Raadpleeg de Kennisbank

Bronontwerp

U bent hier:

1.Bronontwerp: keuze geschikte bodemlaag

In deze paragraaf bespreken we de keuze van de geschikte bodemlaag.

De volgende ontwerp-aspecten zijn van belang voor de keuze van een geschikte bodemlaag:

  • Wet & regelgeving
  • Beïnvloeding overige belangen
  • Dikte, opbouw en doorlatendheid pakket
  • Grondwaterkwaliteit
  • Grondwaterstroming
  • Grondwatertemperatuur
  • Minimale diepte
  • Grondwaterstanden en stijghoogten

1.1. Dikte, opbouw en doorlatendheid pakket

De filterstelling van de bron mag alleen in zandlagen plaatsvinden met grof of matig fijn zand, zonder slib of kleideeltjes. Voor duurzame, zandvrije bronnen moet de zandmediaan groter zijn den 180 μm.
Als in het filtertraject fijnere zandlagen voorkomen (of klei of veen), wordt het bronfilter in het ongeschikte filtertraject ‘afgeblind’. Zo kan het voorkomen, dat in een watervoerend pakket met een dikte van 50 meter, soms maar 25 meter effectieve filterlengte kan worden geplaatst.

1.2. Minimale diepte

Bij aanleg van een infiltratiebron in het bovenste watervoerend pakket, moet de bovenkant van het filter minimaal 15 à 20 meter beneden maaiveld worden aangelegd. Als de bron te ondiep zou worden aangelegd, zou door een te hoge injectiedruk bodemsplijting kunnen optreden, waardoor het geïnfiltreerde water via verticale scheuren in de bodem of in de omstorting van de bron aan maaiveld omhoogkomt. Dit verschijnsel heet ‘onderloopsheid’ van de bron, de bron is dan opengebarsten.

1.3. Grondwaterstanden en stijghoogten

De grondwaterstand vlak aan maaiveld: bij infiltratie wordt de grondwaterstand verhoogd. Let op voor wateroverlast aan maaiveld. Stijghoogten in diepere lagen tot boven maaiveld: in sommige gebieden kan de stijghoogte tot boven maaiveld uitkomen. Er is dan sprake van artesisch grondwater. Als een bron in een artesisch pakket staat, zal hier vanzelf water uit stromen. Bij aanleg van de bron is dan een verhoogde booropstelling nodig.

1.4.Boordiepte

De boordiepte van een bron wordt bepaald door een aantal factoren, onder andere:

Gevraagde capaciteit van de bron
Hoe groter de capaciteit van de bron moet zijn, hoe langer meestal ook het filter van de bron(nen). Om voldoende lengte filter te kunnen plaatsen moet dus ook voldoende diep geboord worden.

Type bron
Bronnen voor bodemenergiesystemen kunnen worden uitgevoerd als doubletsysteem of als monobron. Een doubletsysteem bestaat uit minimaal 2 bronnen en heeft de filters op dezelfde diepte in een watervoerend pakket afgesteld. Filters zitten dus horizontaal gezien op ongeveer dezelfde diepte. De pakketdikte voor het onttrekken en infiltreren van water is minder dan bij een monobron waar de filters boven elkaar zitten.

Filterlengte
Meer filter plaatsen in een aquifer levert ook een hoger specifiek debiet op. Dit is belangrijk voor duurzame bronnen; hoe hoger het specifieke debiet hoe beter de bron. Meestal geeft dit ook een duurzamere bron.

Diepte en dikte beschikbare en vergunbare aquifer
De diepte van de boring wordt ook bepaald door de ligging van de aquifer. In Nederland zijn door het bevoegd gezag vaak aquifers aangewezen welke beschikbaar zijn voor toepassing van bodemenergie. Zo wordt in delen van Nederland een aquifer aangewezen waar geen strategisch zoet water wordt aangetroffen (strategisch zoet water is water welk in potentie in de toekomst kan worden onttrokken voor bijvoorbeeld drinkwater). Niet alle aquifers zijn dus “vergunbaar”. Daarbij komt dat bronnen niet geplaatst mogen worden in een aquifer waar verschillende waterkwaliteiten aanwezig zijn. Zit bijvoorbeeld in de 2e aquifer een overgang van zoet naar brak water, dan moet het filter of onder deze overgang worden geplaatst ofwel boven de overgang. Het is dan ook aan te raden voldoende marge aan te houden tot aan de overgang om er zeker van te zijn dat geen vermenging optreedt.

