In de vorige hoofdstukken zijn de begrippen drukval, pompvermogen en pompenergie geïntroduceerd. In dit hoofdstuk worden deze inzichten gebruikt om ons eerste hydraulische ontwerp in GHEtool Cloud uit te voeren.
Hydraulisch ontwerp van het boorveld
Het hydraulisch ontwerp van boorvelden gaat verder dan alleen het kiezen van de buisdiameter die in het boorgat wordt gebruikt. Het gehele horizontale ontwerp speelt ook een belangrijke rol: wat is de horizontale buisdiameter? Hoeveel bochten of aftakkingen zijn er? Hoe zijn de boorgaten met elkaar verbonden?
In de volgende paragrafen worden de verschillende manieren om boorgaten met elkaar te verbinden (parallel, Tichelmann of in serie) uitgelegd, gevolgd door het concept van hydraulisch balanceren.
Horizontale verbindingen
Als er meerdere boorgaten in een systeem zijn, worden ze meestal op een van de volgende vier manieren op een verdeelstuk aangesloten: direct, parallel, Tichelmann of serie. Deze opties worden hieronder uitgelegd.
Direct
Als de boorgaten rechtstreeks op de verdeler zijn aangesloten, is de stroomsnelheid door elk boorgat gelijk aan de stroomsnelheid door het horizontale gedeelte. Dit is de meest eenvoudige manier om boorgaten aan te sluiten en heeft als voordeel dat er meer flexibiliteit is om de verschillende boorgaten afzonderlijk te regelen. Bovendien biedt het een extra veiligheidsniveau voor het geval er iets fout gaat. Omdat de boorgaten afzonderlijk kunnen worden losgekoppeld, kunnen problemen gemakkelijker worden opgelost.
Het grootste nadeel van een directe verbinding is dat deze duurder is, omdat er een groter spruitstuk en meer horizontale verbindingen nodig zijn. Bovendien kan het moeilijker zijn om een turbulente stroming te bereiken, omdat het debiet nu verdeeld wordt over de $n$ boorgaten in het systeem.
Parallelle aansluiting
Bij een parallelle aansluiting (ook wel directe retour genoemd) van de boorgaten is het aantal horizontale aansluitingen kleiner dan het aantal boorgaten. Dit betekent dat één enkele horizontale verbinding bijvoorbeeld op 2, 3 of meer boorgaten kan worden aangesloten. Dit heeft als voordeel dat er minder horizontale verbindingen en lasnaden nodig zijn, waardoor het systeem kosteneffectiever wordt. De verdeler kan ook kleiner zijn door het lagere aantal aansluitingen.
De nadelen zijn dat de flexibiliteit van de regeling afneemt, omdat niet elk boorgat afzonderlijk kan worden geregeld of gebalanceerd. Dit betekent ook dat als één boorgat uitvalt of lekt, dit gevolgen heeft voor de hele parallelle verbinding. Bovendien is, omdat boorgaten in groepen van n worden aangesloten, het debiet door het horizontale deel n keer het debiet door elk boorgat, wat het belang onderstreept van een goed hydraulisch ontwerp van de horizontale pijpdiameter.
Hieronder zie je een afbeelding van de parallelle aansluiting (directe retour).
De bovenstaande figuur toont twee hydraulische “parallelle” configuraties. De linker, omgekeerde retourleiding, wordt ook wel Tichelmann genoemd en wordt hierna besproken. De rechtse is de traditionele parallelle verbinding. Hoewel dit ontwerp eenvoudiger te implementeren is, garandeert het niet een gelijk debiet door de verschillende boorgaten. Het pad door boorgat 1 is korter dan dat door boorgat 2, wat resulteert in lagere wrijvingsverliezen en dus een iets hoger debiet. Dit is over het algemeen ongewenst (zoals hieronder wordt besproken) en daarom wordt meestal de voorkeur gegeven aan een Tichelmann-verbinding.
