Geothermische boorvelden kunnen in veel verschillende scenario's worden gebruikt, maar één algemeen onderscheid is tussen individuele en collectieve geothermische systemen. In dit artikel bespreken we drie verschillende typen geothermische systemen, van volledig individueel tot volledig collectief, en geven we je wat inzicht in wanneer het ene een betere keuze kan zijn dan het andere.
Drie soorten geothermische boorveldsystemen
Wanneer je een project hebt met verschillende units of gebouwen, zoals een nieuwbouwwijk of een appartementengebouw dat je wilt voorzien van aardwarmte en -koeling, sta je voor de vraag: installeren we een collectief of een individueel systeem? In de afbeelding hieronder worden drie algemene soorten oplossingen getoond.
Aan de ene kant, links afgebeeld, is er de volledig individuele oplossing. Elk appartement, gebouw of eenheid heeft zijn eigen productie van verwarming en koeling (d.w.z. een aardwarmtepomp) en is aangesloten op zijn eigen afzonderlijke boorgat of boorveld.
Aan de andere kant, rechts afgebeeld, is er de volledig collectieve oplossing. Hier centraliseer je de productie van verwarming en koeling en verdeel je de warmte en koude over de verschillende gebouwen. Wanneer dit gebeurt tussen meerdere afzonderlijke gebouwen, wordt de oplossing een traditioneel verwarmings- en koelingsnetwerk.
De laatste optie, die de laatste tijd veel aandacht heeft gekregen, is het werken met individuele productie-eenheden voor verwarming en koeling die verbonden zijn met een gecentraliseerd boorveld. Deze oplossing is vergelijkbaar met wat stadsverwarming van de vijfde generatie wordt genoemd, waarbij de geothermische temperaturen worden gedeeld door verschillende gebruikers die zelf kunnen beslissen hoe ze deze gebruiken voor verwarming of koeling.
Alle drie bovenstaande opties hebben hun eigen gebruikssituaties, voor- en nadelen. In de volgende secties zullen we ze een voor een bespreken, waarbij we ons zullen richten op de ontwerpaspecten van geothermie (piekvermogen en onbalans) en op algemene aandachtspunten (kosten, onderhoud en maatschappelijke effecten).
!Let op
In dit artikel bespreken we niet de voordelen van het gebruik van een collectief geothermisch systeem ten opzichte van individuele luchtwarmtepompen. De voordelen van geothermische boorvelden zijn al besproken in een ander artikel.
Individuele productie, individueel boorveld
Als al je gebouwen of units hun eigen aparte verwarmings- en koelsysteem hebben, moet je ervoor zorgen dat elke afzonderlijke boorput (of boorveld, afhankelijk van de grootte van het gebouw) 100% van de piekbelasting van het gebouw kan leveren. Daarnaast moet elke geothermische bron ook 100% van de onbalans aankunnen. De combinatie van deze effecten kan behoorlijk wat druk leggen op het ontwerp van de individuele boorvelden.
Het kan echter zijn dat in deze situatie de gemiddelde afstand tussen boorgaten groter is dan in een traditioneel boorveld. Stel je bijvoorbeeld een wijk voor waar elk huis zijn eigen geothermische boorgat of boorgaten heeft. Meestal liggen deze boorgaten dan verder uit elkaar dan wanneer ze in één veld zijn gecentraliseerd. Een grotere afstand tussen de boorgaten kan helpen om de potentiële onbalans op te vangen, zoals we een paar weken geleden bespraken in dit artikel.
Toch betekent het feit dat je boorvelden verbonden zijn met individuele installaties niet dat ze volledig van elkaar gescheiden zijn. Tussen elk paar geothermische boorvelden is er altijd een bepaalde mate van thermische interferentie.
Interferentie
Interferentie beschrijft het effect dat naburige boorvelden op elkaar hebben, aangezien de thermische invloed niet stopt aan de rand van het boorgat of het eigendom. Deze interferentie wordt veroorzaakt door het onevenwicht van een bepaald systeem, dat de naburige grond jaar na jaar zal afkoelen of opwarmen. Hoe dichter de afzonderlijke boorgaten bij elkaar liggen, hoe groter deze geothermische interferentie zal zijn. Het spreekt voor zich dat we rekening moeten houden met dit effect bij het ontwerpen van individuele boorgatsystemen.
!Let op
In GHEtool Cloud is het mogelijk om deze thermische interferentie tussen naburige systemen te simuleren. Meer informatie hierover vindt u in ons artikel hier.
In het onderstaande voorbeeld wordt het belang van deze interferentie duidelijk. Stel je voor dat we negen individuele huizen hebben, elk met een eigen geothermisch boorgat. Als we het boorveld voor één huis afzonderlijk zouden ontwerpen, zouden we kunnen uitkomen op een systeem dat na 20 jaar een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0,41°C heeft. Als we echter hetzelfde ontwerp nemen en het simuleren voor de hele buurt samen, wordt de uiteindelijke temperatuur (door interferentie) -0,88°C.
