Hybride systemen simuleren met GHEtool

Tot nu toe bood GHEtool de mogelijkheid om hybride systemen te optimaliseren, maar vandaag introduceren we een geheel nieuwe simulatiemodule. Nu zowel simulatie als optimalisatie beschikbaar zijn, beschikt u over de complete gereedschapskist om betere, efficiëntere hybride geothermische systemen te ontwerpen.

Wat je moet weten over hybride systemen

We hebben al heel wat artikelen geschreven over de optimalisatie van hybride systemen. In een eerste artikel, introduceerden we het concept van hybride systemen en geothermisch potentieel. Hybride systemen werden gedefinieerd als de combinatie van verschillende verwarmings- en koeltechnologieën die samen voldoen aan de thermische vraag van het gebouw. Dit kan een grondwarmtepomp (GSHP) zijn in combinatie met een luchtwarmtepomp (ASHP), een droge koeler met een GSHP, enzovoort.

De dimensionering van een hybride systeem is niet triviaal, laat staan een hybride geothermisch systeem. Daarom hebben we in een tweede artikel, hebben we twee ontwerpmethodologieën geïntroduceerd om hierbij te helpen: optimaliseren voor vermogen en optimaliseren voor energie. De eerste aanpak resulteert in een systeem met de laagste investeringskosten (door de 0% oversizing), maar een deel van het geothermische potentieel blijft ongebruikt. Als je in plaats daarvan het systeem optimaliseert voor maximale energie-uitwisseling, dan oversizeer je bewust de GSHP om meer energie uit te wisselen met de grond, wat de operationele kosten verlaagt. Een voorbeeld hiervan werd behandeld in een derde artikel.

Een verdere innovatie kwam met de introductie van een meer algemene aanpak: optimaliseren voor balans, zoals besproken in onze vierde artikel. Hier kun je ervoor zorgen dat de verdeling tussen geothermische energie/vermogen en de hulpsystemen zo gebeurt dat er slechts een bepaalde, gecontroleerde onbalans overblijft.

Samen vormen deze drie methodologieën een krachtige toolkit voor het vinden van optimale oplossingen. Er ontbrak echter nog één belangrijk element: de flexibiliteit om je eigen controlestrategie te implementeren.

Hybride systemen simuleren

Het verschil tussen optimalisatie en simulatie

Alle methoden die momenteel beschikbaar zijn in GHEtool Cloud zijn optimalisatiemethoden. Dit betekent dat je, gegeven bepaalde randvoorwaarden zoals een vaste boorveldgrootte en een thermische vraag per uur, het geothermische aandeel maximaliseert door te optimaliseren voor vermogen, energie of balans. Dit proces kan wat traag zijn, omdat er vele herhalingen voor nodig zijn. Dat is precies waar de flexibiliteit van simulatie om de hoek komt kijken.

Bij het simuleren van een hybride systeem begin je nog steeds met dezelfde bekende omstandigheden (de grootte van je boorveld en de thermische vraag per uur), maar nu definieer je ook de regelstrategie van je hybride systeem. Dat wil zeggen, bij welke drempeltemperatuur schakelt een bepaalde technologie in of uit? Met deze strategie en een gegeven weerbestand kan de geothermische vraag direct worden berekend op basis van de besturingslogica, waardoor iteratie niet meer nodig is. Dit maakt simulaties aanzienlijk sneller. Het nadeel is echter dat je niet noodzakelijkerwijs met de optimale oplossing werkt.

!Let op
Als je de optimalisatiemethoden gebruikt, is er een regelstrategie nodig. Aangezien je wilt dat de vloeistoftemperaturen binnen bepaalde grenzen blijven, zal het optimalisatiealgoritme de belasting overeenkomstig aanpassen om aan deze vereiste te voldoen. Hoewel deze regelstrategie in werkelijkheid kan worden gerepliceerd door een instelpunt voor de regelaar te gebruiken op basis van de temperatuur van de geothermische vloeistoffen, is dit niet eenvoudig.

Drie voorbeelden van simulatie van hybride systemen

Stel je voor dat je een groot commercieel gebouw hebt, waar een deel van de belasting wordt geleverd door een GSHP en een deel door een ASHP. Aangezien je weet dat wanneer de buitenluchttemperatuur boven 10 °C is, je ASHP een hoger rendement heeft dan je GSHP, is het logisch - vanuit het oogpunt van elektriciteitsverbruik - om bij voorkeur de ASHP te gebruiken in plaats van de GSHP. Dit kan eenvoudig worden gemodelleerd door de ASHP te definiëren als een hybride verwarmingstechnologie die werkt boven een drempeltemperatuur.

Een andere situatie kan zich bijvoorbeeld voordoen bij renovatie. Stel je voor dat je een (niet zo goed geïsoleerd) schoolgebouw hebt met hoge temperatuur emissiesystemen die worden gevoed door een gasketel. In de herfst en lente kan de GSHP dit gebouw perfect verwarmen, maar als het buiten te koud wordt, schakelt de gasketel in om de vereiste hogere temperaturen te leveren. Dit kan worden gemodelleerd door een hybride verwarmingssysteem dat werkt onder een temperatuurdrempel.

