Verwarming en koeling zonder warmtepomp met bodemenergie-triplet

12 februari 2021

Bodemenergiesystemen worden veelvuldig toegepast om energie te besparen. De warmtepomp van zulke systemen gebruikt echter nog relatief veel elektriciteit, waardoor voor grootschalige toepassing ook grootschalige netverzwaring nodig is. Daarom is het voor de verduurzaming van de gebouwde omgeving belangrijk om alternatieve duurzame technieken voor verwarming en koeling van gebouwen te vinden.

 

Door: Martin Bloemendal

 

Het bodemenergie triplet-systeem vermijdt elektriciteitsverbruik door de warmtepomp door duurzame warmte en koude op het gewenste temperatuurniveau in te vangen en in de bodem op te slaan met (bijvoorbeeld) zonnecollectoren en droge koelers. Het primair energieverbruik van een tripletsysteem is ongeveer 5% van een conventioneel systeem.

 

Opslag van warmte en koude

Door de variatie in seizoenen hebben gebouwen in Nederland in de zomer een warmteoverschot waardoor er gekoeld moet worden, terwijl er in de winter een warmtetekort is en we onze gebouwen verwarmen. We kunnen het energieverbruik voor verwarmen en koelen dus significant verminderen door warmte en koude tijdelijk op te slaan. Dit gebeurt ook al veelvuldig in Nederland met open bodemenergiesystemen (OBES). De toepassing hiervan is de afgelopen decennia sterk gestegen. Als gevolg is er in Nederland al meer dan 25 jaar praktijkervaring met deze bodemenergiesystemen, waarvan er in ons land inmiddels zo’n 3.000 operationeel zijn.

Ondergrondse warmtebuffer met hogere temperaturen voorkomt inzet van warmtepomp

Bij conventionele OBES is vooral de toepassing van koeling voordelig: er kan namelijk direct uit de koude grondwaterbron worden gekoeld. De Coëfficiënt of Performance (COP, een quotiënt van geleverde en gebruikte energie) van deze manier van koelen varieert van 10 tot wel 30, een significante verbetering ten opzichte van een koelmachine, die een COP van circa 3 heeft. Tijdens het koelen wordt echter maar een beperkte temperatuursprong gemaakt in het grondwater. Als een gebouw moet worden gekoeld naar ongeveer 20°C kan het grondwater niet verder worden opgewarmd dan circa 18°C. Maar met het opgeslagen warme grondwater van maximaal 18°C kan er in de winter nog niet worden verwarmd. Daarom wordt er een warmtepomp toegepast die de temperatuur van 18°C opkrikt naar 40-45°C. Dit is efficiënter dan verwarmen met een gasketel.

Deze huidige toepassing van OBES is ten opzichte van conventionele koelmachines en gasketels dus al een flinke verbetering. Deze systemen gebruiken echter nog steeds best veel energie: de warmtepomp gebruikt ongeveer 60% van alle energie die nodig is in zo’n OBES [1].

Verwarming en koeling met een bodemenergie-tripletsysteem

Door de warmte bij 40°C of meer in de bodem op te slaan is een warmtepomp niet meer nodig, waardoor de warmtevoorziening verder wordt verduurzaamd. Hiervoor kunnen bijvoorbeeld zonnecollectoren worden gebruikt. Omdat bij OBES een warmtepomp wordt gebruikt is de temperatuur van de warme bron niet zo belangrijk. Maar bij verwarming direct uit de warme bron wordt de kwaliteit van de warme bron ook van belang. Zowel bij OBES als bodemenergie-triplet is de temperatuur van de koude bron belangrijk, omdat daaruit direct wordt gekoeld. De kwaliteit van de koude bron is dan essentieel. Maar ook zonder warmtepomp (die bij het OBES voor de lage temperatuur van de koude bron zorgt) is de kwaliteit van de koude bron belangrijk. Hiervoor kan een droge koeler worden gebruikt, zie Figuur 1 voor het werkingsprincipe van het bodemenergie triplet. De derde bron is nodig omdat je tijdens het leveren van de warmte of koude niet altijd voldoende warm/koud grondwater kan maken die in de andere bron moet. Dus om ‘vervuiling’ van de warme/koude bron met te lage/hoge retour temperatuur uit het gebouw te voorkomen, moet er tijdelijk gebufferd worden in de derde ‘buffer’ bron.

