In den vorangegangenen Kapiteln wurden die Begriffe Druckabfall, Pumpenleistung und Pumpenenergie eingeführt. In diesem Kapitel werden diese Erkenntnisse genutzt, um unseren ersten hydraulischen Entwurf in GHEtool Cloud durchzuführen.
Hydraulische Auslegung des Bohrlochs
Die hydraulische Auslegung von Bohrfeldern geht über die Wahl des Rohrdurchmessers im Bohrloch hinaus. Auch die gesamte horizontale Auslegung spielt eine wichtige Rolle: Wie groß ist der horizontale Rohrdurchmesser? Wie viele Bögen oder Abzweigungen gibt es? Wie sind die Bohrlöcher miteinander verbunden?
In den folgenden Abschnitten werden die verschiedenen Arten der Verbindung von Bohrlöchern (parallel, Tichelmann oder in Reihe) erläutert, gefolgt von dem Konzept des hydraulischen Abgleichs.
Horizontale Verbindungen
Wenn in einem System mehrere Bohrlöcher vorhanden sind, werden diese in der Regel auf eine von vier verschiedenen Arten an einen Verteiler angeschlossen: direkt, parallel, nach Tichelmann oder in Reihe. Diese Optionen werden im Folgenden erläutert.
Direkt
Wenn die Bohrlöcher direkt mit dem Verteiler verbunden sind, ist der Durchfluss durch jedes Bohrloch gleich dem Durchfluss durch den horizontalen Abschnitt. Dies ist die einfachste Art, die Bohrungen zu verbinden, und hat den Vorteil, dass die verschiedenen Bohrungen individuell gesteuert werden können. Außerdem bietet sie ein zusätzliches Maß an Sicherheit für den Fall, dass etwas schief geht. Da die Bohrlöcher einzeln abgetrennt werden können, lassen sich Probleme leichter beheben.
Der Hauptnachteil einer direkten Verbindung ist, dass sie teurer ist, da ein größerer Verteiler und mehr horizontale Verbindungen erforderlich sind. Außerdem kann es schwieriger sein, eine turbulente Strömung zu erreichen, da die Durchflussmenge nun auf die $n$-Bohrungen im System aufgeteilt wird.
Parallelschaltung
Bei einer Parallelschaltung (auch direkte Rückführung genannt) der Bohrlöcher ist die Anzahl der horizontalen Anschlüsse kleiner als die Anzahl der Bohrlöcher. Das bedeutet, dass ein einziger horizontaler Anschluss z. B. an 2, 3 oder mehr Bohrlöcher angeschlossen werden kann. Dies hat den Vorteil, dass weniger horizontale Verbindungen und Schweißnähte erforderlich sind, wodurch das System kostengünstiger wird. Auch der Verteiler kann aufgrund der geringeren Anzahl von Anschlüssen kleiner ausfallen.
Der Nachteil ist, dass die Flexibilität bei der Kontrolle eingeschränkt ist, da nicht jedes Bohrloch einzeln kontrolliert oder ausgeglichen werden kann. Dies bedeutet auch, dass bei Ausfall oder Leckage eines Bohrlochs die gesamte Parallelschaltung betroffen ist. Da die Bohrlöcher in Gruppen von n miteinander verbunden sind, beträgt der Durchfluss durch den horizontalen Abschnitt das n-fache des Durchflusses durch die einzelnen Bohrlöcher, was die Bedeutung einer angemessenen hydraulischen Auslegung des horizontalen Rohrdurchmessers unterstreicht.
Unten sehen Sie ein Bild der Parallelschaltung (direkte Rückführung).
Die Abbildung oben zeigt zwei hydraulische “parallele” Konfigurationen. Die linke, mit umgekehrter Rücklaufleitung, wird auch als Tichelmann bezeichnet und wird im Folgenden behandelt. Die rechte Variante ist die traditionelle Parallelschaltung. Obwohl diese Konstruktion einfacher zu realisieren ist, garantiert sie nicht die gleiche Durchflussmenge durch die verschiedenen Bohrlöcher. Der Weg durch Bohrung 1 ist kürzer als der durch Bohrung 2, was zu geringeren Reibungsverlusten und damit zu einer etwas höheren Durchflussrate führt. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht (wie weiter unten erläutert wird), weshalb normalerweise eine Tichelmann-Verbindung bevorzugt wird.
