Il Dimensionamento del Campo Sonde Geotermiche: BHEDesigner8

Le pompe di calore geotermiche (Ground coupled heat pump, GCHP) rappresentano una soluzione efficiente dal punto di vista energetico per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici, capace di soddisfare un’ampia varietà di richieste energetiche, dalla piccola unità residenziale al grande edificio commerciale. La soluzione più diffusa per estrarre/immettere calore nel terreno è quella degli scambiatori verticali a ciclo chiuso nei quali una tubazione a singolo o doppio U è inserita in una perforazione realizzata nel terreno. Il dimensionamento corretto del sistema di scambiatori verticali (borehole heat exchangers, BHEs) necessita dell’accurata conoscenza delle proprietà termiche del terreno e dello scambiatore, la valutazione delle richieste tempovarianti in riscaldamento e raffrescamento dell’edificio e le prestazioni auspicate della pompa di calore.

Lo scopo del dimensionamento del campo sonde è essenzialmente la definizione della lunghezza totale degli scambiatori e la loro migliore configurazione (numero dei BHE e loro disposizione geometrica).

Per descrivere e prevedere lo scambio termico dovuto all’interazione tra il campo sonde e il terreno circostante, si adottano comunemente le ipotesi di pura conduzione e proprietà termofisiche del terreno uniformi. Con queste ipotesi, sono disponibili diverse soluzioni base della risposta termica del terreno alla presenza del campo sonde, dette Temperature Response Factors (TRF) o comunemente g-functions. Tali soluzioni base differiscono tra loro a seconde che il singolo BHE sia modellato come una sorgente lineare infinita (Infinite Line Source, ILS), una sorgente cilindrica infinita (Infinite Cylindrical Source, ICS), una sorgente lineare finita (Finite Line Source, FLS) o un sistema di molteplici sorgenti lineari finite descritte da opportune g-functions.

Varie procedure per il dimensionamento del campo sonde sono state proposte e attualmente implementare in codici di calcolo commerciali, tra i quali Earth Energy Designer (EED) e GLHEPRO.

Kavanaugh and Rafferty (K&R) proposero un metodo, successivamente raccomandato dall’American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), che consente di dimensionare il sistema di BHE considerando tre rappresentativi carichi termici dell’edificio, calcolati a partire dalla conoscenza dei carichi mensili (o orari). In particolare il metodo ASHRAE (K&R) è basto sull’ipotesi che il comportamento del campo sonde in condizioni di reale funzionamento possa essere rappresentato dalla sua risposta a tre carichi elementari, ovvero un carico pluriannuale (almeno 10 anni), un carico mensile e un carico multiorario (6 ore).

Metodo ASHRAE per il dimensionamento del campo sonde geotermiche: i tre carichi termici elementari Δτy = 10 anni; Δτm = 1 mese; Δτh = 6 ore [7]

I flussi termici (annuale, mensile e orario in [W]) costituiscono una rappresentazione sintetica dello scambio termico al terreno su un orizzonte temporale di 10 anni [7],[1]. Il termine multiorario tiene in considerazione la condizione di funzionamento più sfavorevole (carico di picco, [8]) per l’estrazione/immissione di calore al terreno durante il mese “peggiore” dell’anno.

Carichi termici rappresentativi dello scambio termico tempovariante al terreno in un caso in cui la pompa di calore operi in solo riscaldamento dell'edificio

Il metodo ASHRAE è basato sulla soluzione elementare di sorgente cilindrica infinita (ICS), con una correzione, nota con il nome di Temperature Penalty, capace di tenere in considerazione gli effetti dovuti alla presenza dei molteplici BHE nel campo. I punti di forza di questo metodo sono la semplicità e la solidità e la sua accuratezza dipende dalla corretta stima del parametro Temperature Penalty.

Molti metodi sono stati proposti in anni recenti (compreso l’uso delle g-functions nello schema di sovrapposizione previsto da K&R) per la valutazione del Temperature Penalty, spesso caratterizzati da procedure lunghe e complesse e anche non accurate [16]. Il modello denominato Tp8, veloce e accurato come nessun altro metodo per il dimensionamento del campo sonde geotermiche di questo tipo, è ampiamente descritto in articoli scientifici ai quali il Lettore è indirizzato per ulteriori approfondimenti [1],[16].

