GRONDCOLLECTOREN VOOR WARMTEPOMPEN DIEPGAAND ONDERZOCHT In het septembernummer van het TVVL-Magazine is uitgebreid aandacht besteed aan warmtepompen. Inherent aan de toepassing van een warmtepomp is de energiebron die nodig is om zo'n 7% van het thermische vermogen te leveren. Ventilatielucht, grondwater en een gesloten grondcollector zijn bekende "gratis" energiebronnen. Vooral de gesloten grondcollector wordt tegenwoordig bij veel warmtepompsystemen toegepast. Ondanks artikelen over dit onderwerp in het verleden, blijkt dat over de dimensionering en de optimale hydraulische uitvoering van een grondcollectorsysteem bij vele belanghebbenden nog steeds relatief weinig kennis aanwezig is. Daarom hebben twee werktuigbouwkundige afstudeerders van de TH Rijswijk in opdracht van Techneco een studie verricht naar de dimensionering en kostenoptimalisatie van een gesloten verticaal grondcollectorsysteem [1]. Belangrijk hulpstuk daarbij was het computerprogramma Earth Energy Designer (EED), dat speciaal voor het doorrekenen van dergelijke systemen ontwikkeld is. In dit artikel worden de belangrijkste bevindingen van het eerste deel van deze studie, "Warmteonttrekking uit de bodem", gepresenteerd en wordt getracht om een aantal misverstanden over grondcollectorsystemen op te helderen. voorbeeld van een (deel van) een verticaal collectorsysteem getoond. Het is belangrijk zich te realiseren dat een collector geen energie levert maar slechts een tussenstap is in het thermodynamische spel van warmteonttrekking. Het vermogen van de warmtepomp bepaalt het bronvermogen en de dimensie van de collector is één van de variabelen die invloed heeft op de temperaturen in en rond de collector. Andere belangrijke variabelen zijn: De warmtegeleidingscoëfficient λ van de bodem in [W m -1 K -1 ]; De piekwarmteonttrekking Φ piek in [W m -1 ]; De gemiddelde warmteontrekking Φ gem in [W m -1 ]; De collectorconfiguratie en afstand tussen de collectoren in [m]; De volumestroom door de collector in [m 3 /s]; De eventuele koeling met de warmtepomp. - door ir. Allard van Krevel ACHTERGROND De thermodynamica van warmteonttrekking uit de bodem is complex en de dimensionering van een verticaal collectorsysteem dient daarom niet onderschat te worden. In Figuur 1 worden de energiestromen aangegeven die bij dit dynamische proces een rol spelen. De aarde is in feite een grote warmtebuffer waar continu warmte in- en uitstroomt. Daarbij wordt altijd gestreefd naar evenwicht. Zodra er energie aan de bodem onttrokken wordt koelt deze lokaal af en zal de warmtestroom naar de plaats met lagere temperatuur toenemen. De grootte van deze warmtestroom hangt af van veel factoren, waarvan een aantal belangrijke besproken zal worden. Via de verticale grondcollectoren die aangesloten zijn op de verdamper van een warmtepomp kan energie aan de bodem onttrokken worden. Dit gebeurt door middel van een rondstromend water-glycolmengsel (brijn) dat warmte in de verdamper afstaat en in de bodem weer opneemt. In Figuur 2 wordt een Neerslag Grondwaterstroom meter diep Warmtestraling Geothermische warmteflux Grondcollectoren Zonnestraling Grondwarmtegeleiding Techneco BV, Delft Figuur 1 Weergave van de verschillende warmtestromen die bij de warmtehuishouding van een grondcollectorsysteem een rol spelen. 1
Figuur 2 De invloed van deze variabelen zal nader worden toegelicht. Overige van invloed zijnde variabelen kunnen bij de dimensionering vaak als een vast gegeven worden beschouwd. Denk daarbij aan zaken als de gemiddelde temperatuur van het maaiveld, de geothermische warmteflux en het type collector dat een leverancier standaard gebruikt. Op de invloed van deze factoren wordt niet nader ingegaan. Bij de in het vervolg gepresenteerde resultaten is uitgegaan van een bepaalde standaard configuratie, waarbij telkens één factor gevarieerd is. DE WARMTEGELEIDINGSCOËF- FICIENT VAN DE BODEM De warmtestroom Q door een materiaal ten gevolge van geleiding is afhankelijk