Teil 3: Antworten

In diesem Kapitel werden wir Ihnen die Antworten auf die Fragen am Ende jedes Kapitels des dritten Teils des Kurses geben.

Frage 1.1

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Versuchen Sie im Falle des Wohngebäudes, die beste Kombination von Spitzenzeiten für Heizung und Kühlung zu finden, um eine gute Übereinstimmung mit dem stündlichen Simulationsprofil zu erzielen. Sie können versuchen, dasselbe für das Hörsaalgebäude zu tun.

Der Weg dazu ist ein Versuch und Irrtum, um die Spitzendauer sowohl bei der Heizungsentnahme als auch bei der Kühleinspeisung zu aktualisieren. Im Falle des Wohngebäudes sollte die Spitzendauer bei der Kühlung 4 Stunden betragen, was zu einer maximalen Flüssigkeitstemperatur von 16,48 °C führt, die nahe an den 16,40 °C liegt, die bei der stündlichen Simulation ermittelt wurden. Beim Heizen sollte die Spitzendauer 110 Stunden betragen, um die gleiche durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 2,09 °C zu erreichen.

Für das Hörsaalgebäude sollten die Spitzenzeiten für Heizung und Kühlung 3 bzw. 5 Stunden betragen, um eine gute Übereinstimmung zwischen den monatlichen und stündlichen Simulationen zu erzielen.

Da eine monatliche Simulation eine Vereinfachung der Realität darstellt, ist es nicht möglich, von vornherein eine einzige Spitzendauer zu bestimmen, die der entsprechenden stündlichen Simulation entspricht. Dies unterstreicht die Wichtigkeit der Verwendung einer stündlichen Simulation.

Frage 2.1

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Im letzten Abschnitt wurde die ungewöhnliche Situation eines plötzlichen Temperaturabfalls in einer Flüssigkeit gezeigt. Verwenden Sie GHEtool Cloud, um eine bestimmte Reihe von Gestaltungsmöglichkeiten zu finden, die denselben Effekt hervorrufen.

Ziel ist es, einen bestimmten Satz von Bedingungen zu ermitteln, unter denen das Fluid zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Simulationszeitraums von einer turbulenten oder instationären Strömung in eine laminare Strömung übergeht. Um eine solche Parameterkombination zu bestimmen, aktivieren Sie die Option variable Flüssigkeitseigenschaften verwenden und ein Profil anwenden, bei dem die Extraktion im Vordergrund steht, wie z. B. bei dem zuvor betrachteten Wohngebäude.

In diesem Fall sollte das Bohrfeld so gestaltet werden, dass die Strömung während der Entnahme nur laminar ist. Aufgrund des Ungleichgewichts wird die Flüssigkeitstemperatur im letzten Jahr der Simulation am niedrigsten und in den früheren Jahren am höchsten sein. Infolge der höheren Temperatur wird auch die Reynoldszahl etwas höher sein, was zu instationären Strömungsbedingungen führt.

Für das Wohngebäude kann dies durch die Verwendung einer einzigen Sonde DN32 PN16 und einer Mischung mit 22 v/v% MPG erreicht werden.

Frage 3.1

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Unter Teil 3.2, wurde festgestellt, dass variable Flüssigkeitseigenschaften einen enormen Einfluss auf den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand haben. In der nachstehenden Abbildung, in der der Bohrlochwiderstand für das erste Jahr dargestellt ist, scheint der Widerstand für den Fall einer konstanten Durchflussmenge jedoch mehr oder weniger konstant zu sein. Wie lässt sich dies im Lichte der Erkenntnisse aus dem vorherigen Kapitel erklären?

Die Verwendung variabler Flüssigkeitseigenschaften kann zu einem erheblichen Unterschied im Bohrlochwiderstand führen, wenn ein Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung stattfindet. In diesem Fall ist die Durchflussmenge immer ausreichend hoch, um eine turbulente Strömung aufrechtzuerhalten, weshalb es nur geringe Schwankungen gibt. Im Gegensatz dazu ist bei einer variablen Durchflussmenge der Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung deutlich sichtbar.

Frage 3.2

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Wenn wir uns das obige Bohrlochwiderstandsdiagramm noch einmal ansehen, scheint es eine Grenze bei 0,35 mK/W zu geben. Können Sie erklären, woher das kommt?

