Hoe onbalans vermijden?

Onbalans is een centraal en belangrijk aspect in de wereld van geothermisch ontwerp. Vorige week bespraken we hoe je ermee om kunt gaan bij het ontwerpen van je boorveld, maar vandaag nemen we een stap terug en kijken we naar verschillende manieren om het te voorkomen.

Wat is onbalans?

Onbalans is de jaarlijkse opwarming of afkoeling van de grond die wordt veroorzaakt door een verschil tussen de energie die er jaarlijks aan wordt onttrokken en die er jaarlijks in wordt geïnjecteerd. In die zin wordt het volledig bepaald door de energievraag van je gebouw en is het iets waar je gewoon mee moet leren omgaan. Hieronder zie je een voorbeeld van een door winning gedomineerd boorveld.

De geothermische vraag hierboven vertaalt zich in het door extractie gedomineerde boorveld hieronder. Zoals u kunt zien, daalt de temperatuur jaar na jaar omdat er meer energie wordt onttrokken dan geïnjecteerd. Dit legt een aanzienlijke druk op de minimumdrempel aan het einde van de simulatieperiode, omdat dit het kritieke ontwerppunt wordt. Hoe groter de onbalans, hoe meer boorgatmeters (en dus investeringen) nodig zijn om dit op te vangen.

!Let op
Niet alle onbalans leidt per definitie tot meer boorgatmeters en dus hogere investeringskosten. Als er een bepaalde onbalans is, maar je boorveld is al beperkt in het eerste jaar door een hoog piekvermogen, wordt het minder belangrijk. Meer informatie is te vinden in ons artikel op de boorveldkwadranten.

Vermijden of ermee omgaan?

Het is duidelijk dat onbalans aanzienlijke uitdagingen kan veroorzaken voor je boorveldontwerp, en zoals met de meeste uitdagingen in het leven kun je het proberen te vermijden of ermee leren omgaan.

Vorige week hebben we gekeken naar verschillende manieren om met de onbalans om te gaan als die eenmaal gegeven is. (Je kunt het artikel vinden hier.) Deze week nemen we een stap terug en kijken we naar de verschillende ontwerpopties die beschikbaar zijn om onbalans te voorkomen. Dit kan op twee manieren: door rekening te houden met de architecturale beslissingen in het gebouw of door een meer systeemgebaseerde aanpak te gebruiken. Beide worden hieronder uitgelegd.

Grafische weergave van de oorsprong van onbalans en waar je er iets aan kunt doen.

Architectonische benadering

Zoals eerder vermeld, is onbalans een gevolg van de vraag van het gebouw naar verwarming, koeling en sanitair warm water, maar die vraag staat niet vast. Natuurlijk zijn aspecten zoals bezettingsgraad en comfortniveaus vrij strikt en onveranderlijk, maar in de architecturale ontwerpfase van een project zijn er verschillende factoren die we kunnen beïnvloeden en die de uiteindelijke verwarmings- en koelingsvraag van het gebouw zullen bepalen. Hieronder worden er een paar besproken.

Zonneschermen

Een van de meest voorkomende discussies in de architecturale fase van een project is de vraag of er zonneschermen moeten worden geïnstalleerd om te voorkomen dat het gebouw in de zomer oververhit raakt.

Hoewel dit een goed idee kan zijn omwille van het comfort, zal het installeren van zonwering de koelvraag van het gebouw verlagen en wanneer je een borefield hebt dat gedomineerd wordt door extractie (waar de temperatuur jaar na jaar zal dalen), is dit niet ideaal. In die situatie wil je eigenlijk een hogere koelvraag om je boorveld in evenwicht te houden.

!Let op
In plaats van zonneschermen te plaatsen, zou het beter zijn om naar manieren te zoeken om het gebouw koel te houden zonder de koelvraag zelf te verminderen, want dat beïnvloedt de onbalans. Je kunt bijvoorbeeld koele ventilatoren gebruiken om de hoge koelvraag in de zomer op te vangen. Zorg er echter altijd voor dat je borefield ook de piekvraag naar koeling aankan.

