In dit artikel introduceren we de nieuwste functie in GHEtool Cloud: werken met variabele debieten. Lees meer over deze belangrijke verandering, waarom het belangrijk is, welke voordelen het biedt en hoe het mogelijk de manier kan veranderen waarop u in de toekomst boorvelden ontwerpt.
Een kleine samenvatting van natuurkunde
Om de voordelen van het werken met een variabel debiet te begrijpen, zullen we eerst enkele van de eerdere inhoud in deze kennisbank herhalen, namelijk de effectieve thermische boorgatweerstand, het Reynoldsgetal en variabele vloeistofeigenschappen.
Effectieve thermische boorgatweerstand
De effectieve warmteweerstand van het boorgat is een van de belangrijkste parameters bij het ontwerp van een geothermisch boorveld, omdat deze aangeeft hoe gemakkelijk warmte kan worden overgedragen van de vloeistof naar de grond. Vanuit het oogpunt van ontwerp wil je deze weerstand altijd zo klein mogelijk houden om het meest efficiënte ontwerp te krijgen. Meer informatie over deze weerstand is te vinden in dit artikel.
Deze weerstand is een combinatie van meerdere ontwerpcriteria, zoals de grout, de boorgatdiameter en het type warmtewisselaar dat wordt gebruikt, en wordt weergegeven in de onderstaande tekening.
Hoewel al deze weerstanden een belangrijke rol spelen in de boorgatweerstand, moet er een belangrijk onderscheid worden gemaakt. Zowel de leidingweerstand als de weerstand van de grout zijn constant en worden bepaald tijdens de ontwerpfase, omdat ze van nature geleidend zijn. Dit betekent dat wanneer eenmaal een bepaalde buisconfiguratie en thermische geleidbaarheid van de grout zijn geselecteerd, deze weerstanden constant zijn en niet meer zullen veranderen gedurende de simulatieperiode.
De situatie is anders voor de weerstand van de vloeistofleiding. Omdat deze weerstand convectief is, hangt hij via het Reynoldsgetal af van de vloeistofeigenschappen.
Reynoldsgetal
Het Reynoldsgetal, dat in meer detail wordt besproken in dit artikel is een niet-dimensionaal getal dat informatie geeft over het stromingsregime van de vloeistof, of het laminair, turbulent of ergens in de overgangszone is. Dit wordt hieronder weergegeven.
Afhankelijk van het stromingsregime zal de convectieve weerstand en dus ook de effectieve warmteweerstand van het boorgat verschillend zijn. Bij laminaire stroming is de warmteoverdracht slechter, hoewel de drukval lager is, terwijl bij turbulente stroming de warmteoverdracht veel beter is.
Het Reynoldsgetal wordt als volgt gedefinieerd: $$Re=\frac{{rho D \dot{V}}{{mu}$$ waarbij:
- $\rho$ de dichtheid van de vloeistof is [kg/m³].
- $D$ de diameter van de buis is [m].
- $\dot{V}$ de snelheid van de vloeistof in de leiding is [m/s].
- $\mu$ de dynamische viscositeit van de vloeistof [pa s]
Naast de diameter van de buis variëren alle parameters in bovenstaande vergelijking in de loop van de simulatieperiode, waardoor het Reynoldsgetal, de convectieve warmteoverdracht en uiteindelijk de effectieve warmteweerstand van het boorgat veranderen. Historisch werd echter aangenomen dat dit Reynoldsgetal en de bijbehorende weerstanden constant waren.
Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door het feit dat geothermische boorvelden oorspronkelijk werden gedimensioneerd voor gebruik met bodemwarmtepompen voor ruimteverwarming in gebouwen, wat betekende dat alleen de boorgatweerstand en het bijbehorende Reynoldsgetal aan het einde van de simulatie als relevant werden beschouwd.
Met GHEtool willen we de nauwkeurigheid van boorveldontwerpen vergroten. Daarom hebben we kort voor de zomer van 2025 besloten om deze aanname in twee stappen te schrappen:
- Variabele vloeistofeigenschappen implementeren, geïmplementeerd op 27/05/2025
- Implementeer variabele stroomsnelheden, vandaag vrijgegeven
Variabele vloeistofeigenschappen
De eerste stap naar een nauwkeuriger ontwerp was om de vloeistofeigenschappen, namelijk dichtheid en dynamische viscositeit, variabel te maken als functie van de vloeistoftemperatuur. In de onderstaande grafiek wordt de afhankelijkheid van het Reynoldsgetal getoond voor twee monopropyleenglycolmengsels bij verschillende temperaturen.
