Warmte winnen uit de aardbodem met heipalen

Als je toch heipalen gebruikt om woningen, kantoren en bedrijfspanden te funderen, kun je die palen ook gebruiken om daarmee warmte uit de bodem te halen. In pilotprojecten en een onderzoek van TU Delft wordt dit principe al toegepast en getest.

Tekst Rijkert Knoppers Beeld: The FCTR E / ZON

In de nieuwe stadswijk Amstelkwartier in Amsterdam Oost is begin 2020, na een bouwperiode van een kleine twee jaar, ‘The Duchess’ opgeleverd: drie naast elkaar gelegen gebouwen met 48 luxe koopappartementen. Bijzonderheid aan het project is dat voor de verwarming gebruik is gemaakt van een betrekkelijk nieuwe toepassing van aardwarmte. Het gaat hierbij niet om zogeheten diepe geothermie, aquathermie of riothermie, maar bij dit project komt de aardwarmte via funderingspalen de woningen binnen.

Collectieve systemen In de kelders van de drie gebouwen bevinden zich collectieve systemen voor de opslag van het warme water. Een lagetemperatuur-warmtepomp verhoogt vervolgens de watertemperatuur voor gebruik in de vloerverwarming, een tweede warmtepomp warmt het water nog wat verder op voor gebruik als tapwater. De hoeveelheid opgepompte warmte uit de bodem is ruim voldoende om aan de totale warmtevraag te voldoen, al hebben de aardgasvrije gebouwen voor de zekerheid wel de beschikking over enkele collectieve elektrische verwarmingsketels.

Energieheipalen “Als je maar voldoende energieheipalen toepast, kan je altijd genoeg warmte uit de grond halen”, vertelt projectmanager Cervus Sevinga van het bedrijf The FCTR E / ZON, een in Amsterdam gevestigde Energy Service Company (ESCo). “Dit is het derde project op dit gebied dat wij hebben gerealiseerd. Bij het eerste project in Wognum waren de leidingen rondom de heipalen aangebracht, bij dit Amsterdamse appartementencomplex en het project Hof van Pampus in Hoofddorp bevinden de leidingstelsels zich in het midden van de heipalen. In het eerste geval gebruik je ter

‘Zelfs een graafmachine kan geen schade aanrichten’

bescherming een metalen buis om de leidingen, in het tweede geval kan de heipaal zonder extra maatregelen de bodem in.”

ESCo-constructie Volgens Sevinga hangt het vooral van de bodemsamenstelling af, welke van de twee funderingstechnieken de voorkeur heeft, de grond verdringende paal of een heipaal. De lengte van de heipalen staat hierbij niet ter discussie, of de funderingspalen nu dienen voor het winnen van aardwarmte of niet, het betrokken constructiebedrijf bepaalt de afmetingen. “De techniek is in wezen heel eenvoudig, maar er heerst nog wat koudwatervrees om de energiepalen toe te passen”, aldus Sevinga. “Het financiële risico komt overigens voor onze rekening, als ESCo hebben wij de installatie van ‘The Duchess’ betaald. Wij beheren deze gedurende dertig jaar en wij verkopen vervolgens de energie aan de bewoners.”

Eerste toepassing energieheipalen Energieheipalen werden in ons land voor het eerst toegepast in 1997 bij de bouw van het nieuwe bedrijfspand van technisch advies- en installatiebureau Kodi in Heerhugowaard. “We hebben de techniek destijds met een aantal bedrijven ontwikkeld”, vertelt Adriaan van Diepen, mededirecteur van Kodi. “Die groep bestond uit onder meer het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), kunstleidingenfabrikant Polva Pipelife en Voorbij Prefab Beton. Sinds die toepassing in ons pand hebben we deze ontwikkeling verder doorgezet.”

25 watt per meter energiepaal Bij het Kodi-gebouw zijn zestig heipalen van gemiddeld twintig meter lang toegepast. In de heipalen zijn twee polyethyleen buizen met een diameter van twintig millimeter aangebracht, waardoor een vloeistof met een temperatuur van tien graden Celsius stroomt. Een warmte-

“Als je maar voldoende energieheipalen toepast, kan je altijd genoeg warmte uit de grond halen.” Beeld van project ‘The Duchess’.

pomp koelt de vloeistof in de heipalen af tot vijf graden Celsius. De op deze manier gewonnen warmte gaat naar de vloerverwarming in het gebouw. De afgekoelde vloeistof stroomt weer terug in de heipalen. Door de warmte van de aarde stijgt de temperatuur van de vloeistof weer tot tien graden Celsius. Hierna begint het hele proces weer opnieuw. De warmtewisselaar levert op deze manier 25 watt per meter energiepaal.

Laminaire stroming “‘Die techniek is tot op heden in grote lijnen nog steeds hetzelfde”, vertelt Van Diepen. “Het enige verschil is dat we vroeger twee lussen per heipaal toepasten en tegenwoordig maar één. Dat is mogelijk door een andere leiding toe te passen, waarbij een laminaire stroming ontstaat. Dat werkt efficiënter, waardoor je minder aansluitingen nodig hebt.”

Geschikte bodemsamenstelling Volgens Van Diepen is er nog steeds voldoende belangstelling voor deze technische oplossing. “Recent zijn we betrokken bij de nul-energie Lidl supermarkt in Woerden, waar we 183 energiepalen hebben toegepast”, aldus Van Diepen. “Niet overal is het mogelijk om te heien, dat hangt vooral van de bodemsamenstelling af. Klei of veenachtige gronden zijn bij uitstek geschikt. Maar vooral moet je heipalen kunnen gebruiken die minimaal tien meter de bodem in kunnen gaan. Als ze korter zijn, bijvoorbeeld zeven of acht meter, dan moet je veel te veel leidingen aan elkaar gaan koppelen, dat is niet rendabel.” Ook Van Diepen benadrukt hierbij dat het constructiebedrijf de lengte van de heipalen bepaalt, inspraak is hierbij niet mogelijk.

Onderhoudsarme installatie Een groot voordeel is dat het systeem nauwelijks onderhoud vergt. Het enige noodzakelijke is om eens per jaar de glycolwaarde binnen de vloeistof te meten in verband met een optimale bescherming tegen bevriezing. “Het grote pluspunt is bovendien dat de slangen onder je gebouw veilig zijn opgeborgen”, aldus Van Diepen. “Ik heb meegemaakt dat een tuinman in de tuin opeens een slang van een bodemwisselaar beschadigde. Daar hoef je bij dit systeem niet bang voor te zijn, zelfs een graafmachine kan geen schade aanrichten.” Ontwerp energiepalen Een onderzoeksteam van de TU Delft onderzoekt momenteel hoe het gebruik van energieheipalen te optimaliseren valt. “We zijn bezig om de thermische eigenschappen van de bodem beter in kaart te brengen”, vertelt projectleider Phil Vardon van de faculteit Civiele Techniek van de TU Delft. “Daardoor kunnen we nauwkeuriger inschatten hoeveel warmte uit de bodem te halen valt en hoeveel erin op te slaan is.” Daarbij komt dat materiaal bij verhitting uitzet, terwijl het bij afkoeling krimpt. Deze langdurige belasting maakt het ontwerp van de energiepalen complex. Vandaar dat het belangrijk is om het mechanische gedrag van de heipalen goed te bestuderen. “In ons lopend onderzoek ontwikkelen we daarom ontwerpmethodieken die verder gaan dan de huidige”, aldus Vardon. “We willen nagaan wat de thermomechanische effecten zijn op zowel de heipalen als op de bodem.” Het door NWO gesubsidieerde onderzoeksproject, dat plaatsvindt in de Delftse wijk Green Village, moet naar verwachting nog voor het eind van dit jaar resultaten opleveren.