Waterkwaliteit
Zoals hierboven genoemd mag een filter niet gesteld worden in een overgangsgebied van zoet naar brak water. Soms wordt het ook niet toegestaan om filter te plaatsen ter hoogte van de overgang van brak naar zout water. Om toch voldoende filterlengte te kunnen plaatsen ver genoeg van een overgangsgebied moet dus voldoende diep geboord worden, liefst met wat marge om geen risico’s te lopen.
Ook kan een overgangsgebied van zuurstofhoudend en zuurstofloos water van invloed zijn op de afstelling. In sommige delen van Nederland zitten tot grote dieptes nog lagen met zuurstofhoudend water (bv omgeving Apeldoorn). Om bronverstopping door ijzeroxides te voorkomen is het dan aan te raden filters te stellen voldoende ver onder de (diepste) redoxgrens.

2.Globale bronconstructie

Bronnen onttrekken en retourneren grondwater. In figuur 1 is een schematische weergave van een bron weergegeven. Het bronfilter is een PVC buis met sleuven. Boven het bronfilter is loopt de PVC buis verder naar boven, maar dan zonder sleuven (‘dicht’ of ‘blind’). Dit gedeelte wordt de stijgbuis genoemd. In het bovenste gedeelte heeft de stijgbuis vaak een grotere diameter, dit wordt de pompkamer genoemd. In de pompkamer hangen de bronpomp en de injectieklep.


Figuur 1. Schematische weergave van een grondwaterbron voor OBES

Bij aanleg van de bronnen wordt eerst het boorgat geboord. Als de bron op diepte is, worden het bronfilter, de stijgbuis en de pompkamer in het boorgat ingebouwd. Vervolgens wordt rondom het filter, de stijgbuis en de pompkamer de omstorting aangebracht. Rond het bronfilter bestaat de omstorting uit filtergrind, bij de stijgbuis en de pompkamer is dit aanvulzand of een klei-afdichting.

Bij onttrekking van grondwater stroomt het grondwater eerst door de zandlagen van de bodem, in de richting van de bron. Het water passeert de boorgatwand en de omstorting, en stroomt door de filterspleten het bronfilter binnen. Door de aanzuigende werking van de bronpomp stroomt het water omhoog naar de pompkamer, waar het via de bronpomp in de persleiding / terreinleiding wordt gepompt. Bij een bron wordt net boven de bronpomp ook de injectieklep ingebouwd.

3.Maximale capaciteit van bronnen

3.1.maximale stroomsnelheid op de boorgatwand

Bij de bepaling van de maximale broncapaciteit wordt volgens richtlijnen gekeken naar de maximale stroomsnelheid op de boorgatwand. Voor infiltratie- en onttrekkingsbronnen zijn verschillende ontwerpcriteria beschikbaar. Over het algemeen is het onttrekken van water in de bodem gemakkelijker dan infiltratie. Infiltratie is doorgaans maatgevend is bij de bepaling van de benodigde boordiameter en de filterlengte. De richtlijnen zijn opgenomen voorschriften voor het maken van duurzame ontwerpen.

De maximale broncapaciteit is volgens de richtlijnen afhankelijk van:

  • doorlatendheid van het watervoerend pakket
  • aantal equivalente draaiuren van het bodemenergiesysteem
  • hoeveelheid zwevende deeltjes in het grondwater
  • gekozen ontwerpwaarde voor de verstoppingssnelheid

Met behulp van bovenstaande factoren kan berekend worden wat de maximale stroomsnelheid van het grondwater op de boorgatwand mag zijn. Als de maatgevende stroomsnelheid op de boorgatwand is bepaald, kan vervolgens een combinatie van boordiameter en de filterlengte worden bepaald, met:

A(rboorgat)        Oppervlakte boorgatwand t.h.v. filter                                                                m2
rboorgat             Afstand boorgatwand tot midden van de bron (halve boorgatdiameter)           m
Lfilter                 Filterlengte                                                                                                        m
Q                     Debiet per uur                                                                                                    m³/u
v(rboorgat)        Grondwater stroomsnelheid op de boorgatwand                                               m/u

In de praktijk wordt door boorbedrijven en adviseurs meestal aangehouden dat de maximale stroomsnelheid op de boorgatwand niet hoger mag zijn dan 3,0 meter per uur.

