Temperaturprofile in den verschiedensten Formen und Ausprägungen bilden die Grundlage der geothermischen Planung, und es ist sehr wichtig, sich mit ihnen vertraut zu machen, bevor man in diesem Kurs fortfährt. Deshalb werden wir sie in diesem Kapitel sehr detailliert besprechen, damit Sie wissen, was sie sind, und damit Sie das nötige Hintergrundwissen haben, um in den nächsten Kapiteln in die zugrunde liegende Physik einzutauchen. Fangen wir an!
Zwei Arten von Profilen
Wie wir in Teil 1.4, können wir geothermische Simulationen mit verschiedenen Arten von Lastprofilen durchführen. Einerseits können wir Simulationen mit einem stündlichen Lastprofil durchführen, bei dem die Gebäudelast (oder umgekehrt die Bodenlast) für jede Stunde des Simulationszeitraums definiert wird, oder wir können uns auf eine monatliche Datenauflösung verlassen. Im Folgenden werden wir zunächst das stündliche und dann das monatliche Temperaturprofil erläutern.
Stündliches Temperaturprofil
Im Folgenden wird ein Temperaturprofil für einen Zeitraum von 20 Jahren mit einer stündlichen Auflösung dargestellt, d. h. wir erhalten einen Temperaturwert für jede Stunde der Simulation. Wie wir in Teil 1.2 Die horizontalen gestrichelten Linien sind unsere Mindest- und Höchsttemperaturgrenzen, die konstant sind. Da in diesem Fall die Höchstgrenze überschritten wird, könnte man argumentieren, dass dieses Feld nicht korrekt ausgelegt ist.
Die beiden anderen Linien, die blaue und die schwarze, sagen uns etwas über unser geothermisches System. Im Allgemeinen interessieren uns zwei Dinge: die Temperatur der Bohrlochwand (das ist die Temperatur des Bodens, der unser Bohrfeld direkt berührt) und die Temperatur unseres Fluids (da diese einen Einfluss auf die Effizienz unseres Systems hat, wie in Teil 1.5). Von diesen beiden ist die Flüssigkeitstemperatur die wichtigste.
In dem obigen Profil sind zwei Haupttendenzen zu erkennen. Einerseits gibt es eine jahreszeitliche Schwankung, da das Profil ein sinusförmiges Verhalten aufweist, was darauf zurückzuführen ist, dass dem Feld im Winter Wärme entzogen und im Sommer Wärme zugeführt wird, wodurch das Bohrfeld abgekühlt bzw. aufgeheizt wird. Andererseits ist eine deutliche Temperaturdrift zu niedrigeren Temperaturen zu erkennen, die durch die Ungleichgewicht, die Differenz zwischen Wärmeeinspeisung und -entnahme. Das bedeutet, dass, wenn wir mehr Entnahme als Einspeisung haben, die das Ungleichgewicht wird negativ sein.
Vielleicht werden Sie feststellen, dass in Ihrer Simulation (wie auch im obigen Beispiel) der Unterschied zwischen der Temperatur des Fluids und der Bohrlochwand nicht deutlich sichtbar ist. Daher wird unten eine Nahaufnahme eines Sommermonats gezeigt.
Hier kann man deutlich die Temperaturspitzen sehen, bei denen die Flüssigkeitstemperatur von der Bohrlochwandtemperatur abweicht. Da es sich um eine Nahaufnahme im Sommer handelt, sehen wir, dass unsere durchschnittlichen Flüssigkeitstemperaturen höher sind als unsere Bodentemperaturen. Das liegt daran, dass wir jetzt Wärme in den Boden einleiten, denn Wärme fließt immer von einem warmen zu einem kalten Ort (deshalb kühlt auch Ihre heiße Tasse Kaffee auf dem Tisch ab). Im Winter werden Sie feststellen, dass die Flüssigkeitstemperaturen niedriger sind als die Bodentemperaturen.
