Post on 10-Jul-2022
LEZIONI DI“Lezioni Efficienza Energetica
e Risorse Energetiche Alternative”
GEOTERMIA, gli scambi termici con i terreni
Ing. Fabio Agosta – Ragusa 2015
SCAMBI TERMICI CON I TERRENI
Perché la Geotermia?
Pompe di Calore
POMPA
DI
CALORE
SISTEMA A
TEMPERATURA T1
SORGENTE A
TEMPERATURA T0
LAVORO Ln
Meccanico
o Elettrico
T1 >T0Calore
Q0
Calore
Q1
Pompe di Calore
Periodo Invernalesottraggono calore dall’ambiente esterno e lo cedono all’edificio
POMPA DI CALORE
EDIFICIO AMBIENTE ESTERNO(?)
Calore Q0
Calore Q1
LAVORO Ln
Periodo EstivoSottraggono calore all’edificio e lo cedono all’ambiente esterno
MACCHINA FRIGORIFERA
EDIFICIO AMBIENTE ESTERNO(?)
Calore Q0
Calore Q1
LAVORO Ln
Coefficiente di Prestazione COP
COP PdC,rev
CO
P
Differenza tra T0 e T1 [°C o K]
0
5
10
15
20 30 40 50 60
L’efficienza della Pompa di Calore dipende dalle Temperature di Esercizio
Ridurre T1- T0 : Pannelli Radianti (T1=35° C) piuttosto che Sistemi Tradizionali (T1=60°C);
Pompe di Calore Tecnologicamente più Efficienti
Ridurre T1- T0:
intervenire sulla Sorgente Esterna
Aria:
Tradizionalmente la più comune sorgente Esternaper le pompe di calore
• Grande Disponibilità;• Grande Diffusione dei sistemi “split” a piccola taglia;
Termodinamicamente poco efficiente:il carico termico da soddisfare cresce al diminuire della temperatura esterna nel periodo invernale:• Diminuzione del COP;• Diminuzione della potenza termica erogabile dalla macchina;
Sorgente Termica Esterna
Sorgente Termica Esterna
Acque Superficiali: (Laghi - Bacini Artificiali)Grazie all’elevata inerzia termica risentono poco delle fluttuazioni giornaliere e stagionali di temperatura;
Acqua di Falda: Ha una temperatura pressoché costante in tutti periodi dell’anno (T=10-15°C);
Acqua:
Terreno:
Grazie all’elevata inerzia termica risente poco delle fluttuazioni giornaliere e stagionali di temperatura;
Al di sotto di una “certa” profondità la temperatura si può assumere pressoché costante(T=10-15°C);
Accoppiamento Pompa di Calore con il
Terreno come Sorgente Termica Esterna: GSHP
(Ground-Source Heat Pump)
Sorgente Termica Esterna
Un Modello Termico Semplificato per i TerreniEsempio: “Vienna”
Temperature Esterne Medie Giornaliere –Vienna, 2001
Curva Sinusoidale Idealizzata
Temperatura Superficiale:
Ampiezza :
Temperatura Media Annuale:
Periodo:
Pulsazione:
Z
terreno
Calore Specifico: Cp=cost.
Conservazione Entalpia(Conduzione Termica alla Fourier)Caso 1-D
Conducibilità Termica: =cost.
0
Densità: =cost.
Diffusività Termica:
Soluzione Analitica:
Fattore di Smorzamento Costante di Smorzamento
Equazione di Governo:
Un Modello Termico Semplificato per i TerreniSoluzione Analitica
TERRENI:Sabbia Limosa – Limi Argillosi =1960 kg/m^3;Cp=1515 J/kg K;=2,5 W/m K;
Diffusività Termica =0,072 m^2/giorno
Un Modello Termico Semplificato per i TerreniEsempio: “Vienna”
TERRENI:Sabbia Limosa – Limi Argillosi =1960 kg/m^3;Cp=1515 J/kg K;=2,5 W/m K;
Diffusività Termica =0,072 m^2/giorno
Un Modello Termico Semplificato per i TerreniEsempio: “Vienna”
Determinazione della conducibilità termica del terreno
Dalla curva relativa a Z=0,2 m si ricavano i parametri per modellare la temperatura superficiale
Noti parametri geotecnici significativi:Indice dei vuoti e=0,36;Grado di saturazione Sr=0,5; Densità Specifica del Solido Gs=2,75;Si ricava il Calore Specifico medio del terreno
Dalle misure di temperatura registrate nel tempo si è ricavata la Conducibilità Termica media del Terreno
Schema Generale di GSHP
Terreno
EdificioScambiatori Geo-Termici
Per ragioni di natura economica si dovrebbe raggiungere un COP>=4
CIRCUITO SECONDARIOCIRCUITO PRIMARIO
Scambi di Calore Edificio-Terreno
Scambi di CaloreSonde-Terreno
Profili Temperatura
Terreno
Flusso di Calore Geotermico
Flusso di Acqua
Falda Idrica
SCAMBIO GEO-TERMICO: PROBLEMA ACCOPPIATO
Scambi Termici con L’atmosfera
Flusso Convettivo di Calore
Simulazione Numeriche per un GHSP
Profili di temperatura del terreno
Problema della “Deriva” Termica nei Terreni
L’utilizzo esclusivamente Estivo od Invernale del terreno come sorgente esterna può determinare variazioni su scala pluriennale della temperatura del sottosuolo.
