Wie können Sie eine Berechnung mit Earth Energy Designer (EED) mit einer Berechnung mit GHEtool Cloud vergleichen? Beide Tools haben unterschiedliche Modelle und verwenden leicht unterschiedliche Importparameter. In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie Sie ein EED-Projekt in ein Projekt in GHEtool Cloud konvertieren können, und erörtern die wichtigsten Unterschiede, die Sie zwischen den beiden Tools erwarten können.
Ein EED-Projekt importieren
Um Ihr Earth Energy Designer (EED)-Projekt in GHEtool Cloud einzugeben, benötigen Sie die EED-Exportdatei. Dabei handelt es sich in der Regel um eine Textdatei, die alle Eingabeparameter und einige Ergebnisse einer Simulation enthält. In diesem Abschnitt werden wir jeden Abschnitt der Exportdatei der Reihe nach durchgehen und Ihnen zeigen, wo Sie die Daten in GHEtool eingeben müssen.
!Hinweis
Wenn Sie mitlesen möchten, können Sie die EED-Datei herunterladen hier.
Boden
Nachdem wir die ‘Quick Facts’ ignoriert haben (da sie in GHEtool nicht benötigt werden), gelangen wir zum Abschnitt mit den Konstruktionsdaten. Hier finden wir die folgenden Informationen:
- Wärmeleitfähigkeit des Bodens: 1,76 W/(m-K)
- Wärmekapazität des Bodens: 2,41 MJ/(m³-K)
Beide Werte können direkt in GHEtool Cloud eingegeben werden, aber stellen Sie sicher, dass die ‘Auflösung der Bodendaten’ auf ‘Homogen’ eingestellt ist. Da EED keine geschichteten Bodendaten verarbeiten kann, wird davon ausgegangen, dass alle Bodendaten in der Exportdatei homogen sind.
- Temperatur der Bodenoberfläche: 9,5 °C
- Geothermischer Wärmestrom: 0,08 W/m²
Diese Werte können eingegeben werden, indem die ‘Quelle der Bodentemperaturdaten’ auf ‘Benutzerdefiniert’ gesetzt und ‘Fluss’ für die Temperaturänderung ausgewählt wird.
!Hinweis
In den meisten Fällen stammen die Informationen im EED-Export aus einer Auswahldatenbank, aber es wird nicht ausdrücklich angegeben, welcher Datenpunkt verwendet wurde. Wenn Sie den Standort des Projekts kennen, können Sie die Datenbank verwenden, um Ihren Standort auszuwählen. Um einen genauen Vergleich zu gewährleisten, empfehlen wir, die Werte wie oben beschrieben einzugeben.
Bohrloch
Der nächste Abschnitt im EED-Export bezieht sich auf das Bohrloch. Einige Informationen werden unter der Registerkarte ‘Bohrloch’ in GHEtool Cloud eingegeben, während andere Daten unter ‘Bohrlochwiderstand’ eingegeben werden.
- Konfiguration: 9 (“10 : 1 x 10 Zeile”)
Diese Informationen können auf der Registerkarte ‘Borefield’ eingegeben werden. EED verwendet eine begrenzte Anzahl von vordefinierten Bohrfeldern, die als ‘Konfiguration’ exportiert werden. In diesem Fall legen Sie ein rechteckiges Bohrfeld mit 1 Bohrung in Längsrichtung und 10 Bohrungen in Breitenrichtung fest.
- Bohrlochtiefe: 123 m
Dies ist ein wesentlicher Unterschied zwischen EED und GHEtool. EED berücksichtigt keine Verschüttungstiefe, d.h. die Bohrlochtiefe und die Bohrlochlänge sind identisch. In GHEtool Cloud muss die Vergrabungstiefe als zusätzlicher Parameter eingegeben werden. (Weitere Informationen finden Sie in dieser Artikel.)
