In diesem Kapitel werden wir Ihnen die Antworten auf die Fragen am Ende jedes Kapitels des zweiten Teils des Kurses geben.
Frage 1.1
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Ich möchte eine monatliche Temperatursimulation durchführen, bei der im Sommer 8000 kWh gekühlt werden, aber nur in der Grundlast, ohne jegliche Spitzenwerte. Wie wird das Temperaturprofil aussehen?
Wenn es keine Leistungsspitzen gibt, wird die Energie für jeden Monat mit der Grundlastleistung geliefert, d. h. mit der kleinsten Leistung, die die nachgefragte Energie während 730 Stunden (d. h. der Anzahl der Stunden in jedem Monat) liefern kann. In diesem Fall entspricht die Flüssigkeitstemperatur während der Kühlung in den Sommermonaten der Grundlasttemperatur. Dies geht aus dem nachstehenden Temperaturprofil hervor.
Frage 1.2
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Stellen Sie sich vor, Sie haben Ihr Bohrloch mit einer stündlichen Belastung und einer anfänglichen ungestörten Bodentemperatur von 11°C simuliert und stellen fest, dass Ihre minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur 0,2°C beträgt. Sie führen nun eine TRT durch und die Bodentemperatur beträgt 11,5°C. Wie würde sich dies auf die Ergebnisse Ihrer Simulation auswirken?
Alle geothermischen Bohrlochsimulationen beginnen mit einer bestimmten ungestörten Bodentemperatur. In diesem Fall ist die tatsächliche ungestörte Bodentemperatur um 0,5 °C höher als erwartet, was bedeutet, dass unsere Bohrlochwandtemperatur ebenfalls um 0,5 °C höher ist. Da die Flüssigkeitstemperatur mit der Bohrlochwandtemperatur verbunden ist, steigen diese Temperaturen ebenfalls um 0,5 °C.
Frage 2.1
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Um Geld zu sparen, möchte ich mit einem einzelnen U-Rohr anstelle eines Doppelrohrs arbeiten. Würde sich dies auf den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand und/oder die Gesamtlänge des Bohrlochs auswirken?
Es gibt keine endgültige Antwort auf diese Frage, da sie stark von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt und davon, ob die Wärmeübertragung laminar oder turbulent ist. Wenn die Doppel-U-Sonde laminar ist und der Wechsel zu einer Einzel-U-Sonde die Flüssigkeit turbulent macht, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Ihr effektiver Bohrlochwiderstand besser ist als in der ursprünglichen Situation und dass Sie mit weniger Bohrlochmetern auskommen können. Wenn die Flüssigkeit durch den Wechsel zu einer Einzel-U-Sonde laminar bleibt, wird der effektive thermische Bohrlochwiderstand auf jeden Fall größer sein, was mehr Bohrlochmeter erfordert.
Wenn Sie dagegen weniger, aber tiefere Bohrungen haben, ist die Durchflussrate in der Regel höher (in Richtung 1 l/s pro Bohrung). In diesem Fall ist Ihre Doppel-U-Sonde wahrscheinlich turbulent. Wenn Sie zu einer Einzel-U-Sonde wechseln, wird die Flüssigkeit noch turbulenter, aber das hat keinen wesentlichen Einfluss mehr auf die Wärmeübertragung. Da die gesamte Wärmeübertragungsfläche nun kleiner ist, wird die Einzel-U-Sonde in diesem Fall schlechter abschneiden als die Doppel-U-Sonde.
Frage 2.2
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Stellen Sie sich vor, Sie bohren ein Bohrloch in festem Gestein. Abgesehen von den rechtlichen Aspekten: Würden Sie Ihr Bohrloch lieber verpressen oder einfach offen lassen, damit es sich mit Grundwasser füllt?
Die Verwendung von mit Grundwasser gefüllten Bohrlöchern hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Wenn Sie ein Lastprofil haben, das nicht unter dem Gefrierpunkt liegt, können Sie von dem Auftriebseffekt im Bohrloch selbst profitieren. Dadurch wird die Wärmeübertragung verbessert und der effektive Wärmewiderstand des Bohrlochs kommt dem eines verpressten Bohrlochs sehr nahe oder ist sogar besser als bei diesem, allerdings zu geringeren Investitionskosten.
Wenn die Flüssigkeitstemperaturen dagegen so kalt werden, dass das Bohrloch zu gefrieren beginnt, verschwindet dieser Auftriebseffekt und Sie erhalten eine Füllungsleitfähigkeit von 0,6 W/(mK), was den effektiven Wärmewiderstand des Bohrlochs verringert. Es ist wahrscheinlich, dass Sie tiefer bohren müssen, um diesen Effekt auszugleichen.
Die Frage, ob ein tieferes, mit Wasser gefülltes Bohrloch wirtschaftlicher ist als ein flacheres, das verpresst wird, hängt in hohem Maße von Ihrem wirtschaftlichen Kontext und dem besonderen Belastungsprofil Ihres Projekts ab.
Frage 3.1
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Mein Bohrloch ist perfekt ausgeglichen, aber ich habe einen ziemlich hohen Grundwasserfluss. Würde sich dies (positiv/negativ) auf meinen Entwurf auswirken?