Decadimento nel corso degli anni delle prestazioni dell’impianto - Necessità di Sovradimensionare Inizialmente L’impianto Geotermico;
Ridotto periodo di utilizzazione dell’impianto con conseguenti tempi di recupero dell’investimento più lunghi.
Inconvenienti che possono essere un limite significativo perché il costo d’investimento iniziale è piuttosto elevato
In questi casi terreni con alte permeabilità e alti gradienti idraulici sono
più favorevoli
GIORNI PROGRESSIVI - Tre Anni
CO
P
Simulazione Numeriche per un GHSP
Per ragioni di natura economica si dovrebbe raggiungere un COP>=4
Simulazione Numeriche per un GHSP
Per avere COP>=4la temperatura nel circuito
primario non dovrebbe essere inferiore ai 0-5 °C
Simulazione Numeriche per un GHSP in un Edifico per Uffici in fase di realizzazione a Padova
Per avere COP>=4la temperatura nel circuito secondario non dovrebbe
superare i 30-35°C
Differenti Tipologie di GSHPSonde Geotermiche Verticali- SGV
Sonde ad “U” sino a z=100 m
Sezioni Orizzontali delle SVG
Fluido Termovettore:Acqua –Climi Caldi
Acqua+Glicole Etilenico (20%)-Climi Freddi
Differenti Tipologie di GSHPSonde Geotermiche Verticali- SGV
Sonde ad “U” sino a z=100 m
Sezioni Orizzontali delle SVG
Differenti Tipologie di GSHPSonde Geotermiche Verticali- SGV
Sonde ad “U” sino a z=100 m
Fluido Termovettore:Acqua –Climi Caldi
Acqua+Glicole Etilenico (20%)-Climi Freddi
Differenti Tipologie di GSHPScambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi
Differenti Tipologie di GSHPScambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi
Differenti Tipologie di GSHPScambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi
Differenti Tipologie di GSHP
Sistemi “Aperti” di estrazione di acqua
dalla falda freatica
Sistemi IbridiStanding Column Well - SCW
Differenti Tipologie di GSHP
Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures
Pali “Energetici”
Fondazione “Termo-Attiva”
Differenti Tipologie di GSHP
Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures
Diaframmi “Termo-Attivi”
Differenti Tipologie di GSHPFondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures
Metropolitana con Rivestimento “Termo-Attivo”
Sezione Orizzontale Rivestimento Galleria
Differenti Tipologie di GSHPFondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures
EDIFICI CON IMPIANTI RADIANTI a MASSE TERMICAMENTE ATTIVE in zone in cui è
richiesto RISCALDAMENTO/RAFFRESCAMENTO
(nuovo impulso alle GSHP)
EDIFICI A MASSE TERMICAMENTE ATTIVE
Richiesta di un Fluido Termovettore con temperature inferiori ai 30°C in inverno esuperiori a 15°C in estate permette di definire l’attivazione termica delle masse come un
sistema LTS (Low Temperature System);
Potenze di picco ridotte rispetto alle applicazioni tradizionali grazie all’elevata inerziadegli impianti;
Impianti più piccoli e meno costosi ed una minore potenza elettrica impegnata
IMPIANTI PER RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO
Il Funzionamento sia estivo che invernale limita o addirittura elimina le variazionitermiche del terreno nel corso degli anni e diminuisce i tempi di recuperodell’investimento iniziale.
