Voordat we beginnen met de daadwerkelijke dimensionering van boorvelden, is het belangrijk om te weten welke informatie nodig is en waar die te vinden is. In dit hoofdstuk ligt de nadruk op de grondeigenschappen.
Grondeigenschappen
Aangezien boorvelden in feite bodemwarmtewisselaars zijn, is het vrij triviaal dat de bodemeigenschappen een belangrijke rol spelen in het ontwerp ervan. Geologen hebben veel verschillende manieren om grond te classificeren, waaronder korrelgrootte, chemische samenstelling of mineralogische kenmerken. Voor het ontwerp van boorvelden zijn echter slechts twee belangrijke parameters vereist:
- Thermische geleidbaarheid - hoe goed de bodem warmte geleidt
- Volumetrische warmtecapaciteit - hoe goed de bodem warmte opslaat
Beide worden hieronder uitgelegd.
Thermische geleidbaarheid
De thermische geleidbaarheid meet hoe goed de grond warmte geleidt. Boorvelden staan in wisselwerking met zowel de grond tussen de boorgaten als de omringende, oneindige grond. Een boorveld op een locatie met een hogere thermische geleidbaarheid zorgt voor een efficiëntere warmte-uitwisseling met de omgeving.
Als je bijvoorbeeld een boorveld hebt met een aanzienlijke onbalans (d.w.z. een boorveld dat jaar na jaar afkoelt), is het beter om een goede bodemgeleiding te hebben, zodat de plaatselijke thermische vervorming sneller kan worden afgevoerd.
Volumetrische warmtecapaciteit
De volumetrische warmtecapaciteit beschrijft hoe effectief de grond warmte kan opslaan. Het vertegenwoordigt de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van een bepaald volume grond met 1°C te laten stijgen en kan worden gezien als het vermogen van het boorveld om als een warmtebatterij te functioneren. Toen we eerder zeiden dat boorvelden een seizoensgebonden opslag van thermische energie zijn, was dit de reden.
Als een boorveld een bijna nul-onbalans heeft (wat betekent dat de bodemtemperatuur constant blijft in de tijd), is een hoge volumetrische warmtecapaciteit wenselijk, omdat het boorveld dan kan fungeren als een opslagsysteem voor seizoensgebonden thermische energie (STES). In dergelijke gevallen is een laag warmtegeleidingsvermogen ook gunstig omdat het warmteverlies naar de omgeving dan tot een minimum wordt beperkt.
Naast thermische geleidbaarheid en volumetrische warmtecapaciteit worden ook andere maten gebruikt om de thermische eigenschappen van de grond te kwantificeren, zoals thermische diffusie en hydraulische geleidbaarheid.
Thermische diffusie
De thermische diffusie, $\alpha$, van een materiaal wordt gedefinieerd als het vermogen om warmte te geleiden ten opzichte van het vermogen om warmte op te slaan. Het wordt als volgt gedefinieerd: $$\alpha=\frac{\lambda}{C_v}$$ waar $\lambda$ de warmtegeleidingscoëfficiënt in (W/(mK)) en $C_v$ de volumetrische warmtecapaciteit in (J/(m³K)) is.) De eenheden van de thermische diffusie zijn daarom (m/s²). Thermische diffusie, thermische geleidbaarheid en volumetrische warmtecapaciteit kunnen allemaal door elkaar worden gebruikt.
Hydraulisch geleidingsvermogen
Het hydraulisch geleidingsvermogen $K$ van de grond is belangrijk voor de grondwaterstroming, omdat het de stroomsnelheid (m/s) door de grond bepaalt. Het hangt af van de porositeit van het materiaal, die wordt uitgedrukt als intrinsieke doorlatendheid ($k$ in m²), en van de dichtheid en viscositeit van de vloeistof. Het hydraulisch geleidingsvermogen kan horizontaal of verticaal worden gedefinieerd, afhankelijk van de gewenste stroomsnelheid.
