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