Traditioneel werd bij het ontwerpen van een boorveld een constant debiet gebruikt voor verwarming en koeling, zowel tijdens piek- als dalperioden. Met de introductie van modulerende warmtepompen is deze aanname van een constant debiet echter niet langer accuraat en kan meer inzicht worden verkregen door over te stappen op ontwerpen met variabele debieten.
De stroomsnelheid
We hebben een debiet nodig om energie over te brengen van het boorveld naar het gebouw en terug, maar welk debiet is er nodig? Het antwoord is: dat hangt af van je perspectief, aangezien vermogen, temperatuur en debiet allemaal met elkaar verbonden zijn via de volgende relatie:$$\dot{Q}=\dot{m}\cdot C_p\cdot \Delta T$$where $\dot{Q}(t)$ is het onttrekkings-/injectievermogen in (kW), $\dot{m}$ is het debiet in (kg/s), $C_p$ de specifieke warmtecapaciteit van de vloeistof in (kJ/(kgK)) en $\Delta T$ het temperatuurverschil tussen de inlaat- en uitlaattemperatuur van het boorgat in (°C).
Aangezien het vermogen varieert in de tijd, moet de vergelijking worden geschreven als functie van de tijd: $$\dot{Q}(t)=\dot{m}(t)\cdot C_p (t)\cdot \Delta T(t)$$waar $t$ de tijd is.
Zoals besproken in de vorig deel, De vloeistofeigenschappen variëren in de tijd, dus $C_p (t)$ wordt op elk moment bepaald door de gekozen vloeistof en de temperatuur op het tijdstip $t$. Aangezien het vermogen op elk uur (of maand) ook bekend is, moet de juiste combinatie van debiet en temperatuurverschil worden gevonden. Er zijn twee verschillende benaderingen: werken met een constant debiet of werken met een constante $\Delta T$. Beide worden hieronder uitgelegd.
Constante stroomsnelheid
Vroeger hadden circulatiepompen een enkele snelheid, wat betekent dat ze aan of uit stonden en met een constant debiet werkten. Dit was niet zo'n probleem, omdat warmtepompen van oudsher ook aan/uit waren. Dit betekent dat wanneer de warmtepomp wordt ingeschakeld, deze het maximale vermogen vraagt van het boorveld en circuleert met het maximaal ontworpen debiet. In deze situatie was er geen echte variatie in $\dot{Q}(t)$, behalve dat hij aan of uit stond, en daarom was $\Delta T$ ook constant.
Met de introductie van modulerende warmtepompen verandert de situatie echter. Er is nu een echte variatie in vermogen in de tijd, en werken met een constant debiet betekent dat $\Delta T$ kleiner wordt wanneer een lager vermogen nodig is. Hoewel een dergelijk systeem nog steeds kan werken (hoewel sommige warmtepompfabrikanten een minimum van $\Delta T$ specificeren), is het niet de ideale situatie. Daarom worden nu meestal frequentiegeregelde of modulerende circulatiepompen gebruikt.
Constant $\Delta T$
In plaats van het debiet vooraf te bepalen, kunnen we ook het temperatuurverschil in bovenstaande vergelijking als een constante instellen. Dit resulteert in een debiet dat varieert als de belasting verandert. Dit is de manier waarop de meeste warmtepompen tegenwoordig hun circulatiepomp regelen, aangezien elke warmtepomp een optimaal temperatuurverschil heeft waarbij het rendement het hoogst is, en het debiet wordt geregeld om deze ideale bedrijfsomstandigheden te handhaven.
Naast het feit dat dit realistischer is, is het debiet tijdens verwarmen en koelen meestal niet hetzelfde. Als een gebouw bijvoorbeeld een aanzienlijk hogere koelbelasting heeft dan een hogere verwarmingsbelasting, welk debiet moet dan worden gebruikt als ontwerpwaarde? Als je het te laag instelt, loop je het risico dat het systeem te groot wordt, terwijl als je het te optimistisch instelt, je het risico loopt dat het systeem te klein wordt. Als er met een constante $\Delta T$ wordt gewerkt, kan er eenvoudig een setpoint voor het temperatuurverschil worden gedefinieerd voor zowel verwarmen als koelen.
