Beantwoording onderzoeksvraag
De oorspronkelijke onderzoeksvraag: Hoe kan een betaalbaar en betrouwbaar systeem voor warmtevoorziening in de gebouwde omgeving ontwikkeld worden voor de keten zonnewarmte-warmteopslag -warmtepomp-afgifte en welke stappen zijn daarvoor nodig?
Zonnewarmte
Tijdens dit project is duidelijk geworden c.q. bevestigd dat de bijdrage van zon aan de ruimteverwarming van een bestaande woning gewoonlijk beperkt is. Per m2 paneel is de opbrengst s winters gering. Met 16m2 collectoroppervlak kan circa 17 tot 20% van het zonlicht direct worden benut. Door gebruik van opslag kan de bijdrage van zon worden verhoogd. Bij de gemiddelde Nederlandse woning met beperkte ruimte voor opslag en een hoge temperatuur afgiftesysteem voor verwarming, kan weinig warmte worden opgeslagen. Resultaat is een door de omvang relatief duur systeem, met een geringe bijdrage, dat in dit project niet verder is uitgewerkt.
Zonnewarmte winnen op lage temperatuur achter PV (Photo Voltaïsch) panelen, die elektriciteit opwekken door het gebruik van PVT-panelen (PV in combinatie met Thermische opwek), is aantrekkelijker, mede omdat de warmtewinning dan niet ten koste gaat van de elektriciteitsopwekking. Elektriciteit kan ook nuttig worden gebruikt als de zonnewarmte niet nodig is (met name het salderen maakt elektriciteitsopwekking altijd interessant). Een PVT-paneel dat zowel zon als omgevingswarmte gebruikt is het meest interessant, want dit paneel kan veel warmte halen uit de lucht, waardoor prestaties in de winter aanmerkelijk toenemen. Er treedt dan vaak wel condens- of rijpvorming op aan het paneeloppervlak. Op korte termijn verhoogt de rijpvorming de warmteoverdracht, maar op langere termijn (uren) daalt de warmteoverdracht steeds verder. In veel gevallen zal een aanvries-yclus optreden, waarbij zonne- en omgevingswarmte, gedurende de middag, de ’s nachts en ‘s morgens opgebouwde rijp ontdooien. In een beperkt aantal gevallen valt de bron van verwarming weg door het aanvriezen. Hoe vaak dit optreedt zal nog nader onderzocht moeten worden. De marktleider op het gebied van PVT-systemen claimt dat een back-up verwarming slechts een beperkt aantal uren per jaar noodzakelijk is. Op basis van de voorlopige resultaten wordt onder berijpende omstandigheden gemiddeld een betere energieprestatie verwacht dan bij luchtwarmtepompen.
Opslag
Wat betreft warmteopslag is gedurende het onderzoek vastgesteld dat de theoretische voordelen van faseveranderingsmaterialen (Phase Changing Materials, PCM) in de praktijk moeilijk te realiseren zijn. PCM-materialen gebruiken warmte die nodig is om een vaste stof te smelten om zo compact warmte op te slaan. Een beperkte warmtegeleiding van het PCM-materiaal leidt tot (grote) temperatuurverschillen voor warmteoverdracht en daarmee tot grote temperatuurverschillen. Warmte moet op een hoge temperatuur worden ingebracht en komt dan op een veel lagere temperatuur beschikbaar. Op basis daarvan is de PCM-opslag niet doorontwikkeld.
Om deze reden is de focus gelegd op het optimaliseren van de opslag van warmte in water. Er is een concept voor een modulair watervat ontwikkeld dat in kleine delen naar de installatieplek kan worden vervoerd. Dit vat is vooral interessant voor tapwater. Opslag voor tapwater is elke dag nodig, anders dan voor verwarming, die ’s zomers niet nodig is. De combinatie van een lage watertemperatuur, kleine temperatuurverschillen (en daardoor een lage warmtecapaciteit van het water) en een beperktere gebruiksfrequentie, maakt opslag voor verwarming minder aantrekkelijk.
Kostprijs
De kosten van PVT- systemen zijn nog een aandachtspunt. In dit onderzoek is daarom ook gekeken hoe de kostprijs kan worden verlaagd. De arbeidscomponent bij installatie is belangrijk en ook de kostprijs van de PVT- panelen. Daarom zijn de volgende opties bekeken om de kostprijs te verlagen Gebruik van prefab systemen om de arbeid bij installatie terug te brengen. Warmtewisselaar loskoppelen op enige afstand van het PV-paneel. Dit bleek uitstekend te werken en biedt perspectief voor kostprijsverlaging.
Conclusie
Het antwoord op de oorspronkelijke onderzoeksvraag is dat een betaalbaar systeem, dat zonnewarmte gebruikt om de verwarming te ondersteunen, mogelijk is en gebaseerd kan worden op een systeem met PVT-panelen en een warmtepomp. De zon is dan niet de hoofdbron, maar vervult slechts een ondersteunende rol. Er zijn simulaties uitgevoerd van een typische Nederlandse rijwoning met 16m2 PVT-panelen en een warmtepomp. In dat geval kan 17 tot 20% van de benodigde warmte voor ruimteverwarming uit het zonlicht worden gehaald. De zon lijkt vooral nuttig om te helpen bij het re-generen van de bron (het paneel) door deze te ontdooien.
Een PVT-systeem kan geheel invriezen als er langdurig temperaturen rond het vriespunt optreden en dan gaat de mogelijkheid tot verwarmen verloren. Om een voldoende betrouwbaar systeem te krijgen is er behoefte aan een back-up verwarming. Deze is slechts een beperkt aantal keren per jaar noodzakelijk. Een precieze inschatting van de noodzakelijke inzet van zo’n back-up verwarming vraagt om nader onderzoek. Omdat deze toepassing van PVT-panelen als bron voor de warmtepomp relatief nieuw is, is er nog weinig onderzoek beschikbaar over dit berijpen.
Voor de bereiding van tapwater kan eenvoudig 60 tot 70% van de benodigde warmte door de zon geleverd worden. Een zonneboiler maakt geen gebruik van een warmtepomp. Als salderen wordt beperkt en elektriciteit uit PV niet onbeperkt terug geleverd kan worden, dan wordt een zonneboiler een aantrekkelijke mogelijkheid. Hoge temperatuur opwek beperkt zich dan tot warm tapwater.Verder optimaliseren van het systeem is noodzakelijk om te komen tot een aantrekkelijke kostprijs.