Aansluiting Tichelmann
Wanneer de boorgaten in een Tichelmann-configuratie worden aangesloten, zijn ze nog steeds gegroepeerd in sets van n, wat resulteert in een factor n minder horizontale verbindingen dan bij een directe verbinding en een n keer hoger debiet in het horizontale deel. In die zin lijkt het sterk op de hierboven beschreven parallelle verbinding, met als belangrijkste verschil dat de retourleiding voor elk boorgat dezelfde lengte heeft. Dit zorgt ervoor dat de drukverliezen voor elk boorgat identiek zijn, wat resulteert in een gelijk debiet door elk boorgat. Alle andere voordelen van een parallelle verbinding zijn ook hier van toepassing.
De nadelen zijn opnieuw de verminderde mogelijkheid om individuele boorgaten te controleren (hoewel een Tichelmann verbinding in theorie altijd hydraulisch gebalanceerd is).
Serieaansluiting
Een serieschakeling wordt meestal gebruikt als een hoger debiet door de boorgaten gewenst is om de warmteoverdracht te verbeteren. Door de boorgaten in serie te verbinden in groepen van $n$ wordt het aantal horizontale buizen opnieuw verminderd met een factor n, maar nu omdat de uitlaat van het ene boorgat rechtstreeks verbonden is met de inlaat van het volgende. Dit betekent dat het debiet in elk boorgat identiek en gelijk is aan het debiet in de horizontale leidingen. Hieronder zie je een voorbeeld van een serieschakeling.
Het belangrijkste voordeel van een hydraulisch ontwerp in serie is dat het gemakkelijker is om turbulente stroming te bereiken vanwege het hogere debiet per boorgat. Het is ook relatief kosteneffectief, omdat er geen complexe hydraulische verbindingen nodig zijn, zoals bij een Tichelmann-configuratie, en er minder leidingen nodig zijn dan bij een directe verbinding. Het nadeel van een serieschakeling is dat wanneer één boorgat een probleem heeft, alle boorgaten in die groep worden beïnvloed. Bovendien is, omdat de stroming door alle boorgaten moet, de drukval bij een serieschakeling aanzienlijk hoger dan bij een direct of Tichelmann ontwerp.
Wanneer dubbele U-buizen in serie worden aangesloten, is het gebruikelijk dat beide U-buizen verschillende inlaten en uitlaten hebben. Als bijvoorbeeld twee boorgaten in serie worden aangesloten, zal bij één paar U-buizen de inlaat in het linker boorgat naar rechts stromen, terwijl bij het andere paar de inlaat in het rechter boorgat naar links zal stromen. Dit zorgt voor een betere balans tussen extractie en injectie. Dit is ook te zien in de figuur hieronder, waar de rode lijn de inlaat voorstelt en de blauwe lijn de uitlaat.
Combinatie
Natuurlijk is het ook mogelijk om verschillende horizontale configuraties te combineren, zoals in de afbeelding hieronder.
Hier zijn de boorgaten verdeeld in twee groepen van drie boorgaten. Binnen elke groep worden de boorgaten in serie geschakeld en de twee groepen worden dan verbonden in een Tichelmann-configuratie. Dergelijke complexe ontwerpen kunnen om verschillende redenen voorkomen, maar worden vaak vermeden vanwege het grote risico op installatiefouten.
Hydraulisch balanceren
Zoals vermeld in het eerste hoofdstuk van dit deel wordt de drukval langs een bepaald hydraulisch pad bepaald door zowel de lengte van dit pad als alle lokale verliezen (bochten, aftakkingen, enz.). In een geothermisch boorveld kan dit aanzienlijk variëren van boorgat tot boorgat, omdat sommige dichter bij het verdeelstuk liggen en andere verder weg. De sleutel tot het berekenen van de totale drukval van zo'n complex systeem op een relatief eenvoudige manier is het concept van hydraulisch balanceren.
Vanuit thermisch oogpunt is het ideaal dat elk boorgat in gelijke mate bijdraagt aan het vermogen en de energievraag van het systeem. Het doel is daarom om hetzelfde debiet door elk boorgat te krijgen. Dit kan worden gegarandeerd door de drukval voor elk boorgat (d.w.z. elk hydraulisch pad) identiek te maken. Dit wordt bereikt door de drukval van het slechtste pad te berekenen (of in het veld te meten) en ervoor te zorgen dat alle andere boorgaten dezelfde drukval hebben met behulp van balanceerkleppen.
