In deze oefening onderzoeken we hoe je een boorgat kunt ontwerpen voor een eengezinswoning. Het doel is om het verschil te leren tussen het ontwerpen voor verwarming of koeling en om het verschil in benodigde boorgatlengte te zien wanneer je werkt met actieve of passieve koeling. Daarnaast benadrukken we het verschil tussen het ontwerpen voor een modulerende of een aan/uit warmtepomp en het belang van het debiet.
De oefening
De casus voor deze oefening is gebaseerd op een echt eengezinsgebouw in de stad Antwerpen (België). Om een geschikt boorveld voor dit gebouw te ontwerpen, zul je gebruik moeten maken van kennis uit een aantal eerdere artikelen (waar we naar zullen verwijzen waar nodig). Tijdens deze oefening zul je de verschillende vragen onderzoeken die zich voordoen bij het ontwerpen van een boorveld voor een kleiner project. Gewoonlijk werden geothermische boorvelden ontworpen om te voldoen aan de verwarmingsvraag van het gebouw, waarbij koeling werd gezien als ‘een leuk extraatje’. Tegenwoordig, met de toenemende vraag naar zomercomfort, wordt dit echter steeds belangrijker. In deze oefening maak je jezelf vertrouwd met deze ontwerpvragen voor een eengezinswoning.
Hint
Om het meeste uit deze oefening te halen, raden we aan om de onderstaande ontwerpvragen te beantwoorden voordat je de bijgeleverde oplossing leest. Borefield ontwerpen is verre van eenvoudig en de beste manier om de complexiteit ervan onder de knie te krijgen is door praktische ervaring op te doen.
Invoerparameters
Algemene invoerparameters
- Gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof: 2°C
- Drempelwaarde voor maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur: 17°C (passieve koeling) | 25°C (actieve koeling)
!Let op
Deze temperaturen zijn gekozen om ervoor te zorgen dat de koeling in een passieve of vrije modus kan werken (vandaar de bovengrens van 17°C). De ondergrens van 2°C is ingesteld om negatieve temperaturen in het boorgat te voorkomen. Een gemiddelde vloeistoftemperatuur van 2°C komt typisch overeen met een aanvoertemperatuur van 0°C en een retourtemperatuur van 4°C, uitgaande van een temperatuurverschil ($\Delta T$) van 4°C.
- Simulatieperiode: 40 jaar
- Eerste maand van de simulatie: Januari
Bodemingangsparameters
- 1,9 W/(mK) van 50 - 200 m
- Volumetrische warmtecapaciteit: 2,4 MJ/(m³K)
- Plaats: ‘Bel-Antwerpen’
Borefield invoerparameters
Alle boorvelden in deze oefening liggen op een lijn, met een gelijke afstand tussen de boorgaten in lengte en breedte van 6 m. De begraafdiepte is 1 m en de initiële startconfiguratie is 1 x 3 boorgaten met een boordiepte van 90 m.
Ingangsparameters boorgatweerstand
De parameters voor de pijp zijn:
- Dubbele DN32 PN16-pijp (d.w.z. een wanddikte van 3 mm en een buitendiameter van 32 mm)
- Diameter boorgat: 140 mm
- Afstand van pijp tot boorgatcentrum: 35 mm
- Grout: 1,8 W/(mK)
De vloeistof is 25 v/v% MPG met een stroomsnelheid van 0,7 l/s voor het hele boorgat.
!Let op
In een toekomstig artikel zullen we in detail bespreken hoe je het debiet door je systeem kunt berekenen. Eén manier is om in de technische documentatie van je warmtepomp te kijken en te controleren wat het nominale debiet is.
Invoerparameters thermische belasting
- Piekvraag verwarming gebouw: 9,2 kW
- Modulerende warmtepomp van 12 kW
- Jaarlijkse verwarmingsvraag: 12 MWh
- Koelvraag gebouw: 8,7 kW
- Jaarlijkse koelvraag: 6,1 MWh
- Jaarlijkse vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik: 2,1 MWh
- SCOP: 4,87 (verwarming)
- SCOP: 3.13 (DHW)
- SEER: 20 (passieve koeling)
- SEER: 6 (actieve koeling)
Design vragen
Voor deze oefening wordt je gevraagd de volgende ontwerpvragen te beantwoorden terwijl je de totale boorgatlengte voor elke stap bijhoudt. Dit zal je helpen om de implicaties van verschillende ontwerpwijzigingen voor de kosten en prestaties te beoordelen.
