Temperaturdiagramme sind das Herzstück eines guten Bohrlochdesigns. Dieses Diagramm sagt Ihnen alles, was Sie über Ihren Entwurf wissen müssen, aber es hat auch einige Einschränkungen. In diesem Artikel wird die Interpretation hinter diesen Temperaturdiagrammen erklärt (Auswertungsplots) und auch einige der nicht berücksichtigten Auswirkungen werden erörtert (nicht enthalten).
Interpretation von Temperaturdiagrammen
In GHEtool Cloud können Sie zwei Arten von Temperaturprofilen wählen: monatliche Profile und stündliche Profile.
!Vorsicht
In diesem Artikel wird die Terminologie der ‘Gebäudelast’ verwendet, d. h. ‘Heizung’ und ‘Kühlung’. Wenn Sie mit einer geothermischen Last direkt in der Registerkarte ‘Wärmebedarf’ arbeiten, wird die Terminologie zu ‘Entnahme’ und "Einspeisung".
Monatliches Temperaturprofil
In diesem Abschnitt werden wir einige der Erkenntnisse erörtern, die Sie aus der Betrachtung und Untersuchung eines monatlichen Temperaturprofils gewinnen können.
Aus der obigen Abbildung können Sie ersehen, dass wir 3 verschiedene Linien auf dem Temperaturdiagramm haben. Die beiden gestrichelten Linien sind die maximale bzw. minimale zulässige durchschnittliche Fluidtemperatur im geothermischen System. Diesen Parameter können Sie auf der Registerkarte ‘Erde’ einstellen. Die anderen Kurven sind:
- Temperatur der Bohrlochwand Dies ist die Temperatur der Bohrlochwand, d.h. des Bodens in der Nähe des Bohrfeldes. Beachten Sie, dass diese Linie oft nicht sichtbar ist, da sie unter den anderen Linien im Diagramm liegt.
Dann gibt es zwei Temperaturen, die mit den Spitzenbelastungen zusammenhängen, d.h. mit der maximalen Leistungsmenge sowohl beim Heizen als auch beim Kühlen. Diese hohen Spitzenwerte führen zu den extremsten Flüssigkeitstemperaturen und sind daher für die Auslegung des Bohrlochs am wichtigsten.
- Temperaturspitzen der Flüssigkeitskühlung Dies ist die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur zwischen Ein- und Auslass, die Sie während der Kühlspitze erhalten.
- Temperaturspitzen der Flüssigkeitserwärmung Dies ist die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur zwischen Ein- und Auslass, die Sie während der Heizungsspitze erhalten.
Stündliches Temperaturprofil
Bei einem stündlichen Temperaturprofil sehen Sie weniger Linien auf dem Temperaturdiagramm. Während beim monatlichen Profil berücksichtigt werden musste, dass in jedem Monat möglicherweise sowohl geheizt als auch gekühlt wird, gibt es bei einem stündlichen Profil nur eine der beiden Temperaturen. Daher wird bei einem stündlichen Profil nur eine Linie für die Flüssigkeitstemperatur angezeigt.
! Hinweis
Streng genommen könnte sogar auf stündlicher Basis innerhalb einer Stunde zwischen Wärmeeinspeisung und -entnahme gewechselt werden. Dies würde jedoch Temperatursimulationen mit einer Auflösung von weniger als einer Stunde erfordern, was für einen geothermischen Planungsprozess zu viel des Guten ist.
Die beiden gestrichelten Linien sind die maximal bzw. minimal zulässige durchschnittliche Fluidtemperatur im geothermischen System. Diesen Parameter können Sie auf der Registerkarte ‘Erde’ einstellen. Die anderen Kurven sind:
- Temperatur der Bohrlochwand Dies ist die Temperatur der Bohrlochwand, d.h. des Bodens in der Nähe des Bohrfeldes. Beachten Sie, dass diese Linie oft nicht sichtbar ist, da sie unter den anderen Linien im Diagramm liegt.
- Durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur Dies ist die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur zwischen Einlass und Auslass für jede Stunde des Simulationszeitraums.
Welche Auswirkungen sind in den Diagrammen nicht enthalten?
