Besparen op verwarming en koeling terwijl je het klimaat redt? Het kan!
Het is een heersende gedachte die stelt dat beslissingen die goed zijn voor je portemonnee, slecht zijn voor het milieu en andersom. Niets blijkt minder waar! Door de juiste technologieën te combineren, kan je namelijk 30% besparen in de kosten van verwarming en koeling én help je het klimaat erop vooruit.
Een korte geschiedenis
Sedert het begin der tijden heeft de mens warmte gewild. De oermens leerde het vuur beheersen om zich te verwarmen en later ontwikkelden de Romeinen als eerste het concept van een centrale verwarming. De manier waarop we verwarmen, is echter sterk veranderd. Daar waar onze verre voorouders sprokkelhout deden smeulen door vuurstenen, hebben wij vele mogelijkheden om ons te verwarmen: we kunnen zonnecollectoren gebruiken die ons warm water geven, we hebben gasketels, palletkachels, stookolieketels, warmtepompen etc.
In 1902 ontstond het idee van een airconditioning. Vanaf toen kon de mens in welk klimaat hij ook leefde, volledig zijn eigen comfort gaan bepalen, zolang als hij de rekening van de technologieën maar betaalde. De laatste jaren echter zijn gasketels en airco’s, die extra comfort bieden, in een slecht daglicht gekomen, omdat ze eigenlijk niet goed zijn voor het klimaat.
Een foute gedachte ontkracht
Een heersend idee is dat economie en duurzaamheid lijnrecht tegenover elkaar staan. Wie een wagen wil hebben die beter is voor het milieu, zal hiervoor ook meer moeten betalen. Wie zuiniger wil omspringen met elektriciteit, zal moeten investeren in duurdere ledverlichting. En wie duurzaam wil vliegen, zal toch een extra compensatie moeten betalen bij zijn vliegtickets.
Dit onderzoek is gestart vanuit die ogenschijnlijke tegenstelling: kunnen we op een duurzame manier onze gebouwen verwarmen en koelen, zonder dat we hiervoor meer moeten betalen of moeten inboeten aan comfort? Het antwoord is driedelig ja. Ja, we kunnen duurzamer verwarmen en koelen. Ja, we kunnen dit zonder in te boeten aan comfort. En ja, we kunnen dit goedkoper doen, soms zelfs tot 30% goedkoper.
Energie uit het rijk van Hades
Om dit doel te bereiken, hebben we geen complexe nieuwe technieken nodig. De essentie zit in het combineren van verschillende technologieën, ze te gebruiken op het juiste moment én door energie op te slaan over de seizoenen heen.
Door energie op te slaan, kunnen we namelijk vermijden dat we energie verspillen. Conceptueel is dit eenvoudig: in de winter hebben we koude op overschot en hebben we extra warmte nodig, maar in de zomer hebben we warmte op overschot en willen we net koude. Ideaal zou het dus zijn als we de koude vanuit de winter een half jaar kunnen opslaan om deze in de zomer te kunnen gebruiken als goedkope koeling en vice versa voor het opslaan van de warmte in de zomer. Op die manier zorgen we ervoor dat we minder bijkomend moeten verwarmen en koelen. Minder verbruiken: goed voor het klimaat dus!
De beste plaats om deze koude en warmte op te slaan, is onder de grond, op een diepte van 50 tot 150m om precies te zijn. Praktisch kunnen we dit door een hoop gaten in de grond te boren. We plaatsen een plastic leiding in het gat en gieten het gat vol met beton. Op die manier bekomen we een veld van geboorde gaten: een boorveld.
(bron: NRGeo Natural Resources, https://www.nrgeo.be/dimensionering-boorveld)
Bezint eer ge begint
Met een boorveld kunnen we heel eenvoudig energie opslaan. We kunnen namelijk warmte opslaan, door het warme water van in de zomer door de leidingen in de boorputten te sturen. Het water geeft zijn warmte af aan de bodem en komt gekoeld weer naar boven. Op die manier bereiken we twee doelen: 1) de bodem heeft een deel van de warmte opgeslagen en 2) we hebben koude uit de grond gehaald om ons gebouw te koelen. In de winter draaien we het om. We pompen nu koud water door de warme grond. Dit water warmt op en koelt tegelijk de grond weer af.
Hoewel dit conceptueel goed te begrijpen valt, moeten we wel opletten. We kunnen namelijk niet de grond te hard afkoelen of te sterk opwarmen, willen we het biologisch leven niet schaden. De temperatuur in de bodem moet altijd tussen de 0 en 16°C blijven. Als we dus meer energie willen opslaan, zit er niets anders op dan ofwel meer ofwel diepere boorputten te voorzien. Hier moet dus op voorhand over nagedacht worden, want een groter veld impliceert een grotere kost.
Bepalen hoe groot een boorveld moet zijn, is een theoretisch en technisch heel moeilijk probleem dat geanalyseerd werd in dit onderzoek. We willen namelijk omwille van de kosten het veld ook niet te groot maken. We zoeken dus een evenwicht tussen: de investeringskost van het boorveld en de kosten van andere installaties (zoals een airco, gasketel, zonnecollectoren voor warm water etc.).
Combineer en heers
De ontwikkelde methode werd getest op enkele concrete gebouwen. Daaruit bleek dat we om te verwarmen best gebruik maken van een boorveld, maar ook van een warmtepomp (die warmte uit de lucht haalt) en zonnecollectoren. In de tussenseizoenen was de zonnecollector het belangrijkst, omdat er dan meer zon is, maar in de wintermaanden werd er vooral op het boorveld teruggevallen. De warmtepomp werd ingezet om tijdelijke pieken op te vangen.
Bij koeling zien we ook een optimale combinatie tussen een airco en een boorveld. We gaan eigenlijk zoveel mogelijk koelen met het veld, maar in de warmste periodes van de zomer, hebben we een airco nodig, omdat we anders ons veld over zijn limieten laten gaan.
Verbouwen! Of niet?
Dus allemaal meteen naar de architect toe? Toch niet. Uit het onderzoek bleek dat er veel potentieel is, maar vooral in grotere projecten (woonwijken, winkelcentra, sportcomplexen) omdat de kost voor één enkel huis te groot is. Toch geeft dit onderzoek ons hoop voor de toekomst omdat het toont dat we weldegelijk kunnen besparen én duurzaam zijn. Omdat we allemaal meer en meer in steden, appartementen en wijken gaan wonen, is dit onderzoek dus een uitgangspunt voor toekomstige projecten. Want wie wil er nu niet het klimaat redden en geld besparen?
Bibliografie
[1] M. Alam, M. Zain, A. B. M Kaish, and Md Jamil. Underground soil and thermal conductivity materials based heat reduction for energy efficient building in tropical environment. Indoor and Built Environment, 24:185–200, 03 2015.
[2] M. Lanahan and Paulo Cesar Tabares-Velasco. Seasonal thermal-energy storage: A critical review on btes systems, modeling, and system design for higher system efficiency. Energies, 10, 06 2017.
[3] NRGeo Natural Resources. Dimensionering boorveld. "https://www.nrgeo.be/dimensionering-boorveld?lightbox=dataItem-ijzsxlwf". bezocht op 11-05-2020.
[4] Tomislav Kurevija, Marija Macenic, and Kristina Strpic. Steady-state heat rejection rates for a coaxial borehole heat exchanger during passive and active cooling determined with the novel step thermal response test method. Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik, 33:61–71, 02 2018.
[5] Coefficient of performance – cop – refrigerator, air conditioner. "https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/thermodynamics/thermodynamic-cycles/heating-and-air-conditioning/coefficientof-performance-cop-refrigerator-air-conditioner/". Bezocht op 04-12-2019.
[6] Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Margaret B. Bailey, and Daisie D. Boettner. Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 8E International Student Version. John Wiley & Sons, jan 2015.
[7] J.M.K.C. Donev et al. Energy education - solar collector [online]. "https://energyeducation.ca/encyclopedia/Solar_collector", 2018. Bezocht op 04-12-2019.
[8] ICS Cool Energy. De werking van een dry cooler. "https://www.icscoolenergy.com/nl/drycooler-werking/". bezocht op 11-05-2020.
[9] Baltimore Aircoil Company. Vfl-242-hx technische fiche. "https://www.baltimoreaircoil.eu/en/products/VFL". bezocht op 11-05-2020.
[10] J. Berghmans and L. Helsen. Koelmachines. VTK cudi, 2011.
[11] L. Helsen. Thermal systems (B-KUL-H0S10a), KU Leuven. Lecture slides (2019).
[12] Eed version 4 - earth energy designer. "https://www.buildingphysics.com/manuals/EED4.pdf". bezocht op 17-11-2019.
[13] M. Ahmadfard. A Comprehensive Review of Vertical Ground Heat Exchangers Sizing Models With Suggested Improvements. PhD thesis, École Polytechnique de Montréal, Canada, 2018.
[14] Mohammadamin Ahmadfard and Michel Bernier. A review of vertical ground heat exchanger sizing tools including an inter-model comparison. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 110:247 – 265, 2019.
[15] Modelica language. "https://www.modelica.org/modelicalanguage". bezocht op 11-02-2020.
[16] Alex Laferrière, Massimo Cimmino, Damien Picard, and Lieve Helsen. Development and validation of a full-time-scale semi-analytical model for the short- and long-term simulation of vertical geothermal bore fields. Geothermics, 86:101788, 2020.
[17] Filip Jorissen, Glenn Reynders, Ruben Baetens, Damien Picard, Dirk Saelens, and Lieve Helsen. Implementation and Verification of the IDEAS Building Energy Simulation Library. Journal of Building Performance Simulation, 11:669–688, 2018.
[18] Jonas Cleiren. Optimal integration of geothermal energy with ates and btes. "https://register.gotowebinar.com/recording/6769192117434348033". Technical weblecture, Hysopt, 24/10/2019.
[19] 12 - hybrid ground-source heat pump systems. In Simon J. Rees, editor, Advances in Ground-Source Heat Pump Systems, pages 331 – 357. Woodhead Publishing, 2016.
[20] Leland Blank and Anthony Tarquin. Engineering economy. Mcgraw-Hill Education, Europe, feb 2017.
[21] Damien Picard and Lieve Helsen. Modeling, Optimal Control and HVAC Design of Large Buildings using Ground Source Heat Pump Systems. PhD thesis, KU Leuven, België, 2017.
[22] Mohammadamin Ahmadfard and Michel Bernier. Modifications to ashrae’s sizing method for vertical ground heat exchangers. Science and Technology for the Built Environment, 24(7):803–817, 2018.
[23] M.A. Rosen and S. Koohi-Fayegh. Geothermal Energy: Sustainable Heating and Cooling Using the Ground. Wiley, 2017. Pagina 87-88.
[24] Seama Koohi-Fayegh Marc A Rosen. Geothermal energy: sustainable heating and cooling using the ground. John Wiley & Sons, 2017.
[25] Damien Picard. A new hybrid model for borefield heat exchangers performance evaluation. In ASHRAE: Ground Source Heat Pumps: State of the Art Design, Performance and Research, volume 120 (2), 06 2014.
[26] Fleur Loveridge and William Powrie. Temperature response functions (gfunctions) for single pile heat exchangers. Energy, 57:554–564, 08 2013.
[27] Michel Bernier. Bore field sizing: Theory and applications. "https://www.kth.se/polopoly_fs/1.574104.1550154719!/Bernier_KTH_final_for_web.pdf", 2015. bezocht op 11-02-2020.
[28] Saqib Javed. An analytical method to calculate borehole fluid temperatures for time-scales from minutes to decades. ASHRAE Transactions, 117:279–288, 01 2011.
[29] Johan Claesson and Saqib Javed. Explicit multipole formulas for calculating thermal resistance of single u-tube ground heat exchangers. Energies, 11:214, 01 2018.
[30] Kumudu Gamage. Numerical Methodology For Feasibility Analysis Of Ground Source Heat Pumps. PhD thesis, METU, Northern Cyprus Campus, 2014.
[31] Massimo Cimmino. Semi-analytical method for g-function calculation of bore fields with series- and parallel-connected boreholes. Science and Technology for the Built Environment, 25(8):1007–1022, 2019.
[32] Massimo Cimmino. Pygfunction. "https://pygfunction.readthedocs.io/en/latest/index.html". bezocht op 11-02-2020.
[33] Damien Picard. Persoonlijke emailconversatie op 26-02-2020.
[34] Patricia Monzó Cárcel, Michel Bernier, José Acuña, and Palne Mogensen. A monthly based bore field sizing methodology with applications to optimum borehole spacing. ASHRAE Transactions, 122, 01 2016.
[35] Duncan Pritchard. What is this thing called knowledge? Routledge, 2018.
[36] Robert J Vanderbei et al. Linear programming. Springer, 2015.
[37] J. C. Nash. The (Dantzig) simplex method for linear programming. Computing in Science Engineering, 2(1):29–31, 2000.
[38] John Forrest, John Forrest, Ted Ralphs, and Haroldo Gambini Santos et al.
Coin-or branch-and-cut solver. https://github.com/coin-or/Cbc, 2020.
[39] Stuart Mitchell, Stuart Mitchell Consulting, and Iain Dunning. Pulp: A linear programming toolkit for python, 2011.
[40] Dian Yang. Solution Theory for Systems of Bilinear Equations. PhD thesis, College of William & Mary, USA, 04 2011.
[41] LLC Gurobi Optimization. Gurobi optimizer reference manual, 2020.
[42] Ebrahim Nasrabadi James Orlin. Transformations in integer programming. https://ocw.mit.edu/courses/sloan-school-of-management/
15-053-optimization-methods-in-management-science-spring-2013/tutorials/MIT15_053S13_tut09.pdf, 2013. bezocht op 17-05-2020.
[43] Paul A. Rubin. Perils of ’big m’. https://orinanobworld.blogspot.com/2011/07/perils-of-big-m.html, 07 2011. bezocht op 17-05-2020.
[44] Marten D. Vergaert V., Parys W. Studie naar kostenoptimale niveaus van de minimumeisen inzake energieprestaties van niet-residentiële gebouwen. Technical Report for Vlaamse Energieagentschap: Geel, Belgium, 2015.
[45] Het Koninklijk Meteorologisch Instituut van België. Klimatologische overzichten van 2019. https://www.meteo.be/nl/klimaat/klimatologisch-overzicht/ 2019/januari. bezocht op 17-05-2020.
[46] Anita Sant’Anna and Robert Bass. A new two-degree-of-freedom space heating model for demand response. In SMARTGREENS 2014 - Proceedings of the 3rd International Conference on Smart Grids and Green IT Systems, 04 2014.
[47] Y. Tripanagnostopoulos. 3.08 - photovoltaic/thermal solar collectors. In Ali Sayigh, editor, Comprehensive Renewable Energy, pages 255 – 300. Elsevier, Oxford, 2012.
[48] Het Koninklijk Meteorologisch Instituut van België. Tendenzen waargenomen te ukkel. https://www.meteo.be/nl/klimaat/waargenomen-klimatologischetrends/ te-ukkel/zonnestraling/zonneschijnduur. bezocht op 17-05-2020.
