“We wilden een warmtecollector die het juist in de winter doet”
Wie naar het dak van een woning kijkt, ziet steeds vaker zonnepanelen. Logisch, want elektriciteit opwekken is zichtbaar en direct rendabel. Maar volgens Alexander Schiebroek van Energiedak zit daar ook een beperking. “Zonnepanelen doen het fantastisch in de zomer, maar precies op de momenten dat je de energie nodig hebt – in de winter en ’s nachts – leveren ze niets. Dat vond ik altijd een gemis.” Dat geldt niet voor thermische collectoren, en dus ging Schiebroek aan de slag met zijn vaste kennis- en ontwikkelpartners TNO en TU/e. Het resulteerde in een innovatie die inmiddels de naam Build-In Thermal collector (BIT-collector) draagt. Geen zichtbaar paneel op het dak, maar een thermische collector die juist verborgen zit: onder dakpannen, onder terrastegels, achter gevels en zelfs achter zonnepanelen. En belangrijker: het is een warmtewisselaar die ook bij lage buitentemperaturen energie blijft leveren.
Auteur: Harmen Weijer. Foto’s: Energiedak/TNO
Dit Build-In Thermal (BIT) collector is thermische collector die verborgen zit onder bijvoorbeeld dakpannen.
De oorsprong van de BIT-collector ligt bij het al bestaande Energiedak-concept. “Wij zitten al jaren in het vak met een warmtecollector die onder platte dakbedekking ligt”, vertelt Alexander Schiebroek. “Maar de realiteit is dat platte daken steeds meer worden vol gelegd met PV. Daardoor kwam ons systeem een beetje in de verdrukking en gingen we op zoek naar een oplossing die daar geen last van heeft. ”
Die zoektocht bracht hem opnieuw in contact met bekende partners uit eerdere onderzoeksprojecten, de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en TNO. “We werken al jaren samen in wisselende consortia. Je weet wat je aan elkaar hebt en kunt snel schakelen. Met de TU/e zijn we gaan schetsen: wat moet er anders aan onze collector om tot een nieuw type te komen met een sterk verbeterd rendement?”
Meten
Het resultaat was een onderzoeksproject dat begin 2023 van start ging. Vanaf het begin was duidelijk dat meten cruciaal zou worden. Voor het meetwerk werd gebruikgemaakt van de SolarBEAT-faciliteit in Eindhoven (zie kader), waar TNO uitgebreide testopstellingen heeft. Roland Valckenborg van TNO legt uit waarom dat zo belangrijk is: “Je kunt heel veel modelleren, maar uiteindelijk moet je het systeem één-op-één in de praktijk meten. Dan kom je altijd dingen tegen die je niet had verwacht.”
De systematische aanpak begon met een nulmeting, uitgevoerd onder winterse omstandigheden met het bestaande Energiedak. Een jaar later werd de inmiddels ontwikkelde BIT-collector onder identieke omstandigheden getest. “We meten met vaste debieten, verschillende invoertemperaturen en onder allerlei weerscondities: regen, wind, vorst. Dat moet ook, want de performance van zo’n systeem verandert continu”, aldus Valckenborg.
Die praktijkmetingen leverden cruciale inzichten op. Zoals over ijsvorming, een van de grote onzekerheden bij dit type systemen. “Er is eigenlijk verrassend weinig bekend over ijsvorming bij dit soort collectoren”, zegt Valckenborg. “In berekeningen wordt vaak uitgegaan van een veiligheidsfactor, bijvoorbeeld dat de prestatie terugvalt naar 85%. Maar uit onze metingen bleek dat het effect van ijsvorming veel kleiner is dan gedacht.”
Schiebroek vult aan: “We zagen dat ijsvorming vaak beperkt bleef tot het begin van de collector, waar de vloeistof het koudst is. Verderop trad het nauwelijks op. Dat was voor ons een belangrijke bevestiging dat het systeem ook onder winterse omstandigheden blijft functioneren.”
De BIT-collector kan onder terrastegels en achter gevels worden geïnstalleerd.
