Bevor wir uns mit der Auslegung und Dimensionierung von Bohrfeldern in GHEtool befassen können, ist es wichtig, noch einmal auf unsere Erörterung der Temperaturprofile zurückzukommen und den Unterschied zwischen den Einlass-, Auslass- und durchschnittlichen Flüssigkeitstemperaturen zu erörtern.
Temperaturprofile in GHEtool
Als wir damals das Konzept der Temperaturprofile eingeführt haben, Teil 2.1, alle Flüssigkeitstemperaturen (sowohl in den monatlichen als auch in den stündlichen Temperaturprofilen) waren Durchschnittswerte der Flüssigkeitstemperatur am Ein- und Ausgang des Bohrfeldes. Dies ist die gängigste, historisch gewachsene Definition der Fluidtemperatur und wird auch von anderen Tools zur Bohrfeldauslegung wie Earth Energy Designer verwendet. Ein Beispiel für ein solches (monatliches) Temperaturprofil mit durchschnittlichen Fluidtemperaturen ist unten dargestellt.
Der Grund dafür, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur so häufig herangezogen wird, liegt in ihrem direkten Zusammenhang mit dem Konzept des effektiven thermischen Widerstands des Bohrlochs, das in Teil 2.2. 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 aller im Bohrloch befindlichen Fluide) definiert ist.
Während der Simulation wird zunächst die Temperatur an der Bohrlochwand anhand der monatlichen (oder stündlichen) Entnahme- und Einpresslasten sowie der g-Funktionen berechnet (siehe Teil 2.3). Sobald die Bohrlochwandtemperatur bekannt ist, wird der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs unter Berücksichtigung der variablen Fluid- und Strömungseigenschaften berechnet. Anhand dieser beiden Ergebnisse (der Bohrlochwandtemperatur und des Bohrlochwiderstands) lässt sich die durchschnittliche Fluidtemperatur direkt anhand 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.
Sind die durchschnittliche Medientemperatur sowie der Massenstrom, die Leistung und die spezifische Wärmekapazität (für jeden Monat bzw. jede Stunde) bekannt, lassen sich auch die Einlass- und Auslasstemperaturen berechnen. Dadurch haben wir in GHEtool die Möglichkeit, mit jeder dieser drei Medientemperaturen zu arbeiten, von denen jede andere Aussagekraft hat und im Folgenden erläutert wird.
Drei Flüssigkeitstemperaturen
In GHEtool können drei Fluidtemperaturen simuliert werden: die durchschnittliche Fluidtemperatur, die Fluidtemperatur am Einlass und die Fluidtemperatur am Auslass. Auf alle drei wird im Folgenden kurz eingegangen.
Die gesetzlichen Vorschriften für die Auslegung geschlossener geothermischer Systeme beziehen sich mitunter auf die Durchschnitts- oder die Einlasstemperatur des Mediums. In Belgien (Flandern und Brüssel) sowie in den Niederlanden wird als niedrigste Flüssigkeitstemperatur die Temperatur der in das Bohrfeld einströmenden Flüssigkeit (d. h. die Einlasstemperatur) definiert, die in Belgien bei 0 °C und in den Niederlanden bei -3 °C liegt.
In der Schweiz ist die Mindestflüssigkeitstemperatur auf eine durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von -1,5 °C festgelegt. Daher ist es bei der Planung von Bohrfeldern wichtig zu prüfen, auf welcher Temperatur die gesetzlichen Vorschriften basieren.
Durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur
Die durchschnittliche Fluidtemperatur ist aufgrund ihrer direkten Kopplung an die Bohrlochwandtemperatur über den Bohrlochwiderstand die einfachste Temperatur, mit der man arbeiten kann. Der Vorteil dieser Temperatur besteht darin, dass sie den Einfluss der Durchflussrate teilweise außer Acht lässt. Unabhängig davon, ob das Strömungsregime beispielsweise 3 °C/0 °C oder 5 °C/−2 °C beträgt, liegt die durchschnittliche Fluidtemperatur stets bei 0 °C, was die Interpretation der Ergebnisse erleichtert. 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 Temperatur der einströmenden Flüssigkeit ist die Temperatur Betreten des Bohrfeldes und könnte als die Flüssigkeitstemperatur im ungünstigsten Fall bezeichnet werden, da sie während der Entnahme immer am kältesten und während der Einspritzung am wärmsten ist. Das liegt daran, dass die Flüssigkeit Betreten des Bohrfeldes ist auch die Flüssigkeit die Wärmepumpe verlassen. Wenn Ihre Wärmepumpe das Gebäude heizt, entzieht sie der Primärflüssigkeit Energie, was bedeutet, dass die Flüssigkeit am Auslass der Wärmepumpe die kälteste Flüssigkeit im gesamten Kreislauf ist (und umgekehrt beim Kühlen bzw. bei der Einspeisung).
Wenn Sie strenge Grenzwerte für die Medientemperaturen in Ihrem Bohrfeld festlegen möchten, stellen die Grenzwerte für die Einlassmedientemperatur sicher, dass Sie im Wesentlichen alle möglichen Temperaturen abgedeckt haben, sodass zu keinem Zeitpunkt und an keiner Stelle ein Verstoß gegen diesen Grenzwert auftritt.
Temperatur der austretenden Flüssigkeit
Die Austrittsflüssigkeitstemperatur ist die Temperatur der Flüssigkeit beim Verlassen des Bohrfeldes und entspricht der optimalen Flüssigkeitstemperatur. Bei der Entnahme wird ein kaltes Fluid in das Bohrlochfeld eingeleitet und dort durch den Boden erwärmt, was zu einer höheren Temperatur am Auslass des Bohrlochfeldes führt. Analog dazu wird bei der Einleitung ein warmes Fluid in das Bohrlochfeld eingeleitet, wo es abkühlt, was zu einer niedrigeren Fluidtemperatur am Auslass führt.
Diese Austrittsflüssigkeitstemperatur 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 bei aktiver Kühlung) abhängt. Wenn Sie beispielsweise Ihr Bohrfeld mit der Austrittstemperatur simulieren und eine minimale (Austritts-)Flüssigkeitstemperatur von 2 °C haben, müssen Sie sicherstellen, dass Ihre Wärmepumpe die erforderliche Leistung liefern kann, wenn 2 °C in den Verdampfer eintreten.
Beispiel in GHEtool Cloud
Um zu verstehen, welchen Einfluss die Art der Flüssigkeitstemperatur auf die Auslegung Ihres Bohrfeldes hat, betrachten wir das folgende Beispiel in GHEtool Cloud.
Auf der Registerkarte ‘Allgemein’ in den Simulationseinstellungen können Sie auswählen, mit welcher der drei Fluidtemperaturen Sie die Berechnung durchführen möchten. Wenn Sie ‘Einlass’ auswählen, werden alle entsprechenden Fluidtemperaturen als Einlassfluidtemperaturen neu definiert; dasselbe gilt für die Optionen ‘Durchschnitt’ und ‘Auslass’.
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 Bohrloch-Einlass und -Auslass durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass das Medium bei einer minimalen durchschnittlichen Medientemperatur von 0,46 °C deutlich innerhalb der Grenzwerte bleibt. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies jedoch nicht, dass die absolute Mindesttemperatur des Mediums die 0-°C-Schwelle nicht überschreitet. Daher wird eine Simulation unter Verwendung der Medientemperatur am Einlass 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.
Es dürfte klar sein, dass die Art der in der Simulation verwendeten Flüssigkeit natürlich einen Einfluss auf die insgesamt erforderliche Bohrlochlänge hat. Darauf wird in den folgenden Abschnitten eingegangen.
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.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird in den folgenden Kapiteln die Berechnung der erforderlichen Bohrfeldgröße erörtert.
Literaturverzeichnis
- Gesetzgebung in Brüssel: Checkliste (NL)
- Gesetzgebung in den Niederlanden: BRL11000 Protokoll 11001 (Seite 61–62)
- Rechtsvorschriften in der Schweiz: SIA 384/6 § 3.1.1.2