Vielleicht haben Sie schon gesehen, dass sich zu manchen Zeitpunkten die Temperatur des Fluids und die Temperatur der Bohrlochwand überschneiden. Das liegt daran, dass in diesen Momenten kein Bedarf an Injektion oder Entnahme besteht, so dass die Temperatur des Fluids undefiniert ist. Sie können sich das folgendermaßen vorstellen: Wenn Sie keine Energie mit Ihrem Bohrloch austauschen, sehen Sie die Temperaturen nicht und haben daher keine Ahnung, wie sie sind (und es ist Ihnen auch egal). In GHEtool verwenden wir die Konvention, dass, wenn keine Last vorhanden ist, entspricht die Flüssigkeitstemperatur der Temperatur der Bohrlochwand.
Dies ist jedoch nicht 100% genau, da es die thermische Trägheit der Flüssigkeit. Das bedeutet, dass die Temperatur eines Fluids, das eine bestimmte Temperatur hat und nicht mehr erwärmt oder gekühlt wird, nicht plötzlich sinkt, sondern sich allmählich verändert, um sich mit der Umgebung (in diesem Fall der Bohrlochwandtemperatur) ins Gleichgewicht zu bringen. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts ist diese thermische Trägheit in diesen Diagrammen noch nicht berücksichtigt; wir werden in den nächsten Kapiteln darauf zurückkommen.
Monatliches Temperaturprofil
Für schnellere Berechnungen ist es möglich, mit monatlichen Lastprofilen zu arbeiten. Hier besteht das Temperaturprofil aus 4 verschiedenen Linien, der Bohrlochwandtemperatur, genau wie zuvor, zusammen mit drei verschiedenen Flüssigkeitstemperaturen. Im Allgemeinen sind in diesem Beispiel dieselben beiden Trends zu erkennen: eine jahreszeitliche Schwankung sowie ein (leichtes) Ungleichgewicht zu kühleren Temperaturen.
Die Nahaufnahme der ersten fünf Jahre unten macht es einfacher, zwischen den verschiedenen Flüssigkeitstemperaturen zu unterscheiden. Wenn Sie mit einer stündlichen Last simulieren, findet zu jeder Stunde entweder ein Wärmeentzug oder eine Wärmeeinspeisung statt, aber auf einer monatlichen Zeitskala können beide im selben Monat auftreten.
Betrachten Sie zum Beispiel den Frühlingsmonat Mai: Es kann vorkommen, dass zu Beginn des Monats noch ein gewisser Heizbedarf besteht, aber gegen Ende mehr Kühlbedarf. Daher kann jeder Monat sowohl eine Temperatur für den Spitzen-Heizbedarf als auch für den Spitzen-Kühlbedarf haben, wobei die Temperaturen während des Heizens niedriger sind als die Temperatur der Bohrlochwand und die Temperaturen während des Kühlens wärmer sind als die Bohrlochwand.
Die letzte Temperatur ist die grüne Linie, die die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur während der Grundlast darstellt. Im Gegensatz zu den Spitzenlasten (bei denen im selben Monat sowohl geheizt als auch gekühlt werden kann), gibt es in jedem Monat nur eine resultierende Nettobodenlast, d. h. in jedem Monat gibt es nur entweder eine Nettoentnahme oder eine Nettozufuhr von Wärme. Würde man alle Spitzenleistungen abziehen und nur mit der Energiebilanz arbeiten, sähe das Temperaturprofil wie die grüne Linie aus.
Man kann diese Grundlasttemperatur auch so betrachten, dass sie den besten Fall darstellt.
Stellen Sie sich den Fall vor, dass Sie ein Gebäude mit einem Heizbedarf von 730 kWh in einem bestimmten Monat haben. Auf Monatsbasis können Sie diese Energie entweder mit einer konstanten Grundlast von 1 kW an das Gebäude liefern - ein Monat hat 730 Stunden - oder mit 2 Stunden zu 365 kW. In beiden Fällen wird die gleiche Energie an das Gebäude geliefert, aber die Spitzentemperatur während der Heizperiode wird im zweiten Fall deutlich niedriger sein.
Wenn man die Spitzenlastverschiebung maximiert und viele Pufferspeicher installiert, kann man die Spitzenleistung so weit absenken, bis man theoretisch in der Best-Case-Situation der Grundlasttemperatur landet.
