Für ein effizientes Bohrlochdesign müssen Sie sowohl dem Druckabfall als auch dem Energieverbrauch der Pumpe große Aufmerksamkeit schenken. In diesem Artikel werden wir die neuesten Ergänzungen zu GHEtool Cloud vorstellen, die Ihnen bei der hydraulischen Auslegung Ihres Bohrlochs helfen.
!Hinweis
Dieser Artikel baut auf unserem Artikel über die Theorie der Druckverlustberechnung auf. Falls Sie ihn noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier.
Druckabfall über das Bohrlochfeld
Obwohl es viele verschiedene Möglichkeiten gibt, Bohrungen hydraulisch zu verbinden, lässt sich der Druckabfall des gesamten Bohrlochfeldes auf der Grundlage einer zentralen Annahme leicht berechnen: Wir wollen, dass jedes Bohrloch die gleiche Durchflussrate hat (so dass es die gleiche Menge an Energie mit dem Boden austauschen kann). Um dies zu erreichen, müssen Sie sicherstellen, dass alle Bohrlöcher in Ihrem Feld den gleichen Druckabfall aufweisen, damit die Flüssigkeit nicht einen bevorzugten Weg mit geringerem Widerstand nimmt. Das bedeutet, dass der Druckabfall Ihres gesamten Systems durch das Bohrloch mit dem höchsten Druckabfall bestimmt wird und alle anderen Bohrlöcher so kalibriert werden, dass sie den gleichen Druckabfall aufweisen, damit die Durchflussmenge durch alle gleich bleibt. Dies nennt man eine hydraulisch ausgeglichenes System.
Der Gesamtdruckabfall über dieses Bohrloch im ungünstigsten Fall lässt sich als Summe des Druckabfalls über die vertikaler Teil des Bohrlochs selbst und dem Druckabfall vom Bohrloch zum zentralen Bohrlochsammler, d. h. dem horizontaler Druckverlust.
Horizontaler Druckabfall
Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, Bohrlöcher hydraulisch zu verbinden: Sie können in Reihe oder parallel geschaltet werden (siehe unseren Artikel zu diesem Thema hier), es können verschiedene horizontale Rohrdurchmesser verwendet werden, es können mehrere Untersammler eingesetzt werden, oder es können Kombinationen aus all diesen Möglichkeiten eingesetzt werden. Jedes dieser Systeme hat eine andere hydraulische Charakteristik und verdient einen eigenen Artikel. Die meisten Systeme können jedoch als Bohrlöcher modelliert werden, die einzeln (oder in einer Reihenschaltung) an einen zentralen Bohrlochsammler angeschlossen sind.
Bleiben Sie dran
Derzeit ist es noch nicht möglich, parallele hydraulische Verbindungen zu modellieren, bei denen mehrere Bohrlöcher parallel an einer einzigen horizontalen Leitung in einem direkten Rücklaufsystem oder einem Rücklaufsystem (z. B. Tichelmann) angeschlossen sind. Der Grund dafür ist, dass der Abstand zwischen den parallel angeschlossenen Bohrungen ebenfalls berücksichtigt werden muss, da die Durchflussmenge nicht in jedem Teil des horizontalen Kreislaufs gleich ist. Diese Funktion wird in einem späteren Update hinzugefügt - bleiben Sie dran!
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für ein Bohrlochfeld mit 14 Bohrlöchern. Das Bohrloch mit der längsten horizontalen Verbindung ist das Bohrloch unten links. Der Druckabfall für dieses Bohrloch bestimmt also den Druckabfall über das gesamte Bohrlochfeld.
Beispiel mit GHEtool Cloud
Um das hydraulische Verhalten Ihres Bohrlochs zu berechnen, müssen Sie einen dynamisch berechneten thermischen Bohrlochwiderstand verwenden (siehe Registerkarte ‘Thermischer Widerstand’). Wenn Sie dies tun, können Sie auf der Registerkarte ‘Allgemein’ die Option zur Berechnung des Druckabfalls und der Pumpenenergie auswählen.
Lassen Sie uns nun das obige Beispiel weiter spezifizieren. Gehen wir von einem Wasser-MPG-Gemisch mit 25% MPG und einem Durchfluss von 0,3 l/s aus. Die Bohrungen sind 150 m tief, mit einem doppelten U-Rohr-Wärmetauscher DN32. Die horizontalen Anschlüsse werden mit einem etwas größeren Durchmesser DN40 ausgeführt, um die Verluste zu verringern.
Geben wir im Abschnitt ‘Fluiddaten’ unter der Registerkarte ‘Wärmewiderstand’ die Durchflussmenge von 4,2 l/s für das gesamte Bohrlochfeld ein.
Angenommen, alle parallelen
Wenn wir davon ausgehen, dass alle Bohrungen einzeln an den Hauptsammler angeschlossen sind, können wir den Reihenfaktor auf 1 setzen. Die Ergebnisse dieser Simulation sind unten zu sehen.
