Een nauwkeurige dimensionering van het boorveld is sterk afhankelijk van de juiste grondeigenschappen. Aangezien geothermische energiesystemen werken door energie uit te wisselen met de grond, is het verkrijgen van nauwkeurige gegevens over de grond essentieel voor een goed ontworpen systeem. In dit artikel bespreken we de belangrijkste grondparameters die nodig zijn voor berekeningen in GHEtool Cloud.
Grondeigenschappen
Er zijn veel manieren om grond geologisch te classificeren, waaronder korrelgrootte, chemische samenstelling of mineralogische kenmerken. Voor het ontwerp van boorvelden zijn echter alleen twee belangrijke parameters zijn vereist:
- Thermische geleidbaarheid - hoe goed de bodem warmte geleidt
- Volumetrische warmtecapaciteit - hoe goed de bodem warmte opslaat
Thermische geleidbaarheid
De thermische geleidbaarheid meet hoe goed de grond warmte geleidt. Boorvelden staan in wisselwerking met zowel de grond tussen de boorgaten als de omringende oneindige grond. Een boorveld met een hogere thermische geleidbaarheid zorgt voor een efficiëntere warmte-uitwisseling met de omgeving.
Voor boorvelden met een hoge onbalans is een hoge thermische geleidbaarheid gunstig, omdat het helpt overtollige warmte af te voeren naar de omgeving, waardoor de onbalans minder groot wordt. (Als je ons artikel over boorveldkwadranten nog niet hebt gelezen, kun je het nalezen hier.)
Volumetrische warmtecapaciteit
De volumetrische warmtecapaciteit beschrijft hoe goed de grond warmte kan opslaan. Het vertegenwoordigt de hoeveelheid energie die nodig is om de bodemtemperatuur met 1°C te laten stijgen en kan worden beschouwd als het vermogen van het boorveld om als een warmtebatterij te functioneren.
Als een boorveld op jaarbasis een vrijwel gelijke onttrekkings- en injectievraag heeft, is een hoge volumetrische warmtecapaciteit wenselijk, zodat het boorveld kan fungeren als een seizoensgebonden opslagsysteem voor thermische energie (STES). In dergelijke gevallen is een laag warmtegeleidingsvermogen ook gunstig, omdat dit het warmteverlies naar de omgeving minimaliseert.
Voorbeeldgegevens
Grondeigenschappen variëren aanzienlijk afhankelijk van de projectlocatie. Hieronder staat een voorbeeld uit de literatuur met de thermische geleidbaarheid en de volumetrische warmtecapaciteit voor verschillende bodem- en rotssoorten.
Een paar belangrijke opmerkingen:
- De thermische geleidbaarheid varieert sterk, zelfs binnen hetzelfde bodemtype. Dit komt door geologische verschillen binnen elke categorie, die de grondeigenschappen beïnvloeden.
- Voor korrelige bodems (zoals grind, zand, slib en klei) worden de thermische eigenschappen aanzienlijk beïnvloed door de verzadiging met water. De ruimtes tussen bodemdeeltjes kunnen gevuld zijn met ofwel lucht (een isolator) of water (dat een hoge thermische geleidbaarheid en warmtecapaciteit heeft). Bijgevolg hebben met water verzadigde bodems een veel hogere thermische geleidbaarheid dan droge bodems.
!Let op
Gegevens over grondeigenschappen zijn zeer specifiek voor specifieke gevallen en locaties. In veel gevallen kan het moeilijk zijn om precieze gegevens te verkrijgen, vooral met betrekking tot de mate van waterverzadiging. Raadpleeg lokale geologische instituten of autoriteiten voor de meest nauwkeurige informatie. Daarnaast kunnen in situ metingen met thermische reactietesten (TRT's) betrouwbare gegevens over grondeigenschappen opleveren.
Grondtemperatuur
Een andere cruciale parameter bij het ontwerp van boorvelden is de bodemtemperatuur. Deze wordt meestal geschat door uit te gaan van een constante oppervlaktetemperatuur en een vaste geothermische temperatuurgradiënt naarmate de diepte toeneemt.
!Let op
Deze temperatuurgradiënt is het resultaat van de geothermische warmteflux van de aardkern naar de korst. Deze gradiënt is echter niet gelijkmatig over de aarde verdeeld: sommige regio's hebben een hogere of lagere geothermische gradiënt, wat de resulterende bodemtemperatuur beïnvloedt.
GHEtool gebruikt deze bodemtemperatuurverdeling om de gemiddelde bodemtemperatuur langs het boorveld te berekenen, die vervolgens wordt gebruikt in temperatuurberekeningen.
Stedelijk hitte-eilandeffect
De aanname van een constante, lineaire temperatuurstijging met de diepte is niet altijd accuraat, vooral niet in dichtbevolkte gebieden of oudere steden.
Zoals te zien is in de onderstaande figuur, stijgt de gemiddelde bodemtemperatuur wanneer een stad bovenop de grond wordt gebouwd (tweede grafiek). Dit komt door het hitte-eilandeffect, waarbij warmte van gebouwen, wegen en trottoirs wordt vastgehouden, waardoor de hele stad opwarmt. Na verloop van tijd dringt deze verhoogde temperatuur door in de grond en vormt een temperatuur ‘blob’ die tot wel 100m diep kan reiken.
Let op
Deze temperatuurverstoring is vooral belangrijk voor gebouwen met een hoge koelbehoefte. Traditioneel worden inzichten uit de boorveldkwadranten (lees het artikel hier) suggereren dat dieper boren niet gunstig is voor koeling, maar in sommige stedelijke gebieden kan dieper boren zelfs noodzakelijk zijn om koelere bodemtemperaturen te bereiken voor efficiënte koeling.
Omdat de bodemtemperatuur altijd enige onzekerheid met zich meebrengt, is het sterk aanbevolen - vooral voor grote projecten - om een Thermal Response Test (TRT) uit te voeren om de initiële, ongestoorde bodemtemperatuur te meten. (Blijf kijken voor een artikel over TRT's!)
Grondgegevens in GHEtool
GHEtool biedt twee manieren om grondeigenschappen in te voeren:
- Laag-voor-laag gegevensinvoer
- Veronderstelling van homogene grondeigenschappen
Omdat GHEtool intern uitgaat van één gemiddelde grondlaag, kunnen beide methoden hetzelfde resultaat opleveren.
Gelaagde gegevens
De meest nauwkeurige en veilige manier om uw grondgegevens in te voeren is door gebruik te maken van de gelaagde optie in GHEtool Cloud. Hier kunt u uw grondeigenschappen laag voor laag invoeren, samen met de laagdikte. Met behulp van deze informatie kan GHEtool de juiste thermische eigenschappen berekenen voor elk ontwerp op basis van de diepte van het boorgat (begraven).
!Let op
Om gelaagde grondgegevens te gebruiken, heb je de ‘Design’-licentie van GHEtool Cloud nodig. Meer informatie is beschikbaar op onze Prijzen.
Homogene gegevens
Als je snel een berekening moet uitvoeren, kan het invoeren van alle grondlagen vrij tijdrovend zijn. Daarom is het mogelijk om je grondgegevens in te voeren op basis van de homogene aanname. In dat geval voer je gewoon één waarde in voor de warmtegeleidingscoëfficiënt en de volumetrische warmtecapaciteit van de grond, die worden gebruikt voor alle boorveldafmetingen.
Let op
De ingevoerde homogene gegevens zullen altijd een gemiddelde zijn van meerdere grondlagen voor een bepaalde diepte. Als je een boorveld gebruikt met een andere boorgatdiepte dan degene die wordt gebruikt om deze gemiddelde parameters te berekenen, kunnen de resultaten onnauwkeurig zijn. Als je daarom de diepte van het boorgat wijzigt (of laat berekenen met de optie ‘bereken vereiste diepte boorgat’), is het essentieel om je grondeigenschappen dubbel te controleren.
Conclusie
In dit artikel zijn de grondeigenschappen besproken als kritieke invoerparameter bij het ontwerpen van geothermische systemen. Voor de meest nauwkeurige resultaten is het het beste om zo nauwkeurig mogelijke bodemgegevens te verkrijgen. Voor grotere projecten wordt een Thermal Response Test (TRT) sterk aanbevolen om de grondeigenschappen direct ter plekke te meten. Blijf kijken voor een volgend artikel over TRT's en hoe deze te gebruiken bij de dimensionering van boorvelden!
Referenties
-
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.
- Grondeigenschappen voor België: smartgeotherm of DOV virtuele saai (Vlaanderen).
- Grondeigenschappen voor Frankrijk: BRGM.
- Grondeigenschappen voor Duitsland: GeotIS.