Energiestromen OBES

1.Vastlegging uitgangspunten gebouwzijdige deel

Een bodemenergiesysteem is meestal een onderdeel van de totale klimaatinstallatie.
Voor de inpassing van bodemenergie is het daarom essentieel om het ontwerp integraal te beschouwen. Bepalend voor het functioneren van de installatie is de onderlinge samenhang van de verschillende componenten. Daarom vergt het ontwerpen van een bodemenergiesysteem een integrale benadering op basis van de BOAG-systematiek.

BOAG staat voor:

• Bron
• Opwekking / omzetting
• Afgifte
• Gebouw / gebruikers

Figuur 1. Schema open bodemenergiesysteem

Om een goed bodemenergiesysteem te kunnen ontwerpen dienen de uitgangspunten van het totale gebouwsysteem en bodemenergiesysteem te worden vastgelegd. Pas na akkoord van alle ontwerpende partijen kan gestart worden met de engineering van het systeem. Ook tussentijdse wijzigingen in ontwerp en uitgangspunten dienen te worden vastgelegd en geaccordeerd om in de engineering de juiste componenten te kunnen toepassen.

De gebouwzijdige uitgangspunten dienen te corresponderen met het ontwerp voor het ondergrondse deel. Hierop worden ook de water- en energiehoeveelheden gebaseerd voor de vergunning Waterwet.

Het gebouw met zijn gebruikers bepaalt de hoeveelheid warmte en koude welke nodig is om het gewenste comfort te verkrijgen. Dit geldt voor zowel de piekmomenten (veel warmte- of koudevraag) als op lange termijn. Het is nodig om zowel het vermogen als de totale hoeveelheid energie te bepalen om het grondwaterzijdige deel samen met de warmtepomp en andere componenten te kunnen selecteren.

Wanneer de uitgangspunten niet goed zijn vastgelegd en afgestemd tussen de verschillende delen van de installatie (grondwaterzijdig-gebouwzijdig-regeling en besturing) gaat dit onder andere ten koste van het comfort en het rendement. Het systeem werkt niet optimaal en storingen kunnen optreden. In het geval van bivalente systemen kan het energieverbruik tussen duurzaam/conventioneel uit balans raken.

Energiehoeveelheden in het gebouw hebben bij een goed ontwerp en de juiste afstemming in de regeltechniek, een directe vertaling naar het grondwaterzijdige deel van het systeem.
Het vermogen van de totale energiecentrale wordt bepaald door de maximale capaciteit welke de bronnen kunnen leveren (aantal m³/uur) en de te behalen temperatuursprong over een warmtewisselaar (delta T).

De energievraag over het gehele jaar bepaald mede de waterverplaatsing van het bronsysteem. Zo zal een ketel (gas of elektrisch) of een ingepaste lucht-water warmtepomp ook een deel van de geleverde energie verzorgen. Voor ontwerp van een bodemenergiesysteem moet duidelijk zijn welk deel van het vermogen en de energie, moet worden geleverd door de bronnen en de warmtepomp van het bodemenergie deel. Dit moet ook worden vastgelegd in de BRL afstemming tussen ontwerper en opdrachtgever of eigenaar van de installatie.

2.Vermogen en energie

Bij bodemenergie is het goed om de begrippen ‘vermogen’ en ‘verbruik van energie’ duidelijk te onderscheiden.

Vermogen betreft de actuele capaciteit van een systeem of een bepaald onderdeel daarvan, en is te omschrijven als de snelheid van de consumptie of productie op een bepaald moment. De eenheid van vermogen is Watt, afgeleiden zijn kW (1.000 Watt) of MW (1.000.000 Watt). Voorbeelden: een combiketel is 28 kW, een radiator is 1.250 W, een warmtepomp is 200 kW et cetera. Het vermogen kan met onderstaande formules berekend worden:

Verbruik van energie betreft het volume van de totale consumptie of productie over een bepaalde tijdsperiode, en is te omschrijven als de mate waarin het beschikbare vermogen in een bepaalde tijd ook daadwerkelijk is ingezet. Een voor bodemenergie belangrijke tijdsperiode is hoeveel warmte een gebouw per seizoen nodig heeft of moet afvoeren. Energie kan verschillende vormen hebben, maar in de context  van bodemenergie gaat het over warmte en koude die het gebouw nodig heeft en het bodemenergiesysteem moet leveren, en de hoeveelheid elektriciteit het systeem daarvoor nodig heeft.