Auf den ersten Blick mag dies etwas seltsam erscheinen, aber diese Grundlasttemperatur kann als durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur während des Simulationszeitraums interpretiert werden und ist im Sommer wärmer als die Bohrlochwandtemperatur (weil mehr Energie in den Boden eingespeist als entnommen wird) und im Winter umgekehrt.
Borefield-Quadranten
Bevor wir in die Physik eintauchen und erörtern, wie die im ersten Teil dieses Kurses besprochenen Inputs zu den oben genannten Temperaturprofilen führen, sollten wir sie uns genauer ansehen.
Stellen Sie sich das folgende Temperaturprofil vor, das ein negatives Ungleichgewicht aufweist und eindeutig durch die Höchsttemperaturbegrenzung begrenzt ist. Dies könnte z. B. bei einem Auditorium oder einem hochwertigen Wohngebäude der Fall sein, wo der jährliche Heizbedarf in der Regel größer ist (was zu dem negativen Ungleichgewicht führt), aber die Spitzenleistung bei der Kühlung tatsächlich der begrenzende Faktor ist.
In dem nachstehenden Profil ist ein weiteres Ungleichgewicht zu erkennen. Dabei könnte es sich beispielsweise um ein Bürogebäude (oder sogar ein Geschäftsgebäude wie ein Ladengeschäft) handeln, in dem der jährliche Kühlbedarf höher ist als der Heizbedarf, was zu einem positiven Ungleichgewicht führt und die Auslegung wiederum durch die Höchsttemperatur begrenzt.
Ein weiteres Profil mit einem negativen Ungleichgewicht ist unten dargestellt. Hier ist der kritische Punkt die Mindesttemperatur während der Spitzenentnahme im letzten Jahr des Simulationszeitraums. Dies könnte zum Beispiel ein Wohngebäude sein, in dem die Entnahme aus dem Bohrloch durch die Heizung (und den Warmwasserbedarf) dominiert wird.
Die letzte Situation, die auftreten kann, ist unten dargestellt. Hier gibt es ein positives Ungleichgewicht, aber das Bohrfeld ist immer noch durch eine hohe Entnahmebelastung begrenzt. In eher kalten Ländern kann dies auch für den Bürofall eintreten (insbesondere bei aktiver Kühlung und einem Höchstwert von über 17°C), wo die Bodentemperaturen anfangs eher niedrig sind.
All diese vier verschiedenen Optionen können nun wie folgt dargestellt werden.
In der obigen Abbildung sind die vier verschiedenen Fälle in einem 2×2-Raster angeordnet, je nachdem, ob sie durch die Mindest- und Höchsttemperatur ausgelegt (oder begrenzt) sind und ob sie diese Grenze im ersten oder im letzten Jahr des Simulationszeitraums erfahren. Diese werden als die Bohrfeldquadranten.
In der obigen Abbildung sind die Quadranten 1 und 4 grün gefärbt, während 2 und 3 blau gefärbt sind. Diese Einteilung basiert auf dem Ungleichgewicht, da sowohl 1 als auch 4 ein negatives Ungleichgewicht und 2 und 3 ein positives Ungleichgewicht aufweisen. Bei der Dimensionierung eines Borefields ist nicht von vornherein bekannt, in welchem der 4 Quadranten man landen wird, so dass man (oder zumindest der Algorithmus) theoretisch alle überprüfen sollte. Auf der Grundlage des Ungleichgewichts könnte dieser Suchraum nun auf nur 2 Optionen reduziert werden.
Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Bohrloch mit einem negativen Ungleichgewicht, dann sind wir sicher, dass das Bohrloch niemals in Quadrant 2 und 3 liegen wird. Um dies zu beweisen, verwenden wir den Beweis des Widerspruchs und stellen die folgende Hypothese auf: Stellen Sie sich vor, das Bohrlochfeld würde im ersten Jahr durch die Mindesttemperatur begrenzt werden. Aufgrund des Ungleichgewichts wissen wir, dass das Bohrlochfeld im nächsten Jahr kühler sein wird, so dass das erste Jahr niemals der kritische Punkt sein kann. Dies steht im Widerspruch zu unserer Hypothese, so dass es nicht sein kann, dass das Bohrlochfeld in Quadrant 3 fällt.
