Pompe di calore accoppiate al terreno: risultati e prospettive delle ricerche condotte al DIENCA Enzo Zanchini

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1 Pompe di calore accoppiate al terreno: risultati e prospettive delle ricerche condotte al DIENCA Enzo Zanchini Università di Bologna Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale Viale Risorgimento, Bologna enzo.zanchini@unibo.it

2 IL PROBLEMA ENERGETICO-AMBIANTALE I combustibili fossili non potranno assicurare per un lungo periodo il soddisfacimento dell attuale fabbisogno di energia La temperatura media dell aria vicino alla superficie della terra è aumentata di circa 1.0 C rispetto al decennio Questo incremento di temperatura è dovuto in larga parte alle emissioni di gas serra in atmosfera causate dall attività dell uomo IPCC - FOURTH ASSESSMENT REPORT: CLIMATE CHANGE 2007 (AR4) Il riscaldamento del pianeta è inequivocabile. La maggior parte dell aumento delle temperature medie globali è molto probabilmente dovuta all aumento delle concentrazioni di gas serra di origine antropica.

3 C 0.8 MEDIA : C Variazione della temperatura media annua dell aria, vicino al suolo, , rispetto al valore medio del periodo ( C) Metereological Office - Hadley Centre V Congresso Nazionale AIGE Modena, 8-9 Giugno 2011

4 La decisione n. 406/2009/CE del Parlamento europeo e del Consiglio prevede che, entro il 2020, le emissioni di gas serra dell Unione Europea siano ridotte del 20%. La direttiva 2009/28/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, recepita in Italia dal decreto del 3 Marzo 2011, prevede che l energia da fonti rinnovabili copra il 20 % del consumo energetico totale dell Unione entro il 2020 (per l Italia la riduzione obiettivo è il 17%) La Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio, sulla prestazione energetica nell edilizia, definisce edificio a energia quasi zero un edificio caratterizzato da un fabbisogno energetico globale molto basso o quasi nullo, coperto in misura molto significativa da fonti rinnovabili Gli stati membri devono provvedere affinché entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero. Per gli edifici pubblici, la data è anticipata al 2018.

5 Il decreto 3 marzo 2011 prevede che, a partire dal 2017 (2014), oltre al 50% del consumo per ACS, sia ricoperto da fonti rinnovabili il 50% (35%) della somma dei consumi per ACS, riscaldamento, raffrescamento. A tal fine, non può essere computata come rinnovabile l energia elettrica fotovoltaica. Ciò rende di fatto obbligatori per le nuove costruzioni impianti a pompa di calore. Le pompe di calore accoppiate al terreno sono quelle con il COP (EER) più alto Le ricerche sviluppate al DIENCA hanno per oggetto: Test di Risposta Termica Ottimizzazione di sonde geotermiche (coassiali) Sostenibilità dei campi di sonde nel lungo periodo Effetti del movimento dell acqua di falda Sviluppo di nuovi metodi di progetto Caratterizzazione termofisica dei terreni della Regione Emilia Romagna

6 TEST DI RISPOSTA TERMICA CON VALUTAZIONE NUMERICA serbatoio con resistenze elettriche 2 pompa 3 misuratore di portata 4 termoresistenza per T in 5 termoresistenza per T out 6 acquisizione dati

7 TRT eseguiti in numerose località dell Italia settentrionale: Rimini, Cesena, Maranello, Fiesso d Artico, Vigonza, Oderzo, San Bonifacio, Trieste, Casola Canina (in corso). È stato messo a punto un programma di simulazione numerica agli elementi finiti che consente di determinare con buona affidabilità e precisione sia le caratteristiche della malta sigillante che quelle del terreno C 25 Tm misurata 23 Tm simulata s Valutazione del TRT di Fiesso d Artico

8 OTTIMIZZAZIONE DI SONDE GEOTERMICHE COASSIALI terreno malta sigillante 35 mm 50 mm Acciaio AISI 304 spessore 2 mm 89 mm tubo polietilene spessore 4.6 mm Esistono anche sonde coassiali di diametro esterno mm, inserite direttamente nel terreno, senza sigillante.

