In de voorgaande hoofdstukken zijn drie verschillende methoden geïntroduceerd voor de optimalisatie van hybride geothermische systemen, die allemaal gebaseerd waren op de ‘borefield-first’-benadering. In dit hoofdstuk ligt de nadruk op een ‘hybrid-first’-methode en op de manier waarop men een hybride systeem kan simuleren met behulp van GHEtool.
Het verschil tussen optimalisatie en simulatie
De voorgaande drie hoofdstukken gingen volledig over de optimalisatie van uw hybride geothermische systemen, namelijk: bij een bepaalde uurbelasting van het gebouw en een vaste omvang van het boorveld werd het belastingsprofiel op het boorveld geoptimaliseerd voor vermogen, energie of balans, om zo het aandeel van geothermische energie te maximaliseren. Bij alle drie de methoden was het doel om de belasting in de eerste plaats op het boorveld te leggen en wat er overblijft naar een andere hybride technologie te sturen.
Bij het simuleren van hybride systemen is de aanpak iets anders. In plaats van standaard de volledige belasting op het boorveld te leggen, is de vraag nu: ‘wanneer is het voordelig om extra belasting op het hybride systeem te leggen?’ Dit leidt niet noodzakelijkerwijs tot hetzelfde resultaat.
Laten we ter illustratie het volgende voorbeeld eens bekijken. Stel je een hybride geothermisch systeem voor dat bestaat uit een grondwarmtepomp (GSHP) en een luchtwarmtepomp (ASHP). Met behulp van de optimalisatiestrategieën wordt de belasting zoveel mogelijk op het boorveld gelegd, waarbij de ASHP alleen wordt ingezet wanneer dat nodig is. Het kan echter voorkomen dat in de tussenseizoenen, wanneer de buitentemperatuur al vrij hoog is en de verwarmingsbehoefte al lager ligt, het rendement van de ASHP hoger is dan dat van de GSHP. In dat geval zou het om financiële redenen interessant kunnen zijn om de belasting eerst op de ASHP te leggen en wat overblijft op de GSHP, d.w.z. een ‘hybride-eerst’-benadering.
Methode voor het simuleren van hybride systemen
In principe kan het simuleren van hybride systemen in GHEtool op twee verschillende manieren worden uitgevoerd:
- Je werkt met temperatuurdrempels waarboven of waaronder een bepaalde hybride technologie wordt ingeschakeld.
- Je beperkt het maximale geothermische vermogen
Beide zullen hieronder kort worden besproken.
Temperatuurdrempels en hybride systemen
De simulatie van hybride systemen in GHEtool Cloud vindt plaats op basis van temperatuurdrempels voor de buitentemperatuur. Afhankelijk van of de buitentemperatuur hoger of lager is dan een bepaalde drempelwaarde, kan het voordelig zijn om eerst het hybride systeem te gebruiken in plaats van het geothermische systeem.
In het hierboven beschreven voorbeeld, met de GSHP en de ASHP, waarbij de ASHP doorgaans efficiënter is boven een bepaalde temperatuurdrempel, kan dit in GHEtool worden gemodelleerd door de ASHP te definiëren als een hybride verwarmingstechnologie die werkt boven een drempeltemperatuur.
Een ander voorbeeld doet zich voor bij een renovatie. Stel je een (niet al te goed geïsoleerd) schoolgebouw voor met verwarmingssystemen die hoge temperaturen afgeven en zijn aangesloten op een gasketel. Om het verwarmingssysteem duurzamer te maken, worden een grondwarmtepomp en een geothermisch boorveld parallel geïnstalleerd, waardoor een hybride geothermisch systeem ontstaat. In de herfst en de lente kan de GSHP dit gebouw prima verwarmen, maar wanneer het buiten te koud wordt, schakelt de gasketel in om de benodigde hogere temperaturen te leveren. Dit kan worden gemodelleerd met behulp van een hybride verwarmingssysteem dat werkt onder een temperatuurdrempel.
Een laatste voorbeeld zou een kantoorgebouw kunnen zijn, waar de luchtbehandelingsunit (AHU) moeite heeft om de lucht te koelen met behulp van de passieve temperaturen uit het boorveld wanneer het buiten te warm is. Een oplossing zou kunnen zijn om de AHU uit te rusten met een actief onderdeel dat in werking treedt om te zorgen voor hybride koeling boven een bepaalde temperatuurdrempel.
Hoewel de hierboven beschreven methode uitgaat van een vaste temperatuurdrempel, is het ook mogelijk om deze redenering toe te passen bij een variabele vloeistoftemperatuur, bijvoorbeeld door over te schakelen naar een lucht-water-warmtepomp wanneer de vloeistoftemperatuur (in plaats van een vaste drempelwaarde) lager is dan de buitentemperatuur.
Deze aanpak wordt momenteel onderzocht en zal in de toekomst worden geïntroduceerd. Conceptueel gezien houdt deze het midden tussen de zuivere simulatiemethoden en de optimalisatiestrategieën.
Beperking van geothermische energie
In plaats van de verschillende hybride systemen en hun respectievelijke temperatuurdrempels te definiëren, kan men ook gewoon het geothermisch vermogen beperken. Als het gebouw bijvoorbeeld een verwarmingsbehoefte van 100 kW heeft, kun je het geothermisch vermogen eenvoudigweg beperken tot 60 kW en kijken wat het resulterende temperatuurprofiel zal zijn. Het vermogen dat niet door de aardwarmtepomp kan worden geleverd, wordt in de resultaten weergegeven als ‘extern vermogen’.