Voor energie hoeveelheden zijn verschillende eenheden in gebruik. Gangbare eenheden zijn MJ (afkorting van Mega Joule), kWh (3,6 MJ), GJ (1.000 MJ) en MWh (3,6 GJ). De letter ‘h’ in ‘kWh’ en ‘MWh’ geeft aan dat het nu niet om vermogen, maar juist om energie gaat. Voorbeelden: een elektrisch verwarmingselement van 1 kW dat 1 uur lang in gebruik is, levert exact 1 kWh. De energievraag van een woning is 25 GJ warmte per jaar, een kantoor kent een energievraag van 900 GJ koude per jaar. De energiehoeveelheid kan met onderstaande formule worden berekend:

3.Vollasturen

Bij volledige benutting van het beschikbare vermogen functioneert de installatie in vollast of vollastbedrijf. Indien we het beschikbaar vermogen op een bepaald moment niet voor 100% aanspreken, dan spreken we over deellast of deellastbedrijf.

In de dagelijkse praktijk komen de meest extreme externe weersinvloeden maar zelden voor. De klimaatinstallatie en de opwekkingsinstallatie hebben bij gangbare weersomstandigheden dan vaak een bepaalde mate van overcapaciteit. De situatie dat een installatie op vollast wordt ingezet, komt nauwelijks voor, want meestal ‘draait’ de klimaatinstallatie in deellast.

Het aantal ‘(equivalente) vollast uren’ is gedefinieerd als de totale hoeveelheid geleverde energie door een systeem (kWh), gedeeld door het totale vermogen van het systeem (kW).

Het aantal vollasturen geeft aan hoeveel uren een installatie op vollast zou moeten draaien, om een bepaalde hoeveelheid energie te leveren. In feite is dit een theoretisch getal: in werkelijkheid zal een installatie veel meer uur in bedrijf zijn, en dan in deellast draaien. Zie ter illustratie figuur 2.

Figuur 2. Twee belastingduurkrommes voor een installatie die 420 MWh levert. Links:  theoretische situatie met levering op maximaal vermogen: de installatie levert gedurende 525 uur met 800 kW. Rechts:  realistische situatie, waarin de installatie 2400 uur in bedrijf is, maar vrijwel altijd in deellast draait. Het aantal equivalente vollast draaiuren bedraagt in beide situaties 525 uur.

4.Robuust ontwerp

Een bodemenergiesysteem dient te voldoen aan de vastgestelde uitgangspunten welke met de opdrachtgever of klant zijn besproken. Indien alleen koeling bij een bepaalde buitentemperatuur wordt gevraagd, vraagt dit een ander ontwerp dan wanneer koude en warmte tegelijk worden gevraagd binnen kleine marges. De robuustheid: hoe robuuster het systeem, des te flexibeler en kan het meer en langer voldoen aan de energievraag.

Voorbeeld:
Een bodemenergiesysteem welk betreffende energielevering grondwaterzijdig ontworpen is op de natuurlijke bodemtemperatuur van 11 à 12°C is betreffende inzetbaarheid voor levering van warmte robuuster dan een systeem welk uitgaat van een bodemtemperatuur van 16°C voor warmtelevering.
Het rendement, draaiuren, en de waterverplaatsing van een systeem welk ontworpen is op 16°C zal bij grote en langdurige warmtevraag mogelijk problemen krijgen doordat onvoldoende warmte in de bron voorhanden is. Het systeem welk ook bij een bodemtemperatuur van 12°C nog voldoende vermogen kan leveren is robuuster dan het systeem wat vanaf <16°C minder vermogen zal kunnen leveren.
Een goed begrip van vermogensvraag en aanbod is dus noodzakelijk om een zo efficiënt mogelijk systeem te kunnen ontwerpen.

Een bodemenergiesysteem wat niet robuust is gerealiseerd kan beperkt inzetbaar zijn. Voorbeelden van een te weinig robuust systeem kunnen o.a. zijn:

• Wanneer onvoldoende koude beschikbaar is vanuit de bron(nen) kan slechts beperkt worden gekoeld;
• Als de bronnen onvoldoende capaciteit hebben kan te weinig vermogen worden geleverd om bij pieklast te voldoen aan de vraag;
• Kortsluiting tussen bronnen wanneer onvoldoende afstand tussen de bronnen wordt aangehouden etc.

Afwegingsfactoren bij het ontwerp:

• Wat zijn de minimum en maximum eisen welke gelden voor het ondergrondse deel? Denk aan flow, temperatuur etc.;
• Kan voldoende warmte en koude geladen worden?
• Hoe groot is de energievraag op jaarbasis;
• Wordt tegelijk warmte en koude gevraagd?
• Wordt de warmtepomp ook als koelmachine ingezet?
• Zijn er regeneratiemogelijkheden aanwezig zoals bijvoorbeeld een energiedak, drycooler, etc.;

Blijven de water- en energiehoeveelheden ook bij extreme seizoenen binnen de vergunningsvereisten?

Regelbaarheid van het bronsysteem

De regelbaarheid van het bronsysteem als percentage van de gebouwzijdige warmte-/koudevraag is een ontwerpkeuze die bij de dimensionering gemaakt dient te worden, waarbij het beoogde rendement en de waterverplaatsing een grote rol speelt. Daarnaast zal wanneer het gebouwzijdige distributiesysteem slechts beperkt terug-regelbaar is de retourtemperatuur mogelijk afwijken van de gewenste waarde. De retourtemperatuur van het gekoeldwater-net (GKW-net) bepaald in grote mate de laadtemperatuur van de warme bron, de retourtemperatuur van het CV-net heeft invloed op het rendement (en mogelijk het aandeel warmtelevering) van de warmtepomp en de koude bron.

