Opleiding Duurzaam Gebouw : ENERGIE Leefmilieu Brussel Fabrice DERNY Geothermische energie MATRIciel SA
Doelstelling(en) van de presentatie De doelstellingen en toepassingsgebieden van geothermie afbakenen Technische overzichten Hoe moet je een project leiden? Energie-impact in vergelijking met een traditionele installatie. 1
Plan van de uiteenzetting Waarom geothermische energie? Evenwicht van de bodemtemperatuur Hoe werkt het? Types terminale eenheden Casestudy 3
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw? Of zelfs een gebouw ZEB (Zero Energy Building) Hoe meer je een gebouw isoleert, hoe meer zijn behoefte aan koeling toeneemt: Energievraag gecumuleerd profiel naargelang de buitentemperatuur wanneer? Tbuiten < Tbinnen Vraag naar warmte lage energie Vraag naar koude lage energie Vraag naar warmte passief Vraag naar koude - passief 4
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw? Doelstelling: aan de koelingsbehoefte voldoen door een hernieuwbare energiebron. Oplossing 1: de buitenlucht via intensieve natuurlijke ventilatie wanneer Tbuiten < Tbinnen (in het tussenseizoen of tijdens zomernachten). Eisen: Thermische inertiebehoefte: geen verlaagd plafond en/of tussenvloer Noodzaak om het gebouw te openen in de gevel, het dak: esthetische weerslag, milieueisen (indringing, lawaai, verontreiniging, ) Niet beheerst koelvermogen: schommelende kamertemperatuur Samenwerking van de bewoners: beheer van bepaalde openingen. Oplossing 2: de bodem 5
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw? Oplossing 2: de bodem Januari Juli Diepte (z) (m) April Oktober Thermische Temperatuur diffusiviteit ( C) van het terrein: 6
Evenwicht van de bodemtemperatuur Koude putten in de bodem doet de temperatuur ervan stijgen Evolutie Evolution van de la de température bodemtemperatuur du sol sur over 20 20 ansjaar tijd 16 C T Gemiddelde moyenne mensuelle maandtemperatuur 15 C 14 C 13 C 12 C 11 C 10 C Noodzaak om de bodem elk jaar met koude te «herladen»: in de winter verwarmen met een warmtepomp vloer/water 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240 7
Evenwicht van de bodemtemperatuur = begrip «GEOTHERMISCHE OPSLAG»: Geothermische energie rechtvaardigt zich en werkt het best als ze toelaat te voldoen aan een behoefte aan verwarming in de winter en aan een behoefte aan koeling in de zomer, die in evenwicht gebracht zijn tegenover elkaar. In dit geval kunnen we zeggen dat we de warmte opslaan in de zomer in de bodem om ze in de winter te gebruiken. 8
Hoe werkt het? Geothermische wisselaar: Verticale boringen (diam 150 mm) Diepte van 50 tot 400 m (vaak 100.. 150 m) met dubbele U-sondes (polyethyleen DN 32) gevuld met een dunne mortel van cement/bentoniet 9
Bron: REHAU 10
Hoe werkt het? Geothermische wisselaar: Geothermische palen: ingebouwde buizen van de wisselaars in de stabiliteitspalen van het gebouw 11
Crèche van het vogeleiland van Bergen 12
Hoe werkt het? WP bodem/water niet omkeerbaar: 1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de behoeften PER 4,5.. 5,5 Terminale lagetemperatuureenheden (stelsel 40/30) Pulsiegroepen PWarme plafonds Directe geocooling: PER equiv =.. 12.. Pulsiegroepen Terminale hoge temperatuureenheden (stelsel 17/20) Koude plafonds Koelgroep Extra ketel voor 30% van de behoeften Gasketel Extra koudegroep voor 30% van de behoeften Geothermische sonde 13
Hoe werkt het? WP bodem/water: 1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de behoeften PER 4,5.. 5,5 Herlading van de bodem door omkeerbare WP bodem/water PER 4,5.. 5,5 Pulsiegroepen Koude plafonds Pulsiegroepen PWarme plafonds Koelgroep Gasketel Geothermische sonde 14
Types terminale eenheden? Terminale hoge-temperatuurkoeleenheden: Koelplafonds of stralingseilanden voordelen: weinig thermische inertie en dus hoog regelrendement, gemakkelijke controle van de kamertemperatuur, warm/koud omkeerbaar nadelen: beperkter vermogen (plafonds) Actieve vloerplaten voordelen: opslag 's nachts en dus beperking van het te installeren vermogen nadelen: aanzienlijke thermische inertie en dus moeilijke temperatuurcontrole en verminderd regelrendement. Weinig ruimtelijke flexibiliteit en moeilijk gebruik als verwarming (een tweede systeem nodig). Afwezigheid van verlaagde plafonds (beheer van de technieken en de akoestiek) Overgedimensioneerde convectors voor verwarming 15
Studie van het project De behoeften bepalen door dynamische simulaties. Verschillende varianten evalueren om het goede evenwicht te vinden tussen de behoefte aan warmte en koeling van het gebouw (isolatieniveau, soort beglazing zonnebescherming,, ). kw Demande froid puissance chaud/froid 4000,0 Demande chaud 3500,0 3000,0 2500,0 2000,0 1500,0 1000,0 500,0 0,0 1 721 1441 2161 2881 3601 4321 5041 5761 6481 7201 7921 8641 De aard van de bodem kennen door een geologische studie en thermische antwoordtest. Doelstelling: het geleidingsvermogen en de thermische capaciteit van de bodem, thermische weerstand van de sondes kennen. Het veld van de sondes dimensioneren, het gedrag van de bodem simuleren, rekening houdend met de behoefte van het gebouw (uur per uur) en van de thermische eigenschappen van de voorziene sondes: de PER van de WP optimaliseren door te zorgen voor een evenwicht op lange termijn van de bodemtemperatuur.
