HEAT EXCHANGING ASPHALT LAYERS STUDIE NAAR DE IMPLEMENTATIE IN VLAANDEREN IAN SEVERINS, dr. Ing. CEDRIC VUYE, dr. Ing. WIM VAN DEN BERGH Artesis Hogeschool Antwerpen
Abstract Een asfaltcollector is een systeem waarbij buizen of holtes met een stromend fluïdum ingebed zijn in een asfaltverharding. Dit fluïdum neemt warmte op van, of geeft warmte af, aan het asfalt. De opgenomen warmte kan gebruikt worden om tijdens de winter het wegdek alsook gebouwen in de omgeving te verwarmen. De afkoeling van het fluïdum in de winter zorgt voor een regeneratie van de bodemtemperatuur of een koude bron om gebouwen af te koelen in de zomer De Onderzoeksgroep Wegenbouwkunde van de Artesis Hogeschool Antwerpen heeft een prototype gebouwd op laboschaal. Hierdoor zijn geconditioneerde omstandigheden mogelijk voor een rendementsberekening. Verder wordt er onderzoek gedaan naar potentiële toepassingen en schaalvergrotingen.
Un collecteur d'asphalte est un système dans lequel des tubes ou des cavités dans lesquelles s'écoule un fluide sont noyés dans un revêtement en asphalte. Ce fluide absorbe la chaleur ou le froid de l'asphalte. Cette chaleur absorbée, peut être utilisée en hiver pour chauffer les bâtiments, ainsi que la surface de la route. Le refroidissement du fluide en hiver, prévoit une régénération de la température du sol ou d’une source froide afin de refroidir les bâtiments en été. La section de recherches routières d’Artesis a construit un prototype à l'échelle du laboratoire. Cela a permis des expérimentations en conditions contrôlées et un calcul de rendement. Avec cette recherche les applications potentielles sont également clarifiées. .
1
1 Situering van het asfaltcollectorsysteem Heat Exchanging Asphalt Layers (HEAL) is een constructie waarbij een fluïdum, al dan niet door buizen, door het wegdek wordt gestuurd. Op deze manier kan energie onttrokken worden van, of toegevoegd worden aan, het asfalt. Door middel van een warmtewisselaar kan deze energie opgeslagen worden in de bodem. Zo kan deze later gebruikt worden om het asfalt (direct), maar zeker ook gebouwen (via een warmtepomp), van (voor)verwarming of koeling te voorzien. Het opwarmen van het asfalt in de winter en het koelen ervan in de zomer heeft als voordeel dat er minder kans zal zijn op scheur- en spoorvorming. Gedurende de winter zal het mogelijk zijn om het wegdek sneeuw- en ijsvrij te houden. Een algemeen HEAL-systeem wordt voorgesteld in Figuur 1. Het bestaat uit een asfaltcollector, een warmtewisselaar en een warmteopslagsysteem. Het systeem kan worden aangekoppeld aan een warmtepomp(ref.1). De energieopbrengst van het systeem is afhankelijk van verschillende interne factoren zoals ingangstemperatuur van het fluïdum, ligging en lengte van de buizen alsook van het debiet waarmee het fluïdum stroomt. Ook zal de energieopbrengst afhankelijk zijn van externe factoren zoals stralingswarmte, buitentemperatuur, wind, regen, … .
Figuur 1: Werkingspricipe HEAL(ref.2) Er zijn wereldwijd reeds talloze onderzoeken geweest naar een systeem om een wegdek ijsen sneeuwvrij te maken. Reeds in 1948 werden in Oregon metalen buizen in het wegdek geplaatst om het op warmen(ref.3). In 1997 faalde dit systeem door lekken in de buizen, te wijten aan externe corrosie. Dit bewijst dat de buizen het zwakke punt zijn van het systeem. Het SERSO-project in Zwitserland (1989) legde de focus vooral op het opslaan van warmte in de zomer, om deze gedurende de winter enkel te gebruiken om het wegdek ijs- en sneeuwvrij te houden. De belangrijkste conclusie van dit project was dat de energie die nodig was om het wegdek ijs- en sneeuwvrij te houden, kleiner was dan de energie die kon opgeslagen worden in de zomer(ref.3) (ref.4).
