Geothermische boorvelden worden vaak gebruikt in combinatie met grondwarmtepompen, en het rendement van de warmtepomp is nodig om de gebouwbelasting om te zetten in een grondbelasting. Historisch werd aangenomen dat dit rendement constant was, maar het is nauwkeuriger om variabele rendementen te gebruiken. In dit hoofdstuk wordt deze nieuwe benadering uitgelegd en wordt getoond hoe deze het ontwerp van je boorveld kan verbeteren.
Warmtepompefficiëntie in boorveldontwerp
Terug in Deel 1.5, Het rendement van de warmtepomp werd ingevoerd om de belasting van het gebouw om te zetten in een belasting van de grond, die vervolgens wordt gebruikt om het gedrag van het boorveld op lange en korte termijn te simuleren. Doorgaans wordt de warmtepomp gemodelleerd met behulp van seizoensrendementen (de SCOP en SEER in het geval van koeling), waarbij zowel de energievraag als het piekvermogen van het gebouw wordt omgezet in een grondbelasting. Hoewel deze aanpak relatief eenvoudig is, zijn er drie belangrijke problemen mee:
-
Door de SCOP te gebruiken om het piekverwarmingsvermogen om te zetten in een afzuigpiekvermogen, wordt het piekvermogen overschat. Dit komt omdat de efficiëntie van het piekvermogen eigenlijk wordt bepaald door de COP en niet door de SCOP. Aangezien het COP gewoonlijk lager is dan de SCOP, wordt de grondbelasting op piekmomenten overschat, wat mogelijk leidt tot een te groot boorveld.
-
Door een SCOP op B0/W35 te gebruiken om de verwarmingsvraag (en B0/W55 voor sanitair warm water) om te zetten in een grondbelasting, wordt aangenomen dat de vloeistoftemperatuur die het boorveld binnenkomt 0°C is. In de meeste ontwerpen gebeurt dit echter pas na enkele jaren, als het al gebeurt, wat betekent dat de gemiddelde temperatuur meestal hoger ligt. Dit leidt in werkelijkheid tot een hogere SCOP, dus het gebruik van een B0/W35-waarde onderschat het rendement en dus de onbalans, wat kan resulteren in een te klein boorgat.
-
Zoals besproken in Deel 1.5, Het rendement van een warmtepomp hangt af van de vloeistoftemperatuur van het boorgat en zal daarom variëren afhankelijk van het ontwerp. Maar omdat de SCOP historisch gezien wordt gebruikt als een ingang in plaats van een uitgang van een boorgatontwerp, verandert het niet wanneer het ontwerp wordt gewijzigd. Dit is contra-intuïtief en niet representatief voor de werkelijkheid.
Om deze redenen is het duidelijk dat de traditionele aanpak een aantal belangrijke tekortkomingen heeft. In de volgende paragraaf wordt de invloed van de gekozen efficiëntie op het boorveldontwerp verder geïllustreerd.
Verschillende aannames voor efficiëntie
Om het effect te kwantificeren van welk rendement wordt gebruikt voor het boorveldontwerp, worden drie verschillende rendementsaannames gebruikt:
- De traditionele, constante SCOP (bij B0/W35)
- Een temperatuurafhankelijke COP
- Een temperatuur- en deellastafhankelijke COP
Met deze verschillende aannames voor het rendement zijn boorvelden ontworpen voor drie verschillende gebouwen: een woonappartementengebouw, een kantoorgebouw en een gebouw met meerdere nutsvoorzieningen, waarvan in de onderstaande tabel enkele kenmerken worden gegeven. Hierbij wordt zowel het effect op de vereiste boorgatdiepte (d.w.z. het effect op de feitelijke dimensionering) als het effect op het uiteindelijke systeemrendement onderzocht.
