{"id":3993,"date":"2025-04-29T09:58:06","date_gmt":"2025-04-29T07:58:06","guid":{"rendered":"https:\/\/ghetool.eu\/?post_type=knowledgebase&#038;p=3993"},"modified":"2025-04-29T15:10:56","modified_gmt":"2025-04-29T13:10:56","slug":"modellierung-des-separatus","status":"publish","type":"knowledgebase","link":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/knowledgebase\/modelling-separatus\/","title":{"rendered":"Modellierung der separatus Erdw\u00e4rmesonde"},"content":{"rendered":"<p>Separatus ist eine innovative Erdw\u00e4rmesonde, die entwickelt wurde, um die Investitionskosten f\u00fcr geothermische Bohrungen deutlich zu senken. Mit GHEtool k\u00f6nnen Sie die Leistungsf\u00e4higkeit des Systems jetzt direkt berechnen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr \u00fcber die Entwicklung des aktuellen theoretischen Modells des separatus-Systems in GHEtool.<\/p>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">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.<\/span><\/p><\/blockquote>\n<p><iframe title=\"Modellierung der separatus Erdw\u00e4rmesonde\" width=\"800\" height=\"450\" src=\"https:\/\/www.youtube.com\/embed\/cXvf7FFWwWM?feature=oembed\" frameborder=\"0\" allow=\"accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture; web-share\" referrerpolicy=\"strict-origin-when-cross-origin\" allowfullscreen><\/iframe><\/p>\n<h2>Was ist separatus?<\/h2>\n<p>Die <a style=\"text-decoration: underline;\" href=\"https:\/\/separatus.ch\/\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">separatus<\/a> Erdw\u00e4rmesonde 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 Fl\u00fcssigkeitsstr\u00f6me voneinander trennt.<\/p>\n<p>Bei dieser Bauweise m\u00fcssen Bohrunternehmen nur ein einziges Rohr anstelle der herk\u00f6mmlichen zwei oder vier Rohre (wie bei Einzel- oder Doppel-U-Rohr-Konfigurationen) installieren. Dadurch verk\u00fcrzt sich die Installationszeit und reduziert sich der erforderliche Bohrlochdurchmesser erheblich, was zu deutlich geringeren Investitionskosten f\u00fcr das geothermische Bohrfeld f\u00fchrt.<\/p>\n<figure id=\"attachment_3994\" aria-describedby=\"caption-attachment-3994\" style=\"width: 400px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img fetchpriority=\"high\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-3994\" src=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Separatus.png\" alt=\"Abbildung des Separatus-W\u00e4rmetauschers.\" width=\"400\" height=\"303\" srcset=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Separatus.png 755w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Separatus-300x227.png 300w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Separatus-16x12.png 16w\" sizes=\"(max-width: 400px) 100vw, 400px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-3994\" class=\"wp-caption-text\">Bild des separatus.<\/figcaption><\/figure>\n<h2>Modell Entwicklung<\/h2>\n<p>Die Entwicklung eines Modells f\u00fcr ein neues Produkt ist immer eine Herausforderung: Man kann entweder eine sehr detaillierte Simulation w\u00e4hlen oder einen praxisnahen, ingenieurm\u00e4\u00dfigen Ansatz verfolgen. F\u00fcr separatus entschied sich das Team f\u00fcr Letzteres. Auf Basis der Geometrie eines einzelnen U-Rohrs, das der neuen Bauweise am \u00e4hnlichsten ist, wurde ein Modell f\u00fcr den W\u00e4rmetauscher entwickelt und anschlie\u00dfend anhand realer Messdaten kalibriert.<\/p>\n<p>Im Folgenden werden der Versuchsaufbau und die beiden wichtigsten Messungen beschrieben. Anschliessend wird die endg\u00fcltige kalibrierte U-Rohr-Ann\u00e4herung diskutiert, die im GHEtool implementiert wurde.<\/p>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">Das im Folgenden beschriebene Modell wurde von separatus entwickelt, um eine Simulation der Innovation mit Earth Energy Designer zu erm\u00f6glichen. Die GHEtool-Implementierung basiert auf denselben urspr\u00fcnglichen Annahmen. Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird auch auf k\u00fcnftige Aktualisierungen des Modells eingegangen.