Hint
Om je werk overzichtelijk te houden, is het aan te raden om voor elke ontwerpvraag een apart scenario te gebruiken.
- Kan, gezien het oorspronkelijke boorveldontwerp van 1 × 3 boorgaten op 90 m, aan de vraag naar verwarming en koeling worden voldaan?
- Wat is de vereiste totale boorgatlengte als we het boorveld zo ontwerpen dat aan de koelvraag kan worden voldaan met passieve koeling?
- Hoe kunnen we de totale boorgatlengte beperken?
- Hoe verandert het ontwerp als er in plaats van passieve koeling actieve geothermische koeling wordt gebruikt?
- Als we een aan/uit-warmtepomp gebruiken in plaats van een modulerende, zou dat ons ontwerp veranderen?
Oplossing
Hieronder vind je de antwoorden op de eerder gestelde ontwerpvragen. Het is belangrijk om te benadrukken dat er niet één correct antwoord is. De waarde van deze oefening ligt in het begrijpen van de redenering achter elke beslissing in plaats van het strikt eens te zijn met elke veronderstelling.
Elk geothermisch project is uniek en de keuzes die u maakt met betrekking tot parameters, configuraties en drempelwaarden zijn sterk afhankelijk van projectspecifieke beperkingen, ontwerpprioriteiten en praktische overwegingen. Gebruik deze antwoorden als leidraad, maar aarzel niet om de aannames in twijfel te trekken en alternatieven te onderzoeken.
Vraag 1
Met een totale boorgatlengte van 267 m is dit eerste ontwerp een traditioneel ontwerp voor ondiepe geothermische boorvelden voor een woongebouw. Het is gebaseerd op de verwarmingsvraag en zal altijd boven de minimumdrempel van 2°C blijven (het werkelijke minimum blijkt 2,22°C te zijn).
!Let op
Je zou verwachten dat 3 boringen van 90 m een totale boorgatlengte van 270 m zouden opleveren, in plaats van 267 m. Er is echter een verschil tussen boorgatlengte en -diepte. Aangezien er een boordiepte van 1 m is, is de actieve boorgatlengte eigenlijk 89 m in plaats van 90 m, wat het verschil verklaart.
Met behulp van de invoerparameters die we hadden, zien we dat het boorgat een laminaire stroming heeft tijdens zowel verwarmen als koelen, zodat de effectieve thermische weerstand van het boorgat min of meer gelijk is (meer informatie hierover is te vinden in hier). Met dit ontwerp zien we eigenlijk dat we niet in staat zijn om het vereiste zomercomfort te leveren, aangezien de maximale gemiddelde temperatuur van de vloeistof van 20,42°C onze limiet van 17°C voor passieve koeling aanzienlijk overschrijdt.
!Let op
Tegenwoordig worden steeds meer boorvelden ontworpen met een minimumtemperatuur van 0°C. Hoewel een dergelijk systeem afdoende kan functioneren, houdt het geen rekening met thermische interferentie tussen verschillende boorgaten. Bovendien zou met minder boorgatmeters de piektemperatuur tijdens koeling nog hoger zijn (meer informatie hier). Voor een robuuster, veiliger en zeer efficiënt ontwerp raden we daarom aan om te ontwerpen met een minimumtemperatuur van 2°C.
Vraag 2
Om de vereiste grootte van het boorveld te vinden dat ook in staat is om ons gebouw te koelen, kun je het doel ‘bereken vereiste diepte’ in GHEtool gebruiken voor dezelfde 3 boorgaten. Wanneer we dit doen, zullen we een gradiëntfout tegenkomen (meer informatie hierover is te vinden in onze apart artikel). Omdat 90 m niet voldoende was om aan de koelvraag te voldoen, zijn diepere boringen nodig. Maar omdat hierdoor ook de bodemtemperatuur stijgt, kan het zijn dat er geen haalbare oplossing bestaat met slechts 3 boringen.
Als we 4 boorgaten gebruiken in plaats van 3, kan de vereiste diepte van het boorgat worden berekend en deze is net iets minder dan 150 m. Nu blijft de vloeistoftemperatuur onder de maximumlimiet van 17°C, maar we hebben een totale boorgatlengte van 590 m nodig in plaats van de 267 m van voorheen.
Er zijn twee belangrijke redenen waarom het verschil tussen ons eerste ontwerp en dit passieve ontwerp zo groot is. Ten eerste, omdat we nu dieper boren, is de bodemtemperatuur ongeveer 1°C hoger, waardoor passieve koeling moeilijker wordt (en er nog meer boorgatlengte nodig is). Ten tweede is de effectieve boorgatweerstand toegenomen van 0,1308 mK/W tot 0,1630 mK/W, omdat de stroomsnelheid nu is verdeeld over vier in plaats van drie boorgaten, waardoor het moeilijker is voor het boorveld om energie uit te wisselen met de grond.
