Übung zum Entwurf eines kollektiven Bohrlochs für ein Mehrfamilienhaus

Die Bemessung von Sammelbohrungen für Mehrfamilienhäuser ist komplizierter als die Bemessung für eine einzelne Wohnung multipliziert mit der Anzahl der Einheiten. In dieser Übung erläutern wir, wie man bei der Planung von Sammelsammelschächten vorgeht und welche Rolle der Gleichzeitigkeitsfaktor spielt.

Die Übung

In unserer letzten Übung haben wir uns angesehen, wie ein Bohrlochfeld für ein einzelnes Gebäude entworfen werden kann. Bei kollektiven Systemen könnte man versucht sein, für eine Wohnung zu planen und dies dann mit der Gesamtzahl der Einheiten zu multiplizieren, um eine endgültige Planung zu erhalten. Dieser Ansatz birgt jedoch einige Probleme in sich:

• Die verschiedenen Bohrungen interferieren miteinander, was zu einem unterschiedlichen Langzeitverhalten führt (lesen Sie unseren Artikel über das Problem der thermischen Interferenz hier).
• Bei kollektiven Systemen ist die resultierende Spitzenleistung auf dem Bohrlochfeld nicht mit der Summe aller Spitzenanforderungen identisch, was auf die so genannte Gleichzeitigkeit zurückzuführen ist (lesen Sie mehr darüber hier).

Aus diesen Gründen verdient die Gestaltung von kollektiven Bohrfeldern eine eigene Übung, in der wir uns mit den Feinheiten des Prozesses befassen können.

!Hinweis
Um den größtmöglichen Nutzen aus dieser Übung zu ziehen, empfehlen wir dringend, die unten stehenden Fragen zur Konstruktion zu beantworten, bevor Sie die Lösung lesen. Die Konstruktion von Bohrfeldern ist alles andere als einfach, und der beste Weg, ihre Komplexität zu beherrschen, ist die praktische Erfahrung.

Eingabeparameter

Allgemeine Eingabeparameter

• Minimaler Schwellenwert für die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 0°C
• Maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 17°C (passive Kühlung)
• Simulationszeitraum: 25 Jahre
• Erster Monat der Simulation: Januar

Bodeneingangsparameter

• 2 W/(mK) von 50 - 200 m
• Volumetrische Wärmekapazität: 2,4 MJ/(m³K)
• Oberflächentemperatur: 9,6°C
• Geothermischer Wärmestrom: 0,07 W/m²

Eingabeparameter für den Bohrlochwiderstand

Die Parameter für das Rohr sind:

• Doppeltes DN32 PN16-Rohr (d.h. mit einer Wandstärke von 3mm und einem Außendurchmesser von 32mm)
• Bohrlochdurchmesser: 140 mm
• Abstand vom Rohr zur Bohrlochmitte: 35 mm
• Mörtel: 1,5 W/(mK)

Die Flüssigkeit ist 25 v/v% MPG mit einer Durchflussmenge von 0,21 kg/s für jede Wohnung.

Eingabeparameter für die Wärmelast (pro Wohnung)

• Spitzenwärmebedarf: 3,4 kW
• Spitzenkühlbedarf: 2 kW
• Jährlicher Wärmebedarf: 5,1 MWh
• Jährlicher Kühlbedarf: 1,4 MWh
• Jährlicher Bedarf an Warmwasser im Haushalt: 1,6 MWh
• SCOP: 5 (Heizung)
• SCOP: 3 (WARMWASSER)
• SEER: 20 (passive Kühlung)

Design-Fragen

Für diese Übung werden Sie gebeten, die folgenden Konstruktionsfragen zu beantworten und dabei die Gesamtlänge des Bohrlochs für jeden Schritt zu verfolgen. Dies wird Ihnen helfen, die Auswirkungen verschiedener Konstruktionsänderungen auf die Kosten und die Leistung zu beurteilen.

!Hinweis
Um Ihre Arbeit übersichtlich zu halten, empfiehlt es sich, für jede Gestaltungsfrage ein eigenes Szenario zu verwenden.

1. Berechnen Sie die erforderliche Bohrlochtiefe für den Fall, dass nur eine einzige Wohnung vorhanden ist.
2. Berechnen Sie das Temperaturprofil für diese Bohrlochtiefe, wenn sie in einem 20 x 4-Raster platziert wird (um insgesamt 80 Bohrlöcher zu erhalten).
3. Korrigieren Sie die Bohrlochtiefe für diese 80 Bohrlöcher, um die Temperaturgrenzen einzuhalten.
4. Berechnen Sie das Temperaturprofil unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit.
5. Berechnen Sie das Temperaturprofil unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit und der Änderung der Spitzendauer.
6. Berechnen Sie das Temperaturprofil nach der Upscaling-Methode für kollektive Systeme.
7. Berechnen Sie die erforderliche Endtiefe für 80 Bohrlöcher anhand des Lastprofils aus der vorherigen Frage.

