Het perfecte huwelijk tussen betonkernactivering en geothermie

Uit de resultaten blijkt duidelijk dat een combinatie van geothermie en betonkernactivering een even efficiënte als toekomstgerichte technologie kan zijn.

Beton heeft een behoorlijke capaciteit om tijdelijk warmte op te slaan. Zo kan het gebruik van thermische inertie de warmtebehoefte doen dalen en de vraag naar bijkomende koeling overbodig maken. Maar als het gebouw onvoldoende thermische capaciteit heeft of de opgeslagen energie ’s nachts onvoldoende kan afvoeren, kan de massa van het gebouw thermisch geactiveerd worden. Door in de kern van de betonnen vloer of wand watervoerende leidingen te integreren, kan de opgeslagen thermische energie versneld worden afgevoerd, waardoor het koelend vermogen van de massa vergroot. Dit wordt betonkernactivering (BKA) genoemd. 

Betonkernactivering werkt zelfregulerend. Naarmate het verschil tussen de ruimtetemperatuur en de temperatuur van het betonoppervlak groter wordt, neemt het vermogen toe om warmte op te nemen of af te geven. Tijdens het koelseizoen, als de aanvoertemperaturen hoog zijn, kunnen de voordelen van betonkernactivering groot zijn, zeker als er ‘free geocooling’ kan worden toegepast. Als om het gebouw te koelen alleen de circulatiepomp moet draaien en er water van de aardwarmtewisselaar kan worden gebruikt zonder een koelmachine te passeren, kan er een enorm hoge ratio van energie-efficiëntie (EER) worden behaald. Voor elke eenheid elektriciteit die gebruikt wordt, zijn er tien tot twintig eenheden warmte die kunnen worden verwijderd, afhankelijk van de specifieke situatie. 

Het cruciale belang van de COP van de warmte-pomp bij het winnen van aardwarmte en de thermische opslagcapaciteit van beton doen vermoeden dat betonkernactivering door middel van geothermie een duurzaam en toekomstgericht HVAC-systeem kan vormen. Door het grote warmte-wisselend oppervlak in vergelijking met radiatoren, volstaat een klein temperatuurverschil tussen het afgiftesysteem (de BKA) en de ruimte. Dit is gunstig voor het rendement van de warmtepomp.

De onderzoekers van SmartGeotherm voerden een beperkte studie uit omtrent de thermische opslag in verschillende omstandigheden. Zij kozen voor een gereduceerd model, waarin gefocust werd op de invloed van de warmteweerstanden (R) en warmte-capaciteiten (C) in het klimaat-zonelucht-wand-en-emissiesysteem. De beperkte parameterstudie pasten ze toe op een open kantoorruimte met één tussenliggende verdieping in een kantoortoren en met verschillende parameters – betonkernactivering versus radiotoren, lichte structuur versus betonnen structuur, met en zonder nachtkoeling. 

In Figuur 1 zien we het verschil in energieverbruik voor de verschillende alternatieven. Figuur 2 toont de jaarlijkse energiekost van de alternatieven. In januari en december ligt de brutoverwarmings-behoefte (inclusief afgifte- en regelverliezen) 8 % hoger voor een zware structuur, maar dit wordt ruimschoots gecompenseerd in de lente (maart-mei) en herfst (september-oktober), waardoor zowel de energie voor verwarming als koeling wordt gereduceerd dankzij de betere buffering van warmtewinsten. Over het gehele jaar bekeken, wordt er dankzij de zware structuur 11.5 % minder energie verbruikt voor verwarming en 17.7 % minder energie voor koeling.

Er is nauwelijks verschil tussen kantoorgebouwen met lichte of zware wanden. Vloer en plafond zijn sowieso zwaar en bereikbaar, aangezien er betonkernactivering is toegepast. De thermisch geactiveerde bouwsystemen (TABS) maken dan ook de bulk van de warmtecapaciteit uit en de wanden spelen nog maar een kleine rol. Wél relevant is het verschil tussen een zware en een lichte structuur bij het gebruik van een snel afgiftesysteem. Met snelle afgiftesystemen levert een zware structuur een verschil in energiekost op van 16 % in vergelijking met een lichte structuur (100-84).

Aangezien de betonkernactivering zo wordt aangestuurd dat verwarmen en koelen op dezelfde dag wordt tegengegaan en de massa van het beton zoveel mogelijk passief werkzaam is, zien we het verschil in de tussenseizoenen teruglopen. In het koelseizoen presteren de TABS 10 % beter dan de snelle koelsystemen in een lichte structuur, maar wel nog 10 % slechter in vergelijking met zware gebouwen waar de thermische massa op een passieve wijze kan worden gebruikt. 

In de zomer is de warmtecapaciteit van zowel een licht als een zwaar gebouw volledig benut en opgeladen. Nachtventilatie moet ervoor zorgen dat de structuur zijn warmte kwijt kan aan de koudere lucht, zodat de vrijgekomen buffercapaciteit vanaf ’s morgens opnieuw kan worden ingezet. Bij lichte structuren zal de temperatuur ’s nachts vrij snel dalen. Het is zelfs zaak om ervoor te zorgen dat het kwik ‘s nachts niet onder de comforttemperatuur daalt, waardoor er ‘s morgens opnieuw verwarmd moet worden. Bij een zware structuur is er veel warmte-capaciteit beschikbaar en zal de temperatuur-daling ’s nachts langzamer verlopen. Hierdoor kan de nachtventilatie wel heel de nacht door-lopen en veel meer warmte uit de structuur verwijderen. Overdag is er dan ook weer meer buffercapaciteit ter beschikking om warmte-winsten op te vangen. Bestuderen we het effect van nachtventilatie op lichte structuren en zware structuren, telkens uitgerust met BKA, dan zien we een lichte stijging van 2 % voor de verwarmingsbehoefte, maar een daling van respectievelijk 42 en 44 % voor de koelbehoefte.

De casestudy, die we hier beknopt hebben weergeven, toont aan dat een zware structuur bij snelle afgiftesystemen een verschil van 16 % in energiekost oplevert ten opzichte van een lichte structuur. 

Nachtventilatie doet de koelkost bij lichte structuren met 23 % dalen. Bij zware structuren daalt deze kost met 47 %. Nog belangrijker is dat de energiekost door de toepassing van betonkernactivering tot 61 % daalt in vergelijking met snelle systemen. Er is in dat geval nagenoeg geen verschil meer tussen lichte en zware structuren. Door het gebruik van geactiveerde bouwdelen is er voldoende thermische buffer aanwezig in de betonnen vloeren. 

Over het algemeen kunnen we uit de casestudy van SmartGeotherm concluderen dat betonkernactivering – mits correct toegepast en gecombineerd met geothermie – een bijzonder efficiënte technologie kan zijn die de energiekost door drie deelt. Het biedt ook een grote buffercapaciteit, waardoor de flexibiliteit van de warmte- of koelproductie toeneemt.

De volledige studie is terug te vinden op www.febe.be.