Voor het ontwerpen van boorvelden is dit niet direct van belang, maar het speelt zeker een rol bij geavanceerdere geothermische simulaties.
Voorbeeldgegevens
De eigenschappen van de grond variëren aanzienlijk afhankelijk van de locatie van het project. De onderstaande tabel toont de thermische geleidbaarheid en de volumetrische warmtecapaciteit van verschillende bodem- en rotssoorten, zoals gerapporteerd in de literatuur.
Een paar belangrijke opmerkingen:
- Zelfs binnen hetzelfde bodemtype varieert het bereik van de warmtegeleiding sterk. Dit komt door geologische verschillen binnen elke categorie die de grondeigenschappen beïnvloeden.
- De thermische eigenschappen van korrelige bodems (zoals grind, zand, slib en klei) worden aanzienlijk beïnvloed door de verzadiging met water. De ruimtes tussen bodemdeeltjes kunnen gevuld zijn met ofwel lucht, dat een isolator is, ofwel met water, dat een hoge thermische geleidbaarheid en warmtecapaciteit heeft. Bijgevolg hebben met water verzadigde bodems een veel hogere thermische geleidbaarheid dan droge bodems.
Voor de meest nauwkeurige resultaten kun je een thermische responsietest uitvoeren. Hierbij worden de thermische eigenschappen van de grond in situ gemeten, evenals de ongestoorde bodemtemperatuur. Om een TRT uit te voeren, moet je op je projectlocatie een boorgat boren tot de gewenste ontwerpdiepte. Vervolgens wordt er een constante belasting op het boorgat uitgeoefend. Op basis van de temperatuurmetingen kunnen de thermische geleidbaarheid van de grond, de ongestoorde bodemtemperatuur en soms de volumetrische warmtecapaciteit worden afgeleid.
We zullen de TRT-analyse later in detail behandelen, zodra de noodzakelijke fysica is behandeld.
Grondtemperatuur
Een andere cruciale parameter bij het ontwerp van een boorveld is de bodemtemperatuur, met name de ongestoorde bodemtemperatuur. Dit is de initiële gemiddelde temperatuur van de grond naast het boorgat en wordt gebruikt als startpunt voor elke geothermische simulatie. Als je ongestoorde bodemtemperatuur bijvoorbeeld 11°C is, zal je boorveldsimulatie starten bij 11°C; als deze 13°C is, zal deze starten bij 13°C. In het laatste geval zullen alle temperaturen (zowel vloeistof als grond) 2°C hoger zijn.
De ongestoorde bodemtemperatuur kan worden gemeten met een Thermal Response Test (TRT) of worden afgeleid uit de thermische geleidbaarheid van de bodem en de geothermische warmteflux. Met behulp van dit lineaire bodemtemperatuurmodel kan de ongeroerde bodemtemperatuur worden berekend op basis van de temperaturen aan het begin en einde van het boorgat (een invoer of resultaat van de dimensionering).
De geothermische gradiënt $\Delta T$ in (°C/100m) kan direct worden opgegeven of kan worden berekend aan de hand van de geothermische warmteflux $q$ in (W/m²) en het warmtegeleidingsvermogen $lambda$ in (W/(mK)). De gradiënt kan dan als volgt worden berekend: $$\Delta T = \frac{\dot{q}}{100\lambda}$$ Wanneer de gradiënt $\Delta T$ bekend is, evenals de grondoppervlaktetemperatuur $T_s$, kan de temperatuur $T$ op diepte $x$ berekend worden als: $$T(x)=\frac{1}{2}\cdot\left(T_s+\frac{x\cdot\Delta T }{100}+T_s \right) = T_s+\frac{x\cdot\Delta T}{200}$$
De ongestoorde bodemtemperatuur $T_u$ voor een boorgat beginnend bij $x=D$ tot $x=H$ wordt dus gegeven als: $$T_u= \frac{T(D)+T(H)}{2} = T_s + \Delta T\cdot\frac{D+H}{200}$$
Uitgaan van een constante, lineaire temperatuurstijging met de diepte is niet altijd accuraat, vooral niet in dichtbevolkte gebieden of oudere steden.
