In diesem Kapitel werden wir Ihnen die Antworten auf die Fragen am Ende jedes Kapitels des fünften Teils des Kurses geben.
Frage 1.1
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Welchen Einfluss hat der Bohrlochdurchmesser auf die Frage, ob es sich um ein einfaches oder doppeltes U-Rohr handelt, wenn alle anderen Faktoren gleich sind? Gehen Sie davon aus, dass die Rohre bei halbem Bohrlochradius zentriert bleiben.
Der Bohrlochradius beeinflusst den Wärmewiderstand zwischen der Rohrwand und der Bohrlochwand. Mit zunehmendem Bohrlochdurchmesser wird der Wärmeübergang zur Bohrlochwand immer weniger effektiv. Dieser Effekt ist in der nachstehenden Grafik zu sehen.
In der obigen Grafik wurden zwei Bohrlochdurchmesser verglichen: 120 mm (mit einem entsprechenden Abstand zwischen der Rohrmitte und der Bohrlochmitte von 30 mm) und 180 mm (mit einem entsprechenden Abstand von 45 mm). Es wird deutlich, dass der größere Durchmesser zu einem höheren Bohrlochwiderstand führt, da die Wärme eine größere Strecke zurücklegen muss, um die Bohrlochwand zu erreichen. Dieser Effekt ist bei einem Einzel-U-Rohr stärker ausgeprägt als bei einem Doppel-U-Rohr.
Frage 1.2
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Aufgrund einer schwankenden Durchflussmenge ändert sich der Bohrlochwiderstand im Laufe der Zeit, und damit auch die ideale Sonde. Welche Argumente sprechen dafür, die Entscheidung (einfaches oder doppeltes U-Rohr) entweder nach dem niedrigsten Bohrlochwiderstand bei Spitzenleistung oder nach dem niedrigsten Widerstand bei durchschnittlichen Bedingungen zu treffen?
Frage 2.1
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Bei der Simulation unseres Bohrlochs mit variablem Durchfluss und einer einzelnen DN40-Sonde war der Stromverbrauch der Pumpe niedriger als bei der doppelten DN32-Sonde, aber der maximale Druckabfall war tatsächlich höher (133 kPa gegenüber 119 kPa). Können Sie erklären, warum?
Dieses scheinbar kontraintuitive Ergebnis ist auf den Unterschied zwischen Druckabfall und Stromverbrauch der Pumpe zurückzuführen. Der Druckabfall ist eine momentane Eigenschaft, die sich von Stunde zu Stunde ändert und manchmal höher und manchmal niedriger ist. Der Stromverbrauch der Pumpe hingegen ist ein Jahreswert, der alle Druckabfallwerte über das gesamte Jahr hinweg berücksichtigt.
In diesem speziellen Fall trat der maximale Druckabfall im Sommer auf, als beide Sonden im turbulenten Bereich arbeiteten. Da unter diesen Bedingungen die Durchflussmenge in der DN40-Sonde höher ist als in der doppelten DN32-Sonde, ist auch der entsprechende Druckabfall höher. Bei laminaren Strömungsbedingungen ist der Druckabfall in der DN40-Sonde jedoch im Durchschnitt geringer als in der doppelten DN32-Sonde, da sie eine kleinere Oberfläche und damit geringere Reibungsverluste aufweist. Infolgedessen kann die einzelne DN40-Sonde einen höheren maximalen Druckabfall aufweisen, während der jährliche Energiebedarf dennoch geringer ist.
Frage 2.2
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Obwohl die Auslegungsdurchflussmenge von 6,79 l/s für beide Doppel-DN32-Simulationen gleich war, war der Druckabfall während der Einspritzung unterschiedlich (119 kPa für den Fall mit variabler Durchflussmenge und 142 kPa für den Fall mit konstanter Durchflussmenge). Können Sie erklären, warum?
Bei einer stündlichen Simulation wird der Druckabfall für jede Stunde berechnet, und der Höchstwert sowohl für die Heizung als auch für die Kühlung wird zurückgegeben. Bei Verwendung eines variablen Durchflusses tritt der höchste Druckabfall zum Zeitpunkt der Spitzenkühlung auf, wenn der Durchfluss 6,79 l/s beträgt. Bei der Verwendung eines festen Durchflusses ist die Situation jedoch etwas anders.
Bei konstantem Durchfluss tritt der höchste Druckabfall kurz nach der Heizperiode auf, in diesem Fall Anfang April. Das liegt daran, dass die Flüssigkeitstemperaturen nach dem Winter niedriger sind, was zu einer höheren Viskosität und damit zu einem ungünstigeren Reibungsfaktor führt. Da die Durchflussmenge konstant ist, stellt dies den schlechtesten Druckabfall dar. Dies ist auch in der Abbildung unten zu sehen, wo die Drücke im April und Mai tatsächlich höher sind als im Hochsommer.
Beachten Sie, dass im obigen Profil die niedrigen Spitzen tatsächlich denselben Momenten entsprechen wie die hohen Spitzen im Fall der variablen Durchflussmenge (siehe die Grafik unten). Das liegt daran, dass zu diesen Zeitpunkten die Flüssigkeitstemperatur am höchsten ist, was zu dem geringsten Druckabfall führt. Im Gegensatz dazu entsprechen diese Momente im Fall der variablen Durchflussrate den höchsten Durchflussraten und damit den höchsten Druckverlusten.