Windows-

Naast zonneschermen hebben ook de grootte en locatie van ramen een aanzienlijke invloed op onbalans. Enerzijds heeft de grootte van de ramen een dubbel effect: het verhoogt de zonnewinsten in de zomer (waardoor de koelvraag toeneemt en dus ook de injectielast op het boorveld), maar anderzijds verhoogt het ook de geleidingswarmteverliezen in de winter (waardoor de verwarmingsvraag toeneemt en dus ook de onttrekkingsbelasting op het boorveld).

De relatieve grootte van deze effecten wordt bepaald door de plaatsing of locatie van de ramen. Een raam aan de noordgevel van het gebouw zal de koellast slechts licht verhogen, terwijl een raam aan de zuidgevel de koelvraag aanzienlijk zal verhogen. De warmteverliezen in de winter zijn minder gevoelig voor oriëntatie.

Naast de grootte en oriëntatie van de ramen maken ook hun U- en g-waarden een verschil. De eerste parameter beïnvloedt de isolatiekwaliteit van het raam (en dus de verwarmings- of afzuigvraag), terwijl de tweede parameter de zonnewinsten beïnvloedt (die de koelings- of injectievraag beïnvloeden).

Materiaal vloer

Een laatste onderwerp dat een grote invloed heeft op de geothermische onbalans is het vloermateriaal. Beide onderstaande situaties maken gebruik van vloerverwarmingssystemen, maar de ene is afgewerkt met keramische tegels, terwijl de andere een massief houten vloer heeft.

Naast het verschil in esthetiek is het thermische gedrag van beide vloeren extreem verschillend. De keramische vloer is een zeer goede warmtegeleider, terwijl de houten vloer meer als een isolator werkt. Dit betekent dat als je vloerkoeling wilt gebruiken, een keramische vloer bijna 50 procent beter zal presteren dan een houten vloer. Dit heeft niet alleen invloed op het thermisch comfort, maar ook op de onbalans, omdat een houten vloer minder van de koelvraag zal opvangen, wat resulteert in een lagere injectielast op het boorveld.

Systeembenadering

De hierboven besproken opties kunnen worden gebruikt om de vraag van het gebouw tot op zekere hoogte aan te passen, maar voordat we onbalans in ons geothermische ontwerp aanpakken, is er nog een andere benadering die we kunnen kiezen om dit te voorkomen: de systeembenadering. Hieronder worden beide opties, hybridisatie en regeneratie, besproken.

Hybridisatie

We ontwerpen een HVAC-systeem om het gebouw te voorzien van de vereiste verwarming en koeling, maar afhankelijk van de configuratie wordt slechts aan een bepaald deel van deze vraag voldaan door het boorveld. Wanneer we de grafiek van de onbalans opnieuw bekijken, wordt het duidelijk dat het gebouw een hogere verwarmingsvraag heeft dan koelvraag (te zien aan een hogere onttrekking dan injectie van warmte), wat de onbalans veroorzaakt.

Eén benadering om het boorveld in balans te brengen is om een deel van de verwarmingsvraag van het gebouw uit het geothermische systeem te halen en toe te wijzen aan een andere technologie, zoals een lucht/water-warmtepomp, gasketel of elektrische verwarming. Op deze manier veranderen we niets aan de vraag van het gebouw zelf, maar elimineren we de geothermische onbalans door een deel van de belasting naar elders te verplaatsen.

!Let op
Zoals vermeld in ons artikel Op de kwadranten van het boorveld zijn de injectie- en extractiebelastingen niet identiek aan de koel- en verwarmingsvraag van het gebouw, aangezien er een warmtepomp tussen beide werkt. Bovendien, als er ook sanitair warm water wordt geproduceerd met behulp van de aardwarmtepomp, komt een deel van de onttrekkingsbelasting daar vandaan. In dit artikel houden we hier echter geen rekening mee.

