ArticlePDF Available

Verwarming en koeling zonder warmtepomp met WKO-triplet

Authors:
  • Delft University of Technology & KWR Water research institute

Abstract

Bodemenergiesystemen worden veelvuldig toegepast om energie te besparen. De warmtepomp van zulke systemen gebruikt echter nog altijd veel elektriciteit, waardoor voor grootschalige toepassing ook grootschalige netverzwaring nodig is. Daarom is het voor de verduurzaming van de gebouwde omgeving belangrijk om alternatieve duurzame technieken voor verwarming en koeling van gebouwen te vinden. Het WKO-'triplet'-systeem vermijdt elektriciteitsverbruik door de warmtepomp door warmte en koude op het gewenste temperatuurniveau in te vangen en in de bodem op te slaan met (bijvoorbeeld) zonnecollectoren en droge koelers. Het primair energieverbruik van een tripletsysteem is ongeveer 5% van een conventioneel systeem. Ongeveer 25 tot 40 procent van alle energie die we in Nederland gebruiken is nodig voor het koelen en verwarmen van gebouwen [1]. In de gebouwde omgeving zou dus veel energie bespaard kunnen worden. Sinds kort is hier veel aandacht voor door de verduurzaming van de energievoorziening [2], [3]. De Nationale Energieagenda [4] stelt dat er in 2050 geen aardgas meer wordt gebruikt voor het verwarmen van gebouwen. Dit artikel gaat in op een nieuwe techniek die daaraan kan bijdragen. Door de variatie in seizoenen hebben gebouwen in Nederland in de zomer een warmteoverschot waardoor er gekoeld moet worden, terwijl er in de winter een warmtetekort is en we onze gebouwen verwarmen. Afhankelijk van zowel de eigenschappen van het gebouw als de variaties in weer en seizoen is de warmtevraag in de winter vrijwel nooit precies even groot als het overschot in de zomer. Maar over een heel jaar bekeken blijft er een beperkte netto vraag naar verwarming of koeling over, en dat is slechts een klein deel van wat we in de winter en zomer nodig hebben. We kunnen het energieverbruik voor verwarmen en koelen dus significant verminderen door warmte en koude tijdelijk op te slaan. Dit gebeurt ook al veelvuldig in Nederland door middel van warmte-koudeopslag-(WKO) of bodemenergiesystemen. De toepassing hiervan is de afgelopen decennia sterk gestegen onder invloed van steeds strengere eisen voor de energieprestatiecoëfficiënt (EPC) van nieuwe gebouwen (afbeelding 1). Afbeelding 1. Ontwikkeling van aantallen WKO-systemen en de EPC-eis voor nieuwe gebouwen
1
H2O-Online / 1 december 2017
Verwarming en koeling zonder warmtepomp met WKO-triplet
Martin Bloemendal, Ad van Wijk (KWR Watercycle Research Institute, TU Delft), Niels Hartog, Jan
Jaap Pape (KWR Watercycle Research Institute, Universiteit Utrecht)
Bodemenergiesystemen worden veelvuldig toegepast om energie te besparen. De warmtepomp
van zulke systemen gebruikt echter nog altijd veel elektriciteit, waardoor voor grootschalige
toepassing ook grootschalige netverzwaring nodig is. Daarom is het voor de verduurzaming van de
gebouwde omgeving belangrijk om alternatieve duurzame technieken voor verwarming en koeling
van gebouwen te vinden. Het WKO-triplet-systeem vermijdt elektriciteitsverbruik door de
warmtepomp door warmte en koude op het gewenste temperatuurniveau in te vangen en in de
bodem op te slaan met (bijvoorbeeld) zonnecollectoren en droge koelers. Het primair
energieverbruik van een tripletsysteem is ongeveer 5% van een conventioneel systeem.
Ongeveer 25 tot 40 procent van alle energie die we in Nederland gebruiken is nodig voor het koelen
en verwarmen van gebouwen [1]. In de gebouwde omgeving zou dus veel energie bespaard kunnen
worden. Sinds kort is hier veel aandacht voor door de verduurzaming van de energievoorziening [2],
[3]. De Nationale Energieagenda [4] stelt dat er in 2050 geen aardgas meer wordt gebruikt voor het
verwarmen van gebouwen. Dit artikel gaat in op een nieuwe techniek die daaraan kan bijdragen.
Door de variatie in seizoenen hebben gebouwen in Nederland in de zomer een warmteoverschot
waardoor er gekoeld moet worden, terwijl er in de winter een warmtetekort is en we onze
gebouwen verwarmen. Afhankelijk van zowel de eigenschappen van het gebouw als de variaties in
weer en seizoen is de warmtevraag in de winter vrijwel nooit precies even groot als het overschot in
de zomer. Maar over een heel jaar bekeken blijft er een beperkte netto vraag naar verwarming of
koeling over, en dat is slechts een klein deel van wat we in de winter en zomer nodig hebben. We
kunnen het energieverbruik voor verwarmen en koelen dus significant verminderen door warmte en
koude tijdelijk op te slaan. Dit gebeurt ook al veelvuldig in Nederland door middel van warmte-
koudeopslag- (WKO) of bodemenergiesystemen. De toepassing hiervan is de afgelopen decennia
sterk gestegen onder invloed van steeds strengere eisen voor de energieprestatiecoëfficiënt (EPC)
van nieuwe gebouwen (afbeelding 1).
Afbeelding 1. Ontwikkeling van aantallen WKO-systemen en de EPC-eis voor nieuwe gebouwen
2
H2O-Online / 1 december 2017
Als gevolg is er in Nederland al meer dan 25 jaar praktijkervaring met deze bodemenergiesystemen,
waarvan er in ons land inmiddels zo’n 2.200 operationeel zijn [5]. Het grootste deel van die systemen
heeft een opslagvolume tot 500.000 m3, enkele honderden systemen hebben een opslag van
meerdere miljoenen kubieke meters (zie afbeelding 2) [6]. Door in de praktijk beter rekening te
houden met de verliezen die optreden door warmtegeleiding en afstroming kan de efficiëntie
waarmee koude en warmte wordt teruggewonnen, nog sterk verbeterd worden. Zo kan de diepte
waarover opgeslagen wordt geoptimaliseerd worden [6]. Als inzet van een warmtepomp overbodig
wordt, levert dit een belangrijke energiebesparing op (afbeelding 3) ten opzichte van conventionele
WKO-systemen (afbeelding 4).
Afbeelding 2. Frequentieverdeling van vergunde opslagcapaciteiten van de 434 WKO-systemen in 5 provincies
[6]
Afbeelding 3. Efficiëntie van een conventioneel WKO-doublet [7]
3
H2O-Online / 1 december 2017
Afbeelding 4. Totaal energieverbruik, CO2-emissies en pompdebieten voor conventionele energievoorziening
(fossiel), conventioneel WKO-systeem (doublet, met warmtepomp) en een WKO-tripletsysteem (zonder
warmtepomp) [7]
Ondergrondse warmtebuffer met hogere temperaturen voorkomt inzet van warmtepomp
Bij conventionele WKO-systemen is vooral de toepassing van koeling voordelig: er kan namelijk direct
uit de koude grondwaterbron worden gekoeld. De Coefficient of Performance (COP, een quotiënt van
geleverde en gebruikte energie) van deze manier van koelen varieert van 10 tot wel 30, een
significante verbetering ten opzichte van een koelmachine, die een COP van circa 3 heeft. Tijdens het
koelen wordt echter maar een beperkte temperatuursprong gemaakt in het grondwater. Als een
gebouw moet worden gekoeld naar ongeveer 20°C kan het grondwater per definitie niet verder
worden opgewarmd dan circa 18°C zonder er extra energie aan toe te voegen. Maar met het
opgeslagen warme grondwater van maximaal 18°C kan er in de winter nog niet worden verwarmd.
Daarom wordt er een warmtepomp toegepast die de temperatuur van 18°C opkrikt naar 40-45°C. Dit
is efficiënter dan verwarmen met een gasketel.
Deze huidige toepassing van WKO is ten opzichte van conventionele koelmachines en ketels dus al
een flinke verbetering. Deze systemen gebruiken echter nog steeds best veel energie: de
warmtepomp gebruikt ongeveer 60% van alle energie die nodig is in zon WKO-systeem [8]. Door de
warmte bij 40°C of meer in de bodem op te slaan is een warmtepomp niet meer nodig, waardoor de
warmtevoorziening verder wordt verduurzaamd.
Verwarming en koeling met een WKO-tripletsysteem
De in de bronnen van een WKO-systeem opgeslagen energie is direct gekoppeld aan de vraag naar
warmte en koude. Als er wordt gekoeld wordt er warmte opgeslagen voor het volgende seizoen en
vice versa. Omdat een warmtepomp wordt gebruikt is de temperatuur van de warme bron niet zo
belangrijk. Maar bij verwarming direct uit de warme bron wordt de kwaliteit van de warme bron ook
van belang.
4
H2O-Online / 1 december 2017
Zowel bij WKO als WKO-triplet is de temperatuur van de koude bron belangrijk, omdat daaruit direct
wordt gekoeld. De kwaliteit van de koude bron is dan essentieel. Maar ook zonder warmtepomp (die
bij het WKO-systeem voor de lage temperatuur van de koude bron zorgt) is de kwaliteit van de koude
bron belangrijk.
Winter
Als het gebouw wordt verwarmd om een temperatuur van 20°C te bereiken, kan de temperatuur van
het water dat hiervoor is gebruikt nooit laag genoeg zijn om direct in de koude bron te stoppen,
zodat er in de zomer mee kan worden gekoeld. Hiervoor is een temperatuur van maximaal 10°C
nodig en liever nog lager. Als het buiten koud genoeg is kan het water dat uit het gebouw terugkomt
via droge koelers op het dak tot de gewenste koudebrontemperatuur (circa 5°C) worden gekoeld. Er
zullen echter tijden in het jaar zijn dat er wel verwarming nodig is, maar het buiten niet koud genoeg
is om de gewenste koudebrontemperatuur te bereiken. In zulke perioden is er een bufferbron nodig
om vervuiling van de koude bron te voorkomen. Als het buiten koud genoeg is kan het water uit de
bufferbron alsnog worden opgepompt om af te koelen en te worden opgeslagen in de koude bron.
Zomer
In de zomer geldt een vergelijkbare situatie. Het gebouw wordt gekoeld naar ongeveer 20°C,
waardoor de temperatuur van het gebruikte water dus nooit hoog genoeg kan zijn voor opslag in de
warme bron. Als de zon genoeg schijnt kan het retourwater meteen met zonnewarmtecollectoren op
het dak worden opgewarmd naar de gewenste temperatuur, alvorens in de warme bron te worden
opgeslagen. Als de zonnecollectoren onvoldoende warmte produceren, is weer tijdelijke opslag in de
bufferbron nodig, totdat voldoende warmte kan worden geproduceerd.
In plaats van een warmtepomp zijn er dus aanvullende voorzieningen nodig om op een duurzame
manier extra verwarmings- en koelingscapaciteit in te vangen. Daarnaast is er ook een derde
grondwaterbron nodig, die als buffer kan dienen tussen de koude en warme bron, namelijk een
WKO-tripletsysteem (Afbeelding 5).
Afbeelding 5. Schematische weergave van een WKO-tripletsysteem zonder warmtepomp
5
H2O-Online / 1 december 2017
Voor een goede inpassing van een ondergronds warmteopslagsysteem bij een bestaand of te
ontwikkelen gebouw, zijn twee aspecten van belang bij het ontwerp. Ten eerste de capaciteit van de
warmteopslag (in megajoules, MJ) en ten tweede het vermogen (in megawatt, MW) waarmee
warmte uit de ondergrondse opslag geleverd moet kunnen worden. Beiden hangen af van de grootte
en aard van de warmtevraag. De capaciteit voor warmtelevering uit een ondergrondse warmteopslag
wordt bepaald door het volume en het temperatuurverschil van het onttrokken en weer in de bodem
geïnfiltreerde water. De opslagtemperatuur moet dus zo hoog mogelijk zijn in de warme, en zo laag
mogelijk in de koude bron. Deze optimalisatie is vooral afhankelijk van de bron van (omgevings-
)warmte/koude en de temperatuurtrajecten in de installaties van de afnemers.
Vanzelfsprekend moeten de verliezen die bij warmteopslag in de bodem optreden zo klein mogelijk
zijn. Deze verliezen treden op langs de randen van de opslag in de bodem. Bij grootschalige opslag
zullen deze warmteverliezen relatief beperkt zijn, omdat met toenemende grootte van de
warmteopslag het oppervlak van die randen naar verhouding kleiner wordt [6]. Op basis van
inzichten uit de Nederlandse WKO-praktijk en de relatief kleine pilots met hogetemperatuuropslag
zijn voor grootschalige warmteopslagsystemen rendementen van rond de 70-90% te verwachten.
Wettelijk gezien mag er in WKO-systemen geen water met een temperatuur hoger dan 25°C worden
opgeslagen. Gezien de duurzame energiedoelstellingen staan provincies positief tegenover
pilotprojecten met opslag bij een hogere temperatuur.
Meer flexibiliteit
Afhankelijk van de exacte condities kan er tijdens koelen of verwarmen ook nog gelijktijdig uit de
bufferbron worden gepompt. Dit kan handig zijn om tijdens het verwarmen bij een koude
buitentemperatuur extra koelcapaciteit in de koude bron op te slaan. Gelijktijdig water in de
bufferbron pompen kan ook. Zo kan een deelstroom naar de bufferbron worden gestuurd als het niet
koud genoeg is om de energiestroom uit het gebouw volledig naar de gewenste
koudebrontemperatuur terug te koelen. Soortgelijke situaties kunnen zich ook voordoen tijdens het
koelen. Of deze optreden is afhankelijk van de klimatologische condities en de capaciteit van de
droge koelers en zonnecollectoren. Om al deze verschillende werkingscondities mogelijk te maken is
er een hydraulische koppeling nodig tussen de verschillende bronnen en systeemcomponenten. Met
regelkleppen kan dan worden geregeld welke componenten bijdragen aan de uitwisseling van
energie, schematisch weergegeven in Afbeelding 6.
6
H2O-Online / 1 december 2017
Afbeelding 6. Werkingsprincipe van een WKO-triplet tijdens de winter, waarbij er zowel vanuit de warme bron
als vanuit de bufferbron koude wordt opgeslagen [7]
Door de zonnecollectoren en droge koelers kan de opslag van energie ook worden losgekoppeld van
de vraag naar energie van het voorgaande seizoen. Je hoeft er alleen maar voor te zorgen dat er
voldoende energie is opgeslagen voor het komende seizoen en eventuele tekorten en overschotten
kunnen worden vereffend in de bufferbron. Afhankelijk van de gebouweigenschappen en
weersituatie ontstaat er dan een warmteoverschot of -tekort in de bufferbron.
De in deze beschrijving genoemde bronnen voor warmte en koude kunnen ook vervangen worden
door alternatieve bronnen. In plaats van zon-thermisch kan ook restwarmte van nabijgelegen
industrie worden gebruikt om de warme bron op de gewenste temperatuur te krijgen, of
oppervlaktewater voor koude. Alleen als beide bronnen gegarandeerd beschikbaar zijn kan de
bufferbron achterwege worden gelaten.
Hoe hoger de temperatuur van het opgeslagen water, hoe meer gebouwen van verschillende typen
en leeftijden gebruik kunnen maken van de techniek. Waar WKO-systemen vooral bij nieuwe
gebouwen kunnen worden toegepast, kunnen door de hogere opslagtemperatuur ook oudere,
minder goed geïsoleerde, gebouwen worden verwarmd, die niet voor lagetemperatuurverwarming in
aanmerking komen. Met een (beperkte) isolatiemaatregel kan de aanvoertemperatuur van de
warmtevoorziening van zo’n bestaand gebouw naar 60 °C of lager. Dat scheelt in veel gevallen een
ingrijpende verbouwing. Dit kan voor een deel van de gebouwen in Nederland een goede manier zijn
om duurzamer te worden. En dat is erg hard nodig, want de belangrijkste verduurzamingsopgave ligt
in de bestaande bouw. Dit zijn miljoenen gebouwen.
7
H2O-Online / 1 december 2017
WKO-tripletsysteem in de praktijk
Er zijn veel afwegingen nodig om een ondergronds warmteopslagsysteem optimaal te kunnen
koppelen aan de voorzieningen om warmte en koude in te vangen bij een gebouw. Hoe deze eruit
zien is grotendeels afhankelijk van de energievraag van het gebouw, de eigenschappen van de
aanwezige installatie en het klimaat. Voor een fictief kantoorgebouw van 50.000 m2 bruto
vloeroppervlak is op basis van vijf jaar klimaatdata voor De Bilt (2011-2015) inzichtelijk gemaakt wat
de totale kosten (total costs of ownership, TCO ) voor een conventioneel, een doublet-WKO- en een
WKO-tripletsysteem zijn. Hiervoor zijn de energiestromen in en uit elke bron bepaald met een
tijdsresolutie van 1 week, zodat ook het energieverbruik van de circulatie-/bronpompen kon worden
vastgesteld. Op basis van de benodigde energievraag is vastgesteld hoeveel droge koelers en
zonnecollectoren nodig zijn, en welke investering daarmee gemoeid is. De belangrijkste toegepaste
kentallen zijn weergegeven in tabel 1, de resultaten staan in afbeelding 4.
De resultaten laten zien dat een tripletsysteem qua businesscase vergelijkbaar is met een WKO-
systeem, maar dat de emissies lager zijn. Voor de exploitatiekosten is naast de energiekosten
uitgegaan van 5 procent van de investeringskosten per jaar. Er is in totaal circa 2.000 m2 aan
zonnepanelen nodig, en het vermogen van de droge koeler die nodig is om voldoende koude te
kunnen invangen moet ruim 1 MW zijn.
Omdat de verwarmingsvraag groter is dan de koelingsvraag is in Afbeelding 7 te zien dat er
structureel meer water moet worden onttrokken aan de bufferbron om in de zomer voldoende
water te kunnen opslaan. Het verloop in de bufferbron volgt daarom sterk dat van de koude bron. Als
die wordt ingezet voor koeling moet er warmte worden opgeslagen in de warme bron. Omdat het
debiet vóór koelen dan niet toereikend is moet tegelijkertijd ook de tussenbron worden
aangesproken. De zonnecollectoren en droge koelers slaan tot maximaal 20 procent meer
thermische energie op dan de jaarlijkse te verwachten verwarmings- en koelvraag om te kunnen
inspelen op variaties in de seizoenen. De grootte van de droge koeler en het aantal zonnepanelen is
zo gekozen, dat de hoeveelheid energie die in elke bron wordt opgeslagen in de gesimuleerde
periode van 5 jaar nooit kleiner is dan nul. Omdat de gemiddelde temperatuur over de jaren 2011-
2015 sterk oploopt, zien we ook een onbalans ontstaan in de warme bron. Er wordt veel meer
opgeslagen dan wordt terug gewonnen. In het vijfde jaar wordt voor het eerst pas de gewenste 20
procent overcapaciteit bereikt in de warme bron. In de wintermaanden wordt de tussenbron veelal
als dag/nachtbuffer ingezet. Als het overdag warmer is dan 4°C kan er onvoldoende koude worden
gewonnen voor opslag in de koude bron. Gedurende de nacht is het kouder en kan de bufferbron
weer worden ontladen. Gedurende de zomer is dit niet aan de orde, omdat er tijdens koeling ook de
meeste zon is, en er dus direct/simultaan warmte kan worden opgeslagen.
De resterende benodigde elektriciteit zou ook nog met zonnepanelen (fotovoltaïsch, PV) kunnen
worden opgewekt om een volledig duurzaam systeem te krijgen.
8
H2O-Online / 1 december 2017
Afbeelding 7. Resultaat van test case 50.000m3 kantoor. a) thermische energie (MWh), b) Volumes (m3), c)
onttrekkingstemperatuur (°C) [7]
Conclusies
In dit artikel is een eerste beschouwing gegeven van de mogelijke werking van een WKO-
tripletsysteem. Zo’n systeem lijkt een veelbelovende techniek. Nadere uitwerking van de volgende
aspecten is nodig om de haalbaarheid verder te evalueren:
Hoe alternatieven voor het invangen van koude (droge koelers) en warmte
(zonnecollectoren) kunnen worden ingepast, omdat er ook ander (combinaties van)
technieken moeten kunnen worden gebruikt voor invang van warmte/koude.
De energiebalans van het systeem moet nader worden onderzocht. Hoewel er met
realistische (klimaat-)data is gewerkt, moet toch op gedetailleerder niveau worden gekeken
naar temperatuurtrajecten in het gebouw, schakelschema’s tussen de bronnen en
systeemcomponenten.
Hogetemperatuuropslag in de bodem is nog geen bewezen techniek; zeker bij temperaturen
hoger dan 45°C liggen daar nog uitdagingen ten aanzien van recovery-efficiëntie en
chemische putverstopping. In dat kader is het schaalniveau ook van belang: water met een
hoge temperatuur in de bodem opslaan lukt het beste op grote schaal, waardoor een WKO-
tripletsysteem vooral goed zal werken voor grote gebouwen of een groep van gebouwen.
9
H2O-Online / 1 december 2017
Tabel 1. Belangrijkste uitgangspunten/kentallen
Warmte vraag
energie
57
kWh/m²
57
W/m²
Koelvraag
energie
35
kWh/m²
capaciteit
45
W/m²
CO2 emissie
gas
1,8
kg CO2/m3
0,46
kg CO2/kWh
Kosten
warmtepomp
200
/kW
droge koeler
80
/kW
Kosten
ketel
60
/kW
0,2
/kWh
Kosten
elektra
0,2
/KWh
gas
0,65
/m3
Temperatuur
verwarmen
aanvoer
40
̊C
20
̊C
Temperatuur
koelen
aanvoer
5
̊C
retour
20
̊C
Referenties
1. Jong, K.de (2016). Warmte in Nederland. Hilversum, Stichting Warmtenetwerk.
2. Kamp, H. (2015), Warmtevisie, Den Haag, Ministerie van Economische zaken.
3. SER, Sociaal-Economische Raad (2013), Energie Akkoord. Den Haag, Sociaal-Economische Raad.
4. Ministerie van Economische zaken (2016). Energieagenda, Naar een CO₂-arme energievoorziening.
Den Haag, Ministerie van Economische zaken.
5. Willemsen, N. (2016). Rapportage bodemenergiesystemen in Nederland. Arnhem, RVO/IF
technology.
6. Bloemendal, M. and Hartog, N. (2017) Analysis of the impact of storage conditions on the thermal
recovery efficiency of low-temperature ATES systems. Geothermics 17(C): p. 306-319.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0375650517302067
7. Pape, J.J. (2017). Feasibility study of an ATES triplet. Utrecht, Utrecht University, MSc thesis.
8. Dekker, L.d. (2016). Bepalende factoren voor goed functionerende WKO. Slides van een presentatie
op bijeenkomst van het Kennisplatform bodemenergie 2016
... The HT-ATES system includes a hot and a warm well to supply heat. It could also deliver cold when a third aquifer would be added to the system to create a triplet [34,35], but this is not covered in this paper. The neighborhood demands exist of water, mobility (either FCEV or BEV), heat (electric, district heating network or hydrogen) and electricity demand for appliances and lighting. ...
Article
Full-text available
The fossil-based energy system is transitioning towards a renewable energy system. One important aspect is the spatial and temporal mismatch between intermitted supply and continuous demand. To ensure a reliable and affordable energy system, we propose an integrated system approach that integrates electricity production, mobility, heating of buildings and water management with a major role for storage and conversion. The minimization of energy transport in such an integrated system indicates the need for local optimization. This study focuses on a comparison between different novel system designs for neighborhood energy and water systems with varying modes of system integration, including all-electric, power-to-heat and power-to-hydrogen. A simulation model is developed to determine the energy and water balance and carry out economic analysis to calculate the system costs of various scenarios. We show that system costs are the lowest in a scenario that combines a hydrogen boiler and heat pumps for household heating; or a power-to-X system that combines power-to-heat, seasonal heat storage, and power-to-hydrogen (2070 €/household/year). Scenarios with electricity as the main energy carrier have higher retrofitting costs for buildings (insulation + heat pump), which leads to higher system costs (2320–2370 €/household/year) than more integrated systems. We conclude that diversification in energy carriers can contribute to a smooth transition of existing residential areas.
Thesis
Full-text available
Article
Full-text available
Aquifer thermal energy storage (ATES) is a technology with worldwide potential to provide sustainable space heating and cooling using groundwater stored at different temperatures. The thermal recovery efficiency is one of the main parameters that determines the overall energy savings of ATES systems and is affected by storage specifics and site-specific hydrogeological conditions. Although beneficial for the optimization of ATES design, thus far a systematic analysis of how different principal factors affect thermal recovery efficiency is lacking. Therefore, analytical approaches were developed, extended and tested numerically to evaluate how the loss of stored thermal energy by conduction, dispersion and displacement by ambient groundwater flow affect thermal recovery efficiency under different storage conditions. The practical framework provided in this study is valid for the wide range of practical conditions as derived from 331 low-temperature (< 25 °C) ATES systems in practice. Results show that thermal energy losses from the stored volume by conduction across the boundaries of the stored volume dominate those by dispersion for all practical storage conditions evaluated. In addition to conduction, the displacement of stored thermal volumes by ambient groundwater flow is also an important process controlling the thermal recovery efficiencies of ATES systems. An analytical expression was derived to describe the thermal recovery efficiency as a function of the ratio of the thermal radius of the stored volume over ambient groundwater flow velocity (Rth/u). For the heat losses by conduction, simulation results showed that the thermal recovery efficiency decreases linearly with increasing surface area over volume ratios for the stored volume (A/ V), as was confirmed by the derivation of A/V-ratios for previous ATES studies. In the presence of ambient groundwater flow, the simulations showed that for Rth/u <1 year, displacement losses dominated conduction losses. Finally, for the optimization of overall thermal recovery efficiency as affected by these two main processes, the optimal design value for the ratio of well screen length over thermal radius (L/Rth) was shown to decrease with increasing ambient flow velocities while the sensitivity for this value increased. While in the absence of ambient flow a relatively broad optimum exists around an L/Rth-ratio of 0.5–3, at 40 m/year of ambient groundwater flow the optimal L/Rth-value ranges from 0.25 to 0.75. With the insights from this study, the consideration of storage volumes, the selection of suitable aquifer sections and well screen lengths can be supported in the optimization of ATES systems world-wide.
Warmtevisie, Den Haag, Ministerie van Economische zaken
  • H Kamp
Kamp, H. (2015), Warmtevisie, Den Haag, Ministerie van Economische zaken.
Energieagenda, Naar een CO₂-arme energievoorziening. Den Haag, Ministerie van Economische zaken
  • Ministerie Van Economische Zaken
Ministerie van Economische zaken (2016). Energieagenda, Naar een CO₂-arme energievoorziening. Den Haag, Ministerie van Economische zaken.
Rapportage bodemenergiesystemen in Nederland. Arnhem, RVO/IF technology
  • N Willemsen
Willemsen, N. (2016). Rapportage bodemenergiesystemen in Nederland. Arnhem, RVO/IF technology.
Feasibility study of an ATES triplet
  • J J Pape
Pape, J.J. (2017). Feasibility study of an ATES triplet. Utrecht, Utrecht University, MSc thesis.
Bepalende factoren voor goed functionerende WKO. Slides van een presentatie op bijeenkomst van het Kennisplatform bodemenergie
  • L D Dekker
Dekker, L.d. (2016). Bepalende factoren voor goed functionerende WKO. Slides van een presentatie op bijeenkomst van het Kennisplatform bodemenergie 2016