Raadpleeg de Kennisbank

Uitgangspunten GBES

U bent hier:

1.Energie en warmte

1.1.Onderbouwing energievraag GBES

Essentieel voor een goed ontwerp van het gesloten bodemenergiesysteem is het in kaart brengen van het energievraagpatroon. De totale benodigde capaciteit kan worden berekend door de capaciteit van elke warmtepomp en het aantal warmtepompen te vermenigvuldigen. De energievraag kan worden onderscheiden in de vraag voor ruimteverwarming, -koeling en tapwatervoorziening (Figuur 1). Er wordt onderscheid gemaakt tussen ruimteverwarming en tapwatervoorziening doordat deze over het algemeen op verschillende temperaturen worden geleverd. Hierbij geldt dat het energetische rendement voor tapwater lager is dan voor ruimteverwarming, door de hogere productietemperatuur.

Om een gesloten bodemenergiesysteem te ontwerpen met de gebruikte ontwerptechnieken (link naar rekenmethoden Thermisch Ontwerp) (bijvoorbeeld Earth Energy Designer), zijn op zijn minst de volgende gegevens nodig:

  • De Warmtevraag in MWh/maand;
  • De Koudevraag in MWh/maand;
  • De Totale tapwatervraag in MWh/jaar (deze wordt gelijkelijk over de maanden verdeeld).

Het energievraagpatroon wordt vertaald naar een netto gewenste vraag van energie aan de bodem op basis van een SPF (Seasonal Performance Factor) die door de ontwerper wordt opgegeven. Deze SPF wordt opgegeven voor het verwarmingsbedrijf, het tapwaterbedrijf en het koelbedrijf. Indien de netto lasten aan de bodem vanuit een andere bron bekend zijn, kunnen deze ook direct worden opgegeven.

Naast het energievraagpatroon is ook de pieklast van belang. Deze is gelijk aan het opgestelde warmtepompvermogen. Bij het verwarmingsbedrijf wordt het condensorvermogen opgegeven, bij het koelbedrijf het condensorvermogen of het vermogen aan vrije koeling. Indien bij het energievraagpatroon is opgegeven dat het de netto energievraag aan de bodem betreft, dan moet ook hier de netto capaciteit worden ingevuld. Dat wil zeggen:

  • De gebouwvraag met SPF opgegeven bij de totale energievraag:
    • Pieklast verwarming is condensorvermogen;
    • Pieklast koeling is verdampervermogen of passief koelvermogen.
  • De netto vraag aan de bodem opgegeven bij de totale energievraag:
    • Pieklast verwarming is verdampervermogen;
    • Pieklast koeling is condensorvermogen of passief koelvermogen + pompenergie.

 


Figuur 1.  Voorbeeld van de variatie van de energievraag over het jaar voor de verwarming van tapwater (TAP), ruimteverwarming (RV) en koeling (K).

1.2.Onzekerheden en afwegingsfactoren

De energievraag is bij het ontwerp is globaal in te schatten, al kent deze inschatting een grote mate van onzekerheid. Zaken als weers- en klimaatomstandigheden, de bouw- en isolatiekwaliteit van de aangesloten gebouwen, de inzet van zonwering en de mate van gebruik van het gebouw zijn bij voorbaat lastig te exact te bepalen. Hierdoor zal de energievraag voor de warmtepompen ingeschat moet worden aan de hand van een bandbreedte.

Naast deze onzekerheden spelen bij het bepalen van de energievraag ook nog een aantal zaken een rol die wél bij voorbaat bepaald kunnen worden, dit betreft:

  • De grootte van het project (de grens tussen groot en klein ligt op ca. 25 – 50 kW);
  • Eventuele aanvullende energiebronnen naast de warmtepomp;
  • De (theoretische) isolatiekwaliteit van de woning;
  • Het gebruik van passieve koeltechnieken en beschaduwing.

2.Verdeling over opwekkers warmtepomp GBES

2.1.Definitie van de Β-factor

De definitie van de Β-factor (bèta-factor) is de verhouding tussen het vermogen van de warmtepomp(en) en het benodigd nominale vermogen voor ruimteverwarming.

Een Β-factor kleiner dan 1,0 betekent dat de warmtepomp in een ontwerp-klimaatjaar gedurende een periode niet in de volledige warmtevraag van de woning kan voorzien. Dit betekent dat de ruimtetemperatuur zal dalen als er geen andere warmtebron is. Voor het opvangen van deze pieken kan overigens nog rekening gehouden worden met opslag in een buffervat, momentaan kan dan meer energie geleverd worden dan de capaciteit van de warmtepomp.

