Koelen met geothermische warmtepomp goed voor bodemklimaat

Bodem regenereert sneller in de zomer, waardoor geothermische warmtepomp betere prestaties levert in de winter

Dat men er ook passief mee kan koelen, is een belangrijk voordeel van geothermische warmtepompen. Het verbruikt bijna niets om te koelen en het komt bovendien ook de bodem ten goede. Wel dient er steeds op gelet te worden dat er zich geen condens in het afgiftesysteem kan vormen. Dat kan door een vaste minimumtemperatuur van het afgiftesysteemwater in te stellen of door een thermostaat met een goed afgestelde relatieve vochtigheidsmeter te installeren die de minimumtemperatuur van het afgiftesysteemwater bepaalt.

PRINCIPE GEOTHERMISCHE WARMTEPOMP

Geothermische systemen gebruiken de aardwarmte. Er zijn twee soorten: diepe en ondiepe geothermie.

• Men spreekt over diepe geothermie als de aardwarmte gewonnen wordt op een diepte groter dan 500 m. Zo zijn er bijvoorbeeld toepassingen tot 2.500 m en dieper. Het grondwater dat men vanop deze diepte naar boven pompt, kan rechtstreeks voor verwarming of elektriciteitsproductie worden gebruikt.
• In dit artikel gaan we dieper in op ondiepe geothermie (tot 500 m – in de praktijk is dat meestal tot 100 à 150 m diep). Bij ondiepe geothermie kan men geen warmte onttrekken die rechtstreeks geschikt is voor verwarming. Men moet de gewonnen warmte opwaarderen met een geothermische warmtepomp, ook bodem-waterwarmtepomp genoemd.

De installatie is opgebouwd uit drie onderdelen, namelijk de warmtebron (het captatienet/de bodemsondes), de warmtepomp en het verwarmingssysteem.

Captatie

De warmtebron bestaat uit PE-buizen die in lussen worden gelegd. In die lussen stroomt er een warmtegeleidende vloeistof die de warmte uit de bodem opneemt. Vroeger ging dit vooral om een water-glycolmengsel, maar tegenwoordig zijn er ook alternatieven op de markt, zoals bietenderivaten en (bio)ethanol. Belangrijk is dat de warmtegeleidende vloeistof, naast bescherming tegen vorstgevaar, eveneens bescherming biedt tegen bacteriële vervuiling en corrosie. Er bestaan twee soorten captatie: een horizontale en een verticale captatie.

• Horizontale captatiesystemen bestaan uit vlakke lussen die zich 1,20 m onder het maaiveld bevinden. De temperatuur op zo’n geringe diepte varieert tussen de 4 °C en 17 °C. De bodem werkt dan ook veeleer als zonnecollector en wordt sterk beïnvloed door externe weersomstandigheden. Het voordeel hiervan is dat de bodemtemperatuur sneller regenereert in de tussenseizoenen (ook de regen zorgt voor de regeneratie van de bodem). Een horizontaal systeem is tot de helft minder duur dan een verticaal systeem. Er is wel veel beschikbare oppervlakte nodig. Afhankelijk van de warmtelast van het gebouw en de bodemeigenschappen, kan de benodigde bodemoppervlakte voor het horizontale systeem tot twee of meer keer de vloeroppervlakte van het gebouw zijn.
•  Bij verticale captatiesystemen maakt men boorgaten tot 100 à 120 m/150 m diep, en laat men hier de lussen in neer, waarna de boringen worden volgestort met grout, een soort warmtegeleidend betonmengsel dat er ook voor zorgt dat doorboorde wateraders niet met elkaar in contact kunnen komen. In België heerst er vanaf 18 m diepte een evenwichtstemperatuur van 10 °C à 12 °C. Het grote voordeel voor de warmtepomp is dat de warmte die uit de grond onttrokken wordt het hele jaar door vrij stabiel is, ook in de winter. De warmtepomp heeft dus geen last van temperatuurschommelingen (zoals lucht-waterwarmtepompen), en haalt een hoger jaarrendement. Er is ook minder
  oppervlakte nodig dan bij horizontale systemen. 