Met deze kleppen kan een extra lokale drukval worden geïntroduceerd bij elke aansluiting op de verdeler om hydraulisch evenwicht te bereiken.
Voor het hydraulisch ontwerp van boorvelden is het belangrijk om de slechtste situatie te identificeren waar de drukval het grootst is. Dit is meestal het boorgat dat het verst van de verzamelleiding is verwijderd, wat resulteert in de grootste horizontale drukverliezen. Aangezien alle andere boorgaten worden aangepast om dezelfde drukval te hebben, is de berekening van één hydraulisch pad voldoende om de totale drukval van het systeem te bepalen.
Dit concept van hydraulisch balanceren zorgt ervoor dat de totale drukval, voor een bepaald ontwerpdebiet, identiek is voor alle aansluitingen op de verdeler. Dit betekent echter niet dat de wrijvingsverliezen en plaatselijke verliezen identiek zijn voor elk hydraulisch pad. Sommige aansluitingen zullen minder horizontale leidingen hebben en daarom meer lokale verliezen nodig hebben om te compenseren, terwijl andere aansluitingen hogere horizontale drukverliezen hebben en minder extra lokale verliezen nodig hebben.
Het feit dat deze doorstroom- of inregelkleppen statisch zijn (wat betekent dat ze, eenmaal ingesteld, dezelfde K-waarde behouden) introduceert een extra complexiteit in het hydraulische ontwerp. De totale drukvalvergelijking wordt hieronder nogmaals gegeven:$$\Delta P = \left(f\cdot \frac{L}{D}+sum{K}\right)\cdot \frac{rho v^2}{2}$$ waar $\Delta P$ de drukval in (Pa) is, $f$ de wrijvingsfactor van Darcy-Weisbach, $L$ en $D$ de buislengte in (m) en buisdiameter in (m) zijn, $\rho$ de vloeistofdichtheid in (kg/m³) is en $v$ de stroomsnelheid in (m/s) is.
Als de stroomsnelheid verandert, verandert ook de stroomsnelheid $v$, wat zowel de plaatselijke verliezen als de wrijvingsverliezen beïnvloedt. Zoals besproken in Deel 4.1, is de wrijvingsfactor ook een functie van de stroomsnelheid (via het Reynoldsgetal). Dit betekent dat de wrijvingsverliezen sterker worden beïnvloed dan de plaatselijke verliezen. Als gevolg hiervan is het mogelijk dat het systeem niet langer perfect in balans is wanneer het buiten het ontwerpinstelpunt van de inregelkleppen werkt, vanwege het verschil in hoe lokale verliezen en wrijvingsverliezen reageren.
Hoewel dit effect bestaat, is de invloed ervan op de algehele prestatie van het systeem over het algemeen beperkt. Indien nodig kunnen dynamisch gestuurde balanceerkleppen worden gebruikt om de K-waarde aan te passen afhankelijk van het debiet. Deze systemen zijn echter aanzienlijk duurder, zowel wat betreft de initiële investering als het lopende onderhoud.
Hydraulisch ontwerp in GHEtool Cloud
In GHEtool worden drie verschillende drukvalbijdragen beschouwd in het hydraulische ontwerp: het deel in het boorgat zelf, de verbindingen tussen de boorgaten en de manifold, en de verbinding van de manifold naar de technische ruimte.
In de schermafbeelding hieronder worden de verschillende bijdragen duidelijk weergegeven.
Verschillende invoerparameters
Voor de boorgataansluitingen kan een keuze of combinatie van Tichelmann- en serieaansluitingen worden gemaakt. Als alle boorgaten rechtstreeks op de verzamelleiding zijn aangesloten, worden beide waarden op 1 gezet, wat betekent dat elke groep één boorgat bevat. In het gecombineerde geval hierboven, waarbij twee groepen van drie boorgaten in serie zijn aangesloten, moet het aantal boorgaten in Tichelmann worden ingesteld op 2 en die in serie op 3. Dit zorgt voor het juiste debiet door zowel de boorgaten als de horizontale verbindingen.
