De bodem-lucht warmtewisselaar

Bart Marivoet
Ik kreeg van Ingenieursbureau Stockman uit Gent de opdracht uit te zoeken wat een bodem-lucht warmtewisselaar is en wat deze zoal kan betekenen op financieel gebied. Door het studiebureau deze bundeling van theoretische informatie te geven hebben zij nu een duidelijke theoretische achtergrond van dit systeem. Door deze achtergrond staan zij steviger in hun schoenen om bouwheren te overtuigen een bodem-lucht warmtewisselaar (EAHX) in hun ontwerp op te nemen. Daarbovenop worden zij geassisteerd door het berekeningsprogramma dat in het kader van deze thesis gemaakt werd.

De bodem-lucht warmtewisselaar

Ik kreeg van Ingenieursbureau Stockman uit Gent de opdracht uit te zoeken wat een bodem-lucht warmtewisselaar is en wat deze zoal kan betekenen op financieel gebied. Door het studiebureau deze bundeling van theoretische informatie te geven hebben zij nu een duidelijke theoretische achtergrond van dit systeem. Door deze achtergrond staan zij steviger in hun schoenen om bouwheren te overtuigen een bodem-lucht warmtewisselaar (EAHX) in hun ontwerp op te nemen. Daarbovenop worden zij geassisteerd door het berekeningsprogramma dat in het kader van deze thesis gemaakt werd. Dit programma wordt vanaf heden reeds door Ingenieursbureau Stockman gebruikt bij de keuze van de afmetingen van de EAHX.

Een earth-air heat exchanger is op zich niet meer dan één of meerdere buizen waardoor verse lucht aangezogen wordt om te gebruiken in het ventilatiesysteem van een gebouw. Deze buizen graaft men in in de bodem tussen 1m en 6m diepte. De hoge thermische inertie van de grond zorgt ervoor dat de thermische schommelingen aan het grondoppervlak gedempt worden hoe dieper men in de grond gaat.  Dit wil dus concreet zeggen dat de verse aangezogen lucht gekoeld wordt in de zomer en verwarmd in de winter.

De bodem-lucht warmtewisselaar is niets nieuw, het werd reeds vaak toegepast in zeer warme en koude klimaten. In landen waar de EAHX de lucht zowel verwarmt (winter) als koelt (zomer) laten de praktijktoepassingen echter op zich wachten. Dit is te wijten aan de onbekendheid en onzekerheid over het concept. Het doel van deze thesis is een duidelijk overzicht te geven van alle aspecten van een bodem-lucht warmtewisselaar.

De thesis begint met een beschrijving van de bodem-lucht warmtewisselaar door een analyse te maken van de factoren die invloed hebben op de werking ervan. Meer bepaald wordt de ondergrond beschreven met de thermische eigenschappen en processen die erin plaatshebben. Daarna volgt een bespreking over  de materialen van de leiding, de schikking en het ventilatiesysteem dat de lucht moet transporteren.

Na deze beschrijvende analyse volgt een theoretische afleiding die het mogelijk maakt een zo economisch mogelijke bodem-lucht warmtewisselaar te kiezen. Het resultaat van deze theoretische afleiding wordt in een MatLAB-programma gegoten om studiebureaus en architecten in staat te stellen om op een eenvoudige manier een bodem-lucht warmtewisselaar te dimensioneren. Om de raakvlakken met de realiteit niet uit het oog te verliezen werden er tevens meetcampagnes opgezet in twee recente luchtbehandelinginstallaties met een bodem-lucht warmtewisselaar in België.  Deze metingen dienen als een soort “test” voor de toepasbaarheid van het theoretische model in de praktijk.

Na een studie gemaakt te hebben van de bodem-lucht warmtewisselaar en alles wat erbij komt kijken kan ik over het algemeen stellen dat dit een goede tot zeer goede investering is voor kantoorgebouwen of andere gebouwen met een groot volume. Voor eengezinswoningen is er helaas geen gelijkaardig financieel voordeel aan een bodem-lucht warmtewisselaar verbonden. Dit komt mede door de hoge investeringskost dewelke voor het grootste deel uit grondwerk en materiaalkost van de buizen bestaat. De kost van de buizen met antibacteriële laag is zeer hoog tegenover buizen die deze laag niet hebben. Als men met normale PP-buizen werkt en in de luchtbehandelingskast een antibacteriële filter plaatst, wordt het financieel voordeliger. Niettegenstaande dat het financiële voordeel in beide toepassingen pas na een aantal jaar komt, mag men het niet-tastbare voordeel niet uit het oog verliezen. Zo brengt een EAHX vanaf de dag na de indiensttrede een ecologisch voordeel op, wat onze nakomelingen ons enkel in dank kunnen afnemen.

