Nu gebouwen steeds complexer en veelzijdiger worden, wijken onze boorveldontwerpen ook af van de traditionele rechthoekige configuratie. In dit artikel gaan we in op het belang van het gebruik van de werkelijke coördinaten van de boorgaten wanneer we te maken hebben met onregelmatige boorgatconfiguraties, evenals het belang van de diepte van het boorgat.
De oefening
Steeds vaker zijn boorveldconfiguraties onregelmatig, met sommige boorgaten aan andere zijden van het project of zelfs onder het gebouw. De meeste ontwerpers gebruiken echter nog steeds de traditionele rechthoekige lay-out om het totale aantal boorgaten te bepalen, wat vaak resulteert in te grote systemen.
In deze oefening onderzoeken we het verschil in temperatuur tussen een rechthoekige configuratie met 90 boorgaten en de werkelijke onregelmatige configuratie met hetzelfde aantal boorgaten. Daarnaast bespreken we het belang van de diepte van het boorgat en bekijken we opnieuw het onderscheid tussen boorgatlengte en -diepte.
De casus die wordt gebruikt om deze aspecten te illustreren is een gebouw met meerdere voorzieningen, bestaande uit winkels, woningen en kantoren.
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 (actieve koeling)
- Simulatieperiode: 50 jaar
- Eerste maand van de simulatie: Januari
Bodemingangsparameters
- Warmtegeleidingsvermogen bodem: 1,6 W/(mK)
- Volumetrische warmtecapaciteit: 2,4 MJ/(m³K)
- Oppervlaktetemperatuur: 10°C
- Geothermische warmteflux: 0,8 W/m²
Ingangsparameters boorgatweerstand
De parameters voor de pijp zijn:
- Enkele 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: 39 mm
- Grout: 1,8 W/(mK)
De vloeistof is 25 v/v% MPG met een stroomsnelheid van 40 l/s voor het hele boorgat.
Invoerparameters thermische belasting
Aangezien dit een gebouw is met meerdere nutsvoorzieningen, met verschillende gebruikers en belastingsprofielen, zijn de gegevens enigszins voorbewerkt. Daarom werken we in plaats van met de gebouwbelasting nu rechtstreeks met de grondbelasting (dat wil zeggen de warmte-injectie en -afvoer) en zijn de SEER en SCOP waarden niet langer nodig.
- Piekvraag voor extractie: 475 kW
- Piekvraag injectie: 400 kW
- Jaarlijkse vraag naar extractie: 477 MWh
- Jaarlijkse injectievraag: 380 MWh
- Piekduur extractie: 20 uur
- Piekduur injectie: 8 uur
Borefield configuratie
Het hier besproken project heeft 90 boorgaten die in een onregelmatig raster zijn gerangschikt, zoals te zien is in de onderstaande figuur. Deze coördinaten zijn gemeten tijdens de daadwerkelijke bouw van het project, maar ze kunnen bijvoorbeeld ook worden geëxporteerd uit een AutoCAD-bestand (zoals we hebben besproken in dit artikel).
!Let op
Als je de oefening zelf wilt doen, kun je de coördinaten downloaden hier.
De hierboven getoonde configuratie kan natuurlijk niet worden gebruikt voor het ontwerp in een vroege haalbaarheidsfase. Daarom gaan we uit van een rechthoekige configuratie van 5 bij 18 boorgaten, met een afstand tussen de boorgaten van 5,5 m.
De verticale structuur van het boorgat wordt geïllustreerd in de onderstaande figuur. Zoals te zien is, worden de boorgaten geïnstalleerd onder het gebouw, waar de begane grond zich op 5 m boven zeeniveau (a.s.l.) bevindt. Tijdens de bouw wordt een eerste uitgravingsput gemaakt tot 0 m boven zeeniveau, waar de boringen plaatsvinden. De boorgaten worden geboord tot een diepte van 140 m, en sondes met een contragewichtbalans van 1,5 m lang worden geïnstalleerd.
Na het boren en installeren van de buizen wordt de bouwput verder verdiept tot -3 m boven zeeniveau, waar de keldervloer wordt aangelegd. Een halve meter lager worden de horizontale aansluitingen van de boorputten geïnstalleerd.
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 het temperatuurprofiel met behulp van het rechthoekige raster (waar je het boorveld invoert ten opzichte van het grondoppervlak of de diepte van de ondergrond).
- Bereken het temperatuurprofiel met een begraafdiepte van 0,7 m.
- Bereken het temperatuurprofiel met behulp van de echte boorveldcoördinaten.
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
De eerste uitdaging is het bepalen van de boorgatlengte, boordiepte en begraafdiepte in ons specifieke project. De begraafdiepte wordt gedefinieerd als het niveau van de horizontale buisverbindingen ten opzichte van het grondoppervlak. De actieve boorgatlengte is het verschil tussen het laagste punt van het boorgat en de diepte van het boorgat. De diepte van het boorgat is daarentegen het verschil tussen het laagste punt van het boorgat en het grondoppervlak.
!Let op
Als je ons artikel over dit onderwerp nog niet hebt gelezen, kun je het vinden hier.
In ons geval worden de boorgaten aangelegd op een niveau van 0 m boven zeeniveau. Na het boren worden de buizen 3,5 m lager aangesloten, aangezien de put verder wordt uitgegraven met 3 m en de buizen nog eens 0,5 m daaronder worden geïnstalleerd. Hoewel men geneigd is aan te nemen dat de diepte van de ondergrond dus 3,5 m is, is het belangrijk om te onthouden dat deze waarde moet worden gedefinieerd ten opzichte van het grondoppervlak, dat zich op 5 m boven zeeniveau bevindt.
Als we vervolgens het boorgat ten opzichte van het grondoppervlak willen definiëren, hebben we de boordiepte nodig. Hoewel de boordiepte 140 m is, is dit niet de werkelijke boordiepte, omdat deze gemeten moet worden ten opzichte van het grondoppervlak, dat 5 m hoger ligt. Dit brengt de werkelijke diepte van het boorgat op 145 m.
!Let op
Voor de volledigheid kan het boorveld ook worden gedefinieerd ten opzichte van de begraafdiepte. In dit geval is de boorgatlengte vereist. Deze parameter is niet gelijk aan 140 m, omdat 3,5 m van het boorgat wordt weggegraven. De werkelijke lengte van het boorgat is daarom 136,5 m, wat precies gelijk is aan de diepte van het boorgat min de diepte van het gat.
Het temperatuurprofiel voor dit initiële ontwerp wordt hierboven getoond. Na 50 jaar daalt de temperatuur tot -2,7°C, wat lager is dan de toegestane minimumgrens van -2°C voor dit project.
Vraag 2
Een vraag die kan rijzen is welk effect de diepte van de ondergrond heeft op dit resultaat, aangezien andere softwaretools, zoals Earth Energy Designer (EED), deze parameter niet nodig hebben (zoals we eerder bespraken in dit artikel). Daarom stellen we in deze ontwerpvariant de diepte van de ondergrond in op 0,7 m, wat bijvoorbeeld een situatie zou kunnen voorstellen waarbij het boorveld direct onder het grondoppervlak wordt geïnstalleerd in plaats van onder een gebouw. Het resulterende temperatuurprofiel wordt hieronder getoond.
Hoewel het nauwelijks zichtbaar is op de temperatuurgrafiek hierboven, is de gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof nu iets hoger (-2,35 °C in plaats van -2,7 °C). Dit komt omdat er dichter bij het grondoppervlak meer regeneratie is van de omgevingsluchttemperatuur naar de grond, wat resulteert in een lagere temperatuurdrift.
Aan de andere kant ligt het diepste punt van het boorveld (d.w.z. de diepte van het boorgat) nu ook dichter bij het oppervlak, zodat de gemiddelde bodemtemperatuur in dit geval 13,45°C is, vergeleken met 13,84°C eerder. Het feit dat de bodemtemperatuur lager is terwijl de vloeistoftemperatuur hoger is (wat onverwacht kan lijken), benadrukt hoe belangrijk het is om rekening te houden met de diepte van het boorgat in actuele ontwerpen.
Vraag 3
Als laatste ontwerpvariant zullen we de werkelijke onregelmatige boorveldconfiguratie simuleren. Dit kan eenvoudig door de coördinaten te importeren zoals we lieten zien in deze handleiding. Dit geeft het onderstaande temperatuurprofiel.
!Let op
Bij het werken met aangepaste of onregelmatige configuraties in GHEtool wordt uw exacte invoer gebruikt voor het ontwerp. In tegenstelling tot andere ontwerptools zet GHEtool de onregelmatige configuratie niet om in een traditioneel rechthoekig ontwerp dat alleen maar lijkt op uw lay-out, maar ontwerpt het direct met uw werkelijke projectconfiguratie.
We zien nu dat de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur -1,69°C is, wat boven de temperatuurdrempel van -2°C ligt en aanzienlijk hoger is dan de -2,7°C die werd verkregen met de traditionele rechthoekige configuratie. Wanneer de werkelijke configuratie van de boorgaten wordt gebruikt, is het boorveld correct gedimensioneerd (en misschien zelfs iets overgedimensioneerd), terwijl het oorspronkelijke ontwerp ondergedimensioneerd zou zijn geweest.
Conclusie
In deze oefening werd een boorveld met een onregelmatige boorgatconfiguratie onderzocht. Het bleek dat, in vergelijking met een traditioneel rechthoekig veld, de werkelijke onregelmatige configuratie resulteerde in een gemiddelde vloeistoftemperatuur die 1°C hoger lag, wat zou kunnen leiden tot een aanzienlijke besparing op de investeringskosten. Bovendien werd de invloed van de diepte van het boorgat aangetoond.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.