In bijna alle geothermische ontwerpen krijgt u te maken met onbalans. Soms is dit geen groot probleem, maar in andere gevallen vormt het een grote uitdaging om uw boorveld op de lange termijn betaalbaar en robuust te houden. In dit artikel onderzoeken we hoe u onbalans kunt beheersen bij het ontwerpen van uw volgende boorveld.
Wat is onbalans?
Onbalans is de jaarlijkse opwarming of afkoeling van de grond die wordt veroorzaakt door een verschil tussen de energie die er jaarlijks aan wordt onttrokken en die er jaarlijks in wordt geïnjecteerd. In die zin wordt het volledig bepaald door de energievraag van je gebouw en is het iets waar je gewoon mee moet leren omgaan. Hieronder zie je een voorbeeld van een door winning gedomineerd boorveld.
De geothermische vraag hierboven vertaalt zich in het door extractie gedomineerde boorveld hieronder. Zoals u kunt zien, daalt de temperatuur jaar na jaar omdat er meer energie wordt onttrokken dan geïnjecteerd. Dit legt een aanzienlijke druk op de minimumdrempel aan het einde van de simulatieperiode, omdat dit het kritieke ontwerppunt wordt. Hoe groter de onbalans, hoe meer boorgatmeters (en dus investeringen) nodig zijn om dit op te vangen.
!Let op
Niet alle onbalans leidt per definitie tot meer boorgatmeters en dus hogere investeringskosten. Als er een bepaalde onbalans is, maar je boorveld is al beperkt in het eerste jaar door een hoog piekvermogen, wordt het minder belangrijk. Meer informatie is te vinden in ons artikel op de boorveldkwadranten.
Naast een borefield dat gedomineerd wordt door extractie, is het ook mogelijk dat het borefield jaar na jaar opwarmt. Dit komt bijvoorbeeld voor in kantoorgebouwen met een hoge basislast voor koeling (zoals serverruimtes) of in warmere klimaten waar minder vaak wordt verwarmd.
Vermijden of ermee omgaan?
Het is duidelijk dat onbalans aanzienlijke uitdagingen kan veroorzaken voor je boorveldontwerp, en zoals met de meeste uitdagingen in het leven kun je het proberen te vermijden of ermee leren omgaan.
Zoals gezegd wordt de onbalans bepaald door de vraag van het gebouw, aangezien deze rechtstreeks wordt berekend op basis van de energiebehoeften van het gebouw. Als architect of HVAC-ontwerper heb je echter een aanzienlijke invloed op deze vraag. Denk aan de oriëntatie en grootte van de ramen, het type warmtepomp dat je kiest of dat je een hybride systeem kiest. Deze aanpak om onbalans te voorkomen komt aan bod in het artikel van volgende week.
Ook in de ontwerpfase van een geothermisch project zijn er meerdere manieren om aankunnen met deze onbalans. In het volgende hoofdstuk bespreken we verschillende benaderingen om uw geothermische ontwerp zelf te optimaliseren om de (financiële) impact van de onbalans te minimaliseren.
Borefield ontwerp
Het ontwerp van boorvelden is bijna als een spel met meerdere strategieën maar geen enkele beste oplossing. In de volgende subparagraaf kijken we naar verschillende aspecten die kunnen worden overwogen bij het omgaan met onbalans. Het beïnvloeden van het gedrag op lange en korte termijn zal altijd een gunstig effect hebben en zal als eerste worden besproken. Het aantal boorgaten verhogen of dieper boren zal in bepaalde gevallen helpen en wordt als laatste besproken.
Langetermijn
Zoals besproken in onze artikelen over de fysica van boorvelden, zijn twee tijdschalen belangrijk bij het ontwerp van boorvelden: de lange termijn (in volgorde van jaren) en de korte termijn (in volgorde van uren).
Het langetermijneffect beschrijft hoe het boorveld in de loop der jaren verandert, en dit is waar de directe impact van de onbalans zichtbaar wordt. Hoe meer energie je op jaarbasis onttrekt, hoe lager de temperatuur op de lange termijn zal zijn (en omgekeerd voor systemen met injectie).
Zoals we hebben besproken in ons vorige artikel, Dit langetermijngedrag wordt bepaald door de g-functies die de boorgat-tot-boorgat-interacties beschrijven, evenals de interactie tussen het boorveld en de omringende grond. Telkens wanneer we de lay-out van het boorveld veranderen, past de g-functie zich aan. Om de invloed van de onbalans op het totale systeem te minimaliseren, moet de configuratie kleine g-waarden hebben.
Zoals in bovenstaande figuur te zien is, zijn er verschillende manieren om de g-functies te beïnvloeden. Eén optie, links weergegeven, is het aanpassen van de onderlinge afstand. Hoe verder de boorgaten uit elkaar staan, hoe beter ze energie kunnen uitwisselen met de grond en hoe kleiner de invloed van de onbalans zal zijn. Dezelfde redenering geldt voor het voorbeeld rechts: als je de boorgatconfiguratie verandert in een meer open opstelling (zoals een lijn of een L-vorm in plaats van een rechthoek), kan het boorveld effectiever energie uitwisselen met de grond, waardoor de invloed van de onbalans kleiner wordt.