2
Eind vorige eeuw werd er in Nederland, door onder andere de firma Ooms(ref.5), een systeem ontwikkeld om eenvoudig buizen in het asfalt te kunnen plaatsen. Ondanks de twijfels, hebben zij kunnen aantonen dat de toplaag met succes kan gefreesd worden. Om het affrezen veiliger te laten verlopen, kan een dikkere toplaag voorzien worden, maar dit zal ten koste gaan van het rendement. Ooms heeft ook een standaardisatie opgesteld voor de dimensies van een systeem. Bijvoorbeeld: Een kantoorgebouw van 10 000m² vereist een asfaltcollector van 4 000m². met een pompcapaciteit van 110m³/h en een warmtepompcapaciteit van 340kW. Zulk een systeem heeft een CO2-uitstoot die 55% lager ligt dan deze van een conventioneel gasverwarmd en luchtgekoeld kantoorgebouw. Het systeem zou tevens 55% minder fossiele brandstoffen gebruiken voor het opwarmen en het afkoelen van het kantoorgebouwen. Momenteel is er in België (Zoerle-Parwijs) één proefproject aangelegd waarbij gebruik gemaakt wordt van een asfaltcollector (2001). Dit project gebeurde in samenwerking met de firma Terra Energy. Belangrijke conclusies en ondervindingen vanuit dit project zijn: - Een terugverdientijd van ongeveer 10 jaar is perfect mogelijk; - Indien gebouwen opgewarmd zouden worden met een warmtepomp, zou de energiefactuur tot 60% lager kunnen zijn; (ref.1) - De afstand tussen de asfaltcollector en de afnemer is niet zozeer van belang inzake warmteverlies, maar eerder in kostprijs voor de aanleg van de leidingen naar de afnemer; - Er wordt vooral gepleit dat de combinatie tussen energiewinning en een grotere verkeersveiligheid een enorme meerwaarde is(ref.6). In 2007 heeft een studie van de Highways Agency in Groot-Brittannië aangetoond dat de ecologische voetafdruk van een systeem met een asfaltcollector lager is dan deze van de traditionele gebouwverwarming in combinatie met een strooiwagen (ref.4). Het Worcester Polytechnic Institute in Worcester, Massachusetts, Verenigde Staten, heeft in 2008 onderzoek gedaan naar de mogelijke reductie van het hitte eiland effect bij het gebruik van een systeem met een asfaltcollector(ref.4). De belangrijkste conclusies waren de volgende: - Het hitte eiland effect kan gereduceerd worden; - De temperatuurverlaging in het asfalt is afhankelijk van de plaatsing en de tussenafstand van de buizen; - De temperatuurverlaging in het asfalt verhoogt de levensduur van het wegdek; - Het gebruik van goede geleidingslagen kan het aantal buizen verminderen. In deze paper wordt ingegaan op het onderzoek aan de Artesis Hogeschool Antwerpen. Er wordt een overzicht gegeven van de onderdelen van het systeem, gevolgd door een bespreking van het prototype. Als afsluiter worden er een aantal conclusies gegeven.
3
2 Onderdelen van het systeem In dit hoofdstuk wordt besproken hoe de asfaltcollector warmte en koude uitwisselt met de bodem. Eerst volgt een bespreking van de onderdelen van de asfaltcollector, gevolgd door de warmtewisselaar en de mogelijkheden tot opslag in de bodem. Tot slot een bespreking van de warmtepomp die nodig is om de warmte te kunnen gebruiken in gebouwen.
