In diesem Artikel werden wir die Debatte um ein einzelnes oder doppeltes U-Rohr aus einer letzten Perspektive betrachten, nämlich aus der Sicht der Praxis. Außerdem werden wir erneut auf die thermischen und hydraulischen Aspekte eingehen, aber nun einige innovative Sonden wie Separatus, TurboCollector, GEROtherm VARIO und FLUX betrachten.
!Hinweis
Wenn Sie die beiden vorangegangenen Artikel dieser Reihe nicht gelesen haben, finden Sie den Artikel über die thermischen Aspekte hier und die über hydraulische Aspekte hier.
Einfach oder doppelt? Das ist die Frage
In der Welt der geothermischen Planung scheint es nur wenige Themen zu geben, die so sensibel sind oder so viele Diskussionen auslösen wie die Frage, ob ein einfaches oder ein doppeltes U-Rohr verwendet werden soll. In den letzten zwei Wochen haben wir uns bereits mit dieser Frage beschäftigt die thermische Perspektive, Wir betrachteten den effektiven Wärmewiderstand des Bohrlochs. Hier haben wir festgestellt, dass wir unsere spezifische Situation simulieren mussten, um zu wissen, welches System tatsächlich besser funktioniert.
Letzte Woche haben wir über die hydraulischen Aspekte und wie hoch der Druckabfall bei einem einfachen und einem doppelten U ist. Hier haben wir gelernt, dass bei gleichen Durchmessern ein einfaches U-Rohr immer schlechter abschneidet als ein Doppel-U-Rohr. Als wir einfache und doppelte U-Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern verglichen, wurde die Situation komplizierter, und es waren fallspezifische Simulationen erforderlich.
Heute werfen wir einen Blick auf das letzte Puzzlestück: die praktischen Aspekte sowie einige innovative Sondenkonzepte, die der Debatte zusätzliche Nuancen verleihen könnten.
Praktische Aspekte
Viele Bohrer arbeiten lieber mit einem Einzel-U-Rohr als mit einem Doppel-U-Rohr. Dafür gibt es eine Reihe von Gründen, die wir in zwei Kategorien einteilen: Einzel-U-Rohre sind billiger und Einzel-U-Sonden sind einfacher zu installieren. Beide werden im Folgenden erläutert.
Einzelne U-Rohre sind billiger
Beim Vergleich von Einzel- und Doppel-U-Rohren sind die Einzelrohre in der Regel aus mehreren Gründen billiger:
- Da wir nur halb so viele Sonden haben, sind die Materialkosten für die Sonden geringer.
- Da Einzel-U-Rohre ein geringeres Innenvolumen haben als Doppel-U-Rohre, können wir auch die Menge des für das System benötigten Frostschutzmittels einsparen.
- Das Ausgleichsgewicht, mit dem die Sonden in das Bohrloch gezogen werden, kann bei einem einfachen U kleiner sein als bei einem doppelten, da weniger PE-Material heruntergezogen werden muss.
- Auch die Anzahl der Schweißnähte ist geringer, wenn ein einzelnes U-Rohr anstelle eines doppelten verwendet wird, was zu einer Zeitersparnis und auch zu einer Verringerung der Materialkosten führt. Da es weniger Schweißnähte gibt, ist auch das Risiko von Leckagen geringer.
Einzelne U-Rohre sind einfacher zu installieren
Beim Bohren eines Bohrlochs steht nur ein begrenzter Raum für die Installation einer Erdwärmesonde zur Verfügung. Man kann sich leicht vorstellen, dass es angesichts des verfügbaren Platzes einfacher ist, zwei Rohre (d. h. ein einzelnes U-Rohr) in das Bohrloch zu führen als vier (bei einem Doppel-U-Rohr). Im ersten Fall bleibt mehr Platz für die Rohre, was bedeutet, dass sie schneller nach unten gehen, was zu einer kürzeren Installationszeit und damit zu geringeren Installationskosten führt. Außerdem ist das Risiko eines Einsturzes des Bohrlochs aufgrund der schnelleren Verlegung geringer, was die Chance auf eine gute Verlegung erhöht.
Der letzte Aspekt ist, dass das Bohrloch aufgrund des größeren Platzangebots auch leichter mit Mörtel verfüllt werden kann, was zu einem gut funktionierenden System beiträgt.
Schlussfolgerung Praktische Aspekte
Zum ersten Mal in dieser Serie scheint es einen klaren Sieger zu geben. Betrachtet man die praktischen Gründe für den Einbau eines Einzel-U-Rohrs oder eines Doppel-U-Rohrs, so geht das Einzel-U-Rohr eindeutig als Sieger hervor.
Spezielle Sonden
Lassen Sie uns zum Abschluss dieser Serie einige innovative oder spezielle Sonden und die (anderen) Erkenntnisse, die sie in die Debatte einbringen können, näher betrachten. In den folgenden Unterkapiteln werden wir den Separatus, den TurboCollector und die konischen GEROtherm-Sonden VARIO und FLUX besprechen.
