Analisi di pompe di calore geotermiche con sonde orizzontali

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1 Anals d pompe d caloe geotemche con sonde ozzontal MICHELE DE CARLI MAURO MANOVAN LEONARDO PRENDIN ANGELO ZARRELLA ROBERO ZECCHIN 3 ALESSANDRO ZERBEO Dpatmento d Fsca ecnca dell Unvestà degl Stud d Padova HRef S.pA. 3 FS Ingegnea Padova RIASSUNO L attenzone pe le pompe d caloe geotemche è n contnua cescta e la loo applcazone s sta dffondendo sopattutto n ambto esdenzale scontando patcolae nteesse nella ealzzazone con sonde geotemche ozzontal. La letteatua tecnca non pota molto n meto a questa tpologa; a tal fne è stato svluppato un codce d calcolo medante l quale è possble ottenee la esa temca specfca d un campo d sonde note le caattestche geometche la potata del fludo temovettoe e le popetà temofsche del teeno. E così possble ndvduae un plausble compomesso ta esa temca e costo d nstallazone del campo geotemco. E stata qund affontata una valutazone compaatva ta una pompa d caloe geotemca con scambatoe ozzontale sa pe la clmatzzazone che pe la poduzone d acqua calda santaa e una soluzone tadzonale a caldaa e efgeatoe n temn d cost d nstallazone e d eseczo d effcenza enegetca e d mpatto ambentale. E stata scontata una convenenza enegetca e taffaa della soluzone geotemca spetto ad una equvalente soluzone tadzonale avendo stmato un tempo d tono dell onee d nstallazone d cca 85 ann. INRODUZIONE La cescente attenzone all mpatto ambentale degl mpant d clmatzzazone mpone l coso a sstem d poduzone enegetcamente effcent cu s è aggunta ecentemente anche la necesstà d dvesfcae gl mpant d scaldamento anche a seguto della ecente cs del gas fa Russa ed Ucana.

2 Le pompe d caloe geotemche appesentano n quest ottca una soluzone effcace pe la duzone d emsson nqunant ed n patcolae è sempe maggoe la chesta d nstallazone d sonde geotemche ozzontal vsta l appaente maggoe economctà spetto a quelle vetcal. Inolte mente pe queste ultme esstono n letteatua dvese pubblcazon [ 3] che pemettono d tae anche n modo veloce ed abbastanza accuato alcune valutazon d caattee pestazonale pe le