Lösung

Nachfolgend finden Sie die Antworten auf die oben genannten Gestaltungsfragen. Es ist wichtig zu betonen, dass es keine einzig richtige Antwort gibt. Der Wert dieser Übung liegt darin, die Gründe für jede Entscheidung zu verstehen, anstatt jeder Annahme strikt zuzustimmen.

Jedes geothermische Projekt ist einzigartig, und die Entscheidungen, die Sie in Bezug auf Parameter, Konfigurationen und Grenzwerte treffen, hängen in hohem Maße von projektspezifischen Einschränkungen, Planungsprioritäten und praktischen Überlegungen ab. Nutzen Sie diese Antworten als Leitfaden, aber zögern Sie nicht, die Annahmen in Frage zu stellen und Alternativen zu prüfen.

Frage 1

Bei der Berechnung der erforderlichen Tiefe für eine einzelne Wohnung ergibt sich eine Bohrlochtiefe von 96 m. Wie aus dem nachstehenden Temperaturprofil hervorgeht, wird diese Tiefe durch die maximale Kühlspitze (2 kW) und nicht durch die maximale Heizlast bestimmt, da die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 1,45 °C deutlich über der 0 °C-Grenze liegt. Das geringe Ungleichgewicht von etwa 3,68 MWh bei der Entnahme ist daher in diesem Fall kein entscheidender Auslegungsfaktor.

Frage 2

Für die Auslegung der 80 Wohnungen wird zunächst ein Raster von 20 x 4 Bohrungen mit der gleichen Tiefe von 96 m wie zuvor ermittelt und dann das Temperaturprofil simuliert. Das Ergebnis ist in der nachstehenden Grafik dargestellt, wobei der Wärmebedarf einfach mit dem 80-fachen des Bedarfs einer einzelnen Wohnung angenommen wird.

Wie Sie sehen können, ist das Ungleichgewicht (jetzt 80 Mal größer) in diesem Fall deutlich sichtbar. Der Grund dafür ist, dass bei einem vollen Bohrfeld anstelle eines einzelnen Bohrlochs die Bohrlöcher miteinander interagieren, was zu einem ausgeprägteren langfristigen Temperatureffekt führt. Es ist klar, dass die Bohrlochtiefe erhöht werden muss, um die Anforderungen zu erfüllen.

Frage 3

Wenn die Bohrlochtiefe auf 150 m erhöht wird, bleiben die durchschnittlichen Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der Grenzwerte. Es ist auch klar, dass die Auslegung jetzt durch den Heizbedarf und nicht mehr durch den Kühlbedarf bestimmt wird, da das Ungleichgewicht bei der Auslegung eine größere Rolle spielt.

Die obige Auslegung, die zu einer Gesamtbohrlochlänge von 11.920 m führt, ist ein sehr konservativer Ansatz. Es wird davon ausgegangen, dass 100 Prozent des Spitzenwärmebedarfs (insgesamt 272 kW, d. h. 80 × 3,4 kW) auf das Bohrlochfeld entfallen, und dasselbe gilt für die Kühlung. Diese Annahme wird in der Folgesimulation in Frage gestellt.

Frage 4

Gleichzeitigkeit ist das Konzept, bei dem verschiedene Nutzer, die an dasselbe kollektive System angeschlossen sind, ihre Nachfragespitzen nicht zur gleichen Zeit erleben. Bei 80 Nutzern eines kollektiven Systems beträgt die Gesamtüberschneidung etwa 63 Prozent (basierend auf den Untersuchungen von Winter et al., 2001). Das bedeutet, dass von dem gesamten Spitzenwärmebedarf von 272 kW (und ebenso für die Kühlung) nur 172 kW als maximale Leistung der geothermischen Anlage zu erwarten sind. Weitere Informationen über den Gleichzeitigkeitsfaktor finden Sie in unser Artikel zu diesem Thema.

Unter Berücksichtigung der Gleichzeitigkeit ergibt sich für dasselbe Bohrlochdesign mit einer Tiefe von 150 m nun eine durchschnittliche Mindesttemperatur des Fluids von 1,74 °C, wie unten dargestellt. Dies bedeutet, dass das Bohrloch stark überdimensioniert wäre, da wir bis auf 0 °C heruntergehen dürfen. Diese Lösung könnte jedoch zu optimistisch sein.