| Gebouw | Stroom | Jaarlijkse energie | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Verwarming | Koeling | Verwarming | Koeling | ||
| Woongebouw | 66 kW | 97 kW | 153 MWh | 24 MWh | |
| Kantoorgebouw | 214 kW | 371 kW | 118 MWh | 118 MWh | |
| Multifunctioneel gebouw | 535 kW | 676 kW | 643 MWh | 268 MWh | |
Effect op de vereiste boordiepte
Als we kijken naar het effect van de rendementsaanname op de vereiste boorgatdiepte, zien we dat er bijna geen variatie is tussen de drie verschillende aannames. In het geval van het multi-utility gebouw is er een kleine toename in de vereiste lengte voor een ontwerp met een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 3°C wanneer de deellastafhankelijkheid in de COP wordt opgenomen. De toename is echter slechts 3%, wat verwaarloosbaar is.
Op basis van deze resultaten heffen de twee fouten die worden geïntroduceerd bij het werken met een constant rendement versus een temperatuur- en deellastafhankelijk rendement (namelijk de overschatting van het piekvermogen en de gelijktijdige onderschatting van de onbalans) elkaar grotendeels op.
Effect op de efficiëntie
Hieronder wordt het gemiddelde berekende SCOP getoond voor de drie verschillende gevallen. Het is te zien dat, hoewel er soms een klein verschil is, het officiële B0/W35 rendement vrij dicht bij de temperatuurafhankelijke COP ligt. Dit betekent dat, op basis van de onderstaande voorbeelden, er geen echte reden is om alleen met een temperatuurafhankelijke COP te werken, aangezien dit noch het ontwerp, noch de SCOP significant verandert.
Wanneer de deellastafhankelijkheid daarentegen wordt meegerekend, is er een significant verschil van 10 tot 50 procent in SCOP tussen de officiële B0/W35-waarde en het verwachte rendement. Dit is te wijten aan een dubbel effect:
- De warmtepomp werkt het grootste deel van de tijd in het efficiëntere deellastregime
- In deellast zijn de vloeistoftemperaturen hoger door de lagere warmteafvoer, wat leidt tot een efficiëntere werking.
Om het belang van deellastafhankelijkheid verder te illustreren, zoomen we in op het gebouw met meerdere nutsvoorzieningen. Hieronder wordt het temperatuurprofiel getoond.
In het temperatuurprofiel hierboven is duidelijk te zien dat de gemiddelde vloeistoftemperatuur aanzienlijk fluctueert. Hieronder wordt een close-up van de COP in de eerste 5 maanden getoond voor zowel de temperatuurafhankelijke COP als de temperatuur- en deellastafhankelijke COP.
COP in de eerste 5 maanden voor de temperatuurafhankelijke COP en de temperatuur- en deellastafhankelijke COP van de modulerende warmtepomp. Het is duidelijk dat de variaties veel groter zijn wanneer het deellastgedrag in beschouwing wordt genomen dan wanneer alleen rekening wordt gehouden met de temperatuurafhankelijkheid. Ten tweede is te zien dat tijdens piekmomenten, wanneer beide warmtepompen op vollast werken, hun rendementen samenvallen, wat te verwachten is omdat er dan geen deellastgedrag is.
Omdat de gebouwen ook een zekere onbalans hebben, zal de SCOP in de loop van de simulatieperiode veranderen. In de onderstaande grafiek worden de SCOP waarden getoond voor elk jaar van de 20-jarige simulatieperiode voor het multi-utiliteitsgebouw dat is ontworpen met een minimumtemperatuur van 0°C.
SCOP variatie in de tijd voor drie verschillende rendementsaannames.
Het is duidelijk dat wanneer de temperatuurafhankelijkheid in beschouwing wordt genomen, het rendement hoger begint dan het eindigt, vanwege het door extractie gedomineerde boorveld. Met name de zuiver temperatuurafhankelijke COP resulteert in een lager rendement dan de SCOP B0/W35 waarde na 20 jaar. Dit komt omdat deze veronderstelling geen rekening houdt met het standaard deellastgedrag, waardoor het rendement wordt onderschat wanneer de temperatuur dicht bij 0°C ligt.
