In de strijd om ons energieverbruik terug te dringen, is een frontlijn getrokken op het gebied van temperatuurbeheersing. Het Amerikaanse ministerie van energie schat dat ongeveer 40% van het totale energieverbruik van de natie gaat naar verwarming en koeling van onze huizen, kantoren en instellingen. Of ze nu een beroep doen op het elektriciteitsnet om de hitte in de zomer te verslaan of ter plaatse fossiele brandstoffen verbranden om de koude van de winter te bestrijden, gebouwen, over het geheel genomen, laten SUV’s er milieuvriendelijk uitzien.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt om dit beeld te veranderen door efficiëntere mechanische systemen te ontwerpen, de thermische prestaties te verhogen, en ter plaatse opwekking van hernieuwbare energie te ontwikkelen – allemaal belangrijke en bewonderenswaardige vorderingen – misschien is de meest veelbelovende bron die beschikbaar is voor de architectuur te vinden binnen het eigenlijke terrein waarop de structuren zich bevinden, in de vorm van geothermische systemen.
Het eerste wat een kenner van de technologie u zal vertellen is dat geothermische systemen voor gebouwen, ook bekend als geothermische warmtepompen of aardwarmtepompen (GHP’s), niet hetzelfde zijn als geothermische energiecentrales. Geothermische energiecentrales – in de industrie bekend als hot rock geothermal – zijn grote installaties die (in dit land) vooral rond de Rocky Mountains en de Sierra Nevada zijn gebouwd, waar extreem hoge temperaturen uit de aardmantel relatief dicht aan de oppervlakte kunnen worden gevonden. Zij boren deze warmtereserves aan en gebruiken ze om stoom te produceren, die vervolgens een turbine aandrijft en zo elektriciteit produceert.
GHP’s daarentegen gebruiken de thermische energie die is opgeslagen in het bovenste gedeelte van de aardkorst om een gebouw te verwarmen of te koelen, en vervangen zo conventionele verwarmingsketels en airconditioningsystemen. “De temperatuur van de aarde beneden 20 of 30 voet is een relatief constant getal het hele jaar door, ergens tussen 50 en 60 graden” F, zegt John Kelly, de COO van de Geothermal Exchange Organization, een non-profit handelsorganisatie in Washington, D.C., die lobbyt voor een bredere toepassing van de technologie. “Een geothermische warmtepomp verplaatst warmte van en naar de aarde door water door een bron te laten circuleren.”
“Bijvoorbeeld,” biedt Kelly aan, “laten we zeggen dat in Kansas City, de ondergrondse temperatuur 55 graden is. In de zomer is de luchttemperatuur 100 graden en in de winter 20, maar onder de grond is het nog steeds 55 graden. Het is niet zo moeilijk om die constante temperatuur uit de grond te halen, zodat je in de winter kunt verwarmen en in de zomer kunt koelen.”
Met andere woorden, in de winter verplaatst een GHP de thermische energie van onder de grond naar een gebouw, en in de zomer keert het dat proces om, waarbij de warmte in een gebouw naar beneden in de grond wordt verplaatst. De warmtepomp onttrekt de temperatuur aan het water en verdeelt het over het gebouw, ongeveer zoals centrale airconditioning werkt. Als alternatief wordt grondwater rechtstreeks gecirculeerd door een reeks putten.
Hoe dan ook, GHP’s zijn aanzienlijk goedkoper in gebruik dan conventionele verwarmings- en koelsystemen. “De kostenbesparingen ontstaan doordat de grond begintemperaturen biedt die dichter liggen bij wat gewenst is voor verwarming en koeling dan de seizoensgebonden temperatuurextremen waarop veel conventionele HVAC-systemen met lucht als bron vertrouwen,” zegt John Rhyner, een senior projectmanager bij P.W. Grosser Consulting in Bohemia, N.Y., een civiel ingenieursbureau dat gespecialiseerd is in geothermische energie en momenteel een boek met richtlijnen over de technologie opstelt voor het New York City Department of Design and Construction. “Er is minder energie nodig om dat kleinere temperatuurverschil goed te maken”, zegt Rhyner.
Hoewel de theorie en technologie achter GHP eenvoudig zijn, kan de implementatie van een GHP-systeem een complexere aangelegenheid zijn. Er zijn verschillende types GHP-systemen en het kiezen van het beste systeem voor een specifiek project kan heel wat studie en maatwerk vereisen. “Het is geen standaardaanpak”, zegt Rhyner. “Er is een zekere mate van voorafgaande haalbaarheidsanalyse nodig om het juiste systeem voor een bepaalde locatie te kiezen. Voor een middelgroot tot groot commercieel systeem zijn due diligence en haalbaarheidsanalyse van cruciaal belang, en mogen ze het budget niet te boven gaan.”
“Het doel,” voegt Rhyner toe, “is om iedereen in het begin op één lijn te krijgen en duidelijke richtlijnen voor de aanpak te geven. Het type systeem dat het meest geschikt is, varieert geografisch, afhankelijk van de geologische omstandigheden, hoe het gebouw aan de grond wordt gekoppeld, en welke boormethode geschikt is.”
De drie meest voorkomende typen WKK-systemen zijn closed-loop, open-loop, en staande kolomput. Closed-loop systemen circuleren water door een gesloten netwerk van pijpen die onder de grond zijn begraven. Het water in de pijpen brengt warmte over van de aarde naar het gebouw tijdens de winter, en vice versa tijdens de zomer, door middel van een warmtewisselaar. Aangezien het water in een gesloten circuit stroomt, wisselt het niet al zijn temperatuur uit; het kan ’s zomers wel 80 tot 90 graden F worden en ’s winters wel 40 tot 30 graden F. Daarom wordt het water gewoonlijk gecombineerd met een mengsel van 30 procent antivries van levensmiddelenkwaliteit (bijvoorbeeld propyleenglycol) om te voorkomen dat de vloeistof tijdens de wintermaanden geleert.
Systemen met gesloten kringloop kunnen horizontaal in velden worden aangelegd, net onder de vorstgrens, of verticaal in putten, die meestal 200 tot 500 voet diep zijn geboord. Horizontale systemen worden over het algemeen gebruikt voor kleinere of residentiële projecten. Ze zijn goedkoper te installeren, maar worden beïnvloed door de temperatuur van de buitenlucht, wat betekent dat ze minder efficiënt kunnen worden naarmate het seizoen vordert en de bodem de kenmerken van de luchttemperatuur aanneemt.
Verticaal geboorde gesloten-lussystemen zijn efficiënter dan horizontale systemen, omdat een groter deel van de pijp in contact is met de stabiele, koele aardematerialen. Ze zijn het meest efficiënt als ze in grondwater kunnen worden geboord in plaats van in droge grond, omdat water een goede warmtegeleider is. Gesloten-lussystemen vereisen doorgaans grote hoeveelheden land. “Voor een gesloten kringloopsysteem hangt alles af van hoeveel pijp je in de grond kunt krijgen met het open landoppervlak dat je beschikbaar hebt om mee te werken,” zegt Rhyner. “Je krijgt een bepaald aantal tonnen per strekkende meter, en je kunt meer pijp verticaal in de grond krijgen dan horizontaal.”
Open-loop systemen onttrekken het eigenlijke grondwater uit een put, verplaatsen het door een warmtewisselaar, en voeren het water vervolgens terug naar aparte putten, waar het wordt toegestaan om terug te sijpelen naar de watervoerende laag. De aanvoer- en retourputten (de laatste worden ook “injectieputten” genoemd) moeten ver genoeg uit elkaar worden geplaatst om ervoor te zorgen dat het thermisch veranderde water (d.w.z. het water dat is verwarmd of afgekoeld) niet via de aanvoerputten in het systeem wordt teruggezogen totdat het weer op grondtemperatuur is. Het aantal injectieputten dat nodig is, hangt volledig af van het debiet dat door de toevoerputten wordt gegenereerd.
Open-lussystemen zijn over het algemeen efficiënter dan gesloten-lussystemen, omdat zij beter gekoppeld zijn aan de grondtemperatuur, waarbij geen warmteoverdracht plaatsvindt over de plastic gesloten-luspijp of de grout die wordt gebruikt om het boorgat af te dichten. Deze systemen brengen echter wel uitdagingen met zich mee, met name de waterchemie, die de warmtepompapparatuur kan aantasten of het systeem na verloop van tijd kan vervuilen, waardoor extra reiniging nodig is. Als het grondwater veel zout, mineralen of ijzer bevat, verdienen gesloten systemen over het algemeen de voorkeur.
Standkolomputten zijn een gespecialiseerd type open-loop systeem dat zeer geschikt is wanneer het gesteente niet te diep onder de oppervlakte zit. Staande kolom putten worden geboord tot een diepte van 1.500 tot 2.000 voet. In het ondiepe gedeelte van de put door de bodemzone wordt een stalen mantelbuis geïnstalleerd, terwijl de resterende diepte wordt aangeboord en als een open rotsboring wordt achtergelaten. In deze systemen wordt het grondwater vanaf de bodem van de put omhoog gepompt, door een warmtepomp of warmtewisselaar geleid, en dan teruggevoerd naar de bovenkant van de put, waar het langzaam naar beneden filtert, warmte uitwisselend met het omringende gesteente.
Volgens Rhyner bieden “staande kolomputten de meeste thermische capaciteit per installatie, en zijn dus populair in stedelijke gebieden zoals New York City met beperkte grond om te boren”. Waar het gesteente dieper is dan 100 tot 125 voet kan het te duur worden om deze putten te installeren, wegens de hoeveelheid stalen omhulsel die nodig zou zijn om de bodemzone af te dichten.
Het kiezen van welk van deze systemen geschikt is voor een specifiek project vereist het berekenen van de vraag naar verwarming en koeling van een gebouw en het uitvoeren van een analyse van de ondergrond om de thermische capaciteit van de plaats te bepalen, en hoeveel putten of hoe groot een lusveld nodig zal zijn. Als de berekeningen correct zijn uitgevoerd en het systeem goed is ontworpen, kunnen warmtepompen alle verwarmings- en koelingslasten van een gebouw aan, ongeacht de heersende klimatologische omstandigheden.
“Warmtepompen werken overal ter wereld,” zegt Kelly. “Ze werken zeker goed in heel Noord-Amerika. Ze worden veel gebruikt in Canada, en ook in Mexico.” Wanneer ze goed ontworpen en geïnstalleerd zijn, verminderen warmtepompen drastisch de hoeveelheid energie die nodig is om een gebouw te verwarmen en te koelen. Volgens het U.S. Environmental Protection Agency zijn WKK’s 48 procent efficiënter dan de beste gasoven en 75 procent efficiënter dan de beste olieoven. Zij verbruiken 25 tot 50 procent minder energie dan andere HVAC-systemen en brengen de exploitatie- en onderhoudskosten met maar liefst 40 procent terug.
De belangrijkste belemmering voor de grootschalige toepassing van WKK’s zijn de relatief hoge aanloopkosten voor de installatie, waarvan het grootste deel opgaat aan het boren voor de aanleg van putten en lusvelden, en het ontwerp en de analyse die nodig zijn om een systeem op een gebouw af te stemmen. De mechanische apparatuur zelf – de warmtepompen en warmtewisselaars – is niet duurder dan conventionele verwarmings- en koelsystemen. De jaarlijkse besparingen op de energierekening compenseren echter de initiële kosten. De terugverdientijd van commerciële WKK-systemen wordt over het algemeen berekend op 10 tot 20 jaar, maar kan vaak korter zijn, bijvoorbeeld als het systeem een verouderd, inefficiënt HVAC-systeem vervangt. GHP-systemen kunnen qua kosten concurrerend zijn met veel conventionele systemen in nieuwbouw. Als gevolg hiervan zijn WKK’s vooral populair bij gemeentelijke en institutionele klanten, gebouweigenaren die van plan zijn hun faciliteiten op lange termijn te bewonen en te exploiteren, en degenen die gewoon meer geïnteresseerd zijn in milieubeheer dan in de winst.
De stad Chicago is momenteel bezig met de bouw van vijf nieuwe bibliotheken, waarin een aantal duurzame ontwerpkenmerken zijn opgenomen. De bibliotheken zijn ontworpen door Lohan Anderson en maken gebruik van GHP-systemen. Een van deze bibliotheken is de Richard M. Daley Branch Library, een faciliteit met een oppervlakte van 16.300 m2 die een LEED Silver certificering zal krijgen. Het filiaal wordt bediend door 24 gesloten geothermische bronnen die tot 395 voet onder de parkeerplaats zijn geboord. Deze zullen warm of gekoeld water leveren aan een luchtbehandelingskast en ook aan een vloerstralingssysteem. Hoewel de thermische capaciteit van het GHP-systeem voldoende is om in alle verwarmings- en koelingsbehoeften van de bibliotheek te voorzien, vroeg de klant ook om een reserveboiler.
“De stad heeft niet veel ervaring met deze systemen, dus ze voelden zich niet op hun gemak als ze alleen op geothermische systemen vertrouwden,” legt Stephen Novak uit, projectingenieur bij Henneman Engineering in Chicago, dat het GHP-systeem voor de bibliotheek ontwierp. “Na verloop van tijd, zodra er meer documentatie is en ze zien dat deze systemen werken, kunnen de ketels worden geëlimineerd uit het prototype van de filiaalbibliotheek van de stad.”
GHP’s hoeven niet noodzakelijkerwijs op maat te worden ontworpen voor individuele projecten. Novak ziet de aanleg van grote geothermische districtsvelden die investeerders net als een nutsbedrijf kunnen aanboren als een manier waarop de technologie in de toekomst meer gangbaar zou kunnen worden. Boise, Idaho, heeft bijvoorbeeld een geothermisch districtssysteem dat gebouwen in de binnenstad verwarmt. Maar het systeem is afhankelijk van geologische warmwaterbronnen, een natuurlijke hulpbron die voor de meeste steden niet beschikbaar is.
Ball State University in Muncie, Ind., werkt momenteel aan een GHP-systeem van vergelijkbare schaal. Wanneer het voltooid is, zal het het grootste gesloten WKK-systeem in het land zijn. Het project vervangt vier verouderde kolengestookte ketels door 3.600 boorgaten in velden verspreid over de 660 hectare grote campus. Deze velden zullen zorgen voor de verwarming en koeling van meer dan 45 gebouwen, waardoor de koolstofvoetafdruk van de universiteit ruwweg wordt gehalveerd en er 2 miljoen dollar per jaar aan bedrijfskosten wordt bespaard. Het hele systeem loopt via twee energiecentrales, waar warmte die uit de grond wordt gehaald of naar de grond wordt teruggevoerd, wordt uitgewisseld door middel van warmtepompen die zijn aangesloten op twee verschillende lussen die door de campus lopen. De ene lus transporteert koud water van een constante 42 graden, de andere lus transporteert warm water van een constante 150 graden. Deze lussen lopen door warmtewisselaars in elk gebouw, waar ventilatoren de gewenste temperatuur aan de gebruikers leveren.
Hoewel GHP-systemen voor de hand liggende milieuvoordelen bieden, bieden ze architecten ook de mogelijkheid om zich te bevrijden van de last van het verbergen van ontsierende mechanische apparatuur, aangezien de meeste componenten van de systemen zich ondergronds bevinden, goed uit het zicht. Dit kan vooral welkom zijn bij de renovatie van historische gebouwen.
Een dergelijk project is het ontwerp van Helpern Architects voor de restauratie van Knox Hall aan de Columbia University. Knox Hall, voltooid in 1909, is een zeven verdiepingen tellend neogotisch stenen gebouw van 50.000 vierkante meter met koperen daken. “Het is geen monumentaal gebouw, maar we behandelden het alsof het dat wel was omdat het wordt gebruikt door Columbia University op de Union Theological Seminary campus,” zegt Margaret Castillo, AIA, een principal bij Helpern. “We hebben vijf verschillende HVAC-systemen bestudeerd, waaronder geothermische. Uiteindelijk bleek geothermie, ondanks de architectonische bezwaren – het zou niet eenvoudig zijn geweest om koelers op het dak te plaatsen – het meest kosteneffectief op operationeel niveau.”
Knox Hall vertrouwt voor alle verwarmings- en koelingsbehoeften op vier staande kolombronnen die tot een diepte van 1.800 meter zijn geboord. Mede dankzij dit systeem heeft het project LEED Gold gekregen. Hoewel de aanloopkosten relatief hoog waren, schat Columbia de terugverdientijd op ongeveer zes of zeven jaar. “Ze zijn erg blij dat dit project het energieverbruik en de uitstoot van broeikasgassen vermindert,” zegt Castillo.