Voor de laterale verbinding, die het boorgat met de verzamelleiding verbindt, moet de slechtst denkbare situatie worden gekozen. Dit is meestal de verbinding met het langste horizontale traject en dus de verbinding die het verst van de verdeler is verwijderd. Het aantal bochten, aansluitingen en andere onderdelen langs dit traject kan ook worden geteld om de bijbehorende K-waarde voor de laterale leidingen te bepalen.
Tot slot is het mogelijk dat het verdeelstuk zich op enige afstand van de technische ruimte bevindt. Daarom wordt een aparte bijdrage opgenomen voor de drukval in de hoofdverdeelleiding. Hier kunnen, indien van toepassing, ook K-waarden voor bochten en aftakkingen worden opgenomen.
Rekenvoorbeeld in GHEtool
Om te illustreren hoe eenvoudig het is om een hydraulische simulatie uit te voeren in GHEtool Cloud, nemen we het volgende gebouw. In dit geval zijn er 12 boorgaten aan de linkerkant van het gebouw, met de verdeler in het gebouw zelf. Dit betekent dat er geen rekening hoeft te worden gehouden met de hoofdleiding en dat alleen de drukverliezen in de boorgaten en de laterale verbindingen moeten worden geëvalueerd.
Om de drukval van de horizontale verbindingen te berekenen, moet het langste traject worden bepaald. In de bovenstaande situatie is dit het boorgat linksonder, met een horizontale weglengte van 30 m. Om rekening te houden met de plaatselijke verliezen langs deze leiding, is er een debietregelklep bij het verdeelstuk, een bocht van 90° in het midden van de laterale leiding en een bocht van 90° aan het einde van de laterale leiding waar de vloeistof het boorgat ingaat. Aangezien de stroming bidirectioneel is, treden de plaatselijke verliezen tweemaal op. Uitgaande van een K-waarde van 0,5 voor elke component, resulteert dit in een totale lokale drukverliescoëfficiënt van 3. Voor de horizontale verbinding wordt een DN40 PN16-pijp gebruikt.
De boorgaten hebben een lengte van 120 m, gebruiken dubbele U DN32-warmtewisselaars en worden gesimuleerd met 25 v/v% MPG en een variabel debiet met een constant temperatuurverschil van 3 °C tijdens zowel extractie als injectie. Het verwarmingsvermogen is 37 kW met een jaarlijkse vraag van 67 MWh/jaar, en voor koeling 4 kW en 2,9 MWh/jaar. Dit resulteert in een relatief hoge onbalans, zoals te zien is in het onderstaande temperatuurprofiel.
Als eerste simulatie wordt aangenomen dat alle boorgaten rechtstreeks op het spruitstuk zijn aangesloten. Dit resulteert in een zeer laminaire stroming (zowel tijdens verwarmen als tijdens koelen), met Re = 875 tijdens extractie en Re = 232 tijdens injectie, waarbij het verschil wordt veroorzaakt door een variatie in stroomsnelheid. De grafiek voor het hydraulische ontwerp staat hieronder.
Door het verschil in piekvermogen is het ontwerpdebiet voor verwarming 2,49 l/s, terwijl het tijdens koeling 0,35 l/s is. Dit betekent dat de drukval tijdens koeling bijna verwaarloosbaar is (≈ 1 kPa) en dat het hele hydraulische ontwerp wordt bepaald door de verwarmingsvraag. In dit geval is de totale drukval 15,99 kPa, waarvan 13,21 kPa in het boorgat zelf en 2,78 kPa in de laterale verbindingen. De geschatte pompenergie (uitgaande van een rendement van 70%) is 75 kWh/jaar.
Als tweede optie wordt een Tichelmann-verbinding onderzocht met groepen van 2 boorgaten. Daarom wordt het aantal boorgaten in Tichelmann ingesteld op 2 in het tabblad Algemeen, wat resulteert in de hieronder getoonde drukverliescurve.