Tichelmann-Verbindung
Wenn die Bohrlöcher in einer Tichelmann-Konfiguration verbunden sind, werden sie immer noch in Gruppen von n gruppiert, was zu einem Faktor n weniger horizontale Verbindungen als im Falle einer direkten Verbindung und einer n-mal höheren Durchflussrate im horizontalen Abschnitt führt. In diesem Sinne ist sie der oben beschriebenen Parallelschaltung sehr ähnlich, mit dem entscheidenden Unterschied, dass die Rücklaufleitung für jedes Bohrloch die gleiche Länge hat. Dadurch wird sichergestellt, dass die Druckverluste für jedes Bohrloch identisch sind, was zu einer gleichen Durchflussrate durch jedes Bohrloch führt. Alle anderen Vorteile einer Parallelschaltung gelten auch hier.
Nachteilig ist auch hier die eingeschränkte Kontrollierbarkeit der einzelnen Bohrlöcher (obwohl eine Tichelmann-Verbindung theoretisch immer hydraulisch abgeglichen ist).
Reihenschaltung
Eine Reihenschaltung wird in der Regel verwendet, wenn ein höherer Durchfluss durch die Bohrungen gewünscht wird, um den Wärmeübergang zu verbessern. Durch die Reihenschaltung von Bohrungen in Gruppen von $n$ wird die Anzahl der horizontalen Rohre wiederum um den Faktor n reduziert, da nun der Ausgang einer Bohrung direkt mit dem Eingang der nächsten verbunden ist. Das bedeutet, dass der Durchfluss in jedem Bohrloch identisch und gleich dem Durchfluss in den horizontalen Rohren ist. Ein Beispiel für eine Reihenschaltung ist unten dargestellt.
Der Hauptvorteil einer hydraulischen Reihenschaltung besteht darin, dass sich aufgrund der höheren Durchflussmenge pro Bohrloch leichter eine turbulente Strömung erzielen lässt. Sie ist auch relativ kostengünstig, da keine komplexen hydraulischen Verbindungen wie bei einer Tichelmann-Konfiguration erforderlich sind und weniger Rohre als bei einer direkten Verbindung benötigt werden. Der Nachteil einer Reihenschaltung besteht darin, dass bei einem Problem an einem Bohrloch alle Bohrlöcher dieser Gruppe betroffen sind. Da der Durchfluss durch alle Bohrlöcher fließen muss, ist der Druckabfall bei einer Reihenschaltung außerdem wesentlich höher als bei einer direkten oder Tichelmann-Konstruktion.
Bei der Reihenschaltung von Doppel-U-Rohren ist es üblich, dass beide U-Rohre unterschiedliche Ein- und Auslässe haben. Wenn beispielsweise zwei Bohrlöcher in Reihe geschaltet werden, fließt bei einem Paar U-Rohre der Einlass des linken Bohrlochs nach rechts, während bei dem anderen Paar der Einlass des rechten Bohrlochs nach links fließt. Dies gewährleistet einen besseren Ausgleich zwischen Entnahme und Einspeisung. Dies ist auch in der Abbildung unten dargestellt, wobei die rote Linie den Einlass und die blaue Linie den Auslass darstellt.
Kombination
Natürlich ist es auch möglich, verschiedene horizontale Konfigurationen zu kombinieren, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Dabei werden die Bohrlöcher in zwei Gruppen von je drei Bohrlöchern aufgeteilt. Innerhalb jeder Gruppe werden die Bohrungen in Reihe geschaltet, und die beiden Gruppen werden dann in einer Tichelmann-Konfiguration verbunden. Solche komplexen Konstruktionen können aus verschiedenen Gründen auftreten, werden aber wegen des hohen Risikos von Installationsfehlern oft vermieden.
Hydraulischer Abgleich
Wie bereits in das erste Kapitel In diesem Teil wird der Druckabfall entlang eines bestimmten hydraulischen Weges sowohl durch die Länge dieses Weges als auch durch alle lokalen Verluste (Biegungen, Abzweigungen usw.) bestimmt. In einem geothermischen Bohrloch kann dies von einem Bohrloch zum anderen erheblich variieren, da einige näher am Verteiler liegen, während andere weiter entfernt sind. Der Schlüssel zur Berechnung des Gesamtdruckverlustes eines solch komplexen Systems auf relativ einfache Weise ist das Konzept der hydraulischer Abgleich.
Aus thermischer Sicht ist es ideal, wenn jedes Bohrloch gleichermaßen zum Strom- und Energiebedarf des Systems beiträgt. Daher ist es das Ziel, durch jedes Bohrloch den gleichen Durchfluss zu erreichen. Dies kann sichergestellt werden, indem der Druckabfall für jedes Bohrloch (d. h. jeden hydraulischen Pfad) identisch ist. Dies wird erreicht, indem man den Druckabfall des ungünstigsten Pfades berechnet (oder vor Ort misst) und sicherstellt, dass alle anderen Bohrlöcher den gleichen Druckabfall haben, indem man Ausgleichsventile verwendet.
