Mobiliseren van thermische energie-opslag en thermische inertie voor de slimme verwarming en koeling van (middel-)grote gebouwen.

Transcriptie

1 IWT-VIS traject: Mobiliseren van thermische energie-opslag en thermische inertie voor de slimme verwarming en koeling van (middel-)grote gebouwen. Voorwoord Vanaf 2020 is men verplicht om nearly zero-energy buildings te bouwen. We zijn ervan overtuigd dat een groot deel van de resterende energie kan ingevuld worden door geothermie. Actueel wordt in België slechts 2% van de nieuwbouw voorzien van een geothermische installatie. Dit is in vergelijking met onze buurlanden bedroevend laag. Door gericht onderzoek en kennistransfer wil Smart Geotherm dit aandeel tot minimum 12.5% 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. Er zal bijzondere aandacht worden besteed aan de combinatie van ondergrondse warmtewisselaars en funderingselementen zoals de energiepalen. Concrete resultaten van het project: Geothermische geschiktheidskaarten, richtlijnen van goede praktijk m.b.t. geothermische warmtewisselaars en energie-opslagsystemen, intelligente regelalgoritmes, dimensioneringstools, voorbeeldprojecten enz. De koppeling van theorie en praktijk zal geschieden door het monitoren van concrete pilootprojecten. Doel van het document De lezer wordt vertrouwd gemaakt met de principes, werking en mogelijkheden van ondiepe geothermie zodat hij deze techniek minstens als alternatief verwarmingssysteem overweegt.

2 Partners van het Smart Geotherm project:

3 Wat is geothermie of aardwarmte? De temperatuur in de kern van de aarde bedraagt rond de C! Juist onder de aardoppervlakte wordt de temperatuur sterk beïnvloed door het klimaat en 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 hernieuwd. 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, kan rechtstreeks voor verwarmingsdoeleinden of elektriciteitsproductie worden gebruikt. Bij ondiepe geothermie, dus tot 500m, kan men dus geen warmte onttrekken die rechtstreeks geschikt is voor verwarming van gebouwen, maar eventueel wel voor koeling! Men kan wel de gewonnen warmte 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 lage temperatuur-energie naar het aardoppervlak te brengen 2. Een toestel om deze lage temperatuur te verhogen tot een bruikbare temperatuur 3. Een afgiftesysteem om deze hogere temperatuur energie te verspreiden in een gebouw 1 September 2012

4 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 en de hoeveelheid energie die kan onttrokken worden 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 en wordt terug in de grond gebracht om tijdens de winterperiode weer te worden gebruikt voor verwarming. Dit systeem heeft het hoogste rendement maar kan slechts in regio s met een zanderige ondergrond (de Kempen) worden gebruikt waar het grondwater met voldoende debiet beschikbaar is. Een correct ontwerp verzekert het rendement op langere termijn door het regenereren van de bodem. Bron: bundesverband wärmepumpe 2 September 2012

5 Warmtepomp Een warmtepomp onttrekt warmte aan een warmtebron (via het grondwater of de warmtewisselaar) op een bepaalde temperatuur en 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 niet alleen op een goedkope wijze een comfortabel binnenklimaat, we kunnen 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 er dan geen elektriciteit verbruikt wordt, is deze vorm van koelen nog goedkoper. 3 September 2012

6 Welk warmte-afgiftesysteem? Warmtepompen kunnen temperaturen oppompen tot C bestemd voor klassieke verwarmingssystemen zoals radiatoren en convectoren. Zoals hierboven reeds werd aangehaald stijgt echter de winstfactor van een warmtepomp 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 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 in de vloer of plafond wordt verwerkt, kan in de zomer gebruikt worden voor koeling waardoor het comfort in de zomer nog toeneemt. 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 maar, zoals de naam doet vermoeden, in de kern van het constructiedeel. Het leidingnetwerk is gekoppeld aan de warmteafgiftezijde van de warmtepomp. Hierdoor ontstaat er een thermische buffer waarbij de energie tijdelijk kan worden opgeslagen. Zo kan overdag overtollige warmte worden opgenomen door het thermisch geactiveerde bouwdeel en s nachts terug worden afgegeven. 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 C en kan er gekoeld worden met watertemperaturen groter dan 16 C. Dit temperatuurbereik zorgt voor zeer interessante rendementen. Figuur 1: Airdeck Figuur 2: Echo Climadeck 4 September 2012

7 Kan geothermie gecombineerd worden met andere duurzame technieken? Jazeker, De elektriciteitsbehoefte van de warmtepomp kan ingevuld worden door photovoltaïsche panelen. Zonnecollectoren kunnen enerzijds aangewend worden om de behoefte aan warm tapwater in te vullen, maar kunnen anderzijds 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. De zonneenergie kan tenslotte ook gebruikt worden 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, dient het warmteverlies van het gebouw beperkt te zijn. 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 waardoor ze minder snel reageren 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 elk gebouw verwarmd worden 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: grondwatersystemen zijn rendabeler, deze situeren zich eerder in de Kempen. Wat met warm tapwater? Behalve warmte voor ruimteverwarming, kan een warmtepomp ook warmte leveren voor warm tapwater. Men maakt dan gebruik van een combiwarmtepomp waarbij de warmtepomp s nachts zorg draagt voor de opwarming van het tapwater in de warmtapwaterboiler ( nachtstroomboiler ), zodat geprofiteerd kan worden van het lagere tarief voor elektriciteit tijdens de nachturen. bron: 5 September 2012

8 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. Welke zijn de subsidiemogelijkheden? De overheid stimuleert mensen die willen overstappen naar hernieuwbare energie door middel van premies en subsidies. 1. Premie van de netbeheerder De grootte van deze premie is afhankelijk van netbeheerder tot netbeheerder. Meer informatie vindt u op de website van uw eigen netbeheerder. 2. Fiscaal voordeel Een warmtepomp levert u een aanzienlijke belastingvermindering op. Meer informatie vindt u op 3. Gemeentelijke premie Enkele gemeentes geven nog een bijkomende premie aan mensen die overschakelen op hernieuwbare energie. Ook deze informatie is terug te vinden op Voor de meest recente informatie over premies en subsidies met betrekking tot hernieuwbare energie kunt u ook steeds terecht op Hoe beginnen? De overweging en de keuze voor het al dan niet toepassen van een geothermisch project dient zo vroeg mogelijk in het ontwerpproject te worden gemaakt. 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. 6 September 2012