DesignDie Auslegung von Hybridsystemen ist nicht trivial, da es gilt, das richtige Gleichgewicht zwischen installierter geothermischer Leistung, Systemungleichgewicht und Gesamtleistung zu finden. In GHEtool gab es bereits zwei Optimierungsmethoden für die Auslegung solcher Systeme: Leistungsoptimierung und Energieoptimierung. Heute führen wir eine dritte Option ein, mit der Sie noch bessere Hybridsysteme entwerfen können!
!Hinweis
Dieser Artikel baut auf den Konzepten auf, die bereits in dieser Reihe vorgestellt wurden. Wenn Sie mit hybriden Systemen nicht vertraut sind, lesen Sie bitte dieser Artikel Erstens.
Kontext
In unserem ersten Artikel über Hybridsysteme haben wir das Konzept des geothermischen Potenzials vorgestellt. (Wenn Sie diesen Artikel nicht gelesen haben, finden Sie ihn hier hier.)
Wir haben drei Haupttypen von geothermischen Bohrlöchern identifiziert:
- Bohrlöcher mit Energiepotenzial
- Bohrlöcher mit Energiepotenzial
- Bohrlöcher ohne geothermisches Potenzial
Jedes dieser Hybridsysteme hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Ein Bohrloch, in dem kein Energiepotenzial mehr vorhanden ist, wurde als energieoptimiert angesehen. Dies führt zu einem Hybridsystem, das im Hinblick auf die Investitionskosten optimal ist, da es keine Überdimensionierung der installierten Leistung gibt. Der Nachteil ist, dass nicht das gesamte geothermische Energiepotenzial genutzt wird.
Wenn ein Bohrfeld energetisch optimiert ist, bleibt kein geothermisches Potenzial mehr übrig, weder in Bezug auf die Leistung noch auf die Energie. Das Hybridsystem hat dann den höchsten Wirkungsgrad, ist aber mit höheren Investitionskosten verbunden, da mehr geothermische Energie installiert werden muss.
Das Problem bei beiden Optimierungsmethoden ist, dass sie auf einem bestimmten Zeitrahmen basieren (z. B. 20 oder 40 Jahre), der bis zu einem gewissen Grad willkürlich gewählt ist. Dann stellt sich die Frage: Was passiert nach diesem Zeitraum?
Optimieren Sie für das Gleichgewicht
Nachfolgend sind zwei Temperaturprofile von geothermischen Hybridsystemen dargestellt, die für die Stromerzeugung bzw. für die Energieerzeugung optimiert wurden. Wie Sie deutlich sehen können, weisen beide Systeme ein negatives Ungleichgewicht auf, bei dem das Bohrfeld von der Entnahme dominiert wird. Was geschieht nun nach dem Simulationszeitraum von 20 Jahren? Das Bohrfeld kühlt sich weiter ab...
Diese Beobachtung führte zur Entwicklung einer dritten Art der Optimierung: der Optimierung für das Gleichgewicht, bei der das Ziel darin besteht, Ihr Bohrloch so zu gestalten, dass die Bodentemperatur über die Zeit hinweg ausgeglichen bleibt. Auf diese Weise bleibt Ihr System, unabhängig vom Zeithorizont, innerhalb der Temperaturgrenzen.
Zielsetzung
Wenn Sie sich für die Optimierung des Gleichgewichts entscheiden, ist Ihr Designziel
Um die Leistung zu maximieren, können Sie (beim Kühlen) jederzeit in den Boden einspeisen oder (beim Heizen) aus dem Boden entnehmen und den Boden im Gleichgewicht halten.
Dieses Ziel ist der Methode zur Leistungsoptimierung sehr ähnlich, mit einem entscheidenden Unterschied: Es wird ein zusätzliches Kriterium für den Bodenausgleich eingeführt. (Falls Sie den Artikel über hybride Optimierungsmethoden noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier finden hier.)
Die Optimierung mit diesem Ziel stellt sicher, dass Sie bei einer Installation von x kW geothermischer Heiz- oder Kühlleistung sicher sein können, dass das Bohrfeld während des gesamten Simulationszeitraums zuverlässig x kW liefern wird, solange die angenommenen Lastprofile gültig bleiben - ohne langfristige thermische Drift.
Methodik
Die Entwurfsmethodik, mit der dieses System auf Ausgewogenheit ausgelegt wird, ähnelt daher auch der Methodik zur Leistungsoptimierung:
- Beginnen Sie mit einem stündlichen Wärme- und Kältebedarfsprofil und einem festen Bohrlochdesign.
- Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil, als ob 100% des Gebäudebedarfs auf das Bohrlochfeld gelegt würden.
- Sie prüfen, ob
- Die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit fällt unter einen bestimmten Schwellenwert oder es liegt ein Ungleichgewicht von mehr als $\alpha$% vor. Wenn dies der Fall ist, ist die Entnahmeleistung zu hoch, so dass die Spitzenheizleistung um x% reduziert werden muss. Liegt die minimale mittlere Flüssigkeitstemperatur über dem Schwellenwert, kann das Bohrloch die Entnahme verkraften, und die Spitzenheizleistung kann unverändert bleiben.
- Die durchschnittliche Höchsttemperatur der Flüssigkeit überschreitet einen bestimmten Schwellenwert oder es liegt ein Ungleichgewicht von mehr als $\alpha$% vor. Wenn dies der Fall ist, ist die Einspritzleistung zu hoch, so dass die Spitzenkühlleistung um x% reduziert werden muss. Wenn die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur unter dem Schwellenwert liegt, kann das Bohrlochfeld die Einspritzung verkraften, und es sind keine Änderungen erforderlich.