Wanneer je warmte onttrekt, liggen de temperaturen meestal rond 0 tot 5°C, terwijl ze in het tussenseizoen of tijdens warmte-injectie 10 tot 20°C hoger kunnen liggen. Dit temperatuurverschil heeft een aanzienlijk effect op het Reynoldsgetal in de simulatie, de convectieve warmteoverdracht, de boorgatweerstand en uiteindelijk het ontwerp.
In ons vorige voorbeeld lieten we zien dat deze verbetering alleen al een aanzienlijke invloed kan hebben op het ontwerp van boorvelden met een hoge koel- en warmte-injectiebehoefte. Omdat het Reynoldsgetal nu ook voor warmte-injectie nauwkeuriger wordt berekend, zijn de piektemperaturen van de vloeistof meestal lager, wat leidt tot beter haalbare geothermische boorveldontwerpen. Het volledige voorbeeld is te vinden in ons artikel over dit onderwerp.
Variabele stroomsnelheden
Naast de temperatuurafhankelijke vloeistofeigenschappen is er nog een parameter in het Reynoldsgetal die varieert in de tijd, namelijk de vloeistofsnelheid.
Historisch is de aanname geweest dat er een constant debiet wordt gebruikt door het boorveld, gelijk in alle maanden en zowel bij verwarming als bij koeling. Maar is dit nauwkeurig? Kijk bijvoorbeeld eens naar het vraagprofiel per uur van een kantoorgebouw.
In dit profiel kun je duidelijk zien dat het piekvermogen voor koeling bijna twee keer zo hoog is als het piekvermogen voor verwarming. Is het debiet in beide gevallen echt hetzelfde? Stel je voor dat je dit gebouw verwarmt met een modulerende warmtepomp, zoals besproken in dit artikel). Deze warmtepompen hebben meestal ook een modulerend debiet, wat betekent dat zelfs bij verwarmen en koelen het debiet waarschijnlijk niet hetzelfde zal zijn.
Als we de nauwkeurigheid van onze simulaties willen verbeteren, is het belangrijk om de aanname van een constante stroomsnelheid te verwijderen en er tegelijkertijd voor te zorgen dat de simulatie net zo snel en gemakkelijk te gebruiken blijft als voorheen. Dit kan worden bereikt door te kijken naar een van de centrale vergelijkingen in warmteoverdracht.
Een belangrijke vergelijking
Een van de belangrijkste formules voor warmteoverdracht is de volgende: $$\dot{Q}=\dot{m}\dot C_p \dot \Delta T$$ waar:
- $\dot{Q}$ het vermogen is dat in het boorgat wordt geïnjecteerd of eraan wordt onttrokken [kW].
- $\dot{m}$ de massastroom door het gehele boorgat is [kg/s].
- $C_p$ de specifieke warmtecapaciteit van de vloeistof is [kJ/(kgK)].
- $\Delta T$ het temperatuurverschil is tussen de inlaat en de uitlaat van het boorgat [°C].
In deze vergelijking is $\dot{Q}$ bekend is, omdat de vraag naar verwarming en koeling of extractie en injectie een invoer is voor de software. Met de implementatie van temperatuurafhankelijke vloeistofeigenschappen, $C_pis ook bekend. Wat overblijft zijn de massastroom en het temperatuurverschil tussen de inlaat en de uitlaat.
Als je naar de bovenstaande formule kijkt, zijn beide uitwisselbaar. Of je stelt een constant debiet in en het temperatuurverschil zal toe- of afnemen afhankelijk van de belasting, of je stelt het temperatuurverschil in als een constante, wat in de praktijk resulteert in een variabel debiet.
Het moge duidelijk zijn dat de eerste benadering van oudsher wordt gebruikt, maar in werkelijkheid is de tweede benadering meestal nauwkeuriger, omdat er in de meeste gevallen een regelstrategie is die het debiet moduleert om een bepaalde $\delta T$.