Mit diesen Ventilen kann an jedem Anschluss an den Verteiler ein zusätzlicher lokaler Druckabfall erzeugt werden, um einen hydraulischen Ausgleich zu erreichen.
Bei der hydraulischen Auslegung von Bohrlöchern kommt es darauf an, den ungünstigsten Fall zu ermitteln, bei dem der Druckverlust am größten ist. Dies ist in der Regel das Bohrloch, das am weitesten vom Verteiler entfernt ist, was zu den größten horizontalen Druckverlusten führt. Da alle anderen Bohrlöcher auf den gleichen Druckverlust eingestellt werden, reicht die Berechnung eines einzigen hydraulischen Pfades aus, um den Gesamtdruckverlust des Systems zu bestimmen.
Dieses Konzept des hydraulischen Abgleichs stellt sicher, dass der Gesamtdruckverlust bei einem bestimmten Auslegungsdurchfluss für alle Anschlüsse des Verteilers gleich ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Reibungsverluste und lokalen Verluste für jeden hydraulischen Pfad identisch sind. Einige Anschlüsse haben weniger horizontale Rohre und erfordern daher mehr lokale Verluste zum Ausgleich, während andere höhere horizontale Druckverluste haben und weniger zusätzliche lokale Verluste erfordern.
Die Tatsache, dass diese Strom- oder Strangregulierventile statisch sind (d. h., dass sie, wenn sie einmal eingestellt sind, denselben K-Wert beibehalten), führt zu einer zusätzlichen Komplexität bei der hydraulischen Auslegung. Die Gleichung für den Gesamtdruckabfall ist unten wiedergegeben:$$\Delta P = \left(f\cdot \frac{L}{D}+\sum{K}\right)\cdot \frac{\rho v^2}{2}$$wobei $\Delta P$ der Druckabfall in (Pa), $f$ der Darcy-Weisbach-Reibungsfaktor ist, $L$ und $D$ sind die Rohrlänge in (m) und der Rohrdurchmesser in (m), $\rho$ ist die Flüssigkeitsdichte in (kg/m³) und $v$ ist die Strömungsgeschwindigkeit in (m/s).
Wenn sich der Durchfluss ändert, ändert sich auch die Strömungsgeschwindigkeit $v$, was sich sowohl auf die lokalen als auch auf die Reibungsverluste auswirkt. Wie jedoch in Teil 4.1, ist der Reibungsfaktor auch eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit (über die Reynoldszahl). Dies bedeutet, dass die Reibungsverluste stärker betroffen sind als die lokalen Verluste. Dies hat zur Folge, dass bei einem Betrieb außerhalb des Auslegungs-Sollwerts der Strangregulierventile das System aufgrund des unterschiedlichen Verhaltens von lokalen Verlusten und Reibungsverlusten möglicherweise nicht mehr perfekt ausgeglichen ist.
Es ist anzumerken, dass dieser Effekt zwar vorhanden ist, seine Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Systems jedoch im Allgemeinen begrenzt sind. Bei Bedarf können dynamisch gesteuerte Ausgleichsventile eingesetzt werden, um den K-Wert in Abhängigkeit von der Durchflussmenge anzupassen. Diese Systeme sind jedoch erheblich teurer, sowohl in Bezug auf die Erstinvestition als auch auf die laufende Wartung.
Hydraulischer Entwurf in GHEtool Cloud
In GHEtool werden bei der hydraulischen Auslegung drei verschiedene Druckverluste berücksichtigt: der Teil innerhalb des Bohrlochs selbst, die Verbindungen zwischen den Bohrlöchern und dem Verteiler und die Verbindung vom Verteiler zum Technikraum.
In der nachstehenden Abbildung sind die verschiedenen Beiträge deutlich dargestellt.
Verschiedene Eingabeparameter
Für die Bohrlochanschlüsse kann eine Auswahl oder Kombination von Tichelmann- und Reihenanschlüssen getroffen werden. Wenn alle Bohrlöcher direkt mit dem Verteiler verbunden sind, werden beide Werte auf 1 gesetzt, was bedeutet, dass jede Gruppe ein einzelnes Bohrloch enthält. Für den oben beschriebenen kombinierten Fall, in dem zwei Gruppen von drei Bohrungen in Reihe geschaltet sind, sollte die Anzahl der Bohrungen in Tichelmann auf 2 und die in Reihe auf 3 gesetzt werden. Dies gewährleistet die korrekte Durchflussmenge sowohl durch die Bohrungen als auch durch die horizontalen Verbindungen.
