Principe
Terwijl bij open systemen het grondwater de energiedrager is, wordt deze functie bij gesloten systemen opgenomen door een vloeistof (in bepaalde gevallen een gas) die door sondes stroomt.
Afhankelijk van de ligging van deze sondes maken we een onderscheid tussen horizontale of verticale systemen. De systemen waarbij gas door de sondes stroomt, wordt afzonderlijk behandeld.
Horizontale systemen
Horizontale lussen van kunststof worden tussen 1.2 en 2m onder de grond aangebracht. Ze kunnen vlak worden gelegd of spiraalvormig in uitgegraven sleuven.
De ondiepe lussen werken grotendeels als ondergrondse zonnecollectoren: in de winter wordt warmte uit de ondiepe grond uitgeput, terwijl in het zomerseizoen het ‘warmtereservoir’ gevuld wordt.
De eenvoudige installatie en de beperkte vermogensuitwisseling van horizontale bodemwarmtewisselaars maakt dat deze techniek zich enkel leent voor onttrekking van warmte en voornamelijk geschikt is voor de residentiële sector.
Verticale systemen
In de bodem worden gaten geboord met een diameter van 15 à 20 cm en een diepte tot 300m. In deze boorgaten worden kunststofbuizen geplaatst waardoor later een vloeistof stroomt die de energie met de bodem uitwisselt. De vloeistof bestaat uit een mengsel van water en antivries (glycol).
Verticale warmtewisselaars zouden kunnen worden gebruikt om enkel warmte uit de grond te onttrekken. Hierdoor bereikt men uiteindelijk een grondtemperatuur rond het vriespunt op het einde van het stookseizoen. Tijdens de zomerperiode moet de grond door o.a. de stroming van grondwater voldoende opwarmen om terug de bodemtemperatuur van het begin van het stookseizoen te bekomen.
Door echter meerdere wisselaars op een afstand van 2m tot 10m van elkaar te voorzien, wordt een buffer gecreëerd waar zowel koude als warmte kan worden opgeslagen.
Tijdens de winterperiode wordt door de warmtewisselaars warmte aan de bodem onttrokken die via een warmtepomp instaan voor de verwarming van een gebouw.
Door de onttrekking van warmte daalt de bodemtemperatuur tot een minimum aan het einde van het stookseizoen.
Tijdens de zomerperiode wordt door diezelfde warmtewisselaars de opgeslagen koude naar boven gebracht.
De koude kan op twee manieren naar de ruimte worden overgebracht. Ofwel wordt enkel de warmtewisselaar van de warmtepomp gebruikt en spreekt men van natuurlijke of passieve koeling. Ofwel wordt de werking van de warmtepomp omgekeerd en maakt men gebruik van actieve koeling. In dit laatste geval stijgt natuurlijk de energiekost voor de activatie van de warmtepomp.
Omdat dit systeem gebruik maakt van de bodem als tijdelijke opslag van energie, noemt men dit ook Boorgat-energieopslag (BEO) of Boorgat Thermische Energie Opslag (BTES)
Energiepalen
Een bijzondere vorm van BEO ontstaat wanneer de verticale warmtewisselaar geïntegreerd wordt in de fundering van het gebouw. De fundering heeft dan niet enkel een dragende constructieve functie, maar maakt ook deel uit van de opslag en warmtewisseling met die bodem. Een energiepaal combineert op die wijze een paalfundering en een verticale warmtewisselaar.
Randvoorwaarden voor gesloten verticale systemen
De werking van een verticaal systeem met warmtewisselaars berust op de overdracht door geleiding van warmte van de vloeistof in de warmtewisselaar naar de bodem en omgekeerd. Hiervoor is er enerzijds een goede warmtegeleiding (t.t.z. een lage warmteweerstand) nodig van de warmtewisselaar naar de wand van het boorgat en anderzijds een goede warmtegeleiding van de wand van het boorgat verder in de bodem.
Het eerste kan men bereiken door een verzorgde uitvoering van het boorgat en de toepassing van geschikt opvulmateriaal tussen de warmtewisselaar en het boorgat (het zogenaamde grouten).
De warmtegeleiding verder in de bodem wordt bepaald door de geologische karakteristieken van de bodem en in welke mate de grond verzadigd is met water.
Onderstaande kaart geeft een indicatie van de gemiddelde geleidbaarheid van de bodem in Vlaanderen. Hoe hoger de thermische geleidbaarheid, hoe interessanter het geothermisch project.
Zeker voor grotere projecten is het voor een correcte dimensionering van het aantal boorgaten en de lengte noodzakelijk om de geleidbaarheid plaatselijk te meten door het uitvoeren van een Thermische Respons Test (TRT).
Net zoals bij de open systemen moet de aanwezigheid van andere energie-onttrekkingssystemen in ogenschouw worden genomen en zijn de nodige vergunningen vereist voor de plaatsing en exploitatie van gesloten geothermische installaties (zie verder vergunningen).