Dit artikel introduceert een doorbraak in de nauwkeurigheid van geothermische simulaties door de vloeistofeigenschappen in de tijd te laten veranderen, wat leidt tot nauwkeurigere en haalbaardere geothermische boorvelden. Deze veranderingen zijn nu standaard in GHEtool Cloud en beschikbaar voor iedereen.
Een lang verhaal kort
Om de belangrijke wijzigingen in de software te begrijpen, moeten we een groot deel van de inhoud van eerdere artikelen samenvatten. Hieronder herhalen we enkele van de belangrijkste ideeën uit deze artikelen zodat je het verhaal kunt volgen, maar we verwijzen naar de originele artikelen als je meer achtergrondinformatie wilt.
Thermische weerstand boorgat
De effectieve thermische weerstand van het boorgat (raadpleeg het artikel hier) beschrijft hoe gemakkelijk energie kan worden overgedragen van de vloeistof naar de grond. We hebben eerder besproken dat deze weerstand bestaat uit verschillende subweerstanden, die elk een grens vertegenwoordigen waar de energie doorheen moet om de grond te bereiken. Dit wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
Hoewel (bijna) al deze parameters door de ontwerper kunnen worden gewijzigd, is de thermische weerstand van de convectieve vloeistof ten opzichte van de pijp meestal degene die de meeste aandacht trekt, omdat deze van groot belang is. Hoe gemakkelijk de vloeistof energie uitwisselt met de pijp hangt af van het vloeistofregime (laminair, overgangs- of turbulent), dat wordt beschreven door het Reynoldsgetal.
Reynoldsgetal
Het getal van Reynolds is een dimensieloze grootheid die het stromingsregime van de vloeistof aangeeft. (Als je ons artikel over dit onderwerp nog niet hebt gelezen, kun je het vinden op hier). De onderstaande figuur toont de verschillende vloeistofregimes, variërend van laminaire tot turbulente stroming.
Als de stroomsnelheid vrij laag is, bewegen alle verschillende vloeistofdeeltjes parallel aan elkaar in wat een laminaire stroming wordt genoemd. Dit maakt het moeilijk om warmte uit te wisselen met de buisrand, omdat de vloeistofdeeltjes in het midden min of meer geïsoleerd zijn. Wanneer de stroomsnelheid toeneemt, gaat de vloeistof over in een turbulente stroming, waarbij de vloeistofdeeltjes constant worden gemengd. Dit leidt tot een betere warmteoverdracht (ten koste van een hoger energieverbruik van de pomp).
De overgang tussen laminaire en overgangsstroming, en tussen overgangsstroming en turbulente stroming, wordt bepaald door het getal van Reynolds, dat niet alleen afhangt van de stroomsnelheid, maar ook van vloeistofeigenschappen zoals dichtheid en dynamische viscositeit. Dit brengt ons bij de laatste stap in het verhaal.
Vloeistofeigenschappen
Niet alle vloeistoffen gedragen zich hetzelfde. Je kunt je voorstellen dat het gemakkelijker is om water door een systeem te pompen dan om honing door een pijp te pompen. Dit heeft te maken met de viscositeit van de vloeistof: een hogere viscositeit betekent dat het moeilijker is voor de vloeistof om over te gaan naar een turbulente fase. Hoe visceuzer je vloeistof is, hoe hoger de dynamische viscositeit en hoe lager je Reynoldsgetal.
Het belangrijkste punt is dat deze vloeistofeigenschappen niet constant zijn - ze zijn afhankelijk van de temperatuur van de vloeistof. Dit wordt getoond in de onderstaande figuur voor twee water-glycolmengsels van 20% en 30% MPG.
Hoe kouder de vloeistof wordt, hoe moeilijker het is om hem in een turbulent regime te brengen. De figuur hierboven laat zien dat wanneer je water-glycol (30%) mengsel rond de 0 graden is, je ver verwijderd bent van het turbulente regime, terwijl bij een temperatuur van 15°C je Reynoldsgetal bijna verdubbeld is, waardoor je veel dichter bij het voordelige transiënte stromingsregime komt.
Deze temperatuurafhankelijkheid van de vloeistofeigenschappen en de invloed ervan op het Reynoldsgetal is essentieel voor het begrijpen van het gedrag van geothermische systemen en is decennialang over het hoofd gezien.
Een beetje geschiedenis
Historisch gezien werden geothermische boorvelden uitgevonden als een stabiele en relatief hoge temperatuurbron voor grondwarmtepompen. De enige temperatuur die in dit geval van belang is, is de (langetermijn) gemiddelde minimumtemperatuur van de vloeistof. Omdat boorvelden altijd werden gedimensioneerd voor deze minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur, werden de vloeistofeigenschappen simpelweg berekend voor deze slechtst denkbare situatie (of zelfs lager, bij het vriespunt van het water-antivriesmengsel).