Voorbeeld in GHEtool
Om te laten zien hoe de simulatie van hybride systemen in GHEtool Cloud werkt, kijken we nog één laatste keer naar het woongebouw uit de voorgaande drie hoofdstukken. Hieronder wordt het temperatuurprofiel weergegeven van het 5×5-boorveld zonder enig hybride systeem.
Zoals te zien is, worden zowel de maximale als de minimale vloeistoftemperatuurgrenzen overschreden, waardoor een hybride oplossing voor zowel verwarming als koeling nodig is. Laten we als eerste simulatie eens kijken naar een hybride koeltechnologie (bijvoorbeeld een ASHP) van 25 kW die wordt ingeschakeld wanneer de buitentemperatuur hoger is dan 20 °C, d.w.z. wanneer het buiten echt warm is. Het resulterende temperatuurprofiel wordt hieronder weergegeven.
Uit het bovenstaande temperatuurprofiel blijkt duidelijk dat deze 25 kW aan koelvermogen, met een drempelwaarde van 20 °C, voldoende is om de maximale vloeistoftemperatuur onder de 17 °C te houden. Uit de onderstaande maandelijkse energiebalans blijkt duidelijk dat een aanzienlijk deel van de koeling nu door het hybride systeem wordt verzorgd.
De volgende uitdaging is het oplossen van het probleem van de minimumvloeistoftemperatuurgrens. Een mogelijkheid zou zijn om dezezelfde 25 kW ook als hybride technologie voor verwarming in te zetten, waarbij het bijvoorbeeld een deel van de verwarmingsbehoefte kan opvangen wanneer de buitentemperatuur hoger is dan 8 °C. De resulterende minimale vloeistoftemperatuur bedraagt nu slechts -1,79 °C in plaats van -2,72 °C, en de hybride oplossing voor verwarming neemt 16,5% van de totale verwarmingsbehoefte voor haar rekening. De maandelijkse verdeling wordt hieronder opnieuw weergegeven.
Om boven de minimumdrempel te blijven, zou het een goed idee kunnen zijn om onder een bepaalde drempelwaarde hybride technologie aan het gehele systeem toe te voegen. Dit kan bijvoorbeeld een elektrisch verwarmingssysteem zijn dat de piekvermogens opvangt. Wanneer 20 kW van een dergelijk hybride systeem wordt toegevoegd, dat inschakelt bij temperaturen onder 1 °C, wordt het volgende temperatuurprofiel bereikt, waarbij de vloeistof nu ruim binnen de limieten blijft.
In de onderstaande cirkeldiagram worden de verschillende bijdragen aan het gehele hybride systeem weergegeven. Zoals te zien is, wordt een derde van de totale verwarmingsbehoefte gedekt door het hybride systeem, en wordt meer dan 50% van de koelbehoefte van het gebouw geleverd door het hybride systeem.
In de bovenstaande simulaties zijn de hybride systemen samen met hun respectieve temperatuurdrempels geselecteerd. Een andere aanpak is om simpelweg het maximaal toegestane geothermische verwarmings- en koelvermogen vast te stellen. Wanneer het maximaal toegestane geothermische verwarmingsvermogen 25 kW bedraagt en het maximale geothermische koelvermogen 50 kW, kan het volgende temperatuurprofiel worden vastgesteld.
Uit de onderstaande grafiek met energiebijdragen blijkt duidelijk dat, om tot een systeem te komen dat binnen de limieten valt, slechts 4% van de koelbelasting en 11% van de verwarmingsbelasting door het hybride systeem moet worden geleverd. Dit wijkt aanzienlijk af van de eerdere resultaten en laat zien hoe flexibel (en inherent complex) het ontwerp van hybride geothermische systemen is.
Zoals uit de verschillende bovenstaande simulaties blijkt, is het simuleren van een hybride geothermisch systeem in feite een kwestie van vallen en opstaan, waarbij er (per definitie) geen garantie is dat de optimale oplossing daadwerkelijk wordt gevonden. Daarom staat deze simulatiemodule niet op zichzelf, maar moet deze worden gezien als een extra hulpmiddel in uw gereedschapskist om het ideale hybride geothermische systeem voor uw specifieke project te ontwerpen.
Conclusie
In dit hoofdstuk is de methodologie voor het simuleren van hybride geothermische systemen besproken en vergeleken met de optimalisatiemethoden. Op basis van de buitenluchttemperatuur kunnen vier verschillende hybride systemen (verwarming en koeling, zowel onder als boven de temperatuurdrempel) worden gedefinieerd om het gedrag van het systeem na te bootsen. Naast het regelen van het vermogen met behulp van temperatuurdrempels is het ook mogelijk om het vermogen van de grondwarmtepomp en de passieve warmtewisselaar te beperken.
In een voorbeeld werd aangetoond dat er veel verschillende manieren zijn om een hybride geothermisch systeem te kiezen en te ontwerpen, zodat de vloeistoftemperaturen binnen de vastgestelde grenzen blijven. Dit illustreert dat het simuleren van hybride systemen, in tegenstelling tot de optimalisatiemethoden, behoorlijk wat vallen en opstaan vereist.
Samen met de optimalisatiemethoden voor vermogen, energie en balans maakt de mogelijkheid om hybride geothermische systemen te simuleren de volledige toolbox compleet om inzicht te krijgen in uw hybride systemen en deze optimaal te ontwerpen.