Evenwichtstemperatuur en regeling van grondgekoppelde warmtepompsystemen

Published by Redactie on september 29, 2025 | Category warmtepomp

In de bouwsector en op het gebied van energie-efficiëntie speelt de evenwichtstemperatuur van grondgekoppelde warmtepompsystemen (GGWPs) een cruciale rol bij het bepalen van het systeemrendement en de langdurige prestaties. Deze evenwichtstemperatuur is niet statisch, maar varieert afhankelijk van factoren zoals de warmte- en koudevraag van het gebouw, de aard van de bodem en de regeling van het systeem. Het begrijpen van deze dynamiek is essentieel voor zowel ontwerpers, installateurs als eindgebruikers die een duurzame en kostenefficiënte oplossing op zoek zijn.

In dit artikel wordt de conceptuele basis van evenwichtstemperatuur uitgelegd, met een nadruk op de technische aspecten van grondgekoppelde warmtepompsystemen (GGWPs) en de rol van het boorveld. Daarnaast wordt ingegaan op de invloed van thermische onbalans, regelstrategieën en het gedrag van het systeem op korte, middellange en lange termijn. Het artikel richt zich vooral op de praktische toepassing van deze concepten in de context van hybride systemen en de noodzaak van een optimale regeling.

Wat is evenwichtstemperatuur in GGWPs?

Bij grondgekoppelde warmtepompsystemen is de evenwichtstemperatuur van het boorveld een belangrijke parameter die bepalend is voor het rendement van de warmtepomp en eventuele passieve koelinstallatie. Deze temperatuur ontstaat als gevolg van de netto warmte- of koudevraag van het gebouw op jaarbasis. In het geval van een warmtevraagdominante situatie zal het boorveld geleidelijk afkoelen tot er een thermisch evenwicht is bereikt tussen de warmteextractie uit het grondwater en de warmtediffusie vanuit de omringende bodem. Bij een koelvraagdominante situatie daarentegen zal het boorveld opwarmen tot een evenwicht is bereikt.

Deze evenwichtstemperatuur beïnvloedt direct het COP (Coefficient of Performance) van de warmtepomp. Bij een lagere brontemperatuur neemt het COP van de warmtepomp af, wat betekent dat meer elektriciteit nodig is om dezelfde hoeveelheid warmte te genereren. Bij passieve koeling daarentegen, waarbij de warmtepomp in koelmachinefunctie werkt, zorgt een hogere brontemperatuur voor een lager rendement.

Bij het dimensioneren van een GGWP-systeem wordt rekening gehouden met deze thermische balans. Als het systeem zo wordt ontworpen dat het de volledige warmte- en koudevraag kan dekken, is de regeling relatief eenvoudig. In praktijk is echter vaak een hybride aanpak nodig, waarbij de warmtepomp wordt aangevuld met een back-up verwarmings- of koelinstallatie. In dergelijke gevallen is het belangrijk om de regeling te optimaliseren zodat de energiekosten worden geminimaliseerd en het boorveld niet in thermische onbalans komt.

Invloed van thermische onbalans

Thermische onbalans treedt op wanneer de hoeveelheid warmte die op jaarbasis uit het boorveld wordt onttrokken, niet gelijk is aan de hoeveelheid warmte die terugstroomt uit de omringende bodem. Dit kan gebeuren in gebouwen waarin de warmtevraag dominante is, of in gebouwen waarin het gebruik van passieve koeling leidt tot een netto warmtetoevoer naar het boorveld.

De gevolgen van thermische onbalans zijn meestal traag en op lange termijn zichtbaar. Een boorveld dat te snel afkoelt of opwarmt, kan leiden tot een afname van het rendement van het systeem en extra energiekosten. Daarnaast kan thermische onbalans ook leiden tot een verminderde levensduur van het boorveld, omdat de thermische belasting van de bodem niet uniform is. In extreme gevallen kan dit leiden tot bodemverstijving of veranderingen in de hydraulische eigenschappen van het subsysteem.

