Modelagem da utilização de energia geotérmica superficial em escala de bairro: um estudo de caso em Berlim
APLICAÇÕES GEOTÉRMICAS DE MÉDIA A GRANDE COMPLEXIDADE
Jakob Randow, Shuang Chen, Katrin Lubashevsky, Steve Thiel, Tom Reinhardt, Karsten Rink, Rüdiger Grimm, Anke Bucher, Olaf Kolditz, Haibing Shao (2022). Modeling neighborhood-scale shallow geothermal energy utilization: a case study in Berlin. Springer Nature – Geothermal Energy, Volume 10, article number 1, (2022) – (link)
Título
Modeling neighborhood-scale shallow geothermal energy utilization: a case study in Berlin
(Modelagem da utilização de energia geotérmica superficial em escala de bairro: um estudo de caso em Berlim)
Resumo
Nowadays, utilizing shallow geothermal energy for heating and cooling buildings has received increased interest in the building sector. Among different technologies, large borehole heat exchanger arrays are widely employed to supply heat to various types of buildings. Recently, a 16-borehole array was constructed to extract shallow geothermal energy to provide heat to a newly-developed public building in Berlin. To guarantee the quality of the numerical model and reveal its sensitivity to different subsurface conditions, model simulations were conducted for 25 years with two finite element simulators, namely the open-source code OpenGeoSys and the widely applied commercial software FEFLOW. Given proper numerical settings, the simulation results from OpenGeoSys and FEFLOW are in good agreement. However, further analysis reveals differences with respect to borehole inflow temperature calculation implemented in the two software. It is found that FEFLOW intrinsically uses the outflow temperature from the previous time step to determine the current inflow temperature, which makes it capable of much faster simulation by avoiding iterations within a single time step. In comparison, OpenGeoSys always updates the inflow and outflow temperature based on their current time step values. Because the updates are performed after each iteration, it delivers more accurate results with the expense of longer simulation time. Based on this case study, OpenGeoSys is a valid alternative to FEFLOW for modeling ground source heat pump systems. For modellers working in this field, it is thus recommended to adopt small enough time step size, so that potential numerical error can be avoided.
TRADUÇÃO LIVRE
Atualmente, a utilização da energia geotérmica superficial para aquecimento e resfriamento de edifícios tem recebido cada vez mais interesse no setor da construção civil. Entre as diferentes tecnologias, os grandes conjuntos de trocadores de calor com poços são amplamente utilizados para fornecer calor a vários tipos de edifícios. Recentemente, foi construído um conjunto de 16 poços para extrair energia geotérmica superficial para fornecer calor a um edifício público recém-construído em Berlim. Para garantir a qualidade do modelo numérico e revelar sua sensibilidade a diferentes condições do subsolo, foram realizadas simulações do modelo por 25 anos com dois simuladores de elementos finitos, a saber, o código-fonte aberto OpenGeoSys e o software comercial amplamente utilizado FEFLOW. Com as configurações numéricas adequadas, os resultados da simulação do OpenGeoSys e do FEFLOW estão em boa concordância. No entanto, uma análise mais aprofundada revela diferenças em relação ao cálculo da temperatura de entrada do poço implementado nos dois softwares. Verificou-se que o FEFLOW usa intrinsecamente a temperatura de saída do passo de tempo anterior para determinar a temperatura de entrada atual, o que o torna capaz de simulações muito mais rápidas, evitando iterações dentro de um único passo de tempo. Em comparação, o OpenGeoSys sempre atualiza a temperatura de entrada e saída com base nos valores do passo de tempo atual. Como as atualizações são realizadas após cada iteração, ele fornece resultados mais precisos, mas com um tempo de simulação mais longo. Com base neste estudo de caso, o OpenGeoSys é uma alternativa válida ao FEFLOW para modelagem de sistemas de bomba de calor geotérmica. Para modeladores que trabalham nessa área, recomenda-se, portanto, adotar um tamanho de etapa de tempo pequeno o suficiente, para que possíveis erros numéricos possam ser evitados.
Artigo publicado no site Springer Nature – Geothermal Energy Journal.