<\/span><\/p><\/blockquote>\n<h3>Beschreibung des Experiments<\/h3>\n<p>Die Testanlage f\u00fcr den Versuch befindet sich in Altach (\u00d6sterreich). Es wurden drei Bohrungen von je 70 m L\u00e4nge abgeteuft, von denen eine mit einer Doppel-U DN32 Sonde und eine weitere mit der separatus Sonde ausgestattet wurden. Mittels zus\u00e4tzlicher Ventile im Verteiler konnte die W\u00e4rmepumpe an beide oder eine dieser Bohrungen angeschlossen werden, was den Vergleich ihrer thermischen Leistung erleichtert.<\/p>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">W\u00e4hrend des Einbaus kam es zu einem Problem bei der Verf\u00fcllung des Doppel-U-Bohrlochs. Es ist anzunehmen, dass dieses Bohrloch nicht \u00fcber die gesamte Tiefe ordnungsgem\u00e4ss verf\u00fcllt wurde. Da Altach einen hohen Grundwasserspiegel und -fluss aufweist, ist dies f\u00fcr die thermische Leistung des Doppel-U-Rohr-Bohrlochs von Vorteil.<\/span><\/p><\/blockquote>\n<h3>Messung bei gleichem Volumenfluss<\/h3>\n<p>Im ersten Test wurden sowohl die Doppel-U-Rohr als auch die separatus-Sonden f\u00fcr eine Dauer von 97 Stunden an die W\u00e4rmepumpe angeschlossen, jeweils mit einem Nenndurchfluss von 1100 l\/h. Die in der nachstehenden Grafik dargestellten Ergebnisse (Zoom auf die l\u00e4ngste Dauerlaufzeit der W\u00e4rmepumpe) verdeutlichen die thermische Leistung beider Systeme.<\/p>\n<figure id=\"attachment_3995\" aria-describedby=\"caption-attachment-3995\" style=\"width: 1600px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img decoding=\"async\" class=\"wp-image-3995 size-full\" src=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow.jpeg\" alt=\"Messungen f\u00fcr eine konstante Durchflussmenge.\" width=\"1600\" height=\"785\" srcset=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow.jpeg 1600w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow-300x147.jpeg 300w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow-1024x502.jpeg 1024w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow-768x377.jpeg 768w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow-1536x754.jpeg 1536w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-flow-18x9.jpeg 18w\" sizes=\"(max-width: 1600px) 100vw, 1600px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-3995\" class=\"wp-caption-text\">Messung bei gleichem Volumenfluss.<\/figcaption><\/figure>\n<p>Wie in der Grafik zu sehen ist, ist die aus dem Doppel-U-Rohr (Doppel-U_Leistung) gewonnene Leistung h\u00f6her als die der separatus-Sonde (separatus_Leistung), mit Werten um 2,27 kW bzw. 1,74 kW. Beide Leistungen blieben w\u00e4hrend des 6-st\u00fcndigen Messfensters ziemlich konstant.<\/p>\n<p>Unter der Annahme, dass der \u00e4quivalente thermische Bohrlochwiderstand f\u00fcr die Doppel-U-Sonde 0,12 mK\/W betr\u00e4gt, entspricht dies einem thermischen Bohrlochwiderstand von 0,156 mK\/W bei der separatus Konfiguration. Diese Beziehung ergibt sich aus der Tatsache, dass die Bodentemperatur \u00fcber kurze Zeitr\u00e4ume als konstant angenommen werden kann, was bedeutet, dass die W\u00e4rmeleistung umgekehrt proportional zum effektiven thermischen Bohrlochwiderstand ist.<\/p>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">Wenn Sie mit dem Konzept des effektiven W\u00e4rmewiderstands von Bohrl\u00f6chern nicht vertraut sind, k\u00f6nnen Sie unseren ausf\u00fchrlichen Artikel zu diesem Thema lesen <a style=\"text-decoration: underline;\" href=\"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wissensdatenbank\/thermischer-widerstand-des-bohrlochs\/\">hier<\/a>.<\/span><\/p><\/blockquote>\n<h3>Messung bei gleicher W\u00e4rme\u00fcbertragung<\/h3>\n<p>Um die Leistung weiter zu bewerten und den effektiven W\u00e4rmewiderstand des Bohrlochs zu ermitteln, wurde ein zweiter Test durchgef\u00fchrt, diesmal mit einer konstanten W\u00e4rme\u00fcbertragung. Die Durchflussmenge f\u00fcr das Doppel-U-Rohr wurde auf 550 l\/h reduziert, wodurch es in den laminaren Str\u00f6mungszustand versetzt wurde, w\u00e4hrend die Durchflussmenge f\u00fcr die separatus-Sonde auf 1400 l\/h erh\u00f6ht wurde, was einem instation\u00e4ren Str\u00f6mungszustand entspricht.<\/p>\n<p>Diese Anordnung f\u00fchrte zu einer gleichm\u00e4ssigen W\u00e4rmeentnahme aus beiden Bohrungen, wie die folgende Grafik zeigt, die sich wiederum auf die l\u00e4ngste kontinuierliche Betriebszeit (etwa 4 Stunden) konzentriert.