Vaak krijgen we de vraag: "Is de invloed van de center bar op de prestaties van de separatus probe niet te groot? Zou het een thermische kortsluiting kunnen veroorzaken?" In deel 2 van dit dubbelartikel bespreken we uitgebreid de onderzoeksresultaten en evaluaties van de daadwerkelijke werking van de separatus-geothermische sonde. Zo laten we zien hoe je ermee om kunt gaan.
Thermische kortsluiting – kort uitgelegd
In Deel 1 van deze reeks artikelen hebben we uitgelegd wat een “thermische kortsluiting” is en welke betekenis dit heeft in de gehele omgeving van een volledig geïnstalleerde geothermische sonde. Mocht u het artikel nog niet kennen, dan kunnen wij het u van harte aanbevelen!
Kort uitgelegd: Er is een gewenst temperatuurverschil tussen de aanvoer- en retourleiding in de geothermische sonde. Bij temperatuurverschillen treedt altijd een zeker thermisch kortsluiteffect op. Het spreekt voor zich dat men dit effect zoveel mogelijk wil beperken. Maar het is zeker niet de belangrijkste factor als het gaat om de prestaties van een geothermische sonde. Hierbij komt de kosten-batenverhouding in het spel: welke aanpassingen kunnen worden gedaan om de kosten van een geothermische sonde te maximaliseren zonder dat dit de efficiëntie significant in gevaar brengt?
Algemeen kan gesteld worden dat een smalle boringdiameter voordelig is voor zowel de kosten als de efficiëntie van geothermische sondes. Daarom moet dit stelschroef nummer 1 zijn, waardoor separatus het voorkeurssysteem is.
Laten we eerst eens bij het begin beginnen: wat kunnen we vanuit onderzoeksperspectief zeggen over de thermische kortsluiting in het scheidingssysteem?
Stap 1: CFD-simulaties
De warme en koude stromingen zijn van elkaar gescheiden door een brug van iets minder dan 3 mm dik en wisselen in beide richtingen warmte uit. Of de brug effect heeft, staat buiten kijf. Maar hoe groot is de invloed van het centrale web in de buis op de algehele prestatie van een geothermische sonde? Deze vraag is van cruciaal belang geweest voor de ontwikkeling van de splitpipe-technologie, al vanaf de eerste conceptfases.
Wij wilden weten hoe groot de verschillen zijn tussen een thermische kortsluiting en een conventioneel sondeontwerp. Al snel werd duidelijk dat extra isolatie van de brug weinig effect had op het effect en de productie daardoor veeleisender maakte. De centrale balk van PE-materiaal vormt zo het warmtewisselvlak.
CFD-simulaties werden uitgevoerd door de Hogeschool voor Toegepaste Wetenschappen (OST) in Oost-Zwitserland. De vraag was als volgt: Stel dat er een sonde was die bestond uit twee afzonderlijke buizen met dezelfde totale doorsnede als de gescheiden splitbuis – met hoeveel procent zou dit de warmteoverdracht verbeteren? Het antwoord: Het verschil tussen een gesplitste en een aparte leiding is slechts een paar tienden van een graad. Er werden scenario's berekend met verschillende stroomsnelheden en viscositeiten. Gemiddeld bedroeg het verschil in warmteoverdrachtsprestaties, gebaseerd op deze theoretische beschouwingen, slechts ongeveer 7%.
Dit roept natuurlijk de vraag op: Hoeveel extra sondelengte zou er eventueel geboord moeten worden? Dit hangt van veel andere randvoorwaarden af, maar in dit geval kan het worden teruggebracht tot een paar procent. Met simulatieprogramma's als EED en GHEtool kan de impact van een verandering in de boorgatweerstand duidelijk worden aangetoond. In conventionele gevallen resulteert een verschil van 7% in warmteoverdrachtsprestaties in slechts 2 tot 3% verschil in boormeters.
Conclusie: Thermische kortsluiting is een factor die in theorie besproken wordt, maar in de praktijk in deze toepassing een praktisch te verwaarlozen rol speelt. Andere factoren hebben een veel grotere invloed: geologie, boorgatconstructie, oppervlakte en stromingsregime. Bij een vergelijking van verschillende typen geothermische sondes moet daarom de warmteopname als één geheel worden beschouwd.