!Vorsicht
Dieser kleine Unterschied führt zu leicht unterschiedlichen Ergebnissen. EED geht davon aus, dass die Bodenoberfläche isoliert ist, d. h. es findet keine Wärmeübertragung zwischen der Umgebungstemperatur und dem Bohrfeld statt. GHEtool verwendet ein neueres wissenschaftliches Modell, bei dem dieser Effekt berücksichtigt wird. Aus diesem Grund wird die Vergrabungstiefe benötigt. In diesem Fall ergibt sich bei einer Vergrabungstiefe von 0,7 m und einer Bohrlochtiefe von 123 m eine Bohrlochlänge von 122,3 m, also etwas weniger als der EED-Wert.
- Bohrlochabstände: 7 m
Da EED keine unterschiedlichen Abstände in Längs- und Querrichtung zulässt, müssen bei GHEtool beide auf 7 m gesetzt werden (bei einer Linienkonfiguration spielt dies jedoch keine Rolle).
Wechseln Sie nun zur Registerkarte ‘Bohrlochwiderstand’ in GHEtool. Wählen Sie ‘Berechnet’ im Abschnitt ‘Allgemein’.
- Einbau von Bohrlöchern: Doppel-U
Ein Doppel-U-Rohr wird in GHEtool eingegeben, indem man als Wärmetauscher ‘U-Rohr’ auswählt und ‘Anzahl der U-Rohre’ auf 2 setzt.
- Durchmesser des Bohrlochs: 140 mm
- Durchmesser U-Rohr: 32 mm
- Dicke des U-Rohrs: 3 mm
- Wärmeleitfähigkeit von U-Rohren: 0,42 W/(m-K)
Diese Werte können direkt in GHEtool eingegeben werden.
- U-Rohr-Schaft-Abstand: 80 mm
EED verwendet den Schaftabstand, um die Position der Rohre innerhalb des Bohrlochs zu beschreiben. Der Schaftabstand ist der senkrechte Abstand zwischen den beiden Schenkeln des U-Rohrs. GHEtool verwendet den Abstand zwischen Rohr und Bohrlochmitte, der die Hälfte des Schaftabstandes beträgt. Geben Sie daher 40 mm in GHEtool ein.
- Wärmeleitfähigkeit der Füllung: 1,5 W/(m-K)
Dies kann unter ‘Wärmeleitfähigkeit des Mörtels’ eingestellt werden.
- Durchgangswiderstand Rohr/Füllung: 0 (m-K)/W
Bei GHEtool wird dieser Parameter nicht berücksichtigt.
!Hinweis
GHEtool enthält einen Parameter ‘Rohrrauhigkeit’. EED geht davon aus, dass alle Rohre glatt sind, daher ist dieser Wert in der Regel sehr klein.
Wenn wir all diese Informationen eingeben, erhalten wir das folgende Ergebnis.
Thermische Widerstände
Dieser Abschnitt enthält einige weitere Informationen über die internen Berechnungen des EED und ist für uns nicht von Bedeutung.
Wärmeträgerflüssigkeit
Um Wärmeträgerflüssigkeitsdaten aus EED einzugeben, bleiben Sie auf der Registerkarte ‘Bohrlochwiderstand’ und gehen Sie zu ‘Flüssigkeitsdaten’. Wählen Sie ‘Benutzerdefiniert’.
!Vorsicht
Flüssigkeitsparameter sind temperaturabhängig. In EED sind die Eingabeparameter für bestimmte Temperaturen voreingestellt. In GHEtool Cloud werden die thermischen Eigenschaften auf der Grundlage Ihrer Eingaben für die minimale durchschnittliche Temperaturschwelle des Fluids berechnet, die von den EED-Werten abweichen kann. Um einen fairen Vergleich zu gewährleisten, verwenden Sie ‘Benutzerdefiniert’ in GHEtool. Um ein realistischeres Ergebnis zu erhalten, stellen Sie das Wasser-x%-Gemisch manuell ein.
- Wärmeleitfähigkeit: 0,47 W/(m-K)
- Spezifische Wärmekapazität: 3930 J/(Kg-K)
- Dichte: 1029 Kg/m³
- Viskosität: 0,0045 Kg/(m-s)
Diese Parameter können direkt eingestellt werden.
- Gefrierpunkt: -9 °C
Dieser Parameter ist bei GHEtool nicht erforderlich.