Schauen wir uns nun an, was diese Bohrlochquadranten uns über unser Bohrloch lehren können.
A-priori-Einsichten
Der Hauptvorteil der Einteilung von Bohrfeldern in verschiedene Bohrfeldquadranten besteht darin, dass man ohne weitere Berechnungen zu bestimmten geothermischen Fragen Stellung nehmen kann. Im Folgenden werden drei häufig gestellte Fragen allein durch die Betrachtung der Sondenfeldquadranten beantwortet.
Wann ist ein Ungleichgewicht/Regenerierung für die Investitionskosten relevant?
Es wird oft behauptet, dass eine Regenerierung mit dem Ziel, das Ungleichgewicht zu verringern, die Investitionskosten eines Bohrlochs senkt, aber das ist nicht immer der Fall. Wenn ein Bohrlochfeld in Quadrant 1 oder 3 fällt, wo die Auslegungsgrenze im ersten Betriebsjahr auftritt, stellt die Unausgewogenheit kein Problem dar. Im Gegensatz dazu führt in den Quadranten 2 und 4 die Verringerung des Ungleichgewichts durch Regeneration zu einem kleineren Bohrlochfeld, da das System auf der Grundlage des letzten Jahres der Simulation ausgelegt wird, in dem das akkumulierte Ungleichgewicht die größten Auswirkungen hat.
Wann ist es vorteilhaft, tiefer zu bohren?
Bei Gebäuden mit hohem Heizbedarf kann es von Vorteil sein, tiefer zu bohren, da die Bodentemperaturen mit der Tiefe zunehmen (wie wir in Teil 1.3). Dies bedeutet, dass die Bohrfelder in den Quadranten 3 und 4 von tieferen Bohrungen profitieren können, während dies in den Quadranten 1 und 2 nicht der Fall ist, da sie in erster Linie für die Wärmeeinspeisung und nicht für die Wärmeauskopplung ausgelegt sind.
Wann ist eine aktive Kühlung vorteilhaft?
Aktive Kühlung kann ein äußerst wirksames Mittel zur Optimierung der Investitionskosten sein, allerdings nur für Bohrfelder, die für hohe Wärmeeinleitungsanforderungen ausgelegt sind. Bei aktiver Kühlung verschiebt sich die Temperaturbegrenzung von typischerweise 16-17 °C (bei passiver Kühlung) auf 25 °C oder mehr, was ein kleineres Bohrfeld und damit niedrigere Investitionskosten ermöglicht. Dies ist in den Quadranten 1 und 2 von Vorteil, nicht jedoch in den Quadranten 3 und 4.
Fazit
In diesem Kapitel haben wir die beiden Arten von Temperaturprofilen bei der Planung von Bohrfeldern erörtert: stündliche und monatliche Temperaturprofile. Auf der Grundlage einiger allgemeiner Merkmale, die jedem Profil innewohnen (nämlich das Ungleichgewicht und die Spitzentemperaturen), wurden die Sondenfelder in Quadranten eingeteilt. Diese Bohrlochquadranten geben uns einen zusätzlichen Einblick in das Verhalten des Systems, ohne dass umfangreiche Berechnungen erforderlich sind.
In unserem nächsten Kapitel werden wir untersuchen, was hinter diesen Temperaturprofilen steckt, und wir werden das wichtige Konzept der effektiver thermischer Widerstand des Bohrlochs.
Fragen
Literaturverzeichnis
- Peere, W., Picard, D., Cupeiro Figueroa, I., Boydens, W., und Helsen, L. (2021). Validierte kombinierte Methode zur Größenbestimmung von Bohrfeldern im ersten und letzten Jahr. In Proceedings of International Building Simulation Conference 2021. Brügge (Belgien), 1. bis 3. September 2021. https://doi.org/10.26868/25222708.2021.30180