Es sind zwei große Sprünge zu erkennen, die den Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung kennzeichnen (wie bereits in unserem vorherigen Artikel).
Der erste, kleinere Sprung ist der Übergang des horizontalen Rohrs von laminarer zu turbulenter Strömung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein DN40-Rohr, das für die horizontale Verbindung verwendet wird, schneller in die Turbulenz (oder den Übergangsbereich) übergeht als das doppelte DN32-Rohr im Bohrloch. Der zweite Sprung, der bei einem Durchfluss von etwa 7 l/s auftritt, markiert den Punkt, an dem das gesamte Bohrloch ebenfalls turbulent wird.
Die numerischen Ergebnisse für diesen Fall lauten wie folgt:
- Druckabfall über ein Bohrloch : 17,37 kPa
- Druckverlust des Bohrlochs: 21,04 kPa
- Durchflussmenge durch das Bohrlochfeld: 4,2 l/s
- Erforderliche Pumpenleistung: 88,367 W
- Geschätzte Pumpenenergie: 220,98 kWh/Jahr
Sie sehen, dass der Druckabfall des gesamten Bohrlochs aufgrund der horizontalen Verrohrung etwas höher ist als der eines einzelnen Bohrlochs. Beide werden mit der Auslegungsdurchflussmenge von 4,2 l/s für das gesamte Bohrlochfeld berechnet. Bei diesem Auslegungspunkt sollte die Pumpe 88 W liefern, damit das System wie vorgesehen funktioniert, und verbraucht etwa 220 kWh/Jahr an Strom.
Pro zwei in Serie
Um das thermische Verhalten zu verbessern, können wir die Bohrungen in Reihe schalten. Wenn wir sie in Zweiergruppen verbinden, verdoppelt sich die Durchflussmenge durch jedes Bohrloch, wodurch der thermische Widerstand des Bohrlochs verringert wird. Allerdings steigen der Druckabfall und die erforderliche Pumpenleistung drastisch an, wie in der Abbildung unten zu sehen ist.
Die obige Abbildung zeigt, dass das gesamte System nun turbulent ist, was zu den folgenden numerischen Ergebnissen am Entwurfspunkt führt:
- Druckabfall über ein Bohrloch : 67,18 kPa
- Druckverlust des Bohrlochs: 86,65 kPa
- Durchflussmenge durch das Bohrlochfeld: 4,2 l/s
- Erforderliche Pumpenleistung: 363,922 W
- Geschätzte Pumpenenergie: 861,55 kWh/Jahr
Aufgrund der starken Turbulenzen in der horizontalen Verrohrung ist der Druckabfall im Bohrfeld nun deutlich höher als im Bohrloch selbst. In einem letzten Schritt können wir den Rohrdurchmesser der horizontalen Rohrleitung auf DN50 erhöhen, um die Verluste in diesem Teil des Systems zu verringern.
DN50 für horizontale Anschlüsse
Um das gleiche thermische Verhalten zu erreichen und gleichzeitig den Energieverbrauch der Pumpe zu senken, kann der Durchmesser der horizontalen Rohrleitung vergrößert werden, wodurch sich der Druckverlust des Bohrlochs dem des Bohrlochs annähert. Die Ergebnisse sind unten dargestellt.
- Druckabfall über ein Bohrloch : 67,18 kPa
- Druckverlust des Bohrlochs: 73,98 kPa
- Durchflussmenge durch das Bohrlochfeld: 4,2 l/s
- Erforderliche Pumpenleistung: 310,735 W
- Geschätzte Pumpenenergie: 735,64 kWh/Jahr
Der Druckabfall über ein Bohrloch bleibt erwartungsgemäß unverändert, aber die Verluste in den horizontalen Rohren werden reduziert, wodurch die erforderliche Pumpenleistung von 363 W auf 310 W sinkt. Obwohl dieser Effekt in diesem Beispiel gering erscheinen mag, kann er bei größeren Bohrfeldern, bei denen die horizontalen Entfernungen mit den vertikalen vergleichbar sind, sehr bedeutend sein.
Fazit
In diesem Artikel haben wir untersucht, wie GHEtool Cloud bei der hydraulischen Planung von Bohrlöchern helfen kann. Wir haben gezeigt, wie sich unterschiedliche horizontale Rohrdurchmesser auf den Druckabfall auswirken, und wir haben die Auswirkungen von Reihenschaltungen auf das thermische Verhalten des Bohrlochs diskutiert. Mit dieser neuen Funktion möchten wir Sie in die Lage versetzen, noch effizientere Bohrfelder zu entwerfen und sicherzustellen, dass die Pumpe die vorgesehene Fördermenge effektiv liefern kann.
Literaturverzeichnis
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