Aangezien een Tichelmann-verbinding ervoor zorgt dat het debiet door de boorgaten gelijk blijft, is de drukval voor het verticale deel identiek aan die van de directe verbinding, namelijk 13,21 kPa. De enige verandering vindt plaats in de drukval in de horizontale leidingen, die nu, door het verdubbelde debiet, 10,82 kPa is, wat resulteert in een totale drukval van 24,03 kPa. Het geschatte elektriciteitsverbruik neemt toe tot 108 kWh/jaar.
Als derde variatie zijn de boorgaten niet langer verbonden in een Tichelmann-configuratie, maar in serie. Hierdoor verandert de stroomsnelheid door elk boorgat (in feite een verdubbeling), wat de warmteoverdracht verbetert. Omdat de stroming echter laminair blijft (Re = 1776 tijdens de extractie), wordt er geen significante verbetering waargenomen. De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur stijgt van 0,07 °C in de twee voorgaande gevallen naar 0,37 °C. De drukvalgrafiek voor dit geval wordt hieronder weergegeven.
Voor deze serieschakeling neemt de drukval in het boorgat toe tot 26,04 kPa, omdat de stroomsnelheid nu twee keer zo hoog is als voorheen. De horizontale drukval is 10,77 kPa. Voor de totale drukval moet, omdat de boorgaten in serie zijn geschakeld, de drukval over het boorgat twee keer worden geteld, omdat de volledige stroom door beide gaat. Dit resulteert in een totale drukval van 62,85 kPa, wat aanzienlijk hoger is dan bij de Tichelmann (of directe) verbinding. Het geschatte energieverbruik van de pomp is 290 kWh/jaar.
Als volgende variatie wordt de dubbele DN32 sonde vervangen door een enkele DN40 sonde. In deze nieuwe situatie wordt de warmteoverdracht turbulent (Re = 2833), wat resulteert in dezelfde minimumtemperatuur van 0,37 °C als in het vorige geval. De drukval over één boorgat verdubbelt echter bijna tot 41,33 kPa, wat leidt tot een totale drukval van 93,44 kPa en een geschat elektriciteitsverbruik van de pomp van 393 kWh/jaar.
Als laatste variatie, om het belang van de aanname van het debiet te illustreren, wordt dezelfde simulatie uitgevoerd met een constant debiet van 2,49 l/s voor het hele boorgat (om overeen te komen met de vorige situatie). De geschatte jaarlijkse energievraag van de pomp is nu 1272 kWh/jaar, ongeveer 900 kWh/jaar hoger dan in het vorige geval. Het belangrijkste verschil is dat, terwijl de drukval tijdens koeling eerder verwaarloosbaar was vanwege het lage debiet, deze nu 78,75 kPa bedraagt.
Conclusie
In dit laatste hoofdstuk van deel 4 werd het hydraulisch ontwerp uitgelegd voor verschillende horizontale verbindingstypen (direct, parallel, Tichelmann en serie). Met behulp van het concept van hydraulisch balanceren werd het eenvoudig om de drukval van één boorgat te vertalen naar de drukval van het hele boorveld. In GHEtool Cloud werd getoond hoe de drukval kan worden gesimuleerd en wat de impact is van het overstappen van een directe verbinding naar een Tichelmann- of serieontwerp.
In het volgende deel gaan we dieper in op de gevoeligheden van het ontwerp, zowel vanuit thermisch als hydraulisch perspectief.
Vragen
In de onderstaande hydraulische configuratie, als het inlaatdebiet 1 l/s is, wat is dan het debiet door elk boorgat?
Hieronder wordt een voorbeeld gegeven van twee parallel geschakelde boorgaten. Kunt u uitleggen waarom de twee groepen hierboven zijn verbonden in een Tichelmann-configuratie in plaats van een parallelle verbinding?
Waarom zijn er twee sprongen in de drukvalgrafiek tijdens injectie, maar slechts één tijdens afzuiging in het geval van een directe aansluiting op het spruitstuk?
Downloads
- Download GHEtool simulatie uit dit hoofdstuk hier.