2.2.Gewenst vermogen van de warmtepomp

Afhankelijk van de toepassing kan naast de warmtepomp een andere energieopwekker aangesloten zijn op het warmtesysteem. Voorbeelden hiervan zijn een elektrisch element in een buffervat, een hybridesysteem waar een warmtepomp gecombineerd wordt met een gas- of biomassaketel, of een systeem waarbij met een conventionele koelmachine koude opgewekt wordt. De bedrijfswijze kan in drie categorieën onderscheiden worden:

  1. Monovalent: de warmtepomp moet het maximale verwarmingsvermogen kunnen leveren.
  2. Bivalent alternatiefbedrijf: de warmtepomp levert tot een bepaalde buitentemperatuur een maximale bijdrage aan de warmtevraag, rekening houdend met de invloed van de buitentemperatuur op de energieprestatie van de warmtepomp.
  3. Bivalent parallelbedrijf: de warmtepomp levert een bepaald basisvermogen, waardoor deze zoveel mogelijk uren op vollast kan draaien.

Bij een monovalent systeem is er geen andere opwekker en moet de warmtepomp de volledige last kunnen dekken; de Β-factor is dan altijd gelijk aan 1. Bij bivalente systemen rijst de vraag hoe groot de warmtepomp gekozen kan worden en wat de bijdrage aan de jaarlijkse totale energielevering wordt. Bij een hoge Β-factor is het vermogen van de warmtepomp groot. Daarbij moet de bodemwarmtewisselaar in een grote vermogensvraag kunnen voorzien terwijl de bijdrage aan de totale energievraag klein is (Figuur 2.1). Dat houdt in dat het systeem relatief duur wordt en veel ondergrondse ruimte in beslag neemt.

Bij het bepalen van de Β-factor is de verhouding tussen de totale energievraag en de pieklast van belang. Bij ruimteverwarming zal gelden dat hoe lager de EPC (Energie Prestatie Coëfficiënt) is, hoe kleiner de verhouding is tussen totale energievraag en pieklast. Immers, bij een goed geïsoleerd gebouw zullen de verliezen, ook onder extreme omstandigheden, klein zijn.

Figuur 2 weergeeft de globale relatie tussen de Β-factor en de bijdrage van de warmtepomp aan de warmtelevering (deze is gebaseerd op een aanname omtrent jaarbelastingduurkromme). Op basis van Figuur 2 kan je over het algemeen stellen dat met 50% van de maximale capaciteit meer dan 80% van de totale energievraag gedekt is.


Figuur 2. Globale weergave van de relatie tussen de Β-factor en de bijdrage van de warmtepomp aan de totale energievraag.

2.3.Keuze bedrijfswijze GBES

Bij een monovalente bedrijfswijze is een relatief grote bodemwarmtewisselaar nodig. In dat geval zal de warmtepomp relatief weinig vollasturen maken. Tevens zal de warmtepomp onder deellast de neiging hebben te pendelen. Om dat te voorkomen moet dan een groter buffervat worden geïnstalleerd.

Een goede verhouding tussen totale energievraag en piekcapaciteit wordt behaald bij een systeem dat ongeveer 1800 – 2200 vollasturen per jaar realiseert. Zo realiseert een gebouw met een warmtevraag van 10 MWh en een warmtepomp met een vermogen van 5 kW 2000 vollasturen. Of de warmtepomp van 5 kW ook voldoende is om het gebouw onder koude omstandigheden warm te houden hangt af van het maximale warmteverlies van het gebouw. Indien dit groot is, is een additionele opwekker nodig en zal de warmtepomp een Βeta-factor kleiner dan 1,0 hebben.

Het nadeel van een bivalente bedrijfswijze is dat het energieverbruik van de additionele opwekker het totale rendement van het systeem kan verlagen. In Figuur 3 is dat weergegeven voor een warmtepompsysteem met een seasonal performance factor (SPF) van 4,3, in het geval dat de additionele opwekker een elektrisch verwarmingselement of een gas-bijstook betreft. In het geval van gas-bijstook zal de Βeta-factor 0,2 of hoger moeten zijn om op primaire energie te besparen. Bij een systeem met bijstook door een elektrisch element moet de Βeta-factor tenminste 0,75 bedragen.


