Warmtekoudeopslag (WKO) in de bodem
Theorie
In de zomer wordt koud water opgepompt uit een ondergrondse waterlaag (aquifer) dat gebouwen koelt. Hierdoor wordt het water warm. Dat water wordt in een andere bron opgeslagen. In de winter draai je het om. Het warme water wordt opgepompt en wordt m.b.v. een warmtepomp brengt het op 40-45 oC. Via vloer- en of wandverwarming kan men hiermee de gebouwen verwarmen.
Men gaat niet dieper dan 200 meter. Ga je naar meer dan 500 meter diepte om gebruik te maken van het warme binnenste van de aarde dan noemt men dat geothermie. Zie daar.
In de praktijk zijn met deze techniek besparingen van 95% op koeling en 40-50% op verwarming mogelijk.
Via hijpalen
Je kan door funderingspalen water laten stromen naar een diepte van 5 meter waar het altijd 12 graden is. Het water wordt vervolgens verder opgewarmd door middel van een warmtepomp. In de winter gebruikt het water de temperatuur van de bodem om op te warmen. In de zomer geeft het water juist warmte af aan de bodem. Omdat de bodemtemperatuur dan zoveel lager ligt dan de gewenste temperatuur in het gebouw, is voor het koelen maar weinig energie nodig. Energiepalen gebruiken twintig keer zo weinig energie voor koelen en vijf keer zo weinig voor verwarmen als conventionele verwarmingssystemen. Bovendien werkt het systeem op elektriciteit in plaats van gas.
WKO
Bij een warmte-/koudeopslag (WKO) wordt ook gebruik gemaakt van een open bron. Bij een WKO zijn in beide bronnen onderwaterpompen aanwezig waarvan de stromingsrichting seizoenafhankelijk omkeerbaar is.
Er is een handige site waarop je kunt zien of je een vergunning nodig hebt: WKO Tool.
Hier onder een filmpje met uitleg van WKO
Op dezelfde manier kan warmte uit kassen ondergronds worden opgeslagen en worden gebruikt voor de verwarming van de kas en van gebouwen in de winter.
Ook kan men door de zon opgewarmd oppervlaktewater brengen in warmwaterbronnen. De vijver naast de gebouwen op de foto werkt zo.
Hierop voortbordurend kan men dus waterplassen hiervoor inzetten of zelfs meren. De Friese meren zouden do de elf steden er omheen kunnen verwarmen.
20 % van alle gebouwen staat binnen 500 meter van water. Men heeft berekend dat water in de zomer in acht dagen evenveel energie opslaat als Nederland voor verwarming en koeling nodig heeft. Ook de rivieren leveren die mogelijkheid. zie hier en ook de publicaties van Techniplan
Normaal gesproken kan de bodem niet direct gebruikt worden om te verwarmen. Daar is eerst een omzetting van warmte naar een hogere temperatuur voor nodig.
Maar
1. Je moet de bodemopbouw goed kennen
2. Waterkwaliteit (REDOX reacties)
3. Verstoppingen van putten
4. Onbalans (te weinig warmte in de bodem gebracht)
5. Geen sturing op koude- en warmtelaadprocessen
6. Niet voldoen aan vergunningeisen
7. Onjuiste dimensionering
8. Onvoldoende rendement
9. ect
Je moet weten of de bodem geschikt is en of je uit de bron genoeg water aan kan zuigen om te verwarmen of koelen wat je gepland hebt.De hoeveelheid wordt debiet genoemd. Je moet dus weten wat de energievraag is van de gebouwen. De WKO moet in balans zijn. Voor 1000 kW koelvermogen heb je 100 m3 water nodig. Het is mogelijk in een bron 160 m3 per uur te verplaatsen. maar dan moet de bodem wel geschikt zijn.
Als je de lijn Den Bosch Amsterdam neemt dan is de bodem naar het westen geschikter dan naar het oosten en naar de rivieren toe weer minder geschikt dan van de rivieren af. Bij de Maas kan maar 20 m3 verplaatst worden. Vaak worden de bronnen op afstand gemonitord en geregeld met flow en temperatuursensoren. De pompen zijn op afstand te regelen. Het ontwerp aan de voorkant is erg belangrijk.
In een warmte / koude-opslagsysteem wordt de jaarlijkse warmte- en koudevraag bepaald door de eindgebruikers. De warmte-, en koudevraag dient te voldoen aan de in de grondwater vergunning berekende warmte-, en koudevraag.
