De warmtepomp

De warmtepomp zelf is de opwekker. Deze zorgt ervoor dat energie van een laag temperatuurniveau wordt opgewaardeerd naar een bruikbaar temperatuurniveau om bijvoorbeeld een woning te verwarmen. De warmtepomp onttrekt energie aan een duurzame bron, bijvoorbeeld de bodem of de buitenlucht.

Energie wordt aan de bodem onttrokken met behulp van bodemwarmtewisselaars of een warmte-koudeopslagsysteem. Het afgiftesysteem dat aan de warmtepomp is gekoppeld, wordt bij voorkeur uitgevoerd als een laagtemperatuurverwarmingssysteem (LTV). Dit om het rendement van warmteopwekking te verhogen. In de zomerperiode kan het systeem koeling leveren.

Het bodemwarmtewisselaar -systeem is minder efficiënt dan het warmte- en koude opslag -systeem en meestal duurder om aan te leggen, maar er wordt geen grondwater onttrokken en het brengt geen ongewenste waterstromen in de ondergrond op gang.

De diepte van de grondlaag voor warmte- en koude opslag is meestal meer dan 100 m onder maaiveld;

De zogenoemde 2e generatie warmte- en koude opslag -systemen kunnen dieper gelegen zijn,
500-600 m onder maaiveld.

Met een warmtewisselaar (warmtepomp) wordt in de winter het koude water in een koudwaterlaag in de bodem, de “koude bron”, geïnjecteerd en in de zomer het opgewarmde koelwater in de warmwaterlaag, de “warme bron”. Door het koude water ’s zomers naar boven te pompen wordt zo het gebouw gekoeld. Omgekeerd wordt in de winter het warme water opgepompt om voor verwarming te zorgen.

Het onttrokken grondwater wordt steeds weer geïnjecteerd, zodat er geen grondwater wordt verbruikt. Er zijn systemen met twee aparte putten voor koud en voor warm water (doubletsystemen), maar er zijn ook monosystemen die van één put gebruikmaken en waarbij de lagen onder elkaar liggen.

Opslag van thermische energie (warmte- en koudeopslag, WKO, of koude- en warmteopslag KWO) gedurende een seizoen maakt het mogelijk voor een aanzienlijk deel in de vraag naar warmte en koude te voorzien. Met de opslag van koude en warmte in de bodem zijn zeer forse energiebesparingen van 50% tot 80% te bereiken (bron BodemenergieNL). De verwarming zal wellicht nooit voldoende zijn, daartoe moet bijverwarming plaatsvinden.

Als bij opslag van warmte en koude in de bodem gebruik gemaakt wordt van het grondwater dan is sprake van een open bronsysteem (open systeem voor bodemenergie). Een open systeem zal alleen nuttig zijn bij een grotere energiebehoefte i.v.m. de grotere energieopslag, de kosten, vergunningen, procedures e.d.

Aspecten die de problematiek van warmte- en koudeopslag aangeeft bij open warmte- en koude opslag -systemen:

– geen geschikt watervoerend pakket in de bodem

– er mogen geen grote grondwaterstromen zijn; dan verdwijnt het warme of koude water immers

– drinkwaterbescherming in de nabijheid kan opslag in de bodem beletten

– bestaande bodemverontreiniging mag niet verspreid worden door het warmte- en koude opslag -systeem

– geografische en juridische problemen, zeker wanneer het aantal installaties met warmte-koude-opslag sterk toeneemt: wat doe je als ondergrondse warmte- en koudebronnen te dicht bij elkaar liggen en elkaar door interferentie ongunstig beïnvloeden? wie is verantwoordelijk?

Een ander aspect is dat een grote hoeveelheid water nodig is om de warmte (of koude) in op te slaan. Bij gebruik van een andere stof dan water kan dat volume aanzienlijk worden teruggebracht. Zulke materialen zijn bijvoorbeeld magnesiumsulfaat, zeolieten of silicagel: soms wordt “warmte” opgeslagen door veranderen van fase van de stof, soms door adsorptie (het in zeoliet aanwezige water verdampt of slaat juist neer).

Bij een dergelijke opslag is sprake van een gesloten bronsysteem. Vanwege de temperatuur van het medium, de ligging als onderdeel van de woning of dicht bij de woning en de kans op bacteriën e.d. is hier een gesloten reservoir nodig.

