STEG RAT E Duurzaam verwarmen met wko zonder warmtepomp <<- Nederland beschikt op dit moment over ongeveer 2.300 wko-systemen waarbij de warmte op een temperatuur lager dan 20 C wordt opgeslagen. Hierdoor is altijd een warmtepomp nodig om deze warmte op de voor gebouwverwarming benodigde temperatuur te kunnen leveren. De energie die nodig is voor de warmtepomp, is te elimineren door zonnewarmtecollectoren toe te passen waarmee warmte direct op de benodigde temperatuur ïn de bodem is op te slaan. Samen met de toepassïng van droge koelers biedt het nieuw ontwikkelde wko 'triplet'-systeem zo de mogelijkheid koude en warmte onafhankelijk van elkaar te genereren zonder het gebruik van een warmtepomp. Als de condities kloppen. Tekst: ir. Martin [31ornendal (KWR/1U Delft), dr. Niels Hartog (KWR/UU), prof.dr. Ad van Wijk (KWR/TU Delft), )an Jaap Pape (UU/KWR) f otnyrafie: Industrie Door de variatie in seizoenen hebben gebouwen in Nederland in de zomer een warmteoverschot waardoor er 7oet worden gekoeld, terwijl er in de winter een warmtetekort is en we onze gebouwen verwarmen. Afhankelijk van zowel de eigenschappen en de functie van het gebouw, als variaties in weer en seizoen, is de warmtevraag in de winter vrijwel nooit precies even groot als het overschot in de zomer. Hetzelfde geldt voorde vraag naar koeling. Over een jaar bekeken, blijft er een beperkte nettovraag naar verwarming of koeling over, en dat is slechts een klein deel van wat we in de winter en zomer nodig hebben (temporele mismatch). Door de overschotten aan warmte en koelte in respectievelijk de zomer en winter tijdelijk op te slaan, is er uiteindelijk nog maar weinig energie nodig om de resterende behoefte in te vullen. In Nederland gebeurt dit ook al veelvuldig door middel van warmte/koude-opslag (wko) systemen waarvan de toepassing de afgelopen decennia sterk is gestegen onder de invloed van steeds stringentere EPc-eis voor nieuwe gebouwen (figuur 1). Het grootste deel van de inmiddels 2.300 wko-systemen heeft yen opslagvolume tot 500.000 m' een kleiner deel enkele honderden systemen beschikken over een capaciteit van enkele miljoenen m (figuur Z) [1]. Efficiënter verwarmen Bij conventionele bodemenergiesystemen is vooral de toepassing van koeling voordelig omdat direct uit de koude grondwaterbron kan worden gekoeld. De cop van deze manier van koelen varieert van 10 tot wel 30, wat een significante verbetering is ten opzichte van een koelmachine met een cop van ongeveer 3. Gedurende koeling wordt er echter maar een beperkfie temperatuursprong gemaakt in het grondwater. Het Koelen van een gebouw naar circa ZO C betekent per definitie dat de temperatuur van het grondwater tot ongeveer 18 "G kan stijgen zonder er extra energie aan toe te voegen. Dit grondwater met een maximale temperatuur van 18 C is echter niet geschikt voor het verwarmen van gebouwen in de winter. Om die reden wordt een warmtepomp ingezet die de temperatuur van dit grondwaterverhoogt naar 40 45 "C. Een manier die zeker efficiënter is dan ver- 36 VV+ februari 2078
warmen met een gasketel, maar waarin de warmtepomp uiteindelijk 60 procent van alle energie gebruikt die nodig is voor een wko-systeem [3]. Het elimineren van de warmtepomp zou dan ook bijdragen aan een belangrijke energiebesparing (figuur 3) ten opzichte van conventionele wko-systemen (figuur 4). Dit is bovendien ook mogelijk, namelijk door de warmte vast op een hogere temperatuur typisch 40 C op te slaan in de bodem. Bodemenergie triplet Een beperking van een conventioneel wko-systeem is vervuiling van de koude en warme bron. De temperatuur van het water dat uit het gebouw Komt bij verwarmen is namelijk hoger