Een van de centrale vragen bij het ontwerpen van boorvelden is: “Wat is beter, een enkele of een dubbele U-buis?”. In dit artikel beginnen we dit mysterie voor eens en voor altijd te ontrafelen door naar de thermische kant van het verhaal te kijken.
Enkel of dubbel? Dat is de vraag
In de wereld van geothermische ontwerpen zijn er maar weinig onderwerpen die zo gevoelig liggen of zo snel tot discussie leiden als de vraag of er een enkele of een dubbele U-buis moet worden gebruikt. Zodra je begint met het beantwoorden van deze vraag, beland je in een konijnenhol met verschillende standpunten en verrassende overwegingen. Hebben we het over thermische of hydraulische aspecten? Hoe zit het met praktische aspecten of innovatieve sondes? Kunnen er algemene conclusies worden getrokken?
In deze driedelige serie zullen we deze vraag voor eens en altijd ontrafelen. Vandaag ligt de nadruk op de thermische aspecten van deze vergelijking. In de komende weken zullen we de hydraulische en praktische elementen behandelen, evenals unieke sondeontwerpen zoals de separatus, de TurboCollector en conische sondes zoals de GEROtherm VARIO en FLUX sondes.
Thermische aspecten
Als we het hebben over de thermische aspecten van de kwestie van enkele of dubbele U-buizen, moeten we terugkomen op onze discussie over de effectieve thermische boorgatweerstand (waarover je meer kunt lezen in ons onderwerpspecifieke artikel). Deze weerstand geeft aan hoe gemakkelijk warmte wordt overgedragen van de vloeistof naar de boorgatwand en uiteindelijk naar de grond.
Een goede, effectieve thermische boorgatweerstand kan je op twee manieren ten goede komen:
- Je kunt de totale boorgatlengte verkorten, waardoor je systeem betaalbaarder wordt.
- U kunt het ontwerp hetzelfde houden, maar werken met minder extreme temperaturen, waardoor de efficiëntie van uw systeem verbetert en de bedrijfskosten dalen.
Hieronder ziet u een grafische voorstelling van de verschillende elementen waaruit deze boorgatweerstand bestaat.
In onze bespreking van enkele en dubbele U-buizen is de belangrijkste factor de convectieve warmteoverdracht, met name de overgang van laminaire naar turbulente stroming. De geleidingsweerstand van pijp naar mortel is ook belangrijk, omdat een dubbele U-buis twee keer zoveel warmte overdraagt als een enkele U-buis en de weerstand dus lager zal zijn.
In de volgende paragrafen worden enkele belangrijke thermische aspecten besproken:
- De invloed van het type vloeistof (bijv. het type antivriesmiddel)
- De invloed van de thermische geleidbaarheid van de voegmortel
- Consistente prestaties bij variërende stroomsnelheden
- Variërende vloeistofeigenschappen
Invloed van vloeistoftype
De grafiek hieronder toont de effectieve thermische boorgatweerstand voor zowel een enkele als een dubbele U-buis bij verschillende stroomsnelheden. Zoals u kunt zien, vertonen beide grafieken een scherpe cut-off op het punt waar de vloeistof overgaat van laminaire naar turbulente stroming (meer informatie hier). In deze overgangsfase neemt het convectieve deel van de boorgatweerstand aanzienlijk af, waardoor ook de totale weerstand daalt.
!Let op
Tenzij anders vermeld, wordt in dit artikel uitgegaan van een DN32-buis, een boorgatdiameter van 140 mm met een lengte van 100 m en een grout met een warmtegeleidingscoëfficiënt van 1,5 W/(mK).Let op
De onderstaande grafieken moeten niet worden beschouwd als ontwerprichtlijnen, omdat het resultaat ook afhangt van de diepte van het boorgat, de straal van het boorgat, de dikte van de buiswand, de afstand tussen de buizen en andere factoren.
In bovenstaande grafiek is duidelijk te zien dat deze overgang plaatsvindt bij de helft van de stroomsnelheid voor de enkele U-buis vergeleken met de dubbele U-buis. Dit komt doordat bij een dubbele U-buis de stroom over twee buizen wordt verdeeld, terwijl hij bij een enkele sonde slechts door één buis gaat.
In dit geval is er een venster (tussen 0,25 en 0,45 l/s) waarin de enkele U-buis een lagere boorgatweerstand heeft en dus betere thermische prestaties levert dan zijn dubbele U-tegenhanger.
De positie van dit venster hangt sterk af van het Reynoldsgetal, dat wordt beïnvloed door zowel de temperatuur (zie later) als het vloeistoftype. In de grafiek hieronder wordt dezelfde vergelijking getoond voor water. Vanwege de gunstige viscositeit bereikt water de turbulente toestand bij zeer lage stroomsnelheden.
In dit geval is het venster waarin een enkele U-buis beter presteert dan een dubbele U-buis erg klein (<0,15 l/s) en in de praktijk bijna onbestaande. Daarom kan worden gesteld dat in de bovenstaande situatie het dubbele ontwerp consequent beter presteert dan de enkele sonde.
