Ontwerpparameters - Technieken
Verwarmen en koelen met geothermie: hoe werkt dit precies?
4 september 2017
De temperatuur in de kern van de aarde bedraagt rond de 5.000°C. Juist onder de aardoppervlakte wordt de temperatuur sterk beïnvloed door het klimaat. Die temperatuur wisselt dan ook sterk. In België heerst er vanaf 18m een evenwichtstemperatuur van 10°C à 12°C. Dieper in de aarde neemt de temperatuur verder toe met 2 à 3°C per 100m. Ondanks deze lage temperaturen bevindt zich op deze “ondiepte” een massa aan thermische energie die zich voortdurend hernieuwt.
Als de aardwarmte gewonnen wordt op een diepte groter dan 500m, spreekt men over diepe geothermie. Er zijn toepassingen tot 2.500m en dieper. Het grondwater dat op deze diepten naar boven gepompt wordt, kunnen we rechtstreeks voor verwarmingsdoeleinden of elektriciteitsproductie gebruiken.
Bij ondiepe geothermie, dus tot 500m, kunnen we dus geen warmte onttrekken die rechtstreeks geschikt is voor verwarming van gebouwen, maar eventueel wel voor koeling. Je kan de gewonnen warmte wel ‘opwaarderen’ door gebruik te maken van een warmtepomp.
Hoe kunnen we aardwarmte benutten voor ruimteverwarming?
Een geothermische installatie bestaat eigenlijk maar uit drie elementen:
1. Een systeem om de lagetemperatuurenergie naar het aardoppervlak te brengen
2. Een toestel om deze lage temperatuur te verhogen tot een bruikbare temperatuur
3. Een afgiftesysteem om deze hogere temperatuurenergie te verspreiden in een gebouw
Hoe wordt de energie uit de aarde gewonnen?
Horizontaal captatienet
Een netwerk van kunststofbuizen wordt ingegraven op circa 1.2m onder het maaiveld. De vloeistof of het gas dat door deze buizen vloeit, wordt door de aarde opgewarmd. De warmtepomp verhoogt de temperatuur van de gewonnen warmte. De bodem werkt hier als een zonnecollector. De temperatuur in de bodem schommelt sterk. De hoeveelheid energie die we kunnen onttrekken is eerder beperkt. Mede door de benodigde vrije ruimte zijn de toepassingsmogelijkheden beperkt tot kleinere projecten. De relatief lage investeringskost maakt het principe wel interessant.
Verticale warmtewisselaars
In de grond worden gaten geboord waarin warmtewisselaars worden geplaatst. Doorheen de warmtewisselaars stroomt een vloeistof die de warmte van de diepe grondlagen opneemt en naar de oppervlakte brengt. Het aantal en de diepte van de putten is afhankelijk van het gewenste vermogen en van het type ondergrond.
In vergelijking met de horizontale systemen is de investering hoger, maar het rendement is groter. Een bijzonder interessante toepassing is de energiepaal waarbij de warmtewisselaar in de paalfundering wordt geïntegreerd. De energiepaal krijgt aldus een dubbele functie: een dragende én een energie-uitwisselende functie.
Grondwaterputten
Er worden twee putten geboord. Uit een put wordt grondwater opgepompt waaruit warmte wordt gewonnen. Via de andere put wordt het water terug in de grond geïnfiltreerd. Dit afgekoelde water wordt in de zomer weer opgepompt, ditmaal om het gebouw te koelen. Hierdoor warmt het water weer op. We kunnen het dan terug in de grond brengen om tijdens de winterperiode terug te gebruiken voor verwarming. Dit systeem heeft het hoogste rendement maar kan slechts in regio’s met een zanderige ondergrond (de Kempen) worden gebruikt. Daar is het grondwater immers met voldoende debiet beschikbaar. Een correct ontwerp verzekert het rendement op langere termijn door het regenereren van de bodem.