<\/p>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">Wenn Sie mit den Unterschieden zwischen laminarer, instation\u00e4rer und turbulenter Str\u00f6mung in geothermischen Systemen nicht vertraut sind, lesen Sie unseren Artikel \u00fcber Str\u00f6mungsregime <a style=\"text-decoration: underline;\" href=\"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wissensdatenbank\/was-ist-die-reynoldszahl\/\">hier<\/a>.<\/span><\/p><\/blockquote>\n<figure id=\"attachment_3996\" aria-describedby=\"caption-attachment-3996\" style=\"width: 1600px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img decoding=\"async\" class=\"wp-image-3996 size-full\" src=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power.jpeg\" alt=\"Messung bei gleicher W\u00e4rme\u00fcbertragung.\" width=\"1600\" height=\"788\" srcset=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power.jpeg 1600w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power-300x148.jpeg 300w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power-1024x504.jpeg 1024w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power-768x378.jpeg 768w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power-1536x756.jpeg 1536w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Constant-power-18x9.jpeg 18w\" sizes=\"(max-width: 1600px) 100vw, 1600px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-3996\" class=\"wp-caption-text\">Messung bei gleicher W\u00e4rme\u00fcbertragung.<\/figcaption><\/figure>\n<p>Obwohl beide Systeme nahezu den gleichen W\u00e4rmeentzug lieferten, war der Temperaturunterschied (deltaT) zwischen dem Fl\u00fcssigkeitseinlass und -auslass bei der separatus-Sonde geringer. Dies ist aufgrund der h\u00f6heren Durchflussrate zu erwarten, die zu einem geringeren Temperaturabfall im W\u00e4rmetauscher f\u00fchrt.<\/p>\n<h3>Resultate<\/h3>\n<p>Die Ergebnisse der vorangegangenen Tests wurden verwendet, um die Parameter eines einzelnen U-Rohrs zu ermitteln, die den gleichen effektiven thermischen Bohrlochwiderstand ergeben w\u00fcrden, wie er f\u00fcr separatus gemessen wurde. Dies geschah in einem iterativen Ansatz unter der Annahme, dass das Bohrloch vollst\u00e4ndig verpresst war.<\/p>\n<p>Die beste \u00dcbereinstimmung wurde mit den folgenden Parametern erzielt:<\/p>\n<ul>\n<li>Rohrdurchmesser: 35.74mm<\/li>\n<li>Wandst\u00e4rke: 3mm<\/li>\n<li>Abstand von Rohr zur Bohrlochmitte: 18mm<\/li>\n<\/ul>\n<p>Um die zus\u00e4tzliche thermische Wechselwirkung zwischen der heissen und der kalten Kammer der separatus Sonde zu modellieren, die durch den Trennsteg verursacht wird, wurde ein zus\u00e4tzlicher Kontaktwiderstand von 0,03 mK\/W ermittelt.<\/p>\n<figure id=\"attachment_4007\" aria-describedby=\"caption-attachment-4007\" style=\"width: 1024px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-4007 size-large\" src=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-1024x313.png\" alt=\"Thermische Widerst\u00e4nde mit zus\u00e4tzlichem Kontaktwiderstand.\" width=\"1024\" height=\"313\" srcset=\"https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-1024x313.png 1024w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-300x92.png 300w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-768x235.png 768w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-1536x470.png 1536w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-2048x626.png 2048w, https:\/\/ghetool.eu\/wp-content\/uploads\/2025\/04\/Resistances-18x6.png 18w\" sizes=\"(max-width: 1024px) 100vw, 1024px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-4007\" class=\"wp-caption-text\">Thermische Widerst\u00e4nde mit zus\u00e4tzlichem Kontaktwiderstand.<\/figcaption><\/figure>\n<blockquote><p><span style=\"color: #3366ff;\"><strong>!Hinweis<\/strong><\/span><br \/>\n<span style=\"color: #3366ff;\">Aufgrund seiner Konstruktion hat separatus mehr thermische Wechselwirkungen zwischen den hei\u00dfen und kalten Kammern als ein typisches einzelnes U-Rohr. Um dies in dem Modell zu ber\u00fccksichtigen, wird ein zus\u00e4tzlicher Widerstand eingef\u00fchrt. Dieser Widerstand liegt in Reihe mit den Widerst\u00e4nden zwischen Fluid-Rohr, Rohr und Rohr-Boden (wie in unserem Artikel zum effektiven thermischen Bohrlochwiderstand erl\u00e4utert, den finden Sie <span style=\"color: #3366ff;\"><a style=\"text-decoration: underline;\" href=\"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wissensdatenbank\/thermischer-widerstand-des-bohrlochs\/\">hier<\/a>). 