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La Tecnologia Geotermica

Le pompe di calore geotermiche sono impianti per la climatizzazione degli edifici a uso civile e industriale a grandissima efficienza (qui un Video su RaiNews) e innumerevoli evidenze di letteratura scientifica li identificano come il sistema più efficace in termini sia di risparmio energetico, sia di riduzioni delle emissioni di gas serra. A livello nazionale, la climatizzazione in caldo degli edifici costituisce il 30% del consumo di energia primaria totale, motivo per cui un efficientamento energetico in questo settore è più che mai importante e vantaggioso.

 

Le pompe di calore geotermiche sono accoppiate al terreno tramite un sistema di scambiatori di calore interrati (sonde geotermiche), il cui dimensionamento richiede una conoscenza approfondita delle caratteristiche termiche del terreno circostante, oltre che la valutazione dei carichi termici dell’edificio.

 

Questa sezione è dedicata alla descrizione della tecnologia delle pompe di calore geotermiche, per meglio comprenderne il funzionamento e i vantaggi derivanti dal loro corretto utilizzo.

 
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TRT Innovativi:
il Brevetto all-in-one

Per garantire un corretto dimensionamento dell’impianto a pompa di calore geotermico, è necessaria la conoscenza delle proprietà termofisiche del terreno dove verrà effettuata l’installazione. A tale scopo si utilizza solitamente una procedura sperimentale standardizzata detta TRT (Thermal Response Test) che però comporta l’utilizzo di una apparecchiatura dedicata, ingombrante e costosa. Il presente gruppo di Ricerca ha quindi proposto una procedura innovativa, chiamata EDDTRT (Electric Depth Distributed Thermal Response Test), tramite la quale è possibile ridurre i costi e incrementare l’affidabilità con cui viene stimata la conducibilità termica del terreno attraverso l’utilizzo di uno scambiatore opportunamente strumentato (scambiatore “all-in-one”).

A) Tubi a U dello scambiatore di calore interrato

B) Costolatura del tubo estrusa, per contenere il cavo strumentato con sensori di temperatura digitali

C) Sensori di temperatura digitali impermeabilizzati. Sono collocati ogni 0.5-2 m lungo lo scambiatore

D) Distanziatore metallico che mantiene il riscaldatore E in posizione centrale, ed agisce come elemento elastico fra i tubi

 

E) Riscaldatore elettrico

La procedura proposta fa riferimento al relativo Brevetto Italiano di UniGE, n. 102019000023082 (“Metodo e dispositivo per la misura di parametri geotermici per il dimensionamento ed il successivo monitoraggio di pompe di calore geotermiche”).

La procedura EDDTRT prevede la misura in continuo delle temperature in posizioni definite su tutta la lunghezza dello scambiatore interrato (borehole heat exchanger, BHE), consentendo così di stimare sia la conducibilità termica media del terreno sia quella dei diversi strati geologici presenti e di rilevare l’eventuale presenza di movimenti di acqua di falda a diverse profondità. Gli innovativi scambiatori di calore “all-in-one” sono infatti dotati di cavo riscaldatore e sensori di temperatura (come mostrato in figura), interfacciati con un opportuno dispositivo di lettura delle misure.

Tale apparato sperimentale presenta un costo molto inferiore rispetto alle tradizionali macchine TRT e DTRT basate sull’utilizzo di fibre ottiche [14].  L’apparato EDDTRT consente inoltre il monitoraggio e il controllo dell’impianto in esercizio. La misura delle temperature lungo gli scambiatori può infatti essere utilizzata per controllare il funzionamento della pompa di calore e aumentarne l’efficienza di conversione (COP), scongiurando condizioni di funzionamento anomalo (temperature al terreno troppo alte o troppo basse).

Il brevetto e la sua sostenibilità industriale si avvalgono della validazione sperimentale di funzionamento effettuata durante l'Esperimento PoC, descritto nel seguito.