dan 10 "C terwijl de maximale temperatuur van de i<oude bron deze waarde niet rnaq overschrijden om geschikt te zijn voor directe koeling. Hetzelfde geldt voor de temperatuin van het water hij Piet koelen van het gebouw. Deze temperatuur is te laag ons in het winterseizcen rnee te verwarmen, hoewel dit in een wko-systeem 7irder 'erg' is vanwege cie beschikbaarheid van een warmtepomp. Voor deze problematiek zijn verschillende oplossingen rlogelijl< [Z, 7. Orn het water uit het gebouw tijdins verwarryen terug te koelen naar r7iinirnaal 1U `C, is gebruik te rtal<en van droge koelers op het dak. Dit werkt echter alleen wanneer het buiten koud genoeg is. Wanneer dit niet het geval is, bestaat de mogelijkheid om het relatief warme water voorde koude bron op te slaan in een bufferbron waarmee een zogenaamd 'triplet'- 5ysteem ontstaat. Het water blijft hier tot het buiten alsnog koud genoeg is om dit weter verder terug te koelen. Hiervoor wordt het clan naar boven gepompt, gekoeld en vervolgens naar de koude bron geleid. Up deze manier wordt vervuiling van de koude bron voorkomen. LJiteraard zijn ook andere bronnen te gebruiken voor het koelen van het uitgaande water bijvoorbeekd oppervlaktewater. Fret water dat tijdens het koelen van het gebouw in de zomer retor komt, moet juist worden opgewarmd. Hiervoor is gebruikte maken van zonnecollectoren op het dak die echter asleer voldoende capaciteit hebben wanneer het warm genoeg is. Analoog aan het 'winterverhaal' kan de koude in een 2,500 _ Cumulative number of operational ATES systems 5 w. 2,000 -... EPC ó ó 1,500 o 1,000,, 0.5 z 500 L :. _ T 0 0 w 1995 2000 2005 2010 2015 25,000 10% 20,000 --_ n agio Q ó 15,000 _ Building permits (housing exciuded) 60 á, O, 10,000 Percentage of buildings with ATES 4% c ó, :" V G 5,000 z a, 2%. 0 _ 0% 1995 2000 2005 2010 2015 1. Aantal wko-systemen in relatie tot EPc-eis voor nieuwe gebouwen [1]. 80, 70 E 60 n 50 40 a 30 = 20 10 000000000000000000000000000000.no..noionououonoonon0000000000a c- - NNcY1 Md'd' tncp Cp r. to0 00 O ó Qo 000óóoóooaó o oo o rrr rrn ChdO r rnn CCrt óínóóádc5ddddddd d' l()lc) CO COf`1 OOCO C?0000000000 Permit capacity x1000 [m3/yj T r[ TrT NMt 2. Frequentieverdeling van vergunde opslagcapaciteiten voor representatieve subset van 434 wkosystemen in Nederland [1]. bufferbron worden opgeslagen wanneer het buiten onvoldoende warm is en worden opgepompt voor verdere verwarming wanneer de buitencondities geschikt zijn. Een alternatieve warmtebron hier ís bijvoorbeeld de restwarmte van industrieterreinen. Wanneer een dergelijke alternatieve bron is gegarandeerd, bestaat de mogelijkheid de buffer achterwege te laten (figuur S). Afhankelijk van de exacte condities kan er tijdens koeten of verwarmen ook nog gelijktijdig uit de bufferbron warden gepompt. Tijdens verwarmingsbedrijf en een lage buitentemperatuur is het hiermee mogelijk extra koelcapaciteit in de koude bron op te slaan. Andersom geldt dit ook voorde warme bron bij warme dagen. Tevens is het mogelijk een deel van de energiestroom uit het gebouw naar de buffer te leiden dit gebeurt wanneer het niet koud of warm genoeg is om de volledige retourstroom op de juïste temperatuur te brengen. Om al deze verschillende werkingscondities mogelijk te mai<en, is er een hydraulische koppeling nodig tussen de verschillende bronnen en systeemcomponenten. Regelkleppen bepalen welke componenten bijdragen aan de energie-uitwisseling (figuur 6).Of deze situaties optreden ís afhankelijk van de klimatologische conáities en de capaciteit van de droge koelers en zonnecollectoren. Voordelen bufferopslag Door de genoemce aanvullende voorzieningen is de opslag van energie ook deels!os te koppelen van de vraag naar energie vare het voorgaande seizoen. Net is dan VV+ februari 2018 37