Het moet duidelijk zijn dat bij het ontwerp van individuele boorgaten rekening moet worden gehouden met interferentie.
!Let op
In het geval van onze negen huizen ondervindt niet elk geothermisch boorveld dezelfde mate van geothermische interferentie. De boorgaten in het midden van de wijk zullen meer storing ondervinden van de omliggende systemen dan de boorgaten aan de rand van het project. Daarom zou het simpelweg verhogen van het ontwerp van alle huizen met hetzelfde bedrag leiden tot een overschatting van de vereiste boorgatlengte voor sommige gebouwen, terwijl andere een lichte onderschatting zouden kunnen ondervinden. Het is het beste om deze situaties direct te simuleren met de storingsmodule in GHEtool Cloud om de specifieke invloed op elk systeem te bepalen.
Conclusie
In het algemeen kunnen we zeggen dat de uiteindelijke boorveldgrootte, wanneer we werken met volledig individuele systemen, wordt bepaald door twee belangrijke factoren:
- Een hoger resulterend piekvermogen (100% van de vraag van het gebouw)
- Een lagere invloed van onbalans en interferentie, afhankelijk van de afstand tussen boorgaten
Het relatieve belang van deze twee effecten kan per project verschillen. Over het algemeen zullen individuele systemen in flatgebouwen waar de boorgaten relatief dicht bij elkaar liggen (alsof ze één boorgat vormen) leiden tot een lichte over dimensionering. Voor wijken waar de boorgaten verder uit elkaar liggen dan in een enkel boorveld, kan het individuele ontwerp iets kleiner zijn.
De onderhoudskosten zijn relatief hoog voor dit type oplossing, omdat het onderhoud van meerdere warmtepompen tot hogere cumulatieve kosten leidt. Aangezien elk gebouw zijn eigen verwarmings- en koeleenheid heeft, zal dit bovendien leiden tot hogere elektrische piekbelastingen op het elektriciteitsnet, waardoor meer capaciteit nodig is.
Individuele productie, collectief boorveld
Een andere optie is om de installaties apart te houden, maar ze aan te sluiten op één boorgat. Dit kan interessant zijn in gevallen waarin de boorgaten hoe dan ook dicht bij elkaar liggen (bijvoorbeeld vanwege beperkte ruimte, zoals in het geval van een flatgebouw), of in de context van een vijfde generatie stadsverwarmingsnet. Aangezien we nu een collectief boorveld hebben, kunnen we twee grote voordelen vaststellen:
- We kunnen werken met één algemene onbalans, die altijd gelijk zal zijn aan of kleiner dan de som van de individuele onbalansen. Stel je bijvoorbeeld voor dat één gebouw meer verwarming dan koeling nodig heeft, terwijl een ander gebouw de tegenovergestelde vraag heeft. Het resulterende boorveld zou dan evenwichtiger kunnen zijn, terwijl we in het geval van individuele oplossingen twee keer met de onbalans zouden moeten omgaan.
- We kunnen werken met een lager piekvermogen door gelijktijdigheid.
Let op
Bij het werken met individuele warmtepompen wordt gelijktijdigheid steeds moeilijker te voorspellen. Stel je bijvoorbeeld warmwaterprofielen voor. De meeste mensen douchen 's ochtends of 's avonds, wat leidt tot een potentieel grote overlap in piekvermogen. Bovendien reageren steeds meer warmtepompen op dynamische elektriciteitsprijzen om te bepalen wanneer ze een gebouw verwarmen of koelen. Aangezien alle warmtepompen hetzelfde elektriciteitsprijsprofiel volgen, kan dit in extreme gevallen leiden tot een gesynchroniseerde werking met volledige gelijktijdigheid.
In dit geval liggen de boorgaten mogelijk dichter bij elkaar, wat leidt tot een sterkere invloed van onbalans. De positieve kant is dat, omdat de onbalans nu gecentraliseerd is, we ook regeneratie kunnen gebruiken (bijvoorbeeld door middel van een droge koeler, zonneabsorbers en soortgelijke technologieën) om dit probleem aan te pakken. Meer informatie is te vinden in een ander artikel. Het centrale boorveld zelf blijft echter een passieve component zonder eigen controlesysteem. Het toevoegen van regeneratie zou daarom een gecentraliseerde controlestrategie vereisen, wat de complexiteit van het systeem zou kunnen vergroten.
Conclusie
Als je met een collectief boorveld werkt, heb je mogelijk te maken met een lager piekvermogen en onbalans. Maar omdat de boorgaten dichter bij elkaar liggen, kan de invloed van de onbalans groter zijn. De uiteindelijke beslissing of dit gunstig is of niet, hangt uiteindelijk af van het specifieke project. Over het algemeen zal voor appartementen waar de boorgaten al vrij dicht bij elkaar liggen, een collectief boorveld waarschijnlijk kostenefficiënt zijn. Voor wijken is dit meestal niet het geval, tenzij de boorgaten verder uit elkaar geplaatst kunnen worden en verbonden kunnen worden via een vijfde generatie stadsverwarmingsnet.
