Thermische geostructuren

Thermische geostructuren of energy geostructures zijn funderingselementen waarin bodemwarmtewisselaars geïntegreerd worden. Ze kunnen een relatief goedkope oplossing bieden als geothermische bron. Bovendien bevinden deze geostructuren zich meestal onder het gebouw, waardoor ze ook mogelijkheden scheppen op plaatsen waar diepe verticale boringen moeilijk of niet uitvoerbaar zijn (door beperkte toegankelijkheid of boorbeperkingen). In dit artikel gaan we dieper in op deze systemen, de uitdagingen die ze met zich meebrengen en de aandachtspunten die bij de uitvoering in acht genomen moeten worden.

Funderingselementen als thermische bron

Het principe van de thermische geo­structuren is vergelijkbaar met dat van de klassieke systemen waarbij U-vormige bodemwarmtewisselaars in 100 à 150 m diepe verticale boringen geïnstalleerd worden (zie TV 259). De diepte waarop de geostructuren zich bevinden, is doorgaans echter beperkt tot maximaal 15 m (in bepaalde gevallen tot meer dan 30 m). De bodemtemperatuur wordt tot op 10 à 15 m diepte beïnvloed door seizoenschommelingen, al vermindert deze invloed sterk vanaf een diepte van ongeveer 6 à 7 m.

Enkele voorbeelden van geostructuren die als thermische bron aangewend kunnen worden, zijn: funderingspalen, micropalen, grondkeringen, funderingsplaten, grondankers en tunnels.

Hoewel energiepalen de voorbije jaren in België in verscheidene projecten met succes toegepast werden, bleef een echte doorbraak uit en dit, ondanks het feit dat de thermische capaciteit van de energiepalen in de meeste gevallen volstond om aan de warmtebehoefte en deels aan de koelbehoefte van het bovenliggende gebouw te voldoen. De haalbaarheid van deze techniek verschilt naargelang van het project en is onder meer afhankelijk van de verhouding van de beschikbare paallengte (of muuroppervlakte in het geval van grondkeringen) tot de energiebehoefte van het gebouw.

Verder dient men de nodige aandacht te besteden aan het energetische ontwerp van de geostructuren. In tegenstelling tot bij een klassiek boorveld, waarbij het aantal en de diepte van de boringen bepaald worden op basis van de energiebehoefte van het gebouw, liggen het aantal en de afmetingen van de ondergrondse elementen bij geo­structuren meestal vast. Dit betekent dat men op basis van deze randvoorwaarden dient in te schatten hoeveel thermische energie er met de bodem uitgewisseld kan worden. In bepaalde gevallen kan het noodzakelijk zijn om bijkomende verticale boringen uit te voeren of een alternatieve energiebron te zoeken.

In een wapeningskooi bevestigde warmtewisselaar met voorgevormde U-lus.
1| In een wapeningskooi bevestigde warmtewisselaar met voorgevormde U-lus.

Onderzoek

Om meer inzicht te verwerven in het algemene gedrag van thermische geo­structuren volgde het WTCB tijdens het VLAIO VIS-traject Smart Geotherm enkele praktijkcases (energiepalen, thermisch geactiveerde funderingsplaat) op de voet op. Hieruit is gebleken dat geo­structuren veel potentieel te bieden hebben als geothermische bron, maar dat er wel bijzondere aandacht besteed dient te worden aan de minder diep gelegen geostructuren (bv. een funderingsplaat onder het kelderniveau). De temperatuur van de ondiepe ondergrond stijgt in de zomer immers op natuurlijke wijze, wat een negatief effect heeft op het koelvermogen.

'
Thermische geostructuren kunnen een relatief goedkope oplossing bieden als geothermische bron.

Er werd eveneens een uitgebreid proefproject omtrent energiepalen opgezet. De bedoeling hiervan was om het thermo­mechanische gedrag van een aantal in België courant toegepaste paaltypes te onderzoeken. Door een funderingselement op te warmen of af te koelen zal het immers de neiging hebben om uit te zetten of te krimpen. Deze beweging wordt echter (deels) verhinderd door de omliggende grond en de bovenstructuur, wat tot bijkomende thermische spanningen leidt. Uit het proefproject bleek dat:

  • de thermisch geïnduceerde betonspanningen binnen toelaatbare grenzen bleven
  • de opgelegde temperatuurvariaties geen noemenswaardig effect hadden op het algemene draagvermogen van de palen. Er vindt echter wel een (relatief complexe) herverdeling van de krachtsoverdracht naar de grond plaats
  • de tijdens de proeven waargenomen kopverplaatsingen voor de meest extreme thermische belastingen beperkt bleven tot maximaal ± 3 mm ten opzichte van de evenwichtstoestand. In de praktijk zullen deze verplaatsingen evenwel veel kleiner zijn door inklemming in de bovenstructuur.

Uitdagingen en aandachtspunten bij de uitvoering

Hoewel de resultaten bemoedigend zijn, bestaan er nog vele uitdagingen op het vlak van het energetische en geotechnische ontwerp van geostructuren. Het is namelijk zo dat er momenteel enkel voor energiepalen ontwerprichtlijnen en -software bestaan. Dit impliceert dat er voor andere types van thermische geo­structuren aannames gemaakt moeten worden hieromtrent of dat er een beroep gedaan moet worden op meer complexe ontwerpsoftware.

Over het algemeen gelden voor het ontwerp en de uitvoering van thermische geostructuren dezelfde aanbevelingen als voor U-vormige bodemwarmtewisselaars in verticale boringen (zie TV 259). Voor de integratie van de warmtewisselaars in de geostructuur dient er niettemin rekening gehouden te worden met een aantal specifieke aandachtspunten. Zo heeft men vaak te maken met relatief korte leidinglengtes per element, wat niet alleen een aangepaste hydraulische aansluitingswijze vereist, maar ook bijzondere aandacht voor de ontluchting van het systeem.

In een zandbed onder de funderingsplaat geplaatste warmtewisselaars.
2| In een zandbed onder de funderingsplaat geplaatste warmtewisselaars. (Bron : ACO Bouwteam)

In vele gevallen worden de warmtewisselaars vastgemaakt aan de wapeningskooi (zie afbeelding 1). Dit kan zowel vooraf gebeuren als tijdens het inbrengen van de wapeningskooi. De leidingen dienen op regelmatige afstanden bevestigd te worden, zodat de gewenste positie tijdens het betonneerproces verzekerd blijft. Voor horizontaal geplaatste leidingen (bv. onder een funderingsplaat of vóór het collectornet) dient men de nodige voorzorgsmaatregelen te treffen om te vermijden dat de leidingen beschadigd zouden raken (bv. plaatsing in een zandbed, zie afbeelding 2). Verder is het aangeraden om op regelmatige basis en na elke risicovolle activiteit de lekdichtheid van de leidingen na te gaan.

Tot slot dient er bijzondere aandacht besteed te worden aan de aansluitingen van de geostructuur op de bovenstructuur. Zo moeten de eventueel verwachte bewegingen door de leidingen opgenomen kunnen worden en moeten de leidingdoorvoeren waterdicht afgewerkt worden.

Handboek

Voor meer informatie omtrent het ontwerp en de uitvoering van thermische geostructuren verwijzen we naar het Smart Geotherm-handboek ‘Thermische geostructuren’ dat opgesteld werd op basis van ervaringen uit praktijkcases, proef- en monitoringcampagnes en richtlijnen uit het buitenland.
G. Van Lysebetten, ir., projectleider, laboratorium Geotechniek en monitoring, WTCB
N. Huybrechts, ir., afdelingshoofd, afdeling Geotechniek, WTCB