juni 2018
Verwarmen met ijsbuffers komt op
In Nederland is de techniek vrij onbekend, in Duitsland wordt het al vanaf 2008 bij – nu – duizenden woningen en bedrijfspanden toegepast: koelen en verwarmen in ijsbuffers vlak onder de grond. Vooral in situaties dat de bodem niet of nauwelijks geschikt is voor wko-installaties, bieden ijsbuffers een prima alternatief. Inmiddels is een aantal grote projecten met deze duurzame vorm van verwarmen gerealiseerd.
De werking van de ijsbuffers steunt op het principe van een omgekeerde koelkast. Warmte wordt door een luchtkoeler aan de omgeving (lucht, zonnestraling, neerslag of rijp) onttrokken en in de vorm van een water/glycol-mengsel (tegen bevriezing) naar een cilindrisch vat net onder het maaiveld (circa 80 cm) getransporteerd.
In het binnenste van het buffervat lopen concentrische ringleidingen (of warmtewisselaars) waar het water/glycolmengsel doorheen loopt en die, voor de opwekking van warmte, gebruikmaken van het faseverschil tussen een vloeistof (water) en een vaste vorm (ijs). Om bevriezing in de buitenste ring te voorkomen, stroomt ook daar een water/glycol-mengsel doorheen.
Faseverschil
Wat houdt dit faseverschil nu in? Wel, het is een simpel natuurkundig gegeven waarvan de toepassing ruim 10 jaar geleden door Viessmann werd aangekocht. Wanneer je 1 kg ijs in water verandert, komt er 334 kJ (of 93 Wh/kg) aan energie vrij. Dat is voldoende om 1 liter water vanaf het kristallisatiepunt tot 80 °C te verwarmen. Deze thermische energie wordt niet alleen opgeslagen, maar het surplus kan ook worden ingezet als voeding voor de efficiënte warmtepomp die zijn elektrisch verbruik van 1 kW opkrikt naar minstens 4 kW aan warmte. Daarna hoef je enkel te rekenen hoe groot die buffer moet zijn om aan de warmte en/of koudevraag van het gebouw te voldoen.
De werking van de ijsbuffer volgt de seizoenen: omdat het systeem uit twee ringen bestaat, kan het ’s zomers en winters van het faseverschil profiteren.
Beton
Een ander kenmerk van de huidige ijsbuffers is het gebruik van beton. In een eerder ontwerp werd kunststof toegepast. Weliswaar isoleert dat ook, maar bij beton blijft de temperatuur in het vat constanter. Bovendien kan beton beter de kracht van het uitzettende water (naar ijs) weerstaan. In alle gevallen is echter een gecontroleerde ijsregeling van cruciaal belang. Immers, bevriest water te weinig, dan wordt niet het maximale uit de buffer gehaald, bevriest het echter te veel, dan knapt het buffervat onder invloed van kristallisatie. Door nèt niet het onderste uit de kan te halen, wordt het buffervat beschermd: de uitzetting van water naar ijs zal niet meer dan enkele centimeters (circa 6 cm) mogen bedragen om de optimale situatie te bereiken.
Opvallend aan de koeling met ijsbuffers is dat het systeem hermetisch is gesloten. Zowel aan de bronzijde (de zonneluchtabsorptiekoeler) als aan de afgiftezijde (warmteontwikkeling) heeft het systeem geen invloed op de waterkwaliteit in de ondergrond en bodemopslagsystemen. Dat maakt koelen met ijsbuffers bij uitstek geschikt voor plaatsen waar een – veelal goedkopere – wko-installatie niet is toegestaan of in waterwingebieden waar de bodemgesteldheid op gespannen voet met wko-toepassingen staat.
Eigenlijk komt het erop neer dat ontwikkelaars een spel dienen te spelen en de optimale balans moeten zoeken tussen de output en kosten van vijf duurzame technieken: de luchtkoeler op het dak (of aan de rand van het gebouw), het buffervat, de warmtepomp, warmtewisselaars, de vloerverwarming in de woning of het gebouwcomplex.
De ijsbuffers (cilindrisch vaten) liggen net onder het maaiveld.
In opkomst
Tegenwoordig wordt ijsbufferkoeling ook in Nederland, vooral in de utiliteitsbouw, toegepast. Volgens de website van Solareis, leverancier van ijsbuffers in de utiliteit en Viessmanns systeem voor reguliere woningen, zijn er de laatste jaren verschillende projecten gerealiseerd. Zo heeft RWS, een corporatie die ruim 6.600 woningen in Noorden Zuid-Beveland beheert, 2 jaar geleden 21 huizen aan de Abel Tasmanstraat en de Witte de Withstraat in Goes met ijsbuffers voor warmte voorzien. De belangstelling voor deze woningen in een te renoveren wijk in Goes-West was overweldigend: na harde selectie uit ruim 1.700 kandidaatbewoners bleef eerst een groep van circa tweehonderd kandidaten over. Daarna volgde nog een selectieslag.
Toch had ijsbuffering volgens de PZC (Provinciale Zeeuwse Courant) nog wel wat kinderziektes te overwinnen. Door het gebruik van verkeerde materialen voor de leidingen en onnauwkeurige afstemming werden de huizen ’s zomers te warm waardoor de energierekening voor de huurders hoger uitviel dan aanvankelijk verwacht. Inmiddels zijn deze problemen opgelost en werden de huurders gecompenseerd.
Voorbeeldproject
Een tweede project met ijsbuffers is 3 jaar geleden bij de Breman groep in Zwolle uitgevoerd. Het installatiebedrijf, in 1925 opgericht door Tijmen Breman, heeft ruim 130 werknemers en richt zich vooral op W-installaties en regeltechnische installaties in de utiliteitsbouw in Noord- en Midden-Nederland. Toen Breman Klimaat Service in 2015 bij de groep werd gevoegd, groeide het bedrijf uit zijn jasje en had een groter kantoorpand voor de hoofdvestiging nodig.
Vooral de (regeltechnische) balans tussen de vijf technieken maakt het voor Breman interessant om het nieuwe pand vergezeld te laten gaan van koeling met ijsbuffers. Dat was immers een mooie kans om aan adviseurs te tonen wat het bedrijf, zowel letterlijk als figuurlijk, in huis heeft. In de hal van het nieuwe pand heeft Breman de technische installatie opengewerkt en in een showroom een opstelling neergezet.
Bezoekers kunnen sinds 2016 precies zien hoe de ondergrondse buffervaten op het terrein van Breman werken. Elk buffervat heeft een capaciteit van 10.000 liter, waarmee het kantoorpand wordt verwarmd (en gekoeld).
Hoogstandje
De meest in het oog springende projecten van koeling met ijsbuffervaten staan in Nijmegen en Panningen (gemeente Peel en Maas, Noord-Limburg). In beide gevallen gaat het om grote gebouwcomplexen: het nu gerenoveerde gemeentehuis in Panningen meet meer dan 5.000 m2 terwijl de Kloostertuin, een nieuw woonzorgcentrum van 99 eenheden van de paters Jezuïeten aan de zuidrand van Nijmegen, een totale oppervlakte van maar liefst 13.000 m2 heeft.
Volgens RVO.nl is het ‘Huis van de Gemeente’ in Panningen een technologisch hoogstandje: in 2016 werd het zelfs tot het meest energieopwekkende gemeentehuis van Nederland uitgeroepen. Met uitzondering van de oude, historische kern werd de hele binnenkant en de voor- en achterzijde gestript en van transparante glazen gevels (hr+++-glas) voorzien. Op het platte dak ligt tegenwoordig 120 kWp vermogen aan pv-panelen en een groot aantal zonneluchtabsorbers voor de ijsbuffer naast het gebouw. De ijsbuffer heeft een inhoud van 630 m3 en zorgt via klimaatplafonds en luchtverwarming voor een aangenaam binnenklimaat in het gemeentehuis.
Het systeem is gesloten en heeft dus geen invloed op de ondergrond.
Korter traject
Zowel bij het gemeentehuis als bij het woonzorgcentrum kon geen wko-installatie worden toegepast. Louis Wakkerman, senior projectleider bij ingenieursbureau ABT, coördineerde indertijd beide projecten. ‘Wko is meestal goedkoper dan koeling met ijsbuffers’, licht hij toe, ‘maar de gebouwen liggen in een waterwingebied waar open bronnen niet zijn toegestaan – met andere woorden: Kloostertuin – of de bodemgesteldheid niet geschikt is – bij het Huis van de Gemeente. In tegenstelling tot een wko-systeem beïnvloedt verwarming met ijsbuffers noch het grondwater noch de bodemgesteldheid.’
Dat heeft grote gevolgen voor de snelheid om dergelijke ijsbuffers te realiseren. Wakkerman: ‘Het vergunningstraject is aanzienlijk korter omdat je geen verklaring van de provincie hoeft te hebben, alleen een reguliere bouwvergunning. Bovendien heeft deze manier van koelen en verwarmen geen jaarlijkse meetbalans nodig – zoals bij wko – die aan de vergunningsverlener moet worden overhandigd.’ En daar komt nog een ander voordeel bij. Wakkerman vervolgt: ‘bij de nieuwste systemen voor ijsbuffering kun je tevens gebruikmaken van gecombineerde pv-panelen met warmtewisselaars. Het dakoppervlak wordt zo optimaal benut. Die combinatie zorgt ervoor dat de resterende energievraag tot naar 0 kan worden gebracht. In het geval van het Huis van de Gemeente is het gebouw, dankzij de inzet van pv-panelen, zelfs energie producerend geworden.’
Hoewel de gebouwen qua vloeroppervlak sterk uiteenlopen, zijn de ijsbuffers in omvang vrijwel gelijk. Volgens Wakkerman heeft dat alles met de staat van het gebouw en de warmte- c.q. koudevraag te maken. ‘Het Huis van de Gemeente in Panningen is een renovatieproject geweest terwijl de Kloostertuin in Nijmegen in nieuwstaat en volgens de laatste bouweisen werd opgeleverd’, verklaart hij. ‘Bovendien loopt de behoefte aan thermische energie uiteen: een kantooromgeving vraagt vooral om koude terwijl ouderen er juist graag warmpjes bij zitten.’
Zonder gas
Nu het kabinet de gasproductie uit het Groningen veld vóór 2030 naar 0 gaat brengen, loopt het tijdperk van gasgestookte cv-ketels op zijn einde. Dat schept grote kansen voor gasloze systemen, zoals koelen met ijsbuffers in combinatie met warmtepompen en steeds meer pv-panelen. Wel zullen vooral de oudere bewoners eraan moeten wennen dat hun kamers bij lt-systemen, in tegenstelling tot de conventionele radiatoren, niet onmiddellijk aangenaam warm worden. Opwarmen met lt-verwarming gaat immers aanzienlijk minder snel.
Wakkerman dringt er dan ook op aan dat adviseurs en installateurs, meer dan voorheen, de karakteristieken van lt-systemen aan eindgebruikers uitleggen. ‘Terwijl Nederlanders vrijwel meteen de laatste snufjes van mobiele telefonie en in de auto omarmen, zijn we behoorlijk behoudend qua verwarming’, zegt hij. ‘De installatiebranche richten zich traditioneel sterk op de technische aspecten en minder op gebruiksgemak en duurzaamheid. Daar ligt echter wel de toekomst, niet alleen voor de utiliteit, maar ook voor de woningbouw.’
Hoewel hij verwacht dat er binnen enkele jaren tientallen tot honderden koel- en verwarmingssystemen met ijsbuffers worden uitgerust, blijven installatiebureaus nog wel enige tijd, in elk geval tot 2021, cv-ketels in de gebouwde omgeving toepassen. Die zijn immers vele malen goedkoper dan duurzame, gasloze opties, zoals ijsbuffers (gecombineerd met warmtepompen), en dus veel sneller terugverdiend.
Het ‘Huis van de Gemeente’ heeft een combinatie van pv-panelen en een ijsbuffer.
Tekst: Tseard Zoethout
Fotografie: Industrie