Ondiepe geothermie 2013/03.02

De temperatuur in de kern van de aarde bedraagt zo’n 5.000 °C. Net onder het aardoppervlak wisselt de temperatuur sterk doordat ze beïnvloed wordt door het klimaat. In België heerst er vanaf 18 m diepte een evenwichtstemperatuur van 10 tot 12 °C. Dieper in de aarde neemt de temperatuur toe met 2 à 3 °C per 100 m. Ondanks deze lage temperaturen bevindt zich op deze ‘ondiepte’ niettemin een massa aan thermische energie die zich voortdurend hernieuwt. Deze kan door middel van een warmtepomp ter beschikking gesteld worden om het gebouw op de gewenste temperatuur te verwarmen.

Warmtepompsystemen

1 | Open systeem
2 | Gesloten horizontaal systeem
3 | Gesloten verticaal systeem

Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen open en gesloten warmtepompsystemen. Bij de open systemen wordt het grondwater uit een watervoerende laag opgepompt, over de warmtepomp geleid en opnieuw in dezelfde laag geïnjecteerd. Dergelijke systemen kunnen enkel toegepast worden op locaties waar water met een voldoende debiet aan de ondergrond kan onttrokken worden (zie afbeelding 1).

De gesloten systemen bestaan op hun beurt uit een aantal warmtewisselaars die voorzien zijn van een lus uit PE-buizen. Deze lus wordt doorstroomd door een water-glycolmengsel dat de warmte uit de bodem opslaat en vervolgens aan de warmtepomp afgeeft. Men dient in deze context een onderscheid te maken tussen horizontale en verticale gesloten systeem:
  • de horizontale systemen bestaan uit vlakke lussen die zich 1,20 m onder het maaiveld bevinden. Omwille van hun beperkte vermogen zijn deze systemen eerder geschikt voor woningbouw (zie afbeelding 2)
  • bij de verticale systemen worden tot op een gemiddelde diepte van 100 m gaten in de grond geboord. Nadat men de lussen in de boorgaten heeft neergelaten, worden deze laatste opnieuw gevuld. Verticale systemen bieden het voordeel dat ze overal toegepast kunnen worden, ongeacht de ondergrond (zie afbeelding 3).
De kwaliteit van de bodem en het grondwater moet bewaakt worden door de milieudiensten. Slecht uitgevoerde boringen en verkeerd geïnstalleerde installaties kunnen immers leiden tot de verontreiniging van het kostbare grondwater. De eventuele aanwezigheid van waterwinningsgebieden en de positie van een kleilaag die de watervoerende grondlagen afschermt, spelen een belangrijke rol bij de toekenning van vergunningen. Voor de open systemen zijn deze vergunningsvoorwaarden bovendien afhankelijk van de verpompte waterhoeveelheid.

Voor de verwarming van een gebouw verhoogt de warmtepomp de watertemperatuur tot 30 à 55 °C, afhankelijk van het warmteafgiftesysteem. Voor de koeling van een gebouw kan men, zowel bij open als gesloten systemen, opteren voor een warmtewisselaar waarbij de koude uit de bodem aangewend wordt in combinatie met een koelsysteem. Men noemt dit passieve koeling omdat er een minimum aan elektrische energie verbruikt wordt. Indien men het gebouw intensiever wenst te koelen, keert men de werking van de warmtepomp om en doet men aan actieve koeling.

Het rendement van de installatie is afhankelijk van het temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overbruggen. Hoe kleiner het verschil tussen de bron en het afgiftesysteem, hoe hoger het rendement en hoe minder andere energiebronnen aangesproken moeten worden.

Dit temperatuurverschil kan beperkt worden door het gebouw in de zomer af te koelen met behulp van de koude die in de winter in de bodem gecreëerd wordt. Lagetemperatuurafgiftesystemen zoals vloer-, plafond- en wandverwarmingssystemen leveren hierbij een beduidend hoger rendement op dan hogetemperatuursystemen zoals radiatoren en convectoren. Betonkernactivering neemt dan weer een bijzondere plaats in. Door de thermische buffering van de betonnen vloer en de aanwezigheid van watervoerende leidingen in de kern van de vloer kan men namelijk op zeer lage temperatuur (24-30 °C) verwarmen en op zeer hoge temperatuur (14-20 °C) koelen.

Smart Geotherm

Smart Geotherm
Hoewel ondiepe geothermie een duurzame bron van thermische energie vormt en een antwoord kan bieden voor bijna-energieneutrale gebouwen, wordt dit principe in België slechts zelden toegepast. Onderzoek wees uit dat er in ons land een tekort aan informatie is over de technologie, de toepassingsmogelijkheden en de wetgeving. Het Smart Geothermproject tracht deze leemte op te vullen door kennis te verspreiden in de vorm van technische artikels, codes van goede praktijk, seminaries ...

Een ander luik van het project is toegespitst op de optimale combinatie van een thermische energiebron (bv. bodem- of zonne-energie) met een tijdelijk opslagsysteem (bv. in de bodem, in buffervaten of in de gebouwstructuur). Het thermische comfort in het gebouw is hierbij uiteraard een cruciale factor. Ook het financiële aspect heeft een belangrijke rol te spelen bij de optimalisatie van een geothermische installatie.

Indien het gebouw om stabiliteitsredenen voorzien wordt van paalfunderingen, kan het interessant zijn om deze uit te rusten met warmtewisselaars. Men spreekt dan van energiepalen. Tijdens het Smart Geothermproject zal de impact van de temperatuurschommelingen op het gedrag van dit funderingstype bestudeerd worden.



Volledig artikel


L. François, ir., projectleider, laboratorium Geotechniek en monitoring, WTCB