Aangezien een EAHX een redelijk grote investering impliceert, kan men onderzoeken of een gemeenschappelijke EAHX economisch meer haalbaar is. Men kan in deze gevallen de initiële kost van de EAHX delen over verschillende gebouwen zoals het ventilatiedebiet zich verhoudt. Bij geventileerde, niet verwarmde gebouwen (metro stations, parkeergarages, ...) kan een EAHX voor een iets kleine temperatuursverbetering zorgen, zonder dat het energie kost. Zo worden deze nu minder aangename omgevingen iets aangenamer ervaren. Voordeel is dat men hier toch al op grote dieptes moet werken voor de constructie, dus heeft de grondbuis geen groot bijkomend grondverzet nodig.

In het tweede deel van deze thesis wordt een berekeningstool ontwikkeld die, naar de gebruiker zijn randvoorwaarden, een zo efficiënt mogelijke grondbuis voorstelt. Bij de resultaten wordt eveneens een richtwaarde gegeven van de uitsparing op jaarbasis die de EAHX verwezenlijkt. Deze richtwaarde is sterk afhankelijk van  de bodemsoort, het freatisch oppervlak en de thermische diffusiviteit dewelke afhankelijk is van de combinatie van deze eigenschappen. Deze thermische diffusiviteit kan men door eenvoudige experimenten bepalen. Verder kan men onderzoeken wat de invloed op de prestaties van de EAHX is van een andere grondlaag tussen het grondoppervlak en de grondbuis. Gelijkaardig kan men onderzoeken wat een warmte-aantrekkend lichaam bovenop het grondoppervlak (zoals een asfalt) heeft op de temperatuurwinst of -verlies van een EAHX.

Dat de implementatie van grondbuizen in de realiteit nog wat op zich laat wachten, heeft meerdere oorzaken. Een eerste oorzaak is de onbekendheid van een EAHX bij de bouwheer, architect of het studiebureau. Als een van deze twee laatste wel op de hoogte is van dit systeem blijft het moeilijk de bouwheer te overtuigen om deze investering te maken. De mogelijkheid een richtwaarde te geven van energiebesparing per jaar is een mogelijk argument waarvoor in deze thesis een aanzet gegeven is. De vermelding en een korte uitleg van het systeem op de website van het Vlaams Energieagentschap zou een positieve impuls geven aan de toepassing in de praktijk van de grondbuis. Als een grondbuis een positieve impact zou kunnen betekenen op het E-peil, heeft de bouwheer weer een argument meer om tot de toepassing van een EAHX in zijn gebouw over te gaan. Dit is helaas niet realiseerbaar doordat men geen certificaat kan voorleggen met het rendement van de grondbuis. Als de overheid of het WTCB hiervoor een standaardprocedure zou voorleggen zou de toepassing van de grondbuis ook op deze manier aangemoedigd kunnen worden.

Algemeen zou ik aan elke bouwheer aanraden om de toepassing van een bodem-lucht warmtewisselaar in overweging te nemen omdat deze oplossing zowel baten aan de financiële als de ecologische kant teweeg brengt. Verder zou ik het Vlaams Energieagentschap kunnen aanmoedigen deze ecologische oplossing te regulariseren zodat meer gebouwen deze eenvoudige techniek toepassen.
 

