In de afgelopen hoofdstukken hebben we het gehad over korte- en langetermijneffecten van temperatuur en wat deze beïnvloedt. In dit hoofdstuk gebruiken we GHEtool Cloud om deze theorie in praktijk te brengen en leren we over de effecten van de temperatuurgradiënt in de grond, het type antivriesmiddel, de boorveldconfiguratie enzovoort.
De oefening
De case voor deze oefening is gebaseerd op een echt kantoorgebouw in de stad Gent (België). In deze oefening onderzoekt u de invloed van de geothermische temperatuurgradiënt op het ontwerp, vergelijkt u de impact van het gebruik van MPG versus water als warmteoverdrachtsvloeistof, beoordeelt u de keuze tussen enkele en dubbele U-buisconfiguraties en krijgt u algemene inzichten in het ontwerpen van boorvelden voor gebouwen met een hoge koelvraag.
Omdat dit de eerste keer in deze cursus is dat we een simulatie maken, zullen we alleen de traditionele aannames gebruiken bij het ontwerpen van boorvelden. Dit betekent dat we, met opzet voor nu, alle meer geavanceerde en nauwkeurige modellen in GHEtool uitschakelen. Later in deze cursus zullen we ze weer inschakelen om hun toegevoegde voordeel duidelijk te maken.
Invoerparameters
Hieronder worden de verschillende vereiste invoerparameters gegeven om deze simulatie mee uit te voeren.
Algemene invoerparameters
De simulatie wordt uitgevoerd met een minimale gemiddelde vloeistofdrempel van 2°C (zodat we een regime hebben van 0-4°C over het boorveld en we lokale bevriezing kunnen voorkomen) en een maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 17°C (voor passieve koeling). De simulatie start in januari en de simulatieperiode is 40 jaar.
Grondeigenschappen
We gaan uit van een homogene grondlaag, maar omdat er in werkelijkheid verschillende lagen zijn op deze locatie, werken we met een thermische geleidbaarheid van de grond van 1,6 W/(mK) als ons boorgat 150 m diep is en 1,7 W/(mK) als het 100 m diep is. De volumetrische warmtecapaciteit van de grond is 2,4 MJ/(m³K) en voor de temperatuur kan de database-invoer van ‘BEL-Gent’ worden gebruikt.
Borefield parameters
We zullen in deze oefening werken met rechthoekige boorvelden (maar voel je vrij om alternatieve configuraties te maken) met een gelijke afstand tussen de boorgaten in lengte- en breedterichting van 6 m. De begraafdiepte is 0,7 m en de initiële, startconfiguratie zal 15 bij 14 boorgaten zijn van 150 m boordiepte.
Boorgatweerstandsparameters
Voor onze eerste simulatie wordt een dubbele DN32 U-buis in het boorgat geïnstalleerd, met een grond van 1,5 W/(mK), een afstand van de buis tot het boorgatcentrum van 35 mm en een boorgatdiameter van 140 mm. De warmtedragende vloeistof is 25 v/v% MPG en het totale, constante debiet door het boorgat is 35 l/s.
Thermische vraag input
Voor de thermische vraag werken we met een maandelijks belastingsprofiel omdat dit een haalbaarheidsstudie met ruwe schattingen is. De piekvraag voor verwarming en koeling is respectievelijk 306 kW en 336 kW met een jaarlijkse energievraag van 398 MWh en 269 MWh. Het seizoensrendement van de warmtepomp is 4,5 voor verwarming en ons seizoensrendement voor passieve koeling is 20.
Design vragen
Voor deze oefening wordt je gevraagd de volgende ontwerpvragen te beantwoorden terwijl je de totale boorgatlengte voor elke stap bijhoudt. Dit zal je helpen om de implicaties van verschillende ontwerpwijzigingen voor de kosten en prestaties te beoordelen.
- Is dit een goed ontwerp, gezien het oorspronkelijke boorveldontwerp van 15×14 boringen @150 m?
- Stel dat er een moeilijke grondlaag is op 110 m onder het oppervlak. Hoeveel boorgaten moeten we extra maken als we de boordiepte terugbrengen tot 100 m? Probeer hier eerst over na te denken voordat je begint met simuleren.
- Wat gebeurt er als we de thermische geleidbaarheid van de grond bijwerken naar de juiste waarde? Kunnen we het ontwerp wijzigen?
- Wat gebeurt er met het temperatuurprofiel als we de vloeistof veranderen in water?
- Hoe kunnen we ons boorveld herontwerpen om kostenefficiënter te zijn?
- Wat gebeurt er met ons ontwerp als we overschakelen van een dubbele U-buis naar een enkele U-buis?
- Wat is het verschil tussen een enkele DN40 en een enkele DN32?
De oplossing in GHEtool Cloud
Vraag 1
Het temperatuurprofiel met de beginvoorwaarden, zoals gesimuleerd met GHEtool, is te zien in de figuur hieronder. Er is absoluut geen probleem met de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur, omdat deze 40 jaar boven de 10°C blijft. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur is 17,19°C, wat iets boven onze drempel van 17°C ligt.
