Hybride systemen, en in het bijzonder hybride geothermische systemen, zijn een bewezen en efficiënte manier om gebouwen duurzaam te verwarmen en te koelen. Door een intelligent borefieldontwerp te combineren met andere technologieën (zoals een lucht/water-warmtepomp of thermische zonnecollectoren) kunt u optimale prestaties voor uw totale HVAC-systeem bereiken. In dit artikel gaan we verder in op de concepten van hybride systemen en geothermisch potentieel, en gaan we in detail in op hoe u GHEtool Cloud kunt gebruiken voor uw volgende geothermische project.
!Let op
Dit artikel bouwt voort op de onderwerpen die werden geïntroduceerd in deel 1 en deel 2 van deze serie, waarin verschillende belangrijke concepten werden besproken. Als je die artikelen nog niet hebt gelezen, kun je ze hier vinden: artikel 1 en artikel 2.
De casestudy: een gebouw met meerdere voorzieningen
Hybride geothermische systemen zijn vooral gunstig voor grote gebouwen (of clusters van gebouwen) met een hoge verwarmings- of koelingsvraag. De casestudy die in dit artikel wordt besproken, is gebaseerd op een echt project met een verwarmingsvraag van 536 kW en een koelvraag van 676 kW, met een jaarlijkse energievraag van respectievelijk 643 MWh en 267 MWh. Als we voor dit gebouw een 100% geothermische oplossing zouden gebruiken, zouden we een boorveld van 130 boorgaten nodig hebben, maar gezien de beperkte ruimte zijn er maar 90 boorgaten mogelijk. Daarom is een hybride systeem nodig.
Als u het hybride systeem zelf wilt ontwerpen, vindt u hieronder de ontwerpparameters. Alle niet expliciet genoemde waarden worden verondersteld de standaardwaarden binnen GHEtool Cloud te zijn:
- Uurlijkse gebouwbelasting (download hier)
Let op
Deze methodologie vereist een belastingsprofiel per uur voor de vraag van je gebouw. Op dit moment is het nog niet mogelijk om dezelfde analyse uit te voeren met behulp van maandelijkse belastingsprofielen.
- Algemeen:
- Simulatieperiode: 40 jaar
- Grond:
- Warmtegeleidingsvermogen: 1,9 W/(mK)
- Plaats: ‘BEL-Antwerpen’
- Borefield:
- Afstand: 6 m (in lengte en breedte)
- Begraafdiepte: 0,7 m
- Boordiepte (t.o.v. de diepte van het boorgat): 150 m
- Thermische vraag:
- SCOP: 5 / SEER: 20 (passieve/vrije koeling)
Let op
Dit artikel maakt gebruik van de functie ‘laadprofiel optimaliseren’, die alleen beschikbaar is voor gebruikers met een optimalisatielicentie. Als je deze methode wilt gebruiken, kun je een specifiek project upgraden naar deze bundel of je hele licentie upgraden in het admin dashboard van je account. Raadpleeg voor meer informatie onze Prijzen.
Design uw hybride systeem
1TP5Het ontwikkelen van een hybride geothermisch systeem is altijd een iteratief proces. U moet uw ontwerp voortdurend aanpassen totdat u een optimaal systeem voor uw situatie bereikt, of dit nu gebaseerd is op economische parameters of op de behoefte aan een back-up installatie. Voor dit project zijn de volgende scenario's doorgerekend met GHEtool Cloud en deze worden hieronder kort besproken.
Optimaal vermogen - 10×9 boorgat
In eerste instantie werd alle informatie ingevoerd in GHEtool Cloud om het hybride systeem te ontwerpen voor maximaal vermogen. Deze aanpak wordt aanbevolen omdat:
- Het is de snelste methode.
- Het geeft een eerste schatting van het geothermische energiepotentieel zonder het totale geïnstalleerde vermogen te overdrijven.
Het resulterende systeem bereikte een geothermisch energieaandeel van 78% voor zowel verwarming als koeling, met een geïnstalleerd vermogen van 178 kW en 247 kW, wat 46% van het totale verwarmingsvermogen en 26% van de piekvraag voor koeling vertegenwoordigt.
Optimaal vermogen - 9×9 boorgat
De volgende stap is meestal het verkleinen van je boorveld (om investeringskosten te besparen) en het effect op je geothermische aandeel te beoordelen. Voor dit project hebben we de grootte met 9 boorgaten verkleind, zodat we een boorveld met afmetingen van 9×9 creëerden. Opnieuw resulteerde het optimaliseren voor vermogen in een hybride systeem met een geothermisch energieaandeel van 74% en 73% voor respectievelijk 160 kW en 224 kW geïnstalleerd. Het resulterende aandeel is slechts iets lager dan in ons vorige scenario (we verliezen slechts ongeveer 4%), terwijl de omvang van ons boorveld met 10% is afgenomen! Vanuit economisch perspectief is dit een interessante afweging.
Optimaal vermogen - 9×8 boorgat
Als we het boorveld nog verder verkleinen, zien we een verdere afname van het aandeel geothermische energie-68% en 70% voor respectievelijk verwarming en koeling. Hoewel we nu slechts 9 boorgaten hebben verwijderd (vergeleken met 10 in het vorige scenario), daalt ons aandeel geothermische energie voor dit project aanzienlijk. Dit kan worden verklaard aan de hand van de hieronder getoonde belastingsgrafiek.
Zoals u kunt zien, heeft ons geïnstalleerde verwarmingsvermogen van 202 kW al een aanzienlijk aantal vollasturen. Daarom heeft het verkleinen van het boorveld (wat resulteert in een afname van het geothermisch verwarmingsvermogen) een onmiddellijk effect op het aandeel geothermische energie.
Conclusie vermogen optimaliseren
Voor dit project - hoewel dit sterk afhankelijk is van uw specifieke geval - lijkt het hybride systeem met een boorveld van 9×9 ideaal voor onze situatie, omdat het een goede balans biedt tussen de grootte van het boorveld en het aandeel geothermische energie. Maar zoals u kunt zien aan het resulterende temperatuurprofiel voor dit scenario, is er nog steeds een aanzienlijk onbenut energiepotentieel voor zowel verwarming als koeling. We kunnen dit potentieel verder benutten in onze toekomstige scenario's.
Energie optimaliseren - 9×9 boorveld
Nadat je verschillende hybride systemen hebt onderzocht met de optie ‘belastingsprofiel optimaliseren - vermogen’, kun je je profiel verder verfijnen door te optimaliseren voor energie. Hierbij installeert het algoritme (zoals uitgelegd in ons vorige artikel hier) extra verwarmings- en koelcapaciteit om het aandeel geothermische energie over de hele simulatieperiode te maximaliseren. Dit resulteert in een geothermisch energieaandeel van 84% en 92% voor respectievelijk verwarming en koeling, met een geïnstalleerd vermogen van 509 kW en 342 kW.
Zoals u in het onderstaande temperatuurprofiel kunt zien, wordt met deze extra geïnstalleerde capaciteit het resterende potentieel aan geothermische energie volledig benut, zodat het boorveld in elk jaar van de operationele periode zijn temperatuurlimieten bereikt. Met dit hybride systeemontwerp is er echter een aanzienlijke oversizing van de totale geïnstalleerde capaciteit, aangezien we nu 790 kW geïnstalleerd hebben voor verwarming (in plaats van de vereiste 536 kW) en 845 kW voor koeling (in plaats van de vereiste 676 kW). Het wordt daarom als een goede praktijk beschouwd om te onderzoeken of het beperken van de geïnstalleerde geothermische capaciteit een significante invloed zou hebben op de algehele systeemprestaties.
Energie optimaliseren - 9×9 boorveld (350 kW)
Als we de geïnstalleerde geothermische capaciteit voor verwarming reduceren tot 350 kW (uitgaande van passieve koeling voor het koelsysteem, waarbij een te grote passieve warmtewisselaar geen groot probleem is), dan laat ons temperatuurprofiel hieronder zien dat er nog steeds enig potentieel aan geothermische energie beschikbaar is gedurende de eerste vier jaar van exploitatie. Dit is ook te zien in de grafiek van de geothermische bijdrage.
