Einblicke sind für eine genaue Bohrlochplanung von entscheidender Bedeutung. Bohrfelder sind aufgrund zahlreicher Entwurfsparameter und Unwägbarkeiten von Natur aus komplex. In diesem Artikel stellen wir das Konzept der Bohrlochquadranten vor - ein Rahmenwerk, das Ihnen helfen kann, Ihr Bohrlochdesign zu analysieren und unsere kommenden Artikel zur Bohrlochphysik besser zu verstehen.
Terminologie
Bevor wir uns mit der Bohrfeldphysik und ihren Erkenntnissen befassen, müssen wir einige wichtige Begriffe einführen.
Wenn wir über geothermische Energie sprechen, verwenden wir häufig Begriffe wie Heizen und Kühlen sowie Injektion und Extraktion. Es ist wichtig zu verstehen, dass sich diese Begriffe auf unterschiedliche Aspekte des Systems beziehen.
- Heizung und Kühlung beziehen sich auf die Gebäudelast (auch Sekundärlast genannt) - die Energie, die mit dem Gebäude selbst ausgetauscht wird.
- Auszug und Einspritzung beziehen sich auf die Erdlast (auch Primärlast genannt) - die mit dem Boden ausgetauschte Energie.
Obwohl diese Konzepte miteinander verbunden sind (z. B. beinhaltet die Beheizung eines Gebäudes die Entnahme von Wärme aus dem Erdreich), sie sind nicht identisch, da sich eine Wärmepumpe dazwischen befindet. Die Heizlast des Gebäudes wird immer größer sein als der Wärmeentzug aus dem Sondenfeld. Diese Entzugslast ist entscheidend für die endgültige Auslegung des Erdwärmesondenfeldes.
!Hinweis
In GHEtool Cloud können Sie Ihre Last entweder als Gebäudelast oder als geothermische Last eingeben. Wenn Sie die Gebäudelast verwenden, müssen Sie auch die Werte für SCOP und SEER angeben.
Ein weiteres Schlüsselkonzept ist das Ungleichgewicht und die Regeneration.
- Ungleichgewicht ist definiert als die Nettoerwärmung bzw. -abkühlung des Bodens im Laufe eines Jahres, d. h. die Differenz zwischen Wärmezufuhr und Wärmeentzug (nicht Heizung und Kühlung!). Sie ist negativ, wenn sich der Boden Jahr für Jahr kontinuierlich abkühlt, weil der Entzug die Zufuhr übersteigt.
- Regeneration geht aktiv auf dieses Ungleichgewicht ein, indem sie dem Boden zusätzliche Wärme zuführt oder entzieht, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Dies kann mit solarthermischen Kollektoren, Trockenkühlern und anderen Technologien erreicht werden.
!Hinweis
Anstatt Ungleichgewicht und Regeneration direkt zu verwalten, können Sie auch ein Hybridsystem einsetzen. Weitere Informationen über die Vorteile von Hybridsystemen finden Sie in dieser Artikel.
Verschiedene Temperaturdiagramme
Bevor wir das Konzept der Bohrlochquadranten vorstellen, wollen wir zunächst einige verschiedene Temperaturprofile untersuchen. (Falls Sie den Artikel über die Interpretation von Temperaturprofilen noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier finden hier.)
Das nachstehende Temperaturprofil zeigt ein Bohrloch mit einem negativen Ungleichgewicht (da es sich Jahr für Jahr abkühlt), ohne jedoch die Mindesttemperaturgrenze zu erreichen. Stattdessen erreicht es die maximal zulässige durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im ersten Jahr des Simulationszeitraums, was bedeutet, dass das Bohrlochfeld auf der Grundlage dieses Punktes ausgelegt werden sollte. Dieses Profil könnte einem Hörsaal im milden Klima Belgiens entsprechen, in dem der jährliche Heizbedarf höher ist als der Kühlbedarf, aber die Kühlspitze des Gebäudes die Heizspitze übersteigt.
Die nächste Temperaturkurve zeigt das umgekehrte Ungleichgewicht, bei dem sich der Boden Jahr für Jahr erwärmt und schließlich die maximal zulässige durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur erreicht. Das bedeutet, dass das Bohrloch so ausgelegt sein sollte, dass es die Kühlungsspitze des Gebäudes im letzten Jahr des Simulationszeitraums aufnehmen kann. Dieses Profil könnte ein Bürogebäude mit erheblichen internen Gewinnen oder sogar ein Rechenzentrum darstellen, bei dem der jährliche Kühlbedarf den Heizbedarf übersteigt.
Die dritte Temperaturkurve weist ebenfalls ein negatives Ungleichgewicht auf, aber im Gegensatz zum ersten Beispiel erreicht sie die Temperaturgrenze im letzten Jahr des Simulationszeitraums. Dies ist typisch für Gebäude in kälteren Klimazonen, in denen der Heizbedarf und die Heizspitzen stärker ausgeprägt sind.
Das endgültige Profil weist ein positives Ungleichgewicht auf (Einspritzdominanz), wobei das System durch die minimal zulässige durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur im ersten Betriebsjahr eingeschränkt wird.
Borefield-Quadranten
Die vier Profile können als Archetypen für die vier verschiedenen Bohrlochquadranten betrachtet werden. Jedes Temperaturprofil, auf das Sie stoßen, lässt sich einem dieser vier Bohrlochquadranten zuordnen: entweder eingeschränkt durch die maximale oder minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur und entweder im ersten oder im letzten Jahr des Simulationszeitraums.
A priori Einsicht
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 die Regenerierung die Investitionskosten eines Bohrlochs senkt, aber das ist nicht immer der Fall. Fällt ein Bohrlochfeld in Quadrant 1 oder 3, wo die Auslegungsgrenze im ersten Betriebsjahr auftritt, stellt das Ungleichgewicht 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 Wärmebedarf kann es von Vorteil sein, tiefer zu bohren, da die Bodentemperaturen mit der Tiefe zunehmen. Dies bedeutet, dass Bohrfelder in den Quadranten 3 und 4 von tieferen Bohrungen profitieren können, während dies für die Quadranten 1 und 2 nicht gilt, da sie in erster Linie für die Wärmeeinleitung und nicht für die Wärmeentnahme ausgelegt sind.
!Hinweis
Die Software für die Auslegung von Bohrfeldern geht im Allgemeinen davon aus, dass die Bodentemperatur linear mit der Tiefe zunimmt. In dicht bebauten Gebieten können jedoch die oberen Bodenschichten aufgrund des städtischen Wärmeinseleffekts bereits wärmer sein. In solchen Fällen kann eine tiefere Bohrung je nach Tiefe eher zu einem kühleren als zu einem wärmeren Bohrloch führen.
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.
!Hinweis
Technisch gesehen könnten die Bohrfelder in Quadrant 4 leicht von einer aktiven Kühlung profitieren, da der niedrigere SEER (im Vergleich zur passiven Kühlung) das Ungleichgewicht verringert. Dieser Effekt ist jedoch weitaus geringer als die Auswirkungen in den Quadranten 1 und 2.
Fazit
In diesem Artikel wurde der Unterschied zwischen der Terminologie für Gebäudelasten und der Terminologie für Bodenlasten geklärt. Anschließend haben wir das Konzept der Bohrfeldquadranten vorgestellt und gezeigt, wie dieser Rahmen die Planung von Erdwärmesystemen ermöglicht, ohne dass komplexe Berechnungen erforderlich sind.
Dieses Grundlagenwissen wird in zukünftigen Artikeln vertieft, um Ihnen tiefere Einblicke in die Bohrlochphysik zu geben und Sie in die Lage zu versetzen, Bohrlochfelder mit Zuversicht zu planen!
Literaturverzeichnis
- Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
- Weitere Informationen über Bohrlochquadranten finden Sie in (Peere et al., 2021).