Frage 5

Bei der Gleichzeitigkeit ist nicht nur die resultierende Spitzenleistung wichtig, sondern auch die Spitzendauer. Wie bereits erwähnt, ist dieser zweite Aspekt der Gleichzeitigkeit nicht so umfassend erforscht worden wie die Verringerung der kollektiven Spitzenleistung. Der Preis für eine geringere resultierende Spitzenleistung ist eine längere Spitzendauer.

Zuvor hatten wir die Hypothese aufgestellt, dass die Spitzendauer eines kollektiven Systems proportional zur Quadratwurzel aus der Anzahl der angeschlossenen Nutzer ansteigt. In unserem Fall würde dies bedeuten, dass die Spitzendauer des kollektiven Systems etwa neunmal so lang ist wie die einer einzelnen Wohnung, was eine Spitzendauer von 72 statt 8 Stunden ergibt. Daraus ergibt sich das unten dargestellte Temperaturprofil.

!Vorsicht
Bitte beachten Sie, dass diese Heuristik nicht durch die Literatur gestützt wird. Es handelt sich um eine erste Schätzung auf der Grundlage des zentralen Grenzwertsatzes in der Statistik. Der Ansatz in der nächsten Frage bietet eine solidere Methode zur Ermittlung der Höchstdauer.

Im obigen Temperaturprofil beträgt die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur 1,39 °C, was bereits niedriger ist als in der vorherigen Simulation, aber immer noch auf eine gewisse Überdimensionierung hinweist. Die Arbeit mit der heuristischen Skalierung der Spitzendauer ist jedoch etwas willkürlich. Aus diesem Grund werden wir in der nächsten Simulation die neueste Methode in GHEtool verwenden, um ein stündliches Profil für kollektive Systeme zu erstellen.

Frage 6

In einem unserer letzten Updates wurde es möglich, stündliche Lastprofile in GHEtool Cloud zu erstellen (weitere Informationen unter dieser Artikel). Stundenprofile haben den Vorteil, dass keine Spitzendauer angegeben werden muss, da bei dieser zeitlichen Auflösung die Spitzendauer implizit im Lastprofil enthalten ist.

Mit dieser Methode zur Simulation des kollektiven Bohrlochs erhalten wir das unten dargestellte Temperaturprofil mit einer minimalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 0,82 °C.

Die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur bei Anwendung dieser Methode unterscheidet sich von der in Frage 6. Dies lässt sich durch einen Blick auf das stündliche Lastprofil erklären, das in GHEtool erstellt wurde (siehe unten).

Wie man sieht, ist die Spitzenleistung auf 172 kW begrenzt (wegen der Gleichzeitigkeit von 63 Prozent), was zu einer längeren Spitzendauer führt. Die Spitze im Januar dauert fast 10 Tage, also etwa 240 Stunden. Dies ist wesentlich länger als die zuvor angenommenen 72 Stunden und erklärt, warum die Flüssigkeitstemperaturen bei diesem Ansatz niedriger sind als bei der heuristischen Skalierung der Spitzendauer.

!Hinweis
Es ist schwierig zu bestimmen, welches Ergebnis oder welche Methode am genauesten ist, aber die Erstellung eines stündlichen Lastprofils für kollektive Systeme bietet einen klaren Arbeitsablauf und liefert Einblicke in das erwartete Lastprofil, die bei der Arbeit mit monatlichen Lasten und heuristischer Skalierung bestimmter Parameter nicht möglich sind. Aus diesem Grund empfehlen wir, bei der Arbeit mit kollektiven Systemen diese Methode zu verwenden.

Frage 7

Als letzte Übung wird die erforderliche Bohrlochtiefe erneut berechnet, diesmal unter Verwendung des stündlichen Lastprofils aus der vorherigen Übung. Das Ergebnis zeigt, dass die erforderliche Tiefe knapp unter 140 m liegt, was im Vergleich zum konservativen Ansatz in Frage 3 eine Einsparung von etwa 800 m an Gesamtbohrlochlänge bedeutet.

Fazit

In dieser Übung untersuchten wir den Entwurf eines Bohrlochs für ein Mehrfamilienhaus mit 80 Wohneinheiten. Wir haben gelernt, dass die Bemessung von Sammelsystemen, die nur auf der Bemessung einer einzelnen Einheit basiert, zu einer erheblichen Unterschätzung der erforderlichen Bohrlochlänge führt. Andererseits führt die Annahme einer resultierenden Spitzenlast, die der Summe aller Anforderungen entspricht, zu einer Überschätzung.

Durch die Anwendung des Konzepts der Gleichzeitigkeit und die Verwendung der neuen Methode zur Erstellung von stündlichen Lastprofilen in GHEtool Cloud können Sie genauere, kosteneffizientere und zuverlässigere kollektive Bohrlochfelder mit Vertrauen entwerfen.

Literaturverzeichnis

• Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.