Bisher waren alle Flüssigkeitstemperaturen in GHEtool Cloud Durchschnittswerte aus den Einlass- und Auslasstemperaturen. In unserem neuesten Update haben wir die Option hinzugefügt, auch direkt mit den Einlass- oder Auslasstemperaturen zu arbeiten. In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie dazu wissen müssen!
Temperaturprofile in GHEtool
Bei der Planung eines Bohrfeldes sollten Sie die Flüssigkeitstemperaturen innerhalb bestimmter Grenzen halten, die je nach Region, Projekt, Art des Frostschutzmittels usw. variieren können. In der Vergangenheit entsprachen die Flüssigkeitstemperaturen in den Temperaturprofilen (wie beispielsweise dem unten abgebildeten) den Durchschnittstemperaturen der Ein- und Auslasstemperaturen des Bohrfeldes. Diese Definition wird auch von anderer Software zur geothermischen Auslegung verwendet, wie beispielsweise Earth Energy Designer.
Der Grund dafür, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur so häufig herangezogen wird, liegt in ihrem direkten Zusammenhang mit dem Konzept des effektiven thermischen Bohrlochwiderstands (weitere Informationen unter dieser Artikel). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs als der stationäre Wärmeübertragungswiderstand zwischen der durchschnittlichen Bohrlochwandtemperatur (dem Mittelwert der gesamten Bohrlochwand) und der durchschnittlichen Fluidtemperatur (dem Mittelwert des gesamten Fluids im Bohrloch) definiert ist.
Während der Simulation wird zunächst die Bohrlochwandtemperatur anhand der monatlichen (oder stündlichen) Entnahme- und Einspeisungslasten sowie der g-Funktionen berechnet (weitere Informationen in diesem Artikel). Sobald die Bohrlochwandtemperatur bekannt ist, wird der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs anhand der variablen Fluid- und Strömungseigenschaften berechnet. Anhand dieser beiden Ergebnisse lässt sich die durchschnittliche Fluidtemperatur direkt auf der Grundlage der Definition des thermischen Widerstands des Bohrlochs berechnen.
Da jedoch auch der Durchfluss bekannt ist (entweder konstant oder variabel), lässt sich anhand der folgenden Formel auch die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bohrlochfeldes berechnen:
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
wobei $\dot{Q}$ die Entnahme-/Einspeiseleistung (kW) ist, $\dot{m}$ der Massenstrom (kg/s) durch das Bohrlochfeld ist, $C_p$ die spezifische Wärmekapazität des Fluids (kJ/(kg·K)) und $\Delta T$ die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bohrlochfeldes ist.
Da die durchschnittliche Medientemperatur sowie der Massendurchfluss, die Leistung und die spezifische Wärmekapazität (für jeden Monat bzw. jede Stunde) bekannt sind, lassen sich auch die Einlass- und Auslasstemperaturen berechnen. Dadurch haben wir die Möglichkeit, in GHEtool mit jeder der drei Medientemperaturen zu arbeiten, von denen jede einen anderen Aussagekontext bietet.
!Hinweis
Die Berechnung der Flüssigkeitstemperatur in GHEtool basiert derzeit auf dem herkömmlichen stationären Modell des effektiven thermischen Widerstands des Bohrlochs. Wie bereits erwähnt, weist dieses Modell jedoch einige Einschränkungen hinsichtlich des kurzfristigen transienten Verhaltens des Systems auf. Derzeit wird gemeinsam mit Universitäten daran geforscht, wie dies in einem zukünftigen Update verbessert werden könnte.
Drei Flüssigkeitstemperaturen
Derzeit können in GHEtool drei Fluidtemperaturen simuliert werden: die durchschnittliche Fluidtemperatur, die Fluidtemperatur am Einlass und die Fluidtemperatur am Auslass. Auf alle drei wird im Folgenden kurz eingegangen.
!Hinweis
Zwar lässt sich die durchschnittliche Fluidtemperatur auch anhand eines konstanten, gemessenen effektiven thermischen Bohrlochwiderstands berechnen, doch ist dies für die Einlass- und Auslassfluidtemperaturen nicht möglich, da diese anhand des Durchflusses berechnet werden.
Durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur
Die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur ist aufgrund ihrer direkten Kopplung an die Bohrlochwandtemperatur die einfachste Temperatur, mit der man arbeiten kann. Der Vorteil besteht darin, dass dadurch ein Teil des Einflusses der Durchflussrate ausgeblendet wird (obwohl dieser über den thermischen Widerstand des Bohrlochs berücksichtigt wird), was bedeutet, dass die durchschnittliche Fluidtemperatur unabhängig davon, ob das Strömungsregime 3 °C/0 °C oder 5 °C/−2 °C beträgt, immer 0 °C beträgt. Dies bedeutet jedoch, dass die durchschnittliche Fluidtemperatur nicht direkt geeignet ist, wenn man die absoluten Mindest- und Höchsttemperaturen des Fluids regeln möchte.
Temperatur des einströmenden Mediums
Die Einlassflüssigkeitstemperatur ist die Temperatur der in das Bohrlochfeld einströmenden Flüssigkeit und könnte als die Flüssigkeitstemperatur im ungünstigsten Fall bezeichnet werden, da sie während der Förderung stets am kältesten und während der Injektion am wärmsten ist. Dies liegt daran, dass die Flüssigkeit Betreten des Bohrfeldes ist auch die Flüssigkeit die Wärmepumpe verlassen. Wenn Ihre Wärmepumpe das Gebäude beheizt, entzieht sie dem Primärkreislauf Energie, was bedeutet, dass die Flüssigkeit am Ausgang der Wärmepumpe die kälteste Flüssigkeit im gesamten Kreislauf ist (und umgekehrt beim Kühlen/Einspeisen).
Wenn Sie strenge Grenzwerte für die Temperaturen Ihres Bohrfeldes festlegen möchten, stellen die Begrenzungen der Einlassflüssigkeitstemperatur sicher, dass Sie im Wesentlichen alle möglichen Temperaturen abgedeckt haben, sodass eine Überschreitung dieses Grenzwerts ausgeschlossen ist.
Temperatur der austretenden Flüssigkeit
Die Austrittsflüssigkeitstemperatur schließlich ist die Temperatur beim Verlassen des Bohrfeldes und stellt die optimale Flüssigkeitstemperatur dar. Während der Entnahme wird ein kaltes Fluid in das Bohrlochfeld eingeleitet und dort durch den Boden erwärmt, was zu einer höheren Temperatur am Bohrlochfeldauslass führt. Analog dazu wird während der Einleitung ein warmes Fluid in das Bohrlochfeld eingeleitet, wo es abkühlt, was zu einer niedrigeren Fluidtemperatur am Auslass führt.
Diese Auslassflüssigkeitstemperatur kann bei der Auswahl der richtigen Wärmepumpe hilfreich sein, da die von der Wärmepumpe lieferbare Leistung von der Temperatur am Eingang ihres Verdampfers (bzw. ihres Kondensators im Falle der aktiven Kühlung) abhängt. Wenn Ihre Anlage eine Nennleistung bei einer Wärmepumpeneintrittstemperatur von 0 °C aufweist und dies der einzige für Sie relevante Faktor ist, können Sie die Auslegung anhand der Auslassflüssigkeitstemperatur vornehmen.
Beispiel in GHEtool Cloud
Ab sofort können Sie auf der Registerkarte ‘Allgemein’ in den Simulationseinstellungen auswählen, mit welcher der drei Flüssigkeitstemperaturen Sie die Berechnung durchführen möchten. Wenn Sie Einlass, werden alle entsprechenden Medientemperaturen als Einlassmedientemperaturen neu definiert.
!Hinweis
Bei der aktiven und passiven Kühlung richtet sich der Temperaturgrenzwert weiterhin nach der durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur.
Im folgenden Temperaturprofil wird eine Simulation mit vier Bohrlöchern von 100 m Länge und einer variablen Durchflussrate bei einer konstanten Temperaturdifferenz von 3 °C zwischen Bohrlocheinlass und -auslass durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass die Flüssigkeit bei einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 0,46 °C deutlich innerhalb der Grenzwerte bleibt. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies jedoch nicht, dass die absolute minimale Flüssigkeitstemperatur die 0-°C-Schwelle nicht überschreitet. Daher wird eine Simulation unter Verwendung der Flüssigkeitseintritts-Temperatur durchgeführt.
Wird dieselbe Simulation unter Verwendung der Einlass-Flüssigkeitstemperaturen durchgeführt, sinkt die Flüssigkeitstemperatur nun auf −1,04 °C. Wie bereits erwähnt, sind die Einlasstemperaturen im System immer am niedrigsten; selbst wenn die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur positiv ist, kann die Einlasstemperatur also dennoch negativ sein. Wenn Sie möchten, dass Ihre absolute Mindesttemperatur (bzw. Ihre Höchsttemperatur) innerhalb bestimmter Grenzen bleibt, sollten Sie mit den Einlassflüssigkeitstemperaturen arbeiten.
Abschließend sind unten die Temperaturen der Austrittsflüssigkeit aufgeführt. Sie sinken lediglich auf 1,96 °C und stellen somit die optimistischsten Werte dar.
Natürlich kann die Wahl unterschiedlicher Fluidtemperaturen auch zu einer anderen erforderlichen Auslegung führen. Würde das oben dargestellte Bohrfeld entsprechend jeder dieser drei Temperaturen dimensioniert, betragen die erforderlichen Bohrlochlängen 381 m, 434 m bzw. 338 m. Dies zeigt, dass eine Auslegung auf Basis der Einlassflüssigkeitstemperatur zu dem größten erforderlichen Bohrfeld führt, während eine Auslegung auf Basis der Auslassflüssigkeitstemperatur zu dem kleinsten führt, was mit den obigen Ausführungen übereinstimmt.
Fazit
In diesem Artikel werden die drei verschiedenen Medientemperaturen (Durchschnittstemperatur, Einlass- und Auslasstemperatur) behandelt. Die durchschnittliche Medientemperatur wird in der Regel bei der Auslegung von Bohrfeldern herangezogen, da sie über den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs direkt mit der Bohrlochwandtemperatur zusammenhängt. Sie garantiert jedoch nicht, dass die absoluten Minimal- und Maximaltemperaturen des Mediums innerhalb der Grenzwerte liegen. Um dies zu gewährleisten, sollten die Medientemperaturen am Einlass herangezogen werden. Die Medientemperaturen am Auslass können verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Wärmepumpe ihre Nennleistung erbringen kann.
Dies wurde auch anhand eines Beispiels in GHEtool veranschaulicht, bei dem eine auf der Einlassflüssigkeitstemperatur basierende Auslegung zu der größten erforderlichen Bohrungsfeldgröße führte, wodurch sichergestellt wurde, dass alle Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der festgelegten Grenzwerte blieben.
Literaturverzeichnis
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