!Hinweis
Sofern nicht anders angegeben, werden in diesem Artikel ein DN32-Rohr, ein Bohrlochdurchmesser von 140 mm mit einer Länge von 100 m und ein Mörtel mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 W/(mK) angenommen.
Separatus
Die separatus Wärmetauscher besteht aus einem einzigen Rohr (DN50), in dem eine Membran (der Separator) installiert ist. Dank dieser Membran können sowohl der Vorlauf als auch der Rücklauf im selben Rohr erfolgen, was die Installation noch einfacher macht als bei einem einzelnen U-Rohr, da nur noch ein Rohr statt zwei Rohre verlegt werden müssen.
!Hinweis
Falls Sie unseren Artikel über die Modellentwicklung der separatus-Sonde noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier finden hier.
Die Separatus-Sonde (wie in ein früherer Artikel) kann mit einem einfachen U-Rohr sowohl hinsichtlich des thermischen als auch des hydraulischen Verhaltens verglichen werden. In der nachstehenden Abbildung ist ein Vergleich des effektiven thermischen Bohrlochwiderstands eines einfachen und eines doppelten DN32 sowie einer Separatus-Sonde dargestellt.
Im obigen Diagramm wird deutlich, dass der Separatus genau wie das einfache DN32 (wenn auch etwas später) früher in einen turbulenten Zustand übergeht als das doppelte DN32-Gegenstück. Dadurch wird der Bohrlochwiderstand deutlich reduziert, aber nicht genug, um an die Leistung des einfachen U-Rohrs heranzukommen, geschweige denn an die des doppelten. Der Grund dafür ist, dass der Separatus, da sowohl die eintretende als auch die zurückfließende Flüssigkeit nahe beieinander liegen, einen ziemlich großen Widerstand im Mörtel aufweist (wie in der Abbildung unten zu sehen ist).
Wenn das Separatus in einem kleineren Bohrloch von, sagen wir, 90 mm installiert wird, ist der Mörtelwiderstand deutlich geringer, was zu der unten stehenden überarbeiteten Grafik führt. Hier ist zu erkennen, dass sich die gesamte Kurve beim Übergang von einem Durchmesser von 140 mm auf einen Durchmesser von 90 mm nach unten bewegt hat und sogar das Doppel-U-Rohr in einem Durchflussbereich zwischen 0,27 und 0,48 l/s übertrifft.
Wenn wir den Druckabfall dieser verschiedenen Sonden betrachten, sehen wir, dass der Separatus irgendwo in der Mitte zwischen einer traditionellen einfachen DN32 und einer doppelten Sonde liegt.
TurboCollector
Unsere nächste innovative Sonde ist die TurboCollector von Muovitech. Dabei handelt es sich um ein traditionelles glattes Rohr, in dem im und gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Lamellen installiert sind, um die Turbulenz bei einer geringeren Durchflussrate zu erhöhen.
!Hinweis
Falls Sie unseren Artikel über die Modellentwicklung des TurboCollectors noch nicht gelesen haben, können Sie ihn hier finden hier.
Das nachstehende Diagramm zeigt den effektiven thermischen Bohrlochwiderstand für das glatte Einzel- und Doppel-U-Rohr DN32 sowie für den einzelnen TurboCollector DN32. Wie zu sehen ist, folgen die einzelnen glatten und TurboCollector-Rohre ähnlichen Trajektorien, wobei der TurboCollector früher in einen turbulenten Zustand übergeht (Reynolds-Zahl von 1800 anstelle von 2300).
In der nachstehenden Grafik ist auch der Druckabfall dargestellt. Hier wird deutlich, dass der TurboCollector ein sehr ähnliches hydraulisches Verhalten wie das glatte Rohr aufweist, außer in dem Bereich, in dem das glatte Rohr noch laminar ist und der TurboCollector sich bereits im instationären Bereich befindet.
Ein letzter Vergleich, den wir anstellen können, ist der zwischen dem doppelten DN32 und dem einfachen DN40 TurboCollector. In der nachstehenden Grafik wird diese Linie aus thermischer Sicht hinzugefügt.
Man kann sehen, dass dieser DN40 TurboCollector die glatte Doppel-DN32-Option sogar noch mehr übertrifft als die normale DN32-Sonde. Das liegt daran, dass eine DN40-Sonde eine größere Oberfläche zur Wärmeübertragung hat. Der Nachteil ist, dass aufgrund des größeren Durchmessers der Übergang zur Turbulenz bei einem etwas höheren Durchfluss beginnt (etwa 0,2 l/s statt 0,17 l/s), so dass wir einen kleinen Bereich verlieren, in dem das Einzelrohr (TurboCollector DN40) besser abschneidet als das Doppelrohr DN32.
Der andere große Vorteil des Wechsels von DN32 zu DN40 ist im Hydraulikdiagramm deutlich zu erkennen. Wie in unserem vorherigen Artikel,So hat der einzelne TurboCollector DN40 fast den gleichen Druckabfall wie die glatte DN32-Variante.