ITEGRATIE een kwestie van het opslaan van voldoende energie voor het komende seizoen, terwijl tekorten en overschotten zijn te bufferen in de bufferbron. Afhankelijk van de gebouweigenschappen en weersituatie ontstaat er dan een warmteoverschot of -tekort in de bufferbron. Verder geldt: hoe hoger de opslagtemperatuur, hoe meer verschillende typen gebouwen en van verschillende bouwjaren gebruik kunnen maken van de techniek. Dit gegeven is van belang omdat dit ook mogelijkheden biedt voor oudere en minder goed géisoleerde gebouwen die feitelijk niet voor la ff e temperatuur verwarming in aani7erking komen. Met een relatief beperkte maatregel, zoals isoleren voor zover dat kan, is de aanvoertemperatuur van de bestaande warmtevoorziening naar 60 C of lager terug te brengen. Hiermee is voldoende warmte beschikbaar voor het W911 PURIri K gebouw zonder de noodzaak verregaande isolatie en vloerverwarming toe te passen Dit kan voor een deel van de gebouwen in Nederland een goede manier zijn om te verduurzamen. Voorwaarden Voor een goede inpassing van ondergrondse warmteopslagsysteem en het benutten van de genoemde meerwaarden (het overbruggen van de temporele mismatch en de capaciteit van een warmtebuffer) bij een bestaand of te ontwikkelen gebouw, zijn twee aspecten van belang. Ten eerste de capaciteit van de warmteopslag (MJ), en ten tweede het vermogen (MW) waarmee warmte uit de ondergrondse opslag kan worden geleverd. Of deze aspecten voldoendescoren, hangt af van de grootte en aard van de te voorziene warmtevraag. De capaciteit voor warmtelevering uit een Effect of ATES propertjes on efficiency. 3. Efficiëntie van een conventionele wko-doublet [3J. 90a Energy analysis for different HVAC systems 2.SM 8000 1 M? 2M 000 E v U.BM ro 6000 N c 1.SM a 5000 "-.bm 000 v,., 1 M O w 3000 U v 2000 O.SM w, o00 a U.4M T 0.2M Heat pump Boiler a Weli pumps o Building pumps Conventianal Douhlet Triplet ConvenUonal poublet TrtplM convenuonal oub{et Triplet Electrlclty use CI Gas use O Co' ('.ITIISSI0175 Pumping races 4. Totale energieverbruik, C07-emissies en pompdebieten voor een conventionele energievoorziening (fossiel), conventioneel wko-systeem (doublet, met warmtepomp) en een wko triplet-systeem (zonder warmtepomp). ondergrondse warmteopslag wordt bepaald door het volume en het temperatuurverschilvan het onttrokken en weer in de bodem geïnfiltreerde water. De opslaglemperatuurmoet dus zo hoog mogelijk zijn, en de retourbron zo laag mogelijk. Deze opcimalisatie is vooral afhankelijk van de bron van warmte en de temperatuurtrajecten in de installaties van de afnemers. Verder moeten vanzelfsprekend de verliezen die bij warmteopslag in de bodem optreden, minimaal zijn. Deze verliezen treden vooral op langs de randen van de opslag in de bodem. Bij grootschalige opslag zullen deze warmteverliezen relatief beperkt zijn o7dat met toener7iende c7 rootte van de warmteopslag Iiet oppervlak van die randen in verhouding kleiner wordt. Op basis van inzichten uit de Nederlandse wko-praktijken de relatief kleine HTo-pilots, zijn voor grootschalige warmteopslagsystemen rendementen van rond de 90 procent te verwachten. Wat betreft de opslag van water i7et Doge temperatuur, loopt de sector aan tegen het feit dat er wettelijk gezien in wko-systerlen geen water met een temperatuur hoger dan 25 C mag worden opgeslagen. Gezien de duurzame energie-doelstellingen staan provincies echter positief tegenover FiTopilotprojecten. Mocht uit de pilot blijken dat deze systemen de verwachting inderdaad waarmaken, dan zal een aanpassing v3n het