Topmenu

Geothermische Screeningstool – Achtergrond Warmtegeleidbaarheid

Inleiding

Voor de inschatting van de toepasbaarheid en bij het ontwerp van geothermische, gesloten lussystemen zijn vooral de thermische karakteristieken van de ondergrond bepalend (thermische geleidbaarheid λ, thermische capaciteit C). Daarnaast kunnen ook andere parameters, zoals de grondwaterstroming, een belangrijke invloed hebben op de werking van het systeem.

In het verleden werden al thermische geschiktheidskaarten voor Vlaanderen ontwikkeld (Robeyn en Hoes, 2011). Door toetsing van deze kaarten aan resultaten uit thermische respons tests (TRTs) willekeurig verspreid over heel Vlaanderen, bleek dat deze kaarten de warmtegeleidbaarheid systematisch overschatten (Van Lysebetten et al., 2013). Om deze reden werd in het kader van het IWT-VIS traject Smart Geotherm (2011 – 2017), een alternatieve methode uitgewerkt, gebaseerd op het 3D HCOV-model (Hydrogeologische Codering van de Ondergrond in Vlaanderen).

Hieronder vindt u een beknopte uitleg van de toegepaste methodologie bij het opstellen van de BEO-geschiktheidskaarten. De volledige versie van dit document kan u hier downloaden (PDF-formaat).

Methodologie WTCB – Smart Geotherm

Berekening warmtegeleidbaarheid

De gemiddelde thermische geleidbaarheid van de ondergrond over een diepte, x, wordt berekend als een gewogen gemiddelde van de warmtegeleidbaarheid van elke grondlaag:

Berekening warmtegeleidbaarheid

Met n het aantal verschillende lagen over de beschouwde diepte en Li en λi respectievelijk de dikte en de thermische geleidbaarheid van elke laag.

Concept

De toegepaste methodologie deelt de verschillende hydrogeologische lagen op in een bepaald aantal categorieën volgens het grondtype waaruit de laag hoofdzakelijk bestaat. Aan elke categorie wordt op basis van literatuurgegevens een realistische, minimale en gemiddelde waarde voor de thermische geleidbaarheid toegekend. Deze waarden worden verder getoetst door middel van een kalibratie aan de hand van meer dan 15 beschikbare TRT’s, willekeurig in Vlaanderen uitgevoerd in het kader van reële bouwprojecten (Figuur 1).

Locaties TRTs toetsing
Figuur 1. Locatie van de beschikbare TRT’s uitgevoerd willekeurig in Vlaanderen weergegeven op de Tertiair geologische kaart (het resultaat van TRT met code ‘O’ is niet meegenomen in de kalibratie).

Figuur 2 geeft een theoretisch voorbeeld weer van de kalibratieprocedure. De gehanteerde methodologie beschouwt de verhouding van de gemeten warmtegeleidbaarheid bepaald met een TRT en de voorspelde, minimale of gemiddelde warmtegeleidbaarheid. Voor het geheel aan beschikbare TRT’s wordt getracht dat de verhouding tussen gemeten en geschatte waarde slechts in 5 en 50% van de gevallen kleiner is dan 1, respectievelijk voor de geschatte minimale en gemiddelde warmtegeleidbaarheid.

Histo's kalibratie theoretisch
Figuur 2. Theoretisch voorbeeld van de manier waarop de minimale en gemiddelde λ-waarden per categorie gekalibreerd worden. (links) In slechts 5% van de gevallen is de voorspelde warmtegeleidbaarheid kleiner dan de reële. (rechts) In 50% van de gevallen is de voorspelde warmtegeleidbaarheid kleiner/groter dan de reële.

Praktische uitwerking

Grondcategorieën

Binnen de toegepaste methodologie wordt geopteerd voor een indeling van alle lagen in 5 categorieën op basis van het grondtype waaruit deze laag overwegend bestaat. Volgende categorieën worden gedefinieerd:

  • Klei
  • Zandhoudende klei
  • Leem / silt
  • Kleihoudend zand
  • Zand
  • De resulterende minimale en gemiddelde λ-waarden voor elke categorie zijn weergegeven in Tabel 1. De waarden voor klei, leem/silt en zand zijn deels gebaseerd op literatuurgegevens en werden getoetst aan de hand van de beschikbare TRT’s en bijhorende kalibratieprocedure.

    tabel lambdas
    Tabel 1. Voorstel waarden voor de thermische geleidbaarheid per categorie van grondtype (gebaseerd op literatuurgegevens en op de toetsing met de beschikbare TRT’s). Voor Maasgrind, de Formatie van Maastricht (tuf)krijt en (primaire) rots werden de waarden uit Robeyn en Hoes (2011) overgenomen. Tussen haakjes is de code van de grondcategorie weergegeven.

    Indeling HCOV-lagen in grondcategorieën

    Nu de grondcategorieën zijn gedefinieerd (Tabel 1), komt het erop aan elke grondlaag die in het HCOV-model voorkomt in de meest gepaste categorie onder te verdelen. Deze indeling gebeurde enerzijds op basis van literatuurgegevens, anderzijds werd ze gecontroleerd met behulp van de beschikbare TRT’s en de kalibratieprocedure. De resulterende indeling van de HCOV-lagen is weergegeven in Tabel A.1 van bovenvermeld document.

    Merk op dat niet alle lagen op basis van de lithologische beschrijving even eenduidig aan een bepaalde grondcategorie kunnen worden toegekend. In sommige gevallen is het nodig tijdens de kalibratie bij te sturen. Verder zijn niet alle lagen even uniform. De samenstelling van de laag kan met andere woorden lokaal variëren. Ook verbetert de kwaliteit van deze indeling met een groeiend aantal beschikbare TRT’s voor de kalibratie.

    Ten slotte dient te worden vermeld dat voor de Formatie van Maastricht en voor de Maasgrinden de door VITO/Terra Energy gemeten λ-waarden werden aangenomen. Voor primair rotsgesteente wordt een waarde van 2.4 W/mK verondersteld. Voor de quartaire sub-eenheid HCOV0150 (‘deklagen’) wordt een geografische indeling gemaakt van het grondtype (zand, tenzij gelegen in het loessgebied). Ook op plaatsen waar hoofdeenheid HCOV0100 niet verder wordt opgedeeld, wordt een geografische indeling gemaakt volgens de quartairkaart van Bogemans (2005) (dekzand, loessgebied, Vlaamse Vallei en Kustvlakte of Maasgrinden). Wanneer er een andere hoofdeenheid voorkomt die niet verder werd gekarteerd, wordt de meest voorkomende grondcategorie verondersteld. Merk op dat dit slechts in mindere mate voorkomt.

    Resultaten kalibratie

    Tabel 2 geeft een overzicht van de geschatte λ-waarden berekend volgens de hierboven besproken methodologie voor de locaties waar er een TRT werd uitgevoerd. Al deze waarden werden geschat over een diepte overeenkomend met de diepte van de geïnstalleerde warmtewisselaar.


    Tabel 2. Vergelijking van de gemeten λ-waarden in de beschikbare, willekeurige TRT’s en de voorspelde waarden volgens de methodologie van WTCB (afgerond op één cijfer na de komma).

    Figuur 3 stelt de resultaten van de kalibratie op een visuele manier voor. In deze figuur zijn de histogrammen weergegeven van de verhouding van de gemeten λ-waarde met behulp van een TRT en de minimale en gemiddelde geschatte λ-waarde. Met de λ-waarden per grondcategorie uit Tabel 1 en de indeling van de HCOV-eenheden per grondcategorie volgens Tabel A.1 uit bovenvernoemd document is de voorspelde minimale waarde slechts in 7% van de gevallen kleiner dan de werkelijke waarde. De voorspelde, gemiddelde λ-waarde is dan weer in 43% van de gevallen kleiner dan de reële waarde. Deze percentages werden berekend op basis van de theoretische Gauss-curve met het gemiddelde en de standaarddeviatie van alle berekende verhoudingen.


    Figuur 3. De histogrammen van de verhouding van de gemeten λ-waarde λTRT en de geschatte, minimale en gemiddelde λ-waarde (over een diepte gelijk aan de diepte van de warmtewisselaar). De theoretische Gauss-curve op basis van het gemiddelde en de standaarddeviatie van de verhoudingen is eveneens weergegeven.

    Voor een snelle en eenvoudige inschatting van de warmtegeleidbaarheid op eender welke locatie in Vlaanderen wordt een online tool ontwikkeld. Daarnaast kunnen er ook kaarten worden opgesteld met de minimale en gemiddelde warmtegeleidbaarheid tot een bepaalde diepte. Figuren 4 en 5 tonen zo, respectievelijk, de minimale en gemiddelde warmtegeleidbaarheid over een diepte van 100m, tot de vaste rots of tot de gekarteerde diepte.


    Figuur 4. Minimale warmtegeleidbaarheid in Vlaanderen over 100m diepte, tot de vaste rots of tot de gekarteerde diepte.


    Figuur 5. Gemiddelde warmtegeleidbaarheid in Vlaanderen over 100m diepte, tot de vaste rots of tot de gekarteerde diepte.

    4. Conclusies en opmerkingen

    De bepaling van de warmtegeleidbaarheid wordt geautomatiseerd in een online webtool. Men mag echter niet vergeten dat dergelijke tool geen TRT kan vervangen, maar wel interessant is in het kader van kleinere, particuliere projecten of als voorbereiding van een groter project (voorafgaand aan een TRT).

    Daarnaast is het ook belangrijk in het achterhoofd te houden dat de kalibratieprocedure is gesteund op een beperkt aantal TRT’s uitgevoerd willekeurig in heel Vlaanderen. Om de betrouwbaarheid van de schattingen te verhogen is een groter aantal TRT’s noodzakelijk. In de toekomst zal getracht worden zo veel mogelijk informatie te verzamelen en zo de betrouwbaarheid van de bestaande kaarten gaandeweg te verhogen.

    Een laatste opmerking is dat in het huidige rapport de resultaten van de 15 TRT’s werden overgenomen zonder de testprocedure en de wijze van interpretatie van de meetgegevens met elkaar te vergelijken. Alle TRT’s werden uitgevoerd met een dubbele U-lus, maar door verschillende firma’s. Ook de opvulling en diameter van het boorgat, de duur van de test, enz. kunnen verschillen. Of deze factoren een invloed hebben op de resultaten en in welke mate is niet bestudeerd.