Dies zeigt, dass das Druckabfallverhalten nicht immer so einfach ist, wie es auf den ersten Blick erscheinen mag. Die kombinierten Auswirkungen von Durchflussmenge, Flüssigkeitstemperatur, Viskosität und Fließverhalten können beim Vergleich verschiedener Betriebsstrategien zu scheinbar kontraintuitiven Ergebnissen führen.
Frage 2.3
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Bei einem variablen Durchfluss war der Stromverbrauch der Umwälzpumpe für die einfache DN40 geringer als für die doppelte DN32, aber bei einem konstanten Durchfluss ist das Gegenteil der Fall. Können Sie erklären, warum?
Die Erklärung für dieses Verhalten ist ähnlich wie die in Frage 2.1 gegebene. Bei Verwendung eines variablen Durchflusses arbeiten beide Rohrkonfigurationen mehr als 90% der Zeit im laminaren Bereich, eine Bedingung, unter der die einfache DN40 besser abschneidet. Infolgedessen weist sie einen geringeren durchschnittlichen Druckabfall und somit einen geringeren Stromverbrauch der Pumpe auf.
Bei konstantem Durchfluss arbeiten jedoch beide Rohrkonfigurationen vollständig im turbulenten Bereich. Unter diesen Bedingungen hat die doppelte DN32-Konfiguration einen geringeren Druckabfall als die einfache DN40. Folglich ist der Stromverbrauch der Pumpe bei konstantem Durchfluss bei der einfachen DN40 höher.
Frage 3.1
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Können Sie erklären, warum beim anfänglichen Wechsel von einem rechteckigen Gitter zu den realen Bohrlochkoordinaten die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 16,95°C auf 17,21°C anstieg?
Dieses Verhalten wird durch dieselben g-Funktionen verursacht, die die langfristigen Vorteile der Verwendung der exakten Bohrlochkoordinaten ausmachen. Wie bereits erwähnt, führt die Verwendung der exakten Koordinaten zu niedrigeren g-Funktionswerten, wodurch sich die Auswirkungen des thermischen Ungleichgewichts im Laufe der Zeit verringern.
Allerdings gibt es auch eine Kehrseite. Da die thermischen Wechselwirkungen zwischen den Bohrungen geringer sind, ist auch die im Winter durch den Wärmeentzug im Boden gespeicherte Kühlwirkung geringer. Folglich ist die Bodentemperatur im Sommer etwas höher. Dies erklärt den Anstieg der Flüssigkeitstemperatur von 16,95°C auf 17,21°C. Die entsprechenden Bohrlochwandtemperaturen zu diesen Zeitpunkten betragen 13,45°C bzw. 13,72°C.
Frage 3.2
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Die benutzerdefinierte Konfiguration hatte einen minimalen durchschnittlichen Bohrlochabstand von 5,5 m statt der angenommenen 5 m. Was ändert sich, wenn die ursprüngliche rechteckige Konfiguration geändert wird, um mit diesem größeren Bohrlochabstand zu arbeiten?
In diesem Fall beträgt die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur 0,25°C, verglichen mit -0,05°C bei Verwendung eines einheitlichen Bohrlochabstands von 5 m. Obwohl dies eine Verbesserung darstellt, ist sie immer noch deutlich niedriger und bleibt daher eine Unterschätzung der minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 0,96°C, die bei Verwendung der tatsächlichen Bohrlochkoordinaten erhalten wird.
Frage 4.1
(Besuchen Sie die ursprüngliche Frage)
Es wurde erwähnt, dass es Fälle gibt, in denen das Hinzufügen eines zusätzlichen Bohrlochs zur Bewältigung von Ungleichgewichten überhaupt keinen Unterschied bei der Endtemperatur macht. Können Sie eine solche Situation in GHEtool erzeugen?
Um diesen Effekt zu demonstrieren, muss man von einer Situation ausgehen, in der die Reynoldszahl knapp über der Übergangsschwelle von 2300 liegt. Bei demselben Projekt wie oben mit einem Bohrlochabstand von 5,5 m kann dies mit einer einzigen DN32-Sonde, einer variablen Durchflussmenge, die einem Temperaturunterschied von 3 °C zwischen dem Einlass und dem Auslass des Bohrlochs entspricht, und einem MPG-Gemisch von 23 v/v% erreicht werden. Unter diesen Bedingungen beträgt der Bohrlochwiderstand während der Extraktion 0,1781 mK/W, mit einer entsprechenden Reynoldszahl von 2404. Dies führt zu einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von -0,09°C.
Wird dann ein zusätzliches Bohrloch hinzugefügt, sinkt der Durchfluss pro Bohrloch und die Reynoldszahl auf 2239. Das Strömungsregime wird somit laminar, wodurch der Bohrlochwiderstand auf 0,2261 mK/W ansteigt. Infolgedessen erreicht das System mit 16 Bohrlöchern eine minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von -0,23 °C, die niedriger ist als die in der ursprünglichen Simulation erhaltene.
Dieses Beispiel verdeutlicht, dass das Hinzufügen eines Bohrlochs nicht immer zu einer verbesserten thermischen Leistung führt. Wenn die Verringerung der Durchflussmenge dazu führt, dass das Strömungsregime von turbulent zu laminar wechselt, kann der daraus resultierende Anstieg des Bohrlochwiderstands den thermischen Vorteil des zusätzlichen Bohrlochs überwiegen.
Herunterladen
- GHEtool-Simulation aus diesem Kapitel herunterladen hier.