Vier Zuid-Hollandse omgevingsdiensten gebruiken tool bij afhandeling meldingen
Online interferentietoets voor gesloten bodemenergiesystemen Sinds 1 juli 2013 hebben de gemeenten als bevoegd gezag voor de gesloten bodemenergiesystemen de taak om te controleren of nieuwe systemen geen nadelige invloed hebben op andere bodemenergiesystemen. In opdracht van vier Zuid-Hollandse omgevingsdiensten is binnen het softwarepakket BodemenergieOnline een tool ontwikkeld die ondersteuning biedt bij deze interferentietoets. Door: Benno Drijver en Marc Koenders
Over de auteurs: Benno Drijver, Senior geohydroloog bij IF Technology Marc Koenders, Senior adviseur bij IF Technology
I N L E I D I N G /A A N L E I D I N G
Sinds de invoering van het wijzigingsbesluit bodemenergiesystemen op 1 juli 2013 zijn gemeenten bevoegd gezag voor de gesloten bodemenergiesystemen. Voor nieuwe gesloten bodemenergiesystemen moet de initiatiefnemer aantonen dat er geen sprake is van interferentie (ontoelaatbare nadelige invloed op bestaande bodemenergiesystemen). Voor kleine gesloten systemen kan gebruik worden gemaakt van de methode uit BUM BE bijlage 2.1 Bij mogelijke interferentie moet de initiatiefnemer een berekening conform BUM BE bijlage 2 of gelijkwaardig uitvoeren. Als daaruit volgt dat de maximale temperatuurverlaging bij andere gesloten systemen kleiner is dan 1,5 °C, dan is er geen sprake van interferentie.1 In opdracht van vier Zuid-Hollandse omgevingsdiensten (ZuidHolland Zuid, West-Holland, Midden-Holland en Haaglanden) en stadsgewest Haaglanden heeft IF Technology een online tool ontwikkeld waarmee het 1,5 °C invloedsgebied van een klein gesloten bodemenergiesysteem (< 70 kW) op kaart kan worden gepresenteerd. De tool is bedoeld als openbaar hulpmiddel bij de toets op interferentie voor initiatiefnemers en is te vinden op https://productie.bodemenergieonline.nl/burgerportaal.aspx. UITWERKING
Voor het berekenen van de veroorzaakte temperatuurveranderingen, conform de methodiek uit BUM BE bijlage 2, is gebruik gemaakt van de oneindige lijnbron-methode. Het warmtetransport van en naar de bodemlus vindt in deze benadering alleen plaats in horizontale richting. Warmtetransport in de verticale richting (uitwisseling van warmte met het maaiveld en diepere bodemlagen) wordt buiten beschouwing gelaten, waardoor de invloed bodem nummer 1 | februari 2015
enigszins wordt overschat. Verder is in deze methode aangenomen dat de invloed van de grondwaterstroming verwaarloosbaar is. Hier komen we later op terug. De informatie die de tool nodig heeft voor de berekening volgt deels uit de gegevens die worden opgegeven bij de melding (jaarlijkse warmte- en koudevraag, totale lengte en einddiepte bodemlussen en coördinaten middelpunt systeem). Om een goede benadering van het te verwachten invloedsgebied te krijgen, berekent de online tool de gemiddelde waarde voor de warmtegeleidingcoëfficiënt en de warmtecapaciteit op basis van de bodemopbouw en grondwaterstand uit het NHI (Nationaal Hydrologisch Instrumentarium), de diepte van de bodemlussen en typische waarden voor de bodemeigenschappen van de gebruikte bodemlagen.
Snelle en eenvoudige schatting invloedsgebied G R O N DWAT E R S T R O M I N G
Aanname bij de lijnbron-methode is dat de grondwaterstroming mag worden verwaarloosd. Volgens BUM BE bijlage 2 mag de lijnbron-methode niet worden gebruikt als de snelheid van de grondwaterstroming boven een bepaalde grenswaarde ligt. Om na te gaan wat de invloed van de grondwaterstroming is, zijn voor verschillende stroomsnelheden berekeningen uitgevoerd met HSTWin2D, een softwarepakket voor berekeningen aan warmtetransport in de ondergrond. In de berekeningen is uitgegaan van een (voor kleine gesloten systemen) relatief hoge jaargemiddelde warmteflux van 10 W/m gedurende 20 jaar. Ter controle op de resultaten van HSTWin2D is voor de situatie zonder
15
grondwaterstroming ook een analytische berekening uitgevoerd. De resultaten van de analytische berekening blijken goed overeen te komen met de resultaten van HSTWin2D.
Grotere grondwaterstroming geeft kleiner invloedsgebied
VERR ASSEND EFFECT
Op basis van de ervaring bij open bodemenergiesystemen was de verwachting dat het invloedsgebied in stroomafwaartse richting groter wordt bij een toename van de stroomsnelheid van het grondwater. Uit de berekeningen blijkt echter dat het 1,5 °C invloedsgebied bij een toenemende snelheid van de grondwaterstroming juist kleiner wordt (figuren 1 en 2). Buiten het invloedsgebied nemen de berekende temperatuurveranderingen juist toe, maar deze blijven ruim onder de 1,5 °C. Dichtbij de bodemlus, waar de grootste temperatuurveranderingen optreden, neemt de invloed dus af bij een toename van de snelheid van de grondwaterstroming en verder stroomafwaarts van de bodemlus neemt de invloed juist toe.
Verrassend: grondwaterstroming verkleint invloedsgebied VERKLARING
Dit verschijnsel is als volgt te verklaren: een gesloten systeem dat jaarlijks meer warmte aan de ondergrond onttrekt dan toevoegt zorgt voor afkoeling van de omgeving van de bodemlus. In een situatie zonder grondwaterstroming blijft deze koude rond de bodemlus hangen en koelt de ondergrond in de loop van de jaren steeds verder af. Als wel sprake is van grondwaterstroming dan stroomt het afgekoelde grondwater weg, waardoor de ondergrond rond de bodemlus minder afkoelt. De afstromende koude zorgt er wel voor dat in stroomafwaartse richting van de bodemlus tot grotere afstanden enige afkoeling merkbaar is.
T O E PA S B A A R H E I D
Uit de berekeningen blijkt dat bij een gesloten systeem met een jaargemiddelde warmteflux van 10 W/m het invloedsgebied zeer klein is (enkele meters) en dat de grondwaterstroming zorgt voor een afname van het 1,5 °C invloedsgebied. Omdat de lijnbronmethode uitgaat van de situatie zonder grondwaterstroming wordt het invloedsgebied niet onderschat en is dit een goed uitgangspunt voor de eerste interferentietoets. Het overgrote deel van de kleine gesloten systemen heeft een jaargemiddelde warmteflux kleiner dan 10 W/m en kan dus op deze manier worden benaderd. Ook bij een jaargemiddelde warmteflux tussen 10 en 20 W/m kan de invloed van de grondwaterstroming nog worden verwaarloosd (gemaakte fout is klein). Als de warmteflux groter is dan 20 W/m, dan dient rekening te worden gehouden met de mogelijke invloed van de grondwaterstroming. Het invloedsgebied kan dan groter zijn dan de tool berekent. Dat is vooral relevant als er in stroomafwaartse richting een ander systeem ligt en bovendien een belangrijk deel van de bodemlussen in watervoerende lagen geplaatst wordt. Een warmteflux groter dan 20 W/m komt bij een lusdiepte van 150 meter overeen met een netto warmteonttrekking >26 MWh/jaar. Bij relatief grote systemen met een aanzienlijke onbalans kan de tool daarom niet worden toegepast en is een modelberekening nodig. Deze situatie komt niet vaak voor. BODEMENERGIEONLINE
De online tool presenteert het 1,5 °C invloedsgebied van een gesloten bodemenergiesysteem op kaart. Na het aanklikken van de betreffende locatie op de kaart verschijnen een aantal invoervelden: de jaarlijks aan de bodem toegevoegde hoeveelheid warmte en koudeen de diepte van de bodemlussen (figuur 3). De tool bepaalt vervolgens de bodemparameters, berekent de straal van de 1,5 °C invloedszone en toont het berekende invloedsgebied. Als
3.5 HST 0m/jaar Berekende temperatuurverandering [0C]
3
HST 1m/jaar HST 2m/jaar
2.5
HST 5m/jaar HST 10m/jaar
2
HST 20m/jaar HST 50m/jaar
1.5
HST 100m/jaar Analytisch (0m/j)
1
1,50C grens
0.5 0 0
5
10
20 25 30 15 Afstand in stroomafwaartse richting [m]
35
40
45
50
FIGUUR 1: BEREKENDE TEMPERATUURVERANDERINGEN IN STROOMAFWAARTSE RICHTING VOOR VERSCHILLENDE SNELHEDEN VAN DE GRONDWATERSTROMING. DE BEREKENING GAAT UIT VAN 20 JAAR WARMTEONTTREKKING MET 10 W PER METER DIEPTE.
16
bodem nummer 1 | februari 2015
binnen het berekende invloedsgebied een ander systeem ligt, dan is sprake van mogelijk nadelige interferentie en zijn modelberekeningen nodig om een meer nauwkeurige inschatting te maken. Als er binnen een straal van 120 meter, maar buiten de 1,5 °C contour, één andere systeem ligt dan is er zeer waarschijnlijk geen nadelige interferentie. Bij meerdere andere systemen binnen 120 m afstand, blijft het nodig om voor deze systemen de cumulatieve effecten te bepalen.
De tool geeft in veel gevallen voldoende informatie om snel en eenvoudig te kunnen nagaan of sprake is van interferentie. Daarmee is de tool niet alleen een nuttig hulpmiddel bij het afhandelen van meldingen voor kleine gesloten bodemenergiesystemen door de overheid, maar ook voor burgers/bedrijven die een gesloten systeem willen toepassen.
Koude vraag
50
Warmte vraag
10
Grondwaterstroming = 0 m/jaar
25
5
0
0
-5
-25
-50 -150 50
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
50 -10
-5
0
5
10
-10 10
Grondwaterstroming = 5 m/jaar
Wat is een gesloten bodemenergiesysteem?
25
5
Deze systemen (ook wel bodemwarmtewisselaars genoemd) bestaan uit
0
0
sen bedraagt meestal 50 tot 150 meter. In de lussen wordt water, veelal
kunststof leidingen die in de bodem zijn gebracht. De diepte van deze lusmet een toegevoegd antivriesmiddel in de gesloten lussen door de onder-
-5
-25
-50 -150 50
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
50 -10
-5
0
5
10
-10 10
Grondwaterstroming = 10 m/jaar
25
5
0
0
grond geleid (toevoegingen om corrosie of bacteriegroei te beperken komen ook voor). Bij een warmtevraag wordt met een warmtepomp via de lussen warmte onttrokken aan de ondergrond. Bij een koelbehoefte wordt koeling geleverd door de overtollige warmte via de lussen af te voeren naar de ondergrond. Een nadeel ten opzichte van een open systeem is dat de temperatuur van de circulatievloeistof in de winter snel daalt en in
-5
-25
-50 -150
de zomer snel stijgt.
-125
-100
-75
-50
-25
0
25
50 -10
-5
0
5
10
-10
FIGUUR 2: BEREKENDE TEMPERATUURVERANDERINGEN BIJ 20 JAAR WARMTEONTTREK KING MET 10 W PER METER DIEPTE EN STROOMSNELHEDEN VAN 0, 5 EN 10 METER PER
NOOT 1 SIKB (2014). Methode toetsen interferentie tussen kleine gesloten systemen, versie 2.2, 19-06-2014. Bijlage 2 van de BUM’s en HUM’s bodemenergiesystemen deel 1 en deel 2. Stichting Infrastructuur Kwaliteitsborging Bodembeheer, Gouda.
JAAR.
FIGUUR 3: VOORBEELD VAN HET INVOERSCHERM EN HET RESULTAAT VAN DE ON LINE TOOL (FICTIEVE LOCATIE).
bodem nummer 1 | februari 2015
17