Design Het ontwerpen van hybride systemen is niet eenvoudig, omdat de juiste balans moet worden gevonden tussen geïnstalleerd geothermisch vermogen, onbalans van het systeem en algehele prestaties. In GHEtool waren er al twee optimalisatiemethoden beschikbaar voor het ontwerpen van dergelijke systemen: optimaliseren voor vermogen en optimaliseren voor energie. Vandaag introduceren we een derde optie om je te helpen nog betere hybride systemen te ontwerpen!
!Let op
Dit artikel bouwt voort op de concepten die eerder in deze serie zijn geïntroduceerd. Als je niet bekend bent met hybride systemen, lees dan eens dit artikel eerst.
Context
In ons eerste artikel over hybride systemen introduceerden we het concept van geothermisch potentieel. (Als je dat artikel nog niet hebt gelezen, kun je het vinden op hier.)
We hebben drie hoofdtypen geothermische boorvelden geïdentificeerd:
- Boorvelden met potentieel voor energie
- Boorvelden met energiepotentieel
- Boorvelden zonder geothermisch potentieel
Elk van deze hybride systeemontwerpen heeft zijn eigen voor- en nadelen. Een boorveld zonder potentieel voor vermogen werd beschouwd als geoptimaliseerd voor vermogen. Dit resulteert in een hybride systeem dat het meest optimaal is in termen van investeringskosten, omdat het geïnstalleerde vermogen niet te groot wordt. Het nadeel is dat niet al het potentieel aan geothermische energie wordt gebruikt.
Als een boorveld wordt geoptimaliseerd voor energie, blijft er geen geothermisch potentieel over in termen van energie of vermogen. Het hybride systeem heeft dan de hoogste efficiëntie, maar de investeringskosten zijn hoger omdat er meer geothermische energie moet worden geïnstalleerd.
Het probleem met beide optimalisatiemethoden is dat ze gebaseerd zijn op een specifiek tijdsbestek (bijv. 20 of 40 jaar), wat tot op zekere hoogte een arbitraire keuze is. De vraag wordt dan: wat gebeurt er na deze periode?
Optimaliseren voor balans
Hieronder zie je twee temperatuurprofielen van hybride geothermische systemen die geoptimaliseerd zijn voor respectievelijk stroom en energie. Zoals je duidelijk kunt zien, vertonen beide systemen een negatieve onbalans, waarbij het boorveld wordt gedomineerd door extractie. Wat gebeurt er na de simulatieperiode van 20 jaar? Het boorveld blijft afkoelen...
Deze observatie leidde tot de ontwikkeling van een derde type optimalisatie: optimaliseren voor evenwicht, waarbij het doel is om uw boorveld zo te ontwerpen dat de bodemtemperatuur in de loop van de tijd in evenwicht blijft. Op deze manier blijft uw systeem, ongeacht de tijdshorizon, binnen de temperatuurlimieten.
Doel
Als je ervoor kiest om te optimaliseren voor balans, is je ontwerpdoelstelling
Om het vermogen te maximaliseren kun je (tijdens koelen) altijd injecteren in of (tijdens verwarmen) onttrekken aan de grond en de grond in balans houden.
Deze doelstelling lijkt erg op de methode die wordt gebruikt om te optimaliseren voor vermogen, met één belangrijk verschil: er wordt een extra grondbalanscriterium geïntroduceerd. (Als je het artikel over hybride optimalisatiemethoden nog niet hebt gelezen, kun je het vinden op hier.)
Optimaliseren met deze doelstelling zorgt ervoor dat als u x kW geothermische verwarmings- of koelcapaciteit installeert, u erop kunt vertrouwen dat het boorveld betrouwbaar x kW zal leveren gedurende de hele simulatieperiode, zolang de veronderstelde belastingsprofielen geldig blijven, zonder langdurige thermische drift.
Methodologie
De ontwerpmethodologie die de afmetingen van dit systeem bepaalt met het oog op balans, lijkt dus ook veel op de methodologie voor het optimaliseren van het vermogen:
- Begin met een vraagprofiel voor verwarming en koeling per uur en een vast boorveldontwerp.
- Bereken het uurlijkse temperatuurprofiel alsof 100% van de vraag van het gebouw op het boorveld werd geplaatst.
- Je controleert of
- De gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof daalt onder een bepaalde drempel of er is meer dan $$% onbalans. Als dit het geval is, is het extractievermogen te hoog, dus verlaag het piekverwarmingsvermogen met x%. Als de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur boven de drempelwaarde ligt, kan het boorveld de extractie aan en kan het piekverwarmingsvermogen ongewijzigd blijven.
- De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur overschrijdt een bepaalde drempelwaarde of er is meer dan $$% onbalans. Als dit het geval is, is het injectievermogen te hoog. Verminder dan het piekkoelvermogen met x%. Als de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur onder de drempelwaarde ligt, kan het boorveld de injectie aan en zijn er geen wijzigingen nodig.
