Soortelijke warmteweerstand

Een tweede belangrijke factor naast de grondtemperatuur om de doorsnede van kabels te bepalen is de soortelijke warmteweerstand van de grond. Voor deze warmteweerstand zijn vele synoniemen:

G-waarde
Lambda
Thermal Resistivity
Warmteweerstand
λ
warmtegeleidingscoëfficiënt
Rho

Waarbij opgemerkt moet worden dat warmtegeleiding het omgekeerde is van warmteweerstand.

De NEN1010:2020 rekent standaard met een waarde van 2,5 K.m/W in de stroombelastingstabellen van kabels welke in de grond zijn gelegd. Wanneer de soortelijke warmteweerstand van de grond echter lager is dan mag gebruik van reductiefactoren.

Verder zegt de NEN : Deze coëfficiënt wordt geacht geschikt te zijn voor wereldwijd gebruik wanneer de grondsoort en de geografische plaats niet nader zijn gespecifieerd. (zie bijlage A van NEN 10287-3-1:1996) De IEC 60287-3-1 zegt op haar beurt weer:

Thermische weerstand:
grondwaterpeil nabij kabels 0,5 K.m/W
oostelijk deel van het land 0,8 K.m/W

De werkelijkheid is echter anders. Ieder stukje grond heeft een andere warmteweerstand. Blad 61 van de NPR5310 geeft een betere bepalingsmethode van de soortelijke warmteweerstand. Echter ook deze bepalingsmethode is niet volledig.

De thermische weerstand van poreuze materialen zoals aarde, steen en beton zijn geen constanten. Houd rekening met het volgende:

• Er is geen “typische” waarde die voor heel Nederland van toepassing is.
• De warmteweerstand van grond en gesteente variëren in werkelijkheid van 0,1 tot 10 K.m/W.
• Warmteweerstand verandert afhankelijk van de dichtheid, watergehalte, temperatuur en bodemsamenstelling.

Soortelijke warmteweerstand van de grond

In de bodem zijn kabels meestal ingebed in een laag zand of grond en bedekt met stenen. De maximale belasting van kabels is op basis van deze installatiemethode waarbij wordt aangenomen dat de kabel op een diepte van 60 cm ligt en de soortelijke warmteweerstand van de grond 1.0 K.m/W is.

De invloed van de liggingsdiepte is slechts gering. Wanneer de kabel dieper ligt zal ook de omgevingstemperatuur afnemen en over het algemeen ook de soortelijke warmteweerstand van de grond. Dit omdat de diepere delen van de grond meestal natter zijn en gelijkmatiger vochtig blijven dan de bovenste lagen. Uitgaande van een omgevingstemperatuur van 20°C en een soortelijke warmteweerstand van de grond van 1,0 K.m/W, mag er een reductiefactor worden toegepast op de tabellen van NEN1010. De NEN rekent immers standaard met een waarde van 2,5K.m/W

Omgevingsfactoren

De soortelijke warmteweerstand van de grond speelt een belangrijke rol. Deze wordt bepaald door vele factoren maar met name deze factoren:

dichtheid van de grond
vochtgehalte van de grond
soort grond
temperatuur

Met name de continue blootstelling van de grond aan de warmte van de kabels leidt in de loop van de tijd tot een verhoging van de thermische weerstand van de bodem. Hier moeten wij vooraf rekening mee houden. Dit kan achterwege blijven als rekening wordt gehouden met het risico op bodemuitdroging door de soortelijke warmteweerstand van de grond om te rekenen naar een voldoende hoge gekozen waarde door bijvoorbeeld metingen en een uitdrogingscurve.

Meerdere kabels parallel zullen zorgen voor een hogere grondtemperatuur en dus uitdroging van de grond.

Lucht in de grond bij het leggen in buizen of kanalen, evenals slecht verdichte grond onder de afdekkappen, creëren extra thermische weerstand die een vermindering van de toegestane stroomsterkte van kabels toestaat, tenzij tegelijkertijd de hart-op-hart afstand wordt vergroot, bijvoorbeeld met parallelle kabels. Als de kabels langs het tracé door slechts enkele mantelbuizen van maximaal 6 meter lang lopen, is er geen reductie nodig. Kruisingen van kabeltracés kunnen problemen opleveren, vooral als er meerdere kabels liggen. Op dergelijke plaatsen moeten de kabels met een voldoende grote verticale afstand worden gelegd. Verder zou de warmteafvoer verbeterd moeten worden door het backfillzand.

Keuze van soortelijke warmteweerstand van de grond

Zoals testen hebben aangetoond, kan een specifieke soortelijke thermische weerstand van de bodem variëren van 0,5 K.m/W (zuivere leem) tot ongeveer 1,0 K.m/W (zand met een klein aandeel klei) wat kan worden verwacht voor thermisch onbelaste, natuurlijke en normaal vochtige gronden. Bodems verontreinigd met slakken, as, industriële residuen, organisch materiaal, enzovoort kunnen oplopen tot 5,0 K.m/W.

Kabels die intensief worden gebruikt of continu worden gebruikt, hebben de neiging de grond uit te drogen. De uitgedroogde grond strekt zich ongeveer uit over het oppervlak van de grondbedding. Door deze uitdroging neemt de thermische weerstand van de bodem toe, overschrijdt de toegestane geleidertemperatuur en beschadigt de isolatie.

Uitdroging wordt verder bevorderd door waterverbruik bij zware begroeiing nabij de kabel, door aanleg op taluds of in taluds en met name door ongunstige grondsoorten en grote bundels van kabels. Een waterdichte afdekking van het aardoppervlak (asfalt, teer, bestrating etc.) is gunstig gebleken. In de kritieke maanden (grofweg mei tot november), waarin meer water uit het oppervlak verdampt dan door neerslag in de grond komt, vermindert zo’n afdichting de verwatering van de bodem.

Zandgronden en zandbedden hebben de neiging uit te drogen, zelfs bij lage temperaturen. Het proces start al bij manteltemperaturen van de kabel van rond de 30°C en een gelijktijdige omgevingstemperatuur van 15 tot 20°C. In kleigrond ligt deze kritische manteltemperatuur rond de 50°C.

Er zijn uitgebreide onderzoeken nodig om de thermische omstandigheden langs een kabeltracé en de eigenschappen van het beddingmateriaal te beoordelen. De soortelijke thermische weerstand van de grond kan direct langs de route worden gemeten, bijvoorbeeld met behulp van een thermische naald/sonde. Tegelijkertijd kan de dichtheid in volledig droge toestand en het watergehalte worden bepaald.