Voordat we kunnen ingaan op het ontwerp en de dimensionering van borefields in GHEtool, is het belangrijk om nog eens terug te komen op onze bespreking van de temperatuurprofielen en het verschil tussen de inlaat-, uitlaat- en gemiddelde vloeistoftemperaturen te bespreken.
Temperatuurprofielen in GHEtool
Toen we destijds het concept van temperatuurprofielen introduceerden in Deel 2.1, waren alle vloeistoftemperaturen (zowel in de maandelijkse als in de uurprofielen) gemiddelden van de vloeistoftemperatuur bij het binnenstromen in en bij het uitstromen uit het boorveld. Dit is de meest gangbare, historische definitie van de vloeistoftemperatuur en wordt gebruikt door andere ontwerptools voor boorvelden, zoals Earth Energy Designer. Hieronder wordt een voorbeeld gegeven van een dergelijk (maandelijks) temperatuurprofiel met gemiddelde vloeistoftemperaturen.
De reden waarom de gemiddelde vloeistoftemperatuur zo vaak wordt gebruikt, is het directe verband met het begrip ‘effectieve thermische weerstand van de boorgat’, dat werd geïntroduceerd in Deel 2.2. Kort samengevat wordt de effectieve thermische weerstand van een boorgat gedefinieerd als de warmteoverdrachtsweerstand in stationaire toestand tussen de gemiddelde temperatuur van de boorgatwand (het gemiddelde over de gehele boorgatwand) en de gemiddelde vloeistoftemperatuur (het gemiddelde van alle vloeistof in het boorgat).
Tijdens de simulatie wordt de temperatuur van de boorgatwand eerst berekend aan de hand van de maandelijkse (of uurlijkse) onttrekkings- en injectiebelastingen en de g-functies (zie Deel 2.3). Zodra de temperatuur van de boorgatwand bekend is, wordt de effectieve thermische weerstand van het boorgat berekend aan de hand van de variabele vloeistof- en stromingseigenschappen. Aan de hand van deze twee resultaten (de temperatuur van de boorgatwand en de thermische weerstand van het boorgat) kan de gemiddelde vloeistoftemperatuur direct worden berekend op basis van de definitie van de thermische weerstand van het boorgat.
Aangezien het debiet echter ook bekend is (hetzij constant, hetzij variabel), is ook het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorveld bekend, op basis van de volgende formule:
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
waarbij $\dot{Q}$ het onttrekkings-/injectievermogen (kW) is, $\dot{m}$ de massastroom (kg/s) door het boorveld is, $C_p$ de specifieke warmtecapaciteit van de vloeistof (kJ/(kgK)) is, en $\Delta T$ het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorveld is.
Als de gemiddelde vloeistoftemperatuur bekend is, samen met het massadebiet, het vermogen en de specifieke warmtecapaciteit (per maand/uur), kunnen ook de inlaat- en uitlaattemperaturen worden berekend. Dit biedt ons de mogelijkheid om in GHEtool met elk van deze drie vloeistoftemperaturen te werken; elk daarvan vertelt een ander verhaal en wordt hieronder besproken.
Drie vloeistoftemperaturen
In GHEtool kunnen drie vloeistoftemperaturen worden gesimuleerd: de gemiddelde vloeistoftemperatuur, de vloeistoftemperatuur aan de inlaat en de vloeistoftemperatuur aan de uitlaat. Hieronder worden deze drie kort besproken.
De wetgeving met betrekking tot het ontwerp van gesloten geothermische systemen wordt soms bepaald op basis van de gemiddelde temperatuur of de inlaattemperatuur van de vloeistof. Zowel in België (Vlaanderen en Brussel) als in Nederland wordt de laagste vloeistoftemperatuur gedefinieerd als de temperatuur van de vloeistof die het boorveld binnenkomt (d.w.z. de inlaattemperatuur) en bedraagt deze 0 °C voor België en -3 °C voor Nederland.
In Zwitserland wordt de minimale vloeistoftemperatuur gedefinieerd als een gemiddelde vloeistoftemperatuur van -1,5 °C. Daarom is het bij het ontwerpen van boorvelden van belang om na te gaan op welke temperatuur de wetgeving is gebaseerd.
Gemiddelde vloeistoftemperatuur
De gemiddelde vloeistoftemperatuur is de meest voor de hand liggende temperatuur om mee te werken, vanwege de directe koppeling met de temperatuur van de boorgatwand via de boorgatweerstand. Het voordeel van deze temperatuur is dat hiermee een deel van het effect van het debiet wordt geabstraheerd. Of het stromingsregime nu 3 °C/0 °C of 5 °C/−2 °C is, de gemiddelde vloeistoftemperatuur is bijvoorbeeld altijd 0 °C, waardoor de resultaten gemakkelijker te interpreteren zijn. Dit betekent echter dat de gemiddelde vloeistoftemperatuur niet direct geschikt is als u de absolute minimum- en maximumvloeistoftemperaturen wilt regelen.
Temperatuur van de toevoervloeistof
De temperatuur van de binnenkomende vloeistof is de temperatuur het boorveld betreden en zou kunnen worden omschreven als de uiterste vloeistoftemperatuur, aangezien deze tijdens de extractie altijd het koudst is en tijdens de injectie het warmst. Dit komt doordat de vloeistof het boorveld betreden is ook de vloeistof de warmtepomp uitschakelen. Wanneer uw warmtepomp het gebouw verwarmt, onttrekt deze energie aan de primaire vloeistof, wat betekent dat de vloeistof aan de uitlaat van de warmtepomp de koudste vloeistof in het gehele circuit is (en omgekeerd bij koeling/injectie).