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.<\/span><\/span><\/p><\/blockquote>\n<h2>Was kommt als N\u00e4chstes?<\/h2>\n<p>Das oben beschriebene Modell bietet eine ingenieurm\u00e4\u00dfige Ann\u00e4herung zur Simulation des thermischen Verhaltens der separatus Sonde. Es ist praktisch anwendbar, beruht aber auf Vereinfachungen:<\/p>\n<ul>\n<li>Die Rohrgeometrie wird als einfaches U-Rohr modelliert, wobei der Durchmesser so gew\u00e4hlt wird, dass die Querschnittsfl\u00e4che derjenigen des separatus Rohrs entspricht.<\/li>\n<li>Es wurde ein zus\u00e4tzlicher Korrekturfaktor eingef\u00fchrt, um die zus\u00e4tzliche thermische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Kammern zu simulieren. Dieser basiert auf einer einzigen Messung.<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<p>Da das Modell anhand von realen Messungen kalibriert wurde, kann es als zuverl\u00e4ssig angesehen werden, wenn es unter \u00e4hnlichen Bedingungen wie im Versuchsaufbau eingesetzt wird \u2013 insbesondere im Bereich der turbulenten Str\u00f6mung.<\/p>\n<p>Um die Anwendbarkeit und Genauigkeit des Modells zu erweitern, arbeiten <a style=\"text-decoration: underline;\" href=\"https:\/\/enead.be\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">Enead<\/a> und separatus nun gemeinsam an der Entwicklung eines neuen, umfassenderen Modells. Diese aktualisierte Version wird auf der tats\u00e4chlichen Geometrie des separatus-W\u00e4rmetauschers basieren und genauere Vorhersagen des thermischen Widerstands des Bohrlochs unter einer gr\u00f6\u00dferen Bandbreite von Bedingungen (z. B. unterschiedliche Bohrlochdurchmesser, Fl\u00fcssigkeitsregime usw.) erm\u00f6glichen. Dank der Verf\u00fcgbarkeit zus\u00e4tzlicher Messdaten kann dieses Modell der n\u00e4chsten Generation auch mit h\u00f6herer Genauigkeit kalibriert werden.<\/p>\n<h2>Fazit<\/h2>\n<p>Dieser Artikel erl\u00e4uterte die Modellentwicklung des Separatus-W\u00e4rmetauschers. Das aktuelle Modell basiert auf dem Rahmen eines einzelnen U-Rohrs und wurde mithilfe realer Messdaten des Separatus-Systems kalibriert. Ein klarer Weg f\u00fcr die Weiterentwicklung wurde festgelegt, mit dem Ziel, zu einem st\u00e4rker geometriebasierten Modell \u00fcberzugehen, das eine pr\u00e4zisere Simulation in einem breiteren Spektrum von Anwendungsf\u00e4llen erm\u00f6glicht.<\/p>\n<h2 id=\"reference\">Literaturverzeichnis<\/h2>\n<ul>\n<li>Sehen Sie sich unsere Videoerkl\u00e4rung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken <span style=\"text-decoration: underline;\"><a href=\"https:\/\/youtu.be\/cXvf7FFWwWM\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">hier<\/a><\/span>.<\/li>\n<\/ul>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Separatus ist ein neuartiger W\u00e4rmetauscher, der darauf abzielt, die Investitionskosten des geothermischen Bohrlochs zu senken. Sie k\u00f6nnen seine Leistung mit GHEtool berechnen! Dieser Artikel erl\u00e4utert die Modellentwicklung dieser L\u00f6sung.<\/p>","protected":false},"template":"","pdf-article":[74],"authors":[39,72],"knowledgebase-category":[67],"class_list":["post-3993","knowledgebase","type-knowledgebase","status-publish","hentry","pdf-article-separatus_en","authors-wouter-peere","authors-oliver-buschor","knowledgebase-category-physics"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/knowledgebase\/3993","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/knowledgebase"}],"about":[{"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/knowledgebase"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3993"}],"wp:term":[{"taxonomy":"pdf-article","embeddable":true,"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/pdf-article?post=3993"},{"taxonomy":"authors","embeddable":true,"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/authors?post=3993"},{"taxonomy":"knowledgebase-category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ghetool.eu\/de_de\/wp-json\/wp\/v2\/knowledgebase-category?post=3993"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}