BTO Februari BTO rapport. Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum

BTO 2015.010 | Februari 2015

BTO rapport Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum

BTO 2015.010 | Februari 2015

Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum


BTO 2015.010 | Februari 2015

BTO

Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum BTO 2015.010 | Februari 2015

Opdrachtnummer 400555-003/400481 Projectmanager Frank Oesterholt Opdrachtgever BTO/Interreg IVA – Speerpuntonderzoek Waterbedrijf Groningen Kwaliteitsborger Frank Oesterholt Auteurs Jan Hofman, Martin Bloemendal, Andreas Moerman, Hendrik Beverloo Verzonden aan Dit rapport is verspreid onder BTO-participanten en is openbaar. Het project Denewa wordt in het kader van het INTERREG IVA programma Deutschland-Nederland medegefinancierd door het Europese Fonds voor Regionale Ontwikkeling (EFRO) en door het Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr Niedersachsen, het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie, de Provincie Fryslân en de provincie Groningen. Het wordt begeleid door het programmamanagement INTERREG bij de Eems Dollard regio.

Jaar van publicatie 2015 Meer informatie Jan Hofman T +31-30-6069679 E [email protected] Keywords water, energie, rendement, riothermie

PO Box 1072 3430 BB Nieuwegein The Netherlands T F E I

+31 (0)30 60 69 511 +31 (0)30 60 61 165 [email protected] www.kwrwater.nl

BTO 2015.010 | Februari 2015 © KWR Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

BTO 2015.010 | Februari 2015


Samenvatting

De verwarmingsinstallatie van zwembad ‘De Beemden’ in Bedum was aan vervanging toe. Na een lang en spannend aanlooptraject heeft de Gemeente Bedum ervoor gekozen om de installatie te vervangen door een duurzame oplossing op basis van restwarmte. De installatie hiervoor is door Waterbedrijf Groningen gebouwd en in gebruik genomen. De warmtebron is het afvalwater van de zuivelfabriek van Friesland Campina. Het afvalwater wordt op het fabrieksterrein gezuiverd. Het gezuiverde water wordt op een gemaal overgedragen aan Waterschap Noorder Zijlvest, dat vervolgens het water uitslaat op de Waddenzee. Het afvalwater heeft een grote volumestroom en temperaturen tussen 20 en 35°C. De installatie voor warmtelevering aan het zwembad is opgebouwd uit twee delen. Het eerste deel, de warmtewisselaar, staat opgesteld in een container bij het gemaal waar het afvalwater naar de Waddenzee wordt verpompt, buiten het terrein van de zuivelfabriek. Via de warmtewisselaar wordt de warmte overgedragen op een bronleiding, die de warmte naar het zwembad transporteert. In het zwembad is een dubbele elektrische warmtepomp opgesteld, die de warmte opwaardeert naar een hogere temperatuur, benodigd voor de energievoorziening van het zwembad. Als back-up voorziening of voor eventuele bijverwarming is een hoog rendement gasketel aanwezig. Uitgangspunt voor het project was dat de warmtevoorziening van het zwembad volledig door de warmtepompen wordt geleverd. Het onderzoek was gericht op het vaststellen van de overdrachtsrendementen voor warmte van de warmtewisselaar en de Coefficient of Performance (COP) van de warmtepomp en de gehele installatie. Daarnaast is vastgesteld hoe groot de warmteverliezen in de bronleiding zijn. Uit de onderzoeksresultaten kan worden opgemaakt dat de installatie na een opstartperiode van circa 3 maanden stabiel functioneert. De installatie draait echter nog niet (helemaal) optimaal en de Coefficient of Performance is nog relatief laag: 3,8. Bij het ontwerp van de installatie is uitgegaan van een COP van 4,5. Verdere optimalisering van de bedrijfsvoering is dus noodzakelijk en het inzetten van de gasketel, zoals momenteel in de weekenden plaatsvindt, moet vermeden worden. De metingen geven ook aan dat verdere optimalisering mogelijk is. Het gebruik van de installatie levert nu al een aanzienlijke reductie van broeikasgasemissie op. Verder is vastgesteld dat het warmteverlies in het bronsysteem beperkt is. Uit de metingen is gebleken dat tussen de TSA en de warmtepomp 10 tot 15 % thermische energie verloren gaat. Aanbevolen wordt om de werking en bedrijfsvoering van de warmtepomp verder te optimaliseren, zodat een hogere COP kan worden gehaald. Het is daarbij belangrijk om de bedrijfsvoering zodanig in te richten dat het gebruik van de gasketel niet nodig is.

2

BTO 2015.010 | Februari 2015


3

Inhoud

Samenvatting

2

Inhoud

3

1

Inleiding

4

1.1 1.2 1.3 1.4

Energie en Water in Groningen Warmtelevering Zwembad ‘De Beemden’ Onderzoeksvragen Leeswijzer

4 4 4 5

2 2.1 2.2

Beschrijving van de installatie Overzicht Warmtewisselaar

6 6 7

2.3 2.4

Het bronsysteem Installatie ‘De Beemden’

8 8

3

Resultaten en Discussie

10

3.1 3.2 3.3 3.4

Warmtewisselaar Bronleidingen Installatie ‘De Beemden’ CO2-emissie

10 12 16 19

4

Conclusies en Aanbevelingen

20

Bijlage I



Vuilwaterzijde van de TSA

Bijlage II



Schoonwaterzijde van de TSA

Bijlage III



Temperatuurgegevens bronsysteem

21 21 25 25 29 29

Bijlage IV  Kalibratie DTS (29-1-2015)

31 31

Bijlage V  Modelleren temperatuurverlies in bronleiding Bedum

34 34

BTO 2015.010 | Februari 2015


1 Inleiding

1.1

Energie en Water in Groningen

Binnen Waterbedrijf Groningen is er veel belangstelling voor het thema Water en Energie. Dit heeft ertoe geleid dat Waterbedrijf Groningen een aparte bedrijfseenheid heeft ingericht voor het leveren van energie- en duurzaamheidsdiensten. Er worden samen met de Gemeente Groningen (WarmteStad BV) momenteel een tweetal WKO-netwerken gerealiseerd en daarnaast wordt een groot warmtenetwerk gepland, waaraan circa 10.000 wooneenheden in het noordwesten van de stad zullen worden gekoppeld. Op het gebied van restwarmte is in de zomer van 2014 een installatie gerealiseerd in Bedum. Hier wordt restwarmte uit het afvalwater van de zuivelfabriek van Friesland Campina onttrokken en geleverd aan het zwembad ‘De Beemden’ in Bedum. In het kader van het Interreg IVA project ‘Denewa’1, waarbinnen ook deze studie valt, is in 2013 vastgesteld dat kleinschalige riothermie in vrijvervalriolen niet haalbaar is2 . Er is daarom voor gekozen om de installatie in Bedum intensief te gaan monitoren om het rendement van de installatie te kunnen vaststellen. Dit rapport beschrijft de resultaten van dit monitoringsprogramma. 1.2 Warmtelevering Zwembad ‘De Beemden’ De verwarmingsinstallatie van zwembad ‘De Beemden’ in Bedum was aan vervanging toe. Na een lang en spannend aanlooptraject heeft de Gemeente Bedum gekozen voor een duurzame oplossing op basis van restwarmte afkomstig van de nabijgelegen zuivelfabriek van Friesland Campina. Het afvalwater van de zuivelfabriek wordt op het fabrieksterrein gezuiverd. Het gezuiverde water wordt op een gemaal overgedragen aan Waterschap Noorder Zijlvest, dat vervolgens het water uitslaat op de Waddenzee. Het afvalwater heeft een grote volumestroom en temperaturen tussen 20 en 35°C. De installatie voor warmtelevering aan het zwembad is opgebouwd uit twee delen. Het eerste deel, de warmtewisselaar, staat opgesteld in een container bij het gemaal waar het afvalwater naar de Waddenzee wordt verpompt, dat wil zeggen buiten het terrein van de zuivelfabriek. Via de warmtewisselaar wordt de warmte overgedragen op een bronleiding, die de warmte naar het zwembad transporteert. In het zwembad is een dubbele elektrische warmtepomp opgesteld, die de warmte opwaardeert naar een hogere temperatuur, die nodig is voor de energievoorziening van het zwembad. Als back-up voorziening of voor eventuele bijverwarming is een hoog rendement gasketel aanwezig. Uitgangspunt voor de installatie is dat de warmtevoorziening van het zwembad volledig door de warmtepomp wordt geleverd. 1.3 Onderzoeksvragen Het onderzoek dat in dit rapport is beschreven, is gericht op het vaststellen van de overdrachtsrendementen voor warmte van de warmtewisselaar en de Coefficient of