GEROtherm VARIO und FLUX
Die letzten innovativen Sonden, die wir in diesem Artikel besprechen wollen, sind die konischen GEROtherm VARIO und FLUX Sonden von HakaGerodur. Die Idee hinter diesem Rohr ist, dass die Wandstärke, die für eine bestimmte Druckstufe erforderlich ist, nur am Boden des Bohrlochs benötigt wird und nicht am oberen Ende. Daher wurde ein konisches Design entwickelt, das im Durchschnitt eine geringere Wandstärke aufweist, was zu einem geringeren Druckabfall führt.
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Falls Sie unseren Artikel über die Modellentwicklung der GEROtherm VARIO- und FLUX-Sonden noch nicht gelesen haben, finden Sie ihn hier hier.!Hinweis
Da diese konischen Sonden für tiefere Bohrlöcher entwickelt wurden, wurden die Annahmen in den folgenden Diagrammen auf eine Bohrlochlänge von 350 m, einen Durchmesser von 170 mm und eine Druckklasse von PN32 geändert (sofern nicht anders angegeben).
Die nachstehende Grafik zeigt den thermischen Bohrlochwiderstand eines einzelnen und eines doppelten U-Rohrs DN40 im Vergleich zu einem einzelnen FLUX DN43. Wie zu erkennen ist, beginnt die FLUX Sonde aufgrund ihres etwas größeren Durchmessers etwas später mit dem Übergang in den turbulenten Bereich, was durch den ersten Biegepunkt angezeigt wird. Der zweite tritt auf, wenn der obere Teil (der aufgrund des konischen Designs einen größeren Innendurchmesser hat) ebenfalls in den transienten Strömungsbereich eintritt.
Es zeigt sich, dass die FLUX Sonde eine bessere thermische Leistung aufweist als die herkömmliche Alternative, da die konische Bauweise zu einer etwas geringeren durchschnittlichen Wandstärke führt, wodurch der Leitungswiderstand durch die Rohrwand verringert wird. Zwischen 0,3 und 0,47 l/s (und auch bei sehr niedrigen Durchflussraten) hat sie die beste thermische Leistung.
!Hinweis
Da dieses Bohrloch viel länger ist, ist auch die allgemeine Form der Kurve anders und im laminaren Bereich viel steiler.
Das untenstehende Hydraulikdiagramm verdeutlicht, dass der Druckabfall der einzelnen FLUX DN43-Sonde aufgrund ihrer konischen Bauweise bereits nahe an den der herkömmlichen doppelten DN40 PN32-Variante heranreicht.
Wenn wir den gleichen Ansatz wie zuvor verfolgen und zu einer FLUX Sonde mit einem noch größeren Durchmesser, jetzt DN53 PN38, wechseln, erhalten wir ein thermisches Verhalten, das wiederum leicht unterschiedlich ist. Aufgrund des größeren Durchmessers setzt der Übergang zur Turbulenz später ein, was dazu führt, dass der Bereich, in dem der einfache FLUX besser abschneidet als der doppelte DN40, beim Wechsel von einem FLUX DN43 zu einem DN53 schrumpft. Die Leistung dieses größeren Rohrs kommt jedoch bei höheren Durchflussraten der Leistung eines Doppel-U-Rohrs sehr nahe.
Abschließend wird die hydraulische Leistung der FLUX Sonde DN53 dargestellt. Daraus geht hervor, dass diese Lösung für alle Durchflussraten die Alternative mit dem geringsten Druckabfall ist. Das bedeutet, dass diese Lösung auch einen Bereich von Durchflussraten hat, für den sie im Vergleich zu den traditionellen Doppel-DN40-U-Rohren sowohl hydraulisch als auch thermisch vorteilhaft ist.
Fazit
In diesem Artikel wird abschließend die Frage beantwortet: Was ist besser, das einfache oder das doppelte U-Rohr? Wenn man diese Frage aus praktischer Sicht betrachtet, war das einfache U-Rohr aufgrund seiner einfacheren und wahrscheinlich billigeren Installation immer die bevorzugte Option.
Als letzte Nuance betrachteten wir auch innovative Sondenkonstruktionen wie den Separatus, den TurboCollector sowie die GEROtherm VARIO- und FLUX-Sonden. Hier zeigte sich einmal mehr, dass der Rohrdurchmesser, die Durchflussmenge und im Falle des separatus auch der Bohrlochdurchmesser eine wichtige Rolle dabei spielen, welche Lösung thermisch und hydraulisch besser abschneidet.
Nach drei Wochen der Diskussion über dieses Thema sollte nun klar sein, dass es keinen Königsweg gibt. Jedes Projekt ist einzigartig und erfordert daher seine eigenen Simulationen und Überlegungen: praktische, thermische und hydraulische gleichermaßen. Wir hoffen, dass diese Serie Ihnen einen Einblick in die verschiedenen Sichtweisen gegeben hat und dass Sie nun einige Ansatzpunkte haben, um Ihre eigenen Simulationen durchzuführen und verschiedene Entwurfsoptionen mit GHEtool Cloud zu vergleichen.
Literaturverzeichnis
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