Daarentegen laat de temperatuur- en deellastafhankelijke COP duidelijk het voordeel zien van het gebruik van een modulerende warmtepomp, waarbij het rendement aanzienlijk hoger is dan de officiële B0/W35-waarde van 4,86 voor de SV62 warmtepomp.
Simuleren met modulerende warmtepompen in GHEtool
Het werken met temperatuur- en deellastafhankelijke rendementsgegevens is niet eenvoudig, omdat deze informatie niet beschikbaar is in technische informatiebladen. Daarom werken we rechtstreeks samen met warmtepompfabrikanten om zeer gedetailleerde meetgegevens te verkrijgen en digitale tweelingen van hun machines te maken. Deze digitale tweelingen zijn beschikbaar in GHEtool, zodat wanneer je werkt met een gebouwbelasting per uur, de optie verschijnt om een of meerdere modulerende warmtepompen uit onze warmtepompendatabase te selecteren.
In de volgende subsecties worden verschillende variaties van een basisscenario gesimuleerd met een enkele warmtepomp, een cascadeconfiguratie van twee warmtepompen en een dieper boorveld.
Referentiescenario
Om het belang van het werken met een modulerende warmtepomp te illustreren, werd een gebouw gebruikt met een piekverwarmingsvraag van 100 kW en een jaarlijkse verwarmingsvraag van 200 MWh, en een piekkoelingsvraag van 40 kW met een jaarlijkse koelingsvraag van 40 MWh. Het belastingsprofiel per uur wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
In het basisscenario werd een HP500 warmtepomp van Enrad gebruikt, met een nominaal vermogen van 111 kW, met een officiële SCOP B0/W35 van 3,41. Met deze waarde, 21 boorgaten van 150 m, een dubbele DN32-warmtewisselaar met 25 v/v% MPG en een debiet van 0,3 l/s per boorgat werd het onderstaande temperatuurprofiel verkregen.
Om het effect van de verschillende rendementsaannames te illustreren, zijn de simulaties uitgevoerd met een constant debiet. Zoals besproken in het vorige hoofdstuk zou het echter de voorkeur verdienen om het systeem te ontwerpen met een variabel debiet.
De gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof is 0,12°C, dus net boven onze drempel van 0°C.
Eén modulerende warmtepomp
In plaats van te werken met de officiële SCOP waarde voor de warmtepomp, selecteren we nu de HP500 warmtepomp rechtstreeks uit de lijst en simuleren we het boorveld hiermee. Het nieuwe temperatuurprofiel wordt hieronder weergegeven.
Het is meteen duidelijk dat de temperaturen nu lager zijn dan in het oorspronkelijke ontwerp, namelijk -1,02°C. Dit komt vooral doordat de gemiddelde SCOP 4,66 is in plaats van 3,41, zoals vermeld in de datasheet. Dit vertegenwoordigt een toename van 37% in efficiëntie, waardoor de onbalans stijgt van 99 MWh per jaar naar 115 MWh per jaar, wat de lagere temperaturen tegen het einde van de simulatieperiode verklaart.
De neerwaartse trend is ook zichtbaar als we naar de jaarlijkse SCOP-grafiek kijken.
Met de dalende temperaturen daalt ook de capaciteit van de warmtepomp. In dit geval is de warmtepomp niet langer in staat om volledig te voldoen aan de vraag van het gebouw in het laatste jaar, aangezien hij bij -1,02°C slechts ongeveer 94 kW kan leveren in plaats van de vereiste 100 kW. In GHEtool wordt dit weergegeven als een “vermogenstekort” en hieronder geïllustreerd.
In dit geval is dat niet echt een probleem, omdat de ontbrekende 6 kW slechts gedurende één uur van de simulatieperiode optreedt.
