Bei fast allen geothermischen Anlagen wird ein Ungleichgewicht auftreten. Manchmal ist dies kein großes Problem, aber in anderen Fällen stellt es eine große Herausforderung dar, damit Ihr Bohrloch langfristig bezahlbar und robust bleibt. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Sie bei der Planung Ihres nächsten Bohrlochs mit Ungleichgewichten umgehen können.
Was ist ein Ungleichgewicht?
Das Ungleichgewicht ist die jährliche Erwärmung oder Abkühlung des Bodens, die durch eine Differenz zwischen der jährlich entnommenen und der zugeführten Energie verursacht wird. In diesem Sinne wird es vollständig durch den Energiebedarf Ihres Gebäudes bestimmt und ist etwas, mit dem Sie einfach lernen müssen, umzugehen. Unten sehen Sie ein Beispiel für ein Bohrloch, das von der Entnahme dominiert wird.
Der oben dargestellte Bedarf an geothermischer Energie entspricht dem unten dargestellten, von der Entnahme dominierten Bohrfeld. Wie Sie sehen können, sinkt die Temperatur Jahr für Jahr, weil mehr Energie entnommen als eingespeist wird. Dadurch wird die Mindestschwelle am Ende des Simulationszeitraums erheblich belastet, da dies der kritische Auslegungspunkt ist. Je größer das Ungleichgewicht ist, desto mehr Bohrlochmeter (und damit Investitionen) sind erforderlich, um dieses Ungleichgewicht zu bewältigen.
!Hinweis
Nicht jedes Ungleichgewicht führt per Definition zu mehr Bohrlochmetern und damit zu höheren Investitionskosten. Wenn ein gewisses Ungleichgewicht besteht, Ihr Bohrloch aber bereits im ersten Jahr aufgrund einer hohen Spitzenleistung begrenzt ist, wird es weniger wichtig. Weitere Informationen finden Sie unter unser Artikel auf den Bohrfeldquadranten.
Neben einem von der Entnahme dominierten Bohrloch kann es auch vorkommen, dass sich das Bohrloch Jahr für Jahr erwärmt. Dies ist zum Beispiel in Bürogebäuden mit einer hohen Grundlast an Kühlung (z. B. in Serverräumen) oder in wärmeren Klimazonen der Fall, in denen weniger häufig geheizt wird.
Vermeiden oder bewältigen?
Es ist klar, dass ein Ungleichgewicht erhebliche Herausforderungen für Ihr Bohrlochdesign mit sich bringen kann, und wie bei den meisten Herausforderungen im Leben können Sie entweder versuchen, sie zu vermeiden oder lernen, damit umzugehen.
Wie bereits erwähnt, wird das Ungleichgewicht durch den Bedarf des Gebäudes bestimmt, da es direkt aus dem Energiebedarf des Gebäudes berechnet wird. Als Architekt oder HLK-Planer haben Sie jedoch einen erheblichen Einfluss auf diesen Bedarf. Berücksichtigen Sie die Ausrichtung und Größe der Fenster, die Art der Wärmepumpe, die Sie auswählen, oder ob Sie ein Hybridsystem wählen. Dieser Ansatz zur Vermeidung von Ungleichgewichten wird im Artikel der nächsten Woche behandelt.
Auch in der geothermischen Planungsphase eines Projekts gibt es mehrere Möglichkeiten, um bewältigen mit diesem Ungleichgewicht. Im folgenden Abschnitt werden wir verschiedene Ansätze zur Optimierung Ihres geothermischen Designs diskutieren, um die (finanziellen) Auswirkungen des Ungleichgewichts zu minimieren.
Borefield Entwurf
Die Gestaltung von Borefields ist fast wie ein Spiel mit mehreren Strategien, aber keiner einzigen besten Lösung. Im nächsten Unterabschnitt werden wir verschiedene Aspekte betrachten, die beim Umgang mit Ungleichgewichten berücksichtigt werden können. Die Beeinflussung des lang- und kurzfristigen Verhaltens wirkt sich immer positiv aus und wird zuerst diskutiert. Die Erhöhung der Anzahl der Bohrlöcher oder das Bohren von tieferen Löchern kann in bestimmten Fällen helfen und wird als letztes behandelt.