van: T, het temperatuurverschil over het materiaal in [K]; x, de afstand waarover de warmte wordt getransporteerd in [m]; A, het beschikbare oppervlak voor warmtetransport in [m 2 ]; λ, de warmtegeleidingscoëfficient van het materiaal in [W m -1 K -1 ]. In formulevorm: T Q = A λ x Voorbeeld van drie verticale collectoren in Tichelmann geschakeld. [W] De warmtegeleidingscoëfficient verschilt per bodemsoort, en daarmee vaak ook per bodemlaag. In EED dient bij een veranderende bodemstructuur in verticale richting een (gewogen) gemiddelde waarde ingevuld te worden. Indien er geheel geen gegevens bekend zijn is een waarde van 1, tot 2, reëel. In Tabel 1 staan de warmtegeleidingscoëfficienten van een aantal materialen en bodemsoorten. In de navolgende figuren worden resultaten gegeven voor verschillende waarden van l, waarmee de invloed ervan goed tot uitdrukking komt. DE PIEKWARMTEONTTREKKING De piekwarmteonttrekking is een eenvoudig te bepalen grootheid waarmee de "prestatie" van een bepaald type collector vaak wordt aangegeven. Dit is principieel onterecht. De piekwarmteonttrekking is het koelvermogen in [W] van de verdamper(s) gedeeld door de totale lengte van de verticale collector L c in [m]. Bij een warmtepomp wordt echter gewoonlijk de COP en condensorvermogen P c in [W] gegeven, waarmee Φ piek als volgt kan worden uitgedrukt: piek Pc = L c COP 1 COP Φ [W m -1 ] Piekwarmteonttrekking vindt momentaan plaats wanneer de warmtepomp in bedrijf is en de brijn in de verdamper van de warmtepomp wordt afgekoeld. Zolang er meer warmte wordt onttrokken dan er wordt aangevuld zal de temperatuur van de brijn dalen, totdat er evenwicht bereikt is. De temperatuur waarbij dit momentane evenwicht optreedt moet in 2 ieder geval hoger zijn dan de temperatuur waarbij de brijn bevriest, meestal -1 C tot -1 C. Natuurlijk is de COP gebaat bij een hogere brijntemperatuur, randvoorwaarde is echter dat het systeem warmte kan blijven leveren. De duur van de piekbelasting is sterk van invloed op de brijntemperatuur zoals te zien is in Figuur 3. Hierin is aangegeven wat de maximale piekwarmteonttrekking mag zijn, afhankelijk van de duur van de piekbelasting, om bevriezing van de brijn te voorkomen. Duidelijk is te zien dat vanaf ongeveer 1 uur, de duur nog nauwelijks invloed heeft; er is dan nagenoeg een evenwicht bereikt. Aangezien bij een goed gedimensioneerd warmtepompsysteem in het algemeen een continue draaitijd van 1 uur of meer zeker voor zal komen, zijn de horizontale lijnen in de grafiek bepalend. Bij een grotere onttrekking dan de lijn aangeeft zal de brijn bevriezen, bij een kleinere piekbelasting gebeurt dat niet. De bovenste vier lijnen gelden voor een collectorlengte van circa meter en een minimale temperatuur van -14 C, de groene lijn daarvan voor een λ-waarde van 1, [W m -1 K -1 ]. Stel dat de minimale temperatuur tijdens piekbelasting op C gesteld wordt, dan geldt de rode lijn in de grafiek. De collector zou vergroot moeten worden tot een lengte van 9 meter bij overigens dezelfde omstandigheden, een behoorlijke extra investering. Het is daarom belangrijk om bij dit soort keuzen een goede afweging te maken tussen enerzijds energiekostenbesparing en anderzijds de initiële investering. Let wel: we hebben het hier over de momentane temperatuur van de brijn en niet over de gemiddelde bodemtemperatuur in de koudste maand na bijvoorbeeld 2 jaar. Deze komt in de volgende paragraaf aan de orde. DE GEMIDDELDE WARMTEONT- TREKKING De afkoeling van de bodem wordt bepaald door de hoeveelheid energie die de warmtepomp aan de bodem onttrekt. Deze hoeveelheid energie is weer afhankelijk van: De jaarbelastingduurkromme, zie Figuur 4; Het warmtepompaandeel in de warmtelevering. Materiaal/bodemsoort Warmtegeleidingscoëficient λ in [W m -1 K -1 ] Veen,4 Water,6 Droog zand 1, Beton 1,3 tot 2,3 Natte klei 1,6 Met water verzadigd zand 2,3 Tabel 1 Warmtegeleidingscoëfficienten van verschillende materialen en bodemsoorten.
Piekwarmteonttrekking [W/m] 12 11 1 9 8 7 6 4 3 2 1 BEVRIEZING BRIJN GEEN BEVRIEZING Minimale temperatuur = -14 C, ± m collector benodigd Minimale temperatuur = C, ± 9 m collector benodigd λ = 3, λ = 2, λ = 2, 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 Duur van de piekbelasting [h] Figuur 3 Bepaling van de maximale piekwarmteonttrekking om bevriezing van de brijn te voorkomen. Netto verwarmingsvermogen [%] 1% 9% 8% 7% 6% % 4% 3% 2% 1% % 1 2 3 4 Duur [uren] Figuur 4 Voorbeeld van een typische jaarbelastingduurkromme voor ruimteverwarming. Het oppervlak onder de kromme is een maat van de totale warmtevraag op jaarbasis. Temperatuur [ C] - -1-1 -2-2 λ = 3, λ = 2, λ = 2, 1 1 2 2 Gemiddelde warmteonttrekking per meter collector [W/m] Figuur Weergave van de te verwachten gemiddelde brijntemperatuur in de koudste maand na 2 jaar als functie van de gemiddelde warmteonttrekking. Voor een monovalent systeem levert de warmtepomp alle energie. Bij een COP van 4 wordt dan driekwart van de geleverde warmte op jaarbasis uit de bodem gehaald, oftewel driekwart van het oppervlak onder de jaarbelastingduurkromme. Alleen dit gegeven en de vorm van de kromme zijn bepalend voor de bodemtemperatuur op lange termijn en niet het vermogen van de warmtepomp. Met de warmteonttrekking op jaarbasis en de bekende collectorlengte kan de gemiddelde warmteonttrekking op jaarbasis per meter collector Φ gem,jaar bepaald worden: E bron, jaar Φ gem, jaar = [W m -1 ] t jaar Lc waarbij: E bron,jaar = totale door de bron te leveren energie per jaar in [J] t jaar = aantal seconden per jaar in [s] L c = totale verticale collectorlengte in [m] De gemiddelde warmteonttrekking is veel lager dan de piekwarmteonttrekking doordat: 1. Het stookseizoen korter is dan een jaar. 2. De warmtepomp tijdens het stookseizoen niet continu in bedrijf is; het warmtepompvermogen wordt in principe alleen onder ontwerpcondities continu gevraagd. Het grootste deel van het stookseizoen is dit echter te hoog en zal de warmtepomp aan- en uitschakelen. Indien het warmtepompvermogen, de COP en het aantal vollast draaiuren bekend zijn kan de gemiddelde warmteonttrekking op jaarbasis ook als volgt benaderd worden: Φ gem, jaar [W m -1 ] waarin: tvollast Pc 876 ( COP 1) COP L t vollast = aantal vollast draaiuren per jaar in [h] Onzekere factor in bovenstaande benadering is de COP, die gedurende het stookseizoen zal variëren als gevolg van veranderende temperatuurstrajecten. In Figuur is de laagste te verwachten brijntemperatuur uitgezet tegen de gemiddelde warmteonttrekking op jaarbasis. Hierin is de typische jaarbelastingduurkromme uit Figuur 4 verdisconteerd. De brijntemperatuur is een gemiddelde van de optredende temperaturen in de koudste maand na 2 jaar, in het vervolg de gemiddelde brijntemperatuur genoemd. Net als bij de piekwarmteont- c 3
trekking kan ook hier een criterium gesteld worden waaraan het systeem dient te voldoen. Als het criterium is dat de bodem direct rond de collector nooit mag bevriezen dan mag de gemiddelde brijntemperatuur niet onder de -3 C komen, daarbij rekening houdend met de temperatuursprong van circa 3 K over het collectormateriaal (HDPE). Heeft een warmtepomp een relatief groot vermogen en maar heel weinig vollasturen, dan is de gemiddelde warmteonttrekking laag en zal de gemiddelde mediumtemperatuur als criterium geen probleem vormen. De piekwarmteonttrekking kan echter zo groot zijn dat de brijn bevriest, zodat dit criterium dan bepalend is voor de collectordimensionering. In het andere geval kan de gemiddelde warmteonttrekking relatief hoog zijn en de piekwarmteonttrekking gering. Denk bijvoorbeeld aan een combiwarmtepomp die ook tapwater produceert en dus ook in de zomer warmte aan de bodem onttrekt. In dat geval is de gemiddelde brijntemperatuur als criterium bepalend. Beide situatie zijn reëel en daarom dienen bij elke dimensionering ook beide criteria getoetst te worden om een naar behoren functionerend systeem te kunnen garanderen. Kreten als "deze collector levert 6 Watt per meter" duiden op een gebrekkige kennis van de warmtehuishouding bij een gesloten collectorsysteem. In het verlengde hiervan past het veel gehoorde idee dat een kleiner warmtepompvermogen leidt tot een evenredig kleinere grondcollector. Dit is een misverstand. Stel dat bij overigens gelijkblijvende omstandigheden het aandeel warmtepompvermogen wordt gereduceerd van 1% naar % en dat de overige % wordt geleverd door een elektrische naverwarmer. Gevolg is dat de warmtepomp nog steeds meer dan 9% van de totale warmtevraag levert en de warmteonttrekking op jaarbasis uit de bodem minder dan 1% kleiner wordt. In de praktijk betekent dit dat dezelfde collectordimensionering gehandhaafd dient te worden. Wel is de piekwarmteonttrekking dan veel kleiner, waardoor de momentaan optredende minimale temperaturen hoger liggen en de COP gemiddeld hoger zal zijn. DE COLLECTORCONFIGURATIE EN AFSTAND TUSSEN DE COL- LECTOREN Hoe minder de collectoren elkaar thermisch kunnen beïnvloeden, des te gunstiger is de configuratie vanuit energetisch oogpunt gezien. Een vierkant veld met collectoren is dus af te raden ten opzichte van een aantal collectoren in een rij, ook wel lijnconfiguratie genoemd. De gemiddelde brijntemperatuur ligt bij een lijnconfiguratie circa 2 K hoger dan bij een vierkant collectorveld. Een lijnconfiguratie heeft echter weer andere nadelen, zoals in een vervolgartikel zal worden toegelicht. De afstand tussen de collectoren is natuurlijk ook bepalend voor de onderlinge beïnvloeding tussen de collectoren. Dit is te zien in Figuur 6. Tot een afstand van zes meter tussen de collectoren is de invloed hiervan op de gemiddelde brijntemperatuur significant. Daarboven wordt deze invloed minder; midden tussen de collectoren bevindt zich dan thermisch nagenoeg onverstoorde bodem. DE VOLUMESTROOM DOOR DE COLLECTOR De warmteoverdracht van het collectormateriaal naar de brijn is afhankelijk van het debiet door de collectorleiding. Het gaat er dan vooral om of de stroming laminair of turbulent is. Turbulente stroming geeft een betere warmteoverdracht en leidt bij overigens gelijke omstandigheden tot een verhoging van de gemiddelde brijntemperatuur met circa 2 K. De gemiddelde COP van de warmtepomp neemt hierdoor toe. De gemiddelde COP van het warmtepompsysteem stijgt echter niet evenredig omdat meer hulpenergie vereist is voor de bronpomp. De studie toont aan dat bij een toename van het warmtepompvermogen turbulente stroming steeds interessanter wordt. Bij de gebruikelijke collectorconfiguraties en aanbevolen debieten over