Let op
Als u met een debiet per boorgat werkt, zou een overstap van drie naar vier boorgaten een toename van het totale debiet door het systeem betekenen. In de praktijk gebeurt dit echter niet, omdat het debiet wordt bepaald door de vraag van het gebouw. Daarom is het bij het veranderen van het aantal boorgaten (en in het algemeen) beter om te werken met een debiet voor het hele boorveld. In een toekomstig artikel zullen we dieper ingaan op de berekening van het debiet.
Vraag 3
Eén manier om te proberen de totale lengte van het boorgat te beperken is het debiet aan te passen. Aangezien het totale debiet echter vastligt, is de enige optie om de boorgaten in paren van twee in serie met elkaar te verbinden. In deze configuratie wordt de totale stroomsnelheid gedeeld door twee in plaats van door vier, zoals het geval is als alle boorgaten parallel zijn aangesloten (lees dit artikel voor meer informatie).
Als we dit doen, is ons Reynoldsgetal nu 3016 tijdens koeling (d.w.z. injectie), waardoor we een aanzienlijk betere effectieve boorgatwarmteweerstand krijgen van 0,0846 mK/W, waardoor de vereiste boorgatdiepte daalt tot iets minder dan 90 m. Dit brengt de totale boorgatlengte op 354 m, wat meer is dan in ons eerste scenario, maar aanzienlijk minder dan in het vorige.
Vraag 4
Een andere manier om met de hoge koelvraag om te gaan is door actieve koeling te gebruiken. Als we dit doen, lijkt ons ontwerp erg op het eerste scenario, omdat beide boorvelden effectief ontworpen zijn voor de verwarmingsvraag (aangezien de temperatuurlimiet van 25°C niet wordt bereikt).
!Let op
Zoals we al verschillende keren hebben besproken (zie bijvoorbeeld dit artikel) is het ook mogelijk om actieve en passieve koeling te combineren. Voor woonprojecten wordt dit echter meestal niet gedaan vanwege de hogere investeringskosten.!Let op
Overschakelen van actieve naar passieve koeling is niet eenvoudig, omdat hiervoor verschillende emissiesystemen nodig kunnen zijn. Het is bijvoorbeeld niet aan te raden om water van 12°C door een vloerkoelsysteem te laten circuleren. Bespreek de mogelijkheden van je emissiesysteem met je installateur en werk op basis daarvan.
Vraag 5
Tot nu toe hebben we gewerkt met een modulerende warmtepomp van 12 kW, wat het voordeel had dat we konden ontwerpen voor een piekverwarmingsvraag van 9,2 kW - wat het gebouw in werkelijkheid nodig heeft. Als je echter een aan/uit-warmtepomp van 12 kW gebruikt, kan de warmtepomp maar 12 kW leveren, dus moet je geothermische boorveld ontworpen worden om die volledige capaciteit aan te kunnen.
Als we ons oorspronkelijke ontwerp nemen en het maximale vermogen instellen op 12 kW, zien we dat de temperatuur tijdens het verwarmen nu daalt tot 0,29°C - ruim onder onze drempel van 2°C. Dit benadrukt hoe belangrijk het is om te weten welk type warmtepomp wordt geïnstalleerd en, als het een modulerende warmtepomp is, ervoor te zorgen dat de installateur het nominale vermogen beperkt tot de werkelijke vraag van het gebouw.
In het algemeen is het waar dat een te grote dimensionering van de aardwarmtepomp zal leiden tot een te groot boorveld - en dus tot aanzienlijk hogere investeringskosten.
Conclusie
In deze oefening werden de verschillende ontwerpvragen besproken die zich voordoen bij het ontwerpen van een boorveld voor een eengezinswoning. Terwijl boorvelden vroeger enkel werden gedimensioneerd om te voldoen aan de verwarmingsvraag, kan het rekening houden met de steeds toenemende koelvraag leiden tot aanzienlijk meer boorgatmeters (en dus hogere investeringskosten). Als klanten echter een hoog niveau van zomercomfort verwachten, kan dit de voorkeursaanpak zijn. Voor lagere budgetten is een mogelijke oplossing om te kiezen voor actieve geothermische koeling - op voorwaarde dat het emissiesysteem dit toelaat.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.