Hoewel warmte- en koude opslag inmiddels een bewezen techniek is, blijkt toch dat er regelmatig wko-projecten mislukken (de grondlaag voor opslag van warmte of koude is niet geschikt, er wordt bijvoorbeeld te weinig water opgepompt, de installateurs zijn niet vakkundig, de warmtepomp is ongeschikt, de filters raken steeds verstopt enz.).

Faalfactoren en andere aspecten van warmte- en koude opslag zijn o.m.:

– er is onvoldoende (voor)onderzoek gedaan naar de bodemlagen (te weinig geïnvesteerd in onderzoek)

– opdrachtgevers denken, door de zucht naar energiebesparing en duurzame energie, te simpel over warmte- en koude opslag en willen aan onderzoek weinig uitgeven

– adviseurs zijn te positief over de mogelijkheden (bijvoorbeeld de laag voor warmte- of koudeopslag is te dun waardoor geen uitwijk naar diepere, wel geschikte lagen mogelijk is)

– adviseurs zijn te “vergeetachtig” als het om installatie- en onderhoudskosten gaat (het onderhoud van een warmte- en koude opslag -installatie is aanzienlijk duurder dan van een cv-ketel)

– installateurs zijn niet vakkundig genoeg.

– “soms is de warmte uit de wko slechts voldoende voor 20% van de benodigde warmte in de winter “.(Bibliotheek TU Delft); veel andere wko’s slagen er ook niet in ’s winters evenveel energie aan de bodem te onttrekken als er in de zomer aan toegevoerd wordt; het nuttig gebruik van warmte uit wko-installaties zal dus veel groter moeten zijn dan nu bij veel projecten is gerealiseerd, dan hoeft men ook geen warmte meer via koeltorens te laten verdwijnen” (ing. P.F. van Gent, 2011)

– “veel wko-installaties zijn niet goed omdat de infiltratietemperatuur in de winter te laag gekozen wordt; daardoor zijn er te weinig uren met een buitentemperatuur die laag genoeg is om koud water te laden” (ing. P.F. van Gent, 2011)

– “er wordt soms twee maal zoveel warmte aan de bodem onttrokken dan er wordt toegevoerd; er is dus meer warmte opgenomen dan geladen met als gevolg dat de bodem structureel wordt afgekoeld en het nuttig effect van het wko-systeem steeds verder vermindert” (voorbeeld van de zogenoemde onbalans bij een wko)

– een realistische berekening is dus pure noodzaak en het betekent dat het te verwarmen en te koelen gebouw er speciaal op moeten worden “ingericht” (in ieder geval meer isolatie, richting kaswoning of  passiefhuis wellicht)

– proefboringen blijven proefboringen

– uitvoerders hebben (nog steeds) niet genoeg ervaring; het lijkt soms alsof  het wiel steeds weer moet worden uitgevonden door de ingenieursbureaus; hoe moeten we een wko-installatie optimaal inrichten?

– een artikeltje uit Technisch Weekblad van 16 juni 2012: “Uit onderzoek van KWR Watercycle Research Institute blijkt dat ondiep grondwater (vaak verontreinigd door menselijke activiteiten) door warmte/koudeopslag (WKO) sneller op dieptes komt waar eerst alleen schoon water aanwezig was. Bovendien blijkt dat bodemprocessen gevoelig zijn voor de temperatuurseffecten van WKO. Bij proeven losten arseen en boor, die bij lage temperatuur binden aan het sediment, op bij een temperatuursstijging tot 25 graden Celsius, het toegestane maximum voor WKO-systemen. Dit proces is vermoedelijk omkeerbaar, maar enige voorzichtigheid lijkt toch geboden voor WKO nabij plekken voor drinkwaterproductie, iets wat nu regelmatig gebeurt. (JH)”.

De provincies kunnen aanvullende eisten gesteld hebben, bijvoorbeeld dat bij een open wko-systeem de te ontrekken hoeveelheid grondwater ten hoogste 10 m3 per uur mag zijn en dat de capaciteit een gesloten wko-systeem maximaal 70 kW mag bedragen. Er zijn gebieden aangegeven waar wel, misschien en geen wko-systeem mag worden opgesteld: resp. het groene, oranje en rode gebied (documentatie Provincie Drenthe).

Boringen ten behoeve van wko dienen te worden uitgevoerd conform de voorwaarden van BodemenergieNL.

Bron: www.joostdevree.nl

In nieuwbouw kan de warmtepomp als enige warmteopwekker worden geplaatst. Dit laatste op voorwaarde dat de woning voldoende en zorgvuldig is geïsoleerd.