Als u strikte grenzen wilt stellen aan de vloeistoftemperaturen in uw boorveld, zorgen de grenswaarden voor de inlaatvloeistoftemperatuur ervoor dat u in feite alle mogelijke temperaturen hebt gedekt, waardoor wordt gewaarborgd dat deze grens op geen enkel moment en op geen enkele plaats wordt overschreden.
Temperatuur van de uitstroomvloeistof
De temperatuur van de uitstroomvloeistof is de temperatuur van de vloeistof bij het verlaten van het boorveld en is de optimale vloeistoftemperatuur. Tijdens de onttrekking wordt een koude vloeistof in het boorveld geïnjecteerd en door de grond verwarmd, wat resulteert in een hogere temperatuur bij de uitlaat van het boorveld. Op dezelfde manier wordt tijdens de injectie een warme vloeistof in het boorveld geïnjecteerd, waar deze afkoelt, wat leidt tot een lagere vloeistoftemperatuur bij de uitlaat.
Deze uitlaatvloeistoftemperatuur kan nuttig zijn bij het kiezen van de juiste warmtepomp, aangezien het vermogen dat de warmtepomp kan leveren afhankelijk is van de temperatuur van de vloeistof die de verdamper binnenkomt (of de condensor, in het geval van actieve koeling). Als u bijvoorbeeld uw boorveld simuleert op basis van de uitlaattemperatuur en u hebt een minimale (uitlaat)vloeistoftemperatuur van 2 °C, dan moet u ervoor zorgen dat uw warmtepomp het vereiste vermogen kan leveren bij een temperatuur van 2 °C aan de inlaat van de verdamper.
Voorbeeld in GHEtool Cloud
Om inzicht te krijgen in de invloed van de temperatuur van de vloeistof op het ontwerp van uw boorveld, bekijken we het volgende voorbeeld in GHEtool Cloud.
Onder het tabblad ‘Algemeen’ in de simulatie-instellingen kunt u kiezen met welke van de drie vloeistoftemperaturen u wilt ontwerpen. Als u ‘inlaat’ selecteert, worden alle betreffende vloeistoftemperaturen opnieuw gedefinieerd als inlaatvloeistoftemperaturen; hetzelfde geldt voor ‘gemiddelde’ en ‘uitlaat’temperaturen.
In het onderstaande temperatuurprofiel wordt een simulatie uitgevoerd met 4 boorgaten van 100 m en een variabel debiet, waarbij het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorgat constant is op 3 °C. Hieruit blijkt dat de vloeistof, met een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0,46 °C, ruimschoots binnen de limieten blijft. Zoals eerder vermeld, betekent dit echter niet dat de absolute minimale vloeistoftemperatuur de drempel van 0 °C niet overschrijdt. Daarom wordt een simulatie uitgevoerd waarbij de vloeistoftemperatuur aan de inlaat als uitgangspunt wordt genomen.
Wanneer dezelfde simulatie wordt uitgevoerd met de vloeistoftemperaturen aan de inlaat, daalt de vloeistoftemperatuur nu tot −1,04 °C. Zoals eerder vermeld, zijn de inlaattemperaturen altijd de laagste in het systeem, dus zelfs als de gemiddelde vloeistoftemperatuur positief is, kan de inlaattemperatuur nog steeds negatief zijn. Als u wilt dat uw absolute minimumtemperatuur (en omgekeerd uw maximumtemperatuur) binnen bepaalde grenzen blijft, werk dan met de inlaatvloeistoftemperaturen.
Tot slot worden hieronder de vloeistoftemperaturen aan de uitlaat weergegeven. Deze dalen slechts tot 1,96 °C en zijn daarom de meest optimistische temperaturen.
Het ligt wellicht voor de hand dat het type vloeistof dat in de simulatie wordt gebruikt, uiteraard van invloed is op de totale benodigde boorgatlengte. Dit zal in de volgende delen worden besproken.
Conclusie
In dit artikel worden de drie verschillende vloeistoftemperaturen (gemiddelde, inlaat- en uitlaattemperatuur) besproken. De gemiddelde vloeistoftemperatuur wordt doorgaans gebruikt bij het ontwerp van boorvelden, aangezien deze via de effectieve thermische weerstand van het boorgat rechtstreeks verband houdt met de temperatuur van de boorgatwand. Dit garandeert echter niet dat de absolute minimum- en maximumvloeistoftemperaturen binnen de limieten liggen. Om dit te garanderen, moeten de inlaatvloeistoftemperaturen worden gebruikt. De uitlaatvloeistoftemperaturen kunnen worden gebruikt om te garanderen dat de warmtepomp zijn nominaal vermogen kan leveren.
Op basis van deze inzichten zal in de volgende hoofdstukken worden ingegaan op de berekening van de benodigde omvang van het boorveld.
Referenties
- Wetgeving in Brussel: Checklist (NL)
- Wetgeving in Nederland: BRL11000 Protocol 11001 (pagina 61-62)
- Wetgeving in Zwitserland: SIA 384/6 §3.1.1.2