Invloed van de thermische geleidbaarheid van grout
Een aspect dat misschien verrassend is, is dat zelfs de thermische geleidbaarheid van de specie een rol speelt in dit debat. Zoals aan het begin van dit artikel is vermeld, is het derde deel van de boorgatweerstand de geleidingsweerstand tussen buis en specie.
Omdat de energie van de buis naar de boorgatwand door de specie moet, zal het gebruik van een specie met een hoger geleidingsvermogen (bijvoorbeeld 2 W/(mK)) de prestaties van het systeem verbeteren. In de onderstaande figuur wordt dezelfde 25% MPG-vloeistof gebruikt als hierboven, maar met de thermische geleidbaarheid van de specie verlaagd tot 1 W/(mK), waardoor het voordeel van de enkele U-buis verdwijnt.
De reden waarom er eerder een venster was waarin een enkele U-buis beter presteerde dan een dubbele U-buis was de daling van het convectieve deel van de effectieve warmteweerstand van het boorgat. Nu de mortel een lager geleidingsvermogen heeft, speelt deze weerstand een dominante rol in de totale weerstand. Aangezien een enkele U-buis slechts de helft van het warmteoverdrachtsoppervlak van een dubbele U-buis heeft, is de overgang naar turbulente stroming niet voldoende om deze barrière te overwinnen.
Consistente prestaties bij variërende stroomsnelheden
Tegenwoordig zijn steeds meer warmtepompen modulerend, wat betekent dat ze werken met een variabel debiet. In de bovenstaande grafieken is duidelijk te zien dat in dergelijke gevallen het ontwerp met dubbele U-buizen consistentere prestaties levert wanneer deze in het laminaire bereik werken, terwijl de enkele U-buis grote variaties in boorgatweerstand vertoont door werking in het transiënte regime. Hoewel een enkele U-buis dus een kleiner boorgatontwerp mogelijk maakt, zullen de prestaties bij variabele debieten nog steeds consistenter zijn met een laminair ontwerp met dubbele U-buizen als het ontwerpdebiet in het bereik ligt waar een enkele sonde beter presteert dan een dubbele.
!Let op
Modulerende warmtepompen spelen ook een belangrijke rol in de hydraulische kant van deze discussie. Blijf kijken voor deel 2 van dit artikel om er alles over te weten te komen.
Variërende vloeistofeigenschappen
Zoals je je misschien herinnert van een vorig artikel, De vloeistofeigenschappen (en dus het Reynoldsgetal en de overgang van laminair naar turbulent) variëren met de temperatuur. Een boorveld heeft daarom verschillende Reynoldsgetallen tijdens het opwarmen (d.w.z. warmteafvoer) en afkoelen (d.w.z. warmte-injectie). Voor een vollediger beeld wordt de weerstand in onderstaande grafiek getoond voor MPG (25 v/v%) bij zowel 0°C als 16°C, respectievelijk de minimale en maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur.
In bovenstaande grafiek is duidelijk te zien dat een hogere vloeistoftemperatuur ervoor zorgt dat de overgang naar turbulente stroming plaatsvindt bij een lager debiet. Dit speelt ook een rol in de huidige discussie, aangezien boorvelden kunnen worden beperkt door de maximale of minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur (meer hierover in ons artikel over de boorveld kwadranten).
Het boorveld hierboven is duidelijk beperkt door de minimale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 0°C. Om dit ontwerp te verbeteren moeten we dus beslissen of we een enkele of een dubbele U-buis met een referentietemperatuur van 0°C gebruiken. Als we naar de bovenstaande grafiek kijken (de rode en oranje lijnen), is het duidelijk dat voor een ontwerpdebiet tussen 0,35 en 0,55 l/s de enkele U-buis een lagere weerstand heeft dan de dubbele U-buis en daarom een kleinere boorgatgrootte mogelijk zou kunnen maken.
Het boorveld hierboven is daarentegen duidelijk beperkt door de maximale gemiddelde vloeistoftemperatuur van 16°C. Om dit ontwerp te verbeteren, moeten we beslissen of we een enkele of een dubbele U-buis met een referentietemperatuur van 16°C gebruiken. Als we kijken naar de weerstandsgrafiek hierboven (de blauwe en groene lijnen), zien we dat er een venster is tussen 0,17 en 0,28 l/s waarin de enkele U-buis beter presteert dan de dubbele U-buis.
Conclusie
In bovenstaand artikel werpen we licht op de vraag: “Wat is beter, een enkele of een dubbele U-buis?” vanuit een thermisch perspectief. Het is duidelijk dat er geen definitief antwoord is, omdat het resultaat afhangt van het vloeistofmengsel, de temperatuur en zelfs de thermische geleidbaarheid van de voegmortel. Om te bepalen welke optie het beste is voor je eigen project, kun je vertrouwen op GHEtool voor een nauwkeurige simulatie.
De thermische aspecten vormen echter slechts een deel van de discussie. In ons volgende artikel gaan we dieper in op de hydraulische aspecten van het debat over enkele versus dubbele U-buizen.
Referenties
- Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.