Für den seitlichen Anschluss, der das Bohrloch mit dem Verteiler verbindet, sollte der ungünstigste Fall gewählt werden. Dies ist in der Regel die Verbindung mit dem längsten horizontalen Verlauf und daher diejenige, die am weitesten von der Sammelleitung entfernt ist. Die Anzahl der Bögen, Abzweigungen und anderen Komponenten entlang dieses Weges kann ebenfalls gezählt werden, um den entsprechenden K-Wert für die seitlichen Rohre zu bestimmen.
Schließlich ist es möglich, dass sich der Verteiler in einiger Entfernung vom Technikraum befindet. Aus diesem Grund wird ein separater Beitrag zur Berücksichtigung des Druckabfalls in der Hauptsammelleitung aufgenommen. Hier können ggf. auch K-Werte für Bögen und Abzweigungen berücksichtigt werden.
Beispielrechnung in GHEtool
Um zu veranschaulichen, wie einfach es ist, eine hydraulische Simulation in GHEtool Cloud durchzuführen, betrachten wir das folgende Gebäude. In diesem Fall befinden sich 12 Bohrungen auf der linken Seite des Gebäudes, wobei sich der Verteiler im Gebäude selbst befindet. Das bedeutet, dass die Sammelleitung nicht berücksichtigt werden muss und nur die Druckverluste in den Bohrlöchern und den seitlichen Anschlüssen bewertet werden müssen.
Um den Druckabfall der horizontalen Verbindungen zu berechnen, muss die längste Strecke ermittelt werden. In der obigen Situation ist dies das Bohrloch unten links mit einer horizontalen Weglänge von 30 m. Um die lokalen Verluste entlang dieser Leitung zu berücksichtigen, gibt es ein Durchflussregelventil am Verteiler, einen 90°-Bogen in der Mitte der seitlichen Leitung und einen 90°-Bogen am Ende der seitlichen Leitung, wo die Flüssigkeit in das Bohrloch eintritt. Da die Strömung bidirektional ist, treten die lokalen Verluste zweimal auf. Geht man von einem K-Wert von 0,5 für jede Komponente aus, ergibt sich ein Gesamtkoeffizient für den lokalen Druckverlust von 3. Für die horizontale Verbindung wird ein DN40 PN16-Rohr verwendet.
Die Bohrungen haben eine Länge von 120 m, verwenden Doppel-U-Wärmetauscher DN32 und werden mit 25 v/v% MPG und einer variablen Durchflussmenge mit einer konstanten Temperaturdifferenz von 3 °C sowohl bei der Entnahme als auch bei der Einspeisung simuliert. Die Heizleistung beträgt 37 kW mit einem Jahresbedarf von 67 MWh/Jahr, die Kühlleistung 4 kW und 2,9 MWh/Jahr. Daraus ergibt sich ein relativ großes Ungleichgewicht, wie aus dem nachstehenden Temperaturprofil ersichtlich ist.
In einer ersten Simulation wird davon ausgegangen, dass alle Bohrlöcher direkt mit dem Verteiler verbunden sind. Dies führt zu einer sehr laminaren Strömung (sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen) mit Reynoldszahlen von Re = 875 bei der Entnahme und Re = 232 bei der Einspeisung, wobei der Unterschied durch eine Variation der Durchflussmenge verursacht wird. Das Diagramm für die hydraulische Auslegung ist unten dargestellt.
Aufgrund der unterschiedlichen Spitzenleistung beträgt der Auslegungsdurchfluss beim Heizen 2,49 l/s, während er beim Kühlen 0,35 l/s beträgt. Das bedeutet, dass der Druckabfall beim Kühlen fast vernachlässigbar ist (≈ 1 kPa) und dass die gesamte hydraulische Auslegung durch den Heizbedarf bestimmt wird. In diesem Fall beträgt der gesamte Druckabfall 15,99 kPa, wovon 13,21 kPa im Bohrloch selbst und 2,78 kPa in den seitlichen Anschlüssen auftreten. Die geschätzte Pumpenenergie (bei einem Wirkungsgrad von 70%) beträgt 75 kWh/Jahr.
Als zweite Option wird eine Tichelmann-Verbindung mit Gruppen von 2 Bohrlöchern untersucht. Daher wird die Anzahl der Bohrungen in Tichelmann in der allgemeinen Registerkarte auf 2 gesetzt, was zu der unten dargestellten Druckabfallkurve führt.