2.1 Asfaltcollector Daar asfalt werkt als zwarte straler, biedt het potentieel om er warmte uit te onttrekken. Door een fluïdum doorheen het asfalt (of buizen in het asfalt) te laten stromen, kan de asfaltcollector zelf beschouwd worden als een warmtewisselaar. Tijdens de zomer zal er een koude vloeistof (7-15°C) door de asfaltcollector stromen. Tijdens de winter stroomt deze opgewarmde vloeistof (15-25°C) doorheen het asfalt. Het fluïdum dat door de asfaltcollector stroomt, wordt daarna naar een tweede warmtewisselaar gevoerd(ref.7).
2.2 Warmtewisselaar Een warmtewisselaar brengt warmte, afkomstig van een vloeistof of een gas, over naar een ander medium zonder dat deze twee media direct contact hebben. Op deze manier worden twee verschillende vloeistofstromen onderscheiden. Zo dient er geen grondwater (kalk, onzuiverheden) gebruikt te worden in de collector(ref.1).
2.3 Warmteopslag De warmte die in de zomer onttrokken wordt, kan men gebruiken om in de winter het wegdek en nabijgelegen gebouwen te verwarmen. Daarenboven kan men de koude, opgebouwd tijdens de winterperiode, gebruiken in de zomer om het asfalt en gebouwen te koelen. Deze cyclus noemt men een faseverschuiving. Om dit te kunnen realiseren, moet er gebruik gemaakt worden van een energieopslagsysteem, genaamd KWO (koude en warmte opslag). Een verschil dient gemaakt te worden tussen open systemen (ATES-Aquifer Thermal Energy Storage) en gesloten systemen (BTES-Boreholes for Thermal Energy Storage) (ref.1). ATES is de goedkopere vorm van KWO (250-600€/kW) en vereist minder oppervlakte. Een aquifer is een watervoerende laag in de ondergrond waaruit water wordt onttrokken. Aquifers komen voor op verschillende diepten, welke meestal gelegen zijn tussen 80 en 150 meter onder het maaiveld. Het water in deze zandlagen verplaatst zich nauwelijks (maximaal 10 meter per jaar), waardoor het mogelijk is om op deze plaatsen warmte of koude op te slaan. De mogelijkheden van ATES in Vlaanderen zijn echter gering. Op Figuur 2 wordt duidelijk gemaakt waar deze toepassing mogelijk is, namelijk hoofdzakelijk ten (noord)-oosten van de stad Antwerpen(ref.4).
4
Figuur 2: Geschiktheidskaart ATES van Vlaanderen(ref.8) BTES is een alternatief indien het niet mogelijk is om met ATES te werken. Dit systeem is wel duurder (600-1000€/kW) en vereist meer plaats. Het maakt gebruik van verticale warmtewisselaars om warmte en koude op te slaan in, of te onttrekken aan, de bodem(ref.6). De bodemtemperatuur tussen een diepte van 10 en 100m heeft een constante temperatuur van 12°C. Het is van belang om deze bodemtemperatuur te regenereren. Zo kan de duurzaamheid en de opbrengst van het systeem gegarandeerd blijven. Indien men enkel warmte onttrekt aan de bodem, zal de natuurlijke bodemtemperatuur dalen. Het rendement van het systeem wordt op deze manier negatief beïnvloed. Door de sterke toename van KWO-systemen neemt de druk op de ondergrondse ruimte toe. In gebieden met veel KWOsystemen kan het rendement afnemen door onderlinge beïnvloeding(ref.6).
2.4 Warmtepomp De energie die vrijkomt nadat het fluïdum door de asfaltcollector is gevloeid, is laagwaardig duurzame energie (water met een maximale temperatuur van 20 à 25°C). Deze temperatuur zal men nog moeten opkrikken om de energie te gebruiken voor verwarming van woningen of kantoren. Een warmtepomp haalt warmte uit duurzame warmtebronnen (lucht, water, grond) bij lage temperatuur en geeft die warmte op een hogere temperatuur af aan een verwarmingssysteem waaraan ze gekoppeld is(ref.9). Een warmtepomp is een milieuvriendelijk alternatief voor een klassieke verwarmingsinstallatie. Afhankelijk van de gekozen warmtebron levert ze 3 tot 6 maal meer energie (warmte) dan ze verbruikt (elektriciteit), waardoor er een lagere CO2-productie gerealiseerd wordt(ref.1).