1

www.denewa.eu

Oesterholt, F. and Hofman, J. (2014) Feasibility of small scale heat recovery from sewers. KWR 2014.xxx (draft), KWR Watercycle Research Institute. 2

4

BTO 2015.010 | Februari 2015


Performance (COP) van de warmtepomp en de gehele installatie. Daarnaast is vastgesteld hoe groot de warmteverliezen in de bronleiding zijn. 1.4 Leeswijzer Dit rapport beschrijft het monitoringprogramma dat is uitgevoerd om het energierendement van de installatie vast te stellen. Het project is uitgevoerd in het kader van het BTOSpeerpuntonderzoek voor Waterbedrijf Groningen en het Interreg IV-A onderzoek ‘Denewa’. In hoofdstuk 2 is een uitgebreide beschrijving van de installatie gegeven. In hoofdstuk 3 zijn de resultaten opgenomen. Ten slotte zijn in hoofdstuk 4 de conclusies en aanbevelingen vermeld.

5

BTO 2015.010 | Februari 2015


2 Beschrijving van de installatie

2.1

Overzicht

Figuur 1 toont het processchema van de installatie (overgenomen uit EXOScada), inclusief een aantal relevante meetpunten. Een deelstroom van afvalwater wordt uit de bufferkelder van het gemaal gepompt, in de eerste maanden met een dompelpomp, daarna met de daarvoor bedoelde centrifugaalpomp. Het water wordt vervolgens over een warmtewisselaar geleid en teruggevoerd naar het gemaal.

Figuur 1. Processchema warmte-installatie Bedum.

Figuur 2. Leidingtracé bronleidingen

6


BTO 2015.010 | Februari 2015

7

In de warmtewisselaar wordt de thermische energie overgedragen aan een gesloten bronsysteem dat de warmte transporteert naar het zwembad. Het leidingtracé van de bronleidingen is opgenomen in Figuur 2. Een deel van de leiding ligt vrij diep en is aangelegd via een gestuurde boring, onder andere onder de spoorlijn door. Het bronsysteem bestaat uit twee leidingen van DN 160 mm die ongeveer 0,5 m uit elkaar liggen. De leidingen zijn niet geïsoleerd. Het water in het circuit wordt rondgepompt met een debiet van circa 45 m3/h. In het zwembad onttrekt een dubbele warmtepomp de energie aan de bronleiding en voedt het warmwatersysteem van het zwembad. 2.2 Warmtewisselaar De warmtewisselaar is gemonteerd in een container die op de ontvangstkelder van het gemaal is geplaatst (Figuur 3). Door middel van een zelfaanzuigende centrifugaalpomp wordt een deelstroom aan de ontvangstkelder onttrokken en via een filter aan een dubbele pijp-in-pijp warmtewisselaar gevoed. De eerste maanden is vanwege verstoppingsproblemen van het filter en geluidsoverlast gewerkt met een dompelpomp in plaats van de centrifugaalpomp.

Figuur 3. Container met warmtewisselaar.

Om de prestaties van de warmtewisselaar te monitoren zijn vier temperatuursensoren gemonteerd en worden de debieten door de warmtewisselaar continu gemonitord. Het systeem is schematisch weergegeven in Figuur 4. In deze figuur staan ook de temperatuursensoren vermeld. Alle gegevens worden eens per 10 minuten opgeslagen in het Scada-systeem.

FT100

TT100

TT101

Afvalwater Melkfabriek

Bronsysteem TT102

Noorder Zijlvest

Container

TT103

Terrein

Figuur 4. Schematische weergave van de warmtewisselaar en de meetinstrumenten.

De Beenden


BTO 2015.010 | Februari 2015

8

2.3 Het bronsysteem Het bronsysteem transporteert de warmte van de warmtewisselaar naar de warmtepomp in het zwembad. Nadat de warmtepomp de warmte heeft onttrokken, gaat het afgekoelde medium via de retourleiding weer terug naar de warmtewisselaar. Het ontwerp van het bronsysteem is onder andere gebaseerd op eerdere modelberekeningen voor verliezen in de leidingen bij verschillende bodemtemperaturen en isolatie van de leidingen (zie Bijlage V). Bij het toepassen van hoge debieten is gebleken dat de verliezen in de bronleidingen beperkt zijn. Wel speelt de bodemtemperatuur een rol. Bij een gemiddelde bodemtemperatuur van 11°C is het temperatuurverlies in een niet-geïsoleerde leiding minder dan 2°C. Als de bodemtemperatuur daalt tot 4°C, loopt het verlies in de leiding op tot maximaal 4°C (aangenomen lengte bronleidingen 600 m). De aanvoer- en retourleiding van het bronsysteem liggen ongeveer 0,5 m uit elkaar en hebben een diameter van 160 mm. Het debiet van het medium bedraagt ongeveer 45 m3/h. De leidingen zijn van PVC en zijn niet geïsoleerd. Om de warmteverliezen in de leidingen te monitoren, is de temperatuur van het medium in beide leidingen over de hele lengte gemeten via Distributed Temperature Sensing (DTS). In beide leidingen is daarvoor een glasvezelkabel aangebracht. Daarnaast is op twee locaties het temperatuurprofiel in de bodem rondom de aanvoerleiding gemeten. Daarvoor is op beide locaties een viertal sensoren in de bodem ingegraven op afstanden 10, 50, 200 en 500 mm vanaf de buitenzijde van de buis. De lengte van de bronleidingen bedraagt circa 620 m. De sensoren zitten op een afstand van 116 en 470 m vanaf het zwembad.

Temperatuursensoren

P2

DTS

Container

Terrein

Warmtepomp

De Beenden

Figuur 5. Schematische weergave van het bronsysteem en de aangrenzende TSA en warmtepomp. Tabel 1. Berekening verblijftijd in bronleiding Parameter Lengte

Waarde

Eenheid

600

m

Diameter

0.16

m

Volume

12.1

m3

45

m3/h

16.1

min

Debiet Verblijftijd

2.4 Installatie ‘De Beemden’ De warmte uit de bronleiding wordt in het zwembad opgewaardeerd door een dubbele elektrische warmtepomp. De warmte wordt overgedragen op het warmwatercircuit van het zwembad. Voor het opvangen van storingen of onderhoud aan de warmtepomp is een


BTO 2015.010 | Februari 2015

gasketel aanwezig, zodat het zwembad altijd van warmte kan worden voorzien. Ook de opwekkingsinstallatie wordt intensief gemonitord via een scada-systeem.

P2

DTS

Warmtepompen P3 Terrein

De Beemden

Figuur 6. Warmteopwekking in het zwembad.

9


BTO 2015.010 | Februari 2015

10

3 Resultaten en Discussie

3.1

Warmtewisselaar

Het afvalwaterdebiet door de warmtewisselaar in de onderzoeksperiode is weergegeven in Figuur 7. In september 2014 is met het oppompen van afvalwater uit de ontvangstkelder van het gemaal gestart. In eerste instantie is de centrifugaalpomp in het ruwwatercircuit in bedrijf genomen. Al snel bleek dat door verstopping van het filter, een grote onderdruk ontstond in de zuigleiding van de pomp. Hierdoor ontstond geluidsoverlast en was er risico op beschadiging van de centrifugaalpomp (cavitatie). Na de eerste reiniging van het filter is de centrifugaalpomp uitgeschakeld en is alleen de dompelpomp ingeschakeld geweest, waardoor de verstopping van het filter minder snel ging. Deze situatie heeft geduurd tot begin november 2014. Het afvalwaterdebiet schommelde tussen 40 en 60 m3/h. Na 1 november is de inname van vuilwater aangepast. De dompelpomp was niet meer nodig en de centrifugaalpomp in de container kon weer in gebruik worden genomen. Het vuilwaterdebiet is verhoogd tot aanvankelijk 90 m3/h en vanaf januari 2015 teruggebracht tot 70 m3/h.