Warmtepomp
Een warmtepomp onttrekt warmte aan een warmtebron (via het grondwater of de warmtewisselaar) op een bepaalde temperatuur. De pomp geeft die warmte op een hogere temperatuur af aan het verwarmingssysteem (de ruimteverwarming, warm tapwater). De warmtepomp pompt dus warmte van een laag naar een hoog temperatuursniveau. Hiervoor gebruikt ze elektrische energie. De winstfactor of COP (Coefficient of Performance) van een warmtepomp geeft aan hoeveel thermische energie ze zal omzetten voor één eenheid verbruikte elektriciteit.
De hoeveelheid energie die een warmtepomp verbruikt, is afhankelijk van het temperatuurverschil dat ze moet overbruggen. Hoe hoger de temperatuur van de warmtebron, hoe minder energie ze moet verbruiken en hoe hoger het rendement van de warmtepomp zal zijn.
Hieronder lijsten we systemen op in stijgende volgorde van winstfactor of COP:
1. een warmtepomp die energie uit de omgevingslucht haalt,
2. een warmtepomp gekoppeld aan een horizontaal netwerk,
3. een warmtepomp gekoppeld aan verticale warmtewisselaars,
4. een warmtepomp gekoppeld aan grondwaterputten
Koelen met een warmtepomp?
Indien we de werking van een warmtepomp omkeren, dan kunnen we warmte uit het gebouw halen en terug afgeven aan de omgeving t.t.z. de bodem. We spreken dan van actief koelen. Door het koelen van een gebouw creëren we op een goedkope wijze een comfortabel binnenklimaat. Bovendien kunnen we de warmte later ook recupereren nadat we ze tijdelijk in de bodem hebben opgeslagen.
We spreken van natuurlijk of passieve koeling als we vanuit de bodem het koelmedium enkel via een warmtewisselaar sturen. Omdat we dan geen elektriciteit verbruiken, is deze vorm van koelen nog goedkoper.
Welk warmte-afgiftesysteem?
Warmtepompen kunnen temperaturen oppompen tot 50-70°C bestemd voor klassieke verwarmingssystemen zoals radiatoren en convectoren. Zoals we hierboven reeds aanhaalden, stijgt de winstfactor van een warmtepomp echter als het temperatuurverschil tussen de warmtebron en het warmte-afgiftesysteem daalt. In die zin verdienen warmte-afgiftesystemen die op een lage of zeer lage temperatuur werkzaam zijn de voorkeur.
Vloer- en plafondverwarming functioneren bij temperaturen tussen 30-40°C. Geothermische warmtepompen worden daarom zeker interessant indien plafond- of vloerverwarming als hoofdverwarming wordt toegepast.
Een plafond- of vloerverwarming wordt algemeen als zeer comfortabel ervaren. Bovendien stelt men de ruimtethermostaat gemiddeld 1 à 2°C lager in. Het buizenstelsel dat we in de vloer of plafond verwerken, kunnen we in de zomer gebruiken voor koeling. Daardoor neemt het comfort in de zomer nog toe.
Betonkernactivering?
Betonkernactivering of thermische actieve bouwdelen verschillen van plafond- en vloerverwarming in die zin dat de leidingen niet in de toplaag van de constructie zijn opgenomen. Zoals de naam immers doet vermoeden, zitten de leidingen in de kern van het constructiedeel. Het leidingnetwerk is gekoppeld aan de warmteafgiftezijde van de warmtepomp.
Hierdoor ontstaat er een thermische buffer. Daarbij kan de energie tijdelijk worden opgeslagen. Zo kan het thermisch geactiveerde bouwdeel de overtollige warmte overdag opnemen en ’s nachts terug afgeven. Dit fenomeen resulteert in een verschuiving en afvlakking van de temperatuurspieken. Door gebruik te maken van betonkernactivering kan men een ruimte verwarmen met water-aanvoertemperaturen van 24-30°C. En er kan gekoeld worden met watertemperaturen groter dan 16°C. Dit temperatuurbereik zorgt voor zeer interessante rendementen.
Geothermie combineren met andere duurzame technieken?
We kunnen de elektriciteitsbehoefte van de warmtepomp opvullen door fotovoltaïsche panelen. We kunnen zonnecollectoren enerzijds gebruiken om de behoefte aan warm tapwater in te vullen. Anderzijds kunnen we ook thermische energie leveren aan de geothermische installatie voor direct gebruik of voor tijdelijke opslag in de structuur van het gebouw of in afzonderlijke buffers. We kunnen de zonne-energie ten slotte ook gebruiken om de bodem thermisch terug in evenwicht te brengen.
