden op schuine daken of verticale muren gemonteerd door ondiepe bladen manifold pannen - gelijkend op grote bakpannen - aan elk uiteinde te bevestigen en ze aan de balken te bevestigen. Kitten wordt rond de bovenrand van de manifold aangebracht. Bekleding wordt daarna geïnstalleerd, en alle naden worden met kit afgedicht. Manifold sleuven worden in de bekleding gesneden, en blokkering wordt rond de omtrek bevestigd.
2. De absorberplaat wordt over de bekleding gepositioneerd, uitstrekkend naar de buitenste manifold blokkering. Eindafsluitingen - meestal rubber - verzegelen de uiteinden, en de boven- en onderranden worden gekit.
3. Latten worden aan de absorberplaat bevestigd, en een verglazingssysteem - een enkele glaslaag op daken of dubbel op muren - wordt geïnstalleerd.
4. Aluminium verglazingsprofielen lijsten de omtrek van de collector.

Luchtbehandeling en Besturingssysteem

1. In een passief systeem bestaat de luchtbehandelingseenheid uitsluitend uit kanalisering tussen de collector en woonruimte, een ventilator en een handmatige schakelaar. Een geïsoleerd-winningsysteem voegt een afzonderlijke opslagkamer en kanalisering toe die het met het gebouw verbindt.
2. In een actief systeem slaat een opslagbak (stenen of water) overmaat warmte op. Kanalisering met aan/uit dampers koppelt de collector aan de bak, de bak aan het huis, en de collector direct aan het huis. Twee ventilatoren circuleren lucht.

Opslag

1. Een steenopslagsysteem gebruikt een geïsoleerde bak gevuld met kleine stenen (2,5-12,7 cm) gespacieerd om lucht door kanaalverbindingen te laten passeren.
2. Een wateropslagsysteem spiegelt de steenopzet maar slaat warmte op in water in plaats van stenen.

Kwaliteitscontrole

Voor residentiële installaties worden de pasvorm van eindafsluitingen en kitintegriteit geverifieerd met een rookbomtest voor verglazing. Deze test detecteert lekkages en waarborgt luchtdichte prestaties.

De Toekomst

Naarmate prototypes van zonnestookte en zonne-aangedreven huizen en commerciële gebouwen rijpen, verschuift zonne-energie van experimenteel naar mainstream. Milieu NGO's, het VS Department of Energy, en internationale instanties promoten actief bredere adoptie en blijven nieuwe toepassingen innoveren.

Het DOE's Solar Energy Research Facility toont fotovoltaische vooruitgang, terwijl het gebouw zelf de voordelen van daglicht-gericht ontwerp exemplifieert. De trap-architectuur met veel ramen demonstreert hoe zonneverwarming naadloos in architectuur geïntegreerd kan worden.

De American Solar Energy Society belicht praktische zonneprojecten via haar jaarlijkse zonnehuistoeren en informeert leden over wetgevingsontwikkelingen. Bijvoorbeeld, in juli 1996 lobeerde de vereniging voor hernieuwbare-energiefinancieringswetgeving - een poging die, hoewel niet aangenomen, congressioneel belang in zonne-energie signaalde. De International Solar Energy Society nastreeft soortgelijke doelen op wereldwijde schaal, pleitend voor verhoogde betrouwbaarheid op zonne-energie wereldwijd.