Warmte- en Koude Opslag (WKO)

Seizoensgebonden thermische energie opslag

Warmte- en Koude Opslag of WKO, is een vorm van bodemenergie waarbij in de zomer koel water beschikbaar is voor woning, gebouw- en/of proceskoeling en in de winter warm water voor woning(en), gebouw- en / of procesverwarming.

Een WKO systeem slaat in de zomer de afgevoerde warmte uit een woning, gebouw en / of proces op voor gebruik tijdens de koudere maanden van het jaar. In de winter onttrekt een WKO systeem warmte uit de waterbuffer die in de zomer is aangelegd. Bij deze ontrekking van warmte aan het water ontstaat (extra) koud water. Dit extra koude water wordt in de bodem geinfiltreerd om in de zomer te kunnen worden ingezet voor woning, gebouw- en / of proceskoeling. Zo is de cirkel weer rond.

Voor woningen, gebouwen maar ook voor processen biedt bodemenergie dus de luxe om naast verwarming ook te koelen (gelijk aan airconditioning).

Open WKO-systemen

Er zijn zowel open- als gesloten WKO systemen.

Aan de basis van een open WKO-systeem liggen één of meerdere koude en warme bronnen. Om deze bronnen te realiseren worden één (mono-bron) of twee boringen (doublet-bron) uitgevoerd tot in de juiste watervoerende bodemlaag. Een leidingstelsel verbindt de bronnen met elkaar. Zo kan het grondwater van de ene bron naar de andere worden gepompt. De warmtewisselaar halverwege het leidingstelsel haalt energie uit het langsstromende grondwater. Deze energie wordt in de vorm van warmte of koude afgegeven aan het woning(en) en / of gebouw(en) en / of processen.

Open WKO systemen maken dus direct gebruik van het grondwater door dit op te pompen en na afkoeling of verwarming terug in de bodem te infiltreren. Dit in tegenstelling tot gesloten WKO systemen die wel één of meerdere toegangen tot de grondwatervoerende laag in de bodem creeren maar er geen direct gebruik van maken. 

Open WKO-systemen zijn over het algemeen grotere systemen met meer vermogen dan gesloten WKO-systemen, waardoor toepassing vooral bij een grotere warmte- én koudevraag plaatsvindt. Zoals bij instellingen als ziekenhuizen, meerdere woningen (wijken) en grotere kantoorgebouwen.

• Gemiddeld liggen open WKO-systemen op een diepte van 20 – 120 meter.
• De minimale afstand tussen de infiltratie- en de onttrekkingsbron ligt veelal in de orde van 50-100 meter.
• Het volume wat door een WKO systeem wordt gepompt, ook wel debiet genoemd, bedraagt veelal tussen de 50 tot 100 m3 / uur. Bij zeer grote gebouwen / toepassingen wel 250 m3 / uur.
• Voor woningen zijn veel kleinere debieten voldoende, minder dan 10 m3/uur.

Er zijn drie varianten bij open WKO-systemen:

• Een systeem met een horizontaal gescheiden warme- en koudebron (doublet)
• Een systeem met een verticaal gescheiden warme- en koudebron (monobron).
• Het open-bron of recirculatie systeem. Deze laatste wordt hier (DGEM) apart behandeld.

Gesloten WKO-systemen

Gesloten WKO-systemen zijn veelal relatief kleine systemen en worden vooral toegepast voor woningen, en in toenemende mate ook bij de kleine kantoren.

Hieronder staan de belangrijkste verschillen tussen open en gesloten WKO-systemen weergegeven.

De voordelen van een WKO systeem

• Met een WKO systeem wordt het milieu ontlast. WKO is een vorm van duurzame energieopslag. Bronnen slaan de reeds aanwezige cq duurzaam gegenereerde energie op. Verbranding van aardgas of aardolie is dus nauwelijks meer aan de orde. Zo draagt u met een WKO systeem bij aan de reductie van de belangrijkste broeikassen (waaronder SO2 en CO2) en andere luchtverontreinigende gassen (waaronder NOx).
• Een WKO systeem bespaart energiekosten. Door de energiezuinige werking van het systeem, kan tot 80% op gas- en/of elektriciteitsverbruik bespaard worden. Indien meerdere partijen op een grootschalig WKO-systeem worden aangesloten, leidt dit in de meeste gevallen tot een grotere stijging van het rendement en een daling van de kosten per deelnemer.
• Het gebouw of de woning krijgt een beter energielabel. Door toepassing van WKO daalt de energieprestatiecoëfficiënt (EPC). Gebouwen en in toenemende mate ook woningen met een duurzaam energielabel hebben een hogere marktwaarde.
• WKO systemen bieden meer ruimte en comfort. WKO wordt veelal gecombineerd met een laagtemperatuur-afgiftesysteem (bijvoorbeeld vloer- of luchtverwarming). Dit systeem is comfortabeler dan een hoogtemperatuur-afgiftesysteem dat meestal bestaat uit radiatoren. Een WKO systeem draagt dus bij aan een aangenaam woon- of werkklimaat zonder tocht en grote temperatuurverschillen. Bovendien kunt u de ruimte van uw gebouw beter benutten. Bij toepassing van laagtemperatuurverwarming zijn radiatoren namelijk overbodig.

