WARMTEPOMPEN  
Install Magazine 1000 – oktober 2024

Zijn vuistregels misleidend?

De complexiteit van boorveldontwerp en het belang van ontwerpsoftware

Studiebureaus, architecten, boorbedrijven: allemaal werken we met vuistregels. We hebben simpele regels voor de drukval in leidingen, het waterverbruik in residentiële gebouwen en het ontwerp van geothermische boorvelden. Gezien alle vuistregels een vereenvoudiging van de werkelijkheid zijn, is het ontwerp van boorvelden veel te complex om te worden herleid naar één enkele regel. Dit artikel toont aan dat wanneer we vertrouwen op vuistregels, we kunnen uitkomen met een 50% over- of onderdimensionering van ons boorveld, wat kan leiden tot onhaalbare projecten, niet-functionerende systemen of zelfs milieuschade.

Introductie

De bouwsector is verantwoordelijk voor 26% van de globale CO₂-uitstoot van energiegebruik, door de vraag naar verwarming en koeling [1]. Om deze sector te decarboniseren, wordt de laatste jaren meer en meer gekeken naar geothermische warmtepompen, omwille van hun hoge efficiëntie, hun gratis passieve koeling en hun minieme onderhoudskost. Daartegenover staat natuurlijk wel dat deze systemen een hoge investeringskost met zich meebrengen, zodat een correct ontwerp cruciaal is. Wanneer we spreken over het ontwerp van deze systemen, zijn er meerdere mogelijkheden, gaande van gedetailleerde ontwerpsoftware zoals GHEtool (https://ghetool.eu) of EED tot vuistregels. Deze laatste optie echter, hoewel ze vaak wordt gebruikt, moet nader bekeken worden.

Het belang van correct boorveldontwerp

Geothermische systemen zijn niet duurzaam van nature uit maar door ontwerp. Het is daarom belangrijk dat het boorveld wordt ontworpen op zo’n manier dat, mettertijd, de grondtemperatuur tussen bepaalde temperatuurlimieten blijft. Dit is belangrijk voor het systeem zelf, omdat te lage temperaturen kunnen leiden tot storingen van de warmtepomp, maar ook voor de omgeving, waar het leven in de ondergrond door sterke temperatuurschommelingen kan worden verstoord. Aan de andere kant brengen boringen een hoge investeringskost met zich mee, dus om een boorveld betaalbaar te houden, willen we zeker geen boringen te veel uitvoeren. Dus, hoe ontwerp je zo’n systeem?

Blind varen met vuistregels

Binnen het ingenieursdomein zijn er overal vuistregels: van drukval in leidingen tot waterverbruik in residentiële gebouwen. Ze vereenvoudigen en versnellen het ontwerpproces, maar ze geven geen inzicht in de fysica die erachter ligt. Zulke algemene regels zijn vaak gecreëerd op basis van een zekere wetenschappelijke correlatie of een extrapolatie op basis van ervaring. Na verloop van tijd echter, lopen we het risico dat we vergeten welke assumpties achter een bepaalde regel zitten en worden deze vuistregels een waarheid in-en-op zichzelf.

In het domein van de ondiepe geothermie, komen deze vuistregels voor in de vorm van ‘specifieke warmte-extractie x W/m boring’. Ze maken abstractie van alle parameters die het ontwerp bepalen: de warmte- en koudevraag van het gebouw, het vloeistofregime, de interne opbouw van de boring, de temperatuurlimieten etc.

In de volgende paragrafen worden voorbeelden gegeven met aanpassingen van de ontwerpparameters om hun effect op de boorveldgrootte (uitgedrukt als een totale boorgatlengte, i.e. de diepte van de boring vermenigvuldigd met het aantal boringen) en de nauwkeurigheid van een specifieke vuistregel te tonen. Dit wordt gedaan voor drie verschillende gebouwen: een kantoorgebouw, een auditorium en een appartementencomplex. Deze drie gebouwen zijn gebaseerd op bestaande gebouwen die werden doorgesimuleerd op uurlijkse basis. De karakteristieken van hun respectievelijke warmte- en koudevraag is te vinden in Tabel 1. Alle gebouwen zijn voorzien van trage afgiftesystemen (betonkernactivering (BKA) en vloerverwarming), maar ze gebruiken het ventilatiesysteem voor de koeling. Dit verklaart het grote verschil in piekvermogen tussen verwarming en koeling.

Effect van de gebouwvraag

Figuur 1 toont de benodigde boorgatlengte voor de drie verschillende gebouwen berekend met een vuistregel van 30 W/m toegepast op zowel de piekvraag in verwarming als koeling. Deze dimensionering is vergeleken met een uurlijkse dimensionering met GHEtool [2]. Het relatieve verschil tussen beide vuistregels en het referentieontwerp met GHEtool is getoond in Figuur 2.

Het valt op dat de vuistregel van 30 W/m toegepast op de piekvraag in verwarming leidt tot een onderdimensionering van het boorveld voor alle gevallen, zelfs voor de warmtegedomineerde gebouwen zoals het auditorium en de appartementen. Dit kan verklaard worden door het feit dat betonkernactivering en vloerverwarming zeer trage afgiftesystemen zijn die slechts een klein piekvermogen hebben en dus via de vuistregel ook een kleinere dimensionering. Het effect van de onbalans wordt hierdoor onderschat.

Aan de andere kant, wanneer we ontwerpen met de vuistregel toegepast op de piekvraag in koeling, geeft dit een significante overdimensionering tot zelfs een factor 2 in het geval van het auditorium. Dit kan verklaard worden door het gegeven dat het auditorium een hoge piekkoeling heeft, maar een geringe jaarlijkse vraag naar koeling. Het effect van de piekvraag op de dimensionering wordt aldus door de vuistregel sterk overschat in dit geval. Eerder verrassend en toevallig geeft een dimensionering op koeling een nauwkeurige dimensionering voor het residentiële gebouw.

Effect van het vloeistofregime en enkele/dubbele U-lus

Niet enkel de gebouwvraag kan aanleiding geven tot een significante onder- of overdimensionering, maar ook de interne structuur van het boorgat zelf is van groot belang. Bij het ontwerp van het boorgat zelf, kunnen er typisch twee parameters worden gevarieerd: het aantal wisselaars (enkele of dubbele U-lus of zelfs coaxiaal of turbosonde) en het vloeistofregime (laminair of turbulent). Deze parameters hebben een effect op de equivalente boorgatweerstand en dus ook op het benodigd aantal boormeters.

Figuur 3 toont het effect van deze ontwerpparameters in de over- en onderdimensionering van het boorveld in vergelijking met een dimensionering met GHEtool voor het auditorium. De overdimensionering van Figuur 2, berekend met de piekkoeling en een dubbele U-lus met turbulente stroming, verdwijnt wanneer de boring wordt uitgevoerd met een enkele U-lus en laminaire stroming. Dit komt omdat een turbulente stroming in een dubbele U-lus, het boorgat de laagste weerstand geeft, waardoor het effect van de piekvermogens vermindert. Aan de andere kant geeft de combinatie van een enkele U-lus met een laminaire stroming een slechte boorgatweerstand en dus een grote nadruk op het piekvermogen. Daarom is de overdimensionering met de vuistregel toegepast op koeling kleiner in dit geval.

Effect van de temperatuurlimieten

Afhankelijk van het systeemontwerp zijn er andere temperatuurlimieten van toepassing op het boorveld. Wanneer er bijvoorbeeld gekozen wordt voor passieve koeling, is een maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 17°C noodzakelijk, hetgeen resulteert in grotere boorvelden voor gebouwen met een hoge koelvraag. Aan de andere kant, wanneer actieve koeling wordt gekozen, kan deze maximale temperatuur verhoogd worden naar 25°C, waardoor minder boormeters nodig zijn. Voor de minimale temperatuur zijn er vaak veiligheidsmarges voorzien, bijvoorbeeld 3°C, om te verzekeren dat het veld nooit negatieve temperaturen zal hebben. Dit kan in de praktijk leiden tot een overdimensionering, waardoor sommigen opteren voor 1°C als minimumgrens. Deze laatste optie is minder veilig, maar kan leiden tot een grotere economische haalbaarheid van het boorveld. Het effect van deze temperaturen op de relatieve over- en onderdimensionering is getoond in Figuur 4.

Wanneer gekozen wordt voor actieve koeling (en de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur opgetrokken wordt naar 25°C), leidt een dimensionering met de vuistregel toegepast op koeling tot een extreme overdimensionering van een factor 3 of 4. Dit komt doordat het boorveld nu gelimiteerd is door de warmtevraag en desgevallend de piek in koeling niet heel relevant meer is [3]. Merk op hoe de overgang naar actieve koeling een dimensionering met de vuistregel voor verwarming verschuift van een onder- naar een overdimensionering. Dit komt omdat het veld nu gelimiteerd is door de verwarmingsvraag en deze vuistregel nu een nauwkeurigere dimensionering geeft.

Algemene sensitiviteit

De vorige drie paragrafen hebben elk een bepaalde parameter toegelicht die een effect heeft op het boorveldontwerp. De lengte-breedteverhouding van het boorveld, de simulatieperiode (20 of 40 jaar), de grondconductiviteit, de temperatuurgradiënt in de grond, de conductiviteit van het vulmateriaal, die piekduur etc.: al deze zaken hebben een effect op de finale dimensionering. Figuur 5 toont de totale spreiding in benodigd aantal boormeters wanneer we dit veelvoud aan parameters variëren. Het is duidelijk dat één enkele vuistregel geenszins in staat is om de totale variatie in boorveldontwerp te kunnen vatten wanneer al deze parameters worden gevarieerd. Eenzelfde conclusie kan getrokken worden op basis van Figuur 6, waar via reverse-engineering de vuistregel werd afgeleid op basis van de totale boorgatlengte en het piekvermogen in verwarming en koeling. Het is duidelijk dat er geen goede en eenduidige vuistregel bestaat die al deze gebouwen en ontwerpvariaties kan omvatten.

De zin en onzin van vuistregels voor boorveldontwerp

Op dit punt is het duidelijk dat er een heel grote variatie kan zitten in het benodigd aantal boormeters die simpelweg niet gevat kan worden met een vuistregel. Dit wil echter nog niet zeggen dat we ze volledig overboord moeten gooien. Voor zeer specifieke gebouwen met gelijkaardige ontwerpen, in een gelijkaardige regio en voor boorvelden die op dezelfde manier worden uitgevoerd kan de spreiding in Figuren 5 en 6 wellicht verkleind worden en zou een vuistregel een betrouwbaar resultaat kunnen geven in die situatie. Het is echter niet eenvoudig (om niet te zeggen onmogelijk) te voorspellen in welke mate een project gaat afwijken van een dimensionering op basis van deze vuistregel. In het algemeen is het daarom beter gespecialiseerde software zoals GHEtool of EED te gebruiken. Hierdoor heeft de ontwerper meer zekerheid dat het boorveld correct is ontworpen en dat het dus een robuuster, duurzamer, economischer en haalbaarder systeem is.

Conclusie

Dit artikel toonde het potentiële risico van vuistregels voor het ontwerpen van boorvelden. Voor drie verschillende gebouwen werd getoond dat een simpele vuistregels tot een onder- of overdimensionering van het boorveld kon leiden tot zelfs 400%. De resultaten van deze vuistregels zijn niet, per definitie, fout, maar ze zijn omgeven door onzekerheid. De ontwerper kan onmogelijk weten wanneer deze dimensioneringen correct zijn. Daarom is het aan te raden om gespecialiseerde ontwerpsoftware te gebruiken om boorveld te ontwerpen die zowel robuust alsook financieel haalbaar zijn.

Door: Wouter Peere

https://ghetool.eu

https://enead.be

[1] IEA (2023), Tracking Clean Energy Progress 2023, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/tracking-clean-energy-progress-2023, License: CC BY 4.0

[2] Peere, W., Blanke, T.(2022). GHEtool: An open-source tool for borefield sizing in Python. Journal of Open Source Software, 7(76), 4406, https://doi.org/10.21105/joss.04406

[3] Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W., and Helsen, L. (2021) Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Proceedings of International Building Simulation Conference 2021. Brugge (Belgium), 1-3 September 2021.

https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180