Bij het ontwerpen van collectieve boorvelden voor appartementsgebouwen is het proces gecompliceerder dan simpelweg het ontwerp voor een enkel appartement te vermenigvuldigen met het aantal eenheden. In deze oefening leggen we uit hoe je het ontwerp van collectieve boorvelden aanpakt en welke rol de gelijktijdigheidsfactor speelt.
De oefening
In onze vorige oefening hebben we bekeken hoe een boorveld kan worden ontworpen voor een enkel gebouw. Bij collectieve systemen is de verleiding groot om een ontwerp te maken voor één appartement en dit vervolgens te vermenigvuldigen met het totale aantal eenheden om tot een definitief ontwerp te komen. Er zijn echter enkele problemen met deze aanpak:
- De verschillende boorgaten interfereren met elkaar, wat leidt tot verschillend langetermijngedrag (lees ons artikel over het probleem van thermische interferentie hier).
- Voor collectieve systemen is het resulterende piekvermogen op het boorveld niet hetzelfde als de som van alle piekbelastingen, vanwege iets dat gelijktijdigheid wordt genoemd (waar je meer over kunt lezen hier).
Om deze redenen verdient het ontwerp van collectieve boorvelden een eigen oefening, waarbij we in de fijne kneepjes van het proces kunnen duiken.
Hint
Om het meeste uit deze oefening te halen, raden we aan om de onderstaande ontwerpvragen te beantwoorden voordat je de bijgeleverde oplossing leest. Borefield ontwerpen is verre van eenvoudig en de beste manier om de complexiteit ervan onder de knie te krijgen is door praktische ervaring op te doen.
Invoerparameters
Algemene invoerparameters
- Gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof: 0°C
- Drempelwaarde voor maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur: 17°C (passieve koeling)
- Simulatieperiode: 25 jaar
- Eerste maand van de simulatie: Januari
Bodemingangsparameters
- 2 W/(mK) van 50 - 200 m
- Volumetrische warmtecapaciteit: 2,4 MJ/(m³K)
- Temperatuur oppervlak: 9,6°C
- Geothermische warmteflux: 0,07 W/m²
Ingangsparameters boorgatweerstand
De parameters voor de pijp zijn:
- Dubbele DN32 PN16-pijp (d.w.z. een wanddikte van 3 mm en een buitendiameter van 32 mm)
- Diameter boorgat: 140 mm
- Afstand van pijp tot boorgatcentrum: 35 mm
- Voegmiddel: 1,5 W/(mK)
De vloeistof is 25 v/v% MPG met een debiet van 0,21 kg/s voor elk appartement.
Invoerparameters thermische belasting (per appartement)
- Piekverwarmingsvraag: 3,4 kW
- Piek koelvraag: 2 kW
- Jaarlijkse verwarmingsvraag: 5,1 MWh
- Jaarlijkse koelvraag: 1,4 MWh
- Jaarlijkse vraag naar warm water voor huishoudelijk gebruik: 1,6 MWh
- SCOP: 5 (verwarming)
- SCOP: 3 (DHW)
- SEER: 20 (passieve koeling)
Design vragen
Voor deze oefening wordt je gevraagd de volgende ontwerpvragen te beantwoorden terwijl je de totale boorgatlengte voor elke stap bijhoudt. Dit zal je helpen om de implicaties van verschillende ontwerpwijzigingen voor de kosten en prestaties te beoordelen.
Hint
Om je werk overzichtelijk te houden, is het aan te raden om voor elke ontwerpvraag een apart scenario te gebruiken.
- Bereken de vereiste boorgatdiepte voor het geval met slechts één appartement.
- Bereken het temperatuurprofiel voor deze boordiepte in een raster van 20 bij 4 (zodat er in totaal 80 boorgaten zijn).
- Corrigeer de boordiepte voor deze 80 boorgaten om binnen de temperatuurlimieten te blijven.
- Bereken het temperatuurprofiel rekening houdend met gelijktijdigheid.
- Bereken het temperatuurprofiel rekening houdend met gelijktijdigheid en de verandering in piekduur.
- Bereken het temperatuurprofiel met de opschalingsmethode voor collectieve systemen.
- Bereken de uiteindelijk vereiste diepte voor 80 boorgaten met behulp van het belastingsprofiel uit de vorige vraag.
Oplossing
Hieronder vind je de antwoorden op de eerder gestelde ontwerpvragen. Het is belangrijk om te benadrukken dat er niet één correct antwoord is. De waarde van deze oefening ligt in het begrijpen van de redenering achter elke beslissing in plaats van het strikt eens te zijn met elke veronderstelling.
Elk geothermisch project is uniek en de keuzes die u maakt met betrekking tot parameters, configuraties en drempelwaarden zijn sterk afhankelijk van projectspecifieke beperkingen, ontwerpprioriteiten en praktische overwegingen. Gebruik deze antwoorden als leidraad, maar aarzel niet om de aannames in twijfel te trekken en alternatieven te onderzoeken.
Vraag 1
Als de vereiste diepte wordt berekend voor één appartement, wordt een boordiepte van 96 m verkregen. Zoals het onderstaande temperatuurprofiel laat zien, wordt deze diepte bepaald door de maximale koelpiek (2 kW) en niet door de maximale verwarmingsbelasting, omdat de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 1,45 °C ruim boven de drempel van 0 °C ligt. De lichte onbalans van ongeveer 3,68 MWh in de extractie is in dit geval dus geen bepalende ontwerpfactor.
Vraag 2
Voor het ontwerp van de 80 appartementen is een eerste schatting om een raster van 20 bij 4 boorgaten te maken, elk met dezelfde diepte van 96 m die eerder is gevonden, en vervolgens het temperatuurprofiel te simuleren. Het resultaat is te zien in de grafiek hieronder, waarin de warmtevraag eenvoudigweg 80 keer zo groot is als die van een enkel appartement.
Zoals je kunt zien, is de onbalans (nu 80 keer zo groot) in dit geval duidelijk zichtbaar. De reden hiervoor is dat, met een volledig boorveld in plaats van een enkel boorgat, de boorgaten met elkaar interageren, wat leidt tot een meer uitgesproken temperatuureffect op lange termijn. Het is duidelijk dat de boordiepte moet worden vergroot om aan de eisen te voldoen.
Vraag 3
Wanneer de boordiepte wordt vergroot tot 150 m, blijven de gemiddelde vloeistoftemperaturen binnen de grenzen. Het is ook duidelijk dat het ontwerp nu wordt bepaald door de verwarmingsvraag in plaats van de koelvraag, vanwege de meer uitgesproken rol van de onbalans in het ontwerp.
Het bovenstaande ontwerp, dat resulteert in een totale boorgatlengte van 11.920 m, is een zeer conservatieve benadering. Het gaat ervan uit dat 100 procent van de piekverwarmingsvraag (272 kW in totaal, zijnde 80 × 3,4 kW) op het boorveld wordt geplaatst, en hetzelfde geldt voor koeling. Deze aanname wordt in twijfel getrokken in de vervolgsimulatie.
Vraag 4
Gelijktijdigheid is het concept waarbij verschillende gebruikers die op hetzelfde collectieve systeem zijn aangesloten, hun piekvraag niet op hetzelfde moment ervaren. Voor 80 gebruikers van een collectief systeem is de totale interferentie ongeveer 63 procent (gebaseerd op het onderzoek van Winter et al., 2001). Dit betekent dat van de totale piekvraag naar verwarming van 272 kW (en evenzo voor koeling), naar verwachting slechts 172 kW het maximale vermogen is dat het geothermische systeem nodig heeft. Meer informatie over de gelijktijdigheidsfactor is te vinden in ons artikel over dit onderwerp.
Wanneer rekening wordt gehouden met gelijktijdigheid, geeft hetzelfde boorgatontwerp met een diepte van 150 m nu een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 1,74 °C, zoals hieronder weergegeven. Dit betekent dat het boorveld veel te groot zou zijn, omdat we tot 0 °C mogen gaan. Deze oplossing kan echter te optimistisch zijn.
Vraag 5
Bij gelijktijdigheid is niet alleen het resulterende piekvermogen belangrijk, maar ook de piekduur. Zoals eerder besproken is dit tweede aspect van gelijktijdigheid niet zo uitgebreid onderzocht als de vermindering van het collectieve piekvermogen. De prijs van een lager resulterend piekvermogen is een langere piekduur.
Eerder stelden we de hypothese voor dat de piekduur van een collectief systeem evenredig schaalt met de vierkantswortel van het aantal aangesloten gebruikers. In ons geval zou dit betekenen dat de piekduur van het collectieve systeem ongeveer negen keer zo lang is als die van een individueel appartement, wat een piekduur geeft van 72 uur in plaats van 8. Dit resulteert in het temperatuurprofiel dat hieronder wordt getoond.
Let op
Houd er rekening mee dat deze heuristiek niet wordt ondersteund door de literatuur. Het is een eerste schatting op basis van het Central Limit Theorem in de statistiek. De aanpak in de volgende vraag biedt een robuustere manier om de piekduur aan te pakken.
In het temperatuurprofiel hierboven is de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur 1,39 °C, wat al lager is dan in de vorige simulatie, maar nog steeds wijst op enige overdimensionering. Het werken met de heuristische schaling van de piekduur is echter enigszins arbitrair. Daarom zullen we in de volgende simulatie de nieuwste methode in GHEtool gebruiken om een uurprofiel voor collectieve systemen te genereren.
Vraag 6
In een van onze laatste updates is het mogelijk geworden om belastingsprofielen per uur te genereren in GHEtool Cloud (meer informatie in dit artikel). Uurprofielen hebben het voordeel dat er geen piekduur hoeft te worden opgegeven, omdat bij deze tijdresolutie de piekduur impliciet in het belastingsprofiel zit.
Als we deze methode gebruiken om het collectieve boorveld te simuleren, verkrijgen we het onderstaande temperatuurprofiel, met een minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0,82 °C.
De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur bij gebruik van deze methode verschilt van die in Vraag 6. Dit kan worden verklaard door te kijken naar het belastingsprofiel per uur dat is gegenereerd in GHEtool, hieronder weergegeven.
Zoals te zien is, is het piekvermogen beperkt tot 172 kW (vanwege de gelijktijdigheid van 63 procent), wat resulteert in een langere piekduur. De piek in januari duurt bijna 10 dagen, of ongeveer 240 uur. Dit is veel langer dan de 72 uur die eerder werd aangenomen en verklaart waarom de vloeistoftemperaturen met deze benadering lager zijn dan met de heuristische schaling van de piekduur.
!Let op
Het is moeilijk om te bepalen welk resultaat of welke methodologie het meest nauwkeurig is, maar het maken van een belastingsprofiel per uur voor collectieve systemen biedt een duidelijke workflow en geeft inzicht in het verwachte belastingsprofiel dat niet kan worden verkregen door te werken met maandelijkse belastingen en heuristische schaling van bepaalde parameters. Daarom raden we aan om deze methodologie te gebruiken bij het werken met collectieve systemen.
Vraag 7
Als laatste oefening wordt de vereiste diepte van het boorgat opnieuw berekend, dit keer met behulp van het belastingsprofiel per uur uit de vorige oefening. Het resultaat laat zien dat de vereiste diepte iets minder dan 140 m is, wat ongeveer 800 m aan totale boorgatlengte bespaart vergeleken met de conservatieve benadering in vraag 3.
Conclusie
In deze oefening onderzochten we het ontwerp van een boorgat voor een flatgebouw met 80 eenheden. We hebben geleerd dat het ontwerpen van collectieve systemen uitsluitend op basis van het ontwerp van één enkele eenheid leidt tot een aanzienlijke onderschatting van de vereiste boorgatlengte. Aan de andere kant leidt het aannemen van een resulterende piekbelasting die gelijk is aan de som van alle aanvragen tot een overschatting.
Door het concept van gelijktijdigheid toe te passen en de nieuwe methode te gebruiken om uurbelastingsprofielen in GHEtool Cloud te genereren, kunt u met vertrouwen nauwkeurigere, kosteneffectievere en betrouwbaardere collectieve boorvelden ontwerpen.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.