Geothermische energie ()

Opleiding
Duurzaam Gebouw :
ENERGIE
Leefmilieu Brussel
Fabrice DERNY
Geothermische energie
MATRIciel SA
Doelstelling(en) van de
presentatie
●
De doelstellingen en toepassingsgebieden van
geothermie afbakenen
●
Technische overzichten
●
Hoe moet je een project leiden?
●
Energie-impact in vergelijking met een traditionele
installatie.
1
Plan van de uiteenzetting
●
Waarom geothermische energie?
●
Evenwicht van de bodemtemperatuur
●
Hoe werkt het?
●
Types terminale eenheden
●
Casestudy
3
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw?
Of zelfs een gebouw ZEB (Zero Energy Building)
Hoe meer je een gebouw isoleert, hoe meer zijn behoefte aan koeling
toeneemt:
Energievraag – gecumuleerd profiel naargelang de buitentemperatuur
…wanneer? Tbuiten < Tbinnen
Vraag naar warmte – lage energie
Vraag naar koude – lage energie
Vraag naar warmte – passief
Vraag naar koude - passief
4
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw?
Doelstelling: aan de koelingsbehoefte voldoen door een hernieuwbare
energiebron.
●
Oplossing 1: de buitenlucht via intensieve natuurlijke ventilatie wanneer
Tbuiten < Tbinnen (in het tussenseizoen of tijdens zomernachten).
●
Eisen:
●
►
Thermische inertiebehoefte: geen verlaagd plafond en/of tussenvloer
►
Noodzaak om het gebouw te openen in de gevel, het dak: esthetische
weerslag, milieueisen (indringing, lawaai, verontreiniging, …)
►
Niet beheerst koelvermogen: schommelende kamertemperatuur
►
Samenwerking van de bewoners: beheer van bepaalde openingen.
Oplossing 2: de bodem
5
Waarom geothermische energie in een lageenergiegebouw?
Oplossing 2: de bodem
Januari
Juli
April
Diepte (z) (m)
●
Oktober
Thermische
diffusiviteit(°C)
van het terrein:
Temperatuur
6
Evenwicht van de bodemtemperatuur
●
Koude putten in de bodem doet de temperatuur ervan stijgen
Evolutionvan
de la
du sol sur
20 20
ansjaar tijd
Evolutie
detempérature
bodemtemperatuur
over
maandtemperatuur
T°Gemiddelde
moyenne mensuelle
16°C
15°C
14°C
13°C
12°C
11°C
10°C
0
12
24
36
48
Noodzaak om de bodem elk jaar
60 72 koude
84 96 te
108 «120
132 144 156»:168
met
herladen
in 180
de192
winter verwarmen met een
warmtepomp vloer/water
204 216 228 240
7
Evenwicht van de bodemtemperatuur
●
= begrip « GEOTHERMISCHE OPSLAG »:
►
Geothermische energie rechtvaardigt zich en werkt het best
als ze toelaat te voldoen aan een behoefte aan
verwarming in de winter en aan een behoefte aan
koeling in de zomer, die in evenwicht gebracht zijn
tegenover elkaar.
►
In dit geval kunnen we zeggen dat we de warmte opslaan
in de zomer in de bodem om ze in de winter te gebruiken.
8
Hoe werkt het?
●
Geothermische wisselaar:
►
Verticale boringen (diam 150 mm)
►
Diepte van 50 tot 400 m (vaak 100 .. 150 m)
►
met dubbele U-sondes (polyethyleen DN 32)
►
gevuld met een dunne mortel van cement/bentoniet
9
Bron: REHAU
10
Hoe werkt het?
●
Geothermische wisselaar:
►
Geothermische palen: ingebouwde buizen van de
wisselaars in de stabiliteitspalen van het gebouw
11
Crèche van het vogeleiland van Bergen
12
Hoe werkt het?
WP bodem/water niet omkeerbaar:
1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de
behoeften – PER 4,5 .. 5,5
Terminale hoge
temperatuureenheden
(stelsel 17/20)
Terminale lagetemperatuureenheden (stelsel
40/30)
Pulsiegroepen
Directe geocooling: PER equiv = .. 12..