Diese scheinbare Grenze wird durch den Parameter Mindestdurchflussmenge. Da im obigen Diagramm davon ausgegangen wird, dass die minimale Durchflussmenge immer 10% der maximalen Durchflussmenge beträgt, ergibt sich daraus eine untere Grenze für die Durchflussmenge und folglich eine obere Grenze für die Reynoldszahl und den entsprechenden effektiven thermischen Bohrlochwiderstand.

Ohne diese Begrenzung könnte der Bohrlochwiderstand leicht 1 mK/W erreichen, was natürlich nicht realistisch ist.

Frage 4.1

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Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe wird in der Regel mit B0/W35 angegeben, wobei 0°C als Referenzeintrittstemperatur verwendet wird. Was wäre die entsprechende durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur, mit der wir bei der Arbeit mit GHEtool vertraut sind?

Dies hängt von der Durchflussmenge und dem Temperaturunterschied zwischen dem Einlass und dem Auslass des Wärmepumpenkondensators ab. Wird eine Temperaturdifferenz von 4 °C über der Wärmepumpe angenommen, so ist die Austrittstemperatur aus der Wärmepumpe, also die Eintrittstemperatur in das Bohrloch, 4 °C niedriger als die Eintrittstemperatur in die Wärmepumpe, also die Austrittstemperatur aus dem Bohrloch.

Das bedeutet, dass, wenn 0 °C das Bohrlochfeld verlässt, -4 °C eintritt, was zu einer durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von -2 °C führt.

Frage 4.2

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In der obigen Grafik ist für alle Gebäude eine größere Bohrlochtiefe erforderlich, wenn 3 °C als Mindestgrenzwert für die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur verwendet wird, mit Ausnahme des Bürogebäudes, das in beiden Fällen gleich ausgelegt ist. Können Sie erklären, warum?

Wenn sich die Auslegung nicht ändert, wenn die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit variiert wird, bedeutet dies, dass das System nicht durch diese Temperatur eingeschränkt wird. Im Fall des Bürogebäudes ist es die Höchsttemperatur, die die erforderliche Bohrlochgröße bestimmt, unabhängig von der Mindesttemperaturgrenze.

Frage 4.3

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Simulieren Sie nun das letzte Szenario mit einer variablen Durchflussmenge und einem Temperaturunterschied von 3°C während der Entnahme und der Einspritzung. Wie verändert sich die Auslegung?

Bisher blieb die Strömung bei konstantem Durchfluss über den gesamten Simulationszeitraum zumindest turbulent. Bei einer variablen Durchflussmenge ist dies nicht mehr der Fall, und der effektive Bohrlochwiderstand ist oft höher, was zu niedrigeren Flüssigkeitstemperaturen und folglich zu einer geringeren Effizienz führt.

Beim Übergang von einer konstanten zu einer variablen Durchflussrate sinkt der Gesamtwirkungsgrad des Systems aufgrund des höheren durchschnittlichen Bohrlochwiderstands und der niedrigeren Flüssigkeitstemperatur von einem SCOP von 5,14 auf 5,04. Darüber hinaus ändern sich die minimale und maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 0,2 °C und 18,12 °C auf -0,1 °C und 18,75 °C.

Bei der Injektion ist dies auf die geringere Durchflussmenge zurückzuführen, die zu einem höheren Bohrlochwiderstand von 0,1341 mK/W statt 0,098 mK/W führt.

Bei der Entnahme ist das Verhalten subtiler. Die beiden nachstehenden Diagramme zeigen die Flüssigkeitstemperatur im 20. Jahr des Simulationszeitraums um 08:00 Uhr sowohl für konstante als auch für variable Durchflussraten.

Obwohl die Temperatur der Bohrlochwand in beiden Diagrammen gleich ist, unterscheidet sich die Temperatur der Flüssigkeit. In der oben gezeigten Grafik mit konstantem Durchfluss ist zu erkennen, dass der Abwärtstrend der Flüssigkeitstemperatur einige Stunden zuvor in einen Aufwärtstrend übergegangen ist. Ein ähnlicher Übergang ist im Fall einer variablen Durchflussrate zu beobachten. Um 08:00 Uhr gibt es jedoch einen plötzlichen Sprung, der bei konstantem Durchfluss nicht vorhanden ist.

Dies geschieht zu einer Stunde, in der die Leistung nicht hoch genug ist, um ein turbulentes oder instationäres Strömungsregime zu erreichen, und die Strömung im Falle einer variablen Durchflussrate laminar bleibt. Infolgedessen ist der Bohrlochwiderstand höher und die Flüssigkeitstemperaturen sind niedriger.

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