Fabrice DERNYGeothermische energie

MATRIciel SA

OpleidingDuurzaam Gebouw :

ENERGIELeefmilieu Brussel

1

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.

3

● Waarom geothermische energie?● Evenwicht van de bodemtemperatuur● Hoe werkt het?● Types terminale eenheden● Casestudy

Plan van de uiteenzetting

4

Waarom geothermische energie in een lage-energiegebouw?

Hoe meer je een gebouw isoleert, hoe meer zijn behoefte aan koeling toeneemt:

Of zelfs een gebouw ZEB (Zero Energy Building)

…wanneer? Tbuiten < Tbinnen

Energievraag – gecumuleerd profiel naargelang de buitentemperatuur

Vraag naar warmte – lage energieVraag naar koude – lage energieVraag naar warmte – passiefVraag naar koude - passief

5

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

Waarom geothermische energie in een lage-energiegebouw?

6

● Oplossing 2: de bodem

Waarom geothermische energie in een lage-energiegebouw?

Juli

OktoberApril

Januari

Temperatuur (°C)

Die

pte

(z) (

m)

Thermische diffusiviteit van het terrein:

7

● Koude putten in de bodem doet de temperatuur ervan stijgen

Evenwicht van de bodemtemperatuur

10°C

11°C

12°C

13°C

14°C

15°C

16°C

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240

Evolution de la température du sol sur 20 ans

T°moyenne mensuelle

Noodzaak om de bodem elk jaar met koude te « herladen »: in de

winter verwarmen met een warmtepomp vloer/water

Evolutie van de bodemtemperatuur over 20 jaar tijdGemiddelde maandtemperatuur

8

● = 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.

Evenwicht van de bodemtemperatuur

9

● 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

Hoe werkt het?

10Bron: REHAU

Hoe werkt het?

11

● Geothermische wisselaar:

► Geothermische palen: ingebouwde buizen van de wisselaars in de stabiliteitspalen van het gebouw

12

Crèche van het vogeleiland van Bergen

13

Hoe werkt het?

WP bodem/water niet omkeerbaar:1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de

behoeften – PER 4,5 .. 5,5

Directe geocooling: PER equiv = .. 12..

Extra ketel voor 30% van de behoeften

Terminale lage-temperatuureenheden (stelsel

40/30)

Terminale hoge temperatuureenheden

(stelsel 17/20)

Extra koudegroep voor 30% van de behoeften

Pulsiegroepen PWarme plafonds

Pulsie-groepen

Koude plafonds

Koelgroep

Gasketel

Geothermische sonde

14

Hoe werkt het?

WP bodem/water:1/3 van het totale verwarmingsvermogen dekt 70% van de

behoeften – PER 4,5 .. 5,5

Pulsiegroepen PWarme plafonds

Pulsie-groepen

Koude plafonds

Koelgroep

Gasketel

Geothermische sonde

Herlading van de bodem door omkeerbare WP bodem/water – PER 4,5

.. 5,5

15

● Terminale hoge-temperatuurkoeleenheden:● Koelplafonds of stralingseilanden

► voordelen: weinig thermische inertie en dus hoog regelrendement, gemakkelijke controle van de kamertemperatuur, warm/koud omkeerbaar

► nadelen: beperkter vermogen (plafonds)

Types terminale eenheden?

● Actieve vloerplaten► 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

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,, …).

● 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.