 

Figuur 1. Schematische weergave van een WKO-tripletsysteem zonder warmtepomp

 

Potentie van bodemenergie-tripletsysteem

Voor een fictief kantoorgebouw van 50.000 m2 bruto vloeroppervlak is op basis van vijf jaar klimaatdata voor de Bilt (2011-2015) inzichtelijk gemaakt wat de totale kosten (total costs of ownership, TCO) voor een conventioneel, een OBES en een bodemenergie-tripletsysteem zijn. Hiervoor zijn de energiestromen in en uit elke bron bepaald met een tijdsresolutie van 1 week, zodat ook het energieverbruik van de circulatie-/bronpompen kon worden vastgesteld. Op basis van de benodigde energievraag is vastgesteld hoeveel droge koelers en zonnecollectoren er nodig zijn, en welke investering daarmee gemoeid is, de resultaten staan in Figuur 2. De resultaten laten zien dat een tripletsysteem qua businesscase vergelijkbaar is met een WKO-systeem, maar dat de emissies lager zijn. Voor de exploitatiekosten is naast de energiekosten voor onderhoud uitgegaan van 5 procent van de investeringskosten per jaar. Er is in totaal circa 2.000 m2 aan zonnepanelen nodig, en het vermogen van de droge koeler die nodig is om voldoende koude te kunnen invangen moet ruim 1 MW zijn.

 

Figuur 2. Totaal energieverbruik, CO2-emissies en pompdebieten voor conventionele energievoorziening (fossiel), conventioneel OBES (doublet, met warmtepomp) en een bodemenergie-tripletsysteem (zonder warmtepomp) [2]

Conclusies

In dit artikel is een eerste beschouwing gegeven van de mogelijke werking van een WKO-tripletsysteem. Zo’n  systeem lijkt een veelbelovende techniek. Nadere uitwerking van de volgende aspecten is nodig om de haalbaarheid verder te evalueren:

  • De energiebalans van het systeem moet nader worden onderzocht. Hoewel er met realistische (klimaat-)data is gewerkt, moet er op gedetailleerder niveau worden gekeken naar temperatuurtrajecten in het gebouw, schakelschema’s tussen de bronnen en systeemcomponenten.
  • Hoge temperatuur opslag in de bodem is nog geen bewezen techniek; zeker bij temperaturen hoger dan 45°C liggen daar nog uitdagingen ten aanzien van recovery efficiëntie 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 bodemenergie-tripletsysteem vooral goed zal werken voor grote gebouwen of een groep van gebouwen.

NWO heeft TU Delft en TU Eindhoven een onderzoekssubsidie toegekend om deze zaken verder uit te werken om tot een beter uitgewerkt proof-of-concept te komen. Vanuit de markt dragen het Kennisplatform Bodemenergie, Kropman, RHKDHV en KWR bij.

Een uitgebreider artikel over verwarming en koeling met wko-triplet vindt u hier.

Referenties

(1) Dekker, L.d. Bepalende factoren voor goed functionerende WKO. 2016; Available from: http://www.kennisplatformbodemenergie.nl/wp-content/uploads/2015/03/KP3-B3-Bepalende-factoren-voor-goed-functionerende-WKO.pdf.

(2) Pape, J.J., Feasibility study of an ATES triplet. 2017, Utrecht University: Utrecht.

 

© 2021 BodemenergieNL

Deze website maakt gebruikt van Google Analytics. Door de site te blijven gebruiken, gaat u akkoord met het gebruik van cookies. Privacyverklaring

De cookie-instellingen op deze website zijn ingesteld op 'toestaan cookies "om u de beste surfervaring mogelijk. Als u doorgaat met deze website te gebruiken zonder het wijzigen van uw cookie-instellingen of u klikt op "Accepteren" hieronder dan bent u akkoord met deze instellingen.

Sluiten