Koelen met boorvelden: Goedkope en duurzame technologie als antwoord op de energiecrisis
- JarneDe Nies
Door actief en passief koelen te combineren kan de investeringskost van boorvelden drastisch verminderd worden. De hierbij bijkomende werkingskosten zijn beperkt en laten daardoor toe om over de volledige levensduur van het boorveld een kostenbesparing van 30% te bekomen. Dit is een doorbraak die de competiviteit van boorvelden ten opzichte van andere technologieën sterk vergroot en kan zo een cruciale rol spelen in de energietransitie en de evolutie naar een CO2-arme economie.
Boorvelden als duurzame koel- en verwarmingstechnologie
Boorvelden laten toe om warmte in de grond te injecteren of te onttrekken bij respectievelijk koelen en verwarmen. Indien er niet voldoende warmte onttrokken kan worden voor de warmtevraag van een gebouw, kan het boorveld gebruikt worden in combinatie met een warmtepomp. Dit laat toe om te verwarmen op een energie-efficiënte en goedkope manier. Bij koelen geldt eenzelfde verhaal: er kan direct warmte uit het gebouw geïnjecteerd worden in de bodem (passief koelen) of er kan gebruik gemaakt worden van een warmtepomp om extra koeling te voorzien (actief koelen).
Zowel actief als passief koelen met boorvelden zijn gekenmerkt door een relatief hoge kost, al is de oorzaak hiervan bij beide technologieën verschillend. Voor passief koelen dient het boorveld groter te zijn, wat zich vertaalt in meer boringen en dus een hogere investeringskost. Bij actief koelen is een kleiner boorveld voldoende, al lopen hier de elektriciteitskosten van de warmtepomp op. Daarom is het interessant om het beste van beide werelden te combineren: Een compact boorveld waar een warmtepomp de piekbelastingen kan opvangen door gericht actief te koelen indien nodig en passief te koelen indien mogelijk.
Significante kostenbesparing door gecombineerd actief en passief koelen
Deze masterscriptie onderzoekt of deze combinatie in de praktijk ook de verhoopte kostenbesparingen kan bekomen. Hiervoor is een nieuwe dimensioneringsmethode ontwikkeld die de optimale grootte van het boorveld bepaalt voor een specifieke warmte- en koudevraag van een gebouw. Deze methode gaat daarbij op zoek naar de meest geschikte tijdstippen om de warmtepomp in te zetten opdat de werkingskosten beperkt blijven, maar een compact boorveld volstaat voor de gevraagde belasting. Het finale resultaat is de ideale boorveldgrootte waarmee over de hele levensduur van het boorveld, verondersteld over 50 jaar, een minimale totale kost bereikt wordt.
De keuze tussen passief en actief koelen wordt gemaakt op basis van de temperatuur in het boorveld. Indien de vloeistof die door het boorveld gepompt wordt kouder is dan 16°C, kan er passief gekoeld worden. Indien deze waarde overschreden wordt, moet de vloeistof extra gekoeld worden opdat er steeds een voldoende temperatuurverschil tussen de vloeistof en het gebouw bewaard blijft. Dit is nodig om aan de koudevraag van het gebouw te voldoen. Op deze manier kan er op basis van de temperatuur voortdurend gewisseld worden tussen beide regimes met een tijdsresolutie van één uur.
Deze methodologie werd toegepast op verschillende case studies, met name voor een gebouwencomplex en een sporthal. De conclusies hieruit waren duidelijk: actief en passief koelen combineren kan leiden tot een kostenbesparing van 30%. Deze besparing is te wijten aan een significante verkleining van het boorveld en het inzetten van actief koelen op enkel de piekmomenten. Hierdoor wordt slechts een beperkt deel van de belasting actief gekoeld en blijven de werkingskosten beperkt.
Een efficiënte investering op vlak van CO2 emissies
Een belangrijke afweging die hierbij gemaakt dient te worden is de grotere CO2-uitstoot door het elektriciteitsgebruik van de warmtepomp. Om dit te kunnen kaderen, worden hiervoor de abatement cost bepaald. Deze kost geeft aan wat de prijs is om één ton CO2 te vermijden, wat toelaat om verschillende investeringen met elkaar te vergelijkingen. Deze waarde kan ook worden afgetoetst met de prijs van de emissierechten in de EU. Deze berekening en vergelijking geeft aan dat de abatement cost een factor 100 hoger ligt dan de referentieprijs. Dit rechtvaardigt de (beperkte) bijkomende uitstoot en toont dat investeren in boorvelden met gecombineerd actief en passief koelen een efficiënte investering is.
Bibliografie
[1] IEA. Emissions by sector, 2019. [2] Felix Robert and Louis Gosselin. New methodology to design ground coupled heat pump systems based on total cost minimization. Applied thermal engineering, 62(2):481–491, 2014. [3] Wouter Peere. Methode voor economische optimalisatie van geothermische verwarmings- en koelsystemen. Thesis, Leuven : KU Leuven. Faculteit Ingenieurswetenschappen, 2020. Diss. Master. [4] Thibaut Abergel. Is cooling the future of heating?, 2020. [5] Kyle. The heat pump alternative, 2014. [6] Lieve Helsen. Thermal systems course slides. University course slides : Master Energy, 2021. [7] Tomasz Sliwa, T. Nowosiad, Oleg Vytyaz, and A. Sapinska-Sliwa. Study on the efficiency of deep borehole heat exchangers. SOCAR Proceedings, pages 29–42, 06 2016. [8] Clara Verhelst. Model predictive control of ground coupled heat pump systems in office buildings. Thesis, Leuven : K.U.Leuven. Faculteit Ingenieurswetenschappen, 2012. Diss. doct. [9] Bjaren W. Olesen, Dusan Petras, and Jan Babiak. Low temperature heating and high temperature cooling. Milano : Rehva, 2006. [10] Ongun Kazanci. Low Temperature Heating and High Temperature Cooling in Buildings. PhD thesis, University of Denmark, 09 2016. [11] Qi Lu, Guillermo A. Narsilio, Gregorius Riyan Aditya, and Ian W. Johnston. Economic analysis of vertical ground source heat pump systems in melbourne. Energy (Oxford), 125:107–117, 2017. [12] Ursula Eicker and Christoph Vorschulze. Potential of geothermal heat exchangers for office building climatisation. Renewable energy, 34(4):1126–1133, 2009.[13] Per Eskilson. Thermal analysis of heat extraction boreholes. Thesis, University of Lund, Sweden, 1978. [14] Michel Bernier. Borefield sizing: Theory and applications. Slideshow, 2015. [15] Fleur Loveridge and William Powrie. Temperature response functions (gfunctions) for single pile heat exchangers. Energy (Oxford), 57:554–564, 2013. [16] Mohammadamin Ahmadfard. A Comprehensive Review of Vertical Ground Heat Exchangers Sizing Models with Suggested Improvements. Thesis, ecole Polytechnique de Montreal, 2018. [17] Kumudu Janani Gamage. Numerical methodology for feasibility analysis of ground source heat pumps. Thesis, Middle east Technical University Northern Cyprus, 2014. [18] Johan Claesson and Saqib Javed. Explicit multipole formulas for calculating thermal resistance of single u-tube ground heat exchangers. Energies, 11(1):214, 2018. [19] Wouter Peere, Damien Picard, Iago Cupeiro Figueroa, Wim Boydens, and Lieve Helsen. Validated combined first and last year borefield sizing methodology. In Proceedings of Building Simulation 2021: 17th Conference of IBPSA, volume 17 of Building Simulation, Bruges, Belgium, September 2021. IBPSA. [20] Patricia Monzo, Michel Bernier, Jose Acuña, and Palne Mogensen. A monthly based bore field sizing methodology with applications to optimum borehole spacing. ASHRAE Transactions, 122(1):111–126, 2016. [21] Mohammadamin Ahmadfard and Michel Bernier. Modifications to ashrae’s sizing method for vertical ground heat exchangers. Science & technology for the built environment, 24(7):803–817, 2018. [22] Michel A. Bernier. Closed-loop ground-coupled heat pump systems. ASHRAE journal, 48(9):12–24, 2006. [23] Marco Fossa and Davide Rolando. Improving the ashrae method for vertical geothermal borefield design. Energy and buildings, 93:315–323, 2015. [24] Johan Claesson and Saqib Javed. A load-aggregation method to calculate extraction temperatures of borehole heat exchangers. ASHRAE Transactions, 118(1):530–539, 2012. [25] Michel A. Bernier, Patrice Pinel, Richard Labib, and Raphael Paillot. A multiple load aggregation algorithm for annual hourly simulations of gchp systems. HVAC&R research, 10(4):471–487, 2004. [26] Xiaobing Lui. Development and experimental validation of simulation of hydronic snow melting systems for bridges. Thesis, Tongji, 2005.[27] Denis Marcotte and Philippe Pasquier. Fast fluid and ground temperature computation for geothermal ground-loop heat exchanger systems. Geothermics, 37(6):651–665, 2008. International. [28] Thermal Systems Simulation. Ideas v3.0.0, 2022. [29] Data received from personal correspondence with boydens engineering. [30] Jonas Mockus. Bayesian approach to global optimization : theory and applications. Dordrecht : Kluwer, 1989. [31] Logan Grado, Johnson Matthew, and Netoff Theoden. Bayesian adaptive dual control of deep brain stimulation in a computational model of parkinsons disease. PLOS Computational Biology, 14:e1006606, 2018. [32] Charles Breque. The intuitions behind bayesian optimization with gaussian processes. [33] M D McKay, R J Beckman, and W J Conover. Comparison the three methods for selecting values of input variable in the analysis of output from a computer code. Technometrics; (United States), 21:2, 5 1979. [34] Scikit-Optimize. skopt.gp-minimize. [35] Carl Edward Rasmussen and Christopher K. I. Williams. Gaussian processes for machine learning. Cambridge (Mass.) : MIT press, 2006. [36] Eurostat. Hicp - annual data (average index and rate of change). [37] Nowtricity. Co2 emissions per kwh in belgium, 2021. [38] IEA. Tracking the decoupling of electricity demand and associated co2 emissions, 2019. [39] Kenneth Gillingham and James H. Stock. The cost of reducing greenhouse gas emissions. The Journal of economic perspectives, 32(4):53–72, 2018. [40] Trading Economics. Eu carbon permits, 2022. [41] L Francois, Van Den Bossche P, and G Van Lysebetten. Ondiepe geothermie. ontwerp en uitvoering van bodemenergiesystemen met u-vormige bodemwarmtewisselaars. [42] Eurostat. Electricity prices for non-household consumers - bi-annual data (from 2007 onwards). [43] Fujiao Tang and Hossein Nowamooz. Factors influencing the performance of shallow borehole heat exchanger. Energy conversion and management, 181:571– 583, 2019.[44] Lazaros Aresti, Paul Christodoulides, and Georgios A. Florides. An investigation on the environmental impact of various ground heat exchangers configurations. Renewable energy, 171:592–605, 2021. [45] Ke Zhu, Liang Fang, Nairen Diao, and Zhaohong Fang. Potential underground environmental risk caused by gshp systems. Procedia Engineering, 205:1477–1483, 2017. [46] Y Wu. The research on environmental problems and key technologies of shallow geothermal energy. PhD thesis, China University of Geosciences, 2014.