Twee modulerende warmtepompen
De bovenstaande simulatie werd uitgevoerd met één HP500 warmtepomp van 111 kW, wat voldoende bleek te zijn, maar misschien iets te klein, vooral tegen het einde van de simulatie. In deze tweede variatie werden twee kleinere HP300 units geselecteerd, elk met een nominale waarde van 60 kW, wat een totaal beschikbaar vermogen geeft van 120 kW, wat iets hoger is dan in het vorige geval. De efficiëntiecurve voor deze situatie wordt hieronder gegeven.
Wanneer er met meerdere warmtepompen in cascade wordt gewerkt, is er een strategie nodig om te bepalen wanneer elke warmtepomp gaat werken. In GHEtool is de aanpak dat voor elk vermogensniveau het maximale aantal warmtepompen in werking wordt gesteld om de gemiddelde modulatiegraad en slijtage zo laag mogelijk te houden en tegelijkertijd de nauwkeurigheid te verbeteren.
Om dit te illustreren, stel je twee machines voor van 50 kW en een vraag van 30 kW. Dit kan worden bereikt door één machine op 30 kW te laten werken of door beide machines op 15 kW te laten werken. In GHEtool wordt altijd de tweede optie geselecteerd. Voor vermogensvraag lager dan 30 kW is slechts één machine actief.
De totale gemiddelde SCOP is nu 4,93, wat 6% hoger is dan in de simulatie met een enkele HP500 unit. De temperaturen zijn echter, opnieuw door de hogere efficiëntie, iets lager en bereiken nu -1,5°C tijdens piekomstandigheden.
Een dieper boorgat
Als derde variatie wijzigen we het ontwerp van het boorveld om boven de minimumdrempel van 0°C te blijven. In plaats van 21 boringen van 150 m wordt het ontwerp gewijzigd in 10 boringen van 250 m, wat resulteert in een aanzienlijk hogere ongestoorde bodemtemperatuur. Bovendien leidt een hogere bodemtemperatuur ook tot een hoger rendement van de warmtepomp. Het temperatuurprofiel en de SCOP-curve worden hieronder weergegeven. Met dezelfde twee HP300 units geselecteerd, wordt het resulterende temperatuurprofiel hieronder getoond.
Hoewel de totale boorgatlengte afnam van 3129 m tot 2490 m (een afname van 20%), blijft de temperatuur nu boven 0°C, met een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0,2°C. De gemiddelde SCOP daarentegen steeg van 4,93 naar 5,14, echt een win-winsituatie.
Conclusie
In dit hoofdstuk is de laatste grote verbetering in de nauwkeurigheid van het boorveldontwerp onderzocht: het werken met variabele rendementen. Dit levert niet alleen een nauwkeuriger ontwerp op, omdat zowel de piekvermogens als de onbalans nauwkeuriger worden voorspeld, maar biedt ook extra inzicht in hoe het rendement wordt beïnvloed door verschillende ontwerpkeuzes, zoals het gebruik van twee warmtepompen in een cascadeconfiguratie in plaats van een enkele unit, en het werken met diepere boorvelden.
Vragen
In de bovenstaande grafiek hebben alle gebouwen een grotere boordiepte nodig wanneer 3°C wordt gebruikt als de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuurgrens, behalve het kantoorgebouw, dat in beide gevallen een identiek ontwerp heeft. Kunt u uitleggen waarom?
Downloads
Referenties
- Peere, W. (2025). Integratie van temperatuur- en deellastafhankelijke COP in ondiep geothermisch boorveld Design. In Resultaten van het Duitse geothermische congres DGK 2025. Frankfurt (Duitsland), 18-20 november 2025.
- Peere, W. (2026). Towards a more accurate design of borefields: using variable fluid properties, flow rate and heat pump efficiency. In de proceedings van GeoTHERM expo & congres, Offenburg, Duitsland, 26-27 februari 2026. Link