De bijna filosofische vraag is nu: is dit boorveld goed ontworpen? Dat hangt ervan af. Als je vrij zeker bent van je piekvermogen of het is misschien wat aan de kleine kant, dan is het belangrijker om je aan je temperatuurlimieten te houden. In dit geval doen we echter een haalbaarheidsstudie van een groot project met slechts eerste schattingen. Waarschijnlijk zit er al behoorlijk wat veiligheid in, dus het overschrijden van de temperatuurgrens met slechts 0,19°C is niet zo'n groot probleem.
Uiteindelijk gaat het er bij engineering om dat het systeem werkt door te werken met veiligheidsfactoren en afhankelijk van waar je wat extra marge neemt, kunnen de temperatuurlimieten meer of minder streng zijn.
Vraag 2
Als de maximale boordiepte wordt teruggebracht tot 100 m, zou je eerste ingeving kunnen zijn om het totale aantal boorgaten te verhogen met 30% om dezelfde totale boorgatlengte te houden. Voor het onderstaande temperatuurprofiel hoefden we echter maar 15 boorgaten toe te voegen, voor een totaal van 225 stuks. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur is hier 17,18°C.
De belangrijkste reden hiervoor is dat, door onze temperatuurgradiënt, de gemiddelde ongestoorde bodemtemperatuur nu 12,02°C is, wat beduidend lager is dan de 13,27°C in de vorige vraag, waardoor alle lijnen naar beneden verschuiven.
Misschien is het je opgevallen dat de amplitude van het sinusvormige profiel in dit geval aanzienlijk groter is dan bij de vorige simulatie. Als je je ons vorige hoofdstuk over de effectieve thermische boorgatweerstand herinnert, zeiden we dat (naast de weerstand) ook de totale boorgatlengte belangrijk is.
In dit geval hebben we aanzienlijk minder boorgatlengte, wat betekent dat onze specifieke warmte-injectie bijna 30% hoger is. Hierdoor neemt het temperatuurverschil tussen de boorgatwand en de vloeistoftemperatuur toe. Dit effect wordt echter gecompenseerd door een betere boorgatweerstand en een lagere bodemtemperatuur.
Vraag 3
In de vorige simulatie ben je waarschijnlijk vergeten om de warmtegeleidingscoëfficiënt van de grond te veranderen in 1,7 W/(mK), omdat onze diepte nu veranderd is. (Gefeliciteerd als je dit niet bent vergeten!)
Dit is ook gunstig, dus we nemen weer 15 boorgaten weg en komen uit op de oorspronkelijke 15 x 14 configuratie, maar nu met slechts 100 m boordiepte in plaats van 150 m. De maximale vloeistoftemperatuur tijdens de piek is 17,22°C.
Vraag 4
Tot nu toe werden alle simulaties uitgevoerd met 25 v/v% MPG, wat ons een vorstbescherming tot -11°C geeft. Als we echter naar deze profielen kijken, is dit absoluut niet nodig. Als we onze vloeistof in GHEtool veranderen in water, krijgen we een transiënte stroomsnelheid met een Reynoldsgetal van 2442, die al enige turbulentie heeft. Dit verlaagt onze effectieve thermische boorgatweerstand van 0,1547 mK/W tot 0,1273 mK/W. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur is nu 0,5°C lager dan voorheen: 16,76°C.
Vraag 5
Wanneer we met water werken, is onze minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur niet langer 2°C maar dichter bij 6°C (hoewel dit kan verschillen afhankelijk van de vereisten van de fabrikant van de warmtepomp). De grootte van het boorveld kan worden teruggebracht tot slechts 15 x 13 boorgaten vanwege het hogere Reynoldsgetal en dus lagere boorgatweerstand.
Vraag 6
Wanneer we overschakelen van een dubbele DN32 U-buis naar een enkele DN32, springt het Reynoldsgetal naar 5971, waardoor de stroming 100% turbulent wordt en de convectieve warmteweerstand afneemt. De boorgatweerstand neemt echter toe van 0,1142 mK/W tot 0,1358 mK/W. Aangezien zowel onze enkele als dubbele U-buizen al behoorlijk turbulent waren (de dubbele U bevond zich al ver in het transiënte regime), viel hier niet zo veel winst te behalen. Aangezien de enkele U minder contactoppervlak heeft dan de dubbele U, zal onze boorgatweerstand iets slechter zijn.
De maximale gemiddelde temperatuur van de vloeistof is nu 17,29°C.
Vraag 7
Als laatste variatie werd de enkele DN32 vervangen door een enkele DN40. Hier is de stroming nog steeds turbulent (Re=4762), maar de boorgatweerstand is weer iets beter met 0,1257 mK/W, waardoor we een maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 17,11°C krijgen. Dit komt omdat de DN40 een groter oppervlak heeft, waardoor het gemakkelijker is om warmte over te dragen en aangezien de stroming turbulent blijft, is dit de belangrijkste parameter.
Conclusie
In dit hoofdstuk maakten we onze eerste simulaties in GHEtool Cloud voor een kantoorgebouw. Door intelligente ontwerpkeuzes te maken, konden we de totale boorgatlengte met meer dan 30% verminderen. Het is duidelijk dat alle ontwerpkeuzes (de boordiepte, het type antivriesmiddel, het aantal U-buizen ...) het boorgatontwerp beïnvloeden.
In het volgende deel duiken we verder in de fysica van het boorveld en kijken we naar nieuwere modellen voor nauwkeurigere simulaties.
Vragen
Downloads
- Download GHEtool simulatie uit dit hoofdstuk hier.