Der Grundwasserfluss ist besonders nützlich, wenn ein Ungleichgewicht besteht, da er einen Teil dieses Ungleichgewichts ausgleichen kann. In diesem Fall liegt jedoch kein Ungleichgewicht vor, so dass es keine langfristige Temperaturdrift gibt, die durch den Grundwasserfluss gemildert werden könnte. Das bedeutet aber nicht, dass das Grundwasser keinen Einfluss auf das Bohrloch hat.
Wie bereits erwähnt, sind Bohrlöcher eine Möglichkeit, Energie über die Jahreszeiten hinweg zu speichern, wobei die Flüssigkeitstemperaturen beim Heizen und Kühlen von der Energie beeinflusst werden, die in der vorangegangenen Jahreszeit eingeleitet oder entnommen wurde. Wenn der Grundwasserfluss einen Teil der im Winter gespeicherten Kälte verdrängt, bedeutet dies, dass die Bohrlochwandtemperatur und damit die Flüssigkeitstemperaturen im Sommer höher sein werden.
Das Gleiche gilt für die gespeicherte Wärme aus dem Sommer. Wenn ein Teil davon durch das Grundwasser abgeführt wird, ist die Temperatur der Bohrlochwand niedriger, wodurch die Flüssigkeitstemperaturen sinken.
Dies könnte nicht nur zu einer Erhöhung der erforderlichen Bohrlochgröße führen, da unsere Temperaturen nun näher an beiden Grenzwerten liegen, sondern auch die Gesamteffizienz des Systems verringern.
Kurzum, ein Grundwasserfluss in einem völlig ausgeglichenen System ist eher nachteilig. Besteht ein Ungleichgewicht und ist das Bohrfeld im letzten Jahr aufgrund der langfristigen Temperaturdrift begrenzt, wäre der Grundwasserfluss dagegen von Vorteil.
Frage 4.1
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Fallen Ihnen noch andere Möglichkeiten ein, die Konstruktion aus der letzten Frage zu verbessern und trotzdem mit einer einzigen DN40-Sonde zu arbeiten?
Im Moment wurden alle mit der Strömung zusammenhängenden Parameter variiert, aber wir haben die Wärmeleitfähigkeit des Mörtels in allen Simulationen konstant bei 1,5 W/(mK) gehalten. Erhöhen wir diese auf einen thermisch verstärkten Mörtel von 2 W/(mK), sinkt der Bohrlochwiderstand von 0,1257 mK/W auf 0,1116 mK/W, wodurch die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur auf 16,86 °C sinkt.
Andere, vielleicht weitreichendere Lösungen könnten darin bestehen, den Bohrdurchmesser zu verkleinern (und damit den Mörtelwiderstand effektiv zu verringern) oder den Rohrdurchmesser noch weiter auf DN45 (oder höher, solange die Turbulenz erhalten bleibt) zu erhöhen, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
Frage 4.2
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Wir diskutierten in Teil 1.3 dass die Annahme eines linearen geothermischen Gradienten vor allem in Stadtzentren nicht sehr genau ist. Da sich das Projekt in der Stadt Gent befindet, besteht die Möglichkeit, dass es tatsächlich einen gewissen städtischen Wärmeinseleffekt gibt und die Bodentemperatur in den ersten Schichten tatsächlich wärmer ist. Wie würden Sie dies berücksichtigen und welche Auswirkungen hätte dies auf die Größe Ihres Bohrlochs?
Bei einer Bohrlochtiefe von 100 m beträgt die durchschnittliche ungestörte Bodentemperatur 11,87°C. Wenn wir eine gewisse Sicherheit in unseren Entwurf einbauen wollen, können wir die durchschnittliche ungestörte Bodentemperatur in der Registerkarte "Bodendaten" auf z.B. 12,5°C einstellen. Dadurch erhöht sich unsere maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur um 0,63°C, was durch eine weitere Erhöhung der Anzahl der Bohrungen ausgeglichen werden muss. In unserem Fall brauchten wir 30 zusätzliche Bohrungen von 100 m Länge, also insgesamt 225 Bohrungen, verglichen mit den 195 Bohrungen in Frage 7.
Frage 4.3
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Wir nehmen nun an, dass die Simulation im Januar beginnt. Würde das Ergebnis bei einer Simulation, die im Juni beginnt, anders ausfallen? Warum?
Bohrfelder speichern Energie über die Jahreszeiten hinweg. Wenn wir im Januar beginnen, wird das Bohrloch zunächst abgekühlt, bevor es in den Sommer übergeht. Würden wir die Simulation im Juni beginnen, wäre die Temperatur des Bohrlochs höher, da es noch nicht durch die Entnahme im Winter abgekühlt worden wäre. Da unser Bohrloch durch den Kühlungsbedarf begrenzt ist, würde dies die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur für Szenario 7 von 17,11 °C bei einem Start im Januar auf 17,42 °C bei einer im Juni begonnenen Simulation erhöhen. Das Temperaturprofil ist unten dargestellt.
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