Inzicht is cruciaal voor een nauwkeurig boorveldontwerp. Borefields zijn inherent complex vanwege talloze ontwerpparameters en onzekerheden. In dit artikel introduceren we het concept van boorveldkwadranten - een raamwerk dat je kan helpen bij het analyseren van je boorveldontwerp en dat onze komende artikelen over boorveldfysica beter begrijpt.
Terminologie
Voordat we ons gaan verdiepen in boorveldfysica en de inzichten die dit oplevert, moeten we eerst wat belangrijke terminologie introduceren.
Als we het over geothermische energie hebben, gebruiken we vaak termen als verwarming en koeling naast injectie en extractie. Het is belangrijk om te begrijpen dat deze termen verwijzen naar verschillende aspecten van het systeem.
- Verwarming en koeling verwijzen naar de gebouwbelasting (ook wel de secundaire belasting genoemd) - de energie die wordt uitgewisseld met het gebouw zelf.
- Extractie en injectie verwijzen naar de grondbelasting (ook primaire belasting genoemd) - de energie die wordt uitgewisseld met de grond.
Hoewel deze concepten aan elkaar gerelateerd zijn (bv. het verwarmen van een gebouw houdt in dat warmte aan de grond wordt onttrokken), ze zijn niet identiek, omdat er een warmtepomp tussen zit. De verwarmingsbelasting van het gebouw zal altijd groter zijn dan de warmte die aan het boorveld wordt onttrokken. Het is deze onttrekkingsbelasting die cruciaal is voor het uiteindelijke boorveldontwerp.
!Let op
In GHEtool Cloud kunt u uw belasting invoeren als een gebouwbelasting of een geothermische belasting. Als u de gebouwbelasting gebruikt, moet u ook uw SCOP en SEER waarden opgeven.
Een ander sleutelbegrip is onbalans en regeneratie.
- Onbalans wordt gedefinieerd als de netto opwarming of afkoeling van de grond gedurende een jaar, wat het verschil is tussen warmte-injectie en warmte-extractie (niet opwarming en afkoeling!). Het is negatief als de grond jaar na jaar continu afkoelt doordat er meer wordt onttrokken dan geïnjecteerd.
- Regeneratie pakt deze onbalans actief aan door extra warmte in/uit de grond te injecteren of te onttrekken om het evenwicht te herstellen. Dit kan worden bereikt met thermische zonnecollectoren, droge koelers en andere technologieën.
!Let op
In plaats van onbalans en regeneratie rechtstreeks te beheren, kun je ook een hybride systeem implementeren. Meer informatie over de voordelen van hybride systemen is te vinden in dit artikel.
Verschillende temperatuurgrafieken
Voordat we het concept van boorveldkwadranten introduceren, laten we eerst verschillende temperatuurprofielen bekijken. (Als je het artikel over het interpreteren van temperatuurprofielen nog niet hebt gelezen, kun je het vinden in hier.)
Het onderstaande temperatuurprofiel illustreert een boorveld met een negatieve onbalans (omdat het jaar na jaar afkoelt) maar zonder de minimumtemperatuurlimiet te bereiken. In plaats daarvan bereikt het de maximaal toegestane gemiddelde vloeistoftemperatuur in het eerste jaar van de simulatieperiode, wat betekent dat het boorveld op basis van dit punt moet worden ontworpen. Dit profiel zou kunnen overeenkomen met een auditorium in het milde klimaat van België, waar de jaarlijkse verwarmingsvraag groter is dan de koelvraag, maar de koelpiek van het gebouw groter is dan de verwarmingspiek.
De volgende temperatuurgrafiek toont de omgekeerde onbalans, waarbij de grond jaar na jaar opwarmt en uiteindelijk de maximaal toegestane gemiddelde vloeistoftemperatuur bereikt. Dit betekent dat het boorveld ontworpen moet worden om de koelpiek van het gebouw in het laatste jaar van de simulatieperiode op te vangen. Dit profiel kan een kantoorgebouw zijn met aanzienlijke interne winsten of zelfs een datacenter, waar de jaarlijkse koelvraag groter is dan de verwarmingsvraag.
