Installatie van verticale U-vormige warmtewisselaars (versie 4.1) Auteur: L. François Datum: 19/06/2013
Deze studie werd uitgevoerd in het kader van het IWT-VIS traject Smart Geotherm (2011-2017)
Smart geotherm | Werking van een verticale warmtewisselaar
19/06/2013
1
Inhoudstafel 1
Werking van een verticale warmtewisselaar .................................................................................. 3
2
Soorten verticale warmtewisselaars ............................................................................................... 3 2.1
U-vormige warmtewisselaars (enkel of dubbel) ..................................................................... 3
2.2
Concentrische wisselaars ........................................................................................................ 4
2.3
Spiraalvormige warmtewisselaars .......................................................................................... 4
2.4
Vergelijking van verschillende systemen ................................................................................ 5
3
Wetgeving en normen .................................................................................................................... 5
4
Constructie van U-vormige bodem warmtewisselaars ................................................................... 6
5
4.1
Materiaaleisen ........................................................................................................................ 6
4.2
Voet van de sonde .................................................................................................................. 7
4.3
Afstandhouders....................................................................................................................... 8
4.4
Gewicht ................................................................................................................................... 8
Levering en plaatsing ...................................................................................................................... 8 5.1
Voorbereidende werkzaamheden .......................................................................................... 8
5.2
Inbrengen van de warmtewisselaar...................................................................................... 10
5.3
Afwerken van het boorgat .................................................................................................... 10
5.4
Testen na de afwerking van het boorgat .............................................................................. 10
5.5
Aansluiten op de horizontale leidingen ................................................................................ 10
5.6
Testen van het systeem op mechanische sterkte en lekdichtheid ....................................... 11
5.7
Afvullen van het systeem met het voorgeschreven circulatiemengsel ................................ 12
6
Nazorg ........................................................................................................................................... 12
7
Uitdienststelling ............................................................................................................................ 13
8
Bibliografie .................................................................................................................................... 13
Smart geotherm | Werking van een verticale warmtewisselaar
19/06/2013
2
1 Werking van een verticale warmtewisselaar Verticale bodemwarmtewisselaars zijn gesloten systemen met buizen die verticaal tot een diepte van 100 meter of meer in de grond aangebracht worden. Door de buizen stroomt een vloeistof die opgewarmd of afgekoeld wordt door contact met de bodem. Wanneer er warmte aan de bodem wordt onttrokken voor de verwarming van een gebouw, is de verticale warmtewisselaar via transportleidingen verbonden met de verdamper van een warmtepomp. In de verdamper wordt het water afgekoeld, waardoor het koude water weer warmte aan de omringende bodem kan onttrekken. Omgekeerd als er een gebouw moet worden gekoeld, is de warmtewisselaar via het transportsysteem gekoppeld met de condensorzijde van de warmtepomp (actieve koeling) of via een warmtewisselaar met het afgiftesysteem van het gebouw (passieve koeling). De vloeistof die hierdoor opgewarmd wordt, kan vervolgens zijn warmte terug aan de bodem afgeven.
2 Soorten verticale warmtewisselaars Hoewel in het verdere document enkel de U-vormige warmtewisselaar wordt besproken, geven we hier een overzicht van de overige verticale systemen.
2.1 U-vormige warmtewisselaars (enkel of dubbel)
Figuur 1: U-vormige wisselaar, bron REHAU
Een U-lus warmtewisselaar kan op twee manieren worden uitgevoerd: een enkele buis die, met behulp van een aangelaste (spuitgegoten) U-bocht aan de onderzijde is gebogen. een voet die aan de onderzijde van de sonde de afzonderlijke heen- en retourleiding met elkaar verbindt. Smart geotherm | Werking van een verticale warmtewisselaar
19/06/2013
3
2.2 Concentrische wisselaars Deze warmtewisselaar bestaat, in de eenvoudige variant, uit een buitenbuis die aan één zijde wordt afgesloten met een stop. Binnen in deze buitenbuis wordt een tweede buis gebracht waardoor er twee stroomkanalen ontstaan. Gangbare maat voor de buitenbuis is 40 mm, voor de binnenbuis wordt veelal 25 mm toegepast.
