Parametri tecnici d'influenza nella progettazione e nella realizzazione di sonde geotermiche

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1 Parametri tecnici d'influenza nella progettazione e nella realizzazione di sonde geotermiche Ing. Fabio Minchio, Ph.D. Dott. Geol. Rimsky Valvassori

2 Dimensionamento campo sonde geotermiche verticali Il dimensionamento di un campo di sonde geotermiche verticali dipende da: 1. Tipologia di terreno e relative proprietà termofisiche 2. Caratteristiche della sonda geotermica 3. Caratteristiche del sistema edificio impianto 4. Obiettivi prestazionali LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO E UN PROCESSO COMPLESSO NON RICONDUCIBILE SEMPLICEMENTE AD UN PARAMETRO DI RESA TERMICA

3 Dimensionamento campo sonde geotermiche verticali Approccio al dimensionamento (Minchio, Basta, 2007)

4 Proprietà del terreno Importanza di un adeguata geognostica Ground Response Test: alcune criticità Test non del tutto consolidati in Italia Test di costo non trascurabile: problema durata In presenza di moti convettivi significativi test non consistente: problema importante in Veneto (terreni ghiaiosi) Database: classificazioni generiche

5 Geognostica La fase geognostica preliminare risulta di fondamentale importanza per la corretta scelta e dimensionamento di un sistema di scambio termico con il sottosuolo. In particolare appaiono necessari soprattutto: la definizione della stratigrafia del sottosuolo, da cui derivano le proprietà termiche del terreno la valutazione della presenza della acqua, in termini assoluti ed in relazione ai movimenti della stessa nel terreno. Lo studio geologico deve essere esteso alla parte di sottosuolo interessata dalla realizzazione dell opera (concetto di volume significativo). Nel caso specifico circa 100 m di profondità

6 Geognostica Metodi diretti: Rilevamento geologico Sondaggi (carotaggio continuo o distruzione) Prove penetrometriche (CPT/DPSH) Metodi indiretti: Metodi elettrici (tomografia elettrica) Metodi sismici attivi (rifrazione) Metodi sismici passivi (HVSR)

7 Geognostica

8 GRT Thermal Response Test o Ground Response Test (GRT): uno scambiatore pilota installato nel suolo (che sarà parte di un pozzo poi appartenente al loop dell impianto che si realizzerà) sollecitato da un impulso termico a potenza costante

9 GRT

10 GRT Temperatura ( C) time (h) Text Tin Tout

11 GRT

12 GRT

13 GRT

14 Geologia e Parametri termici del terreno In generale è possibile Conducibilità termica osservare Potenza d'estrazione Sottosuolo come la (W/m K) (W/m) Sottosuolo conducibilità di cattiva qualità termica di un terreno dipenda meno di 1,5 20 (rocce mobili secche) da: Rocce indurite o rocce mobili sature d'acqua Composizione mineralogica della Rocce indurite a conducibilità superiore a 3,0 termica elevata roccia/terreno costituente il sottosulo Ghiaia, sabbia, secco Porosità Ghiaia, sabbia, acquifero del terreno 1,8 o a 2,4 della roccia Argilla, limo, umido 1,7 Grado di umidità del sistema multifase Calcare, massiccio Arenaria 2,3 55 a 65 Presenza di acqua in movimento e quindi Granito 3,4 55 a 70 permeabilità del sottosuolo Basalto 1,5 a 3,0 0,4 2,8 1,7 meno di a a a a 55 Gneiss 2,9 60 a

15 Caratteristiche sonda geotermica

16 Caratteristiche sonde geotermiche Diametro perforazione Configurazione geometrica Materiale sonda Materiale riempitivo Fluido termovettore Regime di deflusso Valore di R b

17 Perforazione e installazione Perforazione con fanghi bentonitici o polimeri Perforazione con doppia batteria con foro costantemente rivestito L utilizzo del rivestimento in avanzamento è CONSIDERABILE una B.A.T. (Best Available Technology) in campo geotermico e consente di: MINIMIZZARE l utilizzo di fluidi di perforazione per la stabilizzazione del foro; MINIMIZZARE in fase di transitorio (perforazione) la messa in comunicazione di falde sovrapposte, caratterizzate da qualità e da quote piezometriche differenti.

18 Perforazione e installazione MOLTO IMPORTANTE: EVITARE L INSTALLAZIONE DELLE SONDE (IN MATERIALE PLASTICO) DENTRO IL FORO DI SONDAGGIO A SPINTA CON LA MACCHINA OPERATRICE, INSIEME ALLA BATTERIA DI ASTE ii danneggiamento della sonda è MOLTO probabile

19 Materiali Standard di mercato: HDPE Sonde in materiale metallico: Corrosione Correnti vaganti L uso di materiali ad elevata conduttività termica consente un miglioramento ma in ogni caso esiste un limite di sfruttamento sostenibile del terreno

20 Supersonde?? Mands, 2008

21 Configurazione geometrica Standard di mercato: sonda a doppia U o a singola U, meno diffuse coassiali Obiettivo: ottimizzazione regime di deflusso

22 Fluido termovettore Dimensionamento standard: previsto anticongelante standard: soluzione acqua e glicole propilenico Elevata viscosità: perdite di carico, regime di deflusso laminare Impatto ambientale? Acqua? Svantaggi Necessità di incrementare il numero di sonde per assicurare temperature sempre > 0 C: convenienza economica improbabile nei piccoli impianti Difficoltà ottenimento garanzia su pompa di calore Vantaggi Riduzione perdite di carico e consumi di pompaggio Miglioramento regime di deflusso a parità di portata

23 Sistema edificio-impianto La tipologia di applicazione ha influenza determinante sul dimensionamento: Curva di carico Fabbisogni energetici in riscaldamento e raffrescamento 1. Sovrapposizione degli effetti di breve e lungo periodo: dati di fabbisogno energetico fondamentali come input di dimensionamento 2. Necessità software di simulazione 3. Necessità di valutazione sul lungo periodo (standard: 25 anni)

24 Profilo di temperatura

25 Obiettivi prestazionali Il dimensionamento è sempre effettuato con l obiettivo di ottenere temperature del fluido in ingresso alla pompa di calore al di sopra di un livello minimo invernale e al di sotto di un livello massimo estivo Per migliorare il COP e l EER medio stagionale è necessario incrementare il numero di sonde