Zoals de onderstaande figuur laat zien, blijft de geothermische verwarmingscapaciteit die door het boorveld wordt geleverd de eerste vier jaar van de simulatieperiode constant, waarna deze afneemt als gevolg van de onbalans in het systeem. Zoals altijd neemt de capaciteit sneller af dan de basislastenergie, omdat de hoogste piekbelastingen slechts een klein percentage van de totale energievraag uitmaken, zoals duidelijk te zien is in de belastingsduurcurves.
Tot slot, als we het aandeel geothermie over de hele simulatieperiode bekijken, komen we op bijna hetzelfde aandeel geothermie uit als voorheen (d.w.z. 83,4% in plaats van 83,6% voor verwarming en 92,2% in plaats van 92,3% voor koeling), maar met 150 kW minder geïnstalleerde geothermische capaciteit voor verwarming. Daarom zal dit systeem altijd kosteneffectiever te installeren zijn zonder afbreuk te doen aan de prestaties.
Energie optimaliseren - 9×9 boorveld (250 kW)
Als laatste stap in het optimalisatieproces hebben we onderzocht of het gunstig zou zijn om het geïnstalleerde vermogen van de aardwarmtepomp verder te verlagen naar 250 kW. Als we naar het onderstaande temperatuurprofiel kijken, zien we dat er nu een relatief hoog resterend energiepotentieel is. Dit is enigszins te verwachten, aangezien het algoritme oorspronkelijk 509 kW voorstelde om het maximale energieaandeel te bereiken, terwijl we nu met slechts 250 kW werken.
Als we de grafiek van de geothermische bijdrage bekijken, zien we iets heel interessants. Het blijkt dat het geïnstalleerde vermogen van 250 kW gedurende de hele simulatieperiode consistent kan worden geleverd, net als bij de eerder genoemde optimalisatie voor vermogen. Toen we echter optimaliseerden voor vermogen, konden we slechts 224 kW bereiken, terwijl we nu 250 kW hebben. Dit verschil is te wijten aan de verminderde onbalans, omdat we aanzienlijk meer warmte in de grond injecteren dankzij het hogere koelaandeel (90% vergeleken met 74%). Hierdoor daalt de gemiddelde onbalans in de grond van -166 MWh/jaar naar -148 MWh/jaar, waardoor er meer mogelijkheden voor verwarming ontstaan.
Als we tot slot kijken naar het aandeel geothermie, komen we uit op 78% voor verwarming en 90% voor koeling, zonder de geïnstalleerde verwarmingscapaciteit te vergroten. Dit is een zeer interessant resultaat, want door meer passieve koeling te installeren - wat relatief lage kosten met zich meebrengt - kunnen we het aandeel geothermie verhogen van 73% naar 78% voor verwarming en van 74% naar 90% voor koeling, allemaal terwijl ze hetzelfde boorveld gebruiken.
Conclusie
Er is geen definitief antwoord op de vraag welk hybride geothermisch systeem het beste is, omdat dit grotendeels afhangt van verschillende factoren. Daarom is het altijd goed om verschillende scenario's naast elkaar te leggen. In het bovenstaande artikel hebben we een voorbeeld gegeven waarbij we eerst optimaliseerden voor vermogen, waarbij we geleidelijk de grootte van het boorveld verminderden totdat we een optimale balans vonden tussen de grootte van het boorveld en het aandeel geothermie. Door vervolgens te optimaliseren voor energie, hebben we ons oorspronkelijke hybride systeemontwerp verder verbeterd door het aandeel geothermie te vergroten. GHEtool Cloud is perfect geschikt om u te helpen bij het ontwerpen van dergelijke complexe projecten.
In het volgende deel zullen we de economische aspecten van deze verschillende ontwerpen evalueren en laten zien hoe je de meest geschikte optie voor jouw specifieke project kunt bepalen.