2.3 Spiraalvormige warmtewisselaars
Figuur 2: bron REHAU
De spiraalvormige sonde wordt standaard tot een maximale diepte van 3 meter geplaatst. Dit systeem heeft een rendement dat zich bevindt tussen de horizontale en de U-vormige verticale warmtewisselaar. Desgevallend kunnen verschillende sondes aan elkaar worden bevestigd om een grotere lengte te bekomen.
Smart geotherm | Soorten verticale warmtewisselaars
19/06/2013
4
2.4 Vergelijking van verschillende systemen Voordelen U-vormige wisselaars
Kostprijs:
laag
Uitvoeringsmethode:
Simpel ontwerp, ruime ervaring, eenvoudig transport en plaatsing
Rendement: Concentrische wisselaars
Interessant bij verticaal gedrukt in kleilagen geen vulmateriaal
Rendement:
Spiraalvormig e wisselaars
Door thermische kortsluiting en hoge boorgatweerstand: vergelijkbaar met U-vormige wisselaars, Dure installatie en grouting
Kostprijs: Uitvoeringsmethode: Rendement:
Kans op lekken bij slecht laswerk aan de voet Lage capaciteit, zeker bij laminaire stroming Dure installatie en grouting
Kostprijs: Uitvoeringsmethode:
Nadelen
Omslachtig aanbrengen van vulmateriaal Interessant bij ondiepe boringen en/of te weinig oppervlakte
Hierbij moet worden opgemerkt dat het rendement afhankelijk is van de diameter van de gebruikte wisselaar. Bovendien speelt zowel het benodigde piekvermogen als het jaarvermogen een rol. Een wisselaar kan voldoende jaarvermogen leveren maar onvoldoende piekvermogen en omgekeerd.
3 Wetgeving en normen Verticale warmtewisselaars en de installatie ervan moeten beantwoorden aan de bepalingen van VLAREM II Hoofdstuk 5.55. Boringen en meer bepaald afdeling 5.55.2. Boringen in het kader van thermische energieopslag in boorgaten. http://navigator.emis.vito.be/milnavconsult/consultatieLink?wettekstId=42522&appLang=nl&wettekstLang=nl Specifieke artikels worden in de tekst aangehaald.
Smart geotherm | Wetgeving en normen
19/06/2013
5
4 Constructie van U-vormige bodem warmtewisselaars 4.1 Materiaaleisen De leidingen die worden ingebouwd, bestaan uit materialen die niet reageren met de ondergrond en het grondwater waarin ze worden ingebracht en die een voldoende levensduur hebben in het geïnstalleerde milieu. (VLAREM II, art.5.52.2.3) Het materiaal dat ondergronds wordt gebruikt mag helemaal niet utoxisch of inert zijn. Het materiaal moet geschikt zijn voor het gebruikte (gewenste, ontwerp-) temperatuurbereik wanneer de installatie in gebruik is. De levensduur moet minimaal 50 jaar zijn onder de voorkomende bedrijfsomstandigheden en bij gebruik in de bodem. Delen van de warmtewisselaar die blootgesteld (exposed) worden, moeten UV bestendig zijn. Polyethyleen (PE) en polybutyleen (PB) zijn de meest gebruikte materiaalsoorten. Stalen buizen kunnen in uitzonderlijke gevallen worden gebruikt. Er moet dan extra aandacht worden besteed aan de dikte van de buis, de staalkwaliteit, de corrosieweerstand en de chemische samenstelling van het grondwater (lage pH, chloride-ionen en vrije zuurstof).
4.1.1
Temperatuurbereik
Er wordt een onderscheid gemaakt tussen een materiaal dat geschikt is voor een fluïdum met een temperatuurbereik van -20°C en 40°C en een ontwerpdruk van minstens 1.6MPa (16 bar overdruk). PE100 is in dit domein een veel gebruikt materiaal. Het moet voldoen aan de NBN EN 12201: PEKunststofleidingsystemen voor de drinkwatervoorziening en voor de afvoer en riolering onder druk. Omdat het VLAREM een maximum bodemtemperatuur van 25°C voorschrijft, wordt ook de temperatuur van het circulerend fluïdum beperkt tot 25°C. Het is dus voldoende om materiaal te voorzien geschikt voor een temperatuurbereik tot 40°C.