9 Con riferimento a piccole sonde (diametro 5 cm, lunghezza 20m, senza sigillante), sono stati studiati gli effetti della direzione del flusso e del thermal short circuiting z 0 r1 r2 r3 r4 center in flow direction annulus in r ground h1 AISI 304 water L PE-Xa (PP-R80)

10 Q (W) Annulus-in PE-Xa Annulus-in adiabatic Center-in PE-Xa Center-in adiabatic τ (s) Potenza assorbita: T in = 4 C; T g = 14 C; k gd = 2.8 W/(mK) Si è trovato che l ingresso nel condotto anulare esterno è preferibile, e che l effetto del thermal short circuiting è poco rilevante.

11 Per sonde con diametro 9 cm, lunghezza 100 m e malta sigillante, sono stati studiati gli effetti del thermal short circuiting e della portata in volume PE100 PPR80 adiabatic 6000 Q [W] E E E E E E E E E+05 τ [s] Potenza rilasciata: T in = 28 C; T gd = 14 C; k gd = 2.8 W/mK Si è trovato che l effetto del thermal short circuiting è importante, e può essere sensibilmente ridotto sostituendo al polietilene il polipropilene PPR 80.

12 E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Effects of flow direction and thermal short-circuiting on the performance of small coaxial ground heat exchangers, Renewable Energy 35 (2010) E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Improving the thermal performance of coaxial borehole heat exchangers, Energy 35 (2010)

13 SOSTENIBILITÀ NEL LUNGO TERMINE DI CAMPI DI SONDE CON CARICHI TERMICI STAGIONALI NON BILANCIATI ASSENZA DI MOVIMENTO DELL ACQUA DI FALDA Per una sonda singola, non esistono problemi di sostenibilità nel lungo periodo. Mostrato sperimentalmente in: L Rybach, W.J. Eugster, Sustainability aspects of geothermal heat pump operation, with experience from Switzerland. Geothermics, 39, , Per vasti campi di sonde, il problema della sostenibilità nel lungo periodo, in assenza di movimento dell acqua di falda, è molo serio, specialmente per campi compatti (campi quadrati)

14 STUDIO NUMERICO SISTEMATICO PER GRANDI CAMPI DI SONDE (SONDE A DOPPIO TUBO AD U) Sonda singola: Q 1 bilanciato; Q 3 completamente non bilanciato T g = 14 C ; Q 0 = 30 W/m; k gd = 2.8 W/(m K)

15 10 C Q 2r, 6 m Q 2r, 8 m Q 2r, 10 m Q 2r, 14 m Q 3r, 6 m Q 3r, 8 m Q 3r, 10 m Q 3r, 14 m Years Valore minimo annuo di T f per un campo quadrato infinito, con k gd = 2.8 W/(m K), carichi termici Q 2r e Q 3r. T g = 14 C ; Valore massimo del carico Q 0 = 20 W/m

16 EFFETTI DEL MOVIMENTO DELL ACQUA DI FALDA Porosità media e velocità media dell acqua per terreni non rocciosi, da (Chiasson, Rees, Spitler 2000) Terreno Porosità media Velocità media acqua m/anno Ghiaia Sabbia grossa Sabbia fine Limo Argilla

17 EFFETTI DI LUNGO TERMINE - CARICO TERMICO REGOLARE Vengono considerati due tipi di carico termico regolare (mediato nel tempo), con periodo τ 0 di un anno: il tipo Q 1, con carichi stagionali parzialmente compensati; il tipo Q 2, con carico esclusivamente estivo o esclusivamente invernale. Vengono considerati campi di sonde infinitamente estesi, con le geometrie: linea singola, linea doppia sfalsata, linea quadrupla sfalsata. Si assume una distanza di 40 diametri (6 m per diametro 15 cm) fra due sonde adiacenti della stessa linea e fra due linee. Studio in forma adimensionale τ = ρ w k gd cd w 2 τ Q Q = Q 0 Fo = ρ k w gd w τ 0 c D T 2 = ( gd ) T T k Q 0 τ τ τ = Fo 0 gd