De beheerder dient balans te realiseren worden tussen de warmtelevering en koudelevering door de bron. Als deze balans er niet is komt de werking van het opslagsysteem in gevaar.
Bijvoorbeeld als er een te groot volume in de warme bron ontstaat. Door een ondergrondse kortsluiting in de laatste zomerweken, kan de onttrekkingstemperatuur van de koude bron boven de ontwerpcondities uitkomen. Dit soort situaties zorgen voor een groot energieopslagverlies.
Om de situatie hierboven te voorkomen, moet er minder gekoeld worden. Als dit niet kan, zijn er andere oplossingen zoals zomernachtventilatie of zonwering.
Door bijvoorbeeld in de winter de warmtepomp meer in te zetten, kan de hoeveelheid opgeslagen koude worden verhoogd. Dit zorgt soms ook voor een besparing op het gasgebruik van een eventuele ketel.
Het is belangrijk dat de temperatuur in de bodem in balans is. Als de balans weg is, bestaan er verschillende manieren om de balans in de bodem weer te herstellen.
Je hebt een bron, de warmtepomp en het afgiftesysteem zoals vloer/wand verwarming, luchtbehandeling of inductieplafonds. Om te voorkomen dat de warmtepompen gaan pendelen en verschillende hoeveelheden warmte krijgen aangeboden heb je buffervaten nodig. Die worden vaak vergeten. Het geeft een rustiger besturing. De buffers zorgen er ook voor dat de warmtepomp continu vol kan blijven draaien. Dat levert het hoogste rendement.
Een gratis cursus bodemenergie is te volgen door op het plaatje te klikken.
Het aanleggen van de bronnen
De bronnen kunnen worden gemaakt via zuigboren, spoelboren (sneller) of sonisch boren. Het kost 700 - 1000 euro per kW 3kW is 2500-3000 kWh. Water op diepte (60-80 m) verplaatst zich 3 meter per jaar (ofwel vrijwel niet.
Hier staat de prachtige ppt van imteq en BAM die bij de cursus gebruikt is. Het gaat over over duurzaamheid, duurzaam bouwen en wko.
Hier staat een handboek over installeren en ontwerp van warmtepompen bij warmwaterbereiding (ook uit WKO's) van Dimplex.
De waterwinputten worden op een speciale manier gemaakt. Hier naast eeen afbeelding er van
Er wordt een brede koker geboord. Onderin plaatst men een filter, een zandvang en een omstorting. Daarin wordt de eigenlijke buis geplaatst. E.e.a. kan verstopt raken en moet zo nu en dan worden schoongemaakt. Dat doet men door met kracht water op te pompen en dan ergens af te voeren. Zo worden de flters schoongemaakt. Als de de boorgatwand is verstopt of vervuild wordt het moeilijker. Daarom maakt Q-Flow gebruik van jutter-reiniging, een innovatie op regeneratiegebied door Q-Flow geperfectioneerd. Bij jutteren wordt het waterniveau in de put door middel van perslucht naar beneden gedrukt en vervolgens weer ontlast. Dit zorgt voor het lostrekken van de verstopping in de bronput
Bij doubletten worden twee bronnen op enige afstand (~100 meter) geboord en wordt filters in beide bronnen afgesteld. Het water wordt in de zomer uit de zogenaamde koude bron opgepompt, de koude wordt aan het gebouw of proces afgegeven. Het opgewarmde water wordt daarna in de andere bron (de warme) ingebracht. In de winter wordt het warme water opgepompt en wordt de warmte afgegeven aan een warmtepomp. Het hierdoor afgekoelde water wordt daarna weer in de koude bron opgeslagen. Een monobron werkt volgens hetzelfde principe. Hierbij is er echter maar één bron(boring). De koude en warme voorraad wordt hierbij niet op enige afstand naast elkaar, maar boven elkaar opgeslagen. Aangezien hierbij slechts een bron(boring) nodig is zijn deze systemen goedkoper.
Bij WKO dient men de warmte en koudevraag in balans te brengen. Dat is nog een sport op zich. Gek genoeg is koud water vaak een groter probleem dan warm water. Bij het plaatsen van een WKO dient men er rekening mee te houden dat de installatie goed gemonitord wordt.
De uitvoering van mechanische boringen wordt vaak onderschat en dat is niet terecht, want het is vakwerk. Er komt heel wat bij kijken om goed en milieuverantwoord uit te voeren. Bij mechanische boringen gemaakte fouten kunnen grote gevolgen hebben voor de bodem en het
grondwater en daardoor verstrekkende gevolgen hebben voor de hele omgeving. Daarom is vastgelegd aan welke eisen de uitvoering van mechanische boringen moet voldoen. Dat is gedaan in BRL SIKB 2100 en het daarbij horende protocol 2101.
