Die Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe ist eine der wichtigsten Methoden im Bereich der Bohrlochplanung. In diesem Artikel geben wir Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Methoden, die in der Literatur verfügbar sind, und diskutieren ihre Vor- und Nachteile.
Berechnen Sie die erforderliche Bohrlochtiefe
Vom Konzept her ist die Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe relativ einfach. Der Prozess beginnt mit einer ausgewählten Bohrfeldkonfiguration und einer ersten Schätzung für die Bohrlochtiefe. Dann wird das entsprechende Temperaturprofil berechnet.
- Bleiben die durchschnittlichen Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der festgelegten Temperaturschwellenwerte, gilt das Bohrloch als korrekt dimensioniert.
- Wenn die Temperaturen diese Grenzwerte überschreiten, wird die Bohrlochtiefe schrittweise erhöht und das Temperaturprofil neu bewertet.
Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das System zu einer Bohrlochtiefe konvergiert, bei der die Temperaturen konstant innerhalb der vorgegebenen Grenzen bleiben.
!Vorsicht
In manchen Fällen wird keine Tiefe die Temperaturanforderungen erfüllen, egal wie tief Sie gehen. In diesem Fall wird ein Fehler zurückgegeben. Diese Situation wird zusammen mit möglichen Lösungen in einem Folgeartikel ausführlich behandelt.
Rückkehr zu den Bohrfeldquadranten
In einem früheren Artikel wurde das Konzept der Bohrlochquadranten vorgestellt. (Wenn Sie diesen Artikel nicht gelesen haben, finden Sie ihn unter hier.) Es wurde festgestellt, dass jedes Bohrloch, auf das man stößt, anhand von zwei Parametern in vier Quadranten eingeteilt werden kann: ob es durch die minimale oder maximale Flüssigkeitstemperatur begrenzt ist und ob diese Begrenzung im ersten oder letzten Jahr des Simulationszeitraums auftritt.
Bei der Dimensionierung der erforderlichen Bohrlochtiefe weiß man nicht von vornherein, welcher Quadrant das kritischste Design ergibt. Man könnte argumentieren, dass man das Bohrlochfeld für jeden Quadranten einmal dimensionieren und dann die größte Bohrlochtiefe als kritisches Design nehmen sollte, wodurch man vier Sizings pro Bohrlochfeld erhalten würde. Peere et al. (2021) beschreiben jedoch, dass die gleiche Genauigkeit mit nur zwei Sizings erreicht werden kann.
Stellen Sie sich vor, Sie dimensionieren das Bohrlochfeld in Quadrant 1 und dimensionieren es dann für das letzte Jahr auf der Grundlage der maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur. Dadurch ergibt sich ein Temperaturprofil, bei dem das vorletzte Jahr den Schwellenwert aufgrund des Ungleichgewichts leicht überschreitet, ebenso wie die vorangegangenen Jahre bis zum ersten Jahr. Die Bemessung im ersten Jahr (für die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur) wird also immer zu einer größeren erforderlichen Tiefe führen als die Bemessung im letzten Jahr für dieses bestimmte Bohrloch und diese Belastung.
Ebenso wird ein solches Bohrlochfeld niemals durch Quadrant 3 begrenzt, denn wenn es für die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im ersten Jahr der Simulation ausgelegt ist, wird die Temperatur im zweiten Jahr aufgrund des Ungleichgewichts noch niedriger sein. Daher wird Quadrant 4 in diesem Fall immer ein größeres Bohrlochfeld ergeben als Quadrant 3.
Aufgrund des Ungleichgewichts müssen Sie bei der Berechnung der erforderlichen Tiefe nur entweder Quadrant 1 und 4 (im Falle eines extraktionsdominierten Bohrlochs) oder Quadrant 2 und 3 (im Falle eines injektionsdominierten Bohrlochs) überprüfen. Die resultierende Bohrlochtiefe ist dann gleich dem Maximum dieser beiden Werte.
!Hinweis
Bei der Auswahl des größeren Bohrlochs aus den beiden relevanten Quadranten ist stets zu prüfen, ob die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur nicht überschritten wird. Wenn diese Temperaturschwelle überschritten wird, bedeutet dies, dass es für die gegebene Konfiguration und Belastung keine praktikable Lösung gibt. Diese Situation und der Umgang mit ihr werden in einem späteren Artikel ausführlicher behandelt.
5 verschiedene Stufen
In der Literatur findet sich eine Vielzahl von Methoden zur Größenbestimmung von Bohrlöchern, die jeweils einen eigenen Grad an Genauigkeit, Geschwindigkeit und Komplexität aufweisen. In seiner Dissertation hat Ahmadfard ein Rahmenwerk vorgestellt, das diese Methoden in fünf verschiedene Stufen einteilt, die von einfachen Faustregeln bis hin zu detaillierten stündlichen Simulationen reichen.
Nachfolgend wird jede dieser fünf Stufen genauer beschrieben, um Ihnen einen Überblick über die verfügbaren Methoden zu geben und zu erläutern, wann sie sinnvoll eingesetzt werden können.
Stufe 0 - Faustformel
Die grundlegendste Ebene der Bohrlochdimensionierung beruht auf einfachen linearen Beziehungen zwischen der thermischen Spitzenleistung und der Gesamtlänge des Bohrlochs. Diese werden oft als Faustregeln bezeichnet und typischerweise in Form von x W/m ausgedrückt.
Obwohl diese Methoden sehr einfach anzuwenden sind, vernachlässigen sie viele wichtige Aspekte der Planung, wie z. B. die Konfiguration des Bohrlochs, die Bohrlochtiefe, die thermischen Eigenschaften des Bodens, das thermische Ungleichgewicht und den thermischen Widerstand des Bohrlochs. Sie lassen auch jahreszeitliche und langfristige thermische Effekte außer Acht.
Da sie nicht auf einer physikalischen Grundlage beruhen, können diese Faustregeln zu sehr großen Ungenauigkeiten führen. Über- oder Unterdimensionierungen um einen Faktor von bis zu zwei sind keine Seltenheit. Aus diesem Grund sollte diese Methode für tatsächliche Dimensionierungszwecke vermieden und nur für grobe Schätzungen in einem frühen Stadium verwendet werden.
(Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem Artikel über Bohrlochplanungs-Software).
Stufe 1 - konstante Belastung
Die erste Stufe geht von einer konstanten Belastung des Bohrlochs über den gesamten Simulationszeitraum aus. Diese konstante Belastung entspricht dem jährlichen thermischen Ungleichgewicht, das gleichmäßig über die 8760 Stunden eines Jahres verteilt ist. Bei diesem Ansatz wird die thermische Wechselwirkung von Bohrloch zu Bohrloch, die durch die g-Funktionen beschrieben wird (wie in unserem Artikel hier)- berücksichtigt werden können. Dadurch wird die Methode sofort viel genauer als die Bemessung nach Faustregeln, da sie den Vergleich verschiedener Bodeneigenschaften, Konfigurationen und Tiefen ermöglicht.
Das sich daraus ergebende Temperaturprofil ähnelt der nachstehenden Abbildung, auf der die charakteristische Kurve der g-Funktion sichtbar wird.
Obwohl diese Methode die langfristigen Auswirkungen des Bohrlochs recht gut wiedergibt, berücksichtigt sie nicht die monatlichen Schwankungen, die Spitzenlasten oder das Verhalten im ersten Betriebsjahr. Diese Elemente werden in den Methoden der Stufe 2 und darüber hinaus eingeführt.
Stufe 2 - Drei-Impuls-Methode
Die Drei-Impuls-Methode, auch bekannt als ASHRAE-Dimensionierungsmethode, ist der traditionellste Ansatz zur Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe. Sie baut auf der Stufe-1-Methode auf, indem sie zwei zusätzliche Wärmeimpulse hinzufügt: einen für die Leistungsspitze und einen weiteren für die mit dem Boden ausgetauschte Energie während des Monats, in dem diese Spitze auftritt.
Diese drei Impulse - das Ungleichgewicht, die monatliche Last und die Spitzenleistung - erfassen sowohl die langfristigen als auch die kurzfristigen thermischen Auswirkungen des Bohrlochs, was zu einer relativ genauen Schätzung der erforderlichen Bohrlochtiefe führt. Eine grafische Darstellung dieses Ansatzes ist in der folgenden Abbildung zu sehen.
In der Abbildung sind die drei unterschiedlichen Impulse deutlich zu erkennen. Zunächst gibt es einen langfristigen Temperaturtrend, der dem der Stufe-1-Methode ähnelt und die Auswirkungen des jährlichen Ungleichgewichts darstellt. Dann kommt es zu einem plötzlichen Abfall, der auf den Energieaustausch während des kritischen Monats (monatliche Last) zurückzuführen ist, gefolgt von einem noch stärkeren Abfall der Flüssigkeitstemperatur, der durch das Ereignis der Spitzenentnahme verursacht wird.
Diese Methode berücksichtigt nicht die monatlichen Schwankungen im Lastprofil, eine Detailstufe, die in der Dimensionierungsmethode der Stufe 3 eingeführt wird.
!Hinweis
Diese Methode ist im Backend von GHEtool implementiert, aber nicht direkt in GHEtool Cloud verfügbar. Sie gilt als weniger genau als die Größenberechnungsmethode der Stufe 3 und bietet nur eine geringfügige Verbesserung der Berechnungsgeschwindigkeit. Für Anwendungen, die Millionen von Sizing-Berechnungen erfordern, wie z. B. parametrische Studien oder Optimierungsprozesse, kann die Drei-Puls-Methode jedoch von Vorteil sein.
Stufe 3 - monatliche Auflösung
Die Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe mit monatlicher Auflösung ist der häufigste Ansatz bei der Verwendung von GHEtool Cloud, insbesondere in Fällen, in denen nur begrenzte Daten zur Verfügung stehen. Diese Methode umfasst dieselben Elemente wie die vorherigen Stufen - wie Spitzenleistungen, langfristige Bodeninteraktion und Bodeneigenschaften -, berücksichtigt aber auch monatliche Schwankungen im Lastprofil.
Dies führt zu einer höheren Genauigkeit, da die jahreszeitlich bedingte Wärmespeicherung berücksichtigt wird, d. h. die jahreszeitlichen Schwankungen der Bohrlochwandtemperaturen werden bei der Dimensionierung berücksichtigt. Ein typisches Temperaturprofil, das mit dieser Methode berechnet wurde, zeigt diese saisonalen Schwankungen deutlich.
Ein wichtiger Parameter bei der Stufe-3-Methode ist die Dauer der Leistungsspitze. Je nach Gebäudetyp und Emissionssystem liegt diese Dauer typischerweise zwischen 6 und 12 Stunden, wobei auch längere Dauern möglich sind. Diese Annahme ist jedoch nicht mehr erforderlich, wenn man zu einer Dimensionierung nach Stufe 4 übergeht.
!Hinweis
Diese Methode ist vollständig in GHEtool Cloud implementiert und bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Berechnungseffizienz, was sie zur bevorzugten Methode für die meisten praktischen Anwendungen macht.
Stufe 4 - stündliche Auflösung
Die fortschrittlichste Methode zur Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe ist die Level-4-Methode. Im Gegensatz zur Stufe 3-Methode, die mit monatlicher Auflösung arbeitet, werden bei der Stufe 4-Methode stündliche Eingangsdaten verwendet. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die letzte Annahme - die Dauer der Leistungsspitze - nicht mehr erforderlich ist, da diese Information direkt aus dem stündlichen Profil selbst gewonnen wird. Wenn stündliche Daten verfügbar sind, ist die Stufe 4-Methode die genaueste Methode zur Bestimmung der erforderlichen Bohrlochtiefe.
!Hinweis
Wie in dem Artikel über kurzfristige Auswirkungen erörtert (den Sie hier finden hier), berücksichtigen die aktuellen Modelle noch nicht die thermische Trägheit des Fluids und des Mörtels. Infolgedessen neigen die berechneten Fluidtemperaturen (wie in den Beispiel-Temperaturprofilen dargestellt) dazu, die tatsächlichen Werte zu überschätzen, insbesondere bei plötzlichen Spitzenwerten.Wir arbeiten derzeit gemeinsam mit der KU Leuven an der Entwicklung eines verfeinerten Modells, das diese kurzfristige Dynamik berücksichtigt. Nach der Implementierung wird die Level-4-Methode noch genauer und robuster für die fortschrittliche Bohrlochplanung sein.
Fazit
In dem obigen Artikel wurden die verschiedenen Methoden beschrieben, die in der Literatur zur Berechnung der erforderlichen Bohrlochtiefe zu finden sind. Diese Methoden reichen von einfachen Faustregeln bis hin zu detaillierten stündlichen Simulationen. In GHEtool Cloud sind die beiden genauesten Methoden - monatliche (Stufe 3) und stündliche (Stufe 4) Berechnungen - implementiert, die dem Benutzer je nach den verfügbaren Eingabedaten sowohl Präzision als auch Flexibilität bieten.
In einem nächsten Artikel werden wir anhand eines praktischen Beispiels zeigen, wie Sie diese Methoden für Ihr eigenes Projekt nutzen können. Wir werden auch erklären, wie der Gradientenfehler zu interpretieren ist, ein wichtiger Parameter, der Ihnen hilft, die Zuverlässigkeit der Ergebnisse Ihrer Bohrlochauslegung zu bewerten.
Literaturverzeichnis
- Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
- 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
- Ahmadfard, M. (2018). A Comprehensive Review of Vertical Ground Heat Exchangers Sizing Models With Suggested Improvements. Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal. https://publications.polymtl.ca/3034/