Voorbeeld:
Mogelijke combinaties van boordiameter en filterlengte voor een boorgatwand van 36 m2:

Ter informatie zijn de (NVOE) ontwerpnormen in het onderstaande kader opgenomen. In praktijk wordt de gegeven normen niet altijd standaard aangehouden. Verschillende bedrijven hebben eigen ontwerpnormen ontwikkeld. Over het algemeen zijn de hier gegeven normen een (te) veilige ontwerpnorm.

3.2.Capaciteit, Onttrekking en afpomping

Doorgaans wordt onder de capaciteit van de bron verstaan: de onttrekking (debiet in m³/h) die de bron kan leveren. Uit het bovenstaande blijkt dat eigenlijk geldt dat de capaciteit van een bron is de onttrekking (debiet in m³/h) die de bron kan leveren, bij een bepaalde waterstandverandering in de bron (afpomping in m). Bij de beoordeling van de capaciteit van de bronnen moet daarom altijd de bijbehorende waterstandverandering betrokken worden, zie Figuur 2. Bij het onttrekken van grondwater uit een bron daalt de waterstand in de bron. Hoe groter de onttrekking, hoe groter de daling van de waterstand. De daling van de waterstand in de bron ten opzichte van het rustniveau wordt ‘afpomping’ genoemd. Een bron kan een grotere onttrekking realiseren, door de waterstand in de bron verder te verlagen, dus een grotere afpomping te realiseren.

3.3.Specifiek debiet

In de brontechniek wordt gewerkt met de term specifiek debiet. Het specifiek debiet is de hoeveelheid water (in m³/h) die uit een bron gehaald kan worden waarbij de waterstand in de bron 1 meter daalt. De eenheid van het specifieke debiet is m³/h per meter waterstanddaling, ofwel m³/h/m.


Figuur 2. Afpomping en specifiek debiet

Specifiek debiet in de ontwerpfase
In de ontwerpfase wordt de capaciteit van de bronnen en de bijbehorende waterstandverandering bepaald door geohydrologische formules of modelberekeningen. Uit de capaciteit en de bijbehorende waterstandverandering volgt het ontwerp specifiek debiet.

Specifiek debiet in de realisatiefase
Na het boren en ontwikkelen van de bron wordt bij de capaciteitstest het specifiek debiet van de bron bepaald. Uit de bron wordt met constant debiet onttrokken en de afpomping wordt gemeten, het specifiek debiet volgt uit deze gemeten waarden.

3.4.Beoordeling capaciteit

De capaciteit van de bron wordt beoordeeld door het specifiek debiet bij realisatie te vergelijken met het ontwerp. Bij substantiële verschillen tussen het specifiek debiet bij ontwerp en realisatie, wordt eerst gekeken of dit redelijkerwijs verklaard kan worden uit afwijkende doorlatendheid van het zand of een andere filterlengte van de bron.

Als dit niet redelijkerwijs verklaard kan worden, dan is een te laag specifiek debiet te wijten aan een verstopte bron. Het grondwater kan dan niet goed in de bron binnenstromen, waardoor extra waterstandverlaging nodig is om het water te onttrekken. De capaciteit van de bron wordt dan als onvoldoende beoordeeld.

