Übung zur Arbeit mit unregelmäßigen Bohrlochkonfigurationen

Da die Gebäude immer komplexer und vielseitiger werden, entfernen sich auch unsere Bohrlochdesigns von der traditionellen rechteckigen Konfiguration. In diesem Artikel wird untersucht, wie wichtig es ist, bei unregelmäßigen Bohrlochkonfigurationen die tatsächlichen Koordinaten der Bohrlöcher zu verwenden, und welche Bedeutung die Verlegetiefe hat.

Die Übung

In zunehmendem Maße sind die Bohrlochkonfigurationen unregelmäßig, wobei einige Bohrlöcher auf anderen Seiten des Projekts oder sogar unter dem Gebäude angeordnet sind. Die meisten Planer verwenden jedoch immer noch die traditionelle rechteckige Anordnung, um die Gesamtzahl der Bohrlöcher zu bestimmen, was häufig zu überdimensionierten Systemen führt.

In dieser Übung untersuchen wir den Temperaturunterschied zwischen einer rechteckigen Konfiguration mit 90 Bohrlöchern und der tatsächlichen unregelmäßigen Konfiguration mit der gleichen Anzahl von Bohrlöchern. Außerdem erörtern wir die Bedeutung der Verlegetiefe und greifen die Unterscheidung zwischen Bohrlochlänge und -tiefe wieder auf.

Das Beispiel, das zur Veranschaulichung dieser Aspekte herangezogen wird, ist ein Mehrzweckgebäude mit Geschäften, Wohneinheiten und Büros.

!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 durchschnittlicher Temperaturschwellenwert der Flüssigkeit: -2°C
• Maximale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur: 17°C (aktive Kühlung)
• Simulationszeitraum: 50 Jahre
• Erster Monat der Simulation: Januar

Bodeneingangsparameter

• Wärmeleitfähigkeit des Bodens: 1,6 W/(mK)
• Volumetrische Wärmekapazität: 2,4 MJ/(m³K)
• Oberflächentemperatur: 10°C
• Geothermischer Wärmestrom: 0,8 W/m²

Eingabeparameter für den Bohrlochwiderstand

Die Parameter für das Rohr sind:

• Einfaches DN32 PN16 Rohr (d.h. eine Wandstärke von 3mm und ein Außendurchmesser von 32mm)
• Bohrlochdurchmesser: 140 mm
• Abstand vom Rohr zur Bohrlochmitte: 39 mm
• Mörtel: 1,8 W/(mK)

Die Flüssigkeit ist 25 v/v% MPG mit einer Durchflussrate von 40 l/s für das gesamte Bohrfeld.

Eingabeparameter für die thermische Belastung

Da es sich um ein Mehrzweckgebäude mit verschiedenen Nutzern und Lastprofilen handelt, wurde eine gewisse Vorverarbeitung der Daten vorgenommen. Statt mit der Gebäudelast arbeiten wir nun direkt mit der Bodenlast (d. h. mit der Wärmeein- und -auskopplung), und die Werte für SEER und SCOP sind nicht mehr erforderlich.

• Spitzenbedarf bei der Entnahme: 475 kW
• Spitzenbedarf bei der Einspeisung: 400 kW
• Jährlicher Entnahmebedarf: 477 MWh
• Jährlicher Einspeisebedarf: 380 MWh
• Maximale Dauer der Extraktion: 20 Stunden
• Maximale Dauer der Injektion: 8 Stunden

Borefield-Konfiguration

Das hier besprochene Projekt hat 90 Bohrlöcher, die in einem unregelmäßigen Raster angeordnet sind, wie in der Abbildung unten dargestellt. Diese Koordinaten wurden während des Baus des Projekts gemessen, können aber beispielsweise auch aus einer AutoCAD-Datei exportiert werden (wie wir es in dieser Artikel).

!Hinweis
Wenn Sie die Übung selbst durchführen möchten, können Sie die Koordinaten herunterladen hier.

Die oben dargestellte Konfiguration kann natürlich nicht für die Planung in einer frühen Durchführbarkeitsphase verwendet werden. Daher gehen wir von einer rechteckigen Konfiguration mit 5 x 18 Bohrlöchern und einem Abstand von 5,5 m zwischen den Bohrlöchern aus.

Der vertikale Aufbau des Bohrlochs ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Wie dargestellt, werden die Bohrungen unter dem Gebäude installiert, wobei sich das Erdgeschoss auf 5 m über dem Meeresspiegel befindet. Während der Bauarbeiten wird eine erste Baugrube auf 0 m ü. NN ausgehoben, in der die Bohrungen durchgeführt werden. Die Bohrungen werden bis zu einer Tiefe von 140 m niedergebracht, und es werden Sonden mit einer Gegengewichtswaage von 1,5 m Länge installiert.

Nach der Bohrung und der Verlegung der Rohre wird die Baugrube weiter auf -3 m ü. M. vertieft, wo die Kellersohle errichtet wird. Einen halben Meter tiefer werden die horizontalen Verbindungen der Bohrlöcher eingebaut.

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 das Temperaturprofil mit Hilfe des rechteckigen Gitters (wo Sie das Bohrfeld in Bezug auf die Bodenoberfläche oder die Vergrabungstiefe eingeben).
2. Berechnen Sie das Temperaturprofil bei einer Verlegetiefe von 0,7 m.
3. Berechnen Sie das Temperaturprofil unter Verwendung der realen Bohrfeldkoordinaten.