Kwaliteitsrichtlijnen voor: ontwerp, realisatie en beheer, onderhoud en verwijdering staan hier
Meer uitgesplitst zijn de doelen van het protocol:
Robuuste en betrouwbare bodemenergiesystemen:
o Borgen van de kwaliteit van systemen met betrekking tot levensduur, storingsgevoeligheid, onderhoudskosten en energie-efficiënte;
o Verbetering van het functioneren van het systeem als een integraal onderdeel van de totale klimaatinstallatie;
o Verbetering van werkprocessen bij ontwerp, realisatie en beheer;
o Voldoen aan gestelde wettelijke eisen.
Energiebesparing
o Het gebruik van een bodemenergiesystemen resulteert daadwerkelijk in energiebesparing.
Duurzaam gebruik van de ondergrond:
o Voorkomen van onnodige verstoring van de bodem;
o Voorkomen van de introductie van verontreinigingen als gevolg van de aanleg, en bedrijfsvoering van het systeem;
o Voorkomen van het verspreiden van bestaande verontreinigingen;
o Voorkomen menging van grondwater van verschillende kwaliteit;
o Voorkomen van schade aan andere belangen;
o Effectief omgaan met de beschikbare ondergrondse ruimte.
Je mag open systemen aanleggen en gaan boren als je ten minste de volgende informatie hebt verzameld, geverifieerd en gerapporteerd:
bodemopbouw (zand, klei, veen, etc.);
grondwaterstand t.o.v. maaiveld en stijghoogte in de watervoerende lagen;
grondwaterstroming en -richting;
bodemtemperatuur in relatie tot de diepte;
bodemenergiesystemen en andere onttrekkingen in de omgeving;
bodemverontreiniging op de locatie en in de omgeving;
maaiveldhoogte;
zettinggevoelige objecten;
grondwaterafhankelijke natuur;
waterkwaliteit (zoet, brak, zout/redoxgrens);
gasgehalte van het grondwater;
de mogelijkheden om vrijkomend grondwater te lozen.
Men moet zicht hebben op de onderstaande risico’s:
het optreden van putverstopping (redox, gas, deeltjes);
het behalen van de gewenste onttrekkings- en infiltratiecapaciteit;
het voorkomen van thermische verliezen;
het aantrekken van verontreiniging;
de aanwezigheid van artesisch water;
het beïnvloeden van andere bij het grondwater betrokken belangen.
en voor elk van bovengenoemde risico’s is vastgesteld:
de kwaliteit van de beschikbare geohydrologische informatie (is die voldoende om het risico te kunnen beoordelen?);
de noodzaak voor aanvullend onderzoek (zie paragraaf 4.2);
de kans dat het risico optreedt;
de gevolgen;
te nemen beheersmaatregelen.
Men
- de temperatuurniveaus, debieten, (piek)vermogens en energiehoeveelheden van het bodemenergiesysteem zijn vastgelegd en herleidbaar zijn op basis van het energieconcept van de bovengrondse installatie.
- voor alle bedrijfswijzen (koude- en/of warmtelevering, regeneratie etc.) de inzet van het bodemenergiesysteem in het totale installatieconcept is gespecificeerd,inclusief bijbehorende randvoorwaarden zoals afkaptemperaturen, minimale capaciteit, variatie in vraag en aanbod als gevolg van klimaatschommelingen.
- aantoonbaar is geverifieerd bij de ontwerper van de bovengrondse installatie dat er voldoende sturingsmogelijkheden zijn voor het bereiken van een thermische balans
- in het energieconcept aantoonbaar rekening is gehouden met temperatuurverliezen in de ondergrond en bij de warmteoverdracht in de warmtewisselaar. In het verdere ontwerpproces dient te worden getoetst of de aangehouden temperatuurverliezen realistisch zijn (bij de thermische effectberekeningen en bij 5 de selectie van de warmtewisselaar).
Bij gesloten systemen moet voor het ontwerp informatie verzameld zijn over:
Bodemopbouw (zand, klei, veen, etc.);
Grondwaterstand aan maaiveld en aanwezigheid artesisch water;
Grondwaterstroming- en richting;
Bodemtemperatuur in relatie tot de diepte;
Bodemenergiesystemen en andere onttrekkingen in de omgeving;
Bodemverontreiniging op de locatie.