Pulsiegroepen
PWarme
plafonds
Koude
plafonds
Koelgroep
Extra ketel voor 30% van de
behoeften
Gasketel
Extra koudegroep
voor 30% van de
behoeften
Geothermische
sonde
13
Hoe werkt het?
WP bodem/water:
1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de
behoeften – PER 4,5 .. 5,5
Pulsiegroepen
Herlading van de bodem door
omkeerbare WP bodem/water – PER 4,5
.. 5,5
Pulsiegroepen
Koude
plafonds
PWarme
plafonds
Koelgroep
Gasketel
Geothermische
sonde
14
Types terminale eenheden?
●
Terminale hoge-temperatuurkoeleenheden:
●
Koelplafonds of stralingseilanden
●
●
►
voordelen: weinig thermische inertie en dus hoog regelrendement, gemakkelijke
controle van de kamertemperatuur, warm/koud omkeerbaar
►
nadelen: beperkter vermogen (plafonds)
Actieve vloerplaten
►
voordelen: opslag 's nachts en dus beperking van
het te installeren vermogen
►
nadelen: aanzienlijke thermische inertie en dus
moeilijke temperatuurcontrole en verminderd
regelrendement. Weinig ruimtelijke flexibiliteit en
moeilijk gebruik als verwarming (een tweede
systeem nodig). Afwezigheid van verlaagde
plafonds (beheer van de technieken en de
akoestiek)
Overgedimensioneerde convectors voor
verwarming
15
Studie van het project
De behoeften bepalen door dynamische simulaties. Verschillende varianten
evalueren om het goede evenwicht te vinden tussen de behoefte aan warmte
en koeling van het gebouw (isolatieniveau, soort beglazing zonnebescherming,,
…).
p uissance chaud/froid
kW
●
Demande froid
4000,0
Demande chaud
3500,0
3000,0
2500,0
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
0,0
1
721
1441
2161
2881
3601
4321
5041
5761
6481
7201
7921
8641
●
De aard van de bodem kennen door een geologische studie en thermische
antwoordtest. Doelstelling: het geleidingsvermogen en de thermische capaciteit
van de bodem, thermische weerstand van de sondes kennen.
●
Het veld van de sondes dimensioneren, het gedrag van de bodem simuleren,
rekening houdend met de behoefte van het gebouw (uur per uur) en van de
thermische eigenschappen van de voorziene sondes: de PER van de WP
optimaliseren door te zorgen voor een evenwicht op lange termijn van de
bodemtemperatuur.
Type gesteente
Magmatische gesteenten
Basalt
Dioriet
Gabbro
Graniet
Peridoliet
Ryoliet
Metamorfe gesteenten
Gneis
Marmer
Metakwartsiet
Micaschiefer
Kleischalie
Sedimentaire gesteenten
Kalk
Kwartsiet
Zout
Zandsteen
Kleiachtige, slib bevattende gesteenten
Niet geconsolideerde gesteenten
Grind, droog
Grind, waterverzadigd
Morene
Zand, droog
Zand, waterverzadigd