4.1.2
Vergelijking tussen PE100 en PE-X
PE100 en PE-X zijn de meest voorkomende materialen voor de productie van warmtewisselaars binnen het vooropgestelde temperatuurbereik. Het duurdere PE-X bezit buiten een hoger temperatuurbereik ook een hogere kerfgevoeligheid. Bovendien is de miminale straal waarover eenzelfde buis kan worden geplooid veel kleiner. Door deze laatste eigenschap kunnen warmtewisselaars uit PE-X uit één stuk worden vervaardigd zonder te worden gelast aan de voet.
4.1.3
Drukklassen
De toe te passen drukklasse is afhankelijk van de einddiepte zoals aangegeven in onderstaande tabel.
Smart geotherm | Constructie van U-vormige bodem warmtewisselaars
19/06/2013
6
Einddiepte (m) 0-50 50-100 100- … 4.1.4
Minimale drukklasse PN8 PN10 PN16
Markering
De warmtewisselaar dient te zijn gemerkt met minimaal de volgende gegevens: nummer van de norm, typeaanduiding (vb PE100), fabricagedatum, drukklasse (vb PN 16), diameter, wanddikte, fabricagewijze, identificatie van de fabrikant, lengtemarkering (zie verder), temperatuurbereik. Wisselaars dienen voorzien te zijn van een lengtemarkering (per meter), beginnend bij nul meter en naar boven oplopend zodat aan het maaiveld de totale lengte van de wisselaar gecontroleerd kan worden. De geïnstalleerde lengte van elke individuele wisselaar wordt gedocumenteerd. Wanneer er geen eenduidige lengtemarkering op de wisselaar is aangebracht wordt de geïnstalleerde diepte vastgesteld met behulp van een peillood.
4.2 Voet van de sonde De voet van de sonde kan op twee wijzen worden uitgevoerd.
1. De voet verbindt aan de onderzijde van de sonde de afzonderlijke heen- en retourleiding.
2. De heen- en retourleiding zijn ononderbroken. Het voetstuk omhult en beschermt de bocht die de leiding onderaan maakt.
Smart geotherm | Constructie van U-vormige bodem warmtewisselaars
19/06/2013
7
In elk geval wordt de geometrie van dit voetstuk zodanig uitgevoerd dat ze niet blijft haken tijdens het neerlaten van de sondes in het boorgat. Bovendien moet ze ontworpen zijn om een eventuele ballast te kunnen dragen. Het voetstuk en de verbindingen met de leidingen moeten fabrieksmatig worden aangebracht en getest volgens de DIN 4279-7 of andere gelijkwaardige norm.
4.3 Afstandhouders Afstandhouders kunnen worden voorgeschreven om de onderlinge afstand tussen de buizen te vrijwaren en zodoende thermische kortsluiting te voorkomen. Bovendien zorgen afstandhouders ervoor dat de ruimte tussen de warmtewisselaar en het boorgat minimaal blijft terwijl het vullen van het boorgat toch degelijk kan worden gerealiseerd. De afstandhouders worden om de 1.5 à 2 meter geplaatst.
4.4 Gewicht De onderzijde van de U-bocht wordt meestal voorzien van een gewicht zodat de warmtewisselaar gemakkelijker in een met water of slib gevuld boorgat kan worden geplaatst. Om diezelfde reden wordt de warmtewisselaar ook vaak vooraf met water gevuld. Bovendien worden op deze manier eventuele vervormingen van de warmtewisselaar tijdens het aanvullen van het boorgat vermeden. Het gewicht dat moet worden aangebracht is afhankelijk van het niveau en het soortelijk gewicht van de vloeistof die zich in het boorgat bevindt, de lengte van de warmtewisselaar, de wrijvingsweerstand met de boorwand enz.. Het gewicht heeft een massa van orde-grootte 80kg.