Type gesteente Thermische conductiviteit Volumetrische min typische waarde max thermische Magmatische gesteenten Basalt 1.3 1.7 2.3 2.3-2.6 Dioriet 2.0 2.6 2.9 2.9 Gabbro 1.7 1.9 2.5 2.6 Graniet 2.1 3.4 4.1 2.1-3.0 Peridoliet 3.8 4.0 5.3 2.7 Ryoliet 3.1 3.3 3.4 2.1 Metamorfe gesteenten Gneis 1.9 2.9 4.0 1.8-2.4 Marmer 1.3 2.1 3.1 2 Metakwartsiet env. 5.8 2.1 Micaschiefer 1.5 2.0 3.1 2.2 Kleischalie 1.5 2.1 2.1 2.2-2.5 Sedimentaire gesteenten Kalk 2.5 2.8 4.0 2.1-2.4 Kwartsiet 3.6 6.0 6.6 2.1-2.2 Zout 5.3 5.4 6.4 1.2 Zandsteen 1.3 2.3 5.1 1.6-2.8 Kleiachtige, slib bevattende gesteenten 1.1 2.2 3.5 2.1-2.4 Niet geconsolideerde gesteenten Grind, droog 0.4 0.4 0.5 1.4-1.6 Grind, waterverzadigd env. 1.8 env. 2.4 Morene 1.0 2.0 2.5 1.5-2.5 Zand, droog 0.3 0.4 0.8 1.3-1.6 Zand, waterverzadigd 1.7 2.4 5.0 2.2-2.9 Klei/slib, droog 0.4 0.5 1.0 1.5-1.6 Klei/slib, waterverzadigd 0.9 1.7 2.3 1.6-3.4 Turf 0.2 0.4 0.7 0.5-3.8 Andere stoffen Bentoniet 0.5 0.6 0.8 env. 3.9 Beton 0.9 1.6 2.0 env. 1.8 Ijs (-10 C) 2.32 1.87 Plastic (PE) 0.39 - Lucht (0-20 C, droog) 0.02 0.0012 Staal 60.00 3.12 Water (+10 C) 0.58 4.19 Tabel Thermische geleidbaarheid en volumetrisch thermisch vermogen van verschillende soorten gesteenten
Bodemeigenschappen Specifiek extractievermogen op 1800 werkingsuren op 2400 werkingsuren Algemene indicatieve waarden Ondergrond van slechte kwaliteit (sediment ) 25 W/m 225 W/m Normale rotsachtige ondergrond en waterverzadigd sediment 60 W/m 50 W/m Compact gesteente met hoge thermische geleidbaarheid 84 W/m 70 W/m Respectieve materialen Grind en zand, droog < 25 W/m < 20 W/m Grind en zand, waterhoudend 65-80 W/m 55-65 W/m Bij sterke stroming van de ondergrondse wateren in het grind of het zand, 80-100 W/m 80-100 W/m en unieke installaties Klei en (onleesbaar), vochtig 35-50 W/m 30-40 W/m Kalk (massief) 55-70 W/m 45-60 W/m Zandsteen 65-80 W/m 55-65 W/m Zuur magmatisch gesteente vb. graniet) 65-85 W/m 55-70 W/m Basisch magmatisch gesteente (vb. basalt) 40-65 W/m 35-55 W/m Gneis 70-85 W/m 60-70 W/m Bron: REHAU
Thermische Bilan thermique balans du van système het systeem moyennegemiddelde sur 20 ans over 20 jaar tijd kwh/an Chauffage Hulpverwarming auxiliaire Elke Total demande Elektriciteit Electricité (WP) (PAC) 254 700 verwarmingsbehoefte chauffage 70 500 Warmtepomp Pompe à chaleur Verwarming Chauffage WPPAC 600 000 (WP) (PAC) 345 400 PER COP 4.9 4.9 Verwarmingsfractie Fraction chauffage 58% 273 600 Geothermische Sondes géothermiques sondes 286 600 Refroidissement Refroidissement Koeling voor pour verwarming chauffage Hulpkoeling auxiliaire Elke Total koelingsbehoefte demande 1 200 14 600 refroidissement Refroidissement Directe koeling direct Koeling Refroid. sondes 302 400 286 600 287 800 Machine Koelmachine frigorifique Koelfractie Fraction refroidiss. 