120

3

Qvuil water (m /h)

100 80 60 40 20

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 7. Debiet vuilwaterzijde TSA in de container. Periode september tot en met november inname via dompelpomp, vanaf november inname met zelfaanzuigende centrifugaalpomp.


BTO 2015.010 | Februari 2015

11

500

P (kW)

400 300 200 100

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 8. Aan het afvalwater onttrokken vermogen berekend op basis van het vuilwaterdebiet en de temperatuurafname.

In Figuur 8 is het onttrokken vermogen weergegeven. Dit is berekend uit het temperatuurverschil van het afvalwater en het debiet door de warmtewisselaar: 𝑃𝑜𝑛𝑡𝑡𝑟𝑜𝑘𝑘𝑒𝑛 = 𝜌𝐶𝑝 𝑄𝑣𝑢𝑖𝑙𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 ∆𝑇𝑣𝑢𝑖𝑙𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 Hierin is 𝜌 de dichtheid van het water (997 kg m-3), 𝐶𝑝 de soortelijke warmte van water (4181 kJ kg-1 °C-1)3. ∆𝑇𝑣𝑢𝑖𝑙𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 en 𝑄𝑣𝑢𝑖𝑙𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 zijn respectievelijk de temperatuurafname van het afvalwater over de warmtewisselaar (°C) en het vuilwaterdebiet (m3 s-1), gemeten via meetpunten FT100, TT100 en TT101 (zie Figuur 1). Uit de metingen blijkt dat in de periode tot eind november het aan het afvalwater onttrokken vermogen gemiddeld rond 105 kW bedraagt. In de periode daarna is de onttrokken warmte fors toegenomen tot gemiddeld 175 kW. Verder valt op dat er veel ruis op het in Figuur 8 berekende vermogen zit. Een deel van deze ruis is ‘echte’ ruis door schommelingen in de gemeten temperaturen. Ook de variatie in de debieten draagt daaraan bij. Een belangrijke andere factor zijn schommelingen in de temperatuur van de retourstroom. Deze schommelingen zijn afkomstig van de modulatie van de warmtepomp. Bij de berekening van het vermogen, waarbij vermenigvuldigd wordt met de dichtheid en de soortelijke warmte wordt de mate van ruis op het berekende vermogen ‘uitvergroot’. In Bijlage I zijn de meer gedetailleerde gegevens te vinden. De onttrokken energie in de TSA is tevens berekend aan de schone zijde van de TSA die aangesloten is op het bronsysteem. Vervolgens is deze energie vergeleken met de onttrokken energie berekend aan de vuilwaterzijde. De resultaten van deze vergelijking zijn weergegeven in Figuur 9. In deze figuur is goed te zien dat het berekende vermogen aan beide zijden van de TSA gelijk is. Ook in deze grafiek is overigens relatief veel ruis waar te nemen. Gedetailleerde gegevens van de berekening aan de schoonwaterzijde van de TSA zijn opgenomen in Bijlage II.

De aangenomen waarden gelden bij 25°C: http://www.engineeringtoolbox.com/water-thermalproperties-d_162.html 3

BTO 2015.010 | Februari 2015


12

Vermogen TSA schoon water (kW)

400

300

200

100

0 0

100

200

300

400

Vermogen TSA vuil water (kW) Figuur 9. Vergelijking onttrokken vermogen aan de schoonwater- en vuilwaterzijde van de TSA.

3.2 Bronleidingen Op vergelijkbare wijze is het aangeboden vermogen vanuit de bronleiding bij de warmtepomp berekend op basis van de temperaturen in de bronleiding. De temperaturen en flow zijn gemeten door een warmtemeter (Merk Kamstrup). Het berekende vermogen is weergegeven in Figuur 10. Ook is het verlies in het systeem berekend door het vermogensverschil tussenhet werkelijk onttrokken en aangeboden vermogen te berekenen. Bij het berekenen van het verlies is rekening gehouden met de tijdvertraging tussen het moment dat de energie door de warmtepomp wordt onttrokken, en weer wordt opgenomen in de TSA. Indien een ideale propstroom wordt aangenomen in het bronsysteem, is de verblijftijd tussen de warmtepomp en de TSA ongeveer 16 minuten (zie Tabel 1)(bij een omloopdebiet van 45 m3/h). Omdat het scada-systeem meet met een frequentie van eens per 10 minuten , is de verblijftijd lastig waar te nemen. Het faseverschil veroorzaakt door de verblijftijd in het bronsysteem is duidelijk zichtbaar in Figuur 11. Voor de berekeningen hier is het faseverschil tussen de warmtepomp en de TSA op 10 minuten gezet. Op deze manier kan voorkomen worden dat er in een grote hoeveelheid


BTO 2015.010 | Februari 2015

13

gegevens moet worden geïnterpoleerd, en kan de berekening vrij eenvoudig worden uitgevoerd door de metingen met een tijdstap van 10 minuten te verschuiven.

500

P (kW)

400 300 200 100

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 10. Vermogen aangeboden aan de warmtepomp berekend op basis van debiet en temperatuurafname in het bronsysteem aan de primaire zijde van de warmtepomp.

18

o

T ( C)

16

14

12

07:00:00

06:00:00

05:00:00

04:00:00

03:00:00

Retour na WP

02:00:00

01:00:00

00:00:00

Retour voor TSA

10

Figuur 11. Tijdverschil tussen onttrekking van warmte in de warmtepomp en de TSA, zichtbaar gemaakt op basis van de temperatuur in de retourleiding van het bronsysteem.

In Figuur 12 zijn de vermogens onttrokken in de TSA en in de warmtepomp vergeleken. De grafiek aan de linkerkant is gecorrigeerd voor het faseverschil. Het valt op dat door deze correctie er minder spreiding in de gegevens is dan bij een directe vergelijking in de rechter figuur. Uit de gegevens kan worden afgeleid dat het verlies in het bronsysteem 10 – 15% bedraagt.


400

Aangeboden vermogen WP primair (kW)

Aangeboden vermogen WP primair (kW)

BTO 2015.010 | Februari 2015

300

200

100

0 0

100

200

300

400

400

300

200

100

0 0

Vermogen TSA (schoon water) (kW)

14

100

200

300

400

Vermogen TSA (schoon water) (kW)

Figuur 12. Vergelijking van het aangeboden vermogen aan de warmtepomp en het onttrokken vermogen aan de schoonwaterzijde van de TSA. Links: met tijdcorrectie van 10 minuten, Rechts zonder tijdcorrectie.

DTS metingen Om meer inzicht te krijgen in het verlies van het bronsysteem zijn ook temperatuurmetingen verricht in de leiding via DTS en op twee locaties aan de buitenzijde van de leiding in de bodem. Het volledige overzicht van temperatuurmetingen in de leidingen is opgenomen in Bijlage III. De kalibratie van de DTS is beschreven in Bijlage IV. Op basis van een relatief grote dataset zijn in Figuur 13 de metingen op twee willekeurige tijdstippen grafisch weergegeven. In deze grafiek is de temperatuur in de aanvoer- en retourleiding als functie van de afstand vanaf het zwembad weergegeven. De eerste 40 m van de kabel bevinden zich in het gebouw van het zwembad, de laatste 15 m in de container bij de TSA. De meting op 14 oktober laat zien dat de temperatuur in de aanvoer nog relatief hoog is, rond 23 °C. Op 15 januari was de temperatuur in de aanvoerleiding rond 15 °C. De gegevens geven aan dat de temperaturen in beide leidingen vrijwel constant zijn. De temperaturen in beide leidingen nemen in de stroomrichting in zeer geringe mate af. Hieruit kan geconcludeerd worden dat het verlies in het bronsysteem zeer gering is. De aannames die bij het ontwerp hierover gemaakt zijn, worden dus door de meetgegevens bevestigd. De temperaturen in de retourleiding zijn telkens enkele graden lager dan in de aanvoerleiding. Dat betekent dat er dus constant een temperatuurgradiënt tussen beide leidingen bestaat. Deze gradiënt zal resulteren in warmtetransport tussen beide leidingen.

Aanvoer 14/10/2015 16:09 Retour 14/10/2014 16:19

Aanvoer 06/01/2015 16:09 Retour 06/01/2015 16:19

20

o

T ( C)

30

10

0 0

100

200

300

400

Afstand vanaf zwembad (m)

500

600


BTO 2015.010 | Februari 2015

15

Figuur 13. Temperatuurverloop in de aanvoer- en retourleiding van het bronsysteem op 14 oktober 2014 en 6 januari 2015. De pijlen geven de stroomrichting van het water aan.