Warmte uit koude lucht
De kern van de BIT-collector is eenvoudig, en tegelijk vernieuwend. Het systeem is een warmtewisselaar die fungeert als bron voor een water/water-warmtepomp, vergelijkbaar met een bodemlus, maar dan zonder dat hij in de bodem zit. “Wij zitten eigenlijk tussen een lucht/water warmtepomp en water/water warmtepomp in”, legt Schiebroek uit. “Er gaat waterglycol door de collector, maar de energie halen we uit de omgevingslucht. Alleen doen we dat passief, zonder buitenunit met ventilatoren. De collector ligt gewoon in de constructie en wisselt daar warmte uit. Volkomen geluidloos.”
Een ander groot verschil met traditionele systemen zit in het moment van energieopwekking. “Wij richten ons juist op de winter en de nacht”, zegt Schiebroek. “Als het buiten vriest, gaan wij met een nog koudere vloeistof door de collector. Maar zelfs dan hebben we een goede delta T, dus temperatuurverschil waar we energie uit halen.” Volgens Valckenborg zit daar ook de technische uitdaging. “Je moet dimensioneren op de slechtste omstandigheden: koude nachten in de winter. Als je dat goed doet, presteert het systeem de rest van het jaar vanzelf beter.”
Integratie in bestaande bouwdelen
Ook van belang bij de ontwikkeling was de mogelijkheid om de BIT-collector te integreren in bestaande bouwdelen. Hij moet passen onder dakpannen, achter gevelpanelen en in prefab elementen. Schiebroek: “Denk aan de ruimte tussen dakpanlatten of achter gevelbekleding. Daar zit vaak al een geventileerde spouw. Die benutten wij.” Dat maakt het systeem bij uitstek geschikt voor renovatie, maar ook voor prefab toepassingen. “In fabrieken waar complete dakelementen worden gemaakt, kun je de BIT-collector eenvoudig integreren. Dan hijs je hem in één keer mee het dak op”, aldus Schiebroek.
Daarnaast biedt het systeem flexibiliteit. Het kan onder zonnepanelen worden geplaatst, zonder directe koppeling. “Dat is een groot voordeel”, zegt Valckenborg. “Je hebt twee onafhankelijke systemen. Gaat er iets mis met de PV, dan heeft dat niets met de BIT te maken, en andersom.”
Het is een warmtewisselaar die ook bij lage buitentemperaturen energie blijft leveren.
Gelijkwaardigheidsverklaring
Een belangrijke mijlpaal in het project was het verkrijgen van een gelijkwaardigheidsverklaring. Dat was geen vanzelfsprekend proces, weten Schiebroek en Valckenborg als geen ander. “Normaal wordt altijd de combinatie van bron en warmtepomp beoordeeld”, legt Valckenborg uit. “Wij wilden juist de collector zelfstandig laten certificeren. Dat is nieuw en daarom kostte dat enige tijd en moeite om dat beoordeeld te krijgen bij certficeringsinstantie BCRG.”
De uitgebreide metingen van TNO op SolarBEAT zijn geanalyseerd en verwerkt volgens de ISO 9806. “Dit levert zogenaamde collectorcurve constantes op. Deze werden vervolgens met behulp van modelering door externe expertise geschikt gemaakt om de BIT-collector als zelfstandige bron te kwalificeren”, aldus Valckenborg.
“Dat betekent dat we niet gebonden zijn aan één type warmtepomp”, vult Schiebroek hem aan. “We kunnen nu voor elke woning of utiliteitsgebouw de benodigde oppervlakte bepalen op basis van de warmtevraag, wat de deur opent naar brede toepassing. We rekenen gewoon uit: wat is de energievraag, welk vermogen heb je nodig en hoeveel collectoroppervlak hoort daarbij. Dat is heel schaalbaar.”
Bij eigenaar Alexander Schiebroek van Energiedak is afgelopen februari de eerste echte demo geplaatst onder het pannendak. Omdat de winter net voorbij was, zijn de gegevens nog niet helemaal up to date. De paar zeer koude dagen in februari lieten zien dat het systeem heel goed werkt in de winter, zelfs met sneeuw op het dak.