De derde temperatuurgrafiek vertoont ook een negatieve onbalans, maar in tegenstelling tot het eerste voorbeeld wordt de temperatuurlimiet bereikt in het laatste jaar van de simulatieperiode. Dit is typisch voor gebouwen in koudere klimaten, waar de verwarmingsvraag en verwarmingspieken meer uitgesproken zijn.
Het uiteindelijke profiel vertoont een positieve onbalans (injectie gedomineerd), waarbij het systeem wordt beperkt door de minimaal toegestane gemiddelde vloeistoftemperatuur in het eerste bedrijfsjaar.
Boorveldkwadranten
De vier profielen kunnen worden beschouwd als archetypes voor de vier verschillende boorveldkwadranten. Elk temperatuurprofiel dat je tegenkomt kan worden ingedeeld in een van deze vier boorgatkwadranten: ofwel beperkt door de maximale of minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur, en ofwel in het eerste of het laatste jaar van de simulatieperiode.
A priori inzicht
Het grote voordeel van het indelen van boorvelden in verschillende boorveldkwadranten is dat je bepaalde geothermische vragen kunt beantwoorden zonder dat je daarvoor verdere berekeningen hoeft uit te voeren. Hieronder beantwoorden we drie veelvoorkomende vragen door alleen naar de boorveldkwadranten te kijken.
Wanneer is onbalans/regeneratie relevant voor investeringskosten?
Er wordt vaak gezegd dat regeneratie de investeringskosten van een boorveld verlaagt, maar dit is niet altijd het geval. Als een boorgat in kwadrant 1 of 3 valt, waar de ontwerpbeperking optreedt in het eerste jaar van exploitatie, vormt onbalans geen probleem. In kwadranten 2 en 4 daarentegen leidt het verminderen van onbalans door regeneratie tot een kleiner boorveld, omdat het systeem wordt ontworpen op basis van het laatste jaar van de simulatie, wanneer geaccumuleerde onbalans de grootste impact heeft.
Wanneer is dieper boren voordelig?
Voor gebouwen met een hoge verwarmingsvraag kan dieper boren gunstig zijn, omdat de bodemtemperatuur toeneemt met de diepte. Dit betekent dat boorvelden in kwadrant 3 en 4 baat kunnen hebben bij diepere boorgaten, terwijl kwadrant 1 en 2 dat niet zullen hebben, omdat ze primair ontworpen zijn voor warmte-injectie in plaats van warmtewinning.
!Let op
Borefield ontwerpsoftware gaat er over het algemeen van uit dat de bodemtemperatuur lineair toeneemt met de diepte. In dichtbebouwde gebieden kunnen de bovenste grondlagen echter al warmer zijn door het stedelijke hitte-eilandeffect. In dergelijke gevallen kan dieper boren, afhankelijk van de diepte, resulteren in een koeler boorgat in plaats van een warmer boorgat.
Wanneer is actieve koeling voordelig?
Actieve koeling kan een zeer effectieve manier zijn om de investeringskosten te optimaliseren, maar alleen voor boorvelden die ontworpen zijn om hoge eisen aan de warmte-injectie aan te kunnen. Met actieve koeling verschuift de temperatuurbeperking van typisch 16-17°C (voor passieve koeling) naar 25°C of hoger, waardoor een kleiner boorveld en dus lagere investeringskosten mogelijk zijn. Dit is gunstig in kwadrant 1 en 2, maar niet in kwadrant 3 en 4.
!Let op
Technisch gezien zouden boorvelden in kwadrant 4 licht kunnen profiteren van actieve koeling, omdat de lagere SEER (vergeleken met passieve koeling) de onbalans vermindert. Dit effect is echter veel kleiner dan het effect in kwadrant 1 en 2.
Conclusie
Dit artikel verduidelijkte het onderscheid tussen bouwbelastingterminologie en grondbelastingterminologie. Daarna hebben we het concept van boorveldkwadranten geïntroduceerd en laten we zien hoe je met dit raamwerk kunt redeneren over het ontwerp van geothermische systemen zonder dat er complexe berekeningen nodig zijn.
Deze basiskennis zal worden uitgebreid in toekomstige artikelen, waarbij dieper inzicht wordt gegeven in de fysica van boorvelden en u in staat wordt gesteld om met vertrouwen boorvelden te ontwerpen!
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.
- Meer informatie over boorveldkwadranten is te vinden in (Peere et al., 2021).