wettelijk kader nodig zijn om grootschalige toepassing te faciliteren. Triplet in de praktijk Voor een optimale koppeling van een ondergronds warmteopa{agsysteem en de voorzieningen om warmte en koude ín te vangen, zijn er flink wat afwegingen te maken. Hoe deze eruit zien is grotendeels afhankelijk van de energievraag van het gebouw, de installatie eigenschappen en het klimaat. Voor een fictief kantoorgebouw van 50.000 m bruto vloeroppervlak (evo) is op basis van vijf jaar klimaatdata van de Bilt (2011- Z015) inzichtelijk gemaakt wat de Tco voor een conventioneel, normaal wko- en triplet-systeem is. Bij het bepalen van deze Tco is rekening gehouden met kapitaal, de vervanging van componenten en operationele die bestaan uit de gemiddelde jaarlijkse voor 38 VV+ februari 2018
r warmtevraag 1.... energie 57 kwh/m2 capaciteit 57 W/m koelvraag energie 35 kwh/m2 capaciteit 45 W/m2 COC-emissiF kg CO`/kWh yas 1,8 kg COí/m' elektra 0,46 warmtepomp 200 droge koeler 80 ketel 60 zonnepanelen 0,2 h elektra 0.2 E/KWh gas 0,65 E/m3 temperatuur verwarmen aanvoer 4U `C retour 20 temperatuur koelen aanvoer 5 retour 20 ' Tabel 1. Belangrijkste uitgangspunten/kentallen voor een triplet-systeem onderhoud, gas en elektra. In deze fictieve wachten verwarmings- en respectievelijk jaren 2011 2015 sterk oploopt, ontstaat situatie zijn de energiestromen in en uit elke koelvraag op te slaan. De grootte van de tevens een onbalans in de warme bron: bron bepaald met een tijdsresolutie van droge koeler en het aantal zonnecollectoren is zo gekozen dat de hoeveelheid energie in er wordt veel meer opgeslagen dan wordt 1 +week, vaarmee het energieverbruik van teruggewonnen waardoor in het vijfde jaar de circulatielbronpompen is vast te stellen. elke bron,in de gesimuleerde periode van pas voor het eerst de 20 procent overcapa- Op basis van de benodigde energievraag is 5 jaar, nooit kleiner is dan nul. citeit in de warme bron wordt bereikt. In de verder vastgesteld hoe groot de benodigde Omdat de gemiddelde temperatuur over de wintermaanden wordt de bufferbron veelal droge koelers en zonnecollectoren moeten zijn, waarmee de bijbehorende investeringen bekend zijn. De belangrijkste toegepaste kentallen zijn weergegeven in tabei 1, de resultaten staan in figuur 7. Resultaten De resultaten laten zien dat een triplet- A,+ 7 I V 1 : winter systeem qua busínesscase vergelijkbaar is met een wko-systeem, maar dat de emissies nog verder zijn gereduceerd. De reden dat het triplet-systeem minder grondwater 75-35 C verpompt en daardoor ook een minder groot ondergronds ruimtebeslag heeft is vanwege de grotere temperatuurverschillen 5. Vervuiling van de warme en koude bron zijn te voorkomen door gebruikte maken van een bufferbron. tussen de bronnen. Voorde exploitatie is naast de energie uitgegaan van 5 procent van de investerings per jaar. Het totale aantal benodigde zonnecollectoren bedraagt circa 2.000 m', terwijl de benodïgde droge koeler een capaciteit van ruim 1 MW nodig heeft. Omdat de verwarmingsvraag groter is dan de koelvraag, moet er structureel meer water worden onttrokken uit de tussenbron om in de zomer voldoende water te kunnen opslaan. Het verloop in de bufferbron volgt daarom sterk het verloop van de koude bron. Wanneer deze wordt ingezet voor koeling moet er warmte worden opgeslagen in de warme bron alleen het debiet voor koelen is dan niet toereikend. Simultaan wordt dus ool< de tussenbron aangesproken. De zonnecollectoren en droge koelers zijn in staat tot maximl 20 procent meer dan de jaarlijks te vcr 6. Werkingsprincipe wko triplet tijdens de winter, waarbij ernaast vanuit de warme bron ook extra I<ai.irie wordt opgeslagen vanuit de bufferbron [7]. VV+ februari 2018 39
