Onze deskundigen krijgen vaak de vraag: ‘Maakt het uit als de aanvoer en retour van een verticale bodemwarmtewisselaar dicht bij elkaar liggen? Beïnvloeden de leidingen elkaar dan niet?’ Dat leidt vaak tot vragen als: ‘Is de scheidingswand van de separatus Splitpipe-bodemwarmtewisselaar geen nadeel?’ In deel 1 van dit tweedelige artikel proberen wij de vragen zo eenvoudig en inzichtelijk mogelijk te beantwoorden.
Wat wordt eigenlijk bedoeld met ‘thermische kortsluiting’?
Om deze vraag te beantwoorden, ontkomen wij niet aan een korte theoretische uitleg van de algemene werking van een warmtepomp. Aan de ene kant onttrekt deze energie aan een bron om aan de andere kant de temperatuur in het warmteafgiftesysteem van de woning te verhogen. Daarvoor moet aan de bronzijde, links in de onderstaande afbeelding, voortdurend een warmteoverdrachtsmedium zoals brine, water of lucht circuleren om de benodigde warmte-energie aan te voeren. Aan de bronzijde wordt onderscheid gemaakt tussen open en gesloten systemen. Open systemen zijn warmtepompen die omgevingslucht of grondwater aanzuigen en weer afgeven. Bij verticale bodemwarmtewisselaars circuleert het warmteoverdrachtsmedium daarentegen door een gesloten leidingsysteem dat omgevingswarmte via warmtegeleiding opneemt.
Werking van een warmtepomp
Vooral bij open systemen ontstaat het volgende probleem: een te kleine afstand tussen aanzuiging en teruggave leidt tot kortsluiting. Dit verschijnsel doet zich bijvoorbeeld voor bij lucht-waterwarmtepompen wanneer de afgekoelde lucht onmiddellijk of via slechts een korte omweg weer wordt aangezogen. Het medium krijgt niet de gelegenheid voldoende door de omgeving te worden opgewarmd. De efficiëntie van zo'n warmtepomp keldert.
Komt zo'n kortsluiting ook bij gesloten systemen voor?
In het gesloten leidingsysteem van de installatie met verticale bodemwarmtewisselaars kan het medium niet via een kortsluiting direct opnieuw worden aangezogen. Het kan alleen door de volledige bodemwarmtewisselaar circuleren totdat het opgewarmd bij de warmtepomp terugkomt. Toch rijst regelmatig de vraag of er via warmtegeleiding in de bodem geen warmteoverdracht kan plaatsvinden tussen de koude en de warme zijde. Ook dat zou neerkomen op een thermische kortsluiting. Bestaat dit effect? Wat zegt de wetenschap?
Tegenwoordig worden voor theoretische analyses zogeheten CFD-simulaties uitgevoerd. Een CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics) is een numerieke stromingssimulatie die met een computermodel de beweging van de vloeistof in verticale bodemwarmtewisselaars berekent en, rekening houdend met veel complexe verschijnselen, de warmteoverdracht weergeeft. CFD-simulaties laten zien dat veel factoren bepalen hoe warmtegeleiding binnen een geothermisch boorgat verloopt.
Sommige van deze factoren hebben veel invloed en andere weinig. Vooral het warmtegeleidingsvermogen van het gesteente en het opvulmateriaal speelt een rol. Ook de stromingsomstandigheden van het warmteoverdrachtsmedium, laminair of turbulent, en de warmteoverdracht aan de grensvlakken zijn belangrijk. Men is het erover eens dat ook de positie van de sondebuizen in het boorgat verschil maakt, omdat warmte altijd van warm naar koud stroomt en deze natuurkundige wet niet volledig kan worden tegengehouden. Maar hoeveel invloed kan dit hebben op de totale prestaties?
Thermische kortsluiting: hoe belangrijk is die?
Een van de grootste uitgevoerde onderzoeken* laat zien dat van al deze factoren de keuze van het opvulmateriaal een van de grootste effecten heeft. Op de volgende plaats noemt het onderzoek de kwaliteit van het opvullen: hoe zorgvuldiger dit wordt uitgevoerd, des te hoger de efficiëntie van de bodemwarmtewisselaar. Ook blijkt dat de zogeheten ‘thermische boorgatweerstand’ doorgaans toeneemt bij een grotere diameter, waardoor het warmteoverdrachtsvermogen van de bodemwarmtewisselaar afneemt. En hoe groter de gekozen boordiameter, des te sterker ook de materiaalkeuze en gebrekkige uitvoering doorwerken.
Opmerkelijk is dat het onderzoek ook het gebruik van afstandhouders voor de buizen van bodemwarmtewisselaars heeft onderzocht. Afstandhouders zijn oorspronkelijk ontwikkeld om de buizen van elkaar te scheiden en zo de onderlinge thermische beïnvloeding (‘kortsluiting’) zo veel mogelijk te beperken. Maar wat is de conclusie van het praktijkonderzoek? Paradoxaal genoeg kan het gebruik van afstandhouders leiden tot een hogere boorgatweerstand, doordat het risico op ingesloten water of lucht toeneemt. Afstandhouders lijken aan de tekentafel te zijn bedacht: men dacht de laatste procenten uit een bodemwarmtewisselaar te kunnen halen, maar in de praktijk werken ze averechts. Conclusie: de kwaliteit van de uitvoering van de boring en de keuze voor thermisch hoogwaardige materialen zijn aanzienlijk belangrijker dan een eventueel minimale thermische kortsluiting.
Een vergelijking: stel dat u een thermobeker wilt kopen. Een goede thermobeker houdt koffie of thee lang warm. In de winkel staan twee modellen. De dure beker adverteert met een zeer dikke isolatie, maar heeft geen deksel. De andere is goedkoper, heeft iets dunnere isolatie, maar wordt geleverd met een goed sluitend deksel. Welke beker houdt uw koffie volgens u langer warm? Waar gaat het dus om? Om alleen de isolatiewaarde van de bekerwand of om de volledige uitvoering?
Thermobeker
Precies zo werkt het bij een verticale bodemwarmtewisselaar: het totale product telt. Een minimale warmtegeleiding tussen aanvoer en retour is niet doorslaggevend. Ook in een verticale bodemwarmtewisselaar bestaat theoretisch een thermische kortsluiting, maar die is zo klein dat hij nauwelijks meetbaar is. Doorslaggevend is dat het totale systeem goed is ontworpen: een slank boorgat, een goede inbedding van de bodemwarmtewisselaar en passende hydrauliek. Over het geheel genomen telt dat veel zwaarder dan een kleine thermische kortsluiting in de bodem, die rekenkundig pas in de derde decimaal zichtbaar is.
Bij separatus hechten wij veel waarde aan een integraal ontwerp en een integrale uitvoering. De partners van separatus staan voor deskundigheid en kwaliteit. Het ontwerpadvies voor het separatus-systeem: een zo klein mogelijke boordiameter, thermisch verbeterd opvulmateriaal en turbulente stroming.
In het volgende deel van het tweedelige artikel laten wij zien welke onderzoeken in detail zijn uitgevoerd naar de separatus Splitpipe-technologie. Wij presenteren de resultaten van CFD-simulaties door hogeschool OST en analyses van verticale bodemwarmtewisselaars in daadwerkelijk bedrijf.
* https://www.geoenergie-konzept.de/thermischer-bohrlochwiderstand
Meer foto's en video's
