Door passieve en actieve koeling te combineren in uw geothermische boorveld kunt u profiteren van het beste van twee werelden. Aan de ene kant kunt u profiteren van zeer duurzame en efficiënte passieve (of vrije) koeling, terwijl u aan de andere kant de investeringskosten kunt verlagen door een geoptimaliseerd ontwerp voor actieve koeling. Dit artikel laat zien hoe je GHEtool kunt gebruiken om deze intelligente combinatie te implementeren!
!Let op
Dit artikel bouwt voort op ons vorige artikel over de methodologie van het combineren van actieve en passieve koeling. Als je het nog niet hebt gelezen, kun je het hier bekijken hier.
Voorbeeld: Kantoorgebouw
De onderstaande figuur toont de belastingscurve van het kantoorgebouw dat we gaan bestuderen. Zoals je kunt zien, is er een aanzienlijke vraag naar koeling door de hoge interne winsten, die typisch zijn voor kantoorgebouwen (bijv. veel computers, printers, netwerkinfrastructuur, enz.). Bovendien is de koelvraag groter dan de verwarmingsvraag, wat resulteert in een borefield dat gedomineerd wordt door injectie.
!Note
Als je niet bekend bent met door injectie en extractie gedomineerde boorvelden en hun implicaties, kun je ons artikel over boorveld kwadranten voor een gedetailleerde uitleg.
Geschikt voor passieve koeling
De eerste, laten we zeggen “ideale” situatie vanuit het oogpunt van efficiëntie, is om ons boorveld te dimensioneren voor 100% passieve koeling. In dit geval lijkt het erop dat we 130 boorgaten met een boordiepte van 150 m nodig hebben om onder onze temperatuurlimiet van 17°C voor passieve koeling te blijven. Dit levert het onderstaande temperatuurprofiel op.
!Let op
De 17°C is een typische maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur die wordt gebruikt voor passieve koeling. Aangezien je 1-2°C verliest over de passieve warmtewisselaar, kun je deze temperatuur niet overschrijden als je het vereiste koelvermogen wilt leveren voor bijvoorbeeld je vloerkoelsysteem. Dit hangt natuurlijk af van factoren zoals je emissiesysteem, het vereiste comfortniveau, het condensatiepunt van je lucht en de temperatuurverschillen in je hydraulische systeem.
Het temperatuurprofiel hierboven blijft niet altijd onder de drempel van 17°C die we hebben ingesteld. Als we inzoomen, overschrijdt het deze grens gedurende drie uur per jaar. Gezien de inherente onzekerheden van dit soort profielen, zou je kunnen stellen dat dit nog steeds een evenwichtig ontwerp is. Tien extra boorgaten toevoegen alleen om deze korte afkoelingspiek op te vangen zou in de meeste situaties economisch onwenselijk zijn.
Een ander opvallend aspect is dat de laagste gemiddelde vloeistoftemperatuur boven de 10°C blijft, wat vrij hoog is voor het klimaatgebied van België. Dit geeft aan dat het boorveld voornamelijk is gedimensioneerd om de koelvraag passief op te vangen, wat resulteert in een aanzienlijke oversizing vanuit het perspectief van de verwarmingsvraag. We zullen daarom de actieve dimensionering onderzoeken om de vereiste grootte van het boorveld te verkleinen.
!Let op
Als je niet weet hoe je dergelijke temperatuurprofielen moet interpreteren, kun je ons artikel over dit onderwerp raadplegen hier.
Geschikt voor actieve koeling
Als we het boorveld dimensioneren voor actieve koeling, kan de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur toenemen, omdat we nu kunnen vertrouwen op de warmtepomp om de vereiste koeling te leveren. Hierdoor kunnen we het aantal boorgaten terugbrengen van 130 naar 60, wat resulteert in het onderstaande temperatuurprofiel.
Let op
Hoewel er geen technische beperking is voor de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur, is het raadzaam om deze onder controle te houden om schade aan het milieu te voorkomen. Controleer de plaatselijke wetgeving voor eventuele beperkingen met betrekking tot vloeistoftemperaturen.
Zoals je kunt zien, toont het boorveld nu minder geothermisch potentieel in verwarmingsvermogen. Als je niet bekend bent met het concept van geothermisch potentieel, kun je ons artikel over het onderwerp hier lezen. Dit resulteert in een efficiënter gebruik van onze investering.
Nu we beide uitersten-100% passieve en 100% actieve koeling hebben bestudeerd, laten we eens kijken naar drie ontwerpen die beide benaderingen combineren.
Drempelwaarde temperatuur met 60 boorgaten
Een goede eerste stap is om hetzelfde aantal boorgaten te houden als in het actieve ontwerp van de 100% en te controleren welk percentage van de belasting passief kan worden opgevangen. Hiervoor gebruiken we de drempeltemperatuurmethode (lees het artikel hier) en zet deze op 17°C. Door deze benadering toe te passen, vinden we dat 58% van de koeling passief kan worden geleverd, wat resulteert in een gemiddelde SEER van 11,22.
!Let op
Deze 58% is een gemiddelde over de hele simulatieperiode. In de eerste jaren zal het aandeel van passieve koeling hoger zijn dan in de latere jaren (zie hieronder).
Als we het aandeel van actieve koeling door de jaren heen nader bekijken, zien we in de onderstaande figuur dat het jaar na jaar toeneemt. Dit komt door de onbalans. Zoals eerder vermeld, wordt dit boorveld gedomineerd door injectie, wat betekent dat het na verloop van tijd opwarmt, waardoor het potentieel voor passieve koeling in de latere jaren van de simulatieperiode afneemt.
Dit effect kan ook worden waargenomen in het onderstaande koelvraagprofiel, waar het aandeel passieve koeling jaar na jaar zichtbaar afneemt.
Drempelwaarde temperatuur met 80 boorgaten
De 60 boorgaten in de 100% actieve case zorgden voor 58% passieve koeling. Als we het aantal boorgaten verhogen naar bijvoorbeeld 80, kunnen we het effect op het aandeel passieve koeling waarnemen. Dan bereiken we 79% passieve koeling en een gemiddelde SEER van 14,41 over de gehele simulatieperiode. Door de geothermische onbalans zal het aandeel actieve koeling echter jaar na jaar weer toenemen.
Als we het onderstaande temperatuurprofiel nader bekijken, zien we dat de gemiddelde vloeistoftemperatuur altijd onder de limiet van 25°C blijft die is ingesteld voor actieve koeling. Dit komt doordat we 20 extra boorgaten hebben geboord, die vanuit een strikt ontwerpperspectief niet nodig waren omdat we zowel actieve als passieve koeling gebruiken. Het feit dat de gemiddelde vloeistoftemperatuur lager is dan voorheen, verklaart waarom het aandeel passieve koeling toeneemt wanneer er meer boorgaten worden geïnstalleerd.
Vaste maanden
Een alternatief voor het gebruik van een drempeltemperatuur is om standaard actieve koeling toe te passen tijdens de zomermaanden. Hoewel dit resulteert in een lager passief aandeel (zoals uitgelegd hier), kunnen er geldige redenen zijn om voor deze aanpak te kiezen, zoals een eenvoudigere regelstrategie, een ander koelemissiesysteem of de noodzaak van ontvochtiging.
Als we het aandeel passieve koeling berekenen door standaard actieve koeling te gebruiken in juli en augustus, krijgen we een iets lagere gemiddelde SEER van 10,53 en een aandeel passieve koeling van 52% voor dezelfde 60 boorgaten (vergeleken met een SEER van 11,22 en 58% bij gebruik van de drempel temperatuur methode).
Het verschil in geothermisch aandeel wordt duidelijk als we naar het koelprofiel kijken. Hieronder zie je dat er geen passieve koeling is tijdens de zomermaanden, terwijl er in het geval van de drempeltemperatuur nog wel enige passieve koeling aanwezig was. Dit is een inherente inefficiëntie van de methode met vaste maanden.
Een laatste opmerking over deze methode is dat je er niet helemaal zeker van kunt zijn dat passieve koeling in de niet-standaard maanden (bijvoorbeeld juni en september in dit geval) ook echt kan worden geleverd. Als we het temperatuurprofiel voor het eerste jaar van dichtbij bekijken, zien we al enkele vloeistoftemperaturen in mei, juni en september die de drempel van 17°C overschrijden. Dit suggereert dat het vereiste koelvermogen op deze momenten mogelijk niet volledig wordt geleverd, wat een belangrijke overweging is om in gedachten te houden.
Conclusie
Dit artikel behandelt het ontwerp van een boorveld voor een kantoorgebouw met passieve, actieve en gecombineerde passieve en actieve koeling. Door over te schakelen van 100% passief naar 100% actief werd het aantal boorgaten teruggebracht van 130 naar 60, maar het bleek dat ongeveer 58% van de koeling nog steeds passief kon worden geleverd. Het verhogen van het aantal boorgaten naar 80 resulteerde in een passief aandeel van 79%. Het gebruik van de vaste-maandmethode leidde tot iets lagere resultaten dan de drempeltemperatuurmethode, met een passief aandeel van 52%. Hoewel deze aanpak in de praktijk eenvoudiger is uit te voeren, was extra voorzichtigheid geboden in de niet-actieve maanden.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.