Door de klimaatverandering verschuift de vraag naar koeling in gebouwen. Met boorvelden kun je passieve koeling hebben (ook wel vrije koeling genoemd), maar de dimensionering van je boorveld op deze manier is vrij duur. Daarom wordt soms de optie om actieve koeling te gebruiken voorgesteld om de investeringskosten te verminderen. Dit verhoogt echter het elektriciteitsverbruik in vergelijking met passieve koeling. Dit artikel onderzoekt of en hoe het mogelijk is om een boorveld te ontwerpen voor actieve koeling en tegelijkertijd het gebruik van passieve koeling te maximaliseren.
De ontwerpuitdaging
Geothermische systemen hebben veel belangstelling gekregen in de energietransitie vanwege hun vermogen om gebruikers te voorzien van passieve koeling. Dit betekent dat er geen warmtepomp nodig is om het gebouw te koelen, omdat we direct gebruik maken van de koude die is opgeslagen in de grond (vandaar de alternatieve term: ‘vrije koeling’). Om deze koude rechtstreeks te kunnen gebruiken, moeten we ervoor zorgen dat onze gemiddelde vloeistoftemperatuur een bepaalde limiet niet overschrijdt, meestal tussen 16-18°C. De dimensionering van boorvelden voor passieve koeling vereist daarom dat we ons houden aan zeer strikte temperatuurlimieten, waardoor de vereiste grootte van het boorveld toeneemt voor gebouwen met een hoge koelvraag.
De andere traditionele optie is om af te zien van passieve koeling en het boorveld te dimensioneren om in plaats daarvan met actieve koeling te werken, waarbij een warmtepomp wordt gebruikt om het gebouw te koelen. Dit verbruikt meer elektriciteit maar verwijdert de beperking van het handhaven van het 16-18°C bereik voor passieve koeling. Daarom resulteert actieve koeling in een kleiner boorveld, maar met hogere operationele kosten.
Laten we een typisch voorbeeld bekijken om dit verschil te illustreren.
Voorbeeld gebouw: auditorium
Een auditorium in het Belgische klimaat heeft doorgaans een hogere jaarlijkse verwarmingsvraag dan koelvraag, maar ervaart vaak een hogere koelpiek dan verwarmingspiek. Dit is te wijten aan het feit dat verwarming vaak wordt geleverd via een langzaam afgiftesysteem zoals vloerverwarming, terwijl koeling wordt geleverd via een volledig luchtsysteem. Hieronder zie je de belastingscurve van dit gebouw.
Zoals te zien is, heeft het auditorium een verwarmingspiek van 32 kW en een koelpiek van 90 kW. De energievraag is echter 38,3 MWh/jaar en 3,86 MWh/jaar voor respectievelijk verwarming en koeling. Laten we dit boorveld nu dimensioneren voor zowel passieve als actieve koeling.
Geschikt voor passieve koeling
Als we ons boorgat dimensioneren voor passieve koeling, moeten we ervoor zorgen dat onze gemiddelde vloeistoftemperatuur onder 17°C blijft, omdat ons emissiesysteem anders niet aan de koelvraag kan voldoen. Dit resulteert in een vereiste totale boorgatlengte van 2310 m en een elektriciteitsverbruik van 193 kWh/jaar (bij gebruik van een SEER van 20). Hieronder zie je het temperatuurprofiel per uur.
!Let op
Hoewel passieve koeling vaak ‘gratis’ wordt genoemd, draait er altijd een circulatiepomp voor het boorveld. Daarom is ons koelrendement (SEER) eindig, meestal rond de 20-25.
!Let op
Als je niet weet hoe je dergelijke temperatuurprofielen moet interpreteren, kun je ons artikel over dit onderwerp raadplegen hier.
Geschikt voor actieve koeling
Door de passieve koelbeperking te verwijderen, kunnen we onze maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur verhogen tot bijvoorbeeld 25°C. Dit verkleint onze boorveldgrootte aanzienlijk tot 990 m totale boorgatlengte, met een jaarlijks elektriciteitsverbruik van 772 kWh/jaar (uitgaande van een SEER van 5 in actieve koeling).
Let op
Hoewel er geen technische beperking is voor de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur, is het raadzaam om deze onder controle te houden om schade aan het milieu te voorkomen. Controleer de plaatselijke wetgeving voor eventuele beperkingen met betrekking tot vloeistoftemperaturen.
Zoals aangetoond is er een significant verschil in vereiste totale boorgatlengte (2310 m voor passieve koeling tegenover slechts 990 m voor actieve koeling) en elektriciteitsverbruik (193 kWh/jaar tegenover 772 kWh/jaar). Dit roept de ontwerpvraag op: is het mogelijk om het ontwerp voor actieve koeling te handhaven en tegelijkertijd de efficiëntie van passieve koeling te bereiken? Kunnen we het beste van beide werelden combineren?
Design methodologie
Er zijn twee manieren om deze ontwerpuitdaging aan te gaan: ofwel standaard overschakelen naar actieve koeling tijdens bepaalde maanden of overschakelen naar actieve koeling wanneer een specifieke temperatuurdrempel wordt overschreden, ongeacht de tijd van het jaar. Beide methoden zijn geïmplementeerd in GHEtool Cloud en worden hieronder besproken.
