Hydraulic design: boreholes in series or parallel

The hydraulic design of your borefield—specifically the decision to place your boreholes in series, parallel, or a combination of both—can significantly impact the total required borehole meters. This article will guide you through how to define the different hydraulic design options in GHEtool Cloud.

Essentiële concepten

De hydraulische beslissingen die u als ontwerper neemt, hebben rechtstreeks invloed op de totale vereiste boorgatmeters. Keuzes zoals het gebruik van een enkele of dubbele U-buis (intern hydraulisch boorgatontwerp) of het in serie of parallel aansluiten van boorgaten (extern hydraulisch boorgatontwerp) hebben invloed op het stromingsregime door het boorgat. Dit heeft op zijn beurt weer invloed op het totale ontwerp, zoals besproken in eerdere artikelen.

Let op
Als je ons artikel over Reynoldsgetallen en het verschil tussen laminaire en turbulente stroming nog niet hebt gelezen, raden we je aan dit eerst te lezen. Deze kennis zal je begrip van de gepresenteerde concepten vergroten. hier.

Debiet definiëren in GHEtool Cloud

In GHEtool Cloud hoeft slechts één parameter voor hydraulisch ontwerp te worden ingevoerd: het debiet per boorgat. Deze parameter is te vinden onder het tabblad 'Boorgatweerstand' > 'Vloeistofgegevens'.

Let op
Je moet het debiet per boorgat invoeren, niet per buis of warmtewisselaar. GHEtool berekent automatisch belangrijke informatie zoals drukval, Reynoldsgetal, vloeistofregime en thermische weerstand van het boorgat op basis van deze invoer. Voor de duidelijkheid tonen de figuren in GHEtool het resulterende debiet per buis, maar je moet altijd het debiet voor het hele boorgat invoeren.

Blijf op de hoogte
De berekening van drukval verdient een artikel apart. De onderstaande uitleg over drukval is daarom vrij beknopt. Op dit moment werken we aan het uitbreiden van de methodes voor het berekenen van drukval met GHEtool Cloud en zodra dat klaar is, zal er een volledig artikel over dit onderwerp verschijnen.

Twee benaderingen van hydraulisch ontwerp

Er zijn twee algemene benaderingen voor het hydraulische ontwerp van een boorgat:

1. Top-down benadering: Begin met het totale debiet van het systeem en bereken het resulterende debiet door elk boorgat.
2. Bottom-up benadering: Bepaal het vereiste debiet door elk boorgat en bereken het totale systeemdebiet.

Hoewel deze benaderingen verschillen in hun uitgangspunten, blijft de ontwerplogica hetzelfde.

Let op
Ontwerpen op basis van debiet alleen kan misleidend zijn. De pomp van het systeem moet de drukval van het hele boorveld aankunnen. Voor grotere systemen is het cruciaal om de totale drukval te berekenen en ervoor te zorgen dat de pomp voldoet. Voor kleinere residentiële projecten, waar de interne pomp van de warmtepomp de druk regelt, moet je bij de fabrikant controleren of deze aan deze eisen kan voldoen.

Verschillende hydraulische ontwerpen

Er zijn vier primaire archetypes voor hydraulisch ontwerp, plus een gecombineerd geval, dat als model kan dienen voor complexere systemen. Deze archetypes zijn gebaseerd op de volgende combinaties:

• Intern boorgatontwerp: Enkele U-buis of dubbele U-buis
• Extern boorgatontwerp: Parallelle of serieaansluitingen

Enkele U-buis - Parallel

In deze opstelling zijn de boorgaten parallel geschakeld en is het totale debiet van het systeem wordt gelijk verdeeld over de boorgaten. Als het debiet van het systeem bijvoorbeeld 1 l/s is en er zijn 3 boorgaten, dan ontvangt elk boorgat 0,33 l/s. Dit is het debiet dat je invoert in GHEtool Cloud.

Let op
De drukval voor parallelle systemen is gelijk voor alle boorgaten. Als in één boorgat een drukdaling van 20 kPa optreedt, is de gecombineerde drukdaling voor alle boorgaten ook 20 kPa. Er moet rekening worden gehouden met extra drukverlies in horizontale leidingen.

Enkele U-buis - Serie

Hier zijn de boorgaten in serie geschakeld, wat betekent dat het totale systeemdebiet door elk boorgat stroomt. Als het systeemdebiet 1 l/s is, stroomt ditzelfde debiet door elk boorgat.

Let op
Voor serieschakelingen tel je het drukverlies van elk boorgat bij elkaar op. Als één boorgat bijvoorbeeld een drukverlies van 20 kPa veroorzaakt, dan resulteren drie in serie aangesloten boorgaten in een totaal drukverlies van minstens 60 kPa, zonder rekening te houden met het drukverlies in horizontale leidingen.

Dubbele U-buis - Parallel

Wanneer boorgaten met dubbele U-buizen parallel zijn aangesloten, wordt de stroming zowel extern als intern gesplitst. Het systeemdebiet wordt gelijk verdeeld over de boorgaten en het debiet in elk boorgat wordt verder verdeeld over de twee U-buizen. Voor een systeemdebiet van 1 l/s met 3 boorgaten ontvangt elk boorgat 0,33 l/s en elke U-buis binnen een boorgat 0,165 l/s.

Dubbele U-buis - serie

In een dubbele U-buis serieconfiguratie zijn de U-buizen niet intern verbonden. In plaats daarvan werkt elke U-buis in een boorgat als een onafhankelijk pad. De stroom gaat door elke U-buis in het boorgat, waardoor er effectief twee parallelle stromingstrajecten per boorgat ontstaan. Het systeemdebiet van 1 l/s wordt verdeeld over twee parallelle U-buizen in elk boorgat, zodat elke pijp 0,5 l/s ontvangt.

Gecombineerd

Veel grote boorvelden gebruiken een gecombineerd ontwerp om de drukval en debietvereisten in balans te brengen. Een systeem met 6 boorgaten kan deze bijvoorbeeld groeperen in twee sets van drie in serie geschakelde boorgaten. Deze twee groepen worden dan parallel geschakeld.

To analyse this system, begin at the borehole level. Each borehole in a series group receives the total group flow rate. If each borehole in the system requires a 0.5 l/s flow rate, and each series group contains three boreholes, then the total group flow rate is 0.5 l/s. Since the two groups are connected in parallel, the system’s total flow rate is 1 l/s (0.5 l/s per group × 2 groups).

Let op
Het totale drukverlies voor het gecombineerde systeem wordt berekend door de drukverliezen van de boorgaten in elke seriegroep bij elkaar op te tellen. Aangezien de groepen parallel zijn, neemt dit gecombineerde drukverlies niet toe door parallelle aansluiting. Houd echter wel rekening met horizontale leiding- en hoekverliezen (zogenaamde 'plaatselijke verliezen').

Conclusie

De keuze van het juiste hydraulische ontwerp voor uw boorgat kan de totale vereiste boorgatlengte en de algehele systeemefficiëntie aanzienlijk beïnvloeden. Door de implicaties van parallelle vs. serieverbindingen en de verschillen tussen enkelvoudige en dubbele U-buisontwerpen te begrijpen, kunt u beter geïnformeerde beslissingen nemen. GHEtool Cloud vereenvoudigt dit proces door u in staat te stellen één enkel debiet per boorgat in te voeren, met automatische berekeningen voor drukdaling, Reynoldsgetal en thermische weerstand van het boorgat.

References

• Watch our video explanation over on our YouTube page by clicking hier.