Voorbeeld van een hybride systeem

Hoewel hybride systemen (zoals we uitgebreid hebben besproken in onze artikelen over dat onderwerp) worden meestal gebruikt in grotere installaties, maar ze kunnen ook voorkomen in kleinere woonprojecten. Een voorbeeld is een gebouw met vloerverwarming en -koeling gekoppeld aan een geothermische warmtepomp, dat in de zomer te warm wordt. Om oververhitting te voorkomen, installeren de eigenaren een aparte split-unit voor airconditioning om aan de koelvraag te voldoen. We hebben dan een hybride systeem waarbij zowel een geothermische als een luchtwarmtepomp aanwezig is.

Als het geothermische systeem echter wordt gedomineerd door extractie, zal het hierboven beschreven hybride systeem niet gunstig zijn voor de onbalans. De split unit kan de kamertemperatuur gemakkelijk afkoelen tot 21°C, waardoor er geen koellast overblijft voor het vloerkoelsysteem. Als gevolg daarvan zal de hoeveelheid warmte die terug in het boorveld wordt geïnjecteerd bijna nul zijn, wat een aanzienlijke toename van de onbalans kan veroorzaken.

Aan de andere kant, als de split-unit ook wordt gebruikt om te helpen verwarmen in de winter, kan dit een deel van de verwarmingsvraag van het gebouw wegnemen van het boorveld, wat gunstig zou zijn voor de balans van het boorveld.

Regeneratie

Een andere benadering om de onbalans op het boorveld te verminderen is regeneratie. In plaats van een deel van de belasting van het boorveld weg te nemen om de onbalans te compenseren, verhogen we hier de tegenovergestelde belasting. In het onderstaande geval bijvoorbeeld, waar de onttrekking groter is dan de injectie, kunnen we de injectievraag verhogen door droge koelers, zonneabsorbers of soortgelijke systemen te installeren. Op die manier wordt de onbalans opnieuw gecompenseerd.

Let op
Wanneer u uw boorgat regenereert, verhoogt u de belasting erop. Het is belangrijk om te simuleren of je boorveld deze extra belasting daadwerkelijk aankan. Als u bijvoorbeeld in het bovenstaande geval zonneabsorbers zou installeren om extra warmte in de grond te injecteren, zou dit het injectievermogen verhogen en daarmee ook de gemiddelde vloeistoftemperatuur in het boorgat. U moet ervoor zorgen dat u nog steeds de vereiste koeling aan uw gebouw kunt leveren - met andere woorden, zorg ervoor dat uw regeneratie het werkelijke comfort van het gebouw niet verstoort.

Binnenkort verwacht
Volgend jaar zullen we modules voor regeneratie (naast hybridisatie) uitbrengen in GHEtool Cloud. Blijf daarvoor op de hoogte!

Conclusie

Onbalans speelt een belangrijke rol in het werk van een geothermisch ontwerper, en hoewel je kunt proberen ermee om te gaan tijdens de ontwerpfase van het boorveld, is het beter om onbalans helemaal te voorkomen. In dit artikel hebben we ons gericht op twee benaderingen om dit te bereiken: de architectonische benadering en de systeembenadering.

De eerste benadrukte het belang van keuzes in het ontwerp van gebouwen met betrekking tot raamgrootte en -plaatsing, zonwering en ook de impact van vloertype bij het werken met vloerverwarming en -koeling. De tweede introduceerde de toevoeging van een andere technologie aan het HVAC-systeem om een hybride systeem te creëren, dat een deel van de belasting wegneemt van het boorveld om het in balans te houden, of een geregenereerd boorveld, waarbij we de onbalans tegengaan door er extra warmte in of uit te injecteren of te onttrekken.

Referenties

• Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.