- Wenn beide Temperaturen aus Schritt (3) innerhalb der Grenzwerte liegen und das Ungleichgewicht ist kleiner als $\alpha$%, ist die geothermische und hybride Last bestimmt, und Sie können mit Schritt (7) fortfahren. Falls nicht, fahren Sie mit Schritt (5) fort.
- Neuberechnung der stündlichen Last für das Bohrlochfeld unter Verwendung der in Schritt (3) ermittelten neuen maximalen Spitzenleistungen für Heizung und Kühlung. Leiten Sie die Leistung oder Energie, die vom Bohrloch nicht bewältigt werden kann, auf die Hybridtechnologien um.
- Berechnen Sie das stündliche Temperaturprofil neu und kehren Sie zu Schritt (3) zurück.
- Erledigt
Auch hier wurde ein weiteres Kriterium eingeführt, um das Ungleichgewicht zu berücksichtigen.
!Hinweis
Der Prozentsatz des Ungleichgewichts ist definiert als: jährliches Ungleichgewicht geteilt durch den Höchstwert der jährlichen Wärmeeinspeisung oder -entnahme.!Hinweis
Da es sich bei dieser Optimierung um eine Erweiterung der Methode “Leistungsoptimierung” handelt, kann diese als Spezialfall der Gleichgewichtsmethode betrachtet werden. Wenn man ein Ungleichgewicht von 100% zulässt (d.h. das Gleichgewichtskriterium aufhebt), reduziert sich die Methode auf den Ansatz “Optimieren für Leistung”. Dies wird auch in der folgenden Fallstudie demonstriert.
Fallstudie
Wenn wir uns auf unsere Fallstudie für das Mehrzweckgebäude beziehen, stellen wir fest, dass ein 9×9 Bohrfeld bei einer Optimierung des Systems in Bezug auf die Leistung 224 kW geothermische Heizung und 159 kW geothermische Kühlung ermöglicht, was 73% und 74% des Heiz- bzw. Kühlbedarfs des Gebäudes entspricht. Bei einer energetischen Optimierung könnte der Anteil der Geothermie sogar auf 84% für die Heizung und 92% für die Kühlung steigen, was allerdings mit deutlich höheren Investitionskosten verbunden ist.
Im Folgenden wird das Hybridsystem für das Mehrzweckgebäude mit einem akzeptablen Ungleichgewicht von 5%, 25% und 100% ausgelegt.
5% Ungleichgewicht
Wie die folgende Abbildung zeigt, weist das System nur ein geringes Ungleichgewicht auf (ca. 10 MWh/Jahr), verglichen mit dem Ungleichgewicht von 167 MWh/Jahr, das bei der Optimierung für die Stromerzeugung auftritt. Dies macht das System äußerst robust für die Zukunft. Allerdings bleibt immer noch ein beträchtliches geothermisches Potenzial für Strom ungenutzt: nur 107 kW Heizleistung und 150 kW Kühlleistung sind installiert. Dadurch sinkt der Anteil der Geothermie auf 41% für die Heizung und 72% für die Kühlung, was deutlich unter den 73% und 74% liegt, die bei der Stromoptimierung erreicht werden.
!Vorsicht
Obwohl die theoretische Grenze für ein akzeptables Ungleichgewicht bei 1% liegt, wird aus rechnerischen Gründen empfohlen, für mindestens 5% zu optimieren. Je nach Ihrem stündlichen Lastprofil kann es sein, dass es einfach keine Leistung gibt, bei der das Ungleichgewicht unter Ihrer Toleranz liegt. Dies ist besonders wahrscheinlich bei Gebäuden mit sehr hohen Volllaststunden. Wenn Sie feststellen, dass der Optimierungsprozess sehr lange dauert, sollten Sie mit einem höheren akzeptablen Ungleichgewichtsprozentsatz beginnen.
25% Ungleichgewicht
Unter Berücksichtigung des Ungleichgewichts von 25% erhöht sich das geothermische Ungleichgewicht auf 67 MWh/Jahr (bei der Entnahme), wodurch sich der Boden im Laufe der Jahre leicht abkühlt. Die installierte geothermische Leistung steigt auf 145 kW für die Heizung und 153 kW für die Kühlung, was zu einem geothermischen Anteil von 53% bzw. 73% führt. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem vorherigen Fall mit 5% Ungleichgewicht dar und verdeutlicht die Flexibilität der Optimierungsmethode für das Gleichgewicht.
100% Unwucht
Schließlich führt, wie bereits erwähnt, die Optimierung mit einem akzeptablen Ungleichgewicht von 100% zum gleichen Ergebnis wie die Optimierung nach Leistung. Das resultierende Temperaturprofil ist der Vollständigkeit halber unten dargestellt.
Fazit
Die Methode der Bilanzoptimierung ist eine wertvolle Ergänzung des Werkzeugkastens für die Auslegung von Hybridsystemen. Während sie im Vergleich zu anderen Methoden in der Regel den geringsten geothermischen Anteil ergibt, bietet sie die robusteste und zukunftssicherste Auslegung. Durch die Anpassung des zulässigen Ungleichgewichtsanteils erhalten Sie eine klare Vorstellung davon, wie viel Ungleichgewicht für Ihr System akzeptabel ist und welche Auswirkungen dies auf die Gesamtauslegung hat.
Literaturverzeichnis
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