18 Q/Q Q τ /τ 0 Q Carichi termici adimensionali Q 1 e Q 2

19 ( T s ) max Pe = 0 Pe = 0.02 Pe = 0.05 Pe = 0.1 Pe = 0.4 Pe = τ Fo Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media all interfaccia fra sonda e terreno: linea singola, carico Q 2, Fo = 550. Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per k gd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima all interfaccia sonda terreno

20 ( T s ) max Pe = 0 Pe = 0.02 Pe = 0.05 Pe = 0.1 Pe = 0.4 Pe = Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media all interfaccia fra sonda e terreno: linea doppia, carico Q 2, Fo = 550. Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per k gd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima all interfaccia sonda terreno τ Fo

21 ( T s ) Valori di per τ /Fo = 1, 2, 5, 10, 20, 50, per una linea max singola di infinite sonde, con carico adimensionale Q 1 2 lines, Q 1 τ /Fo Pe Fo

22 EFFETTI DEL CARICO TERMICO DI PICCO Per valutare i massimi raggiunti dalla temperatura media del fluido, bisogna considerare i carichi termici di picco, che sono assunti di durata 4 ore, e la struttura interna della sonda. Il metodo adottato è il seguente. Si considera un periodo di 6 mesi: quello con i massimi carichi termici. Per il suddetto periodo, si considera il carico termico (adimensionale) fluttuante effettivo e si calcola l andamento nel tempo della differenza di temperatura adimensionale T T, dove T tub T s = = ( ) 0 tub T T k tub gd gd Q ( ) T T k s gd gd Q 0 s T tub = temp. all interfaccia tubi-malta sigillante, con il carico effettivo fluttuante. T s = temp. all interfaccia malta sigillante-terreno, dovuta al carico termico regolare, mediato nel tempo. T tub - T s dà la sopraelevazione di temperatura adimensionale T tub rispetto alla T s calcolata con le simulazioni di lungo termine. Aggiungendo T s si trova la temperatura adimensionale T tub effettiva. Infatti, la differenza T tub - T s non dipende dal particolare periodo di 6 mesi scelto.

23 Per il giorno di massimo carico invernale o estivo, si adottano, rispettivamente, distribuzioni di carico termico adimensionale (Q sh1 ) max e (Q sh2 ) max prese dalla letteratura (Q sh2 ) max hours Per il periodo di 6 mesi si adotta uno dei due carichi adimensionali: Q ( Qsh ) ( τ ) = Fo 2π sin τ sh 1 1 max Q ( Qsh ) ( τ ) = Fo 2π sin τ sh 2 2 max

24 0.35 Q sh τ 9 Illustrazione del carico termico adimensionale Q sh1, primi 10 giorni giorni

25 Si fa riferimento a una sonda a doppio tubo a U con rapporto fra diametro esterno dei tubi (32 mm) e diametro della sonda (156 mm) e rapporto fra distanza fra gli assi di due tubi adiacenti e diametro della sonda.

26 Si definiscono i numeri puri: k% = k k gt gd σ% = ρ ρ gt w c c gt w k gt = conducibilità termica della malta sigillante ρ gt = densità della malta sigillante, c gd = capacità termica specifica della malta sigillante (si assume σ% = 0.52) Tabella 5. Valori massimi di T tub - T s per vari valori di Fo e k % ( T tub Ts ) Winter operation Fo 300 %k = %k = %k = Summer operation Fo 300 %k = %k = %k = max

27 I risultati ottenuti mostrano che il movimento dell acqua di falda, anche con velocità modeste, può garantire la sostenibilità nel lungo periodo di grandi campi di sonde disposti in linee ortogonali al moto dell acqua. Individuano inoltre un metodo di progetto per grandi campi di sonde geotermiche in presenza di movimento dell acqua di falda. Il metodo deve essere esteso a piccoli campi di sonde e a diversi valori del dell interasse fra le sonde.

