Spelen met natuurkrachten
In Duitsland al lang ingeburgerd, in ons land nog een rariteit: gebouwen verwarmen met behulp van een ijsbuffer. Harm Flintrop, directeur van SolarEis Benelux legt uit hoe het concept werkt, wat de voordelen zijn en waar het al wordt toegepast in Nederland.
Een zon/lucht-absorber, een betonnen buffertank, twee warmtewisselaars, een warmtepomp en een warmteafgifte systeem (bij voorkeur een LTV-oplossing). Meer is er niet nodig om een pand met behulp van een ijsbuffer duurzaam te verwarmen en te koelen. De elementen doen de rest. IJsbuffers zijn een vorm van thermische energieopslag. In de zomer nemen zon/lucht-warmtecollectoren op het dak zonne-energie op. De warmte wordt in een ondergrondse ijsbuffer opgeslagen. Wordt het kouder en moet er worden bijgestookt, dan koel je dat water gecontroleerd af tot onder het vriespunt. Bij de overgang van koud water naar ijs komt energie vrij, de kristallisatiewarmte. Die warmte is vervolgens bruikbaar om te voorzien in de warmtebehoefte. Vanaf het einde van het stookseizoen begint het omgekeerde proces. Het Duitse bedrijf Isocal ontwikkelde enkele jaren geleden op basis van dit principe het SolarEis-concept. De techniek is sinds sindsdien al veelvuldig toegepast bij onze Oosterburen.
Onontdekt
Maar in Nederland valt nog een wereld te winnen. Er is al een aantal projecten gerealiseerd. Het energieconcept functioneert in het Huis van de Gemeente; het nieuwe gemeentehuis in het Noord-Limburgse Panningen dat sinds juni 2016 is uitgeroepen tot meest energieopwekkende gemeentehuis van Nederland. Daarnaast functioneert het SolarEis concept ook in het kantoorpand van installateur Breman te Zwolle en in het kantoor en de productie- ruimte van Lamers Productions te Gendt. Bovendien zijn er in Goes 21 woningen voorzien van het SolarEis concept. Tot slot wordt in november in Nijmegen een nieuw onderkomen voor de paters der Jezuïeten opgeleverd, dat gekoeld en verwarmd wordt met een ijsbuffer. Het gebouw bevat 99 wooneenheden.
Vijf energiebronnen
Het concept maakt gebruik van vijf duurzame energiebronnen: zon, lucht, aarde, water en ijs, waarbij de focus ligt op het gebruik van de kristallisatiewarmte, die ontstaat bij de overgang van water naar ijs. Wanneer water overgaat naar een vaste vorm vindt er kristallisatie plaats. Bij dit proces komt er energie vrij, evenals bij de overgang van een vaste vorm naar water. Het smelten van één liter ijs kost evenveel energie als het verwarmen van één liter water tot 80°C. Zonne-absorbers op het dak vangen de warmte van de omgevingslucht op. Deze warmte wordt op een lage temperatuur opgeslagen in een ondergrondse buffer. Een warmtepomp brengt dit water op de gewenste temperatuur om het gebouw te verwarmen. Aan het eind van het stookseizoen wordt er alleen nog energie aan de buffer onttrokken, totdat er ijs ontstaat. Dit ijs koelt in de zomer het gebouw, de warmte van het gebouw wordt vervolgens in de winter weer gebruikt voor verwarming.
Meerdere primaire bronnen
Het SolarEis ijsreservoir maakt gebruik van meerdere primaire bronnen. Strikt genomen moet bij een ijsopslagsysteem worden gesproken van een warmtepomp met een opslagmogelijkheid voor primaire energie, waarbij gebruik wordt gemaakt van verschillende primaire bronnen, zoals zon, omgevingslucht, aardwarmte, gebouwwarmte en restwarmte. Een beheerssysteem regelt de verschillende bronnen. Het reservoir voor primaire energie slaat deze energie op bij lage temperaturen en stelt die ter beschikking als primaire bron voor de warmtepomp. Om de capaciteit van het reservoir uit te breiden, wordt de vrijgekomen energie gebruikt bij de fase-omzetting.
Het ijsopslagsysteem bestaat uit volgende onderdelen:
• IJsreservoir
• Warmtewisselaar voor onttrekking en regeneratie
• Absorber voor zon/lucht
• Water/waterwarmtepomp
• Warmtebeheersysteem
Werking van het ijsreservoir
Het ijsreservoir is het hart van het systeem. Het energiegehalte van water is beperkt en bedraagt ongeveer 1,163 Wh/(kg.K). Als een liter water met 1 Kelvin wordt afgekoeld, komt er 1,163 Wh energie vrij. De warmte wordt stap voor stap via de warmtewisselaar door de warmtepomp aan het reservoir onttrokken en het water wordt afgekoeld tot 0°C. De fasewisseling van water naar ijs levert nog meer energie op. De temperatuur blijft constant op 0°C, maar er komt 93 Wh /(kg.K) kristallisatie-energie vrij, die door de warmtepomp gebruikt kan worden. Dit komt overeen met de energie die vrijkomt als water van 80°C afgekoeld wordt tot 0°C.
IJsvorming
De ijsvorming begint bij de warmtewisselaar door onttrekking van warmte en zet zich door van binnen naar buiten. De ijslaag op de kunststofbuizen biedt een extra weerstand voor de warmtegeleiding van het opslagmedium naar het watercircuit voor de warmtepompen. Door de ijsvorming wordt de oppervlakte van de kunststof buizen voor de warmteoverdracht in het reservoir continu groter. Deze oppervlaktevergroting en de gelijktijdige vergroting van de warmtegeleidingsweerstand zijn ongeveer evenredig. Via het grote oppervlak wordt meer warmte opgenomen, maar die wordt minder goed naar het opslagmedium geleid, zodat de warmtestroom constant blijft. De door de zonne-/luchtabsorber gewonnen energie, wordt via de regeneratiewarmtewisselaar afgegeven aan het opslagmedium en verwarmt het water of, in het andere geval, doet het ijs weer smelten.
Grondwarmte
Naast de warmte uit de zonne-/luchtabsorber, maakt het ijsreservoir ook gebruik van grondwarmte. Zodra de temperatuur van de buffer lager wordt dan de omringende grond, neemt het reservoir aardwarmte op. Ook als het reservoir volledig bevroren is, komt er nog altijd warmte uit de grond die gebruikt wordt als warmtebron. Tijdens de zomer wordt warmte via het oppervlak van het reservoir aan de grond afgegeven. Oververhitting van de inhoud van het reservoir tijdens de zomer zal dan ook niet optreden.
Natuurlijke koeling
Het ijsreservoir kan tijdens de zomermaanden ook worden gebruikt voor natuurlijke koeling. Hiervoor wordt het ijsreservoir aan het einde van de verwarmingsperiode volledig bevroren door de regeneratie van het reservoir te onderbreken. Het hierdoor gevormde ijs kan gebruikt worden als natuurlijke bron voor koeling. Via de warmtewisselaar wordt warmte aan het verwarmingssysteem onttrokken en naar het opslagmedium geleid.
Investering
De investering ten opzichte van andere systemen ligt op dit moment circa 20% hoger. ABT Ingenieursbureau heeft het systeem voor de gemeente Peel en Maas en Kloostertuin Brakkenstein vergeleken met alternatieven en daarbij scoorde het SolarEis conceptmatig name goed op onderhoud en levensduur. RWS Goes rekent in haar exploitatiemodel op een periode van 40 jaar en dan scoort het SolarEis concept het hoogst. Door de toegepaste materialen en het onderhoudsvriendelijke ontwerp zijn de jaarlijkse reserveringen voor vervangingskosten gering.
Onderhoudsgemak
Doordat er geen draaiende delen in de installatie aanwezig zijn of andere zaken die aan slijtage onderhevig zijn, beperkt het onderhoud zich tot visuele controles en correctief onderhoud. De warmtepomp en appendages in de techniekruimtes zijn de enige zaken die onderhoud vergen.
Toekomst
SolarEis Benelux BV is sinds 2013 actief in Nederland. Momenteel draaien er acht systemen. Naar verwachting komen daar het komende jaar nog eens vier bij en in 2018 7. Vooral de vraag naar collectieve systemen in de woningsector zal toenemen, is de prognose. Dat ligt in lijn met de eerdere, geleidelijke groei in Duitsland. Je moet nu eenmaal eerst een aantal systemen hebben draaien om mensen bekend te maken met het concept. Pas dan kan je hun vertrouwen winnen •
