Die Kombination von passiver und aktiver Kühlung in Ihrem geothermischen Bohrfeld ermöglicht es Ihnen, das Beste aus beiden Welten zu nutzen. Auf der einen Seite können Sie von einer hoch nachhaltigen und effizienten passiven (oder freien) Kühlung profitieren, auf der anderen Seite können Sie die Investitionskosten durch eine optimierte aktive Kühlung senken. Dieser Artikel zeigt Ihnen, wie Sie mit GHEtool diese intelligente Kombination umsetzen können!
!Hinweis
Dieser Artikel baut auf unserem früheren Artikel auf, in dem wir die Methodik der Kombination von aktiver und passiver Kühlung erörtert haben. Falls Sie ihn noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier.
Beispiel: Bürogebäude
Die folgende Abbildung zeigt die Last-Dauer-Kurve des Bürogebäudes, das wir untersuchen werden. Wie Sie sehen können, besteht ein erheblicher Kühlbedarf aufgrund hoher interner Gewinne, die für Bürogebäude typisch sind (z. B. zahlreiche Computer, Drucker, Netzwerkinfrastruktur usw.). Außerdem übersteigt der Kühlungsbedarf den Heizungsbedarf, was zu einem von Einspritzungen dominierten Bohrloch führt.
!Note
Wenn Sie mit den von Injektion und Extraktion dominierten Bohrfeldern und ihren Auswirkungen nicht vertraut sind, können Sie sich unseren Artikel über Bohrfeldquadranten für eine ausführliche Erklärung.
Für passive Kühlung ausgelegt
Die erste, sagen wir mal “ideale” Situation aus Sicht der Effizienz ist die Dimensionierung unseres Bohrlochs für die passive Kühlung von 100%. In diesem Fall benötigen wir 130 Bohrungen mit einer Bohrlochtiefe von 150 m, um unter der Temperaturgrenze von 17 °C für die passive Kühlung zu bleiben. Daraus ergibt sich das untenstehende Temperaturprofil.
!Hinweis
Die 17°C sind eine typische durchschnittliche Höchsttemperatur der Flüssigkeit, die für die passive Kühlung verwendet wird. Da Sie über den passiven Wärmetauscher 1-2 °C verlieren, können Sie diese Temperatur nicht überschreiten, wenn Sie die erforderliche Kühlleistung z. B. für Ihr Bodenkühlsystem bereitstellen wollen. Dies hängt natürlich von Faktoren wie Ihrem Emissionssystem, dem gewünschten Komfortniveau, dem Kondensationspunkt Ihrer Luft und den Temperaturunterschieden in Ihrem Hydrauliksystem ab.
Das obige Temperaturprofil bleibt nicht immer unter dem von uns festgelegten Grenzwert von 17 °C. Wenn wir näher heranzoomen, überschreitet es diese Grenze für drei Stunden pro Jahr. In Anbetracht der Unsicherheiten, die mit dieser Art von Profilen verbunden sind, könnte man argumentieren, dass dies immer noch ein ausgewogener Entwurf ist. Das Hinzufügen von zehn weiteren Bohrlöchern, nur um diese kurze Abkühlungsspitze abzudecken, wäre in den meisten Fällen wirtschaftlich nicht wünschenswert.
Ein weiterer auffälliger Aspekt ist, dass die niedrigste durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur über 10°C liegt, was für die Klimaregion Belgiens recht hoch ist. Dies deutet darauf hin, dass das Bohrloch in erster Linie für die passive Deckung des Kühlbedarfs ausgelegt ist, was aus Sicht des Wärmebedarfs zu einer erheblichen Überdimensionierung führt. Wir werden daher die aktive Dimensionierung untersuchen, um die erforderliche Größe des Bohrlochs zu verringern.
!Hinweis
Wenn Sie nicht wissen, wie man solche Temperaturprofile interpretiert, können Sie unseren Artikel zu diesem Thema lesen hier.
Für aktive Kühlung ausgelegt
Wenn wir das Bohrfeld für eine aktive Kühlung auslegen, kann die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur steigen, da wir uns nun auf die Wärmepumpe verlassen können, um die erforderliche Kühlung zu gewährleisten. Auf diese Weise kann die Anzahl der Bohrungen von 130 auf 60 reduziert werden, was zu dem unten dargestellten Temperaturprofil führt.
!Vorsicht
Obwohl es keine technische Beschränkung für die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur gibt, ist es ratsam, diese unter Kontrolle zu halten, um Umweltschäden zu vermeiden. Bitte informieren Sie sich über die örtliche Gesetzgebung bezüglich eventueller Einschränkungen der Flüssigkeitstemperaturen.
Wie man sehen kann, weist das Bohrfeld nun ein geringeres geothermisches Potenzial für Heizenergie auf. Wenn Sie mit dem Konzept des geothermischen Potenzials nicht vertraut sind, können Sie hier unseren Artikel zu diesem Thema lesen. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung unserer Investition.
Nachdem wir nun beide Extreme - die passive und die aktive Kühlung des 100% - untersucht haben, wollen wir uns nun drei Designs ansehen, die beide Ansätze kombinieren.
Schwellentemperatur bei 60 Bohrlöchern
Ein guter erster Schritt ist die Beibehaltung der gleichen Anzahl von Bohrlöchern wie bei der aktiven Konstruktion 100% und die Überprüfung, welcher Prozentsatz der Last passiv erfüllt werden kann. Dazu verwenden wir die Schwellentemperaturmethode (lesen Sie den Artikel hier) und setzen ihn auf 17°C. Bei Anwendung dieses Ansatzes ergibt sich, dass 58% der Kühlung passiv bereitgestellt werden können, was zu einem durchschnittlichen SEER von 11,22 führt.
!Hinweis
Dieser 58% ist ein Durchschnittswert für den gesamten Simulationszeitraum. In den ersten Jahren wird der Anteil der passiven Kühlung höher sein als in den späteren Jahren (siehe unten).
Wenn wir uns den Anteil der aktiven Kühlung über die Jahre hinweg genauer ansehen, können wir in der nachstehenden Abbildung erkennen, dass er von Jahr zu Jahr zunimmt. Dies ist auf das Ungleichgewicht zurückzuführen. Wie bereits erwähnt, ist dieses Bohrloch von Einspeisungen dominiert, was bedeutet, dass es sich mit der Zeit erwärmt und das Potenzial für passive Kühlung in den späteren Jahren des Simulationszeitraums verringert.
Dieser Effekt ist auch im nachstehenden Kühlbedarfsprofil zu beobachten, wo der Anteil der passiven Kühlung von Jahr zu Jahr deutlich abnimmt.
Schwellentemperatur bei 80 Bohrlöchern
Die 60 Bohrlöcher im aktiven Fall 100% lieferten 58% passive Kühlung. Erhöht man die Anzahl der Bohrungen auf z.B. 80, kann man die Auswirkungen auf den Anteil der passiven Kühlung beobachten. In diesem Fall erreichen wir 79% passive Kühlung und einen durchschnittlichen SEER von 14,41 über den gesamten Simulationszeitraum. Aufgrund des geothermischen Ungleichgewichts wird der Anteil der aktiven Kühlung jedoch Jahr für Jahr wieder ansteigen.
Wenn wir uns das Temperaturprofil unten genauer ansehen, sehen wir, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur immer unter dem für die aktive Kühlung festgelegten Grenzwert von 25 °C bleibt. Das liegt daran, dass wir 20 zusätzliche Bohrungen durchgeführt haben, die aus einer strengen Auslegungsperspektive nicht notwendig waren, da wir sowohl aktive als auch passive Kühlung verwenden. Die Tatsache, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur niedriger ist als zuvor, erklärt, warum der Anteil der passiven Kühlung zunimmt, wenn mehr Bohrlöcher installiert werden.
Feste Monate
Eine Alternative zur Verwendung einer Schwellentemperatur besteht darin, in den Sommermonaten standardmäßig eine aktive Kühlung anzuwenden. Dies führt zwar zu einem geringeren passiven Anteil (wie erläutert hier), kann es stichhaltige Gründe für die Wahl dieses Ansatzes geben, z. B. eine einfachere Kontrollstrategie, ein anderes Kühlemissionssystem oder die Notwendigkeit einer Entfeuchtung.
Berechnet man den Anteil der passiven Kühlung durch aktive Kühlung im Juli und August, so erhält man für dieselben 60 Bohrlöcher einen etwas niedrigeren durchschnittlichen SEER von 10,53 und einen Anteil der passiven Kühlung von 52% (im Vergleich zu einem SEER von 11,22 und 58% bei Verwendung der Schwellentemperaturmethode).
Der Unterschied im geothermischen Anteil wird bei der Betrachtung des Kühlprofils deutlich. Unten sehen Sie, dass es in den Sommermonaten keine passive Kühlung gibt, während im Fall der Schwellentemperatur noch eine gewisse passive Kühlung vorhanden war. Dies ist eine inhärente Ineffizienz der Festmonatsmethode.
Ein letzter Hinweis zu dieser Methode ist, dass man nicht ganz sicher sein kann, dass die passive Kühlung in den nicht standardmäßigen Monaten (in diesem Fall z. B. Juni und September) tatsächlich gewährleistet werden kann. Wenn wir uns das Temperaturprofil für das erste Jahr genauer ansehen, können wir bereits einige Flüssigkeitstemperaturen im Mai, Juni und September erkennen, die den Schwellenwert von 17°C überschreiten. Dies deutet darauf hin, dass die erforderliche Kühlleistung zu diesen Zeitpunkten möglicherweise nicht in vollem Umfang erbracht wird, was ein wichtiger Aspekt ist, den man im Auge behalten sollte.
Fazit
In diesem Artikel wurde die Auslegung eines Bohrlochs für ein Bürogebäude mit passiver, aktiver und kombinierter passiver und aktiver Kühlung erörtert. Die Umstellung von 100% passiv auf 100% aktiv reduzierte die Anzahl der Bohrlöcher von 130 auf 60, aber es wurde festgestellt, dass immer noch etwa 58% der Kühlung passiv bereitgestellt werden konnten. Die Erhöhung der Anzahl der Bohrlöcher auf 80 führte zu einem passiven Anteil von 79%. Die Anwendung der Festmonatsmethode führte mit einem passiven Anteil von 52% zu etwas niedrigeren Ergebnissen als die Schwellentemperaturmethode. Obwohl dieser Ansatz in der Praxis einfacher umzusetzen ist, erfordert er in den nicht aktiven Monaten zusätzliche Vorsicht.
Literaturverzeichnis
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