Übung zu Empfindlichkeiten bei der Bohrlochgestaltung

In dieser Übung werden wir die Auslegung eines geothermischen Bohrlochs für ein Bürogebäude untersuchen. Ziel ist es, einen Einblick in die Auswirkungen des geothermischen Temperaturgradienten zu gewinnen und zu verstehen, welche Parameter bei der Auslegung eines Bohrlochs für ein Gebäude mit hohem Kühlbedarf besonders wichtig sind.

Die Übung

Der Fall für diese Übung basiert auf einem realen Bürogebäude in der Stadt Gent (Belgien). Um ein geeignetes Sondenfeld für dieses Gebäude zu entwerfen, müssen Sie auf das Wissen aus einer Reihe von früheren Artikeln zurückgreifen (auf die wir bei Bedarf verweisen). In dieser Übung werden Sie den Einfluss des geothermischen Temperaturgradienten auf die Auslegung untersuchen, die Auswirkungen der Verwendung von MPG im Vergleich zu Wasser vergleichen, die Wahl zwischen Einzel- und Doppel-U-Rohr-Konfigurationen bewerten und allgemeine Erkenntnisse über die Auslegung von Bohrfeldern für Gebäude mit hohem Kühlbedarf gewinnen.

!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

• Mindestschwelle für die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 2°C
• Maximale durchschnittliche Temperaturschwelle der Flüssigkeit: 17°C

!Hinweis
Diese Temperaturen wurden gewählt, um sicherzustellen, dass die Kühlung im passiven oder freien Modus arbeiten kann (daher die Obergrenze von 17 °C). Der untere Grenzwert von 2°C wurde festgelegt, um negative Temperaturen innerhalb des Bohrlochs zu vermeiden. Eine durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 2°C entspricht typischerweise einer Vorlauftemperatur von 0°C und einer Rücklauftemperatur von 4°C, wobei eine Temperaturdifferenz ($\Delta T$) von 4°C angenommen wird.

• Simulationszeitraum: 40 Jahre
• Erster Monat der Simulation: Januar

Bodeneingangsparameter

Die geologische Beschaffenheit des Bodens am Projektstandort ist wie folgt:

!Hinweis
Beachten Sie die dicke, schlecht leitende Tonschicht in der Lithologie. Diese wird in dieser Übung eine wichtige Rolle spielen.

Um Zeit zu sparen, werden die durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeiten des Bodens wie folgt berechnet:

• 1,6 W/(mK) bei 150 m Bohrlochtiefe
• 1,7 W/(mK) @ 100 m Bohrlochtiefe

Die anderen Bodenparameter sind:

• Volumetrische Wärmekapazität: 2,4 MJ/(m³K)
• Standort: ‘Bel-Gent’

Borefield Eingabeparameter

Alle Bohrfelder in dieser Übung sind rechteckig, mit einem gleichen Bohrlochabstand in Länge und Breite von 6 m. Die Verlegetiefe beträgt 1 m und die Ausgangskonfiguration ist 15 x 13 Bohrlöcher mit einer Bohrlochtiefe von 150 m.

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: 40 mm
• Mörtel: 1,5 W/(mK)

Die Flüssigkeit ist 30 v/v% MPG mit einer Durchflussrate von 0,2 l/s pro Bohrloch.

Eingabeparameter für die thermische Belastung

• Heizleistung: 306 kW
• Jährliche Heizenergie: 398 MWh
• Kühlleistung: 336 kW
• Jährliche Kühlenergie: 269 MWh
• SCOP: 4,5
• 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. Ist das ursprüngliche Bohrfelddesign mit 15×13 Bohrlöchern bei 150 m ein gutes Design?
2. Wie viele Bohrlöcher sollten wir zusätzlich bohren, wenn wir die Bohrlochtiefe auf 100 m verringern? Versuchen Sie, darüber nachzudenken, bevor Sie mit der Simulation beginnen.
3. Was passiert, wenn wir die Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf den richtigen Wert aktualisieren? Können wir den Entwurf ändern?
4. Was passiert mit dem Temperaturprofil, wenn wir die Flüssigkeit durch Wasser ersetzen?
5. Wie können wir unser Bohrfeld umgestalten, um kosteneffizienter zu werden?
6. Was passiert mit unserer Konstruktion, wenn wir von einem Doppel-U-Rohr zu einem Einzel-U-Rohr wechseln?

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

Das Temperaturprofil aus der ursprünglichen Simulation zeigt eine maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 17,17 °C, die leicht über dem Auslegungsgrenzwert von 17 °C liegt. Auf den ersten Blick könnte dies bedeuten, dass das Bohrloch unterdimensioniert ist. Aber ist das wirklich der Fall?

Nicht unbedingt.

Bei der Bemessung von Bohrfeldern werden immer Annahmen zugrunde gelegt - sowohl bei den Eingabedaten (z. B. Belastungsschätzungen, Betriebsbedingungen) als auch im Modell selbst (z. B. Vernachlässigung der Grundwasserströmung, wie erörtert hier). Diese Vereinfachungen können zu kleinen Abweichungen vom tatsächlichen Systemverhalten führen.

Angesichts des Umfangs des Projekts und der zur Schätzung des Kühlbedarfs verwendeten Methode ist ein Ergebnis von 17,17 °C innerhalb der erwarteten Unsicherheitsspanne noch akzeptabel. Bei Projekten mit strengeren thermischen Auflagen oder behördlichen Anforderungen könnte jedoch selbst eine Überschreitung um 0,17 °C kritisch sein und sollte berücksichtigt werden.

Die gesamte erforderliche Bohrlochlänge für diese Konfiguration (15 × 13 Bohrlöcher in 150 m Tiefe) beläuft sich auf rund 29000 m.

Frage 2

Wenn wir die maximal zulässige Bohrlochtiefe auf 100 m senken, verringern wir die aktuelle Tiefe um 33%. Instinktiv würden wir also erwarten, dass die Anzahl der Bohrlöcher um die gleichen 33% erhöht wird, um die gleiche Gesamtlänge der Bohrlöcher zu erhalten. Bei der Simulation ergibt sich ein Bohrlochfeld von 17 × 13 mit einer Gesamtbohrlochlänge von 21879 m, was deutlich weniger ist als in Frage 1. Hierfür gibt es zwei Hauptgründe:

• Zunächst einmal ist die Bodentemperatur aufgrund des thermischen Gradienten niedriger, da wir nun weniger tief bohren. Da dieses Bohrfeld durch die maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur begrenzt ist, bedeutet eine niedrigere Bodentemperatur, dass weniger Bohrungen erforderlich sind. (Falls Sie unseren Artikel über die Bodeneigenschaften noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier nachlesen hier).

• Zweitens ist der effektive Wärmewiderstand des Bohrlochs etwas höher, da die Bohrlöcher nun kürzer sind. Das liegt daran, dass es weniger thermische Kurzschlüsse zwischen den Schenkeln der U-Rohre gibt. (Weitere Informationen über den Bohrlochwiderstand finden Sie in unserem Artikel hier).

Frage 3

Wenn Sie sich erinnern, haben wir die Bohrlochtiefe geändert, aber die Bodeneigenschaften konstant gehalten (oder vielleicht haben Sie sie selbst geändert, was noch besser ist!). Da wir nun weniger tief in die Tonschicht bohren, erhöht sich die Leitfähigkeit von 1,6 W/(mK) auf 1,7 W/(mK). Dadurch sinkt die Temperatur auf 16,66 °C, was auf einen etwas besseren Wärmeübergang im Boden und eine noch niedrigere ungestörte Bodentemperatur zurückzuführen ist.

!Hinweis
Auf den ersten Blick mag es seltsam erscheinen, dass sich die Bodentemperatur ändert, wenn wir die Bohrlochtiefe nicht verändern. Das liegt daran, dass die ungestörte Bodentemperatur auf der Grundlage des geothermischen Wärmestroms (der konstant bleibt) und der Bodenleitfähigkeit berechnet wird. In einer schlecht leitenden Schicht steigt die Bodentemperatur schneller an als in einer gut leitenden Schicht. Eine Änderung der durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit des Bodens auf einen höheren Wert senkt daher den Temperaturgradienten, was zu einer niedrigeren ungestörten Bodentemperatur führt.

Aufgrund dieser höheren Wärmeleitfähigkeit des Bodens können wir die Größe des Bohrfelds auf 16 × 13 Bohrungen reduzieren und trotzdem unter unserem Schwellenwert von 17 °C bleiben, was zu einer Gesamtbohrlochlänge von 20592 m führt.

!Vorsicht
Diese Frage verdeutlicht, wie wichtig es ist, die verschiedenen Bodenschichten im Auge zu behalten, und wie gefährlich es sein kann, von einem homogenen Boden auszugehen.

Frage 4

Da die Flüssigkeitstemperaturen relativ hoch sind, besteht keine wirkliche Notwendigkeit, Frostschutzmittel zu verwenden (und schon gar nicht 30 v/v% MPG, das einen Frostschutz bis zu -14 °C bietet). Daher setzen wir den Prozentsatz auf Null und erhöhen den Schwellenwert für die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit auf 5,5 °C. Dadurch sinkt die maximale Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit auf 16,25 °C.

!Hinweis
Diese Temperatur hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Wärmepumpe ab. In der Regel ist eine Verflüssiger-Austrittstemperatur von 4 °C zulässig. Wenn Sie dann ein $\Delta T$ von 3 °C über dem Verflüssiger annehmen, erhalten Sie eine durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur von 5,5 °C.

Die Reynolds-Zahl, sowohl bei der Entnahme als auch bei der Injektion, verlagert sich nun aus dem laminaren Bereich in den instationären und sogar turbulenten Bereich. Dadurch verringert sich der durchschnittliche thermische Widerstand des Bohrlochs, was zu einer niedrigeren Bodentemperatur führt.

Frage 5

Aufgrund dieses verbesserten Wärmeübergangs kann die Größe des Bohrlochs weiter reduziert werden - zum Beispiel auf 14×13 Bohrungen - was zu einer maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur von 16,88 °C und einer Gesamtbohrlochlänge von 18018 m führt, was deutlich weniger ist als die 29000 m, mit denen wir begonnen haben!

Frage 6

Als letzte Variante wird das Doppel-U-Rohr DN32 durch ein Einzelrohr DN32 ersetzt. Dadurch erhöht sich der effektive Wärmewiderstand des Bohrlochs, was zu einer höheren durchschnittlichen Höchsttemperatur der Flüssigkeit führt. Um innerhalb unserer Temperaturgrenzen zu bleiben, müssen wir die Anzahl der Bohrlöcher wieder auf 15×13 erhöhen, was eine endgültige Gesamtbohrlochlänge von 19305 m ergibt.

!Hinweis
Es mag überraschen, dass der Wechsel von einem Doppel-U zu einem Einzel-U die Gesamtlänge des Bohrlochs deutlich erhöht. Normalerweise führt der Wechsel von einem Doppel-U zu einem Einzel-U bei laminarer Strömung zu einer turbulenten Strömung, die den Wärmeübergang verbessert und die Gesamtlänge des Bohrlochs mehr oder weniger gleich hält. Da das Doppel-U in diesem Fall jedoch bereits in einer turbulenten Strömung arbeitete, führte der Wechsel zu einem Einzel-U lediglich zu einer Verringerung der Wärmeübertragungsfläche und damit zu einem höheren effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs.

Fazit

Diese Übung zeigte die verschiedenen Planungsstrategien, die bei der Dimensionierung eines Bohrlochs für ein Gebäude mit hohem Kühlbedarf zur Verfügung stehen. Durch fundierte Entscheidungen gelang es uns, die Gesamtlänge des Bohrlochs von 29055 m auf 18018 m zu reduzieren, dank der niedrigeren ungestörten Bodentemperatur und des verbesserten thermischen Widerstands des Bohrlochs bei der Verwendung von Wasser anstelle von MPG. Die Umstellung auf eine Einzel-U-Konfiguration erwies sich bei diesem Projekt als nicht vorteilhaft, da sich die Flüssigkeit bereits in einem turbulenten Zustand befand.

Literaturverzeichnis

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