Omdat er nog steeds meerdere systemen zijn, blijven de cumulatieve onderhoudskosten van deze oplossing relatief hoog, net als de totale piekvraag op het elektriciteitsnet. Omdat gelijktijdigheid niet gegarandeerd kan worden en regeneratie in dit geval iets complexer is, is het boorveld over het algemeen groter dan in de volgende optie.
Collectieve productie, collectief boorveld
Onze laatste optie combineert gecentraliseerde productie van verwarming en koeling met een gecentraliseerd boorveld. Dit is de traditionele oplossing voor stadsverwarming en -koeling, met een gedeeld productiesysteem. Net als in het vorige geval, waarbij we het boorveld centraliseerden, profiteren we van een lagere totale onbalans in vergelijking met de afzonderlijke systemen.
In tegenstelling tot het collectieve boorveld met individuele productie, betekent een gecentraliseerd productiesysteem echter dat we rekening kunnen houden met echte gelijktijdigheid. Hierdoor kan de warmtepomp anders gedimensioneerd worden, wat resulteert in een lagere piekvraag naar vermogen.
Net als bij de vorige optie liggen de boorgaten waarschijnlijk dichter bij elkaar, wat het effect van onbalans kan vergroten. Aangezien we echter ook een gecentraliseerde productie-eenheid hebben, wordt het relatief eenvoudig om dit te beperken door een hybride systeem te maken of door regeneratie in te bouwen.
Conclusie
Een volledig collectief systeem zal resulteren in een lagere piekbelasting van het boorveld en een vergelijkbare totale onbalans. Daarom zal deze oplossing, in vergelijking met het geval met individuele productie-eenheden en een collectief boorveld, over het algemeen leiden tot kleinere geothermische systemen, hoewel dit nog steeds afhangt van het specifieke project en de geometrie van het boorveld. Over het algemeen is deze oplossing kostenefficiënter voor appartementen, terwijl ze duurder kan zijn voor wijken vanwege de behoefte aan geïsoleerde distributieleidingen voor verwarming en koeling.
Omdat we nu maar één systeem hoeven te onderhouden, zijn de cumulatieve onderhoudskosten lager en is er ook minder elektrische capaciteit van het elektriciteitsnet nodig. Collectieve systemen zijn gemakkelijker te optimaliseren.
Gelijktijdigheid in de grond?
In de drie verschillende gevallen die hierboven zijn besproken, noemden we simultaneïteit (waarover u hier meer kunt lezen), het concept dat piekbelastingen afvlakken wanneer meerdere gebruikers hetzelfde systeem delen. Dit verklaart waarom er in het geval van een collectief boorveld, en vooral voor een volledig collectief systeem, een lager resulterend piekvermogen op het boorveld is. Dit is echter niet het geval voor individuele systemen.
“Maar er is interferentie tussen de verschillende boorgaten. Is er geen gelijktijdigheid onder de grond?” Het korte antwoord is nee. Voor het lange antwoord kijken we naar de grafiek hieronder.
Zoals gezegd is interferentie reëel en zeer significant voor naburige systemen, maar de tijdschaal van interferentie en die van gelijktijdigheid zijn zeer verschillend. Hierboven bespreken we de langetermijneffecten op de boorveldtemperatuur (meer informatie hier) voor drie verschillende boorafstanden. Zoals te zien is, vallen alle lijnen aanvankelijk samen, maar na één tot twee maanden begint het geval met een boorgatafstand van 6 m uiteen te lopen. Dit markeert het moment waarop de warmte ver genoeg door de grond heeft gereisd om het naburige boorgat te bereiken.
Deze tijdschaal van maanden tot jaren (afhankelijk van de afstand) is veel langer dan de tijdschaal waarop gelijktijdigheid optreedt, die onmiddellijk is. Daarom is interferentie relevant voor de lange termijn en voor de collectieve onbalans van alle systemen, maar kan het niet worden gebruikt om lagere piekvermogens te bereiken.
Conclusie
In dit artikel hebben we drie verschillende geothermische oplossingen besproken: het volledig individuele systeem (waarbij zowel de productie als de boorputten gescheiden zijn), het volledig collectieve systeem (met collectieve productie en een gedeeld boorveld) en een gecombineerde oplossing, waarbij afzonderlijke productie-eenheden voor verwarming en koeling zijn aangesloten op een centrale geothermische bron.
Hoewel de specifieke kostenbesparingen van de overstap van individuele naar collectieve systemen afhangen van de kenmerken van elk project, biedt de overstap naar een collectief boorveld het voordeel van het werken met een gecombineerde onbalans in plaats van deze per gebouw aan te pakken. Bovendien kan het centraliseren van de productie helpen om de onderhoudskosten te verlagen, het piekvermogen op het boorveld te beperken en de vereiste elektrische capaciteit te verlagen.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.