Während GHEtool Cloud zahlreiche Parameter über seine verschiedenen Registerkarten hinweg abfragt, um ein einziges Ergebnis zu erzielen, ist es wichtig zu beachten, dass bestimmte Faktoren nicht berücksichtigt werden und besondere Aufmerksamkeit verdienen. Die Planung eines geothermischen Systems, insbesondere bei großen Projekten, stellt eine faszinierende Herausforderung dar, die ein umfassendes Wissen erfordert, das durch wertvolle Werkzeuge wie GHEtool Cloud ergänzt wird.
Dynamisches Verhalten
Alle Bodenmodelle in GHEtool sind so genannte ‘statische’ oder ‘stationäre’ Modelle. Das bedeutet, dass die thermische Trägheit innerhalb der Flüssigkeit und des Bohrlochmörtels vernachlässigt wird. Jedes Kilowatt (kW) Leistung, das Sie außerhalb des Bohrlochs erhalten, wird sofort aus dem Boden entnommen, was natürlich nicht der Fall ist, da sich zuerst das Fluid abkühlt, danach das Bohrlochmörtel und nach einer gewissen Zeit der Boden. Diese Annahme kann bei der Planung von Erdwärmesystemen als Sicherheitsmerkmal betrachtet werden, da die durchschnittlichen Fluidtemperaturen, die man erhält, höchstwahrscheinlich besser sind als in der Realität, wenn es eine thermische Trägheit gibt.
! Hinweis
GHEtool arbeitet derzeit zusammen mit der KU Leuven (The SySi Team) daran, wie wir dieses kurzfristige Verhalten des Bohrfelds effektiv modellieren können. Sobald das Modell vollständig validiert ist, werden wir es in GHEtool Cloud für Sie implementieren. Einige Links zu den Forschungsergebnissen finden Sie unten in den Referenzen.
Schwankend SCOP/SEER
GHEtool Cloud geht von der Annahme aus, dass die geothermische Last jedes Jahr konstant bleibt. Dies bedeutet auch, dass die saisonale Leistungszahl (SCOP) und der saisonale Wirkungsgrad (SEER) für das erste und das letzte Jahr identisch sind. Im Falle eines Systems mit einem erheblichen Ungleichgewicht ist diese Annahme jedoch sehr konservativ.
Betrachten wir zum Beispiel ein Szenario, in dem es ein anhaltendes Ungleichgewicht gibt, das den Boden jedes Jahr abkühlt. Wenn die Bodentemperatur sinkt, sinkt in der Praxis auch die SCOP, was dazu führt, dass dem Boden weniger Wärme entzogen wird. Dies wirkt dem anfänglichen Ungleichgewicht entgegen und kompensiert dessen Auswirkungen. Dies ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt. Das SCOP nimmt im Laufe des Simulationszeitraums ab, allerdings in abnehmender Weise.
! Hinweis
GHEtool arbeitet derzeit mit Wärmepumpenherstellern zusammen, um ein genaueres Bild der in GHEtool Cloud implementierten Wärmepumpeneffizienz zu erhalten. Bleiben Sie dran für weitere Updates!
Fazit
Dieser Artikel hat Ihnen gezeigt, was Sie mit den Temperaturdiagrammen in GHEtool Cloud tun können, aber auch, was Sie nicht tun können. Die geothermische Planung ist eine komplexe Aufgabe, die Ausbildung und Erfahrung erfordert. Durch unsere ständige Weiterentwicklung und die Zusammenarbeit mit Forschungs- und Industriepartnern möchten wir Ihnen jedoch das beste und zuverlässigste Werkzeug für die Auslegung von Erdwärmesystemen an die Hand geben.
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Literaturverzeichnis
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- Meertens, L. (2024). Senkung der Kapitalkosten für geothermische Wärmepumpensysteme durch dynamische Auslegung von Borefield. IEA HPT Zeitschrift 42(2), https://doi.org/10.23697/9r3w-jm57.
- Meertens, L., Peere, W., Helsen, L. (2024). Einfluss von kurzfristigen dynamischen Effekten auf die Größe von geothermischen Bohrfeldern. In Proceedings of International Ground Source Heat Pump Association. Montréal (Kanada), 28-30 Mai 2024.