Da eine Tichelmann-Verbindung dafür sorgt, dass der Durchfluss durch die Bohrungen gleich bleibt, ist der Druckabfall für den vertikalen Teil mit 13,21 kPa identisch mit dem der direkten Verbindung. Die einzige Änderung betrifft den Druckabfall in den horizontalen Rohren, der nun aufgrund der verdoppelten Durchflussmenge 10,82 kPa beträgt, was zu einem Gesamtdruckabfall von 24,03 kPa führt. Der geschätzte Stromverbrauch steigt auf 108 kWh/Jahr.
In einer dritten Variante werden die Bohrungen nicht mehr in einer Tichelmann-Konfiguration, sondern in Reihe geschaltet. Dadurch ändert sich die Durchflussmenge durch jedes Bohrloch (sie wird effektiv verdoppelt), was den Wärmeübergang verbessert. Da die Strömung jedoch laminar bleibt (Re = 1776 während der Extraktion), ist keine signifikante Verbesserung zu beobachten. Die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit steigt von 0,07 °C in den beiden vorherigen Fällen auf 0,37 °C. Das Druckabfalldiagramm für diesen Fall ist unten dargestellt.
Bei dieser Reihenschaltung erhöht sich der Druckabfall im Bohrloch auf 26,04 kPa, da die Durchflussmenge nun doppelt so hoch ist wie zuvor. Der horizontale Druckabfall beträgt 10,77 kPa. Da die Bohrungen in Reihe geschaltet sind, muss für den Gesamtdruckabfall der Druckabfall über der Bohrung doppelt gezählt werden, da der gesamte Durchfluss durch beide fließt. Daraus ergibt sich ein Gesamtdruckabfall von 62,85 kPa, der deutlich höher ist als bei der Tichelmann- (oder direkten) Verbindung. Der geschätzte Energieverbrauch der Pumpe beträgt 290 kWh/Jahr.
Als nächste Variante wird die doppelte DN32-Sonde durch eine einzelne DN40-Sonde ersetzt. In dieser neuen Situation wird die Wärmeübertragung turbulent (Re = 2833), was zu der gleichen Mindesttemperatur von 0,37 °C wie im vorherigen Fall führt. Der Druckabfall über ein einzelnes Bohrloch verdoppelt sich jedoch fast auf 41,33 kPa, was zu einem Gesamtdruckabfall von 93,44 kPa und einem geschätzten Pumpenstromverbrauch von 393 kWh/Jahr führt.
Um die Bedeutung der angenommenen Durchflussmenge zu verdeutlichen, wird dieselbe Simulation mit einer konstanten Durchflussmenge von 2,49 l/s für das gesamte Bohrlochfeld durchgeführt (um der vorherigen Situation zu entsprechen). Der geschätzte jährliche Energiebedarf der Pumpe liegt nun bei 1272 kWh/Jahr, etwa 900 kWh/Jahr höher als im vorherigen Fall. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Druckabfall während der Kühlung aufgrund des geringen Durchflusses vernachlässigbar war und nun 78,75 kPa erreicht.
Fazit
In diesem letzten Kapitel von Teil 4 wurde die hydraulische Auslegung für verschiedene horizontale Anschlussarten (direkt, parallel, Tichelmann und in Reihe) erläutert. Mit Hilfe des Konzepts des hydraulischen Abgleichs wurde es einfach, den Druckabfall eines einzelnen Bohrlochs in den Druckabfall des gesamten Bohrfelds zu übersetzen. In GHEtool Cloud wurde gezeigt, wie der Druckabfall simuliert werden kann und welche Auswirkungen der Wechsel von einer direkten Verbindung zu einem Tichelmann- oder einem Seriendesign hat.
Im nächsten Teil werden wir die Empfindlichkeiten der Konstruktion sowohl aus thermischer als auch aus hydraulischer Sicht genauer untersuchen.
Fragen
Wie groß ist die Durchflussmenge durch jedes Bohrloch in der nachstehenden hydraulischen Konfiguration, wenn der Einlassdurchfluss 1 l/s beträgt?
Im Folgenden wird ein Beispiel für zwei parallel geschaltete Bohrlöcher gegeben. Können Sie erklären, warum die beiden obigen Gruppen in einer Tichelmann-Konfiguration statt einer Parallelschaltung verbunden sind?
Warum gibt es zwei Sprünge in der Druckabfallkurve bei der Einspritzung, aber nur einen bei der Entnahme im Falle eines direkten Anschlusses an den Verteiler?
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