Werken met een constante $\Delta T$
Als we met een variabel debiet willen werken met de constante $ en delta T$-benadering, dan hebben we wat informatie nodig:
- $\Delta T$ tijdens injectie [°C]
- $\Delta T$ tijdens extractie [°C]
- Minimumdebietpercentage [%]
Omdat het kan voorkomen dat het vereiste temperatuurverschil over het boorveld verschillend is tijdens extractie en injectie, hebben we besloten om je de optie te geven om deze afzonderlijk te definiëren. Daarnaast is een minimaal debietpercentage vereist, meestal tussen 10 en 30%. Dit is belangrijk omdat de circulatiepomp over het algemeen niet zal werken bij 1 tot 2% van zijn piekdebiet.
!Let op
Wanneer het minimale debiet niet wordt gespecificeerd, kunnen er onverwachte pieken optreden in de simulatie wanneer er met een belastingsprofiel per uur wordt gewerkt. Door de manier waarop deze profielen zijn opgebouwd, zijn er meestal enkele uren met een extreem kleine verwarmings- of koelvraag. In het bovenstaande kantoorvoorbeeld is het piekvermogen 350 kW, maar er zijn ook waarden van 1 kW in de simulatie. Dit zou resulteren in een extreem laag debiet met een onrealistisch hoge boorgatweerstand. Door een minimaal debietpercentage te definiëren, wordt dit probleem vermeden. We komen hier later in het artikel op terug.
Voorbeeld van werken met variabele stroomsnelheden
Om het belang van variabele debieten te illustreren, gaan we terug naar het eerder besproken kantoorgebouw. We meten het boorgat en berekenen vervolgens de boorgatweerstand en de vloeistoftemperaturen met zowel een constant als een variabel debiet, waarbij we ervoor zorgen dat de piekdebieten in beide gevallen gelijk zijn. De thermische weerstand van het boorgat voor het eerste jaar wordt weergegeven in de onderstaande grafiek.
Het is duidelijk dat de boorgatweerstanden verkregen met een variabel debiet en een constant debiet totaal verschillend zijn, hoewel ze op bepaalde momenten in de zomer identiek zijn. Dit komt doordat het constante debiet expliciet is ingesteld om overeen te komen met het maximale debiet dat bij het variabele debiet is gebruikt. De tweede observatie is dat de variatie in boorgatweerstand voor het constante debiet, die alleen wordt veroorzaakt door variërende vloeistofeigenschappen, kleiner is dan die voor een variabel debiet met een constant temperatuurverschil.
Het boorgat hierboven was ontworpen met een enkele U-sonde, die bij het piekdebiet gedurende de hele simulatieperiode in het turbulente regime bleef. Dit verklaart waarom de variatie in boorgatweerstand bij een constant debiet minimaal is. Wanneer daarentegen een variabel debiet wordt gebruikt, is het piekvermogen tijdens verwarming en dus extractie bijna twee keer zo laag als het vermogen tijdens koeling of injectie. Als gevolg hiervan is de stroomsnelheid ook aanzienlijk lager, wat leidt tot laminaire stroming en een hogere boorgatweerstand, zoals ook besproken in dit artikel.
In de onderstaande grafiek wordt het gevolg van dit gedrag voor de vloeistoftemperaturen in het boorgat getoond.
Net als bij de boorgatweerstand is het duidelijk dat de vloeistoftemperaturen overeenkomen tijdens de piek van de afkoeling in de zomer. Als we echter kijken naar de tussenseizoenen of de periodes tijdens verwarming, zien we dat het constante debiet leidt tot een overschatting van de vloeistoftemperaturen. In werkelijkheid zal de boorgatweerstand hoger zijn door een lager debiet en zullen de vloeistoftemperaturen dus lager zijn.
Voordelen
Wat zijn de voordelen van het werken met een constant temperatuurverschil in plaats van een constant debiet?
- Het is nauwkeuriger. Zoals het bovenstaande voorbeeld laat zien, overschat het aannemen van een constant debiet het debiet tijdens perioden met een lagere piekvraag en is daarom minder representatief voor de werkelijkheid.
- Het is eenvoudiger. Voorheen moest je de stroomsnelheid zelf berekenen, met behulp van vuistregels of de eerder genoemde vergelijking. Nu berekent GHEtool het voor je, waardoor je een extra stap overslaat.