Bibliografie

Abbringh, R.: 1989, Schadelijke emissies van gas in het milieu, Rijksuniversiteit
Groningen
Abu-Hamdeh, N. H.: 2003, Thermal Properties of Soils as affected by Density and
Water Content, Biosystems Engineering 86 (1), pagina 97U102
Azziz, A. and Kraus, A. D.: 2001, Extended Surface Heat Transfer, John Wiley and
Sons, ISBN 0471436631
Bejan, A. and Kraus, A. D.: 2003, Heat Transfer Handbook, Wiley-IEEE, ISBN
0471390151
BIM (Brussels Instituut voor milieubeheer): 2007, Praktische aanbeveling ENE22:
Installatie van een aardwarmtewisselaar, Infofiches eco-bouwen
Buol, S. W.: 2003, Soil Genesis and Classification, Blackwell Publishing, ISBN
0813828732
Çengel, Y.: 1998, Heat Transfer: A Practical Approach, McGraw-Hill, ISBN
0070115052
Computrols Inc.: 4/01/2008, A Building Automation Company,
http://www.computrols.com
Databank Ondergrond Vlaanderen: 21/04/2008, DOV JSP Viewer,
http://dov.vlaanderen.be/
De Paepe, M. and Janssens, A.: 2003, Thermo-hydraulic design of earth-air heat
exchangers, Energy and Buildings 35(4), pagina 389-397
de Vries, D.: 1963, Thermal Properties of Soils, North-Holland Publishing Company
de Vries, D.: 1975, Heat Transfer in Soils: Heat and Mass Transfer in the Biosphere,
Scripta Book Co.
Dittmann, H.-J.: 2004, Öl- und Gasfeuerung, Gentner Verlag, Überreicht durch:
Viessmann
Emis: 21/03/2008a, Conventionele verbrandingswaarden van petroleumproducten
(en gassen) volgens het Ministerie van Economische Zaken,
http://www.emis.vito.be
Emis: 21/03/2008b, Evolutie van de SO2- en NOx-emissies door gebouwenverwarming in Vlaanderen, http://www.emis.vito.be
Emis: 21/03/2008c, Verbrandingswaarden van gassen, http://www.emis.vito.be
Farouki, O. T.: 1986, Thermal Properties of Soils: Series on rock and soil mechanics,
Trans Tech Publications
FOD Economie: 14/04/2008a, Evolutie van de energieprijzen,
http://mineco.fgov.be/energy/energy_statistics
FOD Economie: 21/03/2008b, Officieel tarief van de aardolieproducten in EURO,
http://mineco.fgov.be/
FOD Economie: 21/03/2008c, Tarieven voor de openbare gasdistributie (in euro),
http://economie.fgov.be/
FrancisWMurray: 1967, On the Computation of Saturation Vapor Pressure, Journal
of Applied Meteorology 1967(6), pagina 203-204
Fränkische Rohrwerke GmbH: 28/12/2007, Ideales Wohnklima mit weniger Energiekosten:
Erdwärmetauscher Terra-Air-home, http://www.fraenkische.de
Garston and Watford: 1999, Early design guidance for law energy cooling technologies,
Technical Report Annex 28, 1999:2, (BRE) Building Research Establishment
& (IEA) International Energy Agancy: Energy Conservation in Buildings &
Community Systems Programme, Institute for Research in Construction
GEA Happel: 28/03/2008, GEA Air Treatment Division, http://www.geahappel.
be/
Hittel: 1982, Introduction to soil physics, Academic Press, ISBN 0123485207
Lascar Electronics: 2006, EL-USB-2 Manual, Issue 3
Marshall and Holmes: 1988, Soil Physics 2nd Edition, Cambridge University Press,
ISBN 0713133643
Matthieu Zuidema: 2006, Toenemende kantorenvraag tot 2015, Facillity - Tijdschrift
van het Economisch Instituut voor de Bouwnijverheid (EIB), jaargang 3,
nummer 11
NASA: National Aeronautics and Space Administration: 12/04/2008, Surface meteorology
and Solar Energy, http://eosweb.larc.nasa.gov
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration: 13/04/2008, Algorithms,
Comparisons and Source References, http://www.noaa.gov/
Nofziger and Wu: 2003, Soil temperature variations with time and depth, Technical
report, Oklahoma State University, Department of Plant and Soil Sciences
NRG Nuclear Research & Consultancy Group: 14/01/2008, Radon, radioactief
gas uit natuurlijke bron, http://www.nrg-nl.com
REHAU AG: 2006, AWADUKT Thermo Luft-Erdwärmetauschersystem für die kontrollierte
Lüftung, Lieferprogramm 342100
REHAU AG: 2007, AWADUKT Thermo Antimikrobiell Luft-Erdwärmetauschersystem für die kontrollierte Lüftung, PREISLISTE 342300/1 DE
REHAU AG: 2008, Bemessungssoftware AWADUKT Thermo, REHAU AG
Reynolds, O.: 1883, An experimental investigation of the circumstances which
determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the
law of resistance in parallel channels, Philosophical Transactions of the Royal
Society, pagina 935-982
Santamouris, M. and Asimakopoulos, D.: 1996, Passive Cooling of Buildings,
Earthscan, ISBN 1873936591
SGS Institut Fresenius: 14/01/2008, Laboranalytik, http://www.institut-fresenius.de
Smith, L. A. and Hinchee, R. E.: 1993, In Situ Thermal Technologies for Site Remediation,
CRC Press, ISBN 0873716043
Sole-Erdwärmetauscher: 31/03/2008, NETEC Energietechnik, http://www.soleewt.
de/
Synaeve, J.: 6/02/2008, Weerstion Gent-Dampoort,
www.jorissynaeve.net/weerstation
Uptime Technology: 3/01/2008, Continuïteit en Datacentertechniek: Koelen van
datacenters, http://www.uptimetechnology.nl
U.S. Department of Agriculture, Forest Service, F. P. L.: 1977, Thermal conductive
properties of wood, green or dry, from

Universiteit of Hogeschool
Industriële wetenschappen en technologie: Bouwkunde
Publicatiejaar
2008
Kernwoorden
Share this on: