In diesem Kapitel gehen wir näher auf die Bedeutung der Bohrlochgestaltung ein. Im letzten Kapitel haben wir die Vorteile einer Erdwärmepumpe erörtert und festgestellt, dass diese in der Regel mit höheren Investitionskosten verbunden sind. Daher ist es wichtig, dass die geothermische Quelle, das Bohrloch, richtig ausgelegt ist, damit die Installation einer solchen Anlage finanziell interessant bleibt.
Bevor wir uns mit den beiden Hauptkategorien der Bohrlochgestaltung befassen, sollten wir uns das Ziel der Gestaltung genauer ansehen.
Das Ziel der Bohrlochgestaltung
Was meinen wir, wenn wir von Borefield Design sprechen? Worauf genau zielen wir bei der Planung ab? Um dies zu verstehen, müssen wir uns Temperaturprofile ansehen, wie das unten abgebildete.
In der nachstehenden Grafik sehen Sie zwei Linien: die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im Bohrloch und die Temperatur der Bohrlochwand (die sich darunter befindet und fast als eine Art Schatten der anderen Linie sichtbar ist). Diese Linien veranschaulichen, wie sich das Bohrlochfeld im Laufe der Jahre verhält (in diesem Fall sehen wir einen Abwärtstrend, der als Ungleichgewicht) und von Stunde zu Stunde. Das Konzept der Bohrlochauslegung besteht nun darin, diese Flüssigkeitstemperaturen innerhalb eines bestimmten Bereichs zu halten. Wenn die Flüssigkeit diese Grenzen überschreitet, ist das Feld nicht genau bemessen und ein größeres Bohrlochfeld ist erforderlich. Im Folgenden werden diese Temperaturgrenzen erörtert.
Minimale Flüssigkeitstemperatur
Eine Grenze für die Flüssigkeitstemperatur ist die Mindesttemperatur der Flüssigkeit. Aus Gründen der Nachhaltigkeit wollen wir nicht, dass der Boden im Laufe der Zeit gefriert, weshalb die meisten Regionen spezifische Gestaltungsrichtlinien für die zulässige Mindesttemperatur aufstellen. In den meisten Ländern sollte die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur nach 25 Jahren über 0 °C liegen, aber in der Region Brüssel (Belgien) ist es die Vorlauftemperatur die nach 25 Jahren über 0°C liegen sollte. In der Schweiz liegt die Auslegungsgrenze bei einer durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von -1,5°C nach 50 Jahren.
Neben rechtlichen Gründen gibt es auch Gründe der Nachhaltigkeit und technische Gründe. Um das Leben im Boden nicht zu schädigen, wollen wir vermeiden, dass der Boden gefriert. Außerdem ist Eis ein schlechter Wärmeleiter. Wenn also das Bohrloch gefriert, bildet sich eine Eisschicht, die das Bohrloch effektiv isoliert, was zu einer Verringerung der Effizienz Ihres Systems oder sogar zu einem Ausfall führt.
Da auch Mörtel porös ist, ist in der Regel Feuchtigkeit vorhanden. Wenn das Bohrloch gefriert, dehnt sich diese Feuchtigkeit aus und kann Risse im Mörtel verursachen. Im Laufe der Jahre (oder nach mehreren Gefrierzyklen) können diese Risse wachsen und die Struktur des Bohrlochs und (möglicherweise) die thermische Leistung erheblich beeinträchtigen.
Maximale Flüssigkeitstemperatur
Neben der Mindesttemperatur der Flüssigkeit gibt es auch eine Höchsttemperatur. Neben den gesetzlichen Anforderungen (in der Regel unter 25°C Durchschnitts- oder Einspritzflüssigkeitstemperatur) gibt es auch einen technischen Grund.
Wenn eine passive Kühlung erforderlich ist, wollen wir in der Regel unter 16-18°C als durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur bleiben, so dass wir auf der anderen Seite des Wärmetauschers 17-19°C zur Kühlung unseres Gebäudes zur Verfügung haben, was in der Regel der höchste Wert ist, den man erreichen kann, um eine ausreichende Kühlleistung zu gewährleisten.
Bei aktiver Kühlung ist dieser Schwellenwert von 17 °C nicht mehr zwingend erforderlich, da die Wärmepumpe die Wärme in wärmeren Bohrlöchern abführen kann.
Zwei Kategorien von Bohrlochdesigns
Da das Ziel unseres Bohrlochdesigns nun klar ist - innerhalb der vorgegebenen Grenzen zu bleiben - wollen wir uns zwei verschiedene Ansätze zur Berechnung der erforderlichen Bohrlochgröße ansehen: eine Faustregel oder die Verwendung einer Bohrlochdesign-Software.
Faustformeln
Wie in jedem anderen HLK-Bereich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, ein System zu planen. Im Bereich der Geothermie ist das nicht anders. In der Literatur werden vier verschiedene Genauigkeitsstufen für die Bohrlochdimensionierung genannt, die von linearen Faustregeln bis hin zu stündlichen Simulationen reichen (dies wird in einem späteren Teil behandelt). Letztere ist natürlich die genaueste, aber in der Praxis werden oft noch Faustregeln für die Bohrlochdimensionierung verwendet. Diese Regeln haben die Form einer bestimmten Leistung pro Bohrlochlänge (z. B. 30 W/m Bohrloch) und bieten dem Planer eine schnelle Möglichkeit, ein System zu dimensionieren, indem er einfach die erforderliche Spitzenlast durch diesen Faktor dividiert.