De aanvoer- en retourleidingen worden gecollecteerd en binnengebracht in de technische ruimte van de woning of van het gebouw. De aanvoer en retour worden rechtstreeks op de warmtepomp aangesloten. Op de aanvoerleiding
zit een expansievat. Een circulatiepomp, die bij de meeste warmtepompen zit ingebouwd, stuurt de vloeistof (bv. waterglycolmengsel) rond in het captatiesysteem en pompt het koelmiddel over de verdamper van de warmtepomp.

De warmtepomp

Via de verdamper van de warmtepomp draagt het water-glycolmengsel uit de PEbuizen zijn warmte over aan het koelmiddel van het warmtepompcircuit. De warmte van het water-glycolmengsel doet het koelmiddel verdampen, waarna een compressor het gasvormige koelmiddel samendrukt. Door het samendrukken stijgt de temperatuur van het gasvormige koelmiddel. In de condensor geeft het gasvormige koelmiddel zijn warmte af aan het circuit van het afgiftesysteem (verwarming/boiler) en condenseert het opnieuw tot een vloeistof. De compressor stuurt het koelmiddel rond in het warmtepompcircuit.

Het afgiftesysteem

Een warmtepomp haalt de hoogste prestaties als het temperatuurverschil tussen de warmtebron (in dit geval de grondtemperatuur) en de gewenste afgiftetemperatuur zo klein mogelijk is. In die zin krijgen warmteafgiftesystemen die op een lage of zeer lage temperatuur werkzaam zijn de voorkeur. Geothermische warmtepompen zijn daarom interessant indien ze worden gecombineerd met plafond-, wanden vloerverwarming/betonkernactivering, als
hoofdverwarming, die werken bij vertrektemperaturen tussen 30-35/40 °C. Warmtepompen worden in veel gevallen ook ingezet voor de bereiding van sanitair warm water. Sanitaire warmwaterproductie haalt de prestaties wel wat naar beneden, want het vereist hogere afgiftetemperaturen. Niettemin neemt SWW in een huidige nieuwbouwwoning maar een klein aandeel van het totale verbruik in (ongeveer 3.000 kWh thermisch) in vergelijking met verwarming (10.000 à 15.000 kWh thermisch).

De stookregeling

Een weersafhankelijke stooklijn bepaalt de gewenste vertrektemperatuur van het verwarmingswater op basis van de gemeten binnen en buitentemperatuur. Het is belangrijk die vertrektemperatuur zo laag mogelijk te houden, zodat het verschil tussen de verwarmingstemperatuur en de brontemperatuur zo beperkt mogelijk wordt gehouden en de warmtepomp zo goed mogelijk presteert. Voorts is het ook van belang de traagheid van het afgiftesysteem in rekening te brengen, door met behulp van enkele basisrichtlijnen enkele regelparameters in te stellen, zoals een optimale start- en stoptijd. Eventueel kan men nadien het tijdsprogramma licht wijzigen. Monitoring achteraf is aan te raden. Dat kan door een elektrische kWh-teller op de warmtepompvoeding en een warmtemeter tussen de warmtepomp en het afgiftesysteem te plaatsen. Op die manier kan het werkelijke verbruik worden vergeleken met het berekende
verbruik en kan er indien nodig aan de regeling worden gesleuteld.

KOELEN MET EEN GEOTHERMISCHE WARMTEPOMP

Waarom koelen?

