Oefening op gevoeligheden in boorveldontwerp

In deze oefening onderzoeken we het ontwerp van een geothermisch boorveld voor een kantoorgebouw. Het doel is om inzicht te krijgen in de effecten van de geothermische temperatuurgradiënt en om te begrijpen welke parameters vooral belangrijk zijn bij het ontwerpen van een boorveld voor een gebouw met een hoge koelvraag.

De oefening

De case voor deze oefening is gebaseerd op een echt kantoorgebouw in de stad Gent (België). Om een geschikt boorveld voor dit gebouw te ontwerpen, zul je gebruik moeten maken van kennis uit een aantal eerdere artikelen (waarnaar we waar nodig zullen verwijzen). In deze oefening verken je de invloed van de geothermische temperatuurgradiënt op het ontwerp, vergelijk je de impact van het gebruik van MPG versus water, beoordeel je de keuze tussen enkele en dubbele U-buisconfiguraties en krijg je algemene inzichten in het ontwerpen van boorvelden voor gebouwen met een hoge koelvraag.

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: 2°C
• Drempelwaarde voor maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur: 17°C

!Let op
Deze temperaturen zijn gekozen om ervoor te zorgen dat de koeling in een passieve of vrije modus kan werken (vandaar de bovengrens van 17°C). De ondergrens van 2°C is ingesteld om negatieve temperaturen in het boorgat te voorkomen. Een gemiddelde vloeistoftemperatuur van 2°C komt typisch overeen met een aanvoertemperatuur van 0°C en een retourtemperatuur van 4°C, uitgaande van een temperatuurverschil ($\Delta T$) van 4°C.

• Simulatieperiode: 40 jaar
• Eerste maand van de simulatie: Januari

Bodemingangsparameters

De geologische bodemgesteldheid op de projectlocatie is als volgt:

!Let op
Let op de dikke, slecht geleidende kleilaag in de lithologie. Dit zal een belangrijke rol spelen in deze oefening.

Om tijd te besparen worden de gemiddelde warmtegeleidingscoëfficiënten van de grond als volgt berekend:

• 1,6 W/(mK) @ 150 m boordiepte
• 1,7 W/(mK) @ 100 m boordiepte

De andere grondparameters zijn:

• Volumetrische warmtecapaciteit: 2,4 MJ/(m³K)
• Plaats: ‘Bel-Gent’

Borefield invoerparameters

Alle boorvelden in deze oefening zijn rechthoekig, met een gelijke afstand tussen de boorgaten in lengte en breedte van 6 m. De begraafdiepte is 1 m en de initiële, startconfiguratie is 15 x 13 boorgaten met een boordiepte van 150 m.

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: 40 mm
• Voegmiddel: 1,5 W/(mK)

De vloeistof is 30 v/v% MPG met een stroomsnelheid van 0,2 l/s per boorgat.

Invoerparameters thermische belasting

• Verwarmingsvermogen: 306 kW
• Jaarlijkse verwarmingsenergie: 398 MWh
• Koelvermogen: 336 kW
• Jaarlijkse koelenergie: 269 MWh
• SCOP: 4,5
• 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.

1. Is dit een goed ontwerp, gezien het oorspronkelijke boorveldontwerp van 15×13 boorgaten @150 m?
2. Hoeveel boorgaten moeten we extra boren als we de boordiepte verminderen tot 100 m? Probeer hier eerst over na te denken voordat je begint met simuleren.
3. Wat gebeurt er als we de thermische geleidbaarheid van de grond bijwerken naar de juiste waarde? Kunnen we het ontwerp wijzigen?
4. Wat gebeurt er met het temperatuurprofiel als we de vloeistof veranderen in water?
5. Hoe kunnen we ons boorveld herontwerpen om kostenefficiënter te zijn?
6. Wat gebeurt er met ons ontwerp als we overschakelen van een dubbele U-buis naar een enkele U-buis?

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

Het temperatuurprofiel van de oorspronkelijke simulatie toont een maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 17,17°C, wat iets boven de ontwerpdrempel van 17°C ligt. Op het eerste gezicht zou dit kunnen suggereren dat het boorgat te klein is. Maar is dat echt het geval?

Niet noodzakelijkerwijs.

Bij het ontwerpen van boorvelden zijn er altijd onderliggende aannames, zowel in de invoergegevens (bijv. belastingsschattingen, operationele omstandigheden) als in het model zelf (bijv. het verwaarlozen van grondwaterstroming, zoals besproken in de volgende paragraaf). hier). Deze vereenvoudigingen kunnen leiden tot kleine afwijkingen van het werkelijke gedrag van het systeem.

Gezien de schaal van het project en de methode die is gebruikt om de koelvraag te schatten, is een resultaat van 17,17°C nog steeds acceptabel binnen de verwachte onzekerheidsmarge. Voor projecten met striktere thermische beperkingen of wettelijke vereisten kan zelfs een overschrijding van 0,17°C kritisch zijn en moet deze worden aangepakt.

De totale benodigde boorlengte voor deze configuratie (15 × 13 boorgaten op 150 m diepte) bedraagt ongeveer 29000 m.