5
3 Proefopstelling en eerste metingen Op basis van het ontwerp van Ooms werd er in de Artesis Hogeschool Antwerpen A een proefopstelling van 1m² aangemaakt gemaakt (2m x 0,5m). Het prototype bestaat aat uit een SMA-C SMA toplaag van 3cm, een asfaltlaag (“collectorlaag”) van 5cm en een AB--3B onderlaag van 6cm(ref.1). In de collector en verspreid v over een en breedte van 50cm liggen 3 buizen naast elkaar in de lengterichting. Door Do elk van deze buizen stroomt eenzelfde debiet, geregeld door verschillende debietmeters. Verschillende metingen zijn reeds uitgevoerd om zowel zomerzomer als winteromstandigheden na te kunnen bootsen.
Figuur 3: (a) Doorsnede proefopstelling en (b) buisopstelling In totaal zijn 16 Pt-100 100 warmtesensoren warmte geplaatst over het gehele prototype. Hiervan werden er 8 ingewerkt in het asfalt. De andere 8 meten de lucht-, lucht water-,, en oppervlaktetemperatuur. Rondom het prototype werd een geïsoleerde kast gebouwd waardoor het mogelijk is om verschillende metingen onder dezelfde geconditioneerde omstandigheden uit te voeren. Er werden reeds enkele oriënterende experimenten uitgevoerd in zomerzomer winteromstandigheden. Op Figuur 4 wordt een beeld gegeven van de proefopstelling. oefopstelling.
zomer en winteromstandigheden Figuur 4:: Proefopstelling zomer-
6
en
3.1 Zomeromstandigheden Door het prototype op te warmen met infraroodlampen was het mogelijk om een zomersituatie na te bootsen. Het vergelijken van de meetresultaten met en zonder stromend water geeft een indicatie van de temperatuurverschillen die er optreden tussen een gewone wegopbouw en een wegdek met het HEAL-systeem. Figuur 5 toont het temperatuurverloop van de sensor die midden tussen twee buizen gelegen is bij verschillende debieten. Er werd aangetoond dat het temperatuurverschil groter is bij een groter debiet per buis. Uit Figuur 6 blijkt dat de afkoeling van de tussenlaag ongeveer 13°C bedraagt bij een watertemperatuur van 18°C(maximaal verwachte watertemperatuur).
Temperatuur (°C)
65.0 55.0 45.0 0 l/h 35.0
100 l/h 600 l/h
25.0 15.0 0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
Tijd (h)
Figuur 5: Temperatuursverloop in het asfalt, halverwege tussen twee buizen
Figuur 8 toont het verschil in temperatuursverloop aan de oppervlakte van het wegdek bij stilstaand water en bij stromend water (200l/h). Indien we een maximum temperatuur van 65°C beschouwen, kunnen we dezelfde constructie door het HEAL-systeem aan het oppervlak afkoelen tot 55°C.