Geothermische warmtepompen doen het zoals andere warmtepompen het best in goed geïsoleerde, luchtdichte gebouwen. In deze gebouwen kan lagetemperatuurverwarming de beperkte warmtevraag immers goed dekken. Goed geïsoleerd en luchtdicht betekent echter ook dat de warmte niet goed weg kan, wat oververhitting tot gevolg kan hebben. Dit is zeker zo als in de voorontwerpfase niet of weinig aandacht werd besteed aan het aspect oververhitting, denk hierbij aan zonnewering, luifels … Koeling biedt hiervoor een oplossing. Een geothermische warmtepomp kan bij een koelvraag ook worden ingezet. Er kan passief of actief mee worden gekoeld.

Passief koelen

In de zomer kunnen geothermische warmtepompen zorgen voor een natuurlijke koeling. De bodem is na een winter verwarmen met bodemwarmte immers afgekoeld (van 10 à 12 °C tot ongeveer 5 °C). Het water-glycolmengsel in de lussen heeft het dus fris en kan worden gebruikt om het gebouw af te koelen. Let wel: het koelvermogen bij verticale systemen is hoger dan bij horizontale. Bij horizontale systemen wordt de bodemtemperatuur in de zomer immers sneller aangevuld door o.a. de zonne-instraling en regen. Wanneer passief wordt gekoeld, wordt de compressor
buiten werking gesteld en verbruikt deze geen energie. Er is enkel stroomverbruik van de regeling en van de circulatiepomp van het bronsysteem en die van het afgiftesysteem. De regeling geeft bij een bepaalde temperatuur/vochtigheid de opdracht aan de circulatiepomp van het bronsysteem om het water-glycolmengsel via een driewegklep naar een extra warmtewisselaar te sturen. In die warmtewisselaar circuleert ook het water van het afgiftesysteem. Zo geeft het water-glycolmengsel zijn koelte af aan het water uit het afgiftesysteem, waardoor het gebouw met 2 tot 5 °C kan koelen. Op die manier kan warmte aan het gebouw worden onttrokken via de buizen van het afgiftesysteem en worden afgegeven aan het bronsysteem. Met andere woorden, het gebouw koelt af en de bodem warmt op.

Actief koelen

Actieve koeling is veel energieverslindender dan passieve koeling en wordt in de EP-berekening dan ook bestraft. Als vanzelfsprekend is er wel veel meer koelvermogen, vergeleken met passief koelen. Bij actieve koeling wordt het werkingsproces van de warmtepomp omgekeerd. De condensor wordt verdamper, en de verdamper wordt
condensor. Met andere woorden, de woning wordt de warmtebron, de bodem het afgiftesysteem. De koellijn dient met dezelfde nauwkeurigheid als de stooklijn ingesteld te worden.

Voordelen

Het grote voordeel van koelen met een geothermische warmtepomp is dat de bodem in de zomer sneller genereert. De warmte van in de woning wordt bij passieve en actieve koeling immers overgedragen op de bodem. Dat zorgt ervoor dat de bodem tegen het begin van het stookseizoen opnieuw op temperatuur is en de bodem na verloop van tijd niet uitgeput raakt. Het komt immers wel voor dat bij een slechte dimensionering van het captatiesysteem de bodem in de zomer niet voldoende opwarmt en jaar na jaar in temperatuur daalt bij de start van het stookseizoen. Hierdoor komen de prestaties van de warmtepomp in het gedrang. Bij een correcte dimensionering van de bron zou dat echter nooit een probleem mogen vormen.

Aandachtspunten

De temperatuur van het water in het afgiftesysteem mag niet te laag zijn. Bij temperaturen lager dan 18 °C is er een groot risico op condensatie van de vloeren of wanden. Er kan eventueel lager in temperatuur worden gegaan, maar dan moet een relatieve vochtigheidsmeter (die zit in de thermostaat ingebouwd of wordt apart geïnstalleerd) worden voorzien. Die berekent op basis van de temperatuur en de relatieve vochtigheid in de ruimte hoe laag de temperatuur in het afgiftesysteem kan zakken zonder dat er daarbij condens ontstaat. Ook de verbindingsleidingen en collectoren dienen extra geïsoleerd te worden om condensvorming tegen te gaan.