Overzicht van invloeden en hun effecten
| Positief beïnvloedende factoren op de warmteoverdracht van een scheidingssonde | Positief beïnvloedende factoren op de warmteoverdracht van een U-sonde |
|---|---|
| Kleine boordiameter, goede verbinding met de grond | Verminderde thermische kortsluiting |
| Minder isolerend opvulmateriaal | Groter pijpoppervlak |
| Een hogere thermische geleidbaarheid van het opvulmateriaal is mogelijk | Groter pekelvolume |
| Serieschakeling, dus turbulente stroming | |
| Zelfs na een lange looptijd is er geen koude “dode ruimte” tussen de pijpen |
Deskundigen zijn het erover eens dat elk van deze factoren invloed heeft op de algehele prestaties van een geothermische sonde. Het is moeilijk om in te schatten hoe groot de individuele invloeden werkelijk zijn. Zoals de bovengenoemde CFD-simulaties laten zien, zijn de verschillen soms zo klein dat ze in de praktijk nauwelijks te meten of te bevestigen zijn. De huidige methoden voor kortetermijnmetingen zijn niet ontwikkeld voor het vergelijken van sondeontwerpen en zijn daarom niet geschikt, omdat ze de werkelijke werking van een warmtepomp niet weerspiegelen.
De cruciale vraag is daarom: hoe ziet dit er in de praktijk uit?
Stap 2: Praktijktest
Wij hebben separatus in de praktijk getest met behulp van verschillende testsystemen. De installatie die het langst in bedrijf is, is de referentie-installatie “Pernter”.
Met dit testsysteem in de praktijk kunnen we verschillende sondeontwerpen testen bij verschillende volumestromen en extractiesnelheden. Als de bewering klopt dat er een aanzienlijke thermische kortsluiting in de separatus split leiding zou ontstaan, dan zou dat ook zichtbaar moeten zijn in metingen bij verschillende temperatuurspreidingen.
Feit is dat kortstondige schommelingen in de temperatuurspreiding bij de sondes geen wezenlijk merkbare invloed op de prestatieverhouding hebben. Er zijn zelfs meetperiodes gedocumenteerd waarbij de verhouding zich ontwikkelde ten gunste van de separatus splitpipe-sonde ondanks een hoger temperatuurverschil. Er moeten dus andere factoren zijn die voor een prestatieverschil zorgen.
Klik hier voor het referentierapport.
Wat betekent dat?
Hoe gaan we om met deze bevindingen? Moet er bij de planning rekening worden gehouden met een thermische kortsluiting? Zo ja, hoe?
Zoals reeds uitgelegd, hebben andere factoren een veel grotere invloed op het ontwerp van een geothermische sonde: de structuur van het boorgat, het oppervlak, de turbulentie... De zogenaamde "thermische boorgatweerstand" moet als geheel worden beschouwd.
Bij het professioneel plannen en ontwerpen van een geothermisch sondeersysteem worden al deze factoren in acht genomen. Uiteraard houden we ook rekening met het thermische kortsluiteffect. In ons planningsadvies voor “EED” geven wij praktische, haalbare instructies. In het aardwarmteberekeningsprogramma “GHEtool” kan het separatus-aardwarmtesysteem direct worden geselecteerd, waarbij alle parameters al in aanmerking worden genomen.
Onze aanbevelingen zijn: Allereerst moet de kleinst mogelijke boordiameter worden gekozen. Smalle boorgaten verlagen de bouwkosten en hebben tegelijkertijd een positief effect op de thermische efficiëntie. Bovendien is er minder aanvulmateriaal nodig, waardoor thermisch verbeterde aanvulmaterialen betaalbaar en verstandig zijn. Bovendien moet de afscheiding altijd bij turbulente stromingsomstandigheden worden gepland, omdat dankzij de eenvoudige serieschakeling ook bij zeer korte geothermische sondeerboringen en zeer kleine volumestromen voldoende stroomsnelheid kan worden bereikt.
Als deze basisprincipes in acht worden genomen, kunnen voor eenvoudige, kleinere systemen ook de gebruikelijke tabellen uit ontwerprichtlijnen zoals VDI4640 of SIA384-6 worden gebruikt. Dit komt omdat er nauwelijks efficiëntieverschillen zijn tussen separatus- en dubbel-U-probes. Verschillen in de ene of de andere richting vallen binnen het normale fluctuatiebereik van elk systeem. Er zijn echter zeker aanzienlijke verschillen in de bouwkosten…