de verdamper is de stroming door de collector laminair. Door collectoren in serie te schakelen kan turbulentie verkregen worden. Figuur 7 geeft een mogelijke oplossing. Probleem bij deze configuratie Temperatuur [ C] 1 - -1-1 -2 is het ontluchten van het collectorsysteem omdat in de bovenste U-bochten lucht opgesloten zal raken. KOELING MET DE WARMTEPOMP Koeling met een warmtepomp gekoppeld aan een grondcollector kan op twee manieren toegepast worden. Directe koeling via een warmtewisselaar tussen collector en bijvoorbeeld het vloerverwarmingssysteem, de zogenaamde vrije koeling. Koeling met een intern omkeerbare warmtepomp. In beide gevallen wordt de bodem door warmtetoevoer geregenereerd. Bij vrije koeling is de koelcapaciteit echter beperkt en tegen de tijd dat koeling echt nodig wordt zal er nauwelijks of geen koude meer uit de bodem onttrokken kunnen worden. De invloed op de dimensionering van de grondcollector is dan ook gering. Koeling met een omkeerbare warmtepomp biedt veel meer. Ten eerste kan met dezelfde warmtepomp ongeveer evenveel koelvermogen worden geleverd als verwarmingsvermogen. Ten tweede wordt de bodem actief geregenereerd en zal de grondcollector bij de gebruikelijke bedrijfstijden voor koeling significant kleiner worden. De eerste resultaten van omkeerbare warmtepompinstallaties zijn zeer bevredigend. Het blijkt dat de brijn met een temperatuur van 2 C tot 3 C de bodem in gaat. Door deze relatief lage temperatuur kan met de warmtepomp een koudefactor van circa gehaald worden bij een aanvoertemperatuur van 1 C. Koelen met de warmtepomp is dan energetisch zeer gunstig, terwijl de meerinvestering ten opzichte van een normale warmtepomp gering is. λ = 3 λ = 2 2 4 6 8 1 12 14 16 Afstand tussen de collectoren [m] Figuur 6 Invloed van de collectorafstand op de gemiddelde brijntemperatuur in de koudste maand na 2 jaar. De collectoren zijn in lijn geplaatst waarbij in de simulatie alleen de onderlinge afstand is gevarieerd. 4
SAMENVATTING De belangrijkste bevindingen van het eerste deel van de studie zijn: Bij de dimensionering van een verticale grondcollector spelen vele factoren een rol en geven eenvoudige vuistregels te weinig zekerheid over de gewenste werking van het warmtepompsysteem. Er dient duidelijk onderscheid gemaakt te worden tussen de piekwarmteonttrekking (korte termijn, warmtepomp in bedrijf) en de gemiddelde warmteonttrekking (lange termijn, invloed op gemiddelde bodemtemperatuur). Een lijnconfiguratie van collectoren is voor de warmteonttrekking het gunstigst. Een afstand tussen de collectoren van zes à zeven meter is voldoende, vergroten van deze afstand heeft minimaal effect. Door actieve regeneratie van de bodem met een omkeerbare warmtepomp kan het aantal benodigde collectoren verkleind worden. Dit geldt in veel mindere mate voor vrije koeling via het collectorsysteem. Figuur 7 Mogelijke koppeling van dubbele U-lus collectoren om turbulente stroming in de verticale leidingen te verkrijgen. Ontluchten van het collectorsysteem vormt hierbij een probleem. LITERATUUR 1. Wouter Lemmers en Gerco Neelis, Onderzoek naar gesloten grondcollectoren, TH Rijswijk, december 1998. 2. Polytechnisch zakboekje, 41 e druk, 1984. Dit artikel is verschenen in het TVVLmagazine van oktober 1999, jaargang 28, nr. 1.