Bilancio termico durante l’anno per limitare la “deriva” delle temperature
Il terreno è raffreddato durante l’inverno
(sorgente)
Il terreno è riscaldato durante l’estate (Pozzo)
In questi casi terreni con basse permeabilità e bassi
gradienti idraulici sono più favorevoli
IL TERRENO E’ UN MEZZO MULTIFASE
SOLIDO(grani costituiti da diversi minerali)
LIQUIDO (acqua liquida)
GAS(aria secca + vapore d’acqua)
DIMENSIONI DEL GRANO
La dimensione del grano ha un’importanza rilevante sul comportamento idraulico, meccanico e termico del terreno
Il termine argilla è ambiguo, poiché usato per indicare una dimensione ed un tipo di minerale
Ghiaia Sabbia Limo Argilla
0.002 mm0.075 mm2 mm
Prevalentemente minerali argillosi
Prevalentemente particelle appiattite
Prevalentemente minerali non argillosi
Prevalentemente particelle arrotondate
CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA DIMENSIONE
ESEMPI DI CURVE GRANULOMETRICHE
MATERIA ORGANICA
Particelle costituite da
frammenti di origine vegetale o
animale (possono aver
conservato o perduto traccia
della struttura originaria)
MATERIA INORGANICA
Particelle costituite da minerali
non argillosi o argillosi.
Composizione mineralogica
determinata mediante
diffrazione ai raggi X
NATURA DELLA FASE SOLIDA
CONDUCIBILITA’ TERMICA DELLE PARTICELLE SOLIDE
Dalla composizione mineralogica del
terreno è possibile stimare la
conducibilità termica della fase solida
utilizzando una media geometrica
generalizzata
Dove
Km,j è la conducibilità termica del
minerale
Xj è la frazione volumetrica di ciascun
minerale
Vw = Volume dell’acqua interstiziale
Va = Volume dell’aria interstiziale
Vv = Volume totale dei pori
V = Volume totale
V Vw
Vs
VaVv
Mw
MsM
Ms = massa dei solidi
Mw = massa dell’acqua
M = massa totale
s = densità dei grani
w = densità dell’acqua
VARIABILI DI FASI (1)
VARIABILI DI FASI (2)
sV
Vv Volume specifico
sss M
V
V
Vv
s
v
V
Ve Indice dei vuoti 11
ssss
s
s
v
M
V
V
V
V
VV
V
Ve
V
Vn vPorosità
V
M
V
V
V
VV
V
Vv ssssv
11
V
MDensità
V
M
V
Msd Densità secca
V
Ms
VARIABILI DI FASI (3)
s
w
M
Mw
v
w
V
VS
Contenuto d’acqua 1
s
t
s
st
s
w
M
M
M
MM
M
Mw
Grado di saturazionesstw
st
stw
w
v
w
MV
MM
VV
M
V
VS
11
TERRENO SATURO
S= 1
TERRENO SATURO
S= 1
TERRENO NON SATURO
S < 1
p.c. p.c.
CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO SATURO (S=1)
Nota la conducibilità della fase solida (ks)e nota la porosità del terreno (n) è possibile fare una
stima della conducibilità termica del terreno saturo (ksat) utilizzando la seguente media
geometrica:
[W/m °C]
Dove
Ks conducibilità termica della fase solida;
1-n rappresenta la frazione di volume dei solidi sul volume totale;
n rappresenta la frazione di vuoti sul volume totale;
kw è la conducibilità termica del fluido interstiziale (acqua)
CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO SECCO (S=0)
E’ più complessa da determinare rispetto alla conducibilità termica satura. E’ meno dipendente
dalla conducibilità del solido, ed è fortemente dipendente dalla POROSITA’ (n) e dal tipo di
terreno (CURVA GRANULOMETRICA).
[W/m °C]
CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO NON SATURO (S<1)
Conducibilità termica in
funzione del contenuto
volumetrico d’acqua e del
tipo di terreno
CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO NON SATURO (S<1)
Conducibilità Termica Normalizzata
Dove
ksat conducibilità termica del
terreno saturo;
kdry è la conducibilità termica
del terreno secco
Espressioni Empiriche
CURVA DI RITENZIONE DI UN TERRENO
S funzione della pressione negativa dell’acqua (suzione) s
S
ln (s)
1
Sr
sb sr
sb = suzione di ingresso dell’aria
sr = suzione di saturazione residua
Sr = grado di saturazione residua
16/05/12
IL VALORE DI INGRESSO DELL’ARIA
In prima approssimazione, il terreno può essere assunto saturo per suzioni minori della suzione di ingresso dell’aria, sb
Per un ordine di grandezza della suzione di ingresso dell’aria, sb, si possono considerare i seguenti valori:
sabbia(dmax=30 mm)
limo(dmax=3 mm)
argilla(dmax=0.3 mm)
10 kPa 100 kPa 1000 kPa
La suzione di ingresso dell’aria dipende essenzialmente dai pori di dimensione maggiore
COESIONE E TENSIONE CAPILLARE
COESIONE = Forza Attrattiva tra le molecole dello stesso tipo
Sulla superficie la risultante delle forze è diretta verso il basso
L’interfaccia liquido-gas si comporta come una membrana soggetta ad uno sforzo di trazione uniforme
liquid
gas
Questa tensione prende il nome di TENSIONE SUPERFICIALE
EFFETTO DI CURVATURA DELL’INTERFACCIA LIQUIDO GAS
q
R
water
air
r
T
RT
rTuu aw
2cos2q
ua = pressione dell’aria [F/L2]
uw = pressione dell’acqua[F/L2]
q = angolo di contatto
T = tensione superficiale[F/L]
r raggio del tubo capillare [L]
R = raggio di curvatura della caloptta sferica[L]
q cos222 rTruru wa
se q < 90°
La pressione dell’aria è parzialmente sostenuta dai menischi
La pressione dell’acqua è più bassa di quella dell’acqua
Equilibrio Meccanico
RISALITA IN UN TUBO CAPILLARE
uw<
0
uw=
0 uw=
0
uw=
0
rThu wwq
cos2
h
ua=0
INCREMENTO DELLA PRESSIONE DELL’ACQUA IN UN SISTEMA DI TUBI CAPILLARI
Z
Vw / V1
S
Variazione Della Conducibilità Termica di un Terreno Lungo La
Profondità
A parità di grado di saturazione
La conducibilità termica Cresce al
crescere della temperatura
EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLA CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO
MORALE:Utilizzare con cautela i valori di conducibilità termiche definiti
“tipici” per ciascun tipo di terreno
?
MISURA DIRETTA DELLA CONDUCIBILITA’ TERMICA IN SITO
Interpretazione delle Misure in Sito
SEZIONI GEOLOGICHE-PROFILI TERMICI
VALUTAZIONE DIRETTA DELLE “RESISTENZE” TERMICHE SCAMBIATOTI-TERRENO E DELLA CONDUCIBILITA’ TERMICA
CALOREENTRANTE
EVAPORAZIONEACQUA
CALOREUSCENTE
GASFLUSSO DI VAPORE D’ACQUA (DIFFUSIONE)
FLUSSO DI CALORE(CONDUZIONE E CONVEZIONE)
CONDENSAZIONEACQUA
FLUSSO LIQUIDO (CONVEZIONE)
FLUSSO DI CALORE (CONDUZIONE E CONVEZIONE)
LIQUIDO
FLUSSO DI CALORE (CONDUZIONE) SOLIDO
ACQUA LIQUIDAENTRANTE
I FLUSSI DI LIQUIDO, VAPORE E CALORE SONO FORTEMENTE ACCOPPIATI
T
Flusso di Calore Geotermico
(Incremento di 3°C
ogni 100m)
Flusso di Acqua
Falda
Soluzione al Finito del Problema Termo-Idraulico
Scambio di Calore con l’atmosfera
uw
Pioggia ed Evapo-Traspirazione
Flusso Idraulico
Flusso Convettivo di Calore
T falda=10-15°C
Scambi di Calore Edificio-Terreno
Condizioni al contorno superiore (Atmosfera)
Bilancio Della Massa
Interfaccia Terreno atmosfera
wE* Atmosfera
Solidoqmv
wP
qml
Interfaccia Terreno-
Atmosfera(T=Ts)
hv(Ts)( <w
E*)
Atmosfera(T=Ta)
Solido (T=Ts)
RnH hl(Ta)(wP*)
q hv(Ts) qmv hl(Ts) qml
Bilancio di Energia
Evaporazione Pioggia
Vapore d’acqua Acqua liquida
Calore Sensibile
Radiazione Netta
Calore latente uscente
Calore latente entrante
Calore per conduzione
Calore Latente del vapore
Calore Latente del liquido
Esempi di Applicazione di Modelli Fisico-Matematiciper la Previsione della Variazioni di Temperatura
Dati atmosferici misurabili con
una stazione meterologica:
Umidità Relativa
Temperatura
Precipitazioni
Velocità del Vento
Radiazione Netta Solare
previsione dell’andamento delle
temperature nel tempo mediante
simulazione con FEM
MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (1)
Isoterme nell’intorno di uno
scambiatore ad “U”
MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (1)
Isoterme nell’intorno di uno
scambiatore ad “U”
MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (2)
Effetto del flusso convettivo di calore legato alla velocità di filtrazione nel
terreno
MODELLAZIONE NUMERICA DEL PROBLEMA DELLA “DERIVA” TERMICA
CONCLUSIONI
La Geotermia a bassa entalpia offre una valida alternativa ai sistemi
tradizionali di riscaldamento/raffrescamento:
energia rinnovabile
abbattimento di emissioni di CO2
Indipendenza dai combustibili fossili
La progettazione di GHSP necessita un approccio multidisciplinare,
soprattutto nel caso di impianti in edifici complessi.
Sarebbe necessario investire di più sulla ricerca:
MENO CENTRALI NUCLEARI E PIU’ SONDE GEOTERMICHE
Grazie per L’attenzione