Model van de separatus-sonde

Separatus is een nieuwe warmtewisselaar die ontworpen is om de kost van geothermische boorvelden te verlagen - en je kan de performantie berekenen met GHEtool! Dit artikel gaat in meer detail over de ontwikkeling van het huidige theoretische model achter separatus in GHEtool.

!Let op
Dit artikel gaat over de theoretische achtergrond van het separatus-model. Wanneer je op zoek bent naar een praktische gids voor het gebruik van GHEtool om deze systemen te ontwerpen, kan je terecht op de blogpost op de separatus-website.

Wat is seperatus?

De separatus-sonde werd in 2023 ontwikkeld door Dietmar Alge, Jana Walker en Stefan Geser en is gebaseerd op het concept van de split-pipe-technologie. Separatus bestaat uit een standaard leiding met een diameter van 51mm waarin een intern membraan is aangebracht om de warme van de koude stroom te scheiden.

Door gebruik te maken van dit ontwerp moeten boorders slechts één leiding de grond in laten in plaats van de traditionele twee tot vier leiden (in het geval van een enkele of dubbele U-lus). Dit vermindert de installatietijd en de boorgatdiameter, wat leidt tot een lagere investeringskost van het geothermisch boorveld.

Modelontwikkeling

Een model ontwikkelen voor een nieuw product is altijd een uitdaging — men kan kiezen voor een zeer gedetailleerde simulatie of een meer praktische, op engineering gebaseerde benadering. Voor separatus werd gekozen voor die laatste aanpak. Het team ontwikkelde een model voor hun warmtewisselaar op basis van de geometrie van een enkele U-lus, het bestaande model dat het dichtst in de buurt komt qua geometrie, en stemde vervolgens de parameters af op basis van metingen in de praktijk.

Hieronder wordt het experiment samen met de twee metingen beschreven. Daarna volgt een beschrijving van het finale model op basis van de enkele U-lus zoals deze in GHEtool is geïmplementeerd.

!Let op
Het onderstaande model werd ontwikkeld door separatus om simulatie van de innovatie mogelijk te maken met Earth Energy Designer. De implementatie in GHEtool is gebaseerd op dezelfde oorspronkelijke aannames. Verderop in dit artikel worden ook toekomstige updates van het model besproken.

Beschrijving van het experiment

De testlocatie voor het experiment bevond zich in Altach, Oostenrijk. Er werden drie boringen van 70 meter diep uitgevoerd, waarvan er één werd uitgerust met een dubbele DN32 U-lus en een andere met de separatus-sonde. Dankzij extra kleppen op de collector kon de warmtepomp afzonderlijk op elk van de boringen worden aangesloten of op beide tegelijkertijd, wat een directe vergelijking van hun thermische prestaties mogelijk maakte.

!Let op
Tijdens de installatie trad een probleem op bij het opvullen met grout van de boring met de dubbele U-lus. Men vermoedt dat deze boring niet over de volledige diepte correct is gevuld. Aangezien Altach een relatief hoog grondwaterpeil en een aanzienlijke grondwaterstroming heeft, kan dit gunstig geweest zijn voor de thermische prestaties van de boring met de dubbele U-buis.

Meting bij gelijke stroming

In de eerste test werden zowel de dubbele U-lus als de separatus-sonde gedurende 97 uur op de warmtepomp aangesloten, elk met een nominale volumestroom van 1100 l/u. De resultaten, weergegeven in de onderstaande grafiek (ingezoomd op de langste continue bedrijfstijd van de warmtepomp), tonen de thermische prestaties van beide systemen.

Zoals te zien is in de grafiek, is het onttrokken vermogen van de dubbele U-lus (Doppel-U_Leistung) hoger dan dat van de separatus-sonde (separatus_Leistung), met respectievelijke waarden van ongeveer 2,27 kW en 1,74 kW. Beide vermogens bleven redelijk constant gedurende het meetvenster van 6 uur.

Als wordt uitgegaan van een equivalente boorgatweerstand van 0,12 mK/W voor de dubbele U-lus, komt dit overeen met een boorgatweerstand van 0,156 mK/W voor de separatus. Deze relatie is gebaseerd op het principe dat op korte tijdschalen de grondtemperatuur als constant kan worden beschouwd, waardoor het thermisch vermogen omgekeerd evenredig is met de effectieve boorgatweerstand.

!Let op
Als u niet vertrouwd bent met het concept van effectieve boorgatweerstand, kunt u ons gedetailleerd artikel over dit onderwerp lezen hier.