Naast deze technische reden is er ook een wiskundige reden. Als het debiet erg laag is, wordt het bijbehorende Reynoldsgetal sterk laminair en wordt de effectieve boorgatwarmteweerstand erg hoog, gemakkelijk meer dan 10 mK/W (terwijl deze normaal gesproken ongeveer twee orden van grootte lager is). Dit kan leiden tot de onrealistische situatie dat, tijdens perioden met een zeer laag debiet, de temperaturen slechter lijken te zijn door deze hoge boorgatweerstand.
De reden hiervoor is dat de effectieve thermische weerstand van het boorgat in wezen een steady state benadering is, die de thermische inertie van de vloeistof negeert. Wanneer het debiet extreem laag wordt, is deze aanname niet langer geldig en is een minimaal debietpercentage nodig om dit aan te pakken. Later in deze cursus komen we terug op deze steady-state modellering van de interne onderdelen van het boorgat.
Werken met een variabel debiet
Om het belang en de mogelijkheden van variabele debieten te illustreren, nemen we het voorbeeld van een kantoorgebouw met het onderstaande temperatuurprofiel per uur.
In het profiel hierboven zijn twee dingen duidelijk zichtbaar:
- Het piekvermogen tijdens koelen is bijna twee keer zo hoog als dat tijdens verwarmen en daarom zou je een significant verschil in het resulterende debiet verwachten.
- Er is een aanzienlijke variatie over de maanden voor zowel verwarming als koeling, met een aanzienlijk lager vermogen tijdens het weekend (de witte cut outs in het verwarmingsprofiel), wat betekent dat de resulterende stroom in werkelijkheid verre van constant zou zijn.
Om het verschil te illustreren tussen het werken met een constant en een variabel debiet voor dit gebouw, bekijken we een simulatie van dit kantoor met een boorveld van 80 boorgaten, een enkele U DN32 PN16 warmtewisselaar en een warmtedragende vloeistof van 25 v/v% MPG. Een close-up van het eerste jaar, met zowel een constant als variabel debiet, wordt hieronder weergegeven.
Het is duidelijk dat de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur in beide gevallen identiek is (wat uiteindelijk tot hetzelfde ontwerp leidt). Dit komt omdat het debiet in het constante geval identiek is aan het maximale debiet in het variabele geval. Weg van dit kritieke punt wordt het verschil in vloeistoftemperatuur echter veel groter.
Een andere waarneming is dat bij een constant debiet de vloeistoftemperaturen hoger zijn (vooral tijdens verwarming) dan bij een variabel debiet. Dit kan worden verklaard door de effectieve thermische weerstand van het boorgat hieronder te bekijken.
In het geval van een constant debiet wordt de variatie in boorgatweerstand veroorzaakt door veranderingen in de vloeistofeigenschappen door hun temperatuurafhankelijkheid, zoals besproken in het hoofdstuk vorig deel. In het geval met variabel debiet is het bereik van de boorgatweerstand echter veel groter, hoewel de twee gevallen elkaar op bepaalde momenten halverwege het jaar (d.w.z. in de zomer) overlappen. Dit komt overeen met het punt waar het constante debiet overeenkomt met het berekende debiet in het variabele geval.
Op andere momenten van het jaar, vooral tijdens de verwarming wanneer het piekvermogen veel lager is, wordt het debiet ook aanzienlijk verminderd. Als gevolg daarvan is de stroming niet langer turbulent en verschuift deze terug naar een laminaire stroming met een hogere effectieve thermische weerstand in het boorgat. Deze hogere weerstand verklaart waarom, in het temperatuurprofiel hierboven, de temperaturen in het geval met constant debiet optimistischer lijken dan die in het geval met variabel debiet, maar minder nauwkeurig zijn.
Mogelijke risico's bij gebruik van constante stroomsnelheden
Er zijn ook enkele risico's verbonden aan het werken met een constant debiet, vooral wanneer er sprake is van een aanzienlijk verschil tussen verwarmings- en koelvermogen, of bij sterk fluctuerende piekvermogens in het algemeen. Om dit te illustreren is hieronder het belastingsprofiel voor woningen uit het vorige hoofdstuk nogmaals weergegeven.
Als we dit project simuleren met een constant debiet van 6,93 l/s voor het hele boorveld (wat overeenkomt met het piekdebiet tijdens de piekinjectie), met een 25 v/v% MEG warmteoverdrachtsvloeistof en een enkele DN32 PN16 warmtewisselaar, krijgen we het onderstaande resultaat.