Langfristig
Wie in unseren Artikeln über die Physik von Bohrfeldern beschrieben, sind zwei Zeitskalen für die Planung von Bohrfeldern wichtig: die langfristige (in der Reihenfolge der Jahre) und die kurzfristig (in der Reihenfolge der Stunden).
Der Langzeiteffekt beschreibt, wie sich das Bohrlochfeld im Laufe der Jahre verändert, und hier werden die direkten Auswirkungen des Ungleichgewichts sichtbar. Je mehr Energie jährlich entnommen wird, desto niedriger ist langfristig die Temperatur (und umgekehrt bei einspritzungsdominierten Systemen).
Wie wir in unserem vorherigen Artikel, Dieses Langzeitverhalten wird durch die g-Funktionen bestimmt, die die Wechselwirkungen zwischen den Bohrlöchern sowie zwischen dem Bohrfeld und dem umgebenden Boden beschreiben. Wenn wir die Anordnung des Bohrlochs ändern, passt sich die g-Funktion entsprechend an. Um den Einfluss des Ungleichgewichts auf das Gesamtsystem zu minimieren, sollte die Konfiguration kleine g-Werte haben.
Wie in der Abbildung oben zu sehen ist, gibt es mehrere Möglichkeiten, die g-Funktionen zu beeinflussen. Eine Möglichkeit, die links dargestellt ist, besteht in der Anpassung der Abstände. Je weiter die Bohrungen voneinander entfernt sind, desto besser können sie Energie mit dem Boden austauschen, und desto geringer sind die Auswirkungen der Unwucht. Die gleiche Überlegung gilt für das Beispiel auf der rechten Seite: Wenn Sie die Bohrlochkonfiguration in eine offenere Anordnung ändern (z. B. eine Linie oder eine L-Form anstelle eines Rechtecks), kann das Bohrlochfeld Energie effektiver mit dem Boden austauschen, wodurch der Einfluss des Ungleichgewichts verringert wird.
Kurzfristig
Die kurzfristigen Auswirkungen (wie sie in dieser Artikel)stehen im Zusammenhang mit dem effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs. Dieser Wert gibt an, wie gut das Bohrloch Wärme mit dem Boden austauschen kann, d. h. wie groß der Wärmewiderstand zwischen der Flüssigkeit und dem umgebenden Boden ist.
Auf den ersten Blick scheint dies nicht direkt mit dem vorliegenden Problem zusammenzuhängen, da der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs nur eine momentane Auswirkung hat (in Verbindung mit der Spitzenleistung) und nicht so sehr eine langfristige Auswirkung. Warum ist er also für unsere Diskussion über das Ungleichgewicht wichtig? Zur Beantwortung dieser Frage sehen wir uns die beiden folgenden Diagramme an, die dieselbe Bohrlochkonfiguration (d. h. denselben Langzeiteffekt) zeigen.
Die obige Abbildung zeigt einen hohen effektiven Wärmewiderstand des Bohrlochs, der durch den großen Temperaturunterschied zwischen der Spitzenheiztemperatur und der Bohrlochwandtemperatur angezeigt wird. Es besteht ein gewisses Ungleichgewicht, das jedoch relativ gering ist. Wäre es noch größer, würde die Mindestschwellentemperatur überschritten werden.
Das obige Diagramm zeigt dasselbe Bohrloch wie zuvor (und damit dasselbe Langzeitverhalten). Da jedoch der effektive thermische Widerstand des Bohrlochs jetzt deutlich geringer ist als im vorherigen Beispiel, kann das System ein viel größeres Ungleichgewicht bewältigen und bleibt dabei immer noch über dem Temperaturschwellenwert von 2 °C. Mit anderen Worten, wenn der Bohrlochwiderstand niedrig ist, kann ein größeres Ungleichgewicht effektiver bewältigt werden, da es einfacher ist, Energie zwischen der Flüssigkeit und dem Boden zu übertragen.
Zusätzliche Bohrlöcher
Eine andere Lösung, die oft vorgeschlagen wird, ist das Bohren zusätzlicher Bohrungen. Die Überlegung dahinter ist ganz einfach: Je mehr Bohrungen, desto mehr Energie kann mit dem Boden ausgetauscht werden. Dies folgt der gleichen Logik, die wir bereits in Bezug auf die Bohrlochabstände und -konfiguration erörtert haben. Allerdings gibt es hier eine wichtige Nuance, die sich auf den bereits erwähnten Bohrlochwiderstand bezieht.