- Het geeft meer inzicht. Met de optie om met temperatuurverschillen te werken, kun je gevoeligheidsanalyses uitvoeren door de $\Delta T$ tijdens extractie en injectie te veranderen en te beoordelen hoe dit het ontwerp beïnvloedt vanuit zowel thermisch als hydraulisch perspectief.
Geïmplementeerd in GHEtool
Deze aanpak met constant temperatuurverschil is geïmplementeerd in het tabblad ‘Boorgatweerstand’ in GHEtool. Hier is een extra sectie voor het debiet beschikbaar, waar u eenvoudigweg de benadering met constant temperatuurverschil kunt selecteren in plaats van de traditionele optie met constant debiet. Zo eenvoudig is het.
!Let op
In de voorbeelden hierboven werden belastingsprofielen per uur gebruikt, maar een variabel debiet kan ook worden toegepast in maandelijkse simulaties. Daarom, het is beschikbaar voor alle gebruikers van GHEtool Cloud!
Op het tabblad resultaten hebben we ook het gedeelte over hydraulisch ontwerp bijgewerkt (lees meer hier), zoals hieronder te zien is.
Omdat de stroomsnelheden nu aanzienlijk kunnen variëren, zijn de resultaten gedupliceerd zodat u duidelijk onderscheid kunt maken tussen het extractiebereik en het injectiebereik, die verschillende stroomsnelheden, verschillende drukverliezen en verschillende vereiste pompvermogens hebben. Door het temperatuurverschil in zowel extractie als injectie aan te passen, zullen deze twee situaties veranderen, waardoor u de optimale omstandigheden voor uw boorgat kunt bepalen.
Verdere stappen
Met de huidige implementatie van variabele stroomsnelheden is de effectieve thermische boorgatweerstand nu volledig variabel in de tijd, wat de meest nauwkeurige resultaten oplevert binnen dit kader. Het boorgatweerstandsmodel zelf bevat echter nog steeds een aantal aannames, omdat het gebaseerd is op steady state condities. Dit betekent dat er geen rekening wordt gehouden met de thermische traagheid van de vloeistof en de grout.
Wanneer bijvoorbeeld een bepaald piekvermogen optreedt, is het effect onmiddellijk zichtbaar in zowel de vloeistoftemperatuur als de bodemtemperatuur. In werkelijkheid wordt de vloeistof echter eerst opgewarmd, wat afhankelijk van het totale volume enige tijd kan duren. Daarna reageert de mortel en pas na enkele uren ondervindt de grond dit effect. Als gevolg hiervan zijn de piektemperaturen in werkelijkheid meestal lager dan die voorspeld door een steady state-aanname.
!Let op
Dit is ook de reden waarom thermische responsietests zo lang duren. Ze moeten verder gaan dan dit voorbijgaande gedrag, zoals uitgelegd hier.
De volgende stap in het verbeteren van de nauwkeurigheid van GHEtool Cloud is daarom niet het verder verfijnen van de boorgatweerstandsbenadering, maar het volledig verwijderen ervan. Wordt vervolgd.
Conclusie
In dit eerste artikel van 2026 hebben we ons gericht op variabele debieten. Er is aangetoond dat de aanname van een constant debiet niet alleen onnauwkeurig is, maar ook een te optimistisch beeld kan geven in perioden waarin het debiet aanzienlijk afwijkt van het piekdebiet in het ontwerp.
Werken met een constant temperatuurverschil tussen de boorgatinlaat en -uitlaat is een nauwkeurigere manier om vloeistoftemperaturen te simuleren zonder de complexiteit van de simulatie te vergroten. Omdat het debiet niet meer handmatig berekend hoeft te worden, is de aanpak zelfs sneller.
Dit markeert de voltooiing van ons tweestappenproces om de berekening van de boorgatweerstand variabel in de tijd en nauwkeuriger te maken. Dit is echter niet het einde van het verhaal, het is slechts het einde van het begin. Over een paar maanden presenteren we een nieuw plan waarin we beschrijven hoe we de nauwkeurigheid van GHEtool naar een hoger niveau kunnen tillen. Blijf kijken.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.