Klei/slib, droog
Klei/slib, waterverzadigd
Turf
Andere stoffen
Bentoniet
Beton
Ijs (-10°C)
Plastic (PE)
Lucht (0-20°C, droog)
Staal
Water (+10°C)
Thermische conductiviteit
min
typische waarde
max
Volumetrische
thermische
1.3
2.0
1.7
2.1
3.8
3.1
1.7
2.6
1.9
3.4
4.0
3.3
2.3
2.9
2.5
4.1
5.3
3.4
2.3 - 2.6
2.9
2.6
2.1 - 3.0
2.7
2.1
1.9
1.3
4.0
3.1
1.5
1.5
2.9
2.1
env. 5.8
2.0
2.1
3.1
2.1
1.8 - 2.4
2
2.1
2.2
2.2 - 2.5
2.5
3.6
5.3
1.3
1.1
2.8
6.0
5.4
2.3
2.2
4.0
6.6
6.4
5.1
3.5
2.1 - 2.4
2.1 - 2.2
1.2
1.6 - 2.8
2.1 - 2.4
0.4
0.4
env. 1.8
2.0
0.4
2.4
0.5
1.7
0.4
0.5
1.4 - 1.6
env. 2.4
1.5 - 2.5
1.3 - 1.6
2.2 - 2.9
1.5 - 1.6
1.6 - 3.4
0.5 - 3.8
0.6
1.6
2.32
0.39
0.02
60.00
0.58
0.8
2.0
1.0
0.3
1.7
0.4
0.9
0.2
0.5
0.9
2.5
0.8
5.0
1.0
2.3
0.7
env. 3.9
env. 1.8
1.87
0.0012
3.12
4.19
Tabel – Thermische geleidbaarheid en volumetrisch thermisch vermogen van verschillende soorten gesteenten
Bodemeigenschappen
Algemene indicatieve waarden
Ondergrond van slechte kwaliteit (sediment …)
Normale rotsachtige ondergrond en waterverzadigd sediment
Compact gesteente met hoge thermische geleidbaarheid
Respectieve materialen
Grind en zand, droog
Grind en zand, waterhoudend
Bij sterke stroming van de ondergrondse wateren in het grind of het zand,
en unieke installaties
Klei en (onleesbaar), vochtig
Kalk (massief)
Zandsteen
Zuur magmatisch gesteente vb. graniet)
Basisch magmatisch gesteente (vb. basalt)
Gneis
Specifiek extractievermogen
op 1800 werkingsuren
op 2400 werkingsuren
25 W/m
60 W/m
84 W/m
225 W/m
50 W/m
70 W/m
< 25 W/m
65 - 80 W/m
80 - 100 W/m
< 20 W/m
55 - 65 W/m
80 - 100 W/m
35 - 50 W/m
55 - 70 W/m
65 - 80 W/m
65 - 85 W/m
40 - 65 W/m
70 - 85 W/m
30 - 40 W/m
45 - 60 W/m
55 - 65 W/m
55 - 70 W/m
35 - 55 W/m
60 - 70 W/m
Bron: REHAU
Bilan thermique
du van
système
moyennegemiddelde
sur 20 ans over 20 jaar tijd
Thermische
balans
het systeem
kWh/an
Chauffage
Hulpverwarming
auxiliaire
Electricité (WP)
(PAC)
Elektriciteit
70 500
254 700
Pompe à chaleur
Warmtepomp
(WP)
(PAC)
PERCOP
4.9 4.9
Total demande
Elke
verwarmingsbehoefte
chauffage
600 000
Verwarming
WPPAC
Chauffage
345 400
Fraction chauffage
Verwarmingsfractie
58%
273 600
Sondes
Geothermische
sondes
géothermiques
286 600
Refroidissement
Koeling voor
verwarming
Refroidissement
pour
chauffage
1 200
Refroidissement
direct
Directe koeling
286 600
Koelmachine
Machine
frigorifique
Machine frigorifique
Hulpkoeling
auxiliaire
Totalkoelingsbehoefte
demande
Elke
14 600
refroidissement
Koeling
sondes
Refroid.
sondes
302 400
287 800
Fraction refroidiss.
Koelfractie
95%
0
Elektriciteit
(koelmachine)
Electricité (machine
frigorifique)
EffCoolM 0.0
Evolutie vanEvolution
de bodemtemperatuur
de la température du sol sur over
20 ans 20 jaar tijd
0
Gemiddelde
T°moyenne mensuellemaandtemperatuur
15°C
Chauffage
Verwarming
Puissance d'extraction
maximum parper
mètre
de sonde
Maximaal
extractievermogen
meter
sonde
Energie annuelle
extraite par
mètre deper
sonde
Jaarlijkse
uitgehaalde
energie
meter sonde
Koeling
Refroidissement
Maximaal
injectievermogen
meter
sonde
Puissance d'injection
maximum parper
mètre
de sonde
Jaarlijks geïnjecteerde energie per meter sonde
Energie annuelle injectée par mètre de sonde
Balans grond
Bilan terrain geïnjecteerde energie op uitgehaalde
Verhouding
Ratio energie injectée sur énergie extraite
energie
14°C
30
W/m
13°C
15
kWh/m/a
12°C
34
W/m
16
kWh/m/a
11°C
105%
10°C
9°C
8°C
0
12
24
36
48
60
72
84
96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240
Besluit: voorbeeld energiebalans
Globaal verbruik aan primaire energie
Consommation en énergie primaire globale
220%
gaz + groupe
de froid
11-Chaudière
- Gasketel
+ koelgroep
3 - Geothermie met “WP + extra
3-Geothermie
avec ¨PAC + chaudière
appoint + geoccoling +
ketel
+ geocooling
+ extra
groupe
de
froid
d'appoint
koelgroep
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
Onmogelijk geval voor
geothermische energie: te
groot onevenwicht tussen
warmte- en
koudebehoeften
20%
0%
A1
Umurs : 0,4
g : 0,39
A1
Umurs : 0,4
g : 0,33
A1
Umurs : 0,4
g : 0,22
B1
Umurs : 0,3
g : 0,39
B1
Umurs : 0,3
g : 0,33
B1
Umurs : 0,3
g : 0,22
C1
Umurs : 0,2
g : 0,39
C1
Umurs : 0,2
g : 0,33
C1
Umurs : 0,2
g : 0,22
Besluit: voorbeeld energiebalans
Globale CO2-uitstoot
Emission de CO2 globale
280%
1-Chaudière
gaz + groupe
de froid
1
- Gasketel
+ koelgroep
260%
240%
3 - Geothermie met “WP +
220%
3-Geothermie
avec ¨PAC + chaudière appoint +
extra ketel + geocooling + extra
geoccoling
+
groupe
de froid d'appoint
koelgroep
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
A1
Umurs : 0,4
g : 0,39
A1
Umurs : 0,4
g : 0,33
A1
Umurs : 0,4
g : 0,22
B1
Umurs : 0,3
g : 0,39
B1
Umurs : 0,3
g : 0,33
B1
Umurs : 0,3
g : 0,22
C1
Umurs : 0,2
g : 0,39
C1
Umurs : 0,2
g : 0,33
C1
Umurs : 0,2
g : 0,22
Besluit: voorbeeld energiebalans
Energiefactuur
1-Chaudi
ère gaz + groupe
froid
1 - Gasketel
+ de
koelgroep
Facture énergétique
220%
3 - Geothermie
3-Geothermi
e avec ¨PAC + met
chaudiè“WP
re appoin+t +extra
geoccolinketel
g + groupe
+
geocooling
+
extra
koelgroep
de froid d'appoint
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
A1
Umurs : 0,4
g : 0,39
A1
Umurs : 0,4
g : 0,33
A1
Umurs : 0,4
g : 0,22
B1
Umurs : 0,3
g : 0,39
B1
Umurs : 0,3
g : 0,33
B1
Umurs : 0,3
g : 0,22
C1
Umurs : 0,2
g : 0,39
C1
Umurs : 0,2
g : 0,33
C1
Umurs : 0,2
g : 0,22
Interessante tools, websites, enz.:
●
Website Brussel Leefmilieu:
http://www.bruxellesenvironnement.be/Templates/Professio
nnels/informer.aspx?id=32607
●
SIA 0190 - Gebruik van aardwarmte door funderings- en
stutwerken in beton
●
Publicaties van Dr D. Pahud, Scuola universitaria
professionnale della Suizzera italiana (SUPSI), Lugano
Referenties Praktische Gids voor Duurzaam
Bouwen: en andere bronnen:
●
2
Wat u moet onthouden van de
uiteenzetting
●
Geothermie is gerechtvaardigd in een gebouw waar
(evenwichtige) warmte- en koudeproducties nodig zijn.
●
Geothermie is een van de technieken om een gebouw op
natuurlijke wijze af te koelen.
●
Het ontwerp vereist een zorgvuldige en dynamische
studie van de behoeften van het gebouw en de bodem
●
Geothermie maakt aanzienlijke emissiebesparingen
mogelijk in vergelijking met traditionele installaties
3
Contact
Fabrice DERNY
MATRIciel – projectbeheerder
Place de l’Université, 25 – 1348 Louvain-la-Neuve

: 010/24.15.70
E-mail: [email protected]
23