Esperimento PoC

La validazione sperimentale relativa al Brevetto UniGE Italiano n. 102019000023082 (“Metodo e dispositivo per la misura di parametri geotermici per il dimensionamento e il successivo monitoraggio di pompe di calore geotermiche”) è stata finanziata da Liftt/Compagnia di San Paolo (bando PoC).

Nell’ambito del progetto è stato realizzato un modello sperimentale in scala, costituito da un blocco di roccia (ardesia) di dimensione opportuna che simuli il terreno attorno a un reale scambiatore di calore per applicazioni geotermiche (ai numeri di Fourier tipici degli esperimenti TRT). Le dimensioni del campione di ardesia (80x80x40cm, circa 700kg) sono state determinate tramite un’accurata valutazione preliminare basata su analisi adimensionali e simulazioni numeriche (Comsol MultiPhysics). All’interno del blocco di ardesia è stato poi inserito il prototipo di tubazione per il sistema “all-in-one”, assemblato con distanziali fra i tubi, riscaldatore e sistema di sensori di temperatura. Le tubazioni, opportunamente sagomate, sono state realizzate attraverso l’utilizzo di una piccola stampante 3D.

 
Credits to www.videvo.net
 

Il Dimensionamento del Campo Sonde Geotermiche: BHEDesigner8

Il corretto dimensionamento del campo di scambiatori interrati (borehole heat exchangers, BHEs) è fondamentale per l’efficiente funzionamento e la sostenibilità economica del sistema a pompa di calore geotermica per la climatizzazione dell'edificio.

Tale dimensionamento impone la conoscenza delle proprietà termofisiche del terreno, della resistenza termica del BHE, e della corretta valutazione dei carichi termici in riscaldamento e in raffrescamento degli edifici serviti dalla pompa di calore (Ground Coupled Heat Pump, GCHP). Tali informazioni, unitamente alla lunghezza prevista per ciascuna sonda, indirizzano l’ingegnere progettista alla corretta determinazione della lunghezza complessiva del campo sonde e alla scelta della sua configurazione (numero di scambiatori verticali e disposizione).

A questo scopo è necessario descrivere e predire accuratamente l’interazione termica tra gli scambiatori verticali e il terreno circostante tramite soluzioni analitiche o numeriche note come Temperature Response Factors TRF o g-functions.

Diverse procedure, finalizzate alla corretta progettazione del campo sonde, sono state sviluppate nel corso degli anni e alcune implementate all’interno di codici di calcolo commerciali. Il metodo più noto è quello proposto da Kavanaugh and Rafferty (K&R), che costituisce il riferimento alla base della progettazione del campo sonde geotermiche adottato dalla American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE).

Il gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Genova (Unige, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Dime) è attivo da oltre 15 anni nella modellazione dinamica dei sistemi geotermici utilizzanti scambiatori interrati verticali e ha sviluppato, a partire dall’originario metodo ASHRAE, un algoritmo di dimensionamento del campo sonde geotermico denominato ASHRAE/Tp8, largamente descritto in una serie di articoli scientifici su Riviste internazionali [1],[7],[15],[17].

Tale metodo, basato sul lavoro del team di ricerca coordinato da Marco Fossa, è reso disponibile gratuitamente come strumento di dimensionamento sotto forma della web-app BHEDesigner8. Ad oggi (2022), BHEDesigner8 risulta l’unica web-app completamente “free” su tutto internet, dedicata al dimensionamento di campi sonde geotermiche per applicazioni GCHP. Essa verrà costantemente sviluppata e aggiornata gratuitamente, come strumento rivolto a tecnici, ingegneri e ricercatori coinvolti in applicazioni GCHP per la realizzazione di sistemi di climatizzazione a bassissimo impatto ambientale.

Gli input dell'algoritmo sono i carichi termici dell'edificio, le proprietà termofisiche del terreno e le caratteristiche della pompa di calore in termini di temperature del fluido vettore corripondenti al COP atteso. L'output della web-app BHEDesigner8 è la geometria del campo sonde per assegnate temperature attese del fluido geotermico a 10 anni, come richiesto dallo Standard ASHRAE e dalla Norma Italiana Uni 11466.