Was sind jedoch die wichtigen Kriterien, die zu diesem konstanten Wert geführt haben? Gilt er für ein flaches oder ein tieferes Bohrfeld? Ist er für eine Spitzenerwärmung oder auch für eine Spitzenabkühlung ausgelegt? Geht er von einer laminaren oder turbulenten Strömung aus? Welche Art von Wärmetauscher wurde verwendet? Wie waren die Bodeneigenschaften, die Konfiguration des Bohrlochs ...
Sich auf Faustregeln zu verlassen, gibt keinen Aufschluss über Ihre Konstruktion, da sie von dem zuvor besprochenen Temperaturprofil abstrahieren. Es ist daher unklar, ob Ihr Bohrlochfeld über- oder unterdimensioniert ist.
Borefield Entwurfssoftware
Bei der Planung eines geothermischen Bohrlochs müssen zahlreiche Entscheidungen getroffen werden. Sie müssen nicht nur die erforderliche Gesamtlänge des Bohrlochs bestimmen, sondern auch die Konfiguration des Bohrlochs, die Tiefe und die Einbauten im Bohrloch. Parameter wie das Strömungsverhalten (laminar oder turbulent) sind für die endgültige Auslegung besonders wichtig. Mit einer speziellen Auslegungssoftware wie GHEtool Cloud können Sie all diese projektspezifischen Parameter eingeben und die Anzahl der Bohrlöcher berechnen, die erforderlich sind, um die Temperaturgrenzen einzuhalten. So wird sichergestellt, dass Ihr Bohrlochfeld stets korrekt dimensioniert und somit wirtschaftlich optimiert ist. Die Unterschiede zwischen dem Ergebnis einer Faustformel und dem einer Bohrlochplanungssoftware können beträchtlich sein.
Vergleich zwischen Tools und Faustregeln
Zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Planungsergebnisse zwischen der Bemessung nach Faustregeln und GHEtool Cloud wurde eine umfassende Analyse durchgeführt. Drei verschiedene Gebäude - ein Auditorium, ein Büro und ein Mehrfamilienhaus - wurden mit einer stündlichen Auflösung dynamisch simuliert, um die Schwankungen des Wärmebedarfs genau zu erfassen. Anschließend wurden diese stündlichen Heiz- und Kühlbedarfsprofile als Eingaben für GHEtool verwendet, um das Bohrlochfeld für zahlreiche Szenarien zu dimensionieren: laminare oder turbulente Strömung, unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit des Mörtels, tiefe oder flache Bohrlöcher ...
Jede Simulation ist in den folgenden Abbildungen als deutlicher roter Punkt dargestellt, der die Bandbreite der Gestaltungsmöglichkeiten und die erheblichen Auswirkungen des Einsatzes von GHEtool für eine präzise Bohrlochdimensionierung zeigt.
Alle roten Punkte in der obigen Abbildung stellen genau bemessene Bohrlochfelder dar, wobei die Abweichungen auf die unterschiedlichen Eingaben bei der Planung zurückzuführen sind. Vergleicht man den mit GHEtool ermittelten Bereich potenzieller Größen mit dem aus einer Faustregel abgeleiteten Einzelwert, so wird deutlich, dass letzterer nur einen minimalen Einblick in die Genauigkeit und Robustheit der Bohrlochplanung bietet.
Aber vielleicht war die Faustformel von 30 W/m einfach falsch? Nun, wenn wir die Faustformel auf der Grundlage der bekannten Spitzenleistungen und der verschiedenen Dimensionierungen aus der vorherigen Abbildung umkehren, reicht die spezifische Wärmeentnahme/-einleitung von 30 bis 230 W/m. Dieser weite Bereich ist eine inhärente Folge der Flexibilität, die man als Bohrlochdesigner hat und die sich nicht einfach auf eine einzige Zahl eingrenzen lässt.
Fazit
Das Ziel der Bohrfeldauslegung ist klar: Wir wollen sicherstellen, dass unsere Flüssigkeitstemperaturen innerhalb bestimmter Grenzen bleiben, entweder aufgrund gesetzlicher Vorschriften oder auf der Grundlage guter Praxis. Es ist nicht möglich, diese Gewissheit zu erlangen, wenn man mit Faustregeln arbeitet, da diese vom Temperaturprofil abstrahieren und die erforderliche Größe direkt mit den geforderten Spitzenleistungen korrelieren.
Als Planer von Geothermieanlagen bietet Ihnen ein Tool wie GHEtool alles, was Sie brauchen, um Bohrfelder genau zu bemessen und dabei alle wichtigen Aspekte zu berücksichtigen, wie zum Beispiel die Bodeneigenschaften, den Wärmebedarf und die Effizienz der Wärmepumpe. Diese werden in den nächsten Kapiteln erörtert.
Literaturverzeichnis
- SIA 384/6
- Selçuk E., Bertrand F. (2016). Gefrierschäden an Injektionsmaterialien für Erdwärmesonden: Experimental and analytical evaluations. Geomechanics for Energy and the Environment, Band 5, Seiten 29-41, ISSN 2352-3808, https://doi.org/10.1016/j.gete.2015.12.002.
- Peere, W. (2024). Sind Faustregeln irreführend? Die Komplexität der Bohrfelddimensionierung und die Bedeutung der Design-Software. IEA HPT Zeitschrift 42(1), https://doi.org/10.23697/7nec-0g78.