95% Machine frigorifique 0 EffCoolM 0.0 Elektriciteit Electricité (machine (koelmachine) frigorifique) Evolutie van Evolution de bodemtemperatuur la température du sol sur over 20 ans 20 jaar tijd 0 Gemiddelde T moyenne mensuellemaandtemperatuur 15 C Chauffage Verwarming Maximaal Puissance d'extraction extractievermogen maximum par per mètre meter de sonde sonde 30 W/m 14 C 13 C Jaarlijkse Energie annuelle uitgehaalde extraite par energie mètre de per sonde meter sonde 15 kwh/m/a 12 C Koeling Refroidissement 11 C Maximaal Puissance d'injection injectievermogen maximum par per mètre meter de sonde sonde 34 W/m Jaarlijks geïnjecteerde energie per meter sonde 10 C Energie annuelle injectée par mètre de sonde 16 kwh/m/a Balans grond 9 C Verhouding Bilan terrain geïnjecteerde energie op uitgehaalde 8 C energie Ratio energie injectée sur énergie extraite 105% 0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240
Besluit: voorbeeld energiebalans 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Onmogelijk geval voor geothermische energie: te groot onevenwicht tussen warmte- en koudebehoeften Globaal verbruik aan primaire energie Consommation en énergie primaire globale 1-Chaudière - Gasketel gaz + groupe + koelgroep de froid 3 - Geothermie met WP + extra ketel 3-Geothermie + geocooling avec PAC + chaudière + extra appoint + geoccoling + koelgroep groupe de froid d'appoint 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
Besluit: voorbeeld energiebalans 280% 260% 240% 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Globale CO2-uitstoot Emission de CO2 globale 1-Chaudière - Gasketel gaz + groupe + koelgroep de froid 3 - Geothermie met WP + 3-Geothermie avec PAC + chaudière appoint + extra ketel + geocooling + extra geoccoling koelgroep + groupe de froid d'appoint 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
Besluit: voorbeeld energiebalans 220% 200% 180% 160% 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% Energiefactuur Facture énergétique 1-Chaudière 1 - Gasketel gaz + groupe + de koelgroep froid 3-Geothermie 3 - Geothermie avec PAC + met chaudière WP appoint + + extra geoccoling ketel + groupe de + froid geocooling d'appoint + extra koelgroep 0% A1 Umurs : 0,4 g : 0,39 A1 Umurs : 0,4 g : 0,33 A1 Umurs : 0,4 g : 0,22 B1 Umurs : 0,3 g : 0,39 B1 Umurs : 0,3 g : 0,33 B1 Umurs : 0,3 g : 0,22 C1 Umurs : 0,2 g : 0,39 C1 Umurs : 0,2 g : 0,33 C1 Umurs : 0,2 g : 0,22
Interessante tools, websites, enz.: Website Brussel Leefmilieu: http://www.bruxellesenvironnement.be/templates/professio nnels/informer.aspx?id=32607 SIA 0190 - Gebruik van aardwarmte door funderings- en stutwerken in beton Publicaties van Dr D. Pahud, Scuola universitaria professionnale della Suizzera italiana (SUPSI), Lugano Referenties Praktische Gids voor Duurzaam Bouwen: en andere bronnen: - 2
Wat u moet onthouden van de uiteenzetting Geothermie is gerechtvaardigd in een gebouw waar (evenwichtige) warmte- en koudeproducties nodig zijn. Geothermie is een van de technieken om een gebouw op natuurlijke wijze af te koelen. Het ontwerp vereist een zorgvuldige en dynamische studie van de behoeften van het gebouw en de bodem Geothermie maakt aanzienlijke emissiebesparingen mogelijk in vergelijking met traditionele installaties 3
Contact Fabrice DERNY MATRIciel projectbeheerder Place de l Université, 25 1348 Louvain-la-Neuve : 010/24.15.70 E-mail: derny@matriciel.be 23