Ontwerpen van geothermische boorvelden met behulp van gelijktijdigheidsfactoren
Wouter Peere heeft zich gespecialiseerd in de dimensionering van boorvelden voor geothermie, wat onder meer geleid heeft tot GHEtool Cloud, de toonaangevende dimensioneringssoftware in België. Vanuit zijn ervaring heeft hij ook enkele richtlijnen geformuleerd over het gebruik van gelijktijdigheidsfactoren bij collectieve boorvelden. We geven zijn conclusies kort weer.
Van één naar veel
Als we ontwerpen voor een individuele installatie, is de dimensionering eenvoudig: we berekenen de piekvraag en stemmen het boorveld daarop af. Bij collectieve installaties ligt de zaak anders. Stel, we hebben een flatgebouw met 25 appartementen, elk met een individuele warmtepomp met een vermogen van 5 kW en een warmtevraag van 7,5 MWh per jaar. Als we de som nemen, dan komen we uit op 125 kW en 187,5 MWh. Een boorveld dat daarop gedimensioneerd is, zou echter te groot (en te duur) uitvallen. Wat nemen we dan beter als basis? Daarvoor moeten we gelijktijdigheidsfactoren benutten.
Elk gezin heeft immers zijn eigen levenspatroon en behoeftes (gezinnen met kinderen, ouderen, alleenstaanden….) zodat alle piekverbruiken nooit tegelijk zullen optreden. We kunnen dus het boorveld aanzienlijk kleiner dimensioneren, zonder in de problemen te raken. Om dan te bepalen welk vermogen realistisch gezien nodig is, kunnen we terugvallen op bestaande berekeningsmethodes. Deze werden oorspronkelijk opgesteld om buisdiameters van collectieve leidingen in warmtenetten te bepalen. Hetzelfde principe kan toegepast worden voor boorvelden. Het effect wordt gegeven in figuur 1. De algemene trend is: hoe meer verbruikers er zijn aangesloten, hoe lager het benodigde piekvermogen wordt vergeleken met de som van alle pieken. Voor ons voorbeeld van 25 appartementen komen we bijvoorbeeld op 89% uit, zodat we maar met een piek van 111 kW moeten rekenen.
Duur van de piek
Niet alleen de hoogte van de piek is belangrijk, ook de duur ervan moet meegenomen worden in de dimensionering. Hoe lang vol vermogen gevraagd is, heeft onder meer gevolgen voor de mediumtemperatuur. Als een warmtepomp 20 uur lang draait, dan zal de uiteindelijke mediumtemperatuur in de boring lager zijn dan wanneer de pomp maar 8 uur zou draaien. Ook hier geldt: bij collectieve installaties zal de maximale looptijd korter zijn dan de som van de duur van alle individuele verbruikspieken. Hoe kunnen we deze gelijktijdigheid inschatten?
De meest nauwkeurige manier om deze duur te bepalen is om een gedetailleerde dynamische simulatie van de installatie te maken en het gebruikspatroon ervan te analyseren. Dat resulteert dan in precieze voorspellingen van wanneer de pieken zullen optreden en hoe lang ze duren. Dat is echter een omslachtige aanpak, en zeker in bestaande gebouwen zijn alle nodige gegevens niet altijd voorhanden.
Een andere manier om de waarschijnlijke duur in te schatten is gebruik te maken van statistische gegevens of vuistregels op basis van ervaring. Tot nu toe is er echter geen dergelijke methode algemeen gangbaar. Daarom geven we een eerste aanzet, gebaseerd op de Centrale Limietstelling in statistiek. Die houdt in dat de standaardafwijking van het gemiddelde in een groep stalen afneemt in functie van de vierkantswortel van het aantal individuele stalen. Als we ervan uitgaan dat de gebouwen min of meer identiek zijn, dan kunnen we de factor √n gebruiken als een eerste orde benadering om de totale piek in te schatten voor n gebouwen. Hoe dat eruit wordt gegeven in de grafiek.
Toegepast op ons voorbeeld van 25 appartementen geeft dat
- Geïnstalleerd vermogen: 125 kW
- Totale jaarlijkse warmtevraag: 187,5 MWh
- Duur van de piek: 8 h per appartement
Als we gebruik maken van de schaalfactor en de gelijktijdigheidsfactor, dan kunnen we het boorveld ontwerpen voor de volgende parameters:
- Effectieve piekbelasting: 111 kW (89% gelijktijdigheidsfactor)
- Totale jaarlijkse warmtevraag 187,5 MWh
- Duur van de piek 40 (factor 5)
Deze methode is echter nog niet gevalideerd, en moet dus met de nodige voorzichtigheid gehanteerd worden.
Dit artikel is gebaseerd op de bijdrage van Wouter Peere ‘Simultaneity Factor’, die te vinden is op de website van GHEtool .
ghetool.eu/knowledgebase/simultaneity-factor
Door: Alex Baumans - Grafieken: Wouter Peere