La validazione del modello Tp8  è trattata in diversi articoli scientifici, incluso il riferimento [18] disponibile online.

I vantaggi del metodo Tp8 includono la possibilità di considerare, durante la procedura di dimensionamento, molteplici geometrie del campo sonde, riducendo al minimo la necessità di iterare su numero e lunghezza dei BHE in funzione della configurazione geometrica del campo sonde.

Lunghezza H necessaria degli scambiatori: confronto tra software EED (H) e algoritmo Tp8 (H8).

Geometrie dei campi sonde. R-type: configurazioni rettangolari e quadrate. Non-R: configurazioni a rettangoli allungati, in linea, L, O e U (Source: Science and Technology for the Built Environment, DOI: 10.1080/23744731.2016.1208537)

BHEDesigner8: la versione online del metodo ASHRAE Tp8

 

BHEDesigner8 è uno strumento che il gruppo di ricerca “Solar and Geothermal Lab” attivo al Dipartimento Dime di Università di Genova ha deciso di sviluppare e rendere fruibile gratuitamente  a ricercatori e progettisti di tutto il mondo attivi nel settore delle pompe di calore geotermiche. Qui se ne parla in Video su RaiNews.

Ogni suggerimento e aiuto da parte dei fruitori di BHEDesigner8 loro sarà gradito e proficuamente implementato.

 

BHEDesigner8 è attualmente uno strumento disponibile sotto forma di applicativo Excel trasposto in ambiente web tramite interfaccia SpreadsheetConverter. In un futuro la presente web app potrà evolvere in linguaggi di programmazione diversi. L’algoritmo richiede i carichi termici dell’edificio (positivi se in riscaldamento) su base mensile, le proprietà termofisiche del terreno e le prestazioni attese della pompa di calore al decimo anno di funzionamento in termini di temperatura attesa del fluido vettore lato terreno per corrispondente COP di picco. Gli output del codice di calcolo sono la lunghezza totale necessaria dei BHE (numero sonde richieste moltiplicato per la loro profondità attiva H) e la configurazione del campo sonde ad essa associate. L'algoritmo Tp8 è stato ottimizzato nei suoi parametri di funzionamento per confronto con 1200 "vere" configurazioni di campo sonde, come descritte da altrettante g-functions. L'algoritmo è stato inoltre confrontato con successo rispetto a quanto altri codici commerciali forniscono come risultati. Il campo di validità è stato validato per interdistanze adimensionali nel range 0.03<B/H<0.125. Come in altri noti codici commerciali per il dimensionamento del campo sonde, i carichi all’edificio vengono forniti come valori mensili, insieme ai corrispondenti carichi di picco (si veda per esempio il paper di Cullin e Spitler) in riscaldamento e raffrescamento. La resistenza termica del BHE (se il suo valore non è già noto) può essere calcolata tramite la web-app utilizzando il modello semi-empirico di Paul, adottato dalla norma italiana UNI11466 .

 

Una descrizione completa del modello è disponibile negli articoli di M.Fossa (2011-2022), di M.Fossa e D.Rolando (2015-2018), in una serie di Tesi di Master dell’Università di Genova (2012-2021) e nella Tesi di Dottorato di Davide Rolando (2015). Davide Rolando, precedentemente studente PhD e Postdoc presso Unige, è attualmente impegnato come Ricercatore al KTH di Stoccolma presso il Department of Energy Technology.

 

Ringraziamenti per gli utili suggerimenti, le discussioni e le collaborazioni vanno innanzitutto al Prof. Michel Bernier (Polytech Montreal) e inoltre alla Prof. Antonella Priarone (Dime Università di Genova), al Dr José Acuña (KTH Stockholm), al Dr. Fabio Minchio (3f Engineering, Italy), alla Dr. Danila Dalla Pietà (Fichtner Italy).

Un ringraziamento particolare per la parte controllo, sensori ed elettronica riguardanti la macchina TRT del Dime va a Francesco Berti di Imola, senza il cui geniale contributo tale progetto non sarebbe stato possibile.

