Wir werden häufig gefragt: „Ist der Einfluss des Mittelstegs auf die Leistung der separatus Sonde nicht zu gross? Es Kommt doch zu einem thermischen Kurzschluss?“ In Teil 2 dieses Doppelartikels gehen wir detailliert auf Forschungsergebnisse und Auswertungen aus dem Realbetrieb der separatus Erdwärmesonde ein. Damit zeigen wir, wie damit umzugehen ist.
Thermischer Kurzschluss – kurz erklärt
In Teil 1 dieser Artikelserie haben wir erklärt, was ein „thermischer Kurzschluss“ ist und welche Bedeutung dieser im gesamten Umfeld einer fertig installierten Erdwärmesonde hat. Wenn Sie den Artikel noch nicht kennen, können wir ihn herzlichst empfehlen!
Kurz erklärt: Zwischen Vor- und Rücklauf in der Erdwärmesonde herrscht ein erwünschter Temperaturunterschied. Ein gewisser thermischer Kurzschlusseffekt liegt bei Temperaturunterschieden stets vor. Es liegt auf der Hand, dass man diesen Effekt gerne möglichst reduzieren will. Aber es ist bei Weitem nicht der wichtigste Faktor, wenn es um die Leistung einer Erdwärmesonde geht. Hier kommt das Kosten-Nutzen-Verhältnis ins Spiel: an welchen Stellschrauben lassen sich die Kosten einer Erdwärmesonde grösstmöglich optimieren, ohne die Effizienz zu stark zu beeinträchtigen?
Allgemein lässt sich festhalten, ein schlanker Bohrdurchmesser ist sowohl für die Kosten als auch die Effizienz von Erdwärmesonden von Vorteil. Somit muss das die Stellschraube Nummer 1 sein, was separatus zum bevorzugten System macht.
Der Reihe nach: was lässt sich über den thermischen Kurzschluss beim separatus System aus aus Forschungserkenntnissen zum wissenschaftlicher Sicht sagen?
Schritt 1: CFD-Simulationen
Die warme und kalte Strömungen sind durch einen knapp 3 mm dicken Steg voneinander getrennt und tauschen in beide Richtungen Wärme aus. Ob der Steg einen Einfluss hat, steht ausser Frage. Sondern wie gross der Einfluss des Mittelstegs im Rohr auf die Gesamtperformance einer Erdwärmesonde ist. Diese Fragestellung ist seit den ersten Konzeptionsphasen von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der splitpipe Technologie.
Wir wollten wissen, wie gross die Unterschiede vom thermischen Kurzschlusses gegenüber einer herkömmlichen Sondenbauart sind. Früh zeigte sich, dass eine zusätzliche Dämmung des Stegs den Effekt kaum beeinflusst und die Produktion anspruchsvoller macht. Der Mittelsteg aus PE Material bildet somit die Wärme-Austauschfläche.
Von der Ostschweizer Fachhochschule (OST) wurden dazu CFD-Simulationen durchgeführt. Die Fragestellung lautete wie folgt: Angenommen es gäbe eine Sonde bestehend aus 2 voneinander getrennten Rohren, die insgesamt denselben Querschnitt aufweisen wie das separatus Splitpipe – um wieviel Prozent wäre sie in der Wärmeübertragung besser? Die Antwort: Die Differenz zwischen Splitpipe und getrennten Rohren beträgt nur wenige zehntel Grad. Dabei wurden Szenarien gerechnet mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Viskositäten. Im Durchschnitt lag in diesen theoretischen Betrachtungen der Unterschied in der Wärmeübergangsleistung bei gerade einmal ca. 7%.
Daraus ergibt sich natürlich die Frage: Für wieviel zusätzliche Sondenlänge müsste, wenn überhaupt, mehr gebohrt werden? Das hängt von vielen weiteren Randbedingungen ab, lässt sich jedoch in diesem Fall auf wenige Prozent eingrenzen. Mittels Simulationsprogrammen wie EED und GHEtool lässt sich anschaulich zeigen, wie stark sich ein veränderter Bohrlochwiderstand auswirkt. 7% Unterschied bei der Wärmeübergangsleistung ergeben in herkömmlichen Fällen lässige 2 bis 3% Unterschied bei den Bohrmetern.
Fazit: Der thermische Kurzschluss ist ein Faktor, der in der Theorie diskutiert wird, aber in der Realität von diesem Anwendungfalls eine praktisch vernachlässigbare Rolle einnimmt. Andere Faktoren haben wesentlich grösseren Einfluss: Geologie, Bohrlochaufbau, Oberfläche & Flussregime. Die Wärmeaufnahme ist somit Gesamthaft zu betrachten, wenn Bauarten von Erdwärmesonden miteinander verglichen werden.