5 Levering en plaatsing 5.1 Voorbereidende werkzaamheden 5.1.1
Visuele controle
Bij aanvoer van het materiaal wordt ervoor zorggedragen dat het materiaal schoon en onbeschadigd is. Wisselaars worden voor gebruik visueel geïnspecteerd. Vooral de aangelaste voet dient grondig te worden geïnspecteerd. Smart geotherm | Levering en plaatsing
19/06/2013
8
Beschadigde wisselaars of leidingmateriaal worden niet toegepast. Onder een beschadigde Ius wordt verstaan een Ius met een knik of met een kras dieper dan 10 % van de wanddikte. Een beschadigde Ius wordt vervangen. 5.1.2
Afvullen van de wisselaar
De warmtewisselaar wordt gevuld met water en afgedicht om vervormingen en het opdrijven te voorkomen. Zelfs in geval van droge boorgaten is het aan te raden om de wisselaar met water te vullen dat voldoet aan de milieukwaliteitseisen voor grondwater om te vermijden dat deze tijdens het opvullen van het boorgat opdrijft. Er worden eventueel bijkomende gewichten aan het einde van de warmtewisselaars bevestigd. (zie ook § 4.4) 5.1.3
Testen van de warmtewisselaar voor het inbrengen
Er worden minimaal drie druktesten uitgevoerd: één voor het inbrengen van de leidingen in het boorgat, één na het opvullen van het boorgat en één na de volledige koppeling van de leidingen aan het gebouwsysteem. De druktesten worden uitgevoerd met water dat voldoet aan de milieukwaliteitsnormen voor grondwater. (VLAREM II, Artikel 5.55.2.6. , § 1) De met water gevulde warmtewisselaar wordt onder een overdruk gebracht van 2-3 bar; (waterleidingdruk). De druk wordt voor en na het inbrengen van de wisselaar gecontroleerd en genoteerd. Het toegestane drukverloop is minder dan 0,2 bar of 10 %. De druk wordt tot minimaal een uur na het inbrengen van de Ius en eventueel afvullen en/of grouten van het geboorde gat, gehandhaafd.
Smart geotherm | Levering en plaatsing
19/06/2013
9
5.2 Inbrengen van de warmtewisselaar Tenzij anders vermeld in de milieuvergunning, worden de leidingen neergelaten in het boorgat met behulp van een haspel of een geleidingswiel. (VLAREM II, Artikel 5.55.2.4. § 1.) De warmtewisselaar samen met de injectiepijp worden voorzichtig en verticaal in het boorgat neergelaten zodat beschadigingen zoals knikken of krassen worden vermeden. Indien de warmtewisselaar langer is dan 150m is het aan te bevelen om de haspel te voorzien van een rem zodat het geheel langzaam en voorzichtig in het boorgat kan worden gelaten. Tijdens het neerlaten van de wisselaar wordt de wisselaar nogmaals op visuele gebreken gecontroleerd. Voorkom dat mogelijke verontreinigingen geïntroduceerd worden. De bereikte einddiepte wordt genoteerd aan de hand van markeringen op de warmtewisselaar. De Ius wordt afgesneden op de juiste lengte en afgetapet. Indien de warmtewisselaar op een plek staat waar verkeer aanwezig is, moet het uitstekend eind op adequate wijze gemarkeerd of afgewerkt worden.
5.3 Afwerken van het boorgat Het vullen moet onmiddellijk na het aanbrengen van de wisselaar worden gestart. Zie technische fiche “Afwerking van verticale boorgaten”.
5.4 Testen na de afwerking van het boorgat Na de afwerking van het boorgat worden de individuele wisselaars getest voordat ze op de horizontale leidingen worden aangesloten. De leidingen worden op minstens 6 bar gebracht (preloading 30min). Over een duur van minstens 60min is een maximum verlies van 0.2 bar toegestaan. Na de test wordt de wisselaar afgedicht met kapjes die op hun beurt met kleefband worden omhuld. Tijdens de wintermaanden worden de wisselaars deels geledigd tot ongeveer 2 meter onder het maaiveld.