Temperatuur (°C)
75 65 55 45 0 l/h
35
200 l/h
25 15 0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
Tijd (h)
Figuur 6: Temperatuursverloop aan de oppervlakte van het asfalt
7
Men kan besluiten dat hoe groter het ingestelde debiet van het water is, hoe meer energie er uit het asfalt kan onttrokken worden. Verder onderzoek dient gedaan te worden naar de relatie tussen de energie (elektriciteit) die het kost om een bepaald debiet te behouden en de energie (warmte) die bij dat debiet uit het asfalt kan gehaald worden. Ook kan geconcludeerd worden dat de temperatuur aan de oppervlakte van het wegdek wel degelijk wordt beïnvloed door het water dat door het asfalt stroomt. In hoeverre mogelijke spoorvorming hierdoor verminderd of vermeden wordt, zal nog verder dienen aangetoond te worden. 3.2 Winteromstandigheden Om een wintersituatie na te bootsen, werd het prototype buiten geplaatst. Het prototype werd op een natuurlijke wijze afgekoeld tot onder het vriespunt. Daarna werd water van 15°C (+/0,5°C) door de buizen gepompt. Bij de eerste meting werd 3cm sneeuw aangebracht op de collector om na te gaan hoelang het zou duren om het asfalt op te warmen indien er sneeuw aanwezig was op de collector. Bij een omgevingstemperatuur van ongeveer -2°C duurde het minder dan twee uur om de temperatuur in het asfalt naar positieve waarden te brengen, zoals aangetoond in Figuur 7. De tweede meting verliep identiek, behalve dat hier geen sneeuw werd aangebracht op de collector en dat het verwarmingselement in het waterbad werd uitgeschakeld. Hiermee wordt aangetoond dat de temperaturen in het asfalt positief kunnen gehouden worden met watertemperaturen lager dan 15°C. De oppervlaktetemperatuur stijgt duidelijk sneller boven de omgevingstemperatuur, wanneer er geen sneeuw op de collector ligt.
Figuur 7: Temperatuursverloop verschillende meetpunten
8
De belangrijkste conclusie die uit deze metingen kan getrokken worden, is dat met een fluïdum op lage temperatuur, een besneeuwd wegdek redelijk snel (in minder dan 3u) sneeuwvrij kan gemaakt worden. Een niet-besneeuwd wegdek kan men weliswaar nog sneller opwarmen. Het is dus mogelijk om de oppervlaktetemperatuur van het asfalt te allen tijde boven het vriespunt te houden, indien het systeem in werking blijft bij vriesweer. Als een constant debiet doorheen het systeem aangehouden wordt, moet het mogelijk zijn om een quasi constante oppervlaktetemperatuur te bekomen. Uit deze metingen kan aanbevolen worden om het systeem in te schakelen bij temperaturen lager dan 5°C. Verder onderzoek zal de maximale dimensies, waarbij het mogelijk blijft om de volledige collector ijs- en sneeuwvrij te houden, nog moeten aantonen.
4 Toepassingsgebied van HEAL 4.1 Enkel afkoelen en opwarmen van het asfalt Indien men het systeem enkel gebruikt voor het afkoelen en het opwarmen van het asfalt, zal de terugverdientijd dusdanig groot zijn dat de voornaamste troef ligt in de verbeterde verkeersveiligheid. Indien bedrijvigheden worden vertraagd of stilgelegd vanwege sneeuwen/of ijsoverlast, kan de terugverdientijd, met een HEAL-systeem, sneller verkort worden. Denk hierbij vooral aan containerterminals en dergelijke. Ook fietspaden, die moeilijker toegankelijk zijn voor strooiwagens hebben duidelijk baat bij een HEAL-systeem. Veiligere fietspaden zullen leiden tot meer gebruikers ervan en dus tot minder automobilisten, wat een bijkomende verlaging van CO2-uitstoot met zich meebrengt.
4.2 Afkoelen en opwarmen van het asfalt met energiewinning Als men bijkomend de focus legt op de verwarming van gebouwen, zal de kringloop worden aangekoppeld aan een warmtepomp. Het huis wordt op deze manier uitgerust met een lage temperatuurverwarming. Indien men ook aandacht wil schenken aan koeling van gebouwen, kan een hoge temperatuurkoeling voorzien worden. Er dient steeds nog een klein gedimensioneerde verwarmingsinstallatie voorzien te worden om de verwarmingspieken in de winter te kunnen opvangen(ref.1).
5 Economische aspecten 5.1 Kosten en opbrengsten De kosten voor de aanleg van het buizensysteem zijn afhankelijk van de producent. Gemiddeld liggen de aanlegkosten voor het asfalt en de buizen 30 tot 50% hoger dan bij de gewone asfaltweg. De prijs van het pompsysteem is afhankelijk van de benodigde capaciteit. Ten slotte zijn de kosten voor het opslagsysteem en de boringen sterk afhankelijk van de locatie.