Eerste reacties
De eerste reacties uit de markt zijn volgens Schiebroek positief – en soms verrassend. “De eerste klant die ik de BIT liet zien, was een architect. Die zei meteen: zonde om hem te verstoppen, ik wil hem als gevelbekleding.” Dat leidde tot nieuwe toepassingen. Geanodiseerde varianten in verschillende kleuren worden inmiddels getest. “Hoe donkerder de kleur, hoe beter de opbrengst. Dus esthetiek en performance kunnen hier samenkomen”, aldus Schiebroek.
Ook woningcorporaties tonen interesse. In Eindhoven wordt bijvoorbeeld door een woningstichting gekeken naar toepassing in bestaande woningen. “Ze hebben afgelopen jaren veel geïnvesteerd in het isoleren van veel van hun duizenden huurwoningen en ze willen nu de installaties aanpakken. De BIT-collector is voor iedere warmtepomp te plaatsen en is dus een alternatief voor de bodemlussen of buitenunits van warmtepompen. Wij komen precies op het juiste moment, zo gaven ze al aan, want ze staan op het moment keuzes te maken voor wat voor soort oplossing ze kiezen”, zegt Schiebroek.
De vraag is hoe uniek de innovatie is. Schiebroek is daar nuchter over. “Het principe is lastig te patenteren. Het is in de basis een warmtewisselaar. Maar de kracht zit in de details zoals koppelingen, en in de toepassing.” Valckenborg ziet vooral de opgebouwde kennis als voordeel. “We hebben een volledig seizoen gemeten en veel praktijkervaring opgedaan. Dat geeft een voorsprong van zeker twee jaar op eventuele concurrenten.” En Schiebroek geeft als uitsmijter dat een van de prefab woningen waar de BIT-collector gebruikt gaat worden – van RxDOMI (zie kader) – netbewust gebouwd wordt. “Dat betekent dat de woning maximaal 4 kW aan vermogen krijgt. De BIT-collector met juiste warmtepomp helpt daarbij, zodat het net niet wordt belast en woningbouw gewoon kan doorgaan.”
Meer info: https://energiedak.nl/bit-de-build-in-thermal-collector/
Praktijkproject in Eindhoven
De eerste concrete toepassing in de markt van de BIT-collector vindt plaats in woonwijk LivingLab 040 in Eindhoven, waar een prefab houten woning wordt gerealiseerd door RxDOMI. In dit project wordt de collector niet verborgen, maar juist zichtbaar toegepast als design gevelbekleding.
Het systeem wordt over de volledige hoogte van de gevel geplaatst en dient als bron van de warmtepompinstallatie. De woning fungeert als demonstratieproject waarin prestaties in de praktijk worden gemonitord.
Volgens Alexander Schiebroek van Energiedak is dit project belangrijk: “Hier kunnen we laten zien wat het systeem doet in een echte woning, met echte bewoners. Dat is de volgende stap na de testfaciliteit.” De verwachting is dat de resultaten uit dit project richtinggevend zullen zijn voor verdere opschaling, zowel in de prefabsector als in renovatieprojecten.
SolarBEAT: meten in de praktijk
De SolarBEAT-faciliteit in Eindhoven speelt een centrale rol in de ontwikkeling van de BIT-collector. SolarBEAT staat voor Solar Building Elements Application Testing en is een samenwerking van TNO en Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) om het hele jaar rond 24/7 gebouwgeïntegreerde zonne-energieproducten en -systemen te testen, zowel voor het opwekken van stroom als warmte.
Voor de BIT-collector betekent dit dat prestaties zijn vastgelegd onder uiteenlopende weerscondities: van regen en wind tot vorst en sneeuw. Die data vormen de basis voor certificering en toepassing in de praktijk, stelt Roland Valckenborg van TNO. “Je kunt niet alles modelleren. Pas buiten, in echte omstandigheden, zie je hoe een systeem zich gedraagt. Dat is precies wat SolarBEAT mogelijk maakt.”
Meer info: www.tno.nl/solarbeat.
