Geothermie en warmtepompen: duurzame warmte uit de bodem
De bodem bevat het hele jaar door energie die kan worden gebruikt voor het verwarmen en koelen van gebouwen. Met een grondgebonden warmtepomp wordt deze energie uit de bodem gehaald en naar een bruikbaar temperatuurniveau gebracht.
Hiervoor wordt regelmatig de term geothermie of aardwarmte gebruikt, maar technisch is dat niet altijd correct. Bij geothermie wordt warmte uit diepere aardlagen gewonnen. Voor woningen en kleinere gebouwen gaat het meestal om bodemenergie: warmte uit de ondiepere bodem, gewonnen met een gesloten bodemenergiesysteem en een warmtepomp. Dat onderscheid is belangrijk, omdat de technieken fundamenteel anders werken.
Geothermie of bodemenergie?
Bij diepe geothermie wordt warm water uit diepe aardlagen gewonnen. Afhankelijk van de toepassing kunnen putten honderden meters tot meerdere kilometers diep zijn. De beschikbare temperaturen zijn daardoor aanzienlijk hoger. Deze techniek wordt vooral toegepast voor grootschalige warmtelevering aan bijvoorbeeld glastuinbouw, industrie en warmtenetten.
Een grondgebonden warmtepomp voor een woning werkt anders. Daarbij circuleert een vloeistof door leidingen in de bodem. De vloeistof neemt energie uit de omliggende grond op en transporteert die naar de warmtepomp. Omdat de brontemperatuur onvoldoende hoog is om een woning rechtstreeks te verwarmen, verhoogt de warmtepomp deze temperatuur. Technisch spreken we dan van een gesloten bodemenergiesysteem.
Hoe werkt een bodemwarmtepomp?
Een grondgebonden installatie bestaat in de basis uit drie delen:
bodembron → warmtepomp → afgiftesysteem
Door de bodemcollector circuleert doorgaans een mengsel van water en antivries / glychol: de zogenaamde brine. Deze vloeistof komt met een relatief lage temperatuur bij de warmtepomp binnen. In de verdamper van de warmtepomp wordt de opgenomen bodemenergie overgedragen aan een koudemiddel. Dit koudemiddel verdampt bij een lage temperatuur. Vervolgens verhoogt een compressor de druk van het koudemiddel, waardoor ook de temperatuur sterk stijgt. Via de condensor wordt deze warmte uiteindelijk overgedragen aan het verwarmingswater voor bijvoorbeeld vloerverwarming, radiatoren en warm tapwater.
De warmtepomp maakt de warmte dus niet volledig zelf. Elektriciteit wordt voornamelijk gebruikt om reeds aanwezige energie uit de bodem naar een hoger temperatuurniveau te brengen.
Waarom is de bodem interessant als warmtebron?
Het belangrijkste voordeel van bodemenergie is niet alleen dat de bron hernieuwbaar is, maar vooral dat de temperatuur ervan relatief stabiel blijft. Een lucht-waterwarmtepomp moet op koude winterdagen energie onttrekken aan buitenlucht die rond of onder het vriespunt kan liggen. Die lage brontemperatuur vergroot het temperatuurverschil dat de warmtepomp moet overbruggen.
Dieper in de bodem zijn temperatuurwisselingen veel kleiner. Dat is thermodynamisch belangrijk: hoe kleiner het verschil tussen de temperatuur van de warmtebron en de benodigde aanvoertemperatuur van het verwarmingssysteem, hoe efficiënter een warmtepomp kan werken.
Daarom zijn twee temperaturen bij het ontwerpen van een bodemwarmtepompsysteem bijzonder belangrijk:
- de temperatuur waarmee energie uit de bodem beschikbaar komt;
- de temperatuur die het afgiftesysteem nodig heeft.
Een goed geïsoleerde woning met vloerverwarming en een lage aanvoertemperatuur vormt daarom een gunstige combinatie met een bodemwarmtepomp. Het rendement wordt dan ook niet alleen bepaald door de warmtepomp zelf. De bron, warmtevraag, hydraulische installatie en warmteafgifte moeten als één systeem worden ontworpen.
De bodembron bepaalt mede de prestaties
De bodemcollector moet voldoende energie uit de grond kunnen halen zonder de omgeving rond de collector structureel te sterk af te koelen. Daarom wordt een bodembron niet simpelweg gekozen op basis van de capaciteit van de warmtepomp. Onder andere de jaarlijkse warmtevraag, bodemgesteldheid, beschikbare oppervlakte, vochtigheid van de bodem en het benodigde verwarmingsvermogen spelen een rol.
Een te kleine bron kan tijdens het stookseizoen steeds verder afkoelen. De warmtepomp moet dan een groter temperatuurverschil overbruggen, waardoor de efficiëntie afneemt. Een goed ontworpen bodemenergiesysteem kijkt daarom verder dan alleen het benodigde piekvermogen op een koude winterdag. Ook de hoeveelheid energie die gedurende een volledig jaar aan de bodem wordt onttrokken is relevant.
Spiraalcollectoren als compacte bodembron
Een bodembron hoeft niet altijd uit een diepe verticale boring te bestaan. Heattherm kan hiervoor gebruikmaken van spiraalcollectoren. Hierbij wordt PE-Xa-leiding in een verticale spiraalvorm in de bodem geplaatst. Volgens de technische specificaties bevat één collector ongeveer 50 meter leiding en is deze circa drie meter hoog en 47 centimeter breed.
In een standaardopstelling bevindt de onderzijde zich ongeveer 4,5 meter onder het maaiveld. Afhankelijk van de benodigde energie en het vermogen worden meerdere collectoren gecombineerd tot één collectorveld. Hierdoor ontstaat een oplossing die tussen een groot horizontaal collectorveld en een traditionele diepe bodemlus in zit.
Spiraalcollectoren
Regenwater wordt via de dakgoot naar een infiltratievoorziening geleid en langzaam in de bodem gebracht. Zo blijft de grond rond de spiraalcollectoren vochtig en kan warmte beter worden overgedragen.
De collectoren nemen warmte uit de bodem op en voeren deze naar de warmtepomp. Die verhoogt de temperatuur voor bijvoorbeeld vloerverwarming en warm tapwater. Zo werken regenwater, bodemwarmte, spiraalcollectoren en de warmtepomp samen in één systeem.
Waarom een spriaalcollector minder oppervlakte nodig heeft
Bij een traditionele horizontale collector worden lange leidingen relatief ondiep over een groot grondoppervlak verdeeld. Een spiraalcollector gebruikt behalve het oppervlak ook de beschikbare diepte. Daardoor kan op een kleiner perceel een grotere lengte collectorleiding worden aangebracht.
Dat betekent overigens niet dat oppervlakte geen rol meer speelt. Ook rondom een spiraalcollector moet voldoende bodemvolume beschikbaar zijn waaruit warmte kan worden aangevoerd. Na aanleg kan het terrein boven het collectorveld doorgaans weer worden ingericht. Daarbij moet rekening worden gehouden met de collector en eventuele beperkingen aan diepwortelende beplanting of latere graafwerkzaamheden.
Waarom vochtige bodem beter warmte transporteerd
De samenstelling van de bodem heeft veel invloed op een bodemcollector. Een belangrijke factor daarbij is het vochtgehalte. Water geleidt warmte aanzienlijk beter dan lucht. Een vochtige bodem kan daardoor gemakkelijker warmte vanuit de omgeving naar de collector transporteren dan zeer droge grond.
Dat verklaart ook waarom regenwaterinfiltratie interessant kan zijn rondom een collectorveld. Binnen het spiraalcollector-systeem kunnen infiltratievoorzieningen boven het collectorveld worden toegepast. Regenwater van bijvoorbeeld het dak wordt daarbij lokaal in de bodem gebracht. Het doel daarvan is niet dat het regenwater zelf de woning verwarmt. Het helpt de thermische eigenschappen van de grond rondom de collectoren te ondersteunen.
De bodem moet zich kunnen regeneren
Tijdens het verwarmingsseizoen wordt energie aan de bodem onttrokken. Die energie moet uiteindelijk ook weer worden aangevuld. Dit wordt regeneratie van de bodem genoemd. Dat gebeurt vanzelf vanuit verschillende bronnen. Warmte stroomt vanuit omliggende grond terug naar het afgekoelde gebied en ook neerslag en warmte vanaf het aardoppervlak spelen een rol.
Ook koeling kan bijdragen aan de thermische balans. Wanneer in de zomer warmte uit een gebouw aan de bodem wordt afgegeven, wordt een deel van de in de winter onttrokken energie weer teruggebracht. Dat kan gunstig zijn voor de brontemperatuur aan het begin van een volgend verwarmingsseizoen. Daarmee zijn verwarmen en koelen bij bodemenergie technisch met elkaar verbonden.
Passief koelen met de bodem
Een groot voordeel van een bodemgebonden warmtepomp is dat dezelfde bron in de zomer kan worden gebruikt voor koeling. Daarvoor hoeft de warmtepomp niet altijd actief koude te produceren. Bij passieve koeling, wordt gebruikgemaakt van de relatief lage temperatuur van de bodem. Koude brine uit de bodemcollector neemt via een warmtewisselaar warmte op uit het afgiftesysteem van de woning. De compressor van de warmtepomp hoeft daarbij niet te draaien. Het elektriciteitsverbruik blijft daardoor beperkt tot de bronpomp en de circulatiepom. Thermia biedt deze vorm van koeling voor grondgebonden systemen aan en onderscheidt daarnaast actieve koeling, waarbij de compressor wel wordt ingezet wanneer meer koelvermogen nodig is. De passieve koeling is vaak geïntegreerd in de warmtepomp zonder aanvullende koelmodule.
Voor passieve koeling moet ook het afgiftesysteem geschikt zijn. Sommige vloerverwarmingssystemen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor beperkte vloerkoeling, terwijl voor een groter koelvermogen fan coils kunnen worden toegepast. Daarbij moet de regeling voorkomen dat oppervlaktetemperaturen onder het dauwpunt komen en condens ontstaat.
Het systeemrendement is belangrijker dan alleen de COP
Bij warmtepompen wordt vaak naar de COP gekeken. Deze waarde geeft aan hoeveel warmte de installatie onder bepaalde testomstandigheden produceert ten opzichte van het elektrische vermogen dat daarvoor nodig is. Een COP van 5 betekent bijvoorbeeld dat onder die omstandigheden vijf eenheden warmte worden geleverd per eenheid elektriciteit.
Maar één COP-waarde vertelt niet hoe een installatie gedurende een volledig jaar presteert. Daarvoor is de SCOP relevanter: de Seasonal Coefficient of Performance. Daarin worden prestaties over verschillende buitentemperaturen en bedrijfsomstandigheden meegenomen. Thermia benadrukt eveneens dat voor de praktijk naar de prestaties over een volledig seizoen moet worden gekeken in plaats van uitsluitend naar één COP-testpunt. Bij een bodemenergiesysteem gaat het uiteindelijk nog breder om de prestaties van de complete installatie. Ook bronpompen, circulatiepompen, regeling, tapwaterproductie en benodigde aanvoertemperaturen hebben invloed op het werkelijke elektriciteitsverbruik.
Thermia en bodemenergie
Heattherm combineert grondgebonden warmtepompen van Thermia met de techniek die nodig is om energie uit de bodem te winnen. Daarbij staat niet één apparaat centraal, maar de werking van het complete systeem:
bodembron → warmtepomp → warmteafgifte → binnenklimaat
Dat betekent dat eerst moet worden vastgesteld hoeveel warmte een gebouw werkelijk nodig heeft, welke bron daarbij past en met welke temperaturen het afgiftesysteem kan functioneren. Pas wanneer die onderdelen goed op elkaar zijn afgestemd, kan een grondgebonden warmtepomp zijn voordelen volledig benutten.
Wanneer is bodemenergie interessant?
Bodemenergie is vooral interessant wanneer wordt gezocht naar een installatie met een stabiele warmtebron en hoge efficiëntie gedurende het hele jaar. Of een grondgebonden systeem geschikt is, hangt echter sterk af van het project. Onder andere de volgende factoren zijn bepalend:
- de warmte- en tapwaterbehoefte van het gebouw
- de isolatiegraad
- de benodigde aanvoertemperatuur
- de bodemgesteldheid; de beschikbare ruimte
- de mogelijkheid om een geschikte bodemcollector aan te leggen
- de behoefte aan koeling.
Advies nodig?
Heattherm adviseert en levert vanuit die complete benadering: van energie uit de bodem tot een comfortabel binnenklimaat.