Zoals de figuur hieronder laat zien, stijgt de gemiddelde temperatuur van de grond als er een stad bovenop wordt gebouwd. (tweede grafiek). Dit komt door het hitte-eilandeffect, waarbij warmte van gebouwen, wegen en trottoirs wordt vastgehouden en de hele stad opwarmt. Na verloop van tijd dringt deze verhoogde temperatuur door in de grond, waardoor er een temperatuur ‘blob’ ontstaat die tot wel 100 meter diep kan reiken.
Deze temperatuurverstoring is vooral belangrijk voor gebouwen met hoge koelbehoeften, omdat een hogere begintemperatuur ze dichter bij de maximale temperatuurgrens brengt. Hoewel het traditionele lineaire temperatuurmodel suggereert dat dieper boren niet gunstig is voor koeling, kan het in sommige stedelijke gebieden juist nodig zijn om koelere bodemtemperaturen te bereiken voor efficiënte koeling.
Omdat de bodemtemperatuur altijd een bepaalde mate van onzekerheid kent, wordt het sterk aanbevolen, vooral voor grote projecten, om een TRT uit te voeren om de initiële, ongestoorde bodemtemperatuur te meten.
Grondgegevens in GHEtool
GHEtool biedt twee manieren om grondeigenschappen in te voeren:
- Laag-voor-laag gegevensinvoer
- Veronderstelling van homogene grondeigenschappen
Omdat GHEtool intern uitgaat van één gemiddelde grondlaag, kunnen beide methoden hetzelfde resultaat opleveren.
Gelaagde gegevens
De meest nauwkeurige en betrouwbare manier om uw grondgegevens in te voeren is door gebruik te maken van de gelaagde optie in GHEtool Cloud. Hier kunt u uw grondeigenschappen laag voor laag invoeren, samen met de dikte van elke laag. GHEtool berekent dan automatisch de juiste thermische eigenschappen voor elk ontwerp op basis van de diepte van het boorgat. Bij het berekenen van de vereiste boorgatdiepte om binnen de ontwerplimieten te blijven, helpt het invoeren van de grondeigenschappen laag per laag u om nauwkeurigere resultaten te bereiken.
Homogene gegevens
Als je snel een berekening moet uitvoeren, kan het invoeren van alle grondlagen tijdrovend zijn. Daarom kunt u uw grondgegevens invoeren op basis van de homogene aanname. In dat geval voert u gewoon één waarde in voor de warmtegeleidingscoëfficiënt en de volumetrische warmtecapaciteit van de grond, die zullen worden gebruikt voor alle boorveldafmetingen.
Houd er rekening mee dat de ingevoerde homogene gegevens altijd een gemiddelde zijn van meerdere grondlagen op een bepaalde diepte. Als je een boorveld gebruikt met een andere boorgatdiepte dan die gebruikt wordt om deze gemiddelde parameters te berekenen, kunnen de resultaten onnauwkeurig zijn. Als je daarom de diepte van het boorgat wijzigt (of laat berekenen met de optie ‘Bereken vereiste diepte boorgat’), is het essentieel om je grondeigenschappen dubbel te controleren.
Conclusie
In dit hoofdstuk zijn de grondeigenschappen besproken die nodig zijn voor een geothermische simulatie. De thermische geleidbaarheid en de volumetrische warmtecapaciteit van de grond, evenals de ongestoorde bodemtemperatuur, zijn allemaal nodig. Het volgende hoofdstuk richt zich op warmtebehoefte.
Vragen
Referenties
- https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_diffusivity [laatst bekeken op 22/01/2026]
- https://en.wikipedia.org/wiki/Hydraulic_conductivity [laatst bekeken op 22/01/2026]
- Grondeigenschappen voor België: smartgeotherm of DOV virtuele saai (Vlaanderen).
- Grondeigenschappen voor Frankrijk: BRGM.
- Grondeigenschappen voor Duitsland: GeotIS.