ITEGRATIE a000 3 3soo 3aoo soo `w 000 c v tsao m i000 soo n m < 3sa000 cola `..,r.,,i`"+-- Bulrcr 7. Resultaat van testcase waarin drie systemen conventioneel, normaal wko en triplet systeem zijnvergeleken in een fictief kantoor van 50.000 m': a) thermische energie (MWh), b) volumes (m'), c) onttrekkingstem- É in0000 ó y SOOOU - Cold Bullrr -- 1'laTl m v 30 zo o a a o r «------------------------------------------------------------------------------------- H - Cold -10 Butler - Warm 0 l0000 a0000 30000 aoono time (hours) als dag/nacht buffer ingezet. Wanneer het overdag warmer is dan 4 "C, dan is er onvoldoende koude te winnen voor opslag in de koude bron. Gedurende de nacht is het kouder en kan de bufferbron weer worden ontladen. Gedurende de zomer is dit niet aan de orde omdat tijdens periode van koeling ook de meeste zonnewarmte beschikbaar is waardoor direct voldoende warmte kan worden opgeslagen. De resterende benodigde elektriciteit is eventueel met behulp van pv-panelen op te wekken om de duurzaamheid van het systeem te maximaliseren. Aanbevelingen Om de haalbaarheid van een bodemenergie triplet verder te kunnen evalueren is het noodzakelijk de volgende aspecten verder uit te werken: De toepassing van alternatieven voor het invangen van koude en warmte, inclusief de bijbehorende technieken. Hierbij is ook de afweging tussen zonnecollectoren en pv-panelen in combinatie met een warmtepomp nader uitte werken. De nieuwste generaties warmtepompen en zonnepanelen kunnen namelijk ook met een hoog totaal rendement warmte en koude produceren. Ook hierbij zijn minimaal drie bronnen nodig om de vraag en levering van warmte en koude volledig los te koppelen. De energiebalans van het systeem. Hoewel er met realistische (klimaat-) data is gewerkt, moet op gedetailleerder niveau worden gekeken naar temperatuurtrajecten in het gebouw, schakelschema's tussen de bronnen en systeemcomponenten. Hoge temperatuuropslag in de bodem is nog geen bewezen techniek zeker bij temperaturen hoger dan 45 C liggen nag uitdagingen ten aanzien van recoveryefficiëntie en chemische putverstopping. In dat kader is het schaalniveau ook van belang water met een hoge temperatuur in de bodem opslaan lukt het beste op grote schaal, waardoor een wkotriplet-systeem vooral goed zal werken voor grote gebouwen of een groep van gebouwen. Deze aspecten zijn mogelijk nader te onderzoeken in samenwerking met installateurs in zogenaamd TKi (topconsortia voor kennis en innovatie) projecten. In dit type projecten werken wetenschap en bedrijfsleven samen. Referenties 1. Bloemendal M., Hartog N., 'Analysis of the impact of storage conditions vn the thermal recovery efficiency of low-temperature ArEs systems', Gcothermics 17, AmsterdarT, X018. z. f31oer7iendai M., Wijk A. van, Hartog N., Pape J.J., 'Verwarming en koeling zonder wariitepomp met wko-tripiec, www.h?_owalernetwerk.nl, Den Haag, 2017. 3. Dekker L.U., 'Bepalende factoren voor een goed functionerende wk, pre5ntti Kennisplatfoni bodemenergie, 2016. 4. Jong K. de, 'Warmte in Nederland (heat in the NeCherlands)', Stichting Warrntenetwtrk, HilversurTi, 2016. 5. Kamp, H., 'Warmtevisie', Ministerie van Econornische Zaken, Den Haag, X015. 6. Ministerie van Economische Zaken, 'Energieagenda -Naar een CO -arme energievoorzíening', Ministerie van Economische Zaken, Den Haag, 2016. 7. Pape, J.J., 'Feasibility study of an ar5 triplet', Universiteit Utrecht., Utrecht, ZU17. 8. SER, 'Ënergie Akkoord', Sociaal Economische Raad, Den Haag, 2013. 9. Willemsen N., 'Rapportage bodemenergiesysterlien in Nederland', ivo / IF technology, Arnhem, 2016. 40 VV+ februari 2018