De regeling van een GGWP-systeem moet daarom niet alleen gericht zijn op korte-termijn optimalisatie, maar ook op het beheersen van de thermische balans op middellange en lange termijn. Dit vereist een gedetailleerde kennis van de bodemtemperatuur, de warmtecapaciteit van het grondwater en de dynamiek van de warmte- en koudevraag van het gebouw.

Regeling van GGWPs: korte, middellange en lange termijn

Het ontwerpen van een optimale regeling voor een grondgekoppeld warmtepompsysteem is een complexe taak. De regeling moet zowel rekening houden met de directe energiebehoeften van het gebouw, als met de langdurige thermische prestaties van het boorveld. Een slecht gereguleerd systeem kan leiden tot energieverspilling, verhoogde bedrijfskosten en een snellere degradatie van het boorveld.

Bij een korte-termijn regeling wordt meestal gebruikgemaakt van een aan/uit-strategie, waarbij de warmtepomp aanslaat wanneer de temperatuur van het gebouw onder een bepaalde drempel komt en uitgeschakeld wordt wanneer de gewenste temperatuur is bereikt. Deze aanpak is eenvoudig, maar heeft het nadeel dat het niet rekening houdt met de langdurige thermische balans van het boorveld.

Voor een hybride GGWP-systeem, waarbij een back-up installatie parallel werkt met de warmtepomp en de passieve koeling, is een geavanceerdere regeling nodig. Deze regeling moet in staat zijn om op basis van real-time gegevens over de temperatuur van het gebouw, het grondwater en de omringende bodem, te beslissen welke component moet worden ingeschakeld. Dit betreft zowel het kiezen tussen warmtepomp en back-up verwarming bij warmtevraag, als het kiezen tussen passieve koeling en back-up koeling bij koudevraag.

Daarnaast is het belangrijk dat de regeling in staat is om op lange termijn de thermische balans van het boorveld te bewaken. Dit kan worden bereikt door het systeem zo te programmeren dat het bijvoorbeeld in perioden waarin de warmtevraag laag is, extra warmte terugstuurt naar het boorveld, of dat het bij een netto koudevraag extra warmte onttrekt om de temperatuur te stabiliseren.

De rol van de Constructal Law in klimaat en GGWPs

Hoewel de Constructal Law voornamelijk wordt toegepast in de natuurkunde en thermodynamica, biedt deze theorie ook inzicht in het gedrag van klimaat- en warmtepompsystemen. Volgens deze wet streeft elk stromingssysteem naar een quasi-stabiele toestand rond de ideale situatie, waarbij de totale productie en consumptie van energie maximaal is. In het geval van het klimaat betekent dit dat de aarde een evenwichtstemperatuur bezit, die actief wordt bepaald door het stromingssysteem van de atmosfeer en oceanen.

Het idee dat de aarde een soort “klimaatregulator” heeft, die het gaspedaal bedient zoals de cruise control in een auto, is een theoretische analogie die het gedrag van het klimaat verder verduidelijkt. Deze regulator past de energietoevoer aan om een constante temperatuur te bewerkstelligen, ongeacht veranderingen in externe factoren zoals de zonnestraling of de windsnelheid.

Hoewel deze theorie vooral theoretisch is, kan het ook worden toegepast op GGWPs. Net zoals de aarde een evenwichtstemperatuur probeert te behouden, probeert een grondgekoppeld warmtepompsysteem ook een thermische balans te behouden. Dit gebeurt echter niet automatisch, maar vereist een bewuste regeling en beheer van het systeem.

Evenwichtstemperatuur en de invloed van de zonnestraling

Een belangrijk aspect bij het begrijpen van de evenwichtstemperatuur is het inzicht dat deze niet sterk beïnvloed wordt door veranderingen in de sterkte van de zonnestraling. Als de zon zwakker wordt, neemt de verdamping af, wat leidt tot minder wolkvorming en dus meer zonne-energie die de aarde bereikt. Dit mechanisme helpt bij het behoud van een stabiele temperatuur op geologische tijdschaal, terwijl de kracht van de zon toeneemt.