Broncapaciteit in bedrijfsfase
Bij een goede bron verandert het specifieke debiet tijdens langdurig gebruik niet. Indien wel een verandering van specifiek debiet optreedt is er iets aan de hand en dient een nadere controle aan de bron plaats te vinden. Indien de verandering zich uit in een verbetering van het specifieke debiet dan is de bron in eerste instantie mogelijk niet voldoende ontwikkeld en schoongepompt. Ook bestaat de kans dat er meetfouten zijn/worden gemaakt door niveauopnemer of uitlezer.
Indien de verandering van specifiek debiet zich voordoet als een verslechtering (grotere afpomping bij een bepaald debiet) dan moet worden gecontroleerd waar de oorzaak vandaan komt en deze moet worden opgelost. Een aantal mogelijk oorzaken zijn:

  • verstopping door redox
  • verstopping door zand- en slib
  • bacteriële groei in de bron(nen)

Capaciteitsmeting (onttrekken en infiltreren)
Het uitvoeren van een capaciteitsmeting geeft een indicatie over de hoeveelheid water die een bron in een bepaalde tijd kan leveren (onttrekken) of kan opnemen (infiltreren). Door de capaciteit direct na het schoonpompen en ontwikkelen van een bron te meten, kan de conditie van de bron op latere momenten worden gecontroleerd.

Een bron welke goed is aangelegd is een bron die op de juiste manier in de bodem is afgesteld. De filters van de bron dienen in een formatie of pakket te worden afgesteld welke een voldoende doorlatendheid heeft (kD waarde). Zo wordt geborgd dat de bron gedurende lange tijd water kan leveren of opnemen. De capaciteit van een bron wordt vooral bepaald door volgende factoren:

  • lengte van het filter
  • doorlatendheid van het zandpakket

Behalve lengte en doorlatendheid spelen ook verlaging in de bron en het watervoerende pakket een rol. Het is vaak niet verstandig om grote stijghoogteverschillen in een bron te hebben. Dit kan nadelige gevolgen hebben voor o.a. ontgassing en cavitatie van de bron.

Hoe groter de lengte van het filter en hoe beter de doorlatendheid van het zandpakket, des te hoger de capaciteit van de bron zal zijn. Belangrijk hierbij is dat de verlaging van de stijghoogte van het water niet te groot is. Een bron met een grote onttrekking maar ook een grote verlaging van de stijghoogte is niet gewenst. Een duurzame bron zal bij de maximale onttrekkings- of infiltratiecapaciteit een kleinere stijghoogteverandering hebben dan 2 tot 5 meter.

Een grove vuistregel voor het bepalen van de verlaging van de waterstand in een bron is volgende:
Q onttrekking (m³/dag) / kD waarde filterpakket (m2/d) = dh verlaging (m)

Een manier om de capaciteit van een bron te benoemen is: specifieke debiet. Een hoog specifiek debiet wil zeggen dat de bron veel water kan leveren bij een geringe stijghoogteverandering. Een bron met een filterlengte van 10 meter specifiek debiet van 100 m³/uur/meter is een goede bron. Een bron met een filterlengte van 10 meter en een specifiek debiet van 2 m³/uur/meter is een twijfelachtige bron.

Om de conditie van de bron te kunnen blijven volgen dienen regelmatig metingen aan de bron te worden uitgevoerd. Door telkens het specifieke debiet van de bron uit te rekenen en te vergelijken met de vorige metingen kan inzicht worden verkregen of de conditie van de bron beter of slechter wordt. Het specifieke debiet van een bron wordt altijd uitgedrukt in het aantal m³ dat een bron per uur kan leveren bij een stijghoogteverandering van 1 meter.

Specifiek debiet: debiet bij 1 m afpomping. Voorbeeld: 86 m³/uur, 2 meter daling in de bron, levert een specifiek debiet van 43 m³/uur per meter. In tabel 1 is een inzicht gegeven in het volgen van de conditie van een bron. De conclusie is dat de bron langzaam in conditie achteruit gaat, namelijk van 100% naar 86%.

Tabel 1. Voorbeeld van het verloop van debiet, afpomping en specifiek debiet van een OBES bron.

4. Positionering van de bronnen

4.1.Vorming van een warme bel grondwater

De natuurlijke grondwatertemperatuur in Nederland bedraagt circa 8°C à 14°C. In de zomerperiode wordt warm water in de bodem geïnfiltreerd. Hierbij is meestal sprake van een temperatuur tussen 15°C en 25°C. Bij de firma Perfect gaan we uit van gemiddeld 15°C. Het geïnfiltreerde water vormt in de bodem een ‘bel’ van warm water in het watervoerend pakket (figuur 3). De berekening van de verbreiding van het geïnfiltreerde water in de bodem wordt toegelicht in onderstaand kader.


Figuur 3.Schematische weergave van de opslag van warm water in de bodem bij de warme bron van een doublet; in de zomer wordt een warme bel grondwater opgebouwd.

Bij doubletten worden in de regel de warme en koude bronfilters op ongeveer dezelfde diepte afgesteld. Tussen warme en koude bron moet daarom een horizontale afstand worden aangehouden om te voorkomen dat er kortsluiting ontstaat tussen de koude en de warme bron. Bij een monobron worden het warme en koude bronfilter elk op een andere diepte afgesteld. Dit is een belangrijk verschil ten opzichte van een doubletsysteem. Voor een monobron hoeft maar één boring te worden uitgevoerd. Tussen warme en koude bron moet een verticale afstand worden aangehouden om te voorkomen dat er kortsluiting ontstaat tussen de koude en de warme bron.

De bodem bestaat voor circa 1/3 uit grondwater en voor 2/3 uit bodemmatrix (zand, klei, etc). Bij de verbreiding van het geïnfiltreerde warme water in de bodem, zal de bodemmatrix binnen de ‘ warme bel’ ook worden opgewarmd. In onderstaand kader wordt de verbreiding van de warmte in de bodem berekend.

Het voorbeeld laat zien dat warmtetransport in de bodem langzamer gaat dan het transport van grondwater:

  • In het eerste kader is berekend dat 40.000 m³ geïnfiltreerd water in de bodem een volume inneemt van 120.000 m³. Het geïnfiltreerde water bereikt een straal van 36 meter rondom de infiltratiebron (bij een verticale verbreiding van 30 meter). Dit wordt de hydraulische straal genoemd.
  • In het tweede rekenvoorbeeld is berekend dat met de geladen warmte (1.008.000 MJ) een bodemvolume van 67.200 m³ kan worden verwarmd met 6°C. Een bodemvolume van 67.200 m³ heeft een straal van 27 meter rondom de infiltratiebron (bij een verticale verbreiding van 30 meter). Dit wordt de thermische straal

De thermische straal is kleiner dan de hydraulische straal. Het verschil tussen de hydraulische en de thermische straal zit in de opwarming van de bodemmatrix (het korrelskelet van de bodem), ook wel thermische retardatie genoemd.

4.2.Vuistregel bronafstand

In de case voor open systemen op dag 1 is de berekening van de thermische en hydraulische straal van een koude of warme bel grondwater beschreven. Op basis van deze berekeningen zijn de volgende vuistregels voor de minimale onderlinge afstand tussen de bronnen van toepassing:

  • Bronafstand groter dan 3 x thermische straal, of
  • Bronafstand groter dan 2,25 x de hydraulische straal.

In gebieden met veel vraag naar OBES kan van deze vuistregels worden afgeweken omdat OBES systemen niet veel slechter gaan werken bij een beetje thermische interactie en er dan wel veel meer gebouwen toegang hebben tot de technologie, zie onderaan deze pagina links naar meer achtergrond materiaal hierover.

Formules hydraulische en thermische straal:

Ca                  Warmtecapaciteit aquifer                                                      MJ/m3/K

Cw                 Warmtecapaciteit water                                                         MJ/m3/K

h                   Verticale verbreiding van het geïnfiltreerde water                  m

n                   Porositeit                                                                                –

Qseizoen           Debiet per seizoen                                                              m³/seizoen

Rhydraulisch        Hydraulische straal                                                            m

Rthermisch          Thermische straal                                                              m

4.3.Positionering van de bronnen

Bij energieopslag waar zowel koude als warmte even belangrijk zijn, worden de bronnen dwars op de stromingsrichting geplaatst. Zowel warm als koud grondwater zal dan ondergronds afstromen naar de omgeving (figuur 4 links). Als koeling de belangrijkste vorm van energielevering is, kan de koude bron juist bovenstrooms van de andere bron geplaatst. Voordeel hiervan is dat de koude bel grondwater langzaam zal afstromen richting de warme bron. Dit heeft een positieve uitwerking op de energiebalans (figuur 4 rechts). Bij het verdere ontwerp zal de gekozen positionering van de bronnen gecontroleerd worden met een hydrothermische berekening met een warmtetransportmodel, zoals MODFLOW, HST3D of Feflow.


Figuur 10. Positionering van de bronnen loodrecht op de grondwaterstroming (links) en parallel aan de grondwaterstroming, met de belangrijkste bron bovenstrooms (rechts).

4.4.Inpasbaarheid bronnen

De bronlocaties moeten goed bereikbaar zijn tijdens de bouw én de gebruiksfase. Rondom de bron moet tijdens het boren voldoende ruimte zijn (20 x 10 m). Verder moet rekening worden gehouden met het leidingtracé naar de technische ruimte.

Bij het bepalen van de positionering en onderlinge afstand van de bronnen is het goed om te beseffen dat in de exploitatiefase:

  • De energiehoeveelheid per seizoen vaak kleiner is dan volgens ontwerp
  • Het verpompt debiet vaak groter is dan ontwerp
  • De energiebalans vaak (sterk) afwijkt
  • De grootte en richting van de grondwaterstroming kan afwijken

Vanwege de laatste drie bullets kan enige marge in de bronafstand aangehouden worden.

4.5.Gevolgen bronafstand voor functioneren van het bodemenergiesysteem

Als de bronafstand te groot wordt gekozen, heeft het bodemenergiesysteem (onnodig) veel ruimtebeslag. In drukke gebieden met veel bodemenergiesystemen is dit een aandachtspunt. Voor het functioneren van het bodemenergiesysteem heeft dit vrijwel geen negatieve gevolgen.

ls de bronafstand te klein wordt gekozen, zal in de ondergrond ’thermische kortsluiting’ tussen de bronnen optreden, waardoor het thermisch rendement in de ondergrond lager wordt.

4.6.Vertikale afstand tussen bronnen van een Monobron

Een monobron heeft de filters in één (gecombineerd) watervoerende pakket boven elkaar zitten. Bij een monobron moeten ondiepe en diepe filter voldoende van elkaar gescheiden zijn. Wanneer uit het warme filter water wordt onttrokken dan wordt dit tegelijkertijd geïnfiltreerd in het het koude filter. Wanneer de filters te dicht bij elkaar worden geplaatst zonder dat er een goede scheidende laag tussen de filters aanwezig is, dan zal behalve een horizontaal transport in de bodem, ook in verticale richting watertransport gaan plaatsvinden door de gecreëerde drukken ter hoogte van de filters. Zeker bij veel bedrijfsuren van de bron kan dan op relatief korte termijn door de warme bron water worden onttrokken welk kort daarvoor in de koude bron is geïnfiltreerd. De snelheid waarmee deze kortsluiting ontstaat is afhankelijk van een aantal factoren:

  • grofheid onttrekkings- en infiltratiepakket
  • weerstand tussen de filters (scheidende lagen, fijn zand et cetera)
  • afstand tussen de filters
  • capaciteit van de bron (vollast of deellast)

De afstroming van opgeslagen energie dient zo gering mogelijk te zijn. Kies een filterlengte waarbij de verhouding horizontale/verticale dimensie zo gunstig mogelijk is. Indien mogelijk filter plaatsen tussen scheidende of slecht doorlatende lagen om energieverlies zo klein mogelijk te maken.

In 2015 is een onderzoek gedaan (masterstudie TU Delft van Msc Maria Xyonagalou) naar de minimale verticale afstand welke nodig is tussen het ondiepe en diepe filter van een monobron. Een te kleine vertical afstand in een volkomen aquifer kan leiden tot thermische kortsluiting. Daarentegen kan een dunne scheidende of slecht doorlatende laag er al voor zorgen dat er geen uitwissing plaatsvindt tussen het ondiepe en diepe filter. In het rapport worden ontwerprichtlijnen gegeven voor afstelling van monobronnen in watervoerende pakketten.

Meer informatie:

Verschillende onderzoeken naar optimale inpassing van OBES:

Inhoudsopgave