GEOTHERMISCHE WARMTEPOMPEN
VAN BASISPRINCIPE TOT REGELING
Geothermische systemen gebruiken de aardwarmte. Er zijn twee soorten: diepe en ondiepe geothermie. In dit artikel gaan we vooral in op de laatste soort. In een tweede artikel gaan we verder in op de mogelijkheid om met geothermische warmtepompen passief te koelen.
HOE WERKT EEN GEOTHERMISCHE WARMTEPOMP?
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.
Men spreekt over ondiepe geothermie tot dieptes van 500 m, al gaat het in de praktijk meestal om dieptes van 100 à 150 m. Hierbij 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. water-glycolmengsel) 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 PE-buizen 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 warmteafgiftesystemendie op een lage of zeer lage temperatuur werkzaam zijn de voorkeur. Geothermische warmtepompen zijn daarom interessant indien ze worden gecombineerd met plafond-, wand- en 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.
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.