Vaste maanden
Een manier om actieve en passieve koeling te combineren is om actieve koeling uitsluitend te gebruiken tijdens specifieke maanden. Deze aanpak is vergelijkbaar met een centraal omschakelsysteem waarbij u, afhankelijk van de koelvraag, mogelijk een beroep moet doen op emissiesystemen die een lager vloeistofregime vereisen, wat het boorveld niet kan leveren. Bij deze methode wordt het rendement voor zowel actieve als passieve koeling ingesteld en wordt bepaald in welke maanden actieve koeling wordt gebruikt. Op basis van deze informatie berekent het algoritme de resulterende grondbelasting, genereert het bijbehorende temperatuurprofiel en geeft een gemiddelde SEER.
Als we deze methode toepassen op de casus van het auditorium, met dezelfde SEER waarden als voorheen voor zowel actieve als passieve koeling en actieve koeling van juni tot september, krijgen we een gemiddelde SEER van 5,24 en een jaarlijks elektriciteitsverbruik van 737 kWh/jaar (wat bijna identiek is aan de casus van 100% actieve koeling).
Dit resultaat is begrijpelijk als we de bovenstaande grafieken analyseren. Door standaard te kiezen voor actieve koeling tijdens de zomer, wordt bijna alle koelvraag actief geleverd en is slechts een verwaarloosbaar deel passief, met uitzondering van een piek in passieve koeling eind mei. In dit geval moeten we 32 kW installeren voor passieve koeling en 90 kW voor actieve koeling.
Temperatuurdrempel
Een andere benadering voor het combineren van actieve en passieve koeling is gebaseerd op het principe: “Passief wanneer mogelijk, actief wanneer nodig”, met als doel de passieve koeling te maximaliseren. Bij deze methode wordt een temperatuurdrempel ingesteld: als de vloeistoftemperatuur onder deze drempel blijft, wordt passieve koeling gebruikt; als de temperatuur de drempel overschrijdt, wordt actieve koeling gebruikt.
Deze methode werkt als volgt:
- Stel de efficiëntie in actieve en passieve koeling in
- Stel de temperatuurdrempel in waarboven er actief gekoeld wordt
- Bereken de resulterende grondbelasting, uitgaande van alleen passieve koeling
- Het temperatuurprofiel berekenen
- Controleer of de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur boven de passieve drempel ligt
- Zo ja, bereken dan de resulterende grondbelasting opnieuw, waarbij elk uur waarop de temperatuur boven de drempel is, actieve koeling is.
- Zo nee, ga dan naar (7)
- Herbereken temperatuurprofiel/grootte boorveld
- Gemiddelde terugkeer SEER
Met deze methode bereiken we een geothermisch systeem met een gemiddelde SEER van 13,06 en een jaarlijks elektriciteitsverbruik van 296 kWh, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van het vorige geval.
!Let op
Bij gebruik van de temperatuurdrempelmethode wordt de gemiddelde SEER berekend over de hele simulatieperiode. De energie in MWh in de grafiek van het aandeel passieve koeling vertegenwoordigt ook de gemiddelde jaarlijkse energie voor passieve koeling. De reden hiervoor is dat, als gevolg van thermische onbalans, de bodemomstandigheden in de loop van de tijd kunnen veranderen, waardoor het aandeel passieve koeling jaarlijks kan toe- of afnemen.
De belangrijkste reden voor deze verbetering is te zien in de bovenstaande figuur, waar er nog steeds een aanzienlijke passieve koeling is tijdens de zomer. Dit is sterk afhankelijk van het koelvraagprofiel. Voor boorvelden die thermisch beperkt zijn in het derde of vierde kwadrant kan actieve koeling geen verschil maken.
!Let op
Als je ons artikel over boorveldkwadranten nog niet hebt gelezen, kun je het nalezen hier.
Een analyse van het koelvraagprofiel over de hele simulatieperiode laat zien dat passieve koeling jaar na jaar toeneemt. Dit is te wijten aan de negatieve thermische onbalans van het auditorium (herinner eraan dat de verwarmingsvraag bijna tien keer hoger is dan de koelvraag). Als gevolg hiervan koelt de grond gedurende de simulatieperiode af, waardoor het aandeel passieve koeling jaarlijks toeneemt en bijgevolg de gemiddelde SEER in de loop van de tijd stijgt.
Conclusie
Actieve en passieve koeling hebben elk hun voor- en nadelen. Actieve koeling leidt tot aanzienlijk lagere investeringskosten maar een hoger elektriciteitsverbruik, terwijl passieve koeling het tegenovergestelde effect heeft. Dit artikel heeft aangetoond dat als je je boorveld dimensioneert voor actieve koeling, maar ervoor zorgt dat er waar mogelijk passieve koeling wordt gebruikt, je een gemiddelde SEER van 13 kunt bereiken! Er is een aanzienlijk potentieel voor het integreren van actieve en passieve koeling en in het volgende artikel laten we zien hoe je dit kunt berekenen met behulp van GHEtool Cloud. Blijf kijken!
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.
- Meer informatie over actieve en passieve koeling is te vinden in (Coninx e.a., 2024).