28 S. Lazzari, A. Priarone, E. Zanchini, Long-term performance of BHE (borehole heat exchanger) fields with negligible groundwater movement, Energy 35 (2010) E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Long-term performance of large borehole heat exchanger fields with unbalanced seasonal loads and groundwater flow, Energy 38 (2012)

29 DIMENSIONAMENTO DI CAMPI DI SONDE IN ASSENZA DI FLUSSO DELL ACQUA DI FALDA EFFETTI DEL CARICO TERMICO REGOLARE: SONDA COME SORGENTE TERMICA CILINDRICA IN UN MEZZO OMOGENEO INFINITO T τ 2 = α T g T r Q πd 0 T( r,0) = T k g g = F( τ ) r= D 2 T = k g T T Q 0 g ατ g τ = 2 D = D r = r D Fo = ατ g 0 2 D T τ 2 = T 1 π T T ( r,0) = 0 = F ( τ ) r r = 12 F 1 2π τ Fo = sin F 2 2π τ Fo = sin

30 Sovrapposizione degli effetti: la temperatura adimensionale media sulla superficie di una sonda, ad un certo istante, è uguale alla somma dei valori medi delle temperature adimensionali prodotte, sulla superficie in esame, dalla sonda stessa e da tutte le altre, considerate ciascuna separatamente. Campi di sonde a linea singola (fino a 5 sonde), doppia linea (fino a 2 5 sonde) e campo quadrato (fino a 5 5 sonde). Distanza fra le sonde 40 D. Valori di T in funzione di τ/fo alle varie distanze adimensionali, per i carichi F 1 ed F 2 ; Fo = 700, 1500, 2300 Funzioni interpolanti e tabelle dei coefficienti ( ) T = a Exp( a τ Fo) + a sin 2π τ Fo + a + a ( ) ( ) T = b 1 b Exp( b τ Fo ) ln b τ Fo b sin 4π τ Fo b b

31 Coefficienti della funzione interpolante, per il carico F 1 Fo = 700 T1 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 use for 1/ τ / Fo τ / Fo τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo>6 Fo = 1500 T1 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 use for 1/ τ / Fo τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo>3 Fo = 2300 T1 a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 use for 1/ τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo> τ / Fo>4

32 Fo = 1500, compensazione 50 %, sonda singola e linea 1 5 T Single BHE Line 5 BHEs Incremento di T per linea 1 5 : 29%

33 Fo = 1500, compensazione 50 %, campi 3 3 e T 3x3 4x Incrementi di T: campo %; campo %;

34 GLI EFFETTI DEI CARICHI DI PICCO POSSONO ESSERE DETERMINATI CON IL METODO SVILUPPATO NEL LAVORO PRECEDENTE RICERCHE IN CORSO O PROGRAMMATE: RISULTATI ATTESI COMPLETAMENTO DEI METODI DI PROGETTO PER CAMPI DI SONDE CON CARICHI STAGIONALI NON BILANCIATI, CON O SENZA MOVIMENTO DELL ACQUA DI FALDA MEDIANTE TRT ED INDAGINI GEOLOGICHE, TROVARE RELAZIONI AFFIDABILI FRA PROPRIETÀ TIPICHE DEIGLI STRATI DITERRENO E RISULTATI DEI TRT (In coll. con Regione ER e GEO-NET) ELABORARE UN NUOVO METODO DI CARATTERIZZAZIONE DEI TERRENI (In coll. con Regione ER e GEO-NET)

35 CONCLUSIONI Sono stati realizzati numerosi TRT con valutazione numerica, sviluppando un codice di valutazione numerica 2-D piuttosto preciso. Sarà predisposto un nuovo codice 3-D, per ottenere maggiore accuratezza. Per sonde geotermiche coassiali, è stata trovata la direzione migliore del flusso del fluido e sono stati valutati gli effetti del thermal short-circuiting, indicando anche un metodo semplice per ridurre tali effetti. È stata fatta una prima valutazione della sostenibilità nel lungo periodo di campi di sonde geotermiche, in assenza e in presenza di movimento dell acqua di falda. È in fase di elaborazione un nuovo metodo di progetto di campi di sonde geotermiche che consenta di assicurare la sostenibilità nel lungo periodo e tenga conto degli effetti del flusso dell acqua di falda. Sarà studiata la relazione fra caratteristiche dei singoli strati di terreno e risultati dei TRT; sarà studiato un nuovo metodo di caratterizzazione termofisica dei terreni.

36 GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE Enzo Zanchini Università di Bologna Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale Viale Risorgimento, Bologna enzo.zanchini@unibo.it