Ulteriori ringraziamenti per lo sviluppo di BHEDesigner8 vanno all’ing. Stefano Morchio e all’ing. Mattia Parenti, studenti di PhD (2022) presso il Dime dell’Università di Genova.

​Bibliografia Ashrae Tp8

  1. M.Fossa, Correct Design of Vertical BHE Systems Through the Improvement of the Ashrae Method, Science and Technology for the Built Environment, 2017, DOI: 10.1080/23744731.2016.1208537.

  2. N.D. Paul, The effect of grout conductivity on vertical heat exchanger design and performance, Master Thesis, South Dakota State University, 1996.

  3. H. Zeng, N. Diao, Z. Fang, Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers, Int. J. Heat Mass Transf., 2003.

  4. Bernier, M. 2006. Closed-loop ground-coupled heat pump systems., ASHRAE Journal 48(9):12–9.

  5. D. Dalla Pietà, M.Fossa, A Tool for Borehole Heat Exchanger Design for Ground-Source Heat Pump Applications, Climamed Conference 2007, pp. 527-543, Genova, Italy, September 2007.

  6. M.Fossa, O.Cauret, M.Bernier, Comparing the Thermal Performance of Ground Heat Exchangers of Various Lengths, Effstock Int. Conference, Stockholm, June 2009.

  7. M.Fossa, the Temperature Penalty Approach to the Design of Borehole Heat Exchangers for Heat Pump Applications, Energy and Buildings, vol. 43; p. 1473-1479, 2011.

  8. J. R. Cullin, J. D. Spitler, A computationally efficient hybrid time step methodology for simulation of ground heat exchangers, Geothermics, Volume 40, Issue 2, 2011, Pages 144-156, ISSN 0375-6505, https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2011.01.001

  9. M.Fossa, F.Minchio, The effect of borefield geometry and ground thermal load profile on hourly thermal response of geothermal heat pump systems, Energy, Volume 51, n.1, pp. 323-329, 2013.

  10. P.Monzo , J.Acuña , M.Fossa, B. Palm, Numerical generation of the temperature response factors for a Borehole Heat Exchangers field,  Proceedings of the  European Geothermal Congress 2013. p. 1-8, ISBN: 9782805202261, Pisa, 3/6/2013.

  11. Ahmadfard, M., and M. Bernier. 2014. An alternative to ASHRAE’s design length equation for sizing borehole heat exchangers. ASHRAE Annual Conference, Seattle, WA, June 28–July 2, 1–8.

  12. M.Fossa, D.Rolando, Improving the Ashrae Method for Vertical Geothermal Borefield Design, Energy and Buildings, vol. 93, pp. 315-323, 2015.

  13. ASHRAE. 2015. Chapter 34, ASHRAE Handbook-HVAC Applications: Geothermal Energy. Atlanta: ASHRAE.

  14. A.Priarone, M.Fossa, Modelling the Ground Volume for Numerically Generating Single Borehole Heat Exchanger Response Factors according to the Cylindrical Source Approach, Geothermics, 58, pp. 32-38, 2015.

  15. D.Rolando, J.Acuña and M. Fossa, A Web Application for Geothermal Borefield Design, Proceedings World Geothermal Congress 2015 Melbourne, Australia, 19-25 April 2015.

  16. M.Fossa, D.Rolando, Improved Ashrae method for BHE field design at 10 year horizon, Energy and Buildings, 116, 114–121, 2016.

  17. A.Priarone, M.Fossa, Temperature Response Factors at Different Boundary Conditions for Modelling the Single Borehole Heat Exchanger, Applied Thermal Engineering, 2016.

  18. M.Fossa, D.Rolando, A.Priarone, An Investigation on the Effects of Different Time Resolutions in the Design and Simulation of BHE Fields. Proc. IGSHPA Conference, Denver (CO) 14-16 march 2017. https://shareok.org/handle/11244/49344.

  19. S.Morchio, M.Fossa, On the ground thermal conductivity estimation with coaxial borehole heat exchangers according to different undisturbed ground temperature profiles, Applied Thermal Engineering, Volume 173,  June 2020.

  20. S.Morchio, M.Fossa, and R.A. Beier Study on the best heat transfer rate in thermal response test experiments with coaxial and U-pipe borehole heat exchangers, Applied Thermal Engineering, 200, 117621, 2022.