- Durchflussmenge pro Bohrloch: 0,43 l/s
Dies kann auch direkt in GHEtool eingestellt werden.
Grund- und Spitzenlast
Gehen Sie für die letzten Eingabeparameter auf die Registerkarte ‘Wärmebedarf’ in GHEtool. Setzen Sie ‘Art der Last’ auf ‘Gebäude’.
Grundlast
- Jährliche Warmwasserbelastung: 0 MWh
In diesem speziellen Fall gibt es keinen Warmwasserbedarf, so dass wir in GHEtool unter ‘Warmwasser hinzufügen?’ die Option ‘Nein’ einstellen können.
- Jährliche Heizlast (ohne Warmwasser): 86,3 MWh
- Jährliche Kühllast: 30 MWh
Diese Werte werden nicht benötigt, wenn wir EED mit GHEtool vergleichen wollen.
!Hinweis
Wenn Sie einen schnellen Vergleich der Ergebnisse wünschen, können Sie den ‘Lasttyp’ auf ‘Relativ’ einstellen und diese Werte in den Abschnitt ‘Monatliche Last’ eingeben. Für einen fairen Vergleich müssen Sie jedoch die ‘Auflösung der thermischen Last’ auf ‘Monatlich’ und den ‘Lasttyp’ auf "Absolut" einstellen, um die Spitzenlasten und monatlichen Lasten pro Monat direkt in GHEtool Cloud einzugeben
- Saisonaler Leistungsfaktor (Warmwasser): 3
- Saisonale Leistungszahl (Heizung): 5
- Saisonale Leistungszahl (Kühlung): 1E5
Diese Parameter können im Abschnitt Wärmepumpendaten des GHEtool eingestellt werden.
!Hinweis
Häufig wird in einem EED-Export ein saisonaler Leistungsfaktor (Kühlung) von 1E5 angegeben. Dies ist eine traditionelle Annahme, bei der davon ausgegangen wird, dass die passive (oder freie) Kühlung keinen Stromverbrauch hat. Sie können diesen Wert ohne Probleme in GHEtool eingeben, aber wir empfehlen einen realistischeren Wert von 20-25 zu verwenden.
Spitzenlast
Hier gilt das Gleiche wie bei der Grundlast. Für einen fairen Vergleich müssen Sie alle Spitzenwerte für Heizung und Kühlung manuell in den Abschnitt ‘Monatliche Last’ eingeben. Wenn Sie einen schnellen Vergleich durchführen möchten, wählen Sie als ‘Lastart’ "Relativ" und geben Sie einfach den höchsten Spitzenlastwert für Heizung und Kühlung ein, der dann anhand einer Standardverteilung auf alle Monate verteilt wird. So können Sie beispielsweise 55 kW als Heizungsspitze und 30 kW als Kühlungsspitze eingeben.
Schließlich muss die Spitzendauer in GHEtool nur einmal eingegeben werden. Stellen Sie im Abschnitt ‘Allgemein’ die Spitzendauer auf 36 Stunden für Heizung und 8 Stunden für Kühlung ein.
!Hinweis
Wenn Sie ein Bohrlochfeld auslegen, wird es immer durch ein bestimmtes Ereignis begrenzt - den Monat mit der höchsten Spitzenleistung und Spitzendauer. Wenn Sie also einfach den Maximalwert eingeben, können Sie sicherstellen, dass das Ergebnis zuverlässig ist, da die anderen Monate einen vernachlässigbaren Einfluss auf die endgültige Dimensionierung haben.
Die endgültige Eingabe sollte wie folgt aussehen.
Die letzten Werte, die in der Exportdatei zu finden sind, sind die ‘Anzahl der Simulationsjahre’ und der ‘erste Monat des Betriebs’. Beide können auf der Registerkarte ‘Allgemein’ von GHEtool Cloud unter ‘Simulationseinstellungen’ eingestellt werden.
Resultate
In diesem Abschnitt werden wir die Ergebnisse einer GHEtool Cloud-Berechnung mit unserer EED-Berechnung vergleichen und dabei zwei wesentliche Unterschiede herausstellen.
