Voorheen waren alle vloeistoftemperaturen in GHEtool Cloud gemiddelden van de inlaat- en uitlaattemperaturen. In onze nieuwste update hebben we de mogelijkheid toegevoegd om ook rechtstreeks met de inlaat- of uitlaattemperaturen te werken. Lees in dit artikel alles wat je hierover moet weten!
Temperatuurprofielen in GHEtool
Bij het ontwerpen van een boorveld wil je de vloeistoftemperaturen binnen bepaalde grenzen houden; deze kunnen variëren afhankelijk van de regio, het project, het type antivriesmiddel, enzovoort. Vroeger waren de vloeistoftemperaturen in de temperatuurprofielen (zoals bijvoorbeeld het onderstaande) de gemiddelde temperaturen van de inlaat- en uitlaattemperaturen van het boorveld. Deze definitie wordt ook gebruikt door andere geothermische ontwerpsoftware, zoals Earth Energy Designer.
De reden waarom de gemiddelde vloeistoftemperatuur zo vaak wordt gebruikt, is dat deze rechtstreeks verband houdt met het begrip ‘effectieve thermische weerstand van het boorgat’ (meer informatie in dit artikel). Kort samengevat wordt de effectieve thermische weerstand van een boorgat gedefinieerd als de warmteoverdrachtsweerstand in stationaire toestand tussen de gemiddelde temperatuur van de boorgatwand (het gemiddelde over de gehele boorgatwand) en de gemiddelde vloeistoftemperatuur (het gemiddelde van alle vloeistof in het boorgat).
Tijdens de simulatie wordt eerst de temperatuur van de boorgatwand berekend aan de hand van de maandelijkse (of uurlijkse) onttrekkings- en injectiebelastingen en de g-functies (meer informatie in dit artikel). Zodra de temperatuur van de boorgatwand bekend is, wordt de effectieve thermische weerstand van het boorgat berekend aan de hand van de variabele vloeistof- en stromingseigenschappen. Met behulp van deze twee resultaten kan de gemiddelde vloeistoftemperatuur direct worden berekend op basis van de definitie van de thermische weerstand van het boorgat.
Aangezien het debiet echter ook bekend is (hetzij constant, hetzij variabel), is ook het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorveld bekend, op basis van de volgende formule:
$$\dot{Q}=\dot{m}C_p\Delta T$$
waarbij $\dot{Q}$ het onttrekkings-/injectievermogen (kW) is, $\dot{m}$ de massastroom (kg/s) door het boorveld is, $C_p$ de specifieke warmtecapaciteit van de vloeistof (kJ/(kgK)) is, en $\Delta T$ het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorveld is.
Aangezien de gemiddelde vloeistoftemperatuur bekend is, evenals de massastroom, het vermogen en de specifieke warmtecapaciteit (per maand/uur), kunnen ook de inlaat- en uitlaattemperaturen worden berekend. Dit biedt ons de mogelijkheid om in GHEtool met elk van de drie vloeistoftemperaturen te werken, die elk een ander beeld geven.
!Let op
De berekening van de vloeistoftemperatuur in GHEtool is momenteel gebaseerd op het traditionele stationaire model van de effectieve thermische weerstand van het boorgat. Zoals eerder besproken, kent dit model echter enkele beperkingen met betrekking tot het kortstondige transiënte gedrag van het systeem. Momenteel wordt er in samenwerking met universiteiten onderzoek gedaan naar hoe dit in een toekomstige update kan worden verbeterd.
Drie vloeistoftemperaturen
Op dit moment kunnen in GHEtool drie vloeistoftemperaturen worden gesimuleerd: de gemiddelde vloeistoftemperatuur, de vloeistoftemperatuur aan de inlaat en de vloeistoftemperatuur aan de uitlaat. Alle drie worden hieronder kort besproken.
!Let op
Hoewel de gemiddelde vloeistoftemperatuur ook kan worden berekend aan de hand van een constante, gemeten effectieve thermische weerstand van het boorgat, is dit niet mogelijk voor de vloeistoftemperaturen aan de inlaat en uitlaat, omdat deze worden berekend op basis van het debiet.
Gemiddelde vloeistoftemperatuur
De gemiddelde vloeistoftemperatuur is de meest voor de hand liggende temperatuur om mee te werken, vanwege de directe koppeling met de temperatuur van de boorgatwand. Het voordeel is dat hierdoor een deel van het effect van het debiet wordt geabstraheerd (hoewel hiermee via de thermische weerstand van de boorput rekening wordt gehouden), wat betekent dat, ongeacht of het stromingsregime 3 °C/0 °C of 5 °C/−2 °C is, de gemiddelde vloeistoftemperatuur altijd 0 °C is. Dit betekent echter dat de gemiddelde vloeistoftemperatuur niet direct geschikt is als men de absolute minimum- en maximumvloeistoftemperaturen wil regelen.
Temperatuur van de toevoervloeistof
De temperatuur van de binnenkomende vloeistof is de temperatuur bij het borenveld en kan worden omschreven als de temperatuur in het slechtste geval, aangezien deze tijdens de winning altijd het koudst is en tijdens de injectie het warmst. Dit komt doordat de vloeistof het boorveld betreden is ook de vloeistof de warmtepomp uitschakelen. Wanneer je warmtepomp het gebouw verwarmt, onttrekt deze energie aan het primaire circuit, wat betekent dat de vloeistof aan de uitlaat van de warmtepomp de koudste vloeistof in het gehele circuit is (en omgekeerd bij koeling/injectie).