5.5 Aansluiten op de horizontale leidingen Zie fiche “Aansluiten van verticale warmtewisselaars op horizontale leidingen”
Smart geotherm | Levering en plaatsing
19/06/2013
10
5.6 Testen van het systeem op mechanische sterkte en lekdichtheid Na het aansluiten van de bodemwarmtewisselaars op de horizontale leidingen en de collector, maar voor dat het systeem in bedrijf wordt gesteld, moet het geheel worden gespoeld en ontlucht. Nadien volgen er een aantal testen om de montage en werking te controleren. 5.6.1
Spoelen en ontluchten
Om zorg te dragen dat het systeem vrij is van onzuiverheden dient het gedurende minimaal 30 min te worden gespoeld. Leidingwater wordt op de vertrekcollector gepompt. Het water spoelt de volledige installatie en wordt aan de retourcollector opgevangen. Door de stromingsrichting regelmatig om te draaien, wordt de installatie ontlucht. Afhankelijk van de grootte van het systeem, kan het nodig zijn om de ontluchting na enige tijd te herhalen. Spoelen (debieten):
5.6.2
1,0 m³/uur voor bodemwarmtewisselaars met een diameter van 0,025 meter; 1,8 m³/uur voor bodemwarmtewisselaars met een diameter van 0,032 meter; 2,5 m³/uur voor bodemwarmtewisselaars met een diameter van 0,040 meter.
Dichtheidsproef
De dichtheidsproef wordt als volgt uitgevoerd: 1. Dichtheidsbeproeving op een inwendige druk van ca. 0,05 MPa (0,5 bar). Hierbij worden lekkages in foutief gemonteerde verbindingen eerder opgespoord dan bij hoge druk (waarbij de Ius tegen de mof dichtgedrukt kan worden). Het systeem wordt visueel geïnspecteerd; 2. Wanneer na 1 uur een maximale drukvermindering van minder dan 0,01 MPa (0,1 bar) is geconstateerd, dan wordt de druk opgevoerd tot de bedrijfsdruk. Aangezien de bedrijfsdruk normaal gesproken ongeveer 0,2 - 0,3 MPa (2 - 3 bar) bedraagt wordt de druk in twee stappen van 30 minuten opgevoerd; 3. Het systeem wordt visueel geïnspecteerd. Wanneer na 1 uur een maximale drukvermindering van minder dan 0,01 MPa (0,1 bar) is geconstateerd dan is de leiding dicht en kan het systeem op sterkte beproefd worden.
5.6.3
Mechanische sterktetest
De mechanische sterktetest is bedoeld om mogelijk slechte lassen in de verbindingen of ernstig beschadigde leidingen op te sporen. De sterktetest wordt uitgevoerd bij minimaal 80 % van de drukklasse (PN8: 6,4 bar, PN 10: 8 bar), gedurende een uur mag de druk niet meer dan 10 % dalen.
Smart geotherm | Levering en plaatsing
19/06/2013
11
5.7 Afvullen van het systeem met het voorgeschreven circulatiemengsel Alleen als alle testen, vermeld in artikel 5.55.2.6, het bestaan van lekken uitsluiten, kan er aan het water een antivriesmiddel worden toegevoegd. Tenzij anders vermeld in de milieuvergunning, wordt er als antivriesmiddel monopropyleenglycol of bietenderivaat gebruikt. De samenstelling van het antivriesmiddel en de mengverhouding met het water wordt ter inzage gehouden van de toezichthouders. (VLAREM 2, Artikel 5.55.2.7. § 1 en § 2) Het systeem wordt met het voorgeschreven circulatiemengsel afgevuld. De componenten worden in een mengvat gemengd en in het systeem geïntroduceerd of het geïnhibeerde glycol wordt aan de bodemwarmtewisselaar toegevoegd terwijl gecirculeerd wordt (over een mengvat). Bijvullen van het met water gevulde wisselaarsysteem voldoet niet omdat er niet snel genoeg voldoende menging optreedt. Aanbevolen wordt een circulatie medium bestaande uit minimaal een volumepercentage van 25 % en maximaal een volumepercentage van 35 % monopropyleenglycol. Het is aan te bevelen om het vriespunt tenminste 5°C lager te nemen dan de laagst voorkomende mediumtemperatuur. Deze laagst voorkomende mediumtemperatuur wordt bepaald door de minimum bodemtemperatuur op het einde van het stookseizoen, het piekvermogen van de warmtepomp en de duur van de pieklast. Indien er toch gekozen worden voor mengsel met een volumepercentage lager dan 25% glycol dient dit mengsel te worden behandeld met biocide om bacteriegroei te voorkomen.