Effektiver Wärmewiderstand des Bohrlochs
Die Exportdatei enthält nur numerische Werte, aber ein kritischer Parameter ist der ‘Effektive thermische Bohrlochwiderstand’, der für dieses Projekt 0,07675 (m-K)/W beträgt. Dies unterscheidet sich von dem in GHEtool erzielten Ergebnis, das 0,0984 (m-K)/W-28% höher ist. Diese Diskrepanz ergibt sich aus der Art und Weise, wie die beiden Tools unterschiedliche Fluidregime behandeln. EED geht davon aus, dass der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung sofort bei Re = 2300 erfolgt, während GHEtool Cloud neuere Strömungsmodelle verwendet, die eine Übergangszone zwischen laminarer und turbulenter Strömung berücksichtigen. Dies führt zu einer genaueren Berechnung des effektiven Wärmewiderstands des Bohrlochs, insbesondere für Reynoldszahlen nahe der kritischen Schwelle. In diesem Fall fällt unser Wert von 2408 in diesen Bereich. (Weitere Einzelheiten zu diesem Thema finden Sie in unserem Artikel über der Artikel über die Reynolds-Zahl.)
!Hinweis
Wenn Sie diesen Effekt ignorieren möchten, können Sie den thermischen Bohrlochwiderstand als konstanten Wert in der Registerkarte ‘Bohrlochwiderstand’ eingeben, indem Sie ‘Daten für Bohrlochwiderstand’ auf ‘Gemessen’ setzen.
Minimale Flüssigkeitstemperatur
Obwohl der EED-Export kein Temperaturprofil enthält, sind die Spitzenwerte in Tabellenform zu finden. Daraus geht hervor, dass die niedrigste Temperatur während der Heizungsspitzen im Februar bei -1,5 °C liegt (Zeile 138 in der Datei). In GHEtool Cloud liegt die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur jedoch bei -2,03 °C und damit deutlich niedriger.
Ein Teil dieses Unterschieds ist auf die Variation des thermischen Widerstands im Bohrloch zurückzuführen. Wenn wir diesen Faktor entfernen, indem wir ihn als Konstante setzen (siehe oben), erhalten wir ein überarbeitetes Temperaturprofil, bei dem die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur nun -1,26 °C beträgt, was etwas optimistischer ist als EED.
Dieser Unterschied lässt sich auch durch Annahmen in Bezug auf die Bodenoberfläche erklären. Wie bereits erwähnt, geht die EED davon aus, dass der Boden isoliert ist, d.h. es findet kein Wärmeübergang von der Umgebungsluft zum Boden statt. Dies führt dazu, dass das Bohrloch von der Umgebung thermisch isoliert ist. Im Gegensatz dazu verwendet GHEtool ein neueres Modell, das die Wärmeübertragung von der Luft auf den Boden berücksichtigt und so das Ungleichgewicht teilweise ausgleicht. Dieser Effekt ist zwar relativ gering, wenn man ihn über einen Zeitraum von 50 Jahren mittelt, aber er ist dennoch spürbar und führt dazu, dass die Temperaturleistung von GHEtool im Vergleich zu EED leicht besser ist.
Fazit
Dieser Artikel enthält eine detaillierte Anleitung zur Konvertierung eines Projekts von Earth Energy Designer (EED) zu GHEtool. Wir haben festgestellt, dass GHEtool aufgrund seiner genaueren Berechnungen zusätzliche Eingabeparameter, wie z. B. die Verlegetiefe, erfordert. Außerdem vereinfacht GHEtool im Vergleich zu EED den Eingabeprozess für Lastdaten.
Die Unterschiede in den Ergebnissen lassen sich auf die Verwendung unterschiedlicher Modelle in den beiden Tools zurückführen. GHEtool berechnet den Wärmewiderstand des Bohrlochs genauer, indem es das instationäre Flüssigkeitsregime einbezieht. Außerdem geht EED davon aus, dass die Bodenoberfläche isoliert ist, während GHEtool die Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem Boden berücksichtigt. Dies führt zu einem etwas optimistischeren, aber dennoch realistischen langfristigen Abkühlungsverhalten in GHEtool.
Literaturverzeichnis
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