De regelbaarheid van de bronpomp en de warmtepomp dient afgestemd te zijn op de distributiepompen. Een nauwkeurigere terug-regelbaarheid van de distributiepomp gebouwzijdig en de bronpomp bronzijdig heeft voor- en nadelen:

Voordelen

• Het vergroot de kans op een goede retourtemperatuur wat gunstig is voor het rendement van het bodemenergiesysteem;
• In deellast situatie kan er voldoende warmte- en koude worden geleverd aan de afgiftelichamen, zodat het systeem snel kan reageren op verandering van de ruimtetemperaturen en temperatuurfluctuaties geminimaliseerd worden.

Nadelen

• Een pomp die verder kan terug-regelen heeft een hogere aanschafwaarde;
• Bij een watergekoelde pomp (wat een bronpomp altijd is) kan de pomp oververhit raken bij een (te) laag debiet.

Voorbeeld

In figuur 3 is een schematisch voorbeeld gegeven van een deellastsituatie in het zomerseizoen, dat wil zeggen een situatie waarin de momentane koudevraag vanuit het gebouw significant lager is dan de ontwerp vermogensvraag koude. Een dergelijke deellastsituatie kan zich bijvoorbeeld voordoen in het tussenseizoen. In het voorbeeld kan de distributiepomp (gebouwzijde van de bodemwarmtewisselaar) niet worden terug-geregeld tot het debiet van de deellast koudevraag vanuit het gebouw, en is er geen of een te klein gelaagd GKW-buffervat aanwezig.

Figuur 3: Deellastsituatie – te lage retourtemperatuur.

In het voorbeeld zal er relatief weinig koelvermogen worden afgenomen door het gebouw, terwijl er wel sprake is van een grote waterverplaatsing. Derhalve zal de retourtemperatuur uit het gebouw lager zijn dan voorzien in het ontwerp, en wordt de warme bron met een te lage temperatuur geladen (13°C in plaats van ontwerp 17°C). Aangezien er een groot deel van het jaar sprake is van deellastsituaties, kan de warme bron zo onvoldoende worden geregenereerd.

5.Energiebalans

Voor bodemenergiesystemen gelden eisen ten aanzien van bodem en water vanuit de vergunningverlener.  Daarnaast zijn er situaties dat een bodemenergiesysteem beter functioneert wanneer er mogelijkheden zijn om energiebalans te hebben. Zo kan extra koude of warmte worden geladen waardoor voor het komende seizoen zoveel mogelijk energie beschikbaar is. Energiebalans kan bijvoorbeeld worden hersteld door inzetten van een warmtepomp als koelmachine of inpassen van een droge koeler om extra warmte te laden. Door energiebalans te hanteren wordt in principe ook voorkomen dat er kortsluiting ontstaat tussen warme en koude bron.

In veel gevallen wordt door de vergunningverlener voorgeschreven  dat er in de bodem sprake moet zijn van energiebalans. Dit betekent dat de hoeveelheid opgeslagen warme energie, over een jaar gemeten, gelijk moet zijn aan de hoeveelheid opgeslagen koude. Uitzondering is dat sinds 2013 de mogelijk bestaat om een (beperkt) koudeoverschot te hebben in de bodem, onder voorwaarde dat dit ook voor de vergunning is aangevraagd. Om te kunnen voldoen aan de vergunningsvoorschriften kan het nodig zijn een regeneratiemiddel te hebben om een tekort aan warmte of koude, en daardoor onbalans, te herstellen. Dit kan bijvoorbeeld met een droge koeler waarmee warmte of koude wordt geladen of door inzet van de warmtepomp als koelmachine.

Daarnaast bestaat bij een (te) groot overschot aan warmte of koude, het risico dat er kortsluiting ontstaat tussen bronnen. Als een warmtebel bijvoorbeeld te groot wordt en de warmte door de koude bron alweer wordt opgepompt, is nog meer waterverplaatsing nodig omdat de hoeveelheid koelenergie in het water door de hogere temperatuur, minder is. Meer waterverplaatsing betekent meer energie voor de bronpomp en dus een lager rendement van het systeem.

Ook kan een onbalans ervoor zorgen dat bodemenergiesystemen in de omgeving, nadelen ondervinden.

Het overschot aan warmte of koude dat is ontstaan, moet kunnen worden hersteld. Enerzijds om dus aan de vergunningsvoorschriften te kunnen voldoen (balans), anderzijds om ervoor te zorgen dat er voldoende energie is geladen voor een volgend seizoen.

Meer informatie:

• ISSO publicatie 39, Energiecentrale met warmte- en koudeopslag