Modellierung der separatus Erdwärmesonde

Separatus ist eine innovative Erdwärmesonde, die entwickelt wurde, um die Investitionskosten für geothermische Bohrungen deutlich zu senken. Mit GHEtool können Sie die Leistungsfähigkeit des Systems jetzt direkt berechnen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die Entwicklung des aktuellen theoretischen Modells des separatus-Systems in GHEtool.

!Hinweis
Dieser Artikel befasst sich mit den theoretischen Grundlagen vom im GHEtool hinterlegten separatus Modell. Eine praktische Anleitung, wie das GHEtool zur Auslegung von separatus verwendet werden kann, finden Sie im Blogbeitrag auf der separatus-Website.

Was ist separatus?

Die separatus Erdwärmesonde wurde 2023 von Dietmar Alge, Jana Walker und Stefan Geser unter Verwendung des Konzepts der Split-Pipe-Technologie entwickelt. Sie basiert auf einem Standardrohr mit einem Durchmesser von 51 Millimetern, das durch einen integrierten Trennsteg die warmen und kalten Flüssigkeitsströme voneinander trennt.

Bei dieser Bauweise müssen Bohrunternehmen nur ein einziges Rohr anstelle der herkömmlichen zwei oder vier Rohre (wie bei Einzel- oder Doppel-U-Rohr-Konfigurationen) installieren. Dadurch verkürzt sich die Installationszeit und reduziert sich der erforderliche Bohrlochdurchmesser erheblich, was zu deutlich geringeren Investitionskosten für das geothermische Bohrfeld führt.

Modell Entwicklung

Developing a model for a new product is always a challenge — one can either opt for a highly detailed simulation or take a more practical, engineering-based approach. For separatus, the latter path was chosen. The team developed a model for their heat exchanger based on the geometry of a single U-pipe, which is the closest existing model in terms of geometry, and then tuned the parameters based on real-life measurements.

Im Folgenden werden der Versuchsaufbau und die beiden wichtigsten Messungen beschrieben. Anschliessend wird die endgültige kalibrierte U-Rohr-Annäherung diskutiert, die im GHEtool implementiert wurde.

!Hinweis
Das im Folgenden beschriebene Modell wurde von separatus entwickelt, um eine Simulation der Innovation mit Earth Energy Designer zu ermöglichen. Die GHEtool-Implementierung basiert auf denselben ursprünglichen Annahmen. Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird auch auf künftige Aktualisierungen des Modells eingegangen.

Beschreibung des Experiments

Die Testanlage für den Versuch befindet sich in Altach (Österreich). Es wurden drei Bohrungen von je 70 m Länge abgeteuft, von denen eine mit einer Doppel-U DN32 Sonde und eine weitere mit der separatus Sonde ausgestattet wurden. Mittels zusätzlicher Ventile im Verteiler konnte die Wärmepumpe an beide oder eine dieser Bohrungen angeschlossen werden, was den Vergleich ihrer thermischen Leistung erleichtert.

!Hinweis
Während des Einbaus kam es zu einem Problem bei der Verfüllung des Doppel-U-Bohrlochs. Es ist anzunehmen, dass dieses Bohrloch nicht über die gesamte Tiefe ordnungsgemäss verfüllt wurde. Da Altach einen hohen Grundwasserspiegel und -fluss aufweist, ist dies für die thermische Leistung des Doppel-U-Rohr-Bohrlochs von Vorteil.

Messung bei gleichem Volumenfluss

Im ersten Test wurden sowohl die Doppel-U-Rohr als auch die separatus-Sonden für eine Dauer von 97 Stunden an die Wärmepumpe angeschlossen, jeweils mit einem Nenndurchfluss von 1100 l/h. Die in der nachstehenden Grafik dargestellten Ergebnisse (Zoom auf die längste Dauerlaufzeit der Wärmepumpe) verdeutlichen die thermische Leistung beider Systeme.

Wie in der Grafik zu sehen ist, ist die aus dem Doppel-U-Rohr (Doppel-U_Leistung) gewonnene Leistung höher als die der separatus-Sonde (separatus_Leistung), mit Werten um 2,27 kW bzw. 1,74 kW. Beide Leistungen blieben während des 6-stündigen Messfensters ziemlich konstant.

Unter der Annahme, dass der äquivalente thermische Bohrlochwiderstand für die Doppel-U-Sonde 0,12 mK/W beträgt, entspricht dies einem thermischen Bohrlochwiderstand von 0,156 mK/W bei der separatus Konfiguration. Diese Beziehung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bodentemperatur über kurze Zeiträume als konstant angenommen werden kann, was bedeutet, dass die Wärmeleistung umgekehrt proportional zum effektiven thermischen Bohrlochwiderstand ist.

!Hinweis
Wenn Sie mit dem Konzept des effektiven Wärmewiderstands von Bohrlöchern nicht vertraut sind, können Sie unseren ausführlichen Artikel zu diesem Thema lesen hier.