Figuur 3. SPF van een bivalent warmtepompsysteem bij verschillende Βeta-factoren in het geval dat de additionele warmtebron een elektrisch verwarmingselement en een gas-bijstook beslaat.

Wat bij de keuze van de bedrijfswijze en de Βeta-factor verder een rol speelt, is het volgende:

  • Volgens de EU RES-directive moet een warmtepompsysteem een SPF hebben van minstens 1,15 * 1/η, anders wordt het niet als een hernieuwbare energievorm beschouwd. Hierbij is η de verhouding tussen de totale bruto productie en het verbruik van primaire energie voor de productie.
  • Relatie tussen basislast en pieklast; bij een relatief hoge pieklast zal een hoge Βeta-factor leiden tot een groot bodemwarmtewisselaarsysteem.
  • Relatie tussen de Βeta-factor en het energieverbruik (en daarmee rendement), bij een lage Βeta-factor wordt de andere opwekker meer ingezet.
  • Waterinhoud van afgiftesysteem en buffervat.

3.Robuustheid van de warmtelevering

Robuustheid van het ontwerp kan op verschillende manieren uitgewerkt worden. Het belangrijkste is de zekerheid van levering, vooral bij warmtepompsystemen zonder back-up. Om de zekerheid van levering te borgen moet de brontemperatuur aan twee voorwaarden voldoen:

  1. Aanvoertemperatuur naar de bron > -3 °C (conform wijzigingsbesluit dient het systeem zichzelf anders uit te schakelen).
  2. Aanvoertemperatuur naar de bron > vriespunt medium.

Bepalend hiervoor is het gedrag van de warmtepomp onder pieklast, dus wanneer de warmtepomp daadwerkelijk in bedrijf is en op vol vermogen draait. In het ontwerp moet daarvoor het vermogen van de warmtepomp, het rendement bij bedrijfscondities en de duur van de pieklast in uren opgegeven worden.

Bij het bepalen van het pieklastgedrag moet met de volgende zaken rekening gehouden worden:

  • Bij een hoger rendement wordt meer energie uit de bron onttrokken;
  • De meeste ontwerpmethoden rekenen de gemiddelde brontemperatuur uit, hou daarom rekening met het temperatuurverschil uit de bron over het jaar heen;
  • Het vermogen van de warmtepomp hangt ook af van de temperatuur van de verdamper en condensor;
  • Bij een systeem met een hoge mate van energiebalans zal het pieklastgedrag eerder beperkend kunnen worden, bij weinig energiebalans zal in de eerste jaren de brontemperatuur relatief hoog zijn;
  • De verhouding tussen totale warmtelevering en opgesteld vermogen (vollasturen) speelt een rol, bij veel vollasturen zal het effect van de pieklast kleiner zijn.

In Figuur 3.1 is een voorbeeld gegeven van de relatie tussen gemiddelde mediumtemperatuur en duur van de pieklast, waarbij het aantal vollasturen 1250 of 2250 is. Het betreft hier een groter systeem voor een appartementencomplex. Het ontwerp van het bodemenergiesysteem is in beide scenario’s gelijk.

Bij veel vollasturen is bij een korte ontwerp-pieklastduur al bij weinig bedrijfsuren een robuuste warmtelevering gegarandeerd; het bodemenergiesysteem zou kleiner gekozen kunnen worden. Bij weinig vollasturen (een groot opgesteld vermogen) daalt de temperatuur in het systeem nog significant ook bij een lange duur van de pieklast. Bij een kortere pieklast (0 – 15 uur) is de temperatuurverandering aanzienlijk, dat houdt in dat de gevoeligheid van het ontwerp voor onnauwkeurigheden in aannames ook groot is. In feite zou het bodemenergiesysteem groter gekozen moeten worden.


Figuur 4. Gemiddelde temperatuur van het circulatiemedium bij een bepaalde hoeve pieklastduur, gegeven een aantal vollasturen in het ontwerp van een GBES.

Meer informatie:

BUM BE, Bijlage 2
ISSO 72/ 73

Was de informatie op deze pagina waardevol?
0 out Of 5 Stars
5 Sterren 0%
4 Sterren 0%
3 Sterren 0%
2 Sterren 0%
1 Sterren 0%
How can we improve this article?
Inhoudsopgave