Pas sinds kort worden steeds meer boorvelden ook gebruikt voor koeling, waardoor het bereik van mogelijke vloeistoftemperaturen groter wordt. Zoals de bovenstaande grafiek laat zien, zijn de vloeistofeigenschappen bij het onttrekken van warmte aan het boorgat (bij bijvoorbeeld ongeveer 0°C) heel anders dan bij het injecteren van warmte in de grond tijdens koeling (bij ongeveer 15°C). Als dezelfde thermische weerstand van het boorgat wordt gebruikt voor zowel verwarming als koeling, wordt de warmte-uitwisseling bij koeling onderschat, wat soms leidt tot te grote of schijnbaar onhaalbare systemen.
Een sprong in nauwkeurigheid
Met GHEtool hebben we vanaf vandaag gebroken met deze decennia oude aanname. Vanaf nu houden al je geothermische simulaties standaard rekening met de temperatuurafhankelijkheid van de vloeistofeigenschappen. Elke maand, bij zowel verwarming als koeling - en indien nodig elk uur - zullen we de effectieve thermische weerstand van het boorgat herberekenen voor de specifieke temperatuur op dat moment, zodat je de meest nauwkeurige resultaten krijgt. Dit betekent ook dat je vanaf nu twee Reynoldsgetallen (voor zowel warmte-injectie als -extractie) en twee thermische weerstanden hebt voor elke simulatie.
Deze belangrijke verandering brengt twee praktische voordelen met zich mee: het vermindert het risico op overdimensionering wanneer een boorveld voornamelijk voor koeling (d.w.z. warmte-injectie) wordt ontworpen, en het verlaagt de kans op een gradiëntfout bij het berekenen van de vereiste boorgatdiepte. Beide worden hieronder verder uitgelegd.
Let op
Als je deze nieuwe, nauwkeurigere simulatiemethode gebruikt, kan het moeilijk zijn om je huidige simulaties te vergelijken met simulaties die eerder zijn gedaan (of met andere software). Als je een scenario wilt simuleren voor vergelijkingsdoeleinden, kun je de optie ‘Temperatuursafhankelijke vloeistofeigenschappen’ op ‘Nee’ zetten.
Vermijd te grote afmetingen voor koeling
Hieronder ziet u een project dat werd gesimuleerd met de traditionele aanname van één worst-case effectieve boorgatthermische weerstand. Het Reynoldsgetal was 2043, wat een weerstand geeft van 0,2265 mK/W (enkele U-buis met 30% MPG). Het temperatuurprofiel wordt hieronder getoond.
Op basis van dit resultaat zou je in het verleden hebben voorgesteld om nog een boorgat te boren zodat de vloeistoftemperatuur onder de limiet van 17°C blijft. Met de variërende vloeistofeigenschappen hebben we nu echter het onderstaande temperatuurprofiel.
Aangezien ons Reynoldsgetal tijdens injectie 4214 is, wat turbulent is, is onze effectieve thermische weerstand in het boorgat 0,1305 mK/W tijdens koeling. Hierdoor daalt de piektemperatuur van de vloeistof tijdens koeling, wat leidt tot een haalbare oplossing.
!Let op
Hoewel dit nieuwe model altijd gunstig is voor je koelvraag, zal het niet altijd resulteren in zo'n groot verschil als hierboven getoond. Als je vloeistofregime bijvoorbeeld laminair blijft bij zowel verwarmen als koelen, zal het verschil kleiner zijn.
Minder vaak een gradiëntfout
Zoals besproken in een eerder artikel (dat je kunt vinden op hier), kan er soms een fout optreden bij het berekenen van de vereiste boorgatdiepte. Dit kwam doordat de bodemtemperatuur toeneemt met de diepte, wat problemen veroorzaakte bij passieve koeling. Met deze update wordt de warmteoverdracht tijdens koeling nu veel nauwkeuriger berekend, wat leidt tot lagere piektemperaturen van de vloeistof. Dit gaat het effect van de stijgende bodemtemperatuur tegen, wat resulteert in minder gradiëntfouten en haalbaardere systeemontwerpen.
Conclusie
Dit artikel beschrijft een grote sprong voorwaarts in de nauwkeurigheid van geothermische simulaties. Door rekening te houden met de temperatuurafhankelijkheid van vloeistofeigenschappen in de tijd, kunnen we nu de effectieve thermische weerstand van het boorgat berekenen bij elke tijdstap - zowel tijdens warmtewinning als tijdens injectie. Hierdoor zijn de simulaties aanzienlijk nauwkeuriger, is de kans groter dat systemen haalbaar zijn en treedt er minder snel een gradiëntfout op.
We hopen dat u deze innovatie omarmt en met vertrouwen boorvelden blijft ontwerpen met behulp van GHEtool Cloud.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.