Messung bei gleicher Wärmeübertragung

Um die Leistung weiter zu bewerten und den effektiven Wärmewiderstand des Bohrlochs zu ermitteln, wurde ein zweiter Test durchgeführt, diesmal mit einer konstanten Wärmeübertragung. Die Durchflussmenge für das Doppel-U-Rohr wurde auf 550 l/h reduziert, wodurch es in den laminaren Strömungszustand versetzt wurde, während die Durchflussmenge für die separatus-Sonde auf 1400 l/h erhöht wurde, was einem instationären Strömungszustand entspricht.

Diese Anordnung führte zu einer gleichmässigen Wärmeentnahme aus beiden Bohrungen, wie die folgende Grafik zeigt, die sich wiederum auf die längste kontinuierliche Betriebszeit (etwa 4 Stunden) konzentriert.

!Hinweis
Wenn Sie mit den Unterschieden zwischen laminarer, instationärer und turbulenter Strömung in geothermischen Systemen nicht vertraut sind, lesen Sie unseren Artikel über Strömungsregime hier.

Obwohl beide Systeme nahezu den gleichen Wärmeentzug lieferten, war der Temperaturunterschied (deltaT) zwischen dem Flüssigkeitseinlass und -auslass bei der separatus-Sonde geringer. Dies ist aufgrund der höheren Durchflussrate zu erwarten, die zu einem geringeren Temperaturabfall im Wärmetauscher führt.

Resultate

Die Ergebnisse der vorangegangenen Tests wurden verwendet, um die Parameter eines einzelnen U-Rohrs zu ermitteln, die den gleichen effektiven thermischen Bohrlochwiderstand ergeben würden, wie er für separatus gemessen wurde. Dies geschah in einem iterativen Ansatz unter der Annahme, dass das Bohrloch vollständig verpresst war.

Die beste Übereinstimmung wurde mit den folgenden Parametern erzielt:

• Rohrdurchmesser: 35.74mm
• Wandstärke: 3mm
• Abstand von Rohr zur Bohrlochmitte: 18mm

Um die zusätzliche thermische Wechselwirkung zwischen der heissen und der kalten Kammer der separatus Sonde zu modellieren, die durch den Trennsteg verursacht wird, wurde ein zusätzlicher Kontaktwiderstand von 0,03 mK/W ermittelt.

!Hinweis
Aufgrund seiner Konstruktion hat separatus mehr thermische Wechselwirkungen zwischen den heißen und kalten Kammern als ein typisches einzelnes U-Rohr. Um dies in dem Modell zu berücksichtigen, wird ein zusätzlicher Widerstand eingeführt. Dieser Widerstand liegt in Reihe mit den Widerständen zwischen Fluid-Rohr, Rohr und Rohr-Boden (wie in unserem Artikel zum effektiven thermischen Bohrlochwiderstand erläutert, den finden Sie hier). Auf der Grundlage einer Versuch-und-Irrtum-Kalibrierung anhand der gemessenen Daten wurde ein Kontaktwiderstand von 0,03 mK/W ermittelt, der die beobachtete Leistung am besten wiedergibt.

Was kommt als Nächstes?

Das oben beschriebene Modell bietet eine ingenieurmäßige Annäherung zur Simulation des thermischen Verhaltens der separatus Sonde. Es ist praktisch anwendbar, beruht aber auf Vereinfachungen:

• Die Rohrgeometrie wird als einfaches U-Rohr modelliert, wobei der Durchmesser so gewählt wird, dass die Querschnittsfläche derjenigen des separatus Rohrs entspricht.
• Es wurde ein zusätzlicher Korrekturfaktor eingeführt, um die zusätzliche thermische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Kammern zu simulieren. Dieser basiert auf einer einzigen Messung.

Da das Modell anhand von realen Messungen kalibriert wurde, kann es als zuverlässig angesehen werden, wenn es unter ähnlichen Bedingungen wie im Versuchsaufbau eingesetzt wird – insbesondere im Bereich der turbulenten Strömung.

Um die Anwendbarkeit und Genauigkeit des Modells zu erweitern, arbeiten Enead und separatus nun gemeinsam an der Entwicklung eines neuen, umfassenderen Modells. Diese aktualisierte Version wird auf der tatsächlichen Geometrie des separatus-Wärmetauschers basieren und genauere Vorhersagen des thermischen Widerstands des Bohrlochs unter einer größeren Bandbreite von Bedingungen (z. B. unterschiedliche Bohrlochdurchmesser, Flüssigkeitsregime usw.) ermöglichen. Dank der Verfügbarkeit zusätzlicher Messdaten kann dieses Modell der nächsten Generation auch mit höherer Genauigkeit kalibriert werden.

Schlussfolgerung

Dieser Artikel erläuterte die Modellentwicklung des Separatus-Wärmetauschers. Das aktuelle Modell basiert auf dem Rahmen eines einzelnen U-Rohrs und wurde mithilfe realer Messdaten des Separatus-Systems kalibriert. Ein klarer Weg für die Weiterentwicklung wurde festgelegt, mit dem Ziel, zu einem stärker geometriebasierten Modell überzugehen, das eine präzisere Simulation in einem breiteren Spektrum von Anwendungsfällen ermöglicht.

Literaturverzeichnis

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