- Als beide temperaturen van stap (3) binnen de grenzen liggen en de onbalans is kleiner dan $$%, De geothermische en hybride belasting is bepaald en u kunt doorgaan naar stap (7). Zo niet, ga dan verder met stap (5).
- Herbereken de uurbelasting voor het boorveld met behulp van de nieuwe maximale piekvermogens voor verwarming en koeling bepaald in stap (3). Leid het vermogen of de energie die niet door het boorveld kan worden verwerkt om naar de hybride technologieën.
- Herbereken het uurlijkse temperatuurprofiel en keer terug naar stap (3).
- Gedaan
Ook hier werd een ander criterium geïntroduceerd om rekening te houden met de onbalans.
!Let op
Het onbalanspercentage wordt gedefinieerd als: de jaarlijkse onbalans gedeeld door het maximum van de jaarlijkse warmte-injectie of -extractie.!Let op
Aangezien deze optimalisatie een uitbreiding is van de methode “optimaliseren voor vermogen”, kan deze laatste worden gezien als een speciaal geval van de balansmethode. Als je een onbalans van 100% toestaat (d.w.z. het evenwichtscriterium weglaat), wordt de methode gereduceerd tot de methode “optimaliseren voor vermogen”. Dit zal ook worden gedemonstreerd in de casestudie die volgt.
Casestudy
Als we terugkeren naar onze casestudy voor het gebouw met meerdere nutsvoorzieningen, hebben we ontdekt dat wanneer het systeem wordt geoptimaliseerd voor vermogen, een 9×9 boorveld 224 kW geothermische verwarming en 159 kW geothermische koeling mogelijk maakt, wat overeenkomt met respectievelijk 73% en 74% van de verwarmings- en koelvraag van het gebouw. Bij optimalisatie voor energie kan het aandeel geothermie zelfs toenemen tot 84% voor verwarming en 92% voor koeling, hoewel dit gepaard gaat met aanzienlijk hogere investeringskosten.
Hieronder wordt het hybride systeem voor het gebouw met meerdere voorzieningen ontworpen met een aanvaardbare onbalans van 5%, 25% en 100%.
5% onbalans
Zoals te zien is in de onderstaande figuur, heeft het systeem slechts een kleine onbalans (ongeveer 10 MWh/jaar), vergeleken met de 167 MWh/jaar onbalans die te zien is bij het optimaliseren voor vermogen. Dit maakt het systeem extreem robuust voor de toekomst. Er is echter nog een aanzienlijke hoeveelheid geothermisch potentieel voor vermogen ongebruikt: er is slechts 107 kW verwarmingsvermogen en 150 kW koelvermogen geïnstalleerd. Hierdoor daalt het aandeel geothermie naar 41% voor verwarming en 72% voor koeling, wat aanzienlijk lager is dan de 73% en 74% die werden bereikt bij optimalisatie voor vermogen.
Let op
Hoewel de theoretische limiet voor aanvaardbare onbalans 1% is, wordt om rekenkundige redenen aanbevolen om te optimaliseren voor ten minste 5%. Afhankelijk van je belastingsprofiel per uur kan het zijn dat er gewoon geen vermogen is waarvoor de onbalans onder je tolerantie ligt. Dit is met name waarschijnlijk voor gebouwen met zeer hoge vollasturen. Als je merkt dat het optimalisatieproces lang duurt, overweeg dan om met een hoger aanvaardbaar onbalanspercentage te beginnen.
25% onbalans
Wanneer rekening wordt gehouden met 25% onbalans, neemt de geothermische onbalans toe tot 67 MWh/jaar (in onttrekking), waardoor de grond in de loop der jaren iets afkoelt. Het geïnstalleerde geothermische vermogen stijgt naar 145 kW voor verwarming en 153 kW voor koeling, wat resulteert in een geothermisch aandeel van respectievelijk 53% en 73%. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het vorige geval met een onbalans van 5% en illustreert de flexibiliteit van de optimalisatie voor balans-methodologie.
100% onbalans
Tot slot, zoals eerder vermeld, levert het optimaliseren met een acceptabele onbalans van 100% hetzelfde resultaat op als het optimaliseren voor vermogen. Het resulterende temperatuurprofiel wordt voor de volledigheid hieronder getoond.
Conclusie
De optimaliseer voor balans-methode is een waardevolle aanvulling op de gereedschapskist voor het ontwerpen van hybride systemen. Hoewel deze methode meestal resulteert in het laagste geothermische aandeel in vergelijking met andere methoden, biedt ze het meest robuuste en toekomstbestendige ontwerp. Door het aanvaardbare onbalanspercentage aan te passen, krijgt u een duidelijk inzicht in hoeveel onbalans aanvaardbaar is voor uw systeem en welke invloed dit heeft op het totale ontwerp.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.