Meting bij gelijke warmteoverdracht

Om de prestaties verder te evalueren en de effectieve boorgatweerstand te bepalen, werd een tweede test uitgevoerd, ditmaal met een gelijke warmteoverdracht. De volumestroom voor de dubbele U-lus werd verlaagd tot 550 l/u, waarmee deze in het laminaire stromingsregime viel, terwijl de volumestroom voor de separatus-sonde werd verhoogd tot 1400 l/u, wat overeenkomt met een overgangsregime van stroming.

Deze setup leidde tot een gelijke warmteoverdracht voor beide lussen, zoals getoond is in de figuur beneden, waar opnieuw ingezoomd werd op de langste periode van continue gebruik (ongeveer 4 uur).

!Let op
Wanneer je niet vertrouwd bent met de verschillen tussen een laminaire, transiënte en turbulente stroming in geothermische systemen, kan je ons artikel over stromingsregimes terugvinden hier.

Hoewel beide systemen vrijwel dezelfde hoeveelheid warmte onttrokken, was het temperatuurverschil (deltaT) tussen de aanvoer- en retourleiding kleiner bij de separatus-sonde. Dit is te verwachten vanwege de hogere volumestroom, die leidt tot een kleinere temperatuurdaling over de warmtewisselaar.

Resultaten

De resultaten van de vorige simulatie werden gebruikt om via reverse engineering de parameters van een enkele U-luste bepalen die zouden leiden tot dezelfde effectieve boorgatweerstand als gemeten voor separatus. Dit gebeurde via een trial-and-error-benadering, onder de aanname dat de boring volledig opgevuld was met grout.

De beste match tussen de enkele U-lus en de metingen werd gevonden voor de volgende parameters:

• Pijpdiameter: 35,74 mm
• Wanddikte: 3 mm
• Afstand van de leiding tot het centrum van de boring: 18 mm

Om de extra thermische interactie tussen de warme en koude zijde van de separatus-sonde te simuleren, werd een extra contactweerstand van 0,03 mK/W toegevoegd.

!Let op
Door zijn ontwerp vertoont separatus meer thermische interactie tussen de warme en koude leiding dan een typische enkele U-buis. Om hiermee rekening te houden in het model, moet een extra weerstand worden toegevoegd. Deze weerstand staat in serie met de vloeistof-buis-, buis- en buis-grondweerstanden (zoals uitgelegd in ons artikel over effectieve boorgatweerstand, dat u kunt vinden hier). Gebaseerd op een trail-and-error-aanpak werd gevonden dat een waarde van 0,03 mK/W het beste overeenstemde met de gemeten waarde.

What’s next?

Het hierboven beschreven model biedt een op engineering gebaseerde benadering om het thermisch gedrag van de separatus-sonde te simuleren. Hoewel het model praktisch bruikbaar is, is het gebaseerd op enkele vereenvoudigingen:

• De leidinggeometrie is benaderd als een enkele U-lus, waarbij de diameter zo gekozen is dat de oppervlakte van de separatus overeenstemt met deze van de enkele U-lus.
• Een extra correctiefactor was toegevoegd om het effect van de thermische interactie tussen de koude en de warme zijde in de leiding in rekening te brengen. Deze kalibratie gebeurde echter maar op basis van één meeting.

Omdat het model gekalibreerd werd ten opzichte van reële metingen, is het model betrouwbaar wanneer de condities gelijkaardig zijn aan deze van de metingen - met name het turbulente regime.

Om de toepasbaarheid en betrouwbaarheid van het model te verbreden, werken Enead en separatus samen aan een nieuw model. De bedoeling is dat deze geüpdatete versie gebaseerd is op de reële geometrie van de separatus-sonde. Dit gaat leiden tot een hogere nauwkeurigheid bij de berekening van de boorgatweerstand onder verschillende omstandigheden (bv. verschillende boorgatdiameters, stromingregimes ...). Dankzij de beschikbaarheid van meer meetdata kan dit nieuwe model ook gekalibreerd worden met een hogere nauwkeurigheid.

Conclusie

Dit artikel gaf een toelichting op de modelontwikkeling van de separatus-sonde. Het huidige model is gebaseerd op de bestaande formules voor een enkele U-lus en werd gekalibreerd aan de hand van metingen van een reëel project. Er is een duidelijke ontwikkeling vooropgesteld voor het model waarbij de volgende generatie gebruik zal maken van een meer accurate weergave van de geometrie. Dit zal de nauwkeurigheid verhogen in meer situaties.

References

• Bekijk onze video over dit artikel op onze YouTube pagina hier.