Aquifer

De opslag van warm- en koud grondwater vindt plaats in een watervoerende laag in de bodem. Zo'n watervoerende laag wordt een aquifer, letterlijk waterbodem, genoemd.

Onbalans

Mocht er sprake zijn van een onbalans in het systeem. Er wordt teveel warmte of koude af- of toegevoerd zijn er mogelijkheden om het grondwatersysteem opnieuw in te regelen. Hiervoor zijn zogeheten grondwatersysteem regeneratieoplossingen beschikbaar.

Behoefte aan warm tap en / of proceswater in de zomer

Er is in de regel ook vraag naar warm tap- en / of proceswater in de zomer. Een WKO kan in principe alleen aan een warmte- of koudevraag voldoen en zal hiertoe dus moeten worden gecombineerd danwel aangevuld met andere systemen.  

Bij WKO systemen wordt energie opgeslagen en / of gewonnen tussen de 0 meter en circa 300 meter onder het maaiveld. De toepassingstemperatuur van WKO systemen fluctueert tussen de 5° en 30 graden Celcius.

Figuur 1 en 2: principe recirculatiesysteem in zomer- en wintersituatie.

Warme koudebron

Ook dit systeem maakt gebruik van twee bronnen, een zogenaamd doublet. ’s Winters wordt grondwater uit de warme bron onttrokken, waarna het de warmte afgeeft aan de warmtewisselaar. Het afgekoelde grondwater (rond 7 °C) wordt vervolgens geïnfiltreerd in de koude bron. ’s Zomers draait dit proces en de stromingsrichting van het grondwater om. Grondwater uit de koude bron wordt dan gebruikt voor koeling, waarna het met een hogere temperatuur (rond 20 °C) weer in de warme bron wordt geïnfiltreerd.

Het komt erop neer dat winterkoude wordt opgeslagen voor gebruik in de zomer en zomerwarmte voor gebruik in de winter. In figuur 3 en 4 is het principe van het warmte koudebron systeem in zomer- en wintersituatie weergegeven.

Figuur 3 en 4: principe warme koudebron systeem in zomer- en wintersituatie

Doublet

Koude- en warmteopslagsystemen bestaan uit 1 of meerdere koude bronnen en 1 of meerdere warme bronnen. 1 warme en 1 koude bron samen noemen we een doublet. Kenmerkend aan een KWO-systeem is dat het grondwater in twee richtingen wordt gepompt

Door het laden van de koude bron onder de natuurlijke grondwatertemperatuur en de warme bron boven de natuurlijke grondwatertemperatuur kan bij een KWO-systeem de jaarlijkse hoeveelheid te verpompen grondwater beperkt worden.

Voordelen

Opslag van koude en warmte in de bodem.
Grotere vermogens bij dezelfde waterverplaatsing als een recirculatiesysteem.
Hogere C.O.P. van de warmtepomp door opslag van warmte in de warme bron waardoor de aanvoertemperatuur boven de natuurlijke grondwatertemperatuur ligt.

Nadelen

De installatie is complexer door de twee stromingrichtingen die benodigd zijn bij koude- en warmteopslag.
Hogere investeringskosten in vergelijking met een recirculatiesysteem (verdient zicht terug in grotere vermogens).

Monobron

Indien er op een projectlocatie gebrek is aan ruimte wordt er vaak gekeken naar het principe van een monobron. Dit principe bestaat uit 1 boorgat waarin beide bronfilters (warme/koude) zijn aangebracht. Bij KWO en Recirculatie worden aparte boorgaten voor de bronfilters aangebracht.

Het nadeel van een monobron is dat het maar een beperkte capaciteit heeft. Daarnaast moet de bodemopbouw toereikend zijn voor het plaatsen van twee bronfilters in hetzelfde watervoerende pakket.

Voordelen

Opslag van koude en warmte in de bodem.
Relatief goedkoop in vergelijking tot koude- en warmteopslag.  
Toepasbaar op Projecten met beperkte ruimte.

Nadelen

Maximale capaciteit van monobron is beperkt tot circa 40 m3/h.
Bodemopbouw is sterkt bepalend voor het toepassen van een monobron.

De werking van een monobron systeem is in feite vergelijkbaar met een warme koudebron systeem, maar dan in verticale richting. De warme en koude bron bevinden zich nu boven elkaar in het zelfde watervoerend pakket, in plaats van naast elkaar. In figuur 5 en 6 is het principe van het monobron systeem in zomer- en wintersituatie weergegeven.

Figuur 5 en 6: principe monobron systeem in zomer- en wintersituatie

YouTube filmpje van Cofely waarin warmte-koude opslag wordt uitgelegd:

YouTube filmpje van Hydreco (Brabant Water) waarin warmte-koude opslag wordt uitgelegd: