? ? onderzoek ? bouwfysicamr.E.G.Folten, Nebest bv, Groot Ammersdr.sc.nat.ETH Chr.Kapp, NEK Umwelttechnik, Z?richC.J.Roodbo/, Voorbij Funderingstechniek, UithoornNaast de bekende aardwarmtesondetechniek komen voorhetgebruikvan de ondiepe on-dergrond zogenaamde energiepalen als alternatieve mogelijkheid voorwinningvan aard-warmte in aanmerking. Onder geschikte geologisch-hydrologische omstandighedenkunnen de meeste gebruikelijke paalsystemen van warmtewisselaarbuizen worden voor-zien, zodat aanzienlijkehoeveelheden energie aan de ondergrond onttrokkenen/ofdaar-in afgevoerd kunnen worden. Energiepaalinstallaties zijn geschiktvoortoepassingbij al-le nieuwbouwobjecten die onderheid moeten worden en kunnen op economisch interes-sante wijze een aanzienlijke bijdrage aan de energievoorziening van gebouwen en wonin-genleveren.ENERGIEPALENWINNING VAN AARDWARMTE D??RMIDDEL VAN ACTIEVE HEIPALEN32Wanneer gebouwen op palen worden gefun-deerd, kunnen deze zonder veel extra kos-ten voor alternatieve energiewinningwordengebruikt (fig. 1). Het onttrekken van energieaan de ondergrond door middel van palen isop hetzelfde principe gebaseerd als desinds jaren beproefde aardwarmtesonde-techniek. Nieuw is echter de palen zo te fa-briceren en toe te passen, dathetpotentieelvan de aardwarmte in de bodem voor ver-warmings- en/of koeldoeleinden kan wor-den gebruikt.Voor hetgebruik van de ondiepe ondergrondzijn over het algemeen de gebruikelijke paal-lengten voldoende. Bij inbreng van aard-warmtesondes zijn daarentegen dieptenvan 80 tot 300 m gebruikelijk. AI enkele me-ters onder het maaiveld heerst hethele jaarnormaal gesproken een relatief constante,van het oppervlak vrijwel onafhankelijketemperatuur. Uit het verschil tussen dezegrondtemperatuur en de verbruikerstempe-ratuur ontstaat het bruikbare temperatuur-potentieel van de energiepalen.EnergiepaalsysteemHet energiepalenconcept kan op de meestepaalsystemen worden toegepast. Bij mas-sieve geprefabriceerde betonpalen wordende kunststof warmtewisselaarbuizen teza-men met de wapening in de fabriek inge-bouwd. Bij holle palen wordt het systeem terplaatse in de holle ruimte ingebouwd en bij inde grond gevormde palen in een aan de wa-pening bevestigde beschermhuls dan wel di-rect aan de wapeningskorf bevestigd. De inhetkunststof buizennet circulerende warm-tewisselaarvloeistof bestaat over het alge-meen uit een mengsel van water en anti-vriesmiddel of alleen uit water. De uit degrond gewonnen energie wordt door dewarmtewisselaarvloeistof naar een warmte-pomp gebracht, waar het vervolgens, even-als bij traditionele aardwarmtesonden, naarhet gewenste temperatuurniveau wordt ge-transformeerd. De terugstroomtemperatuurmag niet langdUrig onder 0 oe dalen, omdatbevriezingsverschijnselen in de grond om depaal tot een ontoelaatbare verminderingvan de mantelwrijving en daarmee van dedraagkrachtvan de paal kunnen leiden. Van-afde warmtepomp verloopt hetproces zoalsbij andere warmtepomptoepassingen.Op deze manier kan de circulatie wanneergeen warmte nodig is, dus overwegend in dezomer, eveneens omgekeerd verlopen. Hier-door kan de bodem met natuurlijke zonne-energie of afvalwarmte van bedrijven gere-genereerd worden, dat wil zeggen energe-tisch weer op peil worden gebracht. Wanneernamelijk zou worden gekozen voor een sys-teem waarmee alleen wordt verwarmd, be-staat het gevaar van een onevenwichtige'belasting' van de ondergrond indien nietdoorgrondwatercirculatie voortdurend nieu-we energie wordt aangevoerd.Als degeologisch-hydrologische omstandig-heden hettoelaten, komt dus enerzijds koel-capaciteit vrij en wordt anderzijds energieopgeslagen. Energiepalen kunnen hierdoorvoor koel- en opslagdoeleinden worden ge-bruikt en leveren in dit geval de koeIcapaci-teitvoor de klimaatregelingvan een op palengefundeerd gebouw. In bepaalde gevallenmaken de omstandigheden het zelfs moge-eEMENT1997/11@ Werking van het energiepaalsysteem (3) Testen uittredende warmtewisselaarbuizen bij de paalkoplijk de koelcapaciteitgedeeltelijk met hetzo"genaamde 'free"cooling'"systeem afte dek"ken. Dit systeem functioneert zonder ge"bruikmaking van warmtepomp of koelma"chine.Energiepalen komen overal in aanmerkingwaar nieuwbouw op palen gefundeerd moetworden. Aangezien de extra kosten voorp8"len die zijn uitgerust met warmtewisselaar"buizen inclusief verbindingsleidingen rela-tief laag zijn, vormen energiepalen uit eco-nomisch oogpunt een interessant alterna-tief voor traditionele, rnilieubelastende sys-temen.De ingebouwde warrntewisselaarbuizenmoeten bij voorkeur de gehele ter beschik-king staande paallengte bestrijken. Zowelde plaatsing van de leidingen in het inwendi-ge van de paal als hettype sonde zijn afhan-kelijk van gewenste energiehoeveelheid,paaltype, paaldiameter, wapeningsgraad,geologisch-hydrologische omstandigheden,statische aspecten en kenmerken van hetmateriaal. Om een zo hoog mogelijketempe"ratuurgradi?nt te bereiken, worden normali-CEMENT1997/11ter per paal verschillende circuits aange-bracht. Vanzelfsprekend is het absoluutnoodzakelijk dat de bijzonderheden van eenenergiepaalsysteem zo vroeg mogelijk metde verantwoordelijke constructeur en ver-warmingstechnicus worden besproken. Ditzogenaamde optimaliseringsproceskan inbepaalde omstandigheden zelfs tot de keu-ze van een ander paalsysteem leiden.Werking van het systeemNa voltooiing van de heiwerkzaamhedenworden de warmtewisselaarleidingen, dievanwege het koppensnellen op enige af-stand van de paalkop uit de palen komen(foto 2), verbonden met horizontale leidin-gen. Deze leidingen worden in serie- en/ofparallelschakeling in ??n of meer verdeel-kasten samengebracht (foto 3). Deze laat-ste maken een nauwkeurige regeling doormiddel van individueel aan- en uitschakelba-re circuits mogelijk. Van de verdeelkast komtde warmtedragende vloeistof via verzamel-leidingen bij de warmtepomp, waar de ener"gie op het gewenste niveau wordt getrans-formeerd. Aangezien in de warmtewisse-laarbuizen een mengsel van water en anti-vries of alleen water circuleert, bestaat ergeen gevaar voor aantasting of vervuilingvan het grondwater door eventueel lekken-de circuits. Bovendien wijzen ervaringen uitdat de levensduur van dit soort warmtewis-selaarbuizen zeer lang is, zodat geen reke-ning gehouden hoeft te worden met uitvalvan het systeem ten gevolge van materiaal-moeheid.De op dit moment beschikbare monitoring"resultaten van soortgelijke installaties latenzien datde voor paalfunderingen gebruikelij-ke, relatiefgeringe diepten, toch voor econo-misch interessante hoeveelheden energiekunnen zorgen. Deze hoeveelheden liggenabsoluut binnen het bereik van de specifie-ke capaciteit van traditionele aardwarmte-sondes.33? ? onderzoek ? bouwfysica? Verdeelkasten voor de leidingen die zijn aangesloten op de warmtewisselaars in de palenToepassingsvoorbeeldenIn Nederland zijn, na de introductie in apriIjl.,inmiddels twee projecten met toepassingvan de zogenaamde heinergiepaal, de Ne-derlandse versie van de energiepaal, gerea"Iiseerd: een kantoorpand met bedrijfshal inHeerhugowaard en tien woningen in Gouda.De systemen zijn echter nog niet in werkinggesteld, zodat monitoringresultaten vanenergieopbrengsten nog niet beschikbaarzijn. Er bestaan wel cijfers van twee buiten"landse projecten die zijn uitgevoerd metsoortgelijke systernen en onder vergelijkba-re geologisch-hydrologische omstandighe-den als in Nederland.Installatie AlpnachSinds enkele jaren wordt in Alpnach in mid-den Zwitserland een industrie- en bedrijfs-gebouw monovalent, dat wil zeggen zondertoepassing van andere systemen zoals cv-installaties, door middel van energiepalenverwarmd. Onder het totale oppervlak vanhet gebouw werden in totaal 230 palen opdiepten van 18 tot 22 m vanaf het maaiveldingeheid. Hiervan zijn er 130 als energiepaaluitgevoerd. Hetzijnholle palen die na inbren-gen in de ondergrond, over de totale lengtevan dubbele U-sonden zijn voorzien. De opte brengen verwarmingscapaciteit is 130kW. Hierin is tevens begrepen de gladheids-bestrijding op stoepen en trappen bij de in"gang van het gebouw.De bouwgrond bestaat afwisselend uit fijn-korrelig aangeslibd sediment en zanderigewatervoerende lagen. Monitoring van de in-stallatie tijdens de afgelopen tweejaarheeft34aangetoond dat deinstroorntemperatuur inde palen nooit onder + 3 oe komt, terwijl deuitstroomtemperaturen uit de bodem tus-sen + 6 en + 9 oe liggen.Door de monovalente uitvoering van hetwarmtepompsysteem kan jaarlijks 30 000 Ibrandstofolie worden bespaard. Op grondvan een jaarrendement van het totale sys-teem, dat ruim boven 3,0 ligt, is geconsta-teerd dat de hogere investeringskosten diedeze installatie met zich meebrengt, binnentien bedrijfsjaren zijn afgeschreven. Deze te-rugverdientijd was voor de opdrachtgever uitbedrijfseconomisch oogpunt aanvaardbaar.Bovendien werd een maximaal milieu-effectbereikt, hetgeen een positieve profileringvan het bedrijf tot gevolg had.Installatie KreuzlingenSinds enkele jaren is in Kreuzlingen aan deBodensee een energiepaalinstallatie in be-drijf, die een bedrijfsnieuwbouw van aard-warmte en aardkoude voorziet. Het betrefthier geprefabriceerde betonpalen, waarbijde warmtewisselaarbuizen in de fabriek zijnaangebracht. In totaal zijn 98 palen van 12 mingeheid. De onderlinge afstand tussen depalen bedraagt circa 4 m. De palen staan inslecht doorlaatbare meerafzettingen, waar-in praktisch geengrondwaterbeweging op-treedt.De totale installatie is bivalent uitgevoerd, eris namelijk een aanvullend verwarmingssys-teem aangebracht om de piekvraag op tevangen, en dient zowel voor het koelen alsvoor het verwarmen. Hierdoor is een opti-maal gebruik van de ondergrond als opslagmogelijk en daardoor een hoger vermogen.Jaarlijks zijn circa 465 MWh verwarmings-energie, 190 MWh voor warmwaterbehan~delingen circa 140 MWh koelenergie nodig.Uit de monitoringresultaten van de installa-tie blijkt dat het grootste deel van de beno-digde koude en circa 30% van de benodigdewarmte via de energiepalen geleverd kun-nen worden. Dankzij de regeneratie blijft degemiddelde bodemtemperatuur + 11 oe.Gevolgen voor de sterkte van prefabheipalenDoordat de warmtewisselaarbuizen 0 24mm in de heinergiepalen worden ingestort,neemt de werkzame doorsnede van de paalaf. Zowel voor de palen 250 x 250 mm2met409,3 alsvoorde palen 290x290 mm2met509,3 of 6 0 9,3 bedraagt de afname vanhet scheurmoment echter nog geen 1,5%.?CEMENT1997/11