In Figuur 14 is het verloop van de temperatuur in de leiding en de bodem (op vier verschillende afstanden vanaf de leiding) weergegeven. De zeer hoge pieken die in enkele periodes voorkomen in de grafiek zijn meetfouten, te wijten aan een slecht contact met de datalogger. De metingen geven aan dat er een duidelijke temperatuurgradiënt rondom de leidingen ontstaat. Op korte afstand van de buitenwand van de buis volgt de temperatuur de dynamiek in de leiding. Op grotere afstand is de temperatuur lager, en wordt het dynamische gedrag verder gedempt. De temperatuur in de bodem rondom de leiding volgt bovendien consequent de temperatuur in de leiding. Zelfs de temperatuur in de meetpunten op 500 mm afstand volgt de leidingtemperatuur. Geconcludeerd mag worden dat de bodemtemperatuur tot een relatief grote afstand (meer dan 3 keer de diameter van de leiding) wordt bepaald door de leidingen.

30 25

T (oC)

20 15 10 5 Aanvoerleiding

10 mm

50 mm

200 mm

500 mm

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

04/01/15

11/01/15

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

04/01/15

11/01/15

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

30 25

T (oC)

20 15 10 5 Aanvoerleiding

10 mm

50 mm

200 mm

500 mm

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 14. Temperaturen in de bronleiding en de bodem eromheen. Boven: op 116 m afstand vanaf het zwembad; onder: op 470 m afstand van het zwembad.


BTO 2015.010 | Februari 2015

16

In Figuur 15 is het temperatuurprofiel in de bodem weergegeven op een willekeurig tijdstip (5 oktober 2014, 20.00 uur). Het temperatuurprofiel kent een steile gradiënt, in het leidingmateriaal en direct daarbuiten. Vanaf het eerste meetpunt in de bodem (10 mm vanaf te buitenwand van de leiding) is de temperatuurgradiënt al veel geringer. Ook uit deze gegevens wordt geconcludeerd dat het warmteverlies in het bronsysteem beperkt is.

24 DTS

Sensor 116 m vanaf zwembad Sensor 470 m vanaf zwembad

o

T ( C)

22 20 18 16 0

100

200

300

400

500

600

Afstand vanaf buitenkant buis (mm)

DTS

Figuur 15. Temperatuurprofiel in de bodem (boven) en positionering van de temperatuursensoren ten opzichte van de leiding. (onder).

3.3 Installatie ‘De Beemden’ Als laatste stap in de analyse van de metingen is gekeken naar het door de warmtepomp afgeleverde vermogen. Het geleverde vermogen staat weergegeven in Figuur 16. In deze figuur staat het totaal geleverde vermogen (warmtepomp+gasketel), berekend op basis van de temperaturen en het debiet gemeten met de warmtemeter (Merk: Kamstrup), die de energielevering aan het zwembad monitort. Het geleverde vermogen van de warmtepomp is berekend uit het debiet en de retourtemperatuur gemeten met de warmtemeter (Kamstrup 1 in Figuur 1) en de temperatuur direct na de warmtepomp (TT11 in Figuur 1). Dit is echter een benadering, aangezien het werkelijke debiet door de warmtepomp niet gemeten wordt. Het debiet van en naar de warmtepomp is afhankelijk van de warmtevraag in het zwembad. De warmtepomp reageert echter niet direct op de warmtevraag vanuit het zwembad. Bij een tijdelijk overschot aan warmte, zal deze worden opgeslagen in het buffervat en bij een snelle toename van de vraag zal een deel van de warmte juist onttrokken worden aan het buffervat. Het debiet door de warmtepomp, net als de debieten in en uit het buffervat, worden echter niet gemonitord waardoor de werkelijke prestatie van de warmtepomp niet rechtstreeks berekend kan worden. In Figuur 16 valt op dat in de periode vanaf 1 december 2014 redelijk frequent (bijna continu) wordt bijgestookt met de gasketel (te zien aan de rode pieken die telkens boven de gele lijn uitkomen). Het totale geleverde vermogen is telkens hoger dan dat geleverd door de


BTO 2015.010 | Februari 2015

17

warmtepomp. Ook valt op dat het geleverde vermogen in deze periode iets hoger is dan de periode daarvoor. Of de gasketel werkelijk continu in bedrijf is, is op basis van de metingen niet direct vast te stellen, omdat maar één keer per etmaal het gasverbruik wordt vastgelegd in het scada systeem. In Figuur 17 is de dagelijks door de warmtepomp geleverde energie en de energie uit de gasketel weergegeven. Het beeld is consistent met de resultaten uit Figuur 16. Opvallend is dat het gasverbruik in de periode na 1 december 2014 voornamelijk op zondag valt. Waarschijnlijk heeft dit te maken met een extra energievraag voor het gebruik van het zwembad voor een doelgroep waarvoor een hogere zwemwatertemperatuur nodig is.

600 Warmtepomp+gasketel

Warmtepomp

500

P (kW)

400 300 200 100

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 16. Afgeleverd vermogen van de warmtepomp (geel) en de totale levering aan het zwembad (rood).

30000 Warmtepomp

E (MJ/d)

25000

Gasketel

Totaal

20000 15000 10000 5000

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 17. Geleverde energie aan het zwembad via warmtepomp en via de gasketel en de totale levering.

De Coefficient of Performance of COP van een warmtepomp geeft de verhouding weer tussen de hoeveelheid afgegeven warmte tegenover de hoeveelheid verbruikte energie. Om de Coefficient of Performance (COP) van de warmtepomp te kunnen berekenen, is het nodig om het energieverbruik van de installatie zelf te kennen. De belangrijkste energieverbruikers in de installatie zijn de warmtepomp en de circulatiepompen in de container (P100), het


BTO 2015.010 | Februari 2015

18

bronsysteem (P2) en de pomp in het warmwatercircuit in het zwembad (P3). Het energieverbruik is weergegeven in Figuur 18. In de figuur is te zien dat het energieverbruik van de circulatiepompen vrijwel constant is. Ook is de omschakeling van de dompelpomp naar de centrifugaalpomp voor de inname van het afvalwater (begin november) duidelijk te zien als een verhoging van het energieverbruik voor de circulatiepompen. Het energieverbruik van de warmtepomp is in de periode december-januari flink toegenomen, omdat de energievraag van het zwembad in het winterseizoen hoog is.

10000 Elektriciteitsv erbruik warmtepomp Elektriciteitsv erbruik circulatiepompen

E (MJ/d)

8000 6000 4000 2000

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 18. Energieverbruik (elektrisch) van de warmtepompen (rode lijn), en de circulatiepompen voor het ruwe afvalwater, het bronsysteem en het warmwater circuit (gele lijn).

10 Warmtepomp Installatie

COP (-)

8 6 4 2

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

26/10/14

19/10/14

12/10/14

05/10/14

28/09/14

21/09/14

14/09/14

07/09/14

0

Figuur 19. COP van de warmtepomp en de installatie.

De Coefficient of Performance (COP) van de warmtepomp en de installatie is weergegeven in Figuur 19. De metingen tot december 2014 zijn minder betrouwbaar. Vanaf december kunnen de waarden voor de COP als representatief worden gezien. De warmtepomp heeft een COP van gemiddeld circa 3,8 (gebaseerd op de door de warmtepomp geleverde en

BTO 2015.010 | Februari 2015


19

verbruikte energie). De pieken op de zondagen laten echter zien dat waarden tot boven 4 haalbaar zijn. Wanneer naar de totale installatie wordt gekeken (totale levering aan het zwembad en totaal energieverbruik) dan blijkt dat de COP van de installatie gemiddeld rond 3,6 te liggen in de periode december-januari. 3.4 CO2-emissie De metingen die hierboven beschreven staan hebben betrekking op de periode direct na ingebruikname van de installatie in september 2014. De eerste maanden zijn er nog wat kinderziektes uit de installatie gehaald, maar vanaf december lijkt de installatie stabiel te werken. Het rendement van de installatie, uitgedrukt in COP, is nog relatief laag en verdere optimalisering van de bedrijfsvoering is gewenst. Nu de installatie stabiel draait, is dat ook mogelijk. Om een beeld te krijgen van de duurzaamheidswinst is een schatting gemaakt van de CO 2emissie van de installatie die vervolgens is vergeleken met een volledig op gas gebaseerd scenario. Bij de berekening is uitgegaan van een verbrandingswarmte van 32 MJ/m 3 voor aardgas, een emissie van 1,8 kg CO2/m3 aardgas en 0,46 kg CO2/kWhe (7,3 MJprimair/kWhe). De evaluatie is gebaseerd op de periode 1 december 2014 tot en met 13 januari 2015 (44 dagen). De resultaten zijn in Tabel 2 vermeld. Uit de tabel blijkt dat door toepassing van de warmtepomp duidelijk een verbetering van de emissie van broeikasgassen kan worden gerealiseerd. In de huidige bedrijfsvoering kan bij toepassing van ‘grijze’ stroom ongeveer 10.000 kg CO2 per maand worden vermeden, ten opzichte van een volledige verwarming van het zwembad met gas. Wanneer ‘groene’ stroom wordt ingezet, is de besparing nog veel meer, namelijk circa 30.000 kg CO2 per maand. In deze berekening is de CO2-emissie van de verwarming van het (afval)water in de melkfabriek niet meegenomen. Een verdere optimalisering van de bedrijfsvoering van de warmtepomp zal leiden tot nog meer of een volledig vermeden CO2-emissie en lagere kosten doordat minder elektriciteit nodig is om de benodigde warmte te leveren (hogere COP). Tabel 2. Berekening van de CO2-emissie over de periode 1-12-2014 tot en met 13-1-2015. Parameter

Eenheid

Warmtepomp

Warmtepomp

Conventionele

Groene stroom

Gasketels

stroom Geleverd aan zwembad

MJ

850.080

850.080

Door Warmtepomp

MJ

800.008

800.008

-

Door Gasketel

MJ

49.072

49.072

850.080

kWh

65.593

65.593

-

m3

1.533

1.533

26.565

Elektriciteit

kg CO2

30.172

0

0

Gas

kg CO2

2.759

2.759

47.817

Totaal

kg CO2

32.931

2.759

47.817

Elektrisch verbruik Gasverbruik

850.080

Emissie

BTO 2015.010 | Februari 2015


4 Conclusies en Aanbevelingen

Het onderzoek had als doel om het rendement van de installatie en de verliezen in het bronsysteem vast te stellen. Geconcludeerd wordt dat de installatie voor de levering van warmte aan het zwembad “De Beemden” in Bedum na een opstartperiode van circa 3 maanden stabiel functioneert. De installatie draait echter nog niet (helemaal) optimaal en de Coefficient of Performance is nog relatief laag: 3,8. Bij het ontwerp van de installatie is uitgegaan van een COP van 4,5. Verdere optimalisering van de bedrijfsvoering is noodzakelijk en het inzetten van de gasketel, zoals momenteel in de weekenden plaatsvindt, moet zoveel mogelijk vermeden worden. De metingen geven aan dat verdere optimalisering mogelijk is. Het gebruik van de installatie levert nu al een aanzienlijke reductie van de broeikasgasemissie op. Verder is vastgesteld dat het warmteverlies in het bronsysteem beperkt is. Uit de metingen is gebleken dat tussen de TSA en de warmtepomp 10 tot 15 % thermische energie verloren gaat. Aanbevolen wordt om de werking en bedrijfsvoering van de warmtepomp verder te optimaliseren, zodat een hogere COP kan worden gehaald. Het is daarbij belangrijk om de bedrijfsvoering zodanig in te richten dat het gebruik van de gasketel niet nodig is.

20

BTO 2015.010 | Februari 2015


Bijlage I

Vuilwaterzijde van de TSA In deze bijlage zijn grafieken opgenomen van de temperaturen van het afvalwater voor en na de TSA, het debiet van het afvalwater door de TSA, en het daaruit berekende onttrokken thermisch vermogen. De gegevens zijn weergegeven per maand, vanaf november 2014.

21


BTO 2015.010 | Februari 2015

22

20

o

T ( C)

30

10 Aanvoer vuilwater (TT100)

Retour vuilwater (TT101)

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

0

120

3

Qvuilw ater (m /h)

100 80 60 40 20

02/11/14

09/11/14

16/11/14

23/11/14

30/11/14

02/11/14

09/11/14

16/11/14

23/11/14

30/11/14

0

500

P (kW)

400 300 200 100 0

Figuur B.2.November 2014


BTO 2015.010 | Februari 2015

23

20

o

T ( C)

30



28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

0

120

3

Qvuil w ater (m /h)

100 80 60 40 20

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

0

500

P (kW)

400 300 200 100 0

Figuur B.2 December 2014


BTO 2015.010 | Februari 2015

24

20

o

T ( C)

30



01/02/15

25/01/15

18/01/15

11/01/15

04/01/15

0

120

3

Qvuilw ater (m /h)

100 80 60 40 20

04/01/15

11/01/15

18/01/15

25/01/15

01/02/15

04/01/15

11/01/15

18/01/15

25/01/15

01/02/15

0

500

P (kW)

400 300 200 100 0

Figuur B.3 Januari 2015

BTO 2015.010 | Februari 2015


Bijlage II

Schoonwaterzijde van de TSA In deze bijlage zijn grafieken opgenomen van de temperaturen en debiet in het bronsysteem aan de TSA zijde, en het daaruit berekende onttrokken thermisch vermogen. De gegevens zijn weergegeven per maand, vanaf november 2014.

25

Figuur B.4.November 2014

11/01/15

04/01/15

28/12/14

21/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

3

Qbron (m /h)

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

Aanvoer schoon water

14/12/14

07/12/14

30/11/14

23/11/14

16/11/14

09/11/14

02/11/14

P (kW) o

T ( C)

BTO 2015.010 | Februari 2015 Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum 26

30

20

10

0 Retour schoon water

120

100

80

60

40

20

0

500

400

300

200

100

0


BTO 2015.010 | Februari 2015

27

20

o

T ( C)

30

10 Aanvoer schoon water

Retour schoon water 28/12/14

21/12/14

14/12/14

07/12/14

0

120

80

3

Qbron (m /h)

100

60 40 20

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

07/12/14

14/12/14

21/12/14

28/12/14

0

500

P (kW)

400 300 200 100 0

Figuur B.5. December 2014


BTO 2015.010 | Februari 2015

28

20

o

T ( C)

30

10 Aanvoer schoon water

Retour schoon water 01/02/15

25/01/15

18/01/15

11/01/15

04/01/15

0

120

80

3

Qbron (m /h)

100

60 40 20

04/01/15

11/01/15

18/01/15

25/01/15

01/02/15

04/01/15

11/01/15

18/01/15

25/01/15

01/02/15

0

500

P (kW)

400 300 200 100 0

Figuur B.6. Januari 2015

BTO 2015.010 | Februari 2015


Bijlage III

Temperatuurgegevens bronsysteem Alle metingen van de temperatuur in de bronleidingen (periode 1 september 2014 tot 1 februari 2015) zijn weergegeven in de onderstaande figuren. De metingen in de eerste ±40 m zijn in het gebouw van het zwembad. De kabel ligt hier de technische ruimte van het zwembad tussen en overbrugt de afstand tussen de aanboringen op de leidingen van het bronsysteem en de meetunit van de DTS. Vanaf 610 m ligt de kabel in de container van de TSA.

29

BTO 2015.010 | Februari 2015


Figuur B.7. Temperatuur in aanvoerleiding naar zwembad van 1 september 2014 tot 1 februari 2015. Stroomrichting: “van boven naar beneden”

Figuur B.8. Temperatuur in aanvoerleiding naar zwembad van 1 september 2014 tot 1februari 2015. Stroomrichting: “van beneden naar boven”

30

BTO 2015.010 | Februari 2015


Bijlage IV

Kalibratie DTS (29-1-2015) Op 29 januari 2015 is de DTS meting gekalibreerd door het uiteinde van de glasvezelkabel een tijd in een ijsbad te leggen (van circa 16.30 uur tot circa 21.30 uur). De metingen zijn in de onderstaande grafieken te zien als een blauw rechthoek. Voor de kalibratie is de temperatuur over de gehele kalibratieperiode gemiddeld over het deel van de kabel dat in het ijsbad lag. Deze gemiddelden zijn vervolgens als ‘offset’ gebruikt. De gemeten DTS-temperaturen zijn met deze offset temperaturen verlaagd. Voor kanaal 1 (aanvoerleiding) bedroeg de offset 1,1134 °C, voor kanaal 2 (retourleiding) 0,5595 °C

31

BTO 2015.010 | Februari 2015


Figuur B.9. Kalibratie aanvoerleiding op 29 januari 2015. Einde van kabel is in smeltend ijs geplaatst. Gemiddelde temperatuur offset is 1,1136°C

Figuur B.10. Kalibratie retourleiding op 29 januari 2015. Einde van kabel is in smeltend ijs geplaatst. Gemiddelde temperatuur offset is 0,5595°C

Behalve een temperatuuroffset, is er ook nog een klein verschil tussen de lengte van de kabels van kanaal 1 en 2. Voor de metingen over de lengte van de kabel is dit gecorrigeerd door de metingen in kanaal 2 met een offset van 11,71 m (11 meetpunten op de DTS kabel). Een voorbeeld hiervan is weergegeven in onderstaande twee figuren.

32


BTO 2015.010 | Februari 2015

33

35 Aanvoer 14/10 16:09 (ruwe data)

o

T ( C)

30

Retour 14/10 16:19 (ruwe data)

25

20

15 0

100

200

300

400

500

600

Afstand vanaf zwembad (m) 35 Aanvoer 14/10 16:09 (na kalibratie)

o

T ( C)

30

Retour 14/10 16:19 (na kalibratie)

25

20

15 0

100

200

300

400

500

600

Afstand vanaf zwembad (m) Figuur B.11. DTS metingen in de bronleidingen. Boven: ruwe data, onder: na kalibratie (temperatuur en afstand).

BTO 2015.010 | Februari 2015


Bijlage V

Modelleren temperatuurverlies in bronleiding Bedum

34

Memo

Bestemd voor: Betreft: Kopie / afschrift: Van: Datum:

Theo Venema (WB Gr), Remco van Kan (WB Gr) Modelleren temperatuurverlies in bronleiding Bedum Jan Hofman (KWR Water) Andreas Moerman (KWR Water) 28 januari 2014

Binnen het project DeNeWa – Riothermie Bedum dat momenteel bij Waterbedrijf Groningen uitgevoerd wordt is KWR gevraagd om de warmteverliezen over de bron- en retourleiding te modelleren. In deze memo worden de resultaten van deze quick-scan weergegeven.

Situatie In de onderstaande figuur zijn de vloeistofstromen tussen warmtewisselaar en warmtepomp schematisch weergegeven. De uitgaande temperatuur bij de warmtewisselaar is T3, de ingaande temperatuur bij de warmtepomp is Twp,in. Deze aanduidingen zijn overgenomen uit het Excel model van Waterbedrijf Groningen. Tijdens het transport van het water tussen warmtewisselaar en warmtepomp zal energie uit het water overgedragen worden naar de omringende bodem. De temperatuur aan het einde van de aanvoerleiding (Twp,in) zal daarom lager zijn dan de temperatuur aan het begin (T3). Het verschil tussen deze twee temperaturen is de temperatuurdaling over de aanvoerleiding en wordt uitgedrukt als ∆T. De lengte (l) van de aanvoerleiding is 600 meter. Het water wat uit de warmtepomp komt heeft een temperatuur Twp,uit. Via de retourleiding komt dit water weer bij de warmtewisselaar terecht. De temperatuur aan het einde van de retourleiding is gelijk aan T4. De lengte van de retourleiding is 600 meter. Aanvoerleiding l = 600

Twp,in

Warmtepomp

Warmtewisselaar

T3

T

4

Retourleiding l = 600

T

wp,uit

Figuur 1. Schematische weergave aanvoer- en retourleiding tussen warmtewisselaar en warmtepomp. De aanduidingen voor de temperaturen van het in- en uitgaande water zijn overgenomen uit het Excel model van Waterbedrijf Groningen.

Het netto warmteverlies per tijdseenheid (vermogensverlies) kan eenvoudig berekend worden door ∆T te vermenigvuldigen met de volumestroom (Q), de dichtheid van water (ρ = 1000 kg/m3) en de soortelijke warmte (Cp = 4186 J/(kg.K)).

Bodem- en temperatuurmodel Voor het berekenen van de warmteverliezen wordt gebruik gemaakt van een bodem- en een leidingmodel die binnen KWR zijn ontwikkeld. Met het bodemmodel kan de bodemtemperatuur als functie van weersomstandigheden en omgevingseigenschappen berekend worden op verschillende dieptes. Met het leidingmodel wordt de invloed van de bodemtemperatuur op het (drink)water in de leiding berekend. Deze modellen zijn uitvoerig beschreven in diverse rapporten en artikelen (Blokker and Pieterse-Quirijns 2010; Blokker and Pieterse-Quirijns 2012; Blokker and Pieterse-Quirijns 2013). Een belangrijke aanname van het leidingmodel is dat de warmte van de leiding onbeperkt opgenomen kan worden door de bodem. Voor drinkwaterleidingen in het secundaire en tertiaire net (met leidingdiameters tot ca. 200 mm) is deze aanname valide. Ook voor transportleidingen is het model gevalideerd. Wanneer er echter sprake is van constante volumestromen en niet variërende temperaturen binnen en buiten de leiding kan er een grenslaag van opgewarmde grond rond de leiding ontstaan die (op langere termijn) tot een evenwichtssituatie kan leiden waarbij er minder warmte aan de bodem wordt afgegeven. Wanneer er sprake is van een dergelijke grenslaag zal het model op langere termijn een overschatting geven van het warmteverlies. Binnen KWR is dit verschijnsel onderwerp van verder onderzoek.

Keuze grondparameters Afhankelijk van de liggingsdiepte zal de bodemtemperatuur rondom de leiding meer of minder fluctueren. De bodemtemperatuur is voornamelijk afhankelijk van het type grond, de bodembedekking en de diepte. Deze parameters zijn weergegeven in Tabel 1. Het bodemmodel is valide tot een diepte van ongeveer 5 meter. Om een beeld te geven van de temperatuurvariatie in het jaar zijn de bodemtemperaturen door het jaar op verschillende dieptes (1, 2 en 5m onder maaiveld) berekend en weergegeven in zie Figuur 2. Tabel 1. Gebruikte bodemparameters Naam parameter

Eenheid

Waarde

Grondtype

-

Klei

Bodembedekking

-

Vegetatie (gras)

Diepteligging

m onder maaiveld

1, 2 en 5

Pagina 2 van 15

Temperatuur op verschillende dieptes in 2012-2013 20

Bodemtemperatuur [°C]

18 16 14 12 10

1m

8

2m 5m

6 4 2 0

Figuur 2. Bodemtemperatuur op verschillende dieptes onder het maaiveld (data uit 2012 en 2013 van KNMI weerstation Eelde, uitgaande van gemiddelde dagtemperaturen).

Op een diepte van 1 meter fluctueert de bodemtemperatuur door het jaar grofweg tussen 5 en 18°C. Het gebruikte model is niet in staat om temperaturen te voorspellen op een diepte groter dan 5 meter. Op basis van literatuur wordt de temperatuur op een diepte van 10 m geschat op 10-12°C (afgeleid uit Kooi et al. 2011). Berekeningen voor een diepte van 10 m zijn uitgevoerd bij een bodemtemperatuur van 11°C. Temperatuurfluctuaties door de verschillende seizoenen zullen op deze diepte nauwelijks meer voorkomen. Naast de resultaten voor een bodemtemperatuur van 11°C op 10 m diepte worden de resultaten weergegeven bij een minimale (~4°C) en maximale (~18°C) bodemtemperatuur op een diepte van 1 m onder het maaiveld.