Is elk project geschikt voor geothermische installaties?
Voor een succesvolle toepassing van lage temperatuurverwarming met behulp van een warmtepomp, moet het warmteverlies van het gebouw beperkt blijven. Dit is nodig om het benodigde vermogen van de warmtepomp te beperken. Goed isoleren en ventilatieverliezen beperken is dan ook de boodschap.
Het nadeel van vloer-, plafondverwarming en betonkernactivering is hun thermische traagheid. Daardoor reageren ze minder snel op temperatuursveranderingen in het lokaal. Deze temperatuursveranderingen kunnen het gevolg zijn van een sterk schommelende bezettingsgraad van het lokaal of door wisselende zonne-inval. De architect dient dan ook bijzondere aandacht te schenken aan de oriëntatie van het gebouw, de beglazing en de zonnewering.
In principe kan je elk gebouw verwarmen met behulp van een geothermische installatie. Volgende factoren schuiven het rendement in de positieve richting:
- de toepassingsmogelijkheid van een (zeer) lage temperatuurverwarming
- de grootte van het project: hoe groter, hoe lager in verhouding de initiële investeringskost
- koelbehoefte: door interne en/of externe warmtelasten, kan een behoefte ontstaan om te koelen. Geothermie biedt hier een duidelijke economische meerwaarde
- de locatie: terwijl grondwatersystemen zich eerder in de Kempen situeren, kunnen we systemen met verticale warmtewisselaars vrijwel overal toepassen.
Wat met warm tapwater?
Behalve warmte voor ruimteverwarming, kan een warmtepomp ook warmte leveren voor warm tapwater. Men maakt dan gebruik van een combiwarmtepomp. Daarbij draagt de warmtepomp ’s nachts zorg voor de opwarming van het tapwater in de warmtapwaterboiler (‘nachtstroomboiler’). Op die manier kunnen we profiteren van het lagere tarief voor elektriciteit tijdens de nachturen.
Zijn er bijzondere vergunningen nodig?
Er is een meldings- of vergunningsplicht voor geothermische warmtepompen.
De procedures zijn afhankelijk van een aantal factoren:
• Het vermogen van de warmtepomp
• Voor grondwatersystemen: het opgepompte waterdebiet
• Voor warmtewisselaars: de locatie en de diepte van de boringen in functie van beschermingszones
Het is belangrijk dat de vergunningsvoorwaarden strikt worden uitgevoerd zodat de kwaliteit van het grondwater intact blijft. Raadpleeg steeds de plaatselijke vergunningsoverheid voor de juiste details.
Hoe beginnen?
De overweging en de keuze voor het al dan niet toepassen van een geothermisch project moet je zo vroeg mogelijk in het ontwerpproject maken. Het rendement hangt immers af van een goed geïntegreerd ontwerp, uitvoering en opvolging.
Idealerwijs zitten de betrokken partijen reeds in het begin van het traject samen. Breng je architect dus zo spoedig mogelijk op de hoogte van je intenties.
Smart Geotherm project?
Door gericht onderzoek en kennistransfer gedurende 6 jaren, wil het IWT-traject Smart Geotherm het aandeel in de totale energievoorziening in gebouwen aanzienlijk verhogen.
Slimme besturingssystemen zullen ontwikkeld worden die de match zullen maken tussen de vraag naar koeling en verwarming, het aanbod aan geothermie en andere vormen van thermische energie, de tijdelijke buffering van energie o.a. in de ondergrond, en in de structuur van het gebouw.
Geothermische geschiktheidskaarten, richtlijnen van goede praktijk, ontwerprichtlijnen en voorbeeldprojecten zullen via publicaties, studiedagen en opleidingen naar de verschillende doelgroepen doorstromen.
Dit project wordt uitgevoerd door het WTCB in samenwerking met ABEF, Bouwunie, Febe, infobeton.be, Kuleuven, VITO en de Vlaamse Confederatie Bouw
