Thermische stagnatie bij zonneboilers
Thermische stagnatie bij zonneboilers is een veelvoorkomend verschijnsel bij verkeerd gedimensioneerde zonneboilers.
Wanneer treedt thermische stagnatie op bij een zonneboiler?
Het nadeel van een te kleine boiler is duidelijk, zoals bijvoorbeeld een 24-buizen CPC-collector met slechts een 200L boiler. In de zomermaanden, rond 12.00 uur, laadt het vat zich op en stagneert het systeem. Een 200L boiler kan ook niet genoeg energie opslaan om zelfs maar één dag zonder zon te overbruggen en is daarom ongeschikt voor CV-ondersteuning. Een buffervat moet groot genoeg zijn om zonnewarmte efficiënt op te slaan en te gebruiken voor CV-ondersteuning. Gemiddeld heeft een huishouden voor CV-ondersteuning een opslagcapaciteit tussen 500 - 800 liter nodig. Hiermee kun je zelfs een dag zonder zon overbruggen.
Vooral in de zomermaanden, wanneer de warmtebehoefte laag is, kan stagnatie ontstaan. Dan herkent de delta T-regeling deze situatie en brengt het circuit tot stilstand. In principe is stagnatie een normaal onderdeel van de werking van een zonneboilerinstallatie en niet per se problematisch, zolang het niet de overhand heeft. In sommige gevallen kan het leiden tot complicaties. Als de regeling de doorstroom stopt (of als een component zoals de pomp, controller of temperatuursensor defect is), staat de vloeistof stil in het circuit en in de collectoren.
Wanneer treedt thermische stagnatie op bij een zonneboiler?
De thermische stagnatie vindt plaats in 5 fasen.
Fase 1
In de eerste fase (expansie en eerste verdamping) neemt de hitte in de collectoren door de zonne-instraling sterk toe. Op een bepaald temperatuurniveau, afhankelijk van de samenstelling van de solarvloeistof, begint het te verdampen en neemt het volume van de warmtedrager toe.
Fase 2
In de tweede fase (verdampen van de vloeistof) van de stagnatie bereikt de vloeistof haar kookpunt en verdampen delen van de solarvloeistof. De druk in het systeem neemt toe, waardoor vloeibare bestanddelen van de vloeistof in het expansievat worden gedrukt.
Fase 3
In de derde fase (leegkoken van de collectoren) bereikt de druk zijn maximale waarde. Ook de temperaturen blijven verder stijgen (bij stagnatie kunnen bij heatpipes temperaturen boven 300°C worden bereikt). Deze fase is de belangrijkste van de 5 fasen. Het is erg belangrijk dat het systeem zo is ontworpen dat zo min mogelijk tot geen vloeistof in de collectoren achterblijft. Hoe langer dit namelijk het geval is, hoe waarschijnlijker er damp optreedt, dit kan leiden tot schade of het "cracken" van de solarvloeistof. Dus moet het leidingwerk vanaf de collectoren zo worden verlegd dat de collector leeg kan lopen.
Fase 4
In de vierde fase (oververhitting) bereiken de temperaturen in de collector hun hoogtepunt en neemt de druk licht af. Deze fase van oververhitting duurt net zolang totdat de instraling zover afneemt dat de temperatuur onder het stagnatiepunt daalt. Zodra dat het geval is, start fase 5.
Fase 5
De collectoren vullen zich weer met vloeistof. Met een afname van de zonnestraling neemt de druk, net als de temperatuur in het systeem, af. De damp in het systeem condenseert weer tot vloeistof en loopt terug in de collectoren. Als er warmtevraag is, kan de zonneboilerinstallatie weer in gebruik worden genomen.
Is thermische stagnatie een probleem?
In principe treedt stagnatie op wanneer de warmte van de collectoren niet nodig is. De stagnatie, zoals hierboven beschreven, is als zodanig geen probleem zolang het systeem intrinsiek veilig is gemaakt, zodat zelfs bij een fatale fout het systeem veilig blijft. Oververhitting en stilstand vallen onder normale processen in een zonne-installatie.
De ontstane damp bij een goed gedimensioneerd systeem wordt door het expansievat opgenomen. Daalt de temperatuur dan condenseert de damp weer tot solarvloeistof en stroomt terug in de collectoren. Als het expansievat niet goed is gepland, kan het gebeuren dat door de hitte en het toenemende dampvolume het overdrukventiel opengaat om de druk in het systeem te verminderen.
Problematisch wordt het wanneer stagnatie zeer vaak voorkomt.
En er dan schade ontstaat aan de installatie en de solarvloeistof, bijvoorbeeld omdat het systeem niet juist is gedimensioneerd (te veel collectoroppervlakte op een te kleine boiler). Zo treden na langdurige stilstand te hoge temperaturen op en de hoge druk veroorzaakt schade aan het systeem of de solarvloeistof "crackt". Door het "cracken" van de vloeistof ontleedt deze naar verschillende stoffen en de vloeistof veroudert snel, wat de werking van het systeem belemmert of direct schade aan het systeem toebrengt.
Daarom moet je regelmatig de hoeveelheid en de kwaliteit van de solarvloeistof controleren of het nog steeds voldoet aan de gewenste specificaties. Is dit niet het geval, dan moet het systeem zorgvuldig worden gereinigd en de solarvloeistof worden vervangen. Af en toe kan het ook tot een technisch defect aan de pomp of andere componenten leiden. Daarom is regelmatig onderhoud van de installatie sterk aanbevolen.
Als de volgende punten in acht worden genomen, dan zijn er geen stagnatieproblemen:
- De installatie moet juist zijn gedimensioneerd.
- De collectoren moeten leeg kunnen lopen.
- De solarleiding moet zo worden gelegd met een helling naar beneden zodat de collector leeg kan lopen.
- Het solar expansievat moet groot genoeg zijn, zodat de druk tijdens de verdampingsfase constant blijft.