Vraag 2

Als we de maximaal toegestane boordiepte verlagen tot 100 m, verlagen we de huidige diepte met 33%. Instinctief zouden we dus verwachten dat we het aantal boorgaten met dezelfde 33% zouden verhogen om op dezelfde totale boorgatlengte uit te komen. Wanneer we de simulatie uitvoeren, komen we uit op een boorveld van 17 × 13 met een totale boorgatlengte van 21879 m, wat beduidend minder is dan in vraag 1. Dit heeft twee hoofdredenen. Hiervoor zijn twee hoofdredenen:

• Ten eerste, omdat we nu minder diep boren, is de bodemtemperatuur lager door de thermische gradiënt. Aangezien dit boorveld wordt beperkt door de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur, betekent een lagere bodemtemperatuur dat er minder boorgaten nodig zijn. (Als u ons artikel over de grondeigenschappen nog niet hebt gelezen, kunt u het vinden op hier).

• Ten tweede, omdat de boorgaten nu korter zijn, is de effectieve thermische weerstand van het boorgat ook iets hoger. Dit komt doordat er minder thermische kortsluiting is tussen de poten in de U-buizen. (Meer informatie over de boorgatweerstand vind je in ons artikel hier).

Vraag 3

Als je het je herinnert, hebben we de boordiepte veranderd maar de grondeigenschappen constant gehouden (of misschien heb je ze zelf veranderd, wat nog beter is!). Omdat we nu minder in de kleilaag boren, stijgt de geleidbaarheid van 1,6 W/(mK) naar 1,7 W/(mK). Dit verlaagt de temperatuur tot 16,66 °C, door een iets betere warmteoverdracht in de grond en een nog lagere ongestoorde bodemtemperatuur.

!Let op
Op het eerste gezicht lijkt het misschien vreemd dat de bodemtemperatuur verandert als we de diepte van het boorgat niet veranderen. Dit komt omdat de ongestoorde bodemtemperatuur wordt berekend op basis van de geothermische warmteflux (die constant blijft) en het geleidingsvermogen van de grond. In een slecht geleidende laag stijgt de bodemtemperatuur sneller dan in een goed geleidende laag. Daarom verlaagt het veranderen van de gemiddelde thermische geleidbaarheid van de grond naar een hogere waarde de temperatuurgradiënt, wat resulteert in een lagere ongestoorde bodemtemperatuur.

Door deze hogere thermische geleidbaarheid van de grond kunnen we de grootte van het boorveld terugbrengen tot 16 × 13 boorgaten en toch onder onze drempelwaarde van 17 °C blijven, wat resulteert in een totale boorlengte van 20592 m.

Let op
Deze vraag illustreert het belang van het bijhouden van de verschillende grondlagen en het potentiële gevaar van het aannemen van een homogene grond.

Vraag 4

Aangezien de vloeistoftemperaturen relatief hoog zijn, is het niet echt nodig om antivries te gebruiken (en zeker geen 30 v/v% MPG, die vorstbescherming biedt tot -14 °C). Daarom zetten we het percentage op nul en verhogen we de drempel voor de gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof naar 5,5 °C. Hierdoor daalt de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur naar 16,25 °C.

!Let op
Deze temperatuur is afhankelijk van je specifieke vereisten voor de warmtepomp. Doorgaans is een condensoruittredetemperatuur van 4 °C toegestaan. Als je dan uitgaat van een $\Delta T$ van 3 °C over de condensor, kom je uit op een gemiddelde vloeistoftemperatuur van 5,5 °C.

Het Reynoldsgetal, zowel voor extractie als injectie, verschuift nu van het laminaire gebied naar het transiënte en zelfs turbulente regime. Dit verlaagt de gemiddelde thermische weerstand in het boorgat, wat leidt tot een lagere bodemtemperatuur.

Vraag 5

Door deze verbeterde warmteoverdracht kan het boorveld verder worden verkleind tot bijvoorbeeld 14×13 boorgaten, wat resulteert in een maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 16,88 °C en een totale boorgatlengte van 18018 m, wat aanzienlijk minder is dan de 29000 m waarmee we begonnen!

Vraag 6

Als laatste variatie veranderen we de dubbele U DN32 in een enkele DN32 pijp. Dit verhoogt de effectieve warmteweerstand van het boorgat, wat resulteert in een hogere maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur. Om binnen onze temperatuurgrenzen te blijven, moeten we het aantal boorgaten weer verhogen naar 15×13, waardoor we uiteindelijk uitkomen op een totale boorgatlengte van 19305 m.

!Let op
Het is misschien verrassend dat de omschakeling van een dubbele U naar een enkele U de totale boorgatlengte aanzienlijk vergroot. Normaal gesproken, als de dubbele U in een laminaire stroming werkt, leidt overschakeling naar een enkele U tot turbulente stroming, waardoor de warmteoverdracht verbetert en de totale boorgatlengte min of meer gelijk blijft. Maar omdat de dubbele U in dit geval al in een turbulent regime werkte, heeft het overschakelen op een enkele U alleen maar het warmteoverdrachtsgebied verkleind, wat resulteert in een hogere effectieve warmteweerstand van het boorgat.

Conclusie

Deze oefening demonstreerde de verschillende ontwerpstrategieën die beschikbaar zijn bij het dimensioneren van een boorgat voor een gebouw met een hoge koelvraag. Door weloverwogen beslissingen te nemen, slaagden we erin om de totale lengte van het boorgat terug te brengen van 29055 m naar 18018 m, dankzij de lagere ongestoorde bodemtemperatuur en de verbeterde thermische weerstand van het boorgat bij gebruik van water in plaats van MPG. Overschakelen op een enkele U-configuratie bleek in dit project geen voordeel op te leveren, omdat de vloeistof zich al in een turbulent regime bevond.

Referenties

• Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.