Van 1 februari 2020 tot 1 juli 2024 is voor het TKI-Urban Energy onderzoeksproject OPTIGBES de temperatuurontwikkeling van de ondergrond in en rond Gesloten Bodemenergiesystemen (GBES) in kaart gebracht. Dit heeft geresulteerd in het eindrapport ‘OPTIGBES Optimalisatie van gesloten bodemenergiesystemen’. We spraken hierover met een van de auteurs van het rapport: Henk Witte van Groenholland Geo-energiesystemen, en tevens voorzitter van de Opleidingscoördinatoren en docent bij Branchevereniging Bodemenergie.
Witte: “Het belangrijkste is dat we nu gegevens over energie en vloeistoftemperatuur in de bodemwarmtewisselaar hebben, met daarbij metingen aan temperatuur in de bodem over het hele verticale traject en op verschillende afstanden van de bodemwarmtewisselaar, met hoge meetfrequentie én over een langere periode van meerdere jaren. De gedetailleerde data uit dit project helpt ons de huidige ontwerpmethoden voor GBES en rekenmodellen voor het bepalen van mogelijke negatieve interferentie te toetsen. Daarnaast kunnen we nu beter bepalen hoe we richtlijnen, zoals voor het bepalen van energievraagpatronen en bodemeigenschappen, in een ontwerp uitwerken. De bevindingen van OPTIGBES zijn cruciaal om de goede werking van GBES te waarborgen, zeker nu we een snelle toename zien van het aantal bodemenergiesystemen in Nederland.”
Voor wie zijn de resultaten van het onderzoek met name van belang?
“In Nederland is het verplicht dat het ontwerpen van bodemenergiesystemen door gecertificeerde ontwerpers wordt uitgevoerd. Maar een gecertificeerd ontwerp alleen biedt niet automatisch de garantie dat het bodemenergiesysteem ook optimaal zal functioneren. Er kunnen bijvoorbeeld problemen ontstaan wanneer er meerdere systemen in dezelfde omgeving actief zijn omdat dan thermische interferentie tussen de systemen op kan treden. Hoewel de sector in de afgelopen veertig jaar geavanceerde rekenmethoden voor dergelijke situaties heeft ontwikkeld, zijn die methoden maar beperkt in de praktijk getoetst. De metingen die hiervoor nodig zijn, zijn ingewikkeld en kosten veel tijd.
Daarbij worden er in een ontwerp diverse uitgangspunten voor thermische bodemeigenschappen en voor de energievraag gehanteerd die vaak conservatief worden ingeschat. Dat kan tot onnodige overdimensionering leiden en tot het beperken van nieuwe systemen in de omgeving. Met het OPTIGBES-project worden de verschillende rekenmethoden en de gebruikte uitgangspunten geëvalueerd en wordt er bekeken of de protocollen voor het ontwerp moeten worden aangepast. Zo kunnen gecertificeerde ontwerpers, met behulp van getoetste rekenmethodes en protocollen, bodemgekoppelde warmtepompsystemen zo optimaal mogelijk ontwerpen. Uiteindelijk profiteert de eindgebruiker hiervan met lagere energiekosten.”
Hoe hebben jullie dit onderzoek aangepakt?
“Allereerst hebben we samen met projectpartner Nathan Projects een selectie van in aanmerking komende projecten gemaakt. Daaruit is een appartementencomplex met 45 woningen in Hoogezand gekozen. Elk appartement heeft een eigen warmtepomp en een eigen bodemwarmtewisselaar, wat deze locatie bijzonder geschikt maakt voor dit onderzoek.
We hebben het gedrag van het systeem zeer gedetailleerd gemonitord door ondergrondse temperatuurmetingen uit te voeren via Distributed Temperature Sensing (DTS) met behulp van glasvezelkabels in drie bodemwarmtewisselaars. Daarnaast zijn extra boringen gedaan om temperatuurveranderingen op enige afstand van de bodemwarmtewisselaar te meten. Daardoor konden we het gedrag van de bodemwarmtewisselaar in vier dimensies in ruimte en tijd volgen. Daarbij werden energiestromen en het gedrag van de warmtepompen in drie appartementen gemonitord via een monitoringsysteem met energie-, volumestroom en temperatuurmetingen. De metingen zijn uitgevoerd tussen 1 februari 2020 en 1 juli 2024.”
Hoe adequaat zijn de huidige ontwerpmethoden en de bijbehorende rekenmodellen gebleken?
De huidige ontwerpmethoden en rekenmodellen voor bodemwarmtewisselaars, zoals EED en ITGBES-PRO, functioneren volgens Witte goed. Er zijn wel enkele belangrijke aandachtspunten. Hij vertelt: “Ontwerpwaarden voor energieverbruik en piekvermogen liggen vaak hoger dan wat er in de praktijk wordt gemeten, wat zoals eerder aangegeven kan leiden tot overdimensionering van systemen. Daarnaast varieert de energievraag voor verwarming en koeling sterk per appartement, waarbij het gedrag van bewoners een grotere invloed heeft dan de isolatiewaarde van het gebouw. Ook blijken de piekvermogens lager dan verwacht, wat opnieuw wijst op overdimensionering. Dit betekent dat er meer capaciteit wordt geïnstalleerd dan nodig is, en dat is zonde.”
Wat zijn de belangrijkste parameters waarop zo’n ontwerp is gebaseerd?
“Het ontwerp van bodemwarmtewisselaars wordt sterk beïnvloed door variaties in de energievraag en thermische bodemparameters. Er moet rekening gehouden worden met variaties in gebruikersgedrag. De thermische eigenschappen van de bodem spelen ook een cruciale rol: we hebben in Hoogezand maar ook op andere locaties een veel hogere warmtegeleidingscoëfficiënt gemeten dan verwacht op basis van de bodemopbouw. Dat heeft natuurlijk effect op de ontwerplengte maar ook op interferentie: een hogere warmtegeleidingscoëfficiënt geeft meer interferentie.
Meerdere individuele systemen die in clusters worden aangelegd moeten rekening houden met de locatie van een warmtewisselaar in het veld. Voor een centrale warmtewisselaar kan er bijvoorbeeld meer lengte nodig zijn dan voor een warmtewisselaar aan de rand. In veel gevallen is het totale aantal boormeters dan alsnog minder dan er bij een collectief ontwerp nodig zou zijn. Bij collectieve systemen kan er in het ontwerp wel meer rekening gehouden worden met gelijktijdigheid en is het ontwerp minder gevoelig voor variatie in het verbruik van verschillende gebruikers. Het is hoe dan ook belangrijk om de aanbevolen afstanden tussen bodemwarmtewisselaars aan te houden, om een optimale prestatie en efficiëntie van het systeem te waarborgen.”
Hoe kunnen de resultaten van OPTIGBES bijdragen aan het succesvol verder uitrollen van bodemenergiesystemen in Nederland?
“De resultaten zijn zeer veelbelovend en kunnen worden ingezet voor de verdere uitrol van bodemenergiesystemen in Nederland. Want de gemeten bodemtemperaturen rond en tussen de gemonitorde bodemwarmtewisselaars kunnen goed worden verklaard met modellen die uitgaan van warmtegeleiding in de bodem. Zowel in het Feflow-model, dat rekening houdt met boorgatdeviaties, als in ITGBES-PRO, dat een analytische benadering gebruikt, bleken de resultaten binnen alle onzekerheden betrouwbaar. Dit bevestigt dat de huidige rekenmethoden en protocollen effectief zijn. Dat is belangrijk, zeker nu we de laatste jaren zien dat het uitrollen van bodemenergiesystemen een succes is en de aantallen de komende jaren in Nederland sterk zullen toenemen, aangezien bodemenergie een essentiële schakel is in het energiesysteem van de toekomst.
Daarbij is de verzamelde dataset ook voor verder onderzoek publiek beschikbaar, we hopen dat met meer onderzoek aan de dataset ook adviezen over monitoring, het inbedrijfstellen van de warmtepompen en optimalisatie van de warmtepomp-bedrijfsvoering mogelijk is.”
Conclusie
Doordat de metingen in temperatuurveranderingen op verschillende afstanden zijn bijgehouden, is er een gedetailleerd beeld ontstaan over temperatuurverandering in relatie tot afstand van de bodemwarmtewisselaars (gesloten bodemlussen). De nieuwe aanpak van het project OPTIGBES maakte het mogelijk om modellen van warmteoverdracht in de bodem, zoals gebruikt bij ontwerp en bij interferentie, beter te toetsen. Tot nu toe werd – ook in internationaal onderzoek – alleen in de bodemwarmtewisselaars zelf gemeten.
Ter afsluiting van het onderzoek is er een stakeholder bijeenkomst gehouden, om feedback te krijgen op de vraag of de resultaten aanleiding zijn voor het aanpassen van protocollen en richtlijnen. De conclusie uit de bijeenkomst was dat de huidige protocollen niet aangepast hoeven te worden, omdat deze goed functioneren. Wel is er vanuit de projectgroep brede steun voor het uitbreiden van de informatie in ISSO73 (ontwerp en uitvoering van verticale bodemwarmtewisselaars) om de benodigde thermische bodemeigenschappen voor een locatie en het dieptetraject te kunnen differentiëren.
Projectpartners OPTIGBES
In OPTIGBES hebben Deltares, Groenholland, Nathan Projects, SIKB, KWR en Bodemenergie Nederland de handen ineengeslagen om de temperatuurontwikkeling van de ondergrond in en rond Gesloten Bodemenergiesystemen (GBES) intensief te monitoren, samen met het energieverbruik van de desbetreffende woningen. Het onderzoek is mogelijk gemaakt door Topsector Energie, een subsidie van RVO en financiële steun van het Kennisplatform Bodemenergie.
Download hier het volledige eindrapport: OPTIGBES Optimalisatie van gesloten bodemenergiesystemen.