Ein Schlüsselparameter für den effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs ist das Strömungsregime (laminar oder turbulent), über das Sie hier mehr erfahren können hier. Wenn sich die Anzahl der Bohrungen im System ändert, wird die Gesamtdurchflussmenge (die in der Regel durch die Wärmepumpe und den Bedarf des Gebäudes bestimmt wird) auf eine andere Anzahl von Bohrungen aufgeteilt, was zu einer geringeren Durchflussmenge pro Bohrung führt. In der nachstehenden Grafik entspricht dies einer Verringerung der Reynoldszahl.
Wenn ein Bohrloch im instationären Bereich (zwischen Re = 2300 und Re = 4000) betrieben wird, kann eine Verringerung der Durchflussmenge pro Bohrloch eine erhebliche Auswirkung auf den effektiven Bohrlochwiderstand und damit auf die Fähigkeit des Bohrlochs haben, mit Ungleichgewichten fertig zu werden (wie im vorherigen Abschnitt beschrieben).
Daher ist es beim Hinzufügen weiterer Bohrlöcher immer wichtig, diesen Bohrlochwiderstand zu überwachen und, wann immer möglich, die Durchflussrate zu erhöhen oder die Bohrlochkonfiguration anzupassen (einfaches oder doppeltes U, Rohrdurchmesser usw.), um den Widerstand so gering wie möglich zu halten.
!Hinweis
Bei einem sehr großen Ungleichgewicht kann die einzige praktikable Option darin bestehen, zusätzliche Bohrungen vorzunehmen, auch wenn dies zu einem höheren effektiven thermischen Widerstand des Bohrlochs führt.
Tiefere Bohrlöcher
Ein letzter Ausweg für die Planer von geothermischen Anlagen zur Bewältigung des Ungleichgewichts besteht darin, tiefere Bohrungen vorzunehmen. Dadurch ändern sich die g-Funktionen und damit der langfristige Effekt geringfügig, da tiefere Bohrungen auch mehr Fläche für den Wärmeaustausch mit dem Boden bieten. Außerdem bedeutet ein tieferes Bohrloch eine höhere durchschnittliche Bodentemperatur. Diese höhere Temperatur verschiebt alle Linien des obigen Temperaturdiagramms, so dass ein Ungleichgewicht leichter zu bewältigen ist.
Es ist zu beachten, dass diese Lösung nur für Bohrfelder, die von der Extraktion dominiert werden, effektiv ist. Wenn ein Bohrfeld Probleme mit der maximalen durchschnittlichen Flüssigkeitstemperatur hat, ist eine tiefere Bohrung im Allgemeinen keine gute Lösung, da höhere Flüssigkeitstemperaturen zusätzliche Probleme verursachen.
Fazit
Ein Ungleichgewicht kann zu erheblichen konstruktiven Herausforderungen führen, wenn es darum geht, Ihr Bohrlochfeld wirtschaftlich zu gestalten. In diesem Artikel haben wir mehrere Ansätze zur Bewältigung von Ungleichgewichten erörtert, die darauf abzielen, Ihr Bohrlochfeld so kostengünstig wie möglich zu gestalten. Die Vergrößerung des Abstands zwischen den Bohrlöchern und die Wahl einer offenen Konfiguration (z. B. eine Linie oder L-Form) in Kombination mit der Senkung des effektiven thermischen Widerstands des Bohrlochs sind immer gute Strategien, um Ungleichgewichte zu vermeiden.
Das Bohren zusätzlicher Bohrlöcher kann ebenfalls eine gute Option sein, doch muss der Bohrlochwiderstand genau beachtet werden, da die Durchflussmenge pro Bohrloch in der Regel geringer ist, wenn die Anzahl der Bohrlöcher steigt. Schließlich ist das Bohren tieferer Bohrlöcher ein interessanter Ansatz für Bohrfelder mit einem von der Entnahme dominierten Profil.
Im nächsten Artikel werden wir einen Schritt zurückgehen und Möglichkeiten zur Vermeidung von Ungleichgewichten untersuchen. Bleiben Sie dran!
Literaturverzeichnis
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