Einflüsse und ihre Wirkung im Überblick
| positiv beinflussende Faktoren auf die Wärmeübertragung einer separatus Sonde | positiv beinflussende Faktoren auf die Wärmeübertragung einer U-Sonde |
|---|---|
| Kleiner Bohrdurchmesser, gute Anbindung ans Erdreich | Geringerer thermischer Kurzschluss |
| Weniger isolierendes Hinterfüllmaterial | Grössere Rohroberfläche |
| Höhere Wärmeleitfähigkeit beim Hinterfüllmaterial leistbar | Grösseres Solevolumen |
| Serienschaltung, somit turbulente Strömung | |
| Auch nach langer Laufzeit kein kalter „Totraum“ im Inneren zwischen den Rohren |
Die Fachwelt ist sich einig, dass jeder dieser Faktoren einen Einfluss auf die Gesamtperformance einer Erdwärmesonde hat. Schwierig wird es bei der Bewertung, wie gross die einzelnen Einflüsse wirklich sind. Wie die vorhin erwähnten CFD-Simulationen zeigen, sind die Unterschiede teilweise so marginal, dass sie sich in der Praxis kaum messen oder bestätigen lassen. Die heute verfügbaren Kurzzeit-Messverfahren sind nicht zum Vergleich von Sondenbauarten entwickelt worden und deshalb ungeeignet, denn sie bilden nicht den Realbetrieb mit einer Wärmepumpe ab.
Deshalb ist die Frage entscheidend: Wie sieht es im Praxisbetrieb aus?
Schritt 2: Praxistest
Wir haben separatus anhand mehrerer Testanlagen einer Praxisprüfung unterzogen. Die am längsten in Betrieb befindliche Anlage ist die Referenzanlage „Pernter“.
Bei diesem im Realbetrieb laufenden Testsystem können wir verschiedene Sondenbauarten unter unterschiedlichen Volumenströmen und Entzugsleistungen testen. Wenn die Behauptung zutreffen würde, dass im separatus Splitpipe ein markanter thermischer Kurzschluss stattfinden würde, dann müsste dieser bei unterschiedlichen Temperaturspreizungen auch messtechnisch sichtbar werden.
Fakt ist, dass kurzfristige Schwankungen der Temperaturspreizung an den Sonden sich im Leistungsverhältnis nicht wirklich bemerkbar machen. Es sind sogar Messzeiträume dokumentiert, in denen sich das Verhältnis trotz eines höheren Temperaturunterschieds zugunsten der separatus Splitpipe-Sonde entwickelte. Es müssen also andere Faktoren sein, die einen Leistungsunterschied prägen.
Hier geht’s zum Referenzbericht.
Das heisst?
Wie also mit diesen Erkenntnissen umgehen? Sollte ein thermischer Kurzschluss in der Planung berücksichtigt werden? Wenn ja, wie?
Wie bereits erklärt, haben andere Faktoren einen wesentlich grösseren Einfluss auf die Auslegung einer Erdwärmesonde: Bohrlochaufbau, Oberfläche, Turbulenz… Man muss den sogenannten „thermischen Bohrlochwiderstand“ im Gesamten betrachten.
Bei einer fachmännischen Planung und Auslegung einer Erdwärmesondenanlage werden alle diese Faktoren berücksichtigt. Natürlich wird auch ein thermischer Kurzschlusseffekt miteinkalkuliert. In unserer Planungsempfehlung für „EED“ geben wir dazu eine praktisch händelbare Anleitung. Im Erdwärme-Berechnungsprogramm „GHEtool“ ist das separatus Erdwärmesystem direkt wählbar, womit sämtliche Parameter bereits berücksichtigt werden.
Unsere Empfehlungen sind: Zuallererst sollte ein möglichst kleiner Bohrdurchmesser gewählt werden. Schlanke Bohrungen senken die Erstellungskosten und wirken sich gleichzeitig positiv auf die thermische Effizienz aus. Gleichzeitig wird weniger Hinterfüllmaterial benötigt, das macht thermisch verbesserte Hinterfüllung leistbar und sinnvoll. Zudem sollte separatus immer mit turbulenten Strömungsverhältnissen geplant werden, denn dank der einfachen Serienschaltung lässt sich auch bei sehr kurzen Erdwärmesondenbohrungen und sehr geringen Volumenströmen ausreichende Strömungsgeschwindigkeit realisieren.
Wenn diese Grundlagen beachtet werden, können für einfache kleinere Anlagen auch die gewohnten Tabellen aus Auslegungsrichtlinien wie VDI4640 oder SIA384-6 verwendet werden. Denn Effizienzunterschiede zwischen separatus und Doppel-U-Sonden sind dann kaum vorhanden. Differenzen in die eine oder andere Richtung liegen im normalen Schwankungsbereich eines jeden Systems. Bei den Erstellungskosten sind jedoch sehr wohl grosse Unterschiede spürbar…