In installaties die gebruikt worden voor pure warmte opslag wordt zuiver water gebruikt als warmtetransportmiddel als de temperatuur van het fluïdum altijd boven het vriespunt is. Een gepaste antivries moet alleen worden voorzien in systemen die bijvoorbeeld worden gebruikt voor gecombineerde koude/warmte opslag waarbij de temperaturen op of onder het vriespunt komen. Als zuiver water wordt gebruikt als transportmedium en als er enig risico is van bevriezing ter hoogte van de verbindingen of voedingen wanneer het systeem voor lange tijd wordt stilgelegd, dan zou er een vrieswaarschuwingssysteem moeten worden voorzien. Kort spoelen van het systeem met warm water vermijdt vorstschade.
6 Nazorg De druk in de leidingen wordt automatisch gemonitord. Bij drukverlies moet het systeem automatisch uitvallen. Als het drukverlies het gevolg is van een lek in een lus, wordt de lus in kwestie buiten dienst gesteld. (VLAREM II, Artikel 5.55.2.8. § 1.) Direct na installatie en vervolgens tweejaarlijks worden de volgende controles uitgevoerd, telkens een controle gedurende het stookseizoen.
De mate van vorstbescherming van het circulatiemengsel dient te worden gemeten en de bacteriologische kwaliteit en helderheid dienen tenminste zintuiglijk te worden vastgesteld. Wanneer de bacteriologische kwaliteit van het mengsel niet voldoet, dient de gehele inhoud te worden vervangen, nadat het systeem eerst is gereinigd.
Smart geotherm | Nazorg
19/06/2013
12
Wanneer het systeem is bijgevuld worden na vier weken de druk in het systeem en de temperaturen in de aanvoer- en retourleiding nogmaals gecontroleerd. Enig vermoeden van lekkages van antivries in het bodemsysteem dient te worden gemeld aan VMM. Het antivriesgehalte van het circulatiemedium met een dichtheidsbepaling of een vriespuntbepaling. Meet en registreer de druk van het systeem.
Noteer elke toevoeging van vloeistof (water of antivries): de hoeveelheid en de druk voor en na het toevoegen.
7 Uitdienststelling Als één of meer leidingen van de inrichting buiten dienst worden gesteld, wordt de vloeistof die erin aanwezig is, met antivriesmiddel afgepompt en vervangen door water dat voldoet aan de milieukwaliteitsnormen voor grondwater. Vervolgens wordt de leiding definitief afgesloten en wordt de put buiten gebruik gesteld conform de voorwaarden, vermeld in artikel 5.55.1.3. (VLAREM II, Artikel 5.55.2.9.)
8 Bibliografie 1. Geelen, C. P. J. M., Witte, H. J. L., ISSO-Publicatie 73: Ontwerp en uitvoering van verticale bodemwarmtewisselaars, Stichting ISSO, 2005. 2. Kwaliteitsrichtlijn Verticale Bodemwarmtewisselaars , Novem- Nederlandse organisatie voor energie en milieu, mei 2003 3. Sanner, [et al.], Geotrainet training manual for designers of shallow geothermal systems. Geo-Education for a sustainable geothermal heating and cooling market, 2011, [Project: IEE/07/581/SI2.499061. Compiled and edited by Dr. Maureen Mc Corry with EurGeol. Gareth Ll. Jones. Published by GEOTRAINET, EFG, Brussels 2011]. 4. VDI 4640, Part 1 – Thermal use of the underground – Fundamentals, approvals, environmental aspects, juni 2010 5. VDI 4640, Part 2 – Thermal use of the underground – Ground source heat pump systems, sept. 2001 6. VLAREM II, Afdeling 5.55.2. Boringen in het kader van thermische energieopslag in boorgaten 7. Desmedt J., Draelants G., Studie best beschikbare boortechnieken en evaluatie geschikte hydrothermische technieken in Brussel: aanvraag; kritische analyse en milieuexploitatievoorwaarden, Eindrapport. Studie uitgevoerd in opdracht van BIM, VITO, febr. 2009
Smart geotherm | Uitdienststelling
19/06/2013
13
