Hybrid systems (part 2) – design methodology

Hybrid systems present a potential solution for addressing the increasingly complex nature of geothermal projects. Multi-utility buildings and 5th-generation district heating projects often have very high heating and cooling demands, which place significant importance on the design of the geothermal borefield. In the first article in this series on the design of hybrid (geothermal) systems, we focussed on the question ‘what are hybrid systems’ and how this relates to the topic of ‘geothermal potential’. This second article will teach you about two different methodologies on how to size such an hybrid system.

Let op
This article builds further on the topics developed in part 1 of this series. If you have not read the first article, you can check it out hier.

Waarom kiezen voor een hybride systeem?

As we saw in the first part, hybrid systems combine multiple technologies to meet the buildings heating and cooling demand. In geothermal engineering, this can include various combinations such as ground source heat pumps (GSHP) with air source heat pumps (ASHP), GSHP with solar thermal collectors, or GSHP with ASHP and dry coolers. The choice of technologies depends on the specific building.

There are different reasons why one would opt for a hybrid system:

1. De investeringskosten minimaliseren of optimaliseren.
2. Om een robuuster en duurzamer ontwerp te realiseren.

Verschillende technologieën hebben verschillende sterke punten. Geothermische boorvelden bieden doorgaans een hoge operationele efficiëntie, wat resulteert in lagere operationele kosten. Borefields zijn echter vaak het duurste onderdeel van het systeem, dus het is cruciaal om te grote boringen te vermijden. Andere technologieën, zoals ASHP's, hebben daarentegen lagere investeringskosten maar minder operationele efficiëntie. Met een hybride ontwerp kunt u elk systeemonderdeel zo dimensioneren dat de sterke punten van alle technologieën worden benut.

De uitdaging: een hybride systeem ontwerpen

The previous article introduced the main design challenges when it comes to hybrid systems: “If I have x boreholes, what geothermal share can I achieve?” This question was related to the concept of geothermal potential. In general, there were two extreme cases to the answer above:

• You size your borefield in such a way that there is no potential for power
  (but there remains a potential for energy).
• You size your borefield so that there remains no geothermal potential at all.

The first option, as we discussed last time, will give us a system with zero oversizing and hence the lowest investment cost. The second system on the other hand, will have a higher investment cost (due to a higher total installed capacity), but will have a lower operational cost. Before we can relate to any economic questions, we have to understand how a borefield can be designed so it has either no potential for power or no geothermal potential at all. This will respectively be explained in this article in respectively the methodology ‘optimise for maximum geothermal power’ and ‘optimise for maximum geothermal energy’, each explained below.

Optimaliseren voor vermogen

When you choose to optimise for power, your design objective is

To maximise the power you can (during cooling) inject in or (during heating) extract from the ground at all times

Optimising with this objective ensures that if we install x kW of geothermal heating or cooling, we can be confident that our borefield will deliver that x kW in every your of our simulation period (provided that our load assumptions are accurate). We therefore know that if we have a building demand of 100 kW and we install x kW of geothermal power, our hybrid system can be design to deliver us (100-x) kW, since are geothermal system is designed to give us this x kW.

Methodologie

De methodologie die dit systeem bepaalt, is de volgende:

1. Begin met een vraagprofiel voor verwarming en koeling per uur en een vast boorveldontwerp.
2. Bereken het uurlijkse temperatuurprofiel alsof 100% van de vraag van het gebouw op het boorveld werd geplaatst.
3. Je controleert of
   1. De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur valt onder een bepaalde drempel. Als dit het geval is, is het extractievermogen te hoog, dus moet het piekverwarmingsvermogen met x% worden verlaagd. Als de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur boven de drempel ligt, kan het boorveld de extractie aan en kan het piekverwarmingsvermogen ongewijzigd blijven.
   2. De maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur overschrijdt een bepaalde drempel. Als dit het geval is, is het injectievermogen te hoog. Verminder daarom het piekkoelvermogen met x%. Als de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur onder de drempel ligt, kan het boorveld de injectie aan en zijn er geen wijzigingen nodig.
4. Als beide temperaturen uit stap (3) binnen de grenzen vallen, is de geothermische en hybride belasting bepaald en kunt u verder gaan met stap (7). Zo niet, ga dan verder met stap (5).
5. Herbereken de uurbelasting voor het boorveld met behulp van de nieuwe maximale piekvermogens voor verwarming en koeling bepaald in stap (3). Leid het vermogen of de energie die niet door het boorveld kan worden verwerkt om naar de hybride technologieën.
6. Herbereken het uurlijkse temperatuurprofiel en keer terug naar stap (3).
7. Gedaan

