Onze experts krijgen vaak de vraag: "Maakt het uit of de aanvoer- en retourleidingen van een aardwarmtesonde dicht bij elkaar liggen? Beïnvloeden de leidingen elkaar niet?" Dit roept vaak vragen op als: “Heeft de brug van de separatus splitpipe aardwarmtesonde geen nadeel?” In deel 1 van dit dubbelartikel proberen we de vragen zo eenvoudig en duidelijk mogelijk te beantwoorden.
Wat wordt precies bedoeld met “thermische kortsluiting”?
Om deze vraag te beantwoorden, kunnen we niet om een korte theoriecursus heen. We moeten eerst kort de algemene werking van een warmtepomp uitleggen: enerzijds haalt deze energie uit een bron om vervolgens de temperatuur in het warmtedistributiesysteem van het huis te verhogen. Om dit te bereiken moet er aan de bronzijde (de linkerzijde in de afbeelding hieronder) voortdurend een warmteoverdrachtsmedium (pekel, water, lucht) circuleren om de benodigde warmte-energie te leveren. Aan de bronzijde wordt onderscheid gemaakt tussen open en gesloten systemen. Open systemen zijn warmtepompen die open lucht of grondwater aanzuigen en weer uitstoten. Bij geothermische sondes circuleert het warmteoverdrachtsmedium echter in een gesloten buizensysteem dat via warmtegeleiding de omgevingswarmte opneemt.
Vooral bij open systemen doet zich het volgende probleem voor: Als de afstand tussen inlaat en retour te klein is, ontstaat er kortsluiting. Het verschijnsel doet zich bijvoorbeeld voor bij luchtwarmtepompen, waarbij de gekoelde lucht direct of via een kleine omweg weer wordt aangezogen. Het medium kan door de omgeving onvoldoende worden opgewarmd. Het rendement van zo'n warmtepomp is nul.
Komt een dergelijke kortsluiting ook voor in gesloten systemen?
In het gesloten leidingsysteem van het aardwarmtesondesysteem kan het medium niet direct kortgesloten worden teruggezogen, maar kan het alleen volledig door de aardwarmtesonde circuleren totdat het weer verwarmd bij de warmtepomp aankomt. De vraag is echter altijd of er door warmtegeleiding nog warmteoverdracht kan plaatsvinden tussen de koude en de warme kant van de bodem. Dit zou ook gelijk staan aan een thermische kortsluiting. Bestaat dit effect? Wat zegt de wetenschap?
Voor theoretische analyses worden tegenwoordig zogenaamde CFD-simulaties uitgevoerd. Een CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics) is een numerieke stromingssimulatie die wordt uitgevoerd met behulp van een computermodel. Het model berekent de beweging van de vloeistof in de geothermische sondes en geeft de warmteoverdracht weer, rekening houdend met veel complexe verschijnselen. CFD-simulaties laten zien dat er veel factoren zijn die de warmtegeleiding in een geothermische sondeboring beïnvloeden.
Sommige van deze factoren hebben een sterke invloed, andere een zwakke. Vooral de thermische geleidbaarheid van het gesteente en het vulmateriaal spelen een rol. Daarnaast zijn de stromingsomstandigheden van het warmteoverdrachtsmedium (laminair of turbulent) en de warmteoverdracht aan de grensvlakken van belang. En iedereen is het erover eens: ook de positie van de peilbuizen in het boorgat maakt verschil, want warmte stroomt altijd van warm naar koud – deze natuurkundige wet kun je niet helemaal tegenhouden. Maar hoeveel invloed kan dit hebben op de algehele prestaties?
Thermische kortsluiting – wat is de betekenis ervan?
Uit een van de grootste onderzoeken* blijkt dat van al deze factoren de keuze van het opvulmateriaal een van de grootste impact heeft. Het volgende punt is de kwaliteit van de grondwateraanvulling: hoe zorgvuldiger er wordt gewerkt, hoe hoger de efficiëntie van de geothermische sonde. Het laat ook zien dat de zogenaamde “thermische boorgatweerstand” de neiging heeft toe te nemen bij grotere diameters, wat betekent dat de warmteoverdrachtsprestaties van de geothermische sonde afnemen. En hoe groter de gekozen boorgatdiameter, hoe groter de impact van de materiaalkeuze en slecht vakmanschap.
Interessant genoeg werd in het onderzoek ook het gebruik van afstandhouders voor de sondebuisjes onderzocht. Oorspronkelijk werden afstandhouders ontwikkeld met de bedoeling om de sondebuizen van elkaar te scheiden en zo de thermische invloed ('kortsluiting') ertussen zoveel mogelijk te beperken. Maar tot welke conclusie komt het praktijkonderzoek? Paradoxaal genoeg kan het gebruik van afstandhouders leiden tot een verhoogde boorgatweerstand vanwege een verhoogd risico op water- of luchtinsluitingen. Afstandhouders zijn waarschijnlijk achter een bureau uitgevonden – men dacht dat men het maximale uit een sonde kon halen – maar in de praktijk blijken ze contraproductief. Conclusie: De kwaliteit van het boorgat voor de geothermische sonde en de keuze van thermisch hoogwaardige materialen zijn veel belangrijker dan een eventuele minimale thermische kortsluiting.
Hier is een vergelijking: stel je voor dat je een thermosbeker wilt kopen. Een goede thermosbeker houdt koffie of thee lang warm. Er zijn 2 modellen in de winkel. De dure beker adverteert met een zeer dikke isolatie, maar heeft geen deksel. De andere is goedkoper, heeft een dunnere isolatie, maar heeft wel een afsluitbaar deksel. Wat denk je? Welke mok houdt je koffie langer warm? Wat is dan belangrijk? Op de individuele isolatiewaarde van de bekerwand of op het gehele ontwerp?
Zo is het ook met een geothermische sonde: het totaalproduct telt. Minimale warmtegeleiding tussen de aanvoer- en retourleiding is niet van belang. In theorie is een thermische kortsluiting mogelijk in een geothermische sonde, maar deze is zo klein dat deze nauwelijks meetbaar is. Van cruciaal belang is dat het hele systeem goed is gepland: een smalle boring, goede inbedding van de sonde, geschikte hydrauliek. Alles bij elkaar is dit veel meer dan een kleine thermische kortsluiting in de grond, wiskundig tot op de derde decimaal nauwkeurig.
Bij separatus hechten wij veel waarde aan holistische planning en uitvoering. De separatus partners staan voor competentie en kwaliteit. Het planningsadvies voor het scheidingssysteem: zo klein mogelijke boordiameter, thermisch verbeterde aanvulling, turbulente stroming.
In het volgende deel van het dubbelartikel laten we gedetailleerd zien welke onderzoeken er zijn uitgevoerd naar de separatus splitpipe-technologie. We presenteren de resultaten van CFD-simulaties uitgevoerd door Hogeschool OST, evenals analyses van geothermische sondes die in de praktijk zijn uitgevoerd.
* https://www.geoenergie-konzept.de/thermischer-bohrlochwiderstand