Een laatste voorbeeld is een kantoorgebouw waar de luchtbehandelingskast (AHU) moeite heeft om de lucht te koelen met behulp van de passieve temperaturen van het boorveld als het buiten te warm is. Een oplossing zou kunnen zijn om de AHU uit te rusten met een actieve component die inschakelt om de lucht te koelen. hybride koeling boven een bepaalde temperatuurdrempel.

!Let op
Er is ook nog een vierde optie, waarbij een hybride systeem voor koeling zorgt wanneer de buitenluchttemperatuur onder een bepaald niveau zakt. Dit kan bijvoorbeeld koeling door nachtventilatie zijn. Aangezien dit niet echt een ‘systeem’ is, wordt deze optie - hoewel aanwezig in GHEtool - niet verder besproken.

Hieronder bespreken we hoe je GHEtool Cloud kunt gebruiken om deze systemen te simuleren.

Hybride systemen simuleren met GHEtool Cloud

Binnen GHEtool heb je nu de optie (wanneer je een belastingsprofiel per uur hebt geüpload) om een hybride systeem toe te voegen bij het berekenen van het temperatuurprofiel. Hieronder ziet u een screenshot van het invoergedeelte.

!Let op
Aangezien simulatie, zoals hierboven besproken, geen iteratief proces is, is het ook mogelijk om een hybride systeem toe te voegen bij het berekenen van de vereiste boorgatdiepte.

Ten eerste, aangezien deze hybride systeemsimulaties allemaal gebaseerd zijn op een drempelwaarde voor de buitenluchttemperatuur, is een EPW weerbestand nodig. Idealiter wordt hetzelfde weerbestand dat wordt gebruikt voor de berekening van de uurbelasting ook gebruikt voor de simulatie, zodat de thermische piekvraag samenvalt met de juiste weersinformatie.

!Let op
Bij het zoeken naar weerbestanden, https://climate.onebuilding.org/ biedt gratis EPW-bestanden voor bijna alle regio's in de wereld voor verschillende jaren.

Vervolgens heb je de optie om tot vier verschillende hybride systemen toe te voegen, elk met zijn eigen temperatuurdrempel waarboven of waaronder het respectieve hybride systeem de voorkeur krijgt om te verwarmen of te koelen. Voor elke hybride verwarmings-/koelingoptie kunt u ook het vermogen van dat hybride systeem opgeven.

Let op!
Hoewel er vier afzonderlijke ingangen zijn voor hybride systemen, betekent dit niet noodzakelijk dat er vier verschillende systemen moeten worden gemodelleerd. Het is perfect mogelijk om een enkele ASHP te modelleren die zowel verwarming boven een bepaalde drempel als koeling boven een bepaalde drempel levert.

Voorbeeld met hybride verwarming

De grafiek hieronder toont de energieverdeling voor een situatie met een hybride verwarmingssysteem dat 100 kW verwarming levert als de buitentemperatuur onder 2 °C zakt. Zoals in de figuur te zien is, treedt dit (voor dit weerbestand) alleen op in januari, februari en december. In de andere maanden is het effect verwaarloosbaar.

Als er nog een hybride systeem wordt toegevoegd, dat 200 kW levert en werkt wanneer de buitentemperatuur boven 10 °C ligt, ziet het profiel eruit zoals hieronder. Hier is te zien dat het aandeel van geothermische verwarming aanzienlijk lager is, wat leidt tot een andere onbalans en dus een ander resulterend temperatuurprofiel.

Het boorveldvermogen beperken

Als laatste optie is het ook mogelijk om het maximale geothermische vermogen te beperken. Stel bijvoorbeeld dat u een verwarmingsvraag hebt van 536 kW en dat er al een ASHP is geïnstalleerd voor extra koeling in de zomer. Je zou dan het piekvermogen van de GSHP kunnen beperken tot bijvoorbeeld 475 kW. Dit betekent dat er in uw resultaten nu sprake zal zijn van ‘overtollige verwarming’, aangezien 100% van de verwarmingsbelasting niet kon worden vervuld door de GSHP.

In werkelijkheid kan uw ASHP echter dit deel van de belasting op zich nemen, waardoor u nog een andere manier krijgt om hybride systemen te ontwerpen en te simuleren. Hieronder ziet u een voorbeeld, waarbij ongeveer 1,3% van de jaarlijkse verwarmingsvraag nu is gemarkeerd als ‘overtollige verwarming’.

Conclusie

De nieuwe module voor het simuleren van hybride systemen is een perfecte aanvulling op de optimalisatiemethoden die al beschikbaar waren. Hoewel het niet de beste oplossing garandeert, biedt het een zeer eenvoudige manier om het gedrag van hybride systemen in de praktijk te simuleren.

Referenties

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