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

Die erste Herausforderung besteht darin, die Bohrlochlänge, die Bohrlochtiefe und die Verlegetiefe in unserem spezifischen Projekt zu bestimmen. Die Vergrabungstiefe ist definiert als die Höhe der horizontalen Rohrverbindungen im Verhältnis zur Bodenoberfläche. Die aktive Bohrlochlänge ist die Differenz zwischen dem tiefsten Punkt des Bohrlochs und der Vergrabungstiefe. Die Bohrlochtiefe hingegen ist die Differenz zwischen dem tiefsten Punkt des Bohrlochs und der Geländeoberfläche.

!Hinweis
Falls Sie unseren Artikel zu diesem Thema noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier finden hier.

In unserem Fall werden die Bohrlöcher auf einem Niveau von 0 m ü. NN errichtet. Nach der Bohrung werden die Rohre 3,5 m tiefer angeschlossen, da die Grube um 3 m weiter ausgehoben wird und die Rohre zusätzlich 0,5 m tiefer verlegt werden. Obwohl man versucht sein könnte, von einer Verlegetiefe von 3,5 m auszugehen, muss man bedenken, dass dieser Wert in Bezug auf die Erdoberfläche definiert werden muss, die sich auf 5 m ü. NN befindet. Die gesamte Verlegetiefe beträgt also 8,5 m.

Wenn wir nun das Bohrloch relativ zur Geländeoberfläche definieren wollen, benötigen wir die Bohrlochtiefe. Obwohl die Bohrtiefe 140 m beträgt, ist dies nicht die tatsächliche Bohrlochtiefe, da sie in Bezug auf die Bodenoberfläche gemessen werden muss, die 5 m höher liegt. Damit beträgt die tatsächliche Bohrlochtiefe 145 m.

!Hinweis
Der Vollständigkeit halber kann das Bohrlochfeld auch in Bezug auf die Verschüttungstiefe definiert werden. In diesem Fall wird die Bohrlochlänge benötigt. Dieser Parameter ist nicht gleich 140 m, da 3,5 m des Bohrlochs weggebaggert werden. Die tatsächliche Bohrlochlänge beträgt daher 136,5 m, was genau der Bohrlochtiefe minus der Vergrabungstiefe entspricht.

Das Temperaturprofil für diesen ursprünglichen Entwurf ist oben dargestellt. Nach 50 Jahren sinkt die Temperatur auf -2,7 °C und liegt damit unter dem für dieses Projekt zulässigen Mindestwert von -2 °C.

Frage 2

Es stellt sich die Frage, wie sich die Vergrabungstiefe auf dieses Ergebnis auswirkt, da andere Software-Tools, wie Earth Energy Designer (EED), diesen Parameter nicht benötigen (wie wir bereits in dieser Artikel). Daher wurde in dieser Auslegungsvariante die Verlegetiefe auf 0,7 m festgelegt, was z.B. eine Situation darstellen könnte, in der das Bohrlochfeld direkt unter der Erdoberfläche und nicht unter einem Gebäude installiert ist. Das resultierende Temperaturprofil ist unten dargestellt.

Obwohl es auf dem obigen Temperaturdiagramm kaum sichtbar ist, ist die durchschnittliche Mindesttemperatur der Flüssigkeit jetzt etwas höher (-2,35°C statt -2,7°C). Der Grund dafür ist, dass durch die größere Nähe zur Bodenoberfläche eine stärkere Regeneration von der Umgebungslufttemperatur zum Boden stattfindet, was zu einer geringeren Temperaturdrift führt.

Andererseits liegt der tiefste Punkt des Bohrfeldes (d.h. die Bohrlochtiefe) jetzt auch näher an der Oberfläche, so dass die durchschnittliche Bodentemperatur in diesem Fall 13,45°C beträgt, während sie vorher 13,84°C betrug. Die Tatsache, dass die Bodentemperatur niedriger ist, während die Flüssigkeitstemperatur höher ist (was unerwartet erscheinen mag), unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung der Erdtiefe bei der tatsächlichen Planung.

Frage 3

Als letzte Entwurfsvariante werden wir die tatsächliche unregelmäßige Bohrlochkonfiguration simulieren. Dazu importieren Sie einfach die Koordinaten, wie wir es in diese Anleitung. Daraus ergibt sich das nachstehende Temperaturprofil.

!Hinweis
Wenn Sie in GHEtool mit benutzerdefinierten oder unregelmäßigen Konfigurationen arbeiten, werden Ihre exakten Eingaben für den Entwurf verwendet. Im Gegensatz zu anderen Entwurfswerkzeugen wandelt GHEtool die unregelmäßige Konfiguration nicht in einen herkömmlichen rechteckigen Entwurf um, der nur Ihrem Layout ähnelt, sondern entwirft direkt mit Ihrer tatsächlichen Projektkonfiguration.

Wir sehen nun, dass die minimale durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur -1,69°C beträgt, was über dem Temperaturschwellenwert von -2°C liegt und deutlich höher ist als die -2,7°C, die mit der traditionellen rechteckigen Konfiguration erreicht wurden. Wenn die tatsächliche Konfiguration der Bohrlöcher verwendet wird, ist das Bohrlochfeld korrekt dimensioniert (und vielleicht sogar leicht überdimensioniert), während die ursprüngliche Planung unterdimensioniert gewesen wäre.

Fazit

In dieser Übung wurde ein Bohrlochfeld mit einer unregelmäßigen Bohrlochkonfiguration untersucht. Es wurde festgestellt, dass die unregelmäßige Konfiguration im Vergleich zu einem herkömmlichen rechteckigen Feld zu einer um 1°C höheren durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur führte, was zu erheblichen Einsparungen bei den Investitionskosten führen könnte. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Verlegetiefe nachgewiesen.

Literaturverzeichnis

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