Als u strikte grenzen wilt stellen aan de temperaturen in uw boorveld, zorgen de beperkingen op de temperatuur van de inlaatvloeistof ervoor dat u in feite alle mogelijke temperaturen hebt gedekt, waardoor er geen overschrijding van deze grens plaatsvindt.
Temperatuur van de uitstroomvloeistof
De temperatuur van de uitstroomvloeistof ten slotte is de temperatuur bij het verlaten van het boorveld en is de optimale vloeistoftemperatuur. Tijdens de onttrekking wordt een koude vloeistof in het boorveld geïnjecteerd en door de grond verwarmd, wat resulteert in een hogere temperatuur bij de uitlaat van het boorveld. Op dezelfde manier wordt tijdens de injectie een warme vloeistof in het boorveld geïnjecteerd, waar deze afkoelt, wat leidt tot een lagere vloeistoftemperatuur bij de uitlaat.
Deze uitlaatvloeistoftemperatuur kan nuttig zijn bij het kiezen van de juiste warmtepomp, aangezien het vermogen dat de warmtepomp kan leveren afhankelijk is van de temperatuur van de vloeistof die de verdamper binnenkomt (of de condensor, in het geval van actieve koeling). Als uw machine een nominaal vermogen heeft bij een inlaattemperatuur van de warmtepomp van 0 °C en dat is het enige waar u rekening mee houdt, kunt u het ontwerp baseren op de uitlaatvloeistoftemperatuur.
Voorbeeld in GHEtool Cloud
Vanaf nu kun je onder het tabblad ‘Algemeen’ in de simulatie-instellingen kiezen met welke van de drie vloeistoftemperaturen je wilt ontwerpen. Als je kiest voor Inlaat, worden alle betreffende vloeistoftemperaturen opnieuw gedefinieerd als inlaatvloeistoftemperaturen.
!Let op
Bij het werken met actieve en passieve koeling blijft de temperatuurdrempel vastgesteld op basis van de gemiddelde vloeistoftemperatuur.
In het onderstaande temperatuurprofiel wordt een simulatie uitgevoerd met vier boorgaten van 100 m en een variabel debiet, waarbij het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat van het boorgat constant is op 3 °C. Hieruit blijkt dat de vloeistof, met een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0,46 °C, ruimschoots binnen de grenzen blijft. Zoals eerder vermeld, betekent dit echter niet dat de absolute minimale vloeistoftemperatuur de drempel van 0 °C niet overschrijdt. Daarom wordt een simulatie uitgevoerd waarbij de vloeistoftemperatuur aan de inlaat als uitgangspunt wordt genomen.
Wanneer dezelfde simulatie wordt uitgevoerd met de vloeistoftemperaturen aan de inlaat, daalt de vloeistoftemperatuur nu tot −1,04 °C. Zoals eerder vermeld, zijn de inlaattemperaturen altijd de laagste in het systeem, dus zelfs als de gemiddelde vloeistoftemperatuur positief is, kan de inlaattemperatuur nog steeds negatief zijn. Als u wilt dat uw absolute minimumtemperatuur (en omgekeerd uw maximumtemperatuur) binnen bepaalde grenzen blijft, werk dan met de inlaatvloeistoftemperaturen.
Tot slot worden hieronder de vloeistoftemperaturen aan de uitlaat weergegeven. Deze dalen slechts tot 1,96 °C en zijn daarom de meest optimistische temperaturen.
Uiteraard kan het kiezen van verschillende vloeistoftemperaturen ook leiden tot een ander vereist ontwerp. Als het bovenstaande boorveld zou worden gedimensioneerd op basis van elk van deze drie temperaturen, zouden de vereiste boorgatlengtes respectievelijk 381 m, 434 m en 338 m bedragen. Dit geeft aan dat een ontwerp op basis van de vloeistoftemperatuur aan de inlaatzijde leidt tot het grootste benodigde boorveld, terwijl een ontwerp op basis van de vloeistoftemperatuur aan de uitlaatzijde leidt tot het kleinste, wat in lijn is met de bovenstaande bespreking.
Conclusie
In dit artikel worden de drie verschillende vloeistoftemperaturen (gemiddelde, inlaat- en uitlaattemperatuur) besproken. De gemiddelde vloeistoftemperatuur wordt doorgaans gebruikt bij het ontwerp van boorvelden, aangezien deze via de effectieve thermische weerstand van het boorgat rechtstreeks verband houdt met de temperatuur van de boorgatwand. Dit garandeert echter niet dat de absolute minimum- en maximumvloeistoftemperaturen binnen de limieten liggen. Om dit te garanderen, moeten de inlaatvloeistoftemperaturen worden gebruikt. De uitlaatvloeistoftemperaturen kunnen worden gebruikt om te garanderen dat de warmtepomp zijn nominaal vermogen kan leveren.
Dit werd ook geïllustreerd aan de hand van een voorbeeld in GHEtool, waarbij een ontwerp op basis van de vloeistoftemperatuur aan de inlaat resulteerde in de grootste benodigde boring, waardoor werd gegarandeerd dat alle vloeistoftemperaturen binnen de vastgestelde grenzen bleven.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.