Voorbeeld

Wanneer we deze methodologie toepassen op een groter gebouw met meerdere nutsvoorzieningen met een piekvraag van 536 kW voor verwarming en 676 kW voor koeling, ondersteund door 80 boorgaten, komen we uit op de onderstaande cijfers.

Let op
Dit artikel richt zich op de methodologie zelf. In een volgend artikel gaan we dieper in op het praktische ontwerp van hybride systemen met behulp van GHEtool Cloud.

De belastingsdurencurve hierboven laat de verwarmings- en koelvraag van het gebouw zien, waarbij het gearceerde gebied het deel van de belasting weergeeft waaraan geothermisch kan worden voldaan. In dit geval kunnen we 259 kW geothermisch verwarmingsvermogen en 169 kW geothermisch koelvermogen installeren, waarbij we ervoor zorgen dat deze vermogens consistent kunnen worden uitgewisseld met de grond. In de resterende energiebehoefte moet worden voorzien door hybride technologieën.

Let op

Deze methode specificeert niet de configuratie van de hybride technologie, omdat dat buiten het bereik van geothermisch ontwerp valt. Deze flexibiliteit maakt de optimalisatiemethode aanpasbaar aan verschillende scenario's.

Als we het temperatuurprofiel hierboven bekijken, zien we dat zowel de minimale als de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuurgrens wordt bereikt. Dit geeft aan dat het installeren van extra vermogen voor verwarming of koeling deze drempelwaarden zou overschrijden. Het resulterende profiel is dus inderdaad geoptimaliseerd voor maximaal vermogen. Raadpleeg voor meer informatie over temperatuurprofielen ons artikel over het interpreteren van temperatuurprofielen.

Het is echter vermeldenswaard dat een deel van het geothermische potentieel onbenut blijft bij deze optimalisatieaanpak. In de latere jaren van exploitatie is er een aanzienlijke capaciteit voor extra warmte-injectie (d.w.z. koeling), terwijl het boorveld in de eerste jaren een hogere verwarmingsbelasting zou kunnen verwerken. Om dit ongebruikte potentieel aan te pakken, moet er worden geoptimaliseerd voor energie, wat in de volgende paragraaf wordt besproken.

Optimaliseren voor energie

Wanneer je kiest voor energieoptimalisatie, is je ontwerpdoelstelling:

To maximise the energy that you can (during cooling) inject in or (during heating) extract from the ground during the whole simulation period

Optimaliseren met deze doelstelling levert een systeem op waarbij we, als we x kW aan geothermische verwarmings- of koelcapaciteit installeren, het volgende kunnen doen ervoor zorgen dat het boorveld de grootst mogelijke hoeveelheid verwarmings- of koelingsenergie levert in de loop van de tijd. Deze aanpak niet garanderen dat het boorveld te allen tijde consistent x kW vermogen zal leveren. Therefore, if you have a building with 100 kW of peak power demand and you install x kW of geothermal power, your hybrid system should be larger than (100-x) kW, since we cannot be sure that we can get this geothermal power in every year, so we need to compensate for that by installing more hybrid power.

Methodologie

De methodologie voor het optimaliseren voor energie verschilt van de benadering die wordt gebruikt voor het optimaliseren voor stroom en verloopt als volgt:

1. Begin met een vraagprofiel voor verwarming en koeling per uur en een vast boorveldontwerp.
2. Converteer de belasting per uur naar een maandbelasting, met behoud van dezelfde energievraag en piekvermogens voor elke maand.
   Let op
   Hoewel het theoretisch mogelijk is om deze methode direct toe te passen met een resolutie van een uur, zou het berekenen hiervan enkele uren in beslag nemen zonder de nauwkeurigheid significant te verbeteren.
3. Iterate door elke maand (i) van de simulatieperiode, waarbij de volgende stappen worden uitgevoerd:
   1. Bereken het maandelijkse temperatuurprofiel
   2. Controleer of:
      1. De minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur voor maand (i) ligt onder de minimumdrempel. Als dat zo is, is het onttrekkingsvermogen te hoog, dus verlaag het piekverwarmingsvermogen met x%, maar alleen voor maand (i). Als de temperatuur boven de drempel ligt, kan het boorveld de extractie aan, dus blijft het piekverwarmingsvermogen ongewijzigd voor maand (i).
      2. The maximum average fluid temperature for month (i) is above the maximum threshold. If it is, the injection power is too high, so reduce the peak cooling power by x%, but only for month (i). If the temperature is below the threshold, the borefield can handle the injection, so no adjustment is necessary for month (i).
   3. Als alle vloeistoftemperaturen binnen de limieten vallen, bepaal dan het piekvermogen en de bijbehorende energie die het boorveld kan leveren voor maand (i). Het resterende vermogen en de resterende energie moeten worden geleverd door de hybride oplossing. Ga verder met stap (3.5).
   4. Als de vloeistoftemperaturen buiten de limieten vallen, pas dan de uurbelasting aan zodat deze overeenkomt met de nieuwe piekvermogens die zijn bepaald in stap (3.2). Herconverteer de uurbelasting naar een maandbelasting en keer terug naar stap (3.1).
   5. Zodra alle temperaturen voor maand (i) acceptabel zijn, gaat u naar maand (i+1).
4. Gedaan

Voorbeeld

Als we hetzelfde project met 80 boorgaten bekijken, kunnen we de geïnstalleerde geothermische capaciteit verhogen tot 536 kW voor verwarming en 388 kW voor koeling. Hierdoor kunnen we in de eerste jaren meer warmte aan de grond onttrekken (voor verwarming) en in de latere jaren meer warmte in de grond injecteren (voor koeling). Op deze manier maximaliseren we de totale energie die wordt uitgewisseld met het boorveld.

However, unlike the previous hybrid system, we cannot guarantee that the borefield will always deliver 536 kW for heating and 388 kW for cooling. The figure below illustrates the distribution of heating and cooling loads over time. As shown, due to the system’s imbalance, both the baseload heating and peak heating power decrease over the borefields lifetime, while the share of cooling increases.

Let op
Er is een belangrijk verschil tussen ontwerpen die geoptimaliseerd zijn voor vermogen en ontwerpen die geoptimaliseerd zijn voor energie. In een systeem dat is geoptimaliseerd voor vermogen, blijft de jaarlijkse geothermische opbrengst constant omdat het piekvermogen altijd wordt gehaald. In een systeem dat geoptimaliseerd is voor energie daarentegen, evolueert de geothermische opbrengst in de loop van de simulatieperiode, wat de variaties in de verwarmings- en koelbelastingen weerspiegelt.

Vergelijking

The circle diagrams below illustrate the same concept. In the results on the left, representing the hybrid system designed with ‘optimised for power’, approximately 75–80% of the building’s demand is met by the borefield. In contrast, the diagram on the right, representing the hybrid system designed with the ‘optimise for maximum energy’, achieves up to a 95% share of geothermal energy over the entire simulation period, thanks to the higher installed peak power. This means that our hybrid system, design with a borefield optimised for energy, will probably have a lower operational cost, due to the higher share of the geothermal energy. On the other hand, as you can see, the total power installed in this case, is way bigger (the geothermal heat pump is 536 kW and it is only 2/3 of the total installed power). This will give rise to a higher investment cost in comparison to a borefield optimised for power.

Conclusie

The article above outlined the theoretical foundation the design methodology for a hybrid system. A distinction was made between hybrid systems which have a borefield that is designed so it has no potential for power and hybrid systems which have a borefield sized so it has no geothermal potential at all. The design methodologies were respectively called ‘optimise for power’ and ‘optimise for energy’.

In the next part, we will explore how to apply these design methodologies in GHEtool Cloud for a specific project. Additionally, we will delve deeper into strategies for limiting geothermal peak power to prevent system oversizing.

References

• Watch our video explanation over on our YouTube page by clicking hier.