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

3500,0

4000,0

1 721 1441 2161 2881 3601 4321 5041 5761 6481 7201 7921 8641

kW

puissance chaud/froid

Demande froid

Demande chaud

Type gesteentemin typische waarde max

Magmatische gesteentenBasalt 1.3 1.7 2.3 2.3 - 2.6Dioriet 2.0 2.6 2.9 2.9Gabbro 1.7 1.9 2.5 2.6Graniet 2.1 3.4 4.1 2.1 - 3.0Peridoliet 3.8 4.0 5.3 2.7Ryoliet 3.1 3.3 3.4 2.1Metamorfe gesteentenGneis 1.9 2.9 4.0 1.8 - 2.4Marmer 1.3 2.1 3.1 2Metakwartsiet env. 5.8 2.1Micaschiefer 1.5 2.0 3.1 2.2Kleischalie 1.5 2.1 2.1 2.2 - 2.5Sedimentaire gesteentenKalk 2.5 2.8 4.0 2.1 - 2.4Kwartsiet 3.6 6.0 6.6 2.1 - 2.2Zout 5.3 5.4 6.4 1.2Zandsteen 1.3 2.3 5.1 1.6 - 2.8Kleiachtige, slib bevattende gesteenten 1.1 2.2 3.5 2.1 - 2.4Niet geconsolideerde gesteentenGrind, droog 0.4 0.4 0.5 1.4 - 1.6Grind, waterverzadigd env. 1.8 env. 2.4Morene 1.0 2.0 2.5 1.5 - 2.5Zand, droog 0.3 0.4 0.8 1.3 - 1.6Zand, waterverzadigd 1.7 2.4 5.0 2.2 - 2.9Klei/slib, droog 0.4 0.5 1.0 1.5 - 1.6Klei/slib, waterverzadigd 0.9 1.7 2.3 1.6 - 3.4Turf 0.2 0.4 0.7 0.5 - 3.8Andere stoffenBentoniet 0.5 0.6 0.8 env. 3.9Beton 0.9 1.6 2.0 env. 1.8Ijs (-10°C) 2.32 1.87Plastic (PE) 0.39 -Lucht (0-20°C, droog) 0.02 0.0012Staal 60.00 3.12Water (+10°C) 0.58 4.19

Volumetrische thermische

Thermische conductiviteit

Tabel – Thermische geleidbaarheid en volumetrisch thermisch vermogen van verschillende soorten gesteenten

Bron: REHAU

Bodemeigenschappenop 1800 werkingsuren op 2400 werkingsuren

Algemene indicatieve waardenOndergrond van slechte kwaliteit (sediment …) 25 W/m 225 W/mNormale rotsachtige ondergrond en waterverzadigd sediment 60 W/m 50 W/mCompact gesteente met hoge thermische geleidbaarheid 84 W/m 70 W/mRespectieve materialenGrind en zand, droog < 25 W/m < 20 W/mGrind en zand, waterhoudend 65 - 80 W/m 55 - 65 W/mBij sterke stroming van de ondergrondse wateren in het grind of het zand, 80 - 100 W/m 80 - 100 W/men unieke installatiesKlei en (onleesbaar), vochtig 35 - 50 W/m 30 - 40 W/mKalk (massief) 55 - 70 W/m 45 - 60 W/mZandsteen 65 - 80 W/m 55 - 65 W/mZuur magmatisch gesteente vb. graniet) 65 - 85 W/m 55 - 70 W/mBasisch magmatisch gesteente (vb. basalt) 40 - 65 W/m 35 - 55 W/mGneis 70 - 85 W/m 60 - 70 W/m

Specifiek extractievermogen

Bilan thermique du système moyenne sur 20 anskWh/an Chauffage

auxiliaire Total demandeElectricité (PAC) 254 700 chauffage

70 500 Pompe à chaleur Chauffage PAC 600 000(PAC) 345 400

COP 4.9 Fraction chauffage 58%

273 600

Sondesgéothermiques

286 600

RefroidissementRefroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande

1 200 14 600 refroidissementRefroidissement direct Refroid. sondes 302 400

286 600 287 800Machine frigorifique Fraction refroidiss. 95%

Machine frigorifique 0Electricité (machine frigorifique)

EffCoolM 0.0 0

ChauffagePuissance d'extraction maximum par mètre de sonde 30 W/mEnergie annuelle extraite par mètre de sonde 15 kWh/m/aRefroidissementPuissance d'injection maximum par mètre de sonde 34 W/mEnergie annuelle injectée par mètre de sonde 16 kWh/m/aBilan terrainRatio energie injectée sur énergie extraite 105% 8°C

9°C

10°C

11°C

12°C

13°C

14°C

15°C

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108 120 132 144 156 168 180 192 204 216 228 240