Korte termijn
De kortetermijneffecten (zoals besproken in dit artikel) zijn gerelateerd aan de effectieve thermische weerstand van het boorgat. Deze waarde geeft aan hoe goed het boorgat warmte kan uitwisselen met de grond, dat wil zeggen hoeveel thermische weerstand er bestaat tussen de vloeistof en de omringende grond.
Op het eerste gezicht lijkt dit misschien niet direct gerelateerd aan het onderhavige probleem, omdat de effectieve thermische weerstand van het boorgat alleen een onmiddellijk effect heeft (gekoppeld aan het piekvermogen) en niet zozeer een langetermijneffect. Waarom is het dan belangrijk voor onze discussie over onbalans? Laten we om dat te beantwoorden eens kijken naar de volgende twee grafieken, die dezelfde boorgatconfiguratie laten zien (dus hetzelfde langetermijneffect).
De bovenstaande figuur laat een hoge effectieve thermische boorgatweerstand zien, zoals blijkt uit het grote temperatuurverschil tussen de piekverwarmingstemperatuur en de boorgatwandtemperatuur. Er is een zekere onbalans, maar die is relatief klein. Als deze groter zou zijn, zou de minimale drempeltemperatuur worden overschreden.
De grafiek hierboven toont hetzelfde boorgat als voorheen (en dus hetzelfde langetermijngedrag). Maar omdat de effectieve boorgatweerstand nu aanzienlijk lager is dan in het vorige voorbeeld, kan het systeem een veel grotere onbalans aan terwijl het in dit geval nog steeds boven de temperatuurdrempel van 2°C blijft. Met andere woorden, wanneer de boorgatweerstand laag is, kan een grotere onbalans effectiever worden beheerd omdat het gemakkelijker is om energie over te dragen tussen de vloeistof en de grond.
Extra boorgaten
Een andere oplossing die vaak wordt voorgesteld, is het boren van extra boorgaten. De redenering hierachter is vrij eenvoudig: met meer boorgaten kan er meer energie worden uitgewisseld met de grond. Dit volgt dezelfde logica die we eerder bespraken met betrekking tot boorgatafstand en -configuratie. Er is hier echter een belangrijke nuance, die te maken heeft met de eerder genoemde boorgatweerstand.
Een belangrijke parameter in de effectieve thermische weerstand van boorgaten is het stromingsregime (laminair of turbulent), waarover je meer kunt lezen hier. Als het aantal boorgaten in het systeem verandert, wordt het totale debiet (dat meestal wordt bepaald door de warmtepomp en de vraag van het gebouw) verdeeld over een ander aantal boorgaten, wat resulteert in een lager debiet per boorgat. In de onderstaande grafiek komt dit overeen met een verschuiving naar lagere Reynoldsgetallen.
Als een boorveld in de transiënte zone werkt (tussen Re = 2300 en Re = 4000), kan het verlagen van het debiet per boorgat een aanzienlijk effect hebben op de effectieve boorgatweerstand en dus op het vermogen van het boorveld om onbalans op te vangen (zoals besproken in de vorige paragraaf).
Daarom is het bij het toevoegen van meer boorgaten altijd belangrijk om deze boorgatweerstand in de gaten te houden en waar mogelijk het debiet te verhogen of de boorgatconfiguratie aan te passen (enkele versus dubbele U, pijpdiameter, enz.) om de weerstand zo laag mogelijk te houden.
!Let op
Als er een zeer grote onbalans is, kan de enige haalbare optie zijn om extra boorgaten te boren, zelfs als dit resulteert in een hogere effectieve warmteweerstand van het boorgat.
Diepere boorgaten
Een laatste redmiddel voor geothermische ontwerpers om onbalans aan te pakken is het boren van diepere boorgaten. Dit verandert de g-functies en dus het langetermijneffect enigszins, omdat diepere boorgaten ook meer ruimte bieden voor warmte-uitwisseling met de grond. Bovendien betekent een dieper boorgat een hogere gemiddelde bodemtemperatuur. Deze hogere temperatuur verschuift alle lijnen in de temperatuurgrafiek hierboven, waardoor het gemakkelijker wordt om onbalans op te vangen.
Er moet worden opgemerkt dat deze oplossing alleen effectief is voor boorvelden die gedomineerd worden door extractie. Wanneer een boorgat problemen ondervindt met de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur, is dieper boren over het algemeen geen goede oplossing, omdat hogere vloeistoftemperaturen voor extra uitdagingen zullen zorgen.
Conclusie
Onbalans kan leiden tot aanzienlijke ontwerpuitdagingen wanneer u uw boorveld economisch haalbaar probeert te houden. In dit artikel hebben we verschillende benaderingen besproken om met onbalans om te gaan en toch het boorveld zo rendabel mogelijk te houden. Het vergroten van de afstand tussen boorgaten en het kiezen van een open configuratie (zoals een lijn- of L-vorm), in combinatie met het verlagen van de effectieve thermische weerstand van het boorgat, zijn altijd goede strategieën om onbalans aan te pakken.
Het boren van extra boorgaten kan ook een goede optie zijn, maar daarbij moet goed worden gelet op de boorgatweerstand, omdat het debiet per boorgat doorgaans lager zal zijn als het aantal boorgaten toeneemt. Tot slot is dieper boren een interessante benadering om te overwegen voor boorvelden met een door extractie gedomineerd profiel.
In het volgende artikel nemen we een stap terug en onderzoeken we manieren om onbalans helemaal te vermijden. Blijf kijken!
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.