In bovenstaand profiel is duidelijk te zien dat het boorveld nauwkeurig gedimensioneerd is en binnen de temperatuurgrenzen blijft, met een minimumtemperatuur na 30 jaar van 2,64 °C. Wanneer we echter de optie selecteren om te werken met een debiet gebaseerd op een constant temperatuurverschil (van 3 °C tijdens extractie en injectie) in plaats van een constant debiet, wordt het onderstaande resultaat verkregen.
Aangezien het piekvermogen tijdens verwarming lager is, is het debiet niet langer 6,93 l/s maar slechts 4,28 l/s. Dit betekent dat het boorgat niet langer turbulent is tijdens de extractie (Re = 2068 in plaats van 3496), waardoor de effectieve boorgatweerstand toeneemt van 0,1440 mK/W tot 0,2401 mK/W. De resulterende gemiddelde minimale vloeistoftemperatuur is nu 1,5 °C, meer dan 1 °C lager dan in de oorspronkelijke simulatie. In dit geval is het boorgat iets te klein gedimensioneerd.
Wanneer dezelfde oefening wordt uitgevoerd met het uurprofiel, wordt dit nog duidelijker. Daarom staat hieronder een close-up van het laatste jaar voor de simulatie met een constant debiet.
Wanneer het bovenstaande geval, met een constant debiet, wordt vergeleken met het geval met een variabel debiet, is het duidelijk dat het verschil in de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur (2,09 °C voor het geval met constant debiet en 0,93 °C voor het geval met variabel debiet) reëel is. Het is ook duidelijk dat, vanwege het lagere debiet en dus de hogere boorgatweerstand, het verschil tussen de vloeistoftemperatuur en de boorgatwandtemperatuur veel groter is in het geval met een variabel debiet.
Daarnaast is er ook een duidelijk verschil zichtbaar in de zomer. Bij een constant debiet worden de piektemperaturen slechts enkele uren bereikt, terwijl bij een variabel debiet de maximale vloeistoftemperaturen veel langer gehandhaafd blijven. Dit komt doordat het debiet buiten de piekmomenten ook lager is tijdens het koelen, waardoor de boorgatweerstand toeneemt.
Dit illustreert een ander risico bij het werken met een constant debiet. Als bijvoorbeeld een maximale temperatuurlimiet slechts 5 uur wordt overschreden, zou men geneigd kunnen zijn om dit te negeren. Wanneer echter een frequentiegeregelde pomp wordt gebruikt, kan een nauwkeurigere simulatie met een variabel debiet tot heel andere resultaten leiden, bijvoorbeeld 50 uur overschrijding van de temperatuurlimiet.
Om ondermaatse afmetingen te voorkomen, wordt daarom aanbevolen om een variabel debiet te gebruiken bij het ontwerpen van boorvelden.
Conclusie
Hoewel boorvelden traditioneel worden ontworpen met een constant debiet (identiek voor zowel verwarmen als koelen), wordt in dit artikel de mogelijkheid in GHEtool Cloud geïntroduceerd om te simuleren met een variabel debiet, gebaseerd op de aanname van een constant temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorveld.
Werken met een variabel debiet heeft als voordeel dat er tijd wordt bespaard en de kans op fouten wordt verkleind. Naast deze praktische voordelen zorgen variabele debieten voor nauwkeurigere resultaten buiten de piekperioden en bieden ze een beter inzicht in hoe het boorgat zich gedraagt tijdens het afzonderlijk verwarmen en koelen. Zoals in een van de voorbeelden wordt getoond, kan dit zelfs leiden tot een andere vereiste grootte van het boorveld.
In het volgende hoofdstuk wordt de laatste grote verbetering in simulatienauwkeurigheid geïntroduceerd: variabele efficiëntie van de warmtepomp.
Vragen
In Deel 3.2, werd gesteld dat variabele vloeistofeigenschappen een enorm effect hebben op de effectieve thermische boorgatweerstand. In de onderstaande figuur, waarin de boorgatweerstand voor het eerste jaar is weergegeven, lijkt de weerstand bij een constant debiet echter min of meer constant te zijn. Hoe kan dit worden verklaard in het licht van de inzichten uit het vorige hoofdstuk?
Downloads
- Download GHEtool simulatie uit dit hoofdstuk hier.
Referenties
- Peere, W. (2026) Towards a more accurate design of borefields: using variable fluid properties, flow rate and heat pump efficiency. In de proceedings van GeoTHERM expo & congres, Offenburg, Duitsland, 26-27 februari 2026. Link