Keuze leidingparameters Het leidingmodel maakt gebruik van een aantal parameters om de warmteoverdracht tussen leiding en omgeving te berekenen. Deze parameters zijn weergeven in Tabel 2. Tabel 2. Parameters benodigd voor leidingmodel. Naam parameter

Eenheid

Diameter

m

Wanddikte

m

Volumestroom

m3/s

Leidinglengte

m

Warmtegeleidingscoëfficient leidingwand

W/(m.K)

Warmtegeleidingscoëfficient water

W/(m.K)

Viscositeit water

Pa.s

Dichtheid water

kg/m3

Soortelijke warmte water

J/(kg.K)

Ingaande watertemperatuur

°C

Pagina 3 van 15

Omdat Waterbedrijf Groningen vooral vragen heeft over de geschikte diameter, wanddikte en isolatie is met deze parameters gevarieerd om een beeld te geven van de invloed van deze parameters op de temperatuursverandering (∆T) in de aanvoerleiding. Isolatie is gemodelleerd als een extra wanddikte met een eigen warmtegeleidingscoëfficiënt. De doorgerekende diameters zijn 110, 160 en 200 mm in de klassen1 SDR 11, SDR 13.5 en SDR 17. Dit resulteert in 9 combinaties waarvan elke combinatie zijn eigen wanddikte heeft (zie onderstaande tabel). Alle combinaties zijn van dezelfde PE soort: PE 100. Tabel 3. Doorgerekende diameters en buisklassen met bijbehorende wanddikten. Diameter [mm]

Buisklasse

Wanddikte [mm]

110

SDR 11

10.0

110

SDR 13.5

8.1

110

SDR 17

6.6

160

SDR 11

14.6

160

SDR 13.5

11.8

160

SDR 17

9.5

200

SDR 11

18.2

200

SDR 13.5

14.7

200

SDR 17

11.9

In Tabel 4 worden de leidingparameters weergegeven die gebruikt zijn in het model. Parameters uit tabel 2 die niet genoemd worden in Tabel 4 zijn fysische constanten, zie bijvoorbeeld Blokker and Pieterse-Quirijns 2012. Tabel 4. Gebruikte leidingparameters Naam parameter

Eenheid

Waarde

Ingaande temperatuur aanvoerleiding (T3)

°C

19

Ingaande temperatuur retourleiding

°C

13

Minimale volumestroom

m3/h

25

Maximale volumestroom

m3/h

35

Leidinglengte

m

600

Warmtegeleidingscoëfficient PE

W/(m.K)

0.43 (zie bijlage 1)

Warmtegeleidingscoëfficient isolatiemateriaal

W/(m.K)

0.025

Maximale gronddekkingslaag

m onder maaiveld

4 – 16 m

Minimale gronddekkingslaag

m onder maaiveld

1.0 – 1.5 m

Bodemtemperatuur

°C

11, 4 (minimum), 18 (maximum)

(polyurethaan)

Impact belangrijkste parameters Om een idee te geven wat de invloed van de belangrijkste parameters is op de temperatuursverandering is een gevoeligheidsanalyse uitgevoerd. Hierbij is het effect op de verandering van temperatuur (∆T) weergegeven wanneer de lengte (casus 1), diameter (casus 2), wanddikte (casus 3), volumestroom (casus 4) met een factor 2 verhoogd worden of maximale verschil tussen water en grondtemperatuur (casus 5) een factor 2 verlaagd wordt. gemaakt in Tabel 5. De vijf genoemde casus zijn vergeleken met een referentie (diameter = 110 mm, wanddikte = 10 mm, volumestroom = 25 m3/h, bodemtemperatuur = 11°C). Het resultaat hiervan is weergegeven in Figuur 3.

1

De buisklasse wordt uitgedrukt in SDR of Standard Dimension Ratio. Dit is de verhouding tussen de buitendiameter en de wanddikte. Een lager SDR ratio geeft dus een hogere wanddikte.

Pagina 4 van 15

Tabel 5. Invoer voor vijf doorgerekende casus in gevoeligheidsanalyse. Parameter↓

Referentie

1

2

3

4

5

Lengte

Casusnummer →

600

1200

600

600

600

600

Diameter

110

110

220

110

110

110

Wanddikte

10

10

10

20

10

10

Volumestroom

25

25

25

25

50

25

Bodemtemperatuur

11°C

11°C

11°C

11°C

11°C

3°C

Maximaal verschil bodem en

8°C

8°C

8°C

8°C

8°C

16°C

watertemperatuur

gevoeligheid  T voor verschillende parameters (factor 2 verandering) Leidinglengte

Maximaal temperatuurverschil

Volumestroom

Wanddikte

Diameter -100%

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Figuur 3. Gevoeligheidsanalyse; effect van lengte, diameter, wanddikte, volumestroom en maximaal temperatuurverschil op de temperatuursverandering van de leiding (∆T).

In Figuur 3 is te zien dat de leidinglengte en het maximale verschil tussen bodem- en watertemperatuur de grootste invloed hebben op de temperatuursverandering van het water. Er moet hierbij vermeld worden dat in de gevoeligheidsanalyse de parameters onafhankelijk van elkaar variëren terwijl dit in praktijk niet zo is. Zo zal bij een toenemende diameter ook de wanddikte toenemen. In praktijk staan diameter en wanddikte in relatie tot elkaar. Wanneer de wanddikte in het model afhankelijk gemaakt wordt van de diameter valt de invloed van de diameter terug naar <5%. Zoals uit de resultaten blijkt hoeft een grotere diameter dus niet te leiden tot een groter temperatuurverschil.

Pagina 5 van 15

Resultaten Om effect van verschillende diameters en leidingklassen op het temperatuurverschil weer te geven bij verschillende volumestromen is het temperatuurverschil aan het einde van de aanvoerleiding (∆T) uitgezet tegen de volumestroom. Hieronder zijn de resultaten van deze berekening voor de verschillende bodemtemperaturen 4, 11 en 18°C weergegeven. In de eerste drie grafieken (figuur 4 – 6) wordt mogelijke isolatie buiten beschouwing gelaten. In de figuren 8 – 10 wordt het resultaat weergegeven van een aanvoerleiding met isolatie. De dikte van de isolatielaag wordt bepaald door het verschil tussen de diameter van de PE binnenleiding en de diameter van de mantelbuis. Deze verhoudingen zijn terug te vinden in bijlage 2. Dit resulteert in de isolatiedikten die weergegeven zijn in Tabel 6. De isolatiedikten zijn niet afhankelijk van buisklasse (SDR 11, 13.5 of 17). Tabel 6. Isolatiedikten verschillende leidingdiameters. Diameter binnenleiding [mm]

Diameter mantelbuis [mm]

Dikte isolatielaag [mm]

110

200

45

160

250

45

200

315

57,5

2

De wanddikte van de mantelbuis is niet meegenomen in de berekening omdat deze een verwaarloosbare bijdrage levert aan de isolatie. In de berekeningen is uitgegaan van een leidinglengte van 600 m. In figuur 7 is het temperatuurverschil uitgezet tegen de bodemtemperatuur. In figuur 11 is hetzelfde gedaan, maar dan met gebruik van isolatie.

2

Omdat er in de tabellen met binnenbuis/mantelbuis verhoudingen geen getallen staan voor een leiding met binnendiameter van 110 mm is een mantelbuisdiameter van 200 mm aangenomen. Deze verhouding komt overeen met de verhoudingen bij grotere diameters (160 en 200 mm).

Pagina 6 van 15

Resultaten zonder gebruik van isolatie  T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding), T

bodem

= 11 C

16 D = 110, SDR11 D = 110, SDR13.5 D = 110, SDR17 D = 160, SDR11 D = 160, SDR13.5 D = 160, SDR17 D = 200, SDR11 D = 200, SDR13.5 D = 200, SDR17

14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15

20 25 Volumestroom [m3/h]

30

35

40

Figuur 4. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 9°C (gemiddelde temperatuur op -10 m).  T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding), T

bodem

= 4 C


14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15


30

35

40

Figuur 5. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 4°C (minimum op -1 m).

Pagina 7 van 15

 T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding), T

bodem

= 18 C


14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15


30

35

40

Figuur 6. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 18°C (maximum op -1 m).  T bij variërende grondtemperatuur (aanvoerleiding) 8 D = 110, SDR11 D = 110, SDR13.5 D = 110, SDR17 D = 160, SDR11 D = 160, SDR13.5 D = 160, SDR17 D = 200, SDR11 D = 200, SDR13.5 D = 200, SDR17

7 6

T [C]

5 4 3 2 1 0 0

2

4

6

8 10 12 Grondtemperatuur [C]

14

16

18

20

Figuur 7. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de bodemtemperatuur voor negen typen leidingen. Uitgangspunt is een volumestroom van 25 m3/h.

Pagina 8 van 15

Resultaten met gebruik van isolatie  T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding) met isolatie, T

bodem

= 11 C


14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15


30

35

40

Figuur 8. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 9°C (gemiddelde temperatuur op -10 m).  T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding) met isolatie, T

bodem

= 4 C


14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15


30

35

40

Figuur 9. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 4°C (minimale temperatuur op -1 m).

Pagina 9 van 15

 T bij variërende volumestroom (aanvoerleiding) met isolatie, T

bodem

= 18 C


14 12

T [C]

10 8 6 4 2 0 0

5

10

15


30

35

40

Figuur 10. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de volumestroom voor negen typen leidingen bij een bodemtemperatuur van 18°C (maximale temperatuur op -1 m).  T bij variërende grondtemperatuur (aanvoerleiding) met isolatie 1 D = 110, SDR11 D = 110, SDR13.5 D = 110, SDR17 D = 160, SDR11 D = 160, SDR13.5 D = 160, SDR17 D = 200, SDR11 D = 200, SDR13.5 D = 200, SDR17

0.9 0.8 0.7

T [C]

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

2

4

6

8 10 12 Grondtemperatuur [C]

14

16

18

20

Figuur 11. Verandering van temperatuur (∆T) aan het einde van de leiding uitgezet tegen de bodemtemperatuur voor negen typen leidingen met isolatie. Uitgangspunt is een volumestroom van 25 m3/h. LET OP: aangepaste y-schaal t.o.v. figuur 7.

Pagina 10 van 15

Resultaten temperatuur einde leiding bij seizoensvariatie bodemtemperatuur In de figuren 12 en 13 zijn de temperatuurfluctuaties aan het einde van de aanvoer- en retourleiding gedurende het jaar weergegeven. De berekeningen zijn uitgevoerd voor een niet geïsoleerde leiding met een diameter van 110 mm, een wanddikte van 10 mm en een volumestroom van 25 m3/h en een lengte van 600 m. Weergegeven diepteliggingen zijn 1, 5 en 10 meter onder maaiveld. Bij geïsoleerde leidingen zijn de verliezen erg klein (zie figuren 7-11). Daarom zijn er ook nauwelijks temperatuurfluctuaties in de tijd zichtbaar. De resultaten voor een geïsoleerde leiding zijn daarom niet weergegeven in de onderstaande figuur.

Watertemperatuur einde aanvoerleiding (Twp,in) gedurende het jaar bij ingaande temperatuur (T3) = 19°C 20

Temperatuur [°C]

19 18 1m

17

5m 16

10 m

15 14

Figuur 12. Watertemperatuur bij einde aanvoerleiding (Twp,in) gedurende het jaar bij niet geïsoleerde leidingen.

Watertemperatuur einde retourleiding (T4) gedurende het jaar bij ingaande temperatuur retourleding (Twp,uit) = 13°C

Temperature [°C]

16 15 14 1m 13

5m 10 m

12 11 10 1-jan 1-feb 1-mrt 1-apr 1-mei 1-jun 1-jul 1-aug 1-sep 1-okt 1-nov 1-dec Figuur 13. Watertemperatuur bij einde retourleiding (T4) gedurende het jaar bij niet geïsoleerde leidingen.

Pagina 11 van 15

Punten van aandacht Hieronder worden enkele overwegingen geplaatst bij de resultaten uit de vorige paragraaf.  Om de dikte van de isolatielaag te bepalen is gebruik gemaakt van tabellen met leidingdiameters die in de handel zijn. Simulaties met dunnere lagen isolatie (10 mm) geven ook een goed resultaat. Voor beiden geldt echter de restrictie dat de volumestroom groter moet zijn dan ~2.5 m3/h (>10 mm



isolatie) en 5 m3/h (10 mm isolatie). Wanneer de volumestroom onder deze waarde komt neemt de verandering in temperatuur sterk toe doordat de verblijftijd toeneemt. Het gebruik van isolatie biedt dan geen oplossing meer. In deze memo wordt geen voorkeur uitgesproken voor een installatie door gestuurde boring of open ontgraving. De keuze tussen deze twee opties bepaalt echter voor een groot deel de installatiediepte. Zoals in Figuur 2 te zien is heeft de installatiediepte veel invloed op de fluctuaties van de bodemtemperatuur rond de pijp. In de gevoeligheidsanalyse is te zien dat de bodemtemperatuur een grote invloed heeft op de temperatuurverandering van het water in de pijp.





Wanneer er gekozen wordt voor het gebruik van een geïsoleerde leiding in combinatie met horizontaal gestuurd boren wordt geadviseerd om bij de leidingleverancier navraag te doen naar de benodigde sterkte van de mantelbuis om geschikt te zijn voor een horizontale boring. Zoals uit de resultaten blijkt heeft de diameter van de leiding niet veel invloed op de verandering van



temperatuur aan het einde van de leiding. Dit is ook aangegeven in het commentaar op de gevoeligheidsanalyse. Het is dus mogelijk om een kleine diameter te kiezen. De stroomsnelheid in een leiding met een interne diameter van 110 mm is gelijk aan 1 m/s bij een volumestroom van 35 m 3/h. KWR heeft aangegeven in het kader van het DeNeWa project metingen te willen uitvoeren wanneer het systeem in gebruik is. Hiervoor is een basaal voorstel opgenomen in bijlage 3.

Literatuur Blokker, E. J. M. and E. J. Pieterse-Quirijns (2012). Scenariostudies voor beperken invloed klimaatveranderingen op temperatuur en kwaliteit drinkwater in het net. Nieuwegein, KWR. Blokker, E. J. M. and E. J. Pieterse-Quirijns (2013). "Modeling temperature in the drinking water distribution system." JAWWA 105(1): 35-36. Blokker, M. and I. Pieterse-Quirijns (2010). Model voor de berekening van de watertemperatuur in het leidingnet. H2O. 2010-23: 46-49.

Kooi, H., P. Visser and M. Bonte (2011). “Geothermal conditions and processes in the Dutch subsurface to several hundred meters depth”. 1e Nationaal Congres Bodemenergie.

Pagina 12 van 15

Bijlage 1 || tabellen PE leidingen

Pagina 13 van 15

Bijlage 2 || tabellen isolatie

Pagina 14 van 15

Bijlage 3 || benodigde metingen temperatuur na realisatie voor validatie In het kader van het DeNeWa-project heeft KWR aangegeven metingen uit te willen voeren na de realisatie van het systeem. Deze metingen kunnen gebruikt worden om de warmteverliezen van de leiding in kaart te brengen. Tevens kan hiermee het gebruikte model gevalideerd worden. In deze bijlage wordt een optie gegeven om de verandering van temperatuur en daarmee de verliezen te kunnen berekenen. Hierbij is specifiek de periode van enkele weken na ingebruikname van het systeem van belang, omdat zich hierna mogelijk een evenwicht instelt. Om deze instationaire situatie te kunnen kwantificeren moeten een aantal metingen gedaan worden. Allereerst betreft dit de volgende metingen op leidingparameters in de leiding:    

Volumestroom door de leiding; Temperatuur water begin leiding; Temperatuur water einde leiding; Alternatief is het inbrengen van een glasvezelkabel in de leiding, die de temperatuur over de volledige lengte kan meten. (Distributed Temperature Sensing)

Daarnaast moet voor deze meting op een aantal punten langs de leiding een aantal parameters gemeten worden buiten de leiding. Deze metingen zijn schematisch weergegeven in de onderstaande figuur. Deze figuur toont een doorsnede van de buis in het y-z vlak waarbij elke meetlocatie aangegeven is met een ‘X’. De z-richting is richting het maaiveld gericht. Het water stroomt in de x-richting. De te meten parameters zijn: 

Temperatuur op de leidingwand (rood)

 

Temperatuur in de bodem rondom de leiding (paars) Temperatuur in de bodem op voldoende afstand van de leiding (oranje)

De exacte meetopstelling en de afstanden tussen de temperatuurmetingen in de bodem kunnen in een later stadium definitief bepaald worden.

X

X

X

X

X

X

z

X

X

X

y x

X

X

Pagina 15 van 15

BTO Februari BTO rapport. Warm water voor zwembad 'De Beemden', Bedum

Recommend Documents