Men moet zicht hebben op de onderstaande risico’s:
de classificatie van de grondlagen ter bepaling van de thermische eigenschappen van de bodemopbouw;
het opboren van verontreinigde grond;
de aanwezigheid van artesisch water;
stromingsrichting en stroomsnelheid grondwater;
het beïnvloeden van andere bij het grondwater betrokken belangen.
de kwaliteit van de beschikbare geohydrologische informatie (is die voldoende om het risico te kunnen beoordelen?);
de noodzaak voor aanvullend onderzoek (zie paragraaf 4.2);
de kans dat het risico optreedt;
de gevolgen;
te nemen beheersmaatregelen.
In het energieconcept aantoonbaar rekening is gehouden met het vermogen voor verwarming (verdampervermogen warmtepomp), koelvermogen, duur van de pieklasten, jaarlijkse warmte- en koudevraag, temperatuurniveaus van het bodemenergiesysteem.
Daarnaast zijn er nog veel meer eisen..zie hier over
- bron en boorgatconfiguratie bij open systemen en gesloten systemen
- effectberekeningen
- detail engineering
- het hydraulisch circuit
- regeling
- onderhoud, beheer, monitoring
- realisatie
- uitvoering
- regeling en monitoring
- inbedrijfsstelling en testen
- onderhoud en beheer
- preventief onderhoud
- correctief onderhoud
Alle richtlijnen staan hier
Nieuwe innovatieve bodemwarmtewisselaar
Ze hebben een Geothermal Turbulent Heat Exchanger in een gesloten bronsysteem. De isolerende scheiding tussen aan- en afvoer waarbij gebruk wordt gemaakt van een geroteerde schuimbuis met spiraalvormige ribben is het geheim. Meer info zie Geothex Daarnaast kunnen ze horizontaal boren b.v. op 6 meter diepte. Dat is genoeg voor het effect. Toch wordt dit betwijfeld zie hier
of hier
Onderdelen
Condensor driewegregeling
Meestal wordt er een driewegregeling over de condensor toegepast. Dit heeft een aantal redenen.
1. Om een lage druk storing te voorkomen.
Het kan dat bij een koude start te lang een te lage intredetemperatuur in de condensor komt. De warmtepomp zal dan de compressoren inschakelen om de gewenste uittredetemperatuur te halen. Al komt dit nog weinig voor.
Als dit gebeurt, kan de verdamper invriezen en ontstaat er een lage druk storing. Door uittredewater bij de intrede te mengen met een driewegregelafsluiter, zal de warmtepomp snel op zijn gewenste waarde komen en rustig regelen.
Vaak wordt deze regeling, maar ook de condensorpomp (ook wel Hydromodule genoemd), bij de warmtepompleverancier ondergebracht als een eigen opstartregeling.
2. Constante watertemperatuur
De cv-watertemperatuur naar de gebruikers constant is of om een gelaagd buffervat te vullen. Let op dat deze regeling niet interferreren met de eigen regeling (ook wel autonome regeling genoemd) van de warmtepomp en dat het buffervat in de doorverbonden verdeler/verzamelaar is opgenomen.
3. Voorkomen lange wachttijd van gebruikers
De verdamper
De verdamper van de warmtepomp produceert koude. Deze koude moet worden afgevoerd naar het bodemenergiesysteem.
Bij energieopslagsystemen is het van belang dat deze koudwatertemperatuur laag genoeg is. Vaak wordt de uittrede van de verdamper geregeld op ongeveer 6 °C. De injectietemperatuur in de koudebron is dan ongeveer 8 °C.
Bij warmtepompen met bijvoorbeeld twee compressorcircuits, is een driewegregeling nodig om de verdamper niet te laten invriezen.
Op de afbeelding kun je zien dat bij het optoeren van de warmtepomp er het gevaar bestaat dat de verdamper invriest.
Dit betekent dat de driewegregeling zeer snel moet regelen of al in een nieuwe stand wordt gezet voordat de warmtepomp opschakelt.
Bij recirculatiebronnen en verticale bodemenergielussen is deze injectietemperatuur minder van belang. Daarom worden er bij deze systemen vaak geen driewegregelafsluiters over de verdamper geplaatst.
Wet- en regelgeving - algemeen, bodembescherming
Algemene kwaliteitseisen
Bedrijven die werkzaamheden uitvoeren voor bodemenergiesystemen moeten een erkenning van Bodem+ hebben.