9
De opbrengsten zijn afhankelijk van verschillende factoren zoals de wegopbouw en zonbestraling per vierkante meter. De te verwachten opbrengst ligt ergens tussen 0,5 en 0,8 GJ/m² per jaar(ref.1).
5.2 Besparingen door uitstel wegonderhoud De asfaltcollector zorgt voor besparingen op vlak van onderhoudswerken. De onderhoudsintervallen zouden vergroten met een factor 1,5 tot 2,5. Projecten in Scandinavië hebben aangetoond dat de levensduur van het asfalt met 3 tot 10 jaar verlengd kan worden(ref.1). Door de opwarming van het wegdek in de winter kan ook bespaard worden op strooikosten.
6 Ecologische aspecten De warmte die in de zomer gewonnen wordt is een duurzame vorm van energiewinning. Op deze manier dienen minder fossiele brandstoffen gebruikt te worden voor de verwarming van gebouwen. De asfaltcollector heeft dus een positieve invloed op de CO2-uitstoot(ref.1). Omdat er op deze wegdekken geen dooizouten dienen gestrooid te worden, komen er dus ook geen zouten in de bodem en het grondwater. Op de asfaltcollector treedt in de winter vaak condensvorming op door het temperatuurverschil tussen de omgeving en het asfalt. Door deze condensatie zal het nat wegdek de hoeveelheid fijn stof in de winter verkleinen. Op deze manier draagt de asfaltcollector ook toe aan een properdere lucht.
7 Conclusies Ondanks het uitblijven van grotere HEAL-realisaties in Vlaanderen, kan er geconcludeerd worden dat dit systeem door de winning van energie en de extra verkeersveiligheid een waardevolle technologie is voor een toepassing in Vlaanderen. Het HEAL-systeem zou tevens kunnen ingeschakeld worden bij de regeneratie van bodemwarmte, wanneer deze dreigt verstoord te worden door andere bodemwarmte-onttrekking. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of dit systeem op middellange termijn economisch haalbaar is en wat de mogelijkheden zijn in verband met recyclage van de onderdelen. In de toekomst zal ook een aanzet worden gegeven voor een LCA-studie.
Dankwoord Voor het onderzoek aan de Artesis Hogeschool Antwerpen worden allereerst volgende studenten, J. Michielsen, N. Van Immerseel, P. Blaya en S. Müller, bedankt. Ook dienen zeker dhr. H. Hoes (Terra Energy) en de firma Ooms bedankt te worden voor de samenwerking met de onderzoeksgroep.
10
Referenties [1] J. Michielsen, Masterproef: Heat Exchanging Asphalt Layers: Portfolio [2009, Artesis Hogeschool Antwerpen] [2] Winnerway, beschikbaar van: http://www.winnerway.nl/sites/het_concept.html [20 februari 2013] [3] J.W. Lund, Pavement Snow Melting [Juni 2000, GHC Bulletin] [4] N. Siebert, E. Zacharakis, Asphalt Solar Collector and Borehole Storage: Design Study for a Small Residential Building Area [2010, Chalmers University of Technology] [5] Ooms, beschikbaar via:
http://www.ooms.nl [1 februari 2013] [6] [7] [8] [9]
Terra Energy, beschikbaar via: http://www.terra-energy.be [1 februari 2013] N. Van Immerseel, Masterproef: Heat Exchanging Asphalt Layers: de asfaltcollector [2013, Artesis Hogeschool Antwerpen] Geschiktheidskaart ATES van Vlaanderen, beschikbaar via: http://www.vito.be [20 februari 2013] N. Van Immerseel, I. Severins, Portfolio Bachelorproef: Heat Exchanging Asphalt Layers [2011, Artesis Hogeschool Antwerpen]
11