Dit principe is van toepassing op zowel het klimaatsysteem als op GGWPs. In beide gevallen zijn er natuurlijke regelmechanismen die ervoor zorgen dat de evenwichtstemperatuur binnen een bepaalde bandbreedte blijft. Deze stabiliteit is echter niet absoluut en kan worden beïnvloed door veranderingen in de windsnelheid, de albedo en de dynamiek van de oceanen.

De invloed van windsnelheid en albedo

Windsnelheid is een belangrijke factor die zowel de oceanen als de atmosfeer beïnvloedt. Door golfdynamiek is er een koppeling tussen de windsnelheid en de thermische prestaties van het boorveld. Langzame veranderingen in de windsnelheid kunnen dus ook leiden tot veranderingen in de evenwichtstemperatuur van het systeem.

De albedo, of de reflectiviteit van de aarde of van de bodem, speelt ook een rol. De albedo wordt bepaald door de kleur en textuur van de reflecterende stof, zoals sneeuw, ijs of wolken. Veranderingen in de albedo, bijvoorbeeld door afzetting van roetdeeltjes op sneeuw of stof in de wolken, kunnen leiden tot een verandering in de evenwichtstemperatuur. In het geval van GGWPs kan dit bijvoorbeeld gebeuren als de omringende bodem verandert door aanleg of uitbouw van het gebouw.

Gebruik van hybride GGWPs en de rol van de regeling

Een hybride GGWP-systeem combineert de warmtepomp met een back-up verwarmings- en koelinstallatie. Dit biedt meer flexibiliteit, maar vereist een geavanceerde regeling om de energiekosten te minimaliseren en de thermische balans van het boorveld te bewaken.

De regeling van zo’n systeem moet in staat zijn om op basis van real-time gegevens over de temperatuur van het gebouw, het grondwater en de omringende bodem te beslissen welke component moet worden ingeschakeld. Dit betreft zowel het kiezen tussen warmtepomp en back-up verwarming bij warmtevraag, als het kiezen tussen passieve koeling en back-up koeling bij koudevraag.

Conclusie

De evenwichtstemperatuur van grondgekoppelde warmtepompsystemen speelt een centrale rol in het bepalen van het rendement en de langdurige prestaties van het systeem. Deze temperatuur is het resultaat van de thermische balans tussen de warmte- en koudevraag van het gebouw en de warmtediffusie vanuit de omringende bodem. Het beheersen van deze balans vereist een gedetailleerde kennis van de bodemtemperatuur, de warmtecapaciteit van het grondwater en de dynamiek van de warmtevraag.

De regeling van een GGWP-systeem is niet alleen belangrijk voor de korte-termijn optimalisatie, maar ook voor het beheersen van de thermische balans op middellange en lange termijn. In het geval van een hybride systeem is dit nog belangrijker, omdat de keuze tussen warmtepomp en back-up installatie direct invloed heeft op de energiekosten en de levensduur van het boorveld.

Hoewel de Constructal Law en de theorie van de klimaatregulator voornamelijk theoretisch zijn, bieden ze een nuttig kader voor het begrijpen van de dynamiek van GGWPs. Net zoals de aarde een evenwichtstemperatuur probeert te behouden, probeert een grondgekoppeld warmtepompsysteem ook een thermische balans te behouden. Dit gebeurt echter niet automatisch, maar vereist een bewuste regeling en beheer van het systeem.

Voor zowel ontwerpers als eindgebruikers is het begrijpen van deze dynamiek essentieel voor het ontwerpen van een efficiënt en duurzaam GGWP-systeem. Een goed gereguleerd systeem zorgt niet alleen voor energiebesparing, maar ook voor een langere levensduur van het boorveld en een beter functionerend systeem in de toekomst.

Bronnen

uitgangstemperatuur