Evolution de la température du sol sur 20 ansT°moyenne mensuelle

Thermische balans van het systeem

Elektriciteit (WP)

gemiddelde over 20 jaar tijd

Warmtepomp (WP)PER 4.9

Geothermische sondes

Koeling voor verwarming Hulpkoeling Elke koelingsbehoefte

Directe koeling Koeling sondes

Koelmachine Koelfractie

Elektriciteit (koelmachine)

Elke verwarmingsbehoefte

Verwarming WP

Verwarmingsfractie

Hulpverwarming

VerwarmingMaximaal extractievermogen per meter sondeJaarlijkse uitgehaalde energie per meter sondeKoelingMaximaal injectievermogen per meter sondeJaarlijks geïnjecteerde energie per meter sondeBalans grondVerhouding geïnjecteerde energie op uitgehaalde energie

Evolutie van de bodemtemperatuur over 20 jaar tijdGemiddelde maandtemperatuur

Besluit: voorbeeld energiebalans

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

220%

A1Umurs : 0,4

g : 0,39

A1Umurs : 0,4

g : 0,33

A1Umurs : 0,4

g : 0,22

B1Umurs : 0,3

g : 0,39

B1Umurs : 0,3

g : 0,33

B1Umurs : 0,3

g : 0,22

C1Umurs : 0,2

g : 0,39

C1Umurs : 0,2

g : 0,33

C1Umurs : 0,2

g : 0,22

Consommation en énergie primaire globale 1-Chaudière gaz + groupe de froid

3-Geothermie avec ¨PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint

Onmogelijk geval voor geothermische energie: te groot onevenwicht tussen

warmte- en koudebehoeften

Globaal verbruik aan primaire energie1 - Gasketel + koelgroep

3 - Geothermie met “WP + extra ketel + geocooling + extra koelgroep

Besluit: voorbeeld energiebalans

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

220%

240%

260%

280%

A1Umurs : 0,4

g : 0,39

A1Umurs : 0,4

g : 0,33

A1Umurs : 0,4

g : 0,22

B1Umurs : 0,3

g : 0,39

B1Umurs : 0,3

g : 0,33

B1Umurs : 0,3

g : 0,22

C1Umurs : 0,2

g : 0,39

C1Umurs : 0,2

g : 0,33

C1Umurs : 0,2

g : 0,22

Emission de CO2 globale

1-Chaudière gaz + groupe de froid

3-Geothermie avec ¨PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint

Globale CO2-uitstoot

1 - Gasketel + koelgroep

3 - Geothermie met “WP + extra ketel + geocooling + extra koelgroep

Besluit: voorbeeld energiebalans

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

180%

200%

220%

A1Umurs : 0,4

g : 0,39

A1Umurs : 0,4

g : 0,33

A1Umurs : 0,4

g : 0,22

B1Umurs : 0,3

g : 0,39

B1Umurs : 0,3

g : 0,33

B1Umurs : 0,3

g : 0,22

C1Umurs : 0,2

g : 0,39

C1Umurs : 0,2

g : 0,33

C1Umurs : 0,2

g : 0,22

Facture énergétique 1-Chaudière gaz + groupe de froid

3-Geothermie avec ¨PAC + chaudière appoint + geoccoling + groupe de froid d'appoint

Energiefactuur1 - Gasketel + koelgroep

3 - Geothermie met “WP + extra ketel + geocooling + extra koelgroep

2

● Website Brussel Leefmilieu: http://www.bruxellesenvironnement.be/Templates/Professionnels/informer.aspx?id=32607

● SIA 0190 - Gebruik van aardwarmte door funderings- en stutwerken in beton

● Publicaties van Dr D. Pahud, Scuola universitariaprofessionnale della Suizzera italiana (SUPSI), Lugano

Interessante tools, websites, enz.:

Referenties Praktische Gids voor Duurzaam Bouwen: en andere bronnen:

● -

3

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

23

Contact

Fabrice DERNYMATRIciel – projectbeheerderPlace de l’Université, 25 – 1348 Louvain-la-Neuve : 010/24.15.70E-mail: derny@matriciel.be