Voor het bovengrondse deel van bodemenergiesystemen zijn de algemene kwaliteitscriteria vastgelegd in BRL 6000-21.
Voor het ondergrondse deel van bodemenergiesystemen zijn de algemene kwaliteitscriteria vastgelegd in BRL SIKB 11000.
Bodembescherming
De Wet bodembescherming (Wbb) stelt regels om de bodem te beschermen.
Deze wet gaat over hoe je om moet gaan met grondwater, de sanering van verontreinigde bodem en grondwater. Maar ook het reguleren van lozingen of het verplaatsen van verontreinigingen.
Lozen
Bij het aanleggen of onderhouden van bodemenergiesystemen komt afvalwater vrij. Er geldt een voorkeursvolgorde voor de lozingsroute voor de twee soorten afvalwater:
• Afvalwater dat vrijkomt bij het boren van de gaten in de bodem voor de aanleg van bodemenergiesystemen (zowel open als gesloten systemen);
• Afvalwater dat vrijkomt bij het ontwikkelen en het beheer van open bodemenergiesystemen.
WION en BRO
Als er gegraven wordt voor de nieuwe aanleg of uitbreiding van bodemenergiesystemen, worden er soms kabels of leidingen beschadigd.
De Wet informatie-uitwisseling ondergrondse netten (WION), gaat over het uitwisselen van informatie tussen uitvoerders van graafwerkzaamheden, kabeleigenaren en kabelbeheerders om dit soort schade zo veel mogelijk te voorkomen.
De Basisregistratie Ondergrond (BRO) wordt een centrale database met publieke gegevens van de Nederlandse ondergrond. De wet BRO maakt het mogelijk om bodem- en ondergrondgegevens via een digitaal loket op te vragen en aan te leveren.
Volgens de Waterwet is het voor alle open bodemenergiesystemen verplicht om een vergunning aan te vragen.
Gesloten systemen
Vanaf 1 juli 2013 is het Besluit Bodemenergiesystemen (beter bekend als de AMvB Bodemenergie) van kracht.
Met dit besluit is het verplicht om een vergunning aan te vragen voor een gesloten bodemenergiesysteem. De vergunning wordt uitgegeven door de gemeente. De gemeente kan maatwerkvoorschriften voorschrijven voor individuele systemen en gebieden aanwijzen als interferentiegebied.
Er zijn algemene regels opgesteld waaraan ieder nieuw gesloten bodemenergiesysteem moet voldoen.
Bestaande systemen
Voor bestaande systemen heeft de AMvB Bodemenergie weinig consequenties. Bestaande systemen mogen gemeld wordt, maar dat hoeft niet. De algemene regels gelden ook niet.
Als er geen melding gemaakt wordt, betekent dit dat het bestaande systeem geen bescherming geniet, als bijvoorbeeld het naastgelegen pand een bodemenergiesysteem wil maken.
Algemene regels
De algemene regels voor nieuwe gesloten systemen zijn opgenomen in drie verschillende besluiten. In welk besluit deze regels te vinden zijn hangt af van de grootte van het systeem, of het in een nterferentiegebied ligt of niet en of het om een inrichting gaat of niet.
Onderstaande schema geeft weer wanneer welk besluit wordt toegepast:
Instructievoorschriften
De instructievoorschriften zijn terug te vinden in het Waterbesluit. Deze voorschriften gaan over installatie, exploitatie en beëindiging van het systeem. Een aantal voorschriften zijn:
• Werkzaamheden moeten worden uitgevoerd door een erkend persoon of instelling;
• De maximale retourtemperatuur bedraagt 25 °C;
• Een warmteoverschot is verboden, een beperkt koudeoverschot is toegestaan.
'Oude' vergunningen vallen niet onder de nieuwe regels. Dit betekend dat een WKO exploitant met grondwatervergunning die energiebalans vraagt, geen koude-overschot volgens de nieuwe regels kan gedogen.
Volgens de AMvB Bodemenergie moeten alle bedrijven die werkzaamheden doen voor bodemenergiesystemen, hiervoor (wettelijk) te zijn gecertificeerd (certificeringspicht) en door Bodem+ te zijn erkend (erkenningsplicht).
Opleidingen
Wie hier goede websites bij weet die graag mailen naar
Hybride warmtenet
Goed geisoleerde gebouwen met veel glas moeten al bij 6 graden buitentemperatuur gekoeld worden.
De warmte uit die koeling kan gebruikt worden om andere gebouwen of gebouwdelen te verwarmen.