Unsere erste GHEtool-Simulation

In den letzten Kapiteln haben wir über kurz- und langfristige Temperatureffekte gesprochen und darüber, was sie beeinflusst. In diesem Kapitel werden wir GHEtool Cloud verwenden, um diese Theorie in die Praxis umzusetzen und etwas über die Auswirkungen des Temperaturgradienten im Boden, die Art des Frostschutzmittels, die Konfiguration des Bohrlochs usw. zu erfahren.

Die Übung

Der Fall für diese Übung basiert auf einem realen Bürogebäude in der Stadt Gent (Belgien). Während dieser Übung werden Sie den Einfluss des geothermischen Temperaturgradienten auf die Planung untersuchen, die Auswirkungen der Verwendung von MPG gegenüber Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit vergleichen, die Wahl zwischen Einzel- und Doppel-U-Rohr-Konfigurationen bewerten und allgemeine Einblicke in die Planung von Bohrfeldern für Gebäude mit hohem Kühlbedarf gewinnen.

Da wir in diesem Kurs zum ersten Mal eine Simulation durchführen, werden wir bei der Planung von Bohrfeldern nur die traditionellen Annahmen verwenden. Das bedeutet, dass wir alle fortschrittlicheren und genaueren Modelle in GHEtool vorerst absichtlich deaktivieren werden. Später in diesem Kurs werden wir sie wieder einschalten, um ihren zusätzlichen Nutzen deutlich zu machen.

Eingabeparameter

Nachfolgend werden die verschiedenen erforderlichen Eingangsparameter angegeben, um diese Simulation zu begleiten.

Allgemeine Eingabeparameter

Die Simulation wird mit einem minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitsschwellenwert von 2°C (damit wir ein Regime von 0-4°C im gesamten Bohrfeld haben und ein lokales Einfrieren verhindern können) und einer maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 17°C (für passive Kühlung) durchgeführt. Die Simulation beginnt im Januar und der Simulationszeitraum beträgt 40 Jahre.

Bodeneigenschaften

Wir gehen von einer homogenen Bodenschicht aus, da aber in der Realität an diesem Standort verschiedene Schichten vorhanden sind, arbeiten wir mit einer Wärmeleitfähigkeit des Bodens von 1,6 W/(mK), wenn unser Bohrloch 150 m tief ist, und 1,7 W/(mK), wenn es 100 m tief ist. Die volumetrische Wärmekapazität des Bodens beträgt 2,4 MJ/(m³K), und für die Temperatur kann der Datenbankeintrag von ‘BEL-Gent’ verwendet werden.

Borefield-Parameter

Wir arbeiten in dieser Übung mit rechteckigen Bohrfeldern (Sie können aber auch andere Konfigurationen wählen) mit einem gleichen Bohrlochabstand in Längs- und Breitenrichtung von 6 m. Die Verlegetiefe beträgt 0,7 m und die Ausgangskonfiguration besteht aus 15 mal 14 Bohrlöchern mit 150 m Bohrlochtiefe.

Parameter des Bohrlochwiderstands

Für unsere erste Simulation wird ein doppeltes DN32 U-Rohr im Bohrloch installiert, mit einem Boden von 1,5 W/(mK), einem Abstand des Rohres zur Bohrlochmitte von 35 mm und einem Bohrlochdurchmesser von 140 mm. Das Wärmeträgermedium ist 25 v/v% von MPG und der gesamte, konstante Durchfluss durch das Bohrlochfeld beträgt 35 l/s.

Wärmebedarf Input

Für den Wärmebedarf werden wir mit einem monatlichen Lastprofil arbeiten, da es sich um eine Machbarkeitsstudie mit groben Schätzungen handelt. Der Spitzenbedarf für Heizung und Kühlung beträgt 306 kW bzw. 336 kW mit einem jährlichen Energiebedarf von 398 MWh bzw. 269 MWh. Der saisonale Wirkungsgrad der Wärmepumpe beträgt 4,5 für das Heizen und unser saisonaler Energiewirkungsgrad für die passive Kühlung beträgt 20.

Design-Fragen

Für diese Übung werden Sie gebeten, die folgenden Konstruktionsfragen zu beantworten und dabei die Gesamtlänge des Bohrlochs für jeden Schritt zu verfolgen. Dies wird Ihnen helfen, die Auswirkungen verschiedener Konstruktionsänderungen auf die Kosten und die Leistung zu beurteilen.

1. Ist das ursprüngliche Bohrfelddesign mit 15×14 Bohrlöchern bei 150 m ein gutes Design?
2. Angenommen, in 110 m Tiefe befindet sich eine schwierige Bodenschicht. Wie viele Bohrlöcher müssen wir zusätzlich bohren, wenn wir die Bohrlochtiefe auf 100 m verringern? Versuchen Sie, zuerst darüber nachzudenken, bevor Sie mit der Simulation beginnen.
3. Was passiert, wenn wir die Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf den richtigen Wert aktualisieren? Können wir den Entwurf ändern?
4. Was passiert mit dem Temperaturprofil, wenn wir die Flüssigkeit durch Wasser ersetzen?
5. Wie können wir unser Bohrfeld umgestalten, um kosteneffizienter zu werden?
6. Was passiert mit unserer Konstruktion, wenn wir von einem Doppel-U-Rohr zu einem Einzel-U-Rohr wechseln?
7. Was ist der Unterschied, wenn wir mit einer einzelnen DN40 im Vergleich zu einer einzelnen DN32 arbeiten?

Die Lösung in GHEtool Cloud

Frage 1

Das Temperaturprofil mit den Ausgangsbedingungen, wie es mit GHEtool simuliert wurde, ist in der nachstehenden Abbildung zu sehen. Es gibt absolut kein Problem mit der minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur, da sie 40 Jahre lang über der 10°C-Marke bleibt. Die maximale Durchschnittstemperatur des Fluids beträgt 17,19°C und liegt damit leicht über unserem Schwellenwert von 17°C.

Die fast schon philosophische Frage lautet nun: Ist dieses Bohrfeld richtig angelegt? Nun, es kommt darauf an. Wenn Sie sich über Ihre Spitzenleistung im Klaren sind oder diese vielleicht etwas geringer ausfällt, ist es wichtiger, sich an Ihre Temperaturgrenzen zu halten. In diesem Fall handelt es sich jedoch um eine Durchführbarkeitsstudie für ein großes Projekt, die nur erste Schätzungen enthält. Wahrscheinlich ist bereits ein hohes Maß an Sicherheit vorhanden, so dass die Überschreitung der Temperaturgrenze um nur 0,19 °C kein großes Problem darstellt.

Letztendlich geht es bei der Konstruktion darum, dass das System funktioniert, indem man mit Sicherheitsfaktoren arbeitet, und je nachdem, wo man einen zusätzlichen Spielraum einräumt, können die Temperaturgrenzen mehr oder weniger streng sein.

Frage 2

Wenn die maximale Bohrlochtiefe auf 100 m reduziert wird, könnte Ihr erster Instinkt sein, die Gesamtzahl der Bohrlöcher um 30% zu erhöhen, um die gleiche Gesamtlänge der Bohrlöcher zu erhalten. Für das nachstehende Temperaturprofil mussten wir jedoch nur 15 Bohrlöcher hinzufügen, also insgesamt 225. Die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur beträgt hier 17,18°C.

Der Hauptgrund dafür ist, dass die durchschnittliche ungestörte Bodentemperatur aufgrund unseres Temperaturgefälles jetzt 12,02 °C beträgt, was deutlich unter den 13,27 °C der vorherigen Frage liegt und alle Linien nach unten verschiebt.

Frage 3

In der vorherigen Simulation haben Sie wahrscheinlich vergessen, die Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf 1,7 W/(mK) zu ändern, da sich nun die Tiefe geändert hat. (Glückwunsch, wenn Sie das nicht vergessen haben!)

Dies ist ebenfalls vorteilhaft, so dass wir wieder 15 Bohrlöcher entfernen und die ursprüngliche Konfiguration von 15 x 14 Bohrlöchern erhalten, nun aber mit nur 100 m Bohrlochtiefe anstelle von 150 m. Die maximale Flüssigkeitstemperatur während der Spitze beträgt 17,22 °C.

Frage 4

Bis jetzt wurden alle Simulationen mit 25 v/v% MPG durchgeführt, was einen Gefrierschutz bis -11°C bedeutet. Betrachtet man jedoch diese Profile, so ist dies absolut nicht erforderlich. Wenn wir unser Fluid in GHEtool auf Wasser umstellen, erhalten wir eine instationäre Strömungsgeschwindigkeit mit einer Reynoldszahl von 2442, die bereits einige Turbulenzen aufweist. Dadurch sinkt der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs von 0,1547 mK/W auf 0,1273 mK/W. Die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur ist nun 0,5°C niedriger als zuvor: 16,76°C.

Frage 5

Wenn wir mit Wasser arbeiten, liegt die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit nicht mehr bei 2°C, sondern eher bei 6°C (obwohl dies je nach den Anforderungen Ihres Wärmepumpenherstellers unterschiedlich sein kann). Die Größe des Bohrfelds konnte aufgrund der höheren Reynoldszahl und des damit geringeren Bohrlochwiderstands auf nur 15 x 13 Bohrungen reduziert werden.

Frage 6

Wenn wir von einem doppelten DN32 U-Rohr zu einem einfachen DN32 wechseln, steigt die Reynoldszahl auf 5971, wodurch die Strömung 100% turbulent wird und der konvektive Wärmewiderstand sinkt. Der Bohrlochwiderstand stieg jedoch von 0,1142 mK/W auf 0,1358 mK/W. Da sowohl unsere Einzel- als auch unsere Doppel-U-Rohre bereits ziemlich turbulent waren (das Doppel-U befand sich bereits weit im instationären Bereich), gab es hier nicht viel zu gewinnen. Da das Einzel-U-Rohr eine geringere Kontaktfläche hat als das Doppel-U-Rohr, wird unser Bohrlochwiderstand insgesamt etwas schlechter sein.

Die durchschnittliche Höchsttemperatur der Flüssigkeit beträgt jetzt 17,29°C.

Frage 7

Als letzte Variante wurde die einzelne DN32 durch eine einzelne DN40 ersetzt. Hier ist die Strömung immer noch turbulent (Re=4762), aber der Bohrlochwiderstand ist mit 0,1257 mK/W wieder etwas besser, was uns eine maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 17,11°C beschert. Dies liegt daran, dass der DN40 eine größere Oberfläche hat, wodurch die Wärmeübertragung erleichtert wird, und da die Strömung turbulent bleibt, ist dies der wichtigste Parameter.

Fazit

In diesem Kapitel haben wir unsere ersten Simulationen in GHEtool Cloud für ein Bürogebäude durchgeführt. Durch intelligente Konstruktionsentscheidungen konnten wir die Gesamtlänge des Bohrlochs um mehr als 30% reduzieren. Es ist klar, dass alle Designentscheidungen (die Bohrlochtiefe, die Art des Frostschutzmittels, die Anzahl der U-Rohre ...) das Bohrfelddesign beeinflussen.

Im nächsten Teil werden wir uns näher mit der Physik des Bohrlochs befassen und uns neuere Modelle für genauere Simulationen ansehen.

Fragen

Herunterladen

• GHEtool-Simulation aus diesem Kapitel herunterladen hier.