De warmtepomp

Voor de oppervlakte- en ondiepe geothermische systemen (Categorieën I en II) en met uitzondering van passieve koeling (of free geocooling), is het nodig een geothermische warmtepomp (WP) te gebruiken waarmee men, door toevoeging van elektrische energie, de temperatuur verkregen uit de ondergrond kan opwaarderen tot bruikbare temperatuurniveaus voor verwarming van het gebouw. De warmtepomp kan omgekeerd ook als een koelkast functioneren, d.w.z. het gebouw afkoelen en de onttrokken warmte in de ondergrond injecteren.

Basisprincipe

De warmtepomp bestaat uit een gesloten, lucht- en waterdicht circuit waarin naargelang de delen die het doorkruist een vloeibaar of gasvormig koelmiddel circuleert. Een warmtepomp is opgebouwd uit vier bestanddelen: de verdamper, de compressor, de condensor en het expansieventiel. De werking in verwarmingsmodus is als volgt:

In de verdamper vangt het koelmiddel de thermische energie op van de vloeistof die van de ondergrond komt. De temperatuur van het koelmiddel stijgt en verdampt. 

In de compressor wordt de waterdamp gecomprimeerd (met een elektrische motor die gevoed wordt door een externe energiebron), wat leidt tot een hogere temperatuur van de damp.

In de condensor staat het koelmiddel, dat dan een hoge temperatuur heeft, zijn thermische energie af aan de vloeistof die in het gebouwcircuit circuleert. Daardoor daalt de temperatuur van het koelmiddel en verdampt het. Het koelmiddel bereikt een vloeibare toestand en heeft een lage temperatuur en een hoge druk.

In het expansieventiel loopt de druk van het koelmiddel terug, met daarmee gepaard gaand een nieuwe daling van de temperatuur. Het koelmiddel bevindt zich opnieuw in vloeibare toestand, heeft een lage temperatuur en lage druk en kan dus een nieuwe cyclus aanvatten.

De prestatie van de warmtepomp

De prestatie van de warmtepomp wordt bepaald door de COP-waarde (coefficient of performance of prestatiecoëfficiënt). Deze waarde drukt de verhouding uit tussen de thermische energie die de warmtepomp levert (om het gebouw te verwarmen of af te koelen) en de (doorgaans) elektrische energie die het systeem krijgt aangeleverd om de warmtepomp aan te drijven. Geothermische warmtepompen halen in verwarmingsmodus typisch COP-waarden van meer dan 4 (voor 1 kWh geproduceerde warmte wordt 0.25 kWh daadwerkelijk in de vorm van elektrische energie verbruikt en 0.75 kWh wordt onttrokken aan de ondergrond).

Deze prestatiecoëfficiënt hangt af van de temperatuur van de vloeistof binnen het primaire circuit (vloeistof die in de ondergrond circuleert) en van de vloeistof binnen het secundaire circuit (die de warmte in het gebouw verdeelt). Hoe hoger het verschil in temperatuur tussen beide circuits, hoe lager de energieprestatie van de warmtepomp. 

Zo kan de warmtepomp voor een systeem voor verwarming op lage temperatuur (bijvoorbeeld 35°C) en een goed gedimensioneerd geothermisch systeem (dat het warmtereservoir van de ondergrond niet uitput) COP-waarden halen van meer dan 5. Hoe hoger de gevraagde afgiftetemperatuur aan de warmtepomp, des te meer de prestaties van de warmtepomp zullen teruglopen. Het is dus aangewezen een verwarmingssysteem op lage temperatuur te gebruiken, zoals bijvoorbeeld vloerverwarming, om de prestaties van de energiepomp te optimaliseren.

Het voordeel van de geothermische warmtepompen is dus dat de temperatuur van het primaire circuit heel het jaar lang relatief constant is (tussen 10 en 14°C volgens de streek en de diepte van de sondes). Dat voorkomt dat de prestatiecoëfficiënt in de winter drastisch terugloopt, zoals men kan vaststellen bij warmtepompen die gebruikmaken van de buitenlucht als bron (met een lage temperatuur in de winter). Een nauwkeurige dimensionering van het geothermische systeem door vaklui is evenwel noodzakelijk. Bij deze dimensionering dient men enerzijds rekening te houden met de thermische eigenschappen van de ondergrond en anderzijds met de energiebehoefte van het gebouw. Door een dergelijke dimensionering kan men het risico op uitputting van het geothermische reservoir en dus ook mindere prestaties van de warmtepomp vermijden.