In dit hoofdstuk gaan we dieper in op het belang van het ontwerp van het boorveld. In het vorige hoofdstuk bespraken we de voordelen van een aardwarmtepomp en kwamen we erachter dat deze vaak een hogere initiële investeringskost hebben. Daarom is het belangrijk dat de geothermische bron, het boorveld, correct ontworpen is om het financieel interessant te houden om er een te installeren.
Voordat we ons gaan verdiepen in de twee hoofdcategorieën voor het ontwerpen van boorvelden, moeten we eerst eens nader bekijken wat het doel van het ontwerp is.
Het doel van boorveldontwerp
Wat bedoelen we als we het hebben over borefield design? Waar richten we ons precies op? Om dit te begrijpen, moeten we kijken naar temperatuurprofielen, zoals degene die je hieronder kunt zien.
In de grafiek hieronder zie je twee lijnen: de gemiddelde vloeistoftemperatuur in het boorveld en de boorgatwandtemperatuur (die eronder ligt en bijna zichtbaar is als een soort schaduw van de andere lijn). Deze lijnen illustreren hoe het boorveld zich door de jaren heen gedraagt (we zien in dit geval een neerwaartse trend, die de onbalans) en van uur tot uur. Het concept van boorveldontwerp ligt nu in het binnen een bepaald bereik houden van deze vloeistoftemperaturen. Als de vloeistof deze grenzen overschrijdt, is het veld niet nauwkeurig gedimensioneerd en is een groter boorveld nodig. Hieronder worden deze temperatuurgrenzen besproken.
Minimale vloeistoftemperatuur
Eén beperking op de vloeistoftemperatuur is de minimale vloeistoftemperatuur. Om duurzaamheidsredenen willen we niet dat de grond na verloop van tijd bevriest. Daarom stellen de meeste regio's specifieke ontwerprichtlijnen op voor de toegestane minimumtemperatuur. In de meeste landen moet de gemiddelde vloeistoftemperatuur na 25 jaar boven 0°C blijven, maar in de regio Brussel (België) is de aanvoertemperatuur die na 25 jaar boven 0°C moet blijven. In Zwitserland is de ontwerplimiet een gemiddelde vloeistoftemperatuur van -1,5°C na 50 jaar.
Naast wettelijke redenen zijn er ook duurzaamheidsredenen en technische redenen. Om het leven in de grond niet te schaden, willen we de grond niet laten bevriezen. Bovendien is ijs een slechte warmtegeleider, dus als het boorgat bevriest, vormt zich een ijslaag die het boorgat effectief isoleert, waardoor de efficiëntie van je systeem afneemt of misschien zelfs uitvalt.
Omdat specie ook poreus is, is er meestal vocht aanwezig en wanneer het boorgat bevriest, zet dit vocht uit en kan het scheuren veroorzaken in de specie. In de loop van de jaren (of meerdere vriescycli) kunnen deze scheuren groeien en aanzienlijke schade veroorzaken aan de structuur van het boorgat en (mogelijk) aan de thermische prestaties.
Maximale vloeistoftemperatuur
Naast de minimale limiet voor de vloeistoftemperatuur is er ook een maximale limiet. Naast de wettelijke vereisten (meestal onder 25°C gemiddelde of injectievloeistoftemperatuur) is er ook een technische reden.
Als passieve koeling nodig is, willen we meestal onder de 16-18°C blijven als gemiddelde vloeistoftemperatuur, zodat we 17-19°C beschikbaar hebben aan de andere kant van de warmtewisselaar om ons gebouw te koelen.
Wanneer actieve koeling wordt gebruikt, is deze drempel van 17°C niet langer een strikte vereiste, aangezien de warmtepomp warmte kan lozen in warmere boorvelden.
Twee categorieën boorveldontwerpen
Nu het doel van ons boorgatontwerp duidelijk is - binnen vooraf gedefinieerde grenzen blijven - laten we eens kijken naar twee verschillende benaderingen voor het berekenen van de vereiste boorgatgrootte: vuistregel of het gebruik van boorgatontwerpsoftware.
Vuistregels
Net als in elk ander HVAC-gebied zijn er veel verschillende manieren om een systeem te ontwerpen. Het geothermische domein is niet anders. In de literatuur worden vier verschillende niveaus van nauwkeurigheid voor de dimensionering van boorvelden genoemd, variërend van lineaire vuistregels tot simulaties per uur (dit wordt later besproken). De laatste is natuurlijk het meest nauwkeurig, maar in de praktijk worden vaak nog vuistregels gebruikt voor de dimensionering van boorvelden. Deze regels komen in de vorm van een specifiek vermogen per boorgatlengte (zoals 30W/m boorgat) en bieden de ontwerper een snelle manier om een systeem te dimensioneren door gewoon de vereiste piekbelasting door deze factor te delen.
Maar wat zijn de belangrijke criteria die tot deze constante waarde hebben geleid? Is het voor een ondiep of een dieper boorgat? Is het ontworpen om te werken met piekverwarming, of ook voor piekkoeling? Gaat het uit van laminaire of turbulente stroming? Welk type warmtewisselaar hebben ze gebruikt? Wat waren de grondeigenschappen, de boorveldconfiguratie ...
Vertrouwen op vuistregels geeft geen inzicht in je ontwerp, omdat ze abstractie maken van het eerder besproken temperatuurprofiel. Het is dus onduidelijk of je boorgat over- of ondergedimensioneerd is.
Ontwerpsoftware voor boorvelden
Bij het ontwerpen van een geothermisch boorveld moeten tal van beslissingen worden genomen. U moet niet alleen de totale vereiste boorgatlengte bepalen, maar ook de configuratie van het boorveld, de diepte en de interne onderdelen van het boorgat. Parameters zoals het vloeistofregime (laminair of turbulent) zijn bijzonder cruciaal voor uw uiteindelijke ontwerp. Met gespecialiseerde ontwerpsoftware zoals GHEtool Cloud kunt u al deze projectspecifieke parameters invoeren en het aantal boorgaten berekenen dat nodig is om binnen de temperatuurlimieten te blijven. Dit zorgt ervoor dat uw boorveld consequent de juiste dimensionering heeft en dus economisch geoptimaliseerd is. Het verschil tussen een resultaat op basis van een vuistregel en een resultaat op basis van boorgatontwerpsoftware kan behoorlijk groot zijn.
Vergelijking tussen ontwerptools en vuistregels
Om de contrasterende ontwerpresultaten tussen dimensionering op basis van vuistregels en GHEtool Cloud te illustreren, werd een uitgebreide analyse uitgevoerd. Drie verschillende gebouwen - een auditorium, een kantoor en een meergezinswoning - werden dynamisch gesimuleerd met een uurresolutie om de variatie in warmtevraag nauwkeurig vast te leggen. Vervolgens werden deze uurlijkse verwarmings- en koelingsvraagprofielen gebruikt als invoer voor GHEtool om de grootte van het boorveld te bepalen voor verschillende scenario's: laminaire of turbulente stroming, variërende warmtegeleidingscoëfficiënt van de grout, diepe of ondiepe boorgaten ...
Elke simulatie wordt weergegeven als een afzonderlijke rode stip in de onderstaande figuren, die het scala aan ontwerpmogelijkheden en de significante impact van het gebruik van GHEtool voor de nauwkeurige dimensionering van boorvelden laat zien.
Alle rode stippen in bovenstaande figuur vertegenwoordigen nauwkeurig bemeten boorvelden, met variaties die voortkomen uit verschillen in ontwerpinput. Als we het bereik van potentiële afmetingen dat met GHEtool is verkregen vergelijken met de enkele waarde die is afgeleid van een vuistregel, dan is het duidelijk dat de laatste minimaal inzicht biedt in de nauwkeurigheid en robuustheid van het ontwerp van boorvelden.
Maar misschien was de vuistregel van 30W/m gewoon verkeerd? Als we de vuistregel omdraaien op basis van de bekende piekvermogens en de verschillende afmetingen uit de vorige figuur, varieert de specifieke warmteafvoer/injectie van 30 tot 230 W/m. Dit brede bereik is een inherent gevolg van de ontwerpflexibiliteit die je als boorveldontwerper hebt en die simpelweg niet kan worden teruggebracht tot een one-size-fits-all getal.
Conclusie
Het doel van het ontwerpen van boorvelden is duidelijk: we willen er zeker van zijn dat onze vloeistoftemperaturen binnen bepaalde grenzen blijven, hetzij omwille van wettelijke vereisten of op basis van goede praktijken. Het is niet mogelijk om deze zekerheid te krijgen als we met vuistregels werken, omdat deze abstractie maken van het temperatuurprofiel en de vereiste grootte direct correleren met de vereiste piekvermogens.
Als geothermisch ontwerper heb je met een tool als GHEtool alles wat je nodig hebt om boorvelden nauwkeurig te dimensioneren, rekening houdend met alle belangrijke aspecten zoals de grondeigenschappen, de warmtevraag en het rendement van de warmtepomp. Deze worden in de volgende hoofdstukken besproken.
Referenties
- SIA 384/6
- Selçuk E., Bertrand F. (2016). Vorstschade van voegmaterialen voor boorgatwarmtewisselaars: Experimentele en analytische evaluaties. Geomechanica voor energie en milieu, Volume 5, Pagina's 29-41, ISSN 2352-3808, https://doi.org/10.1016/j.gete.2015.12.002.
- Peere, W. (2024). Zijn vuistregels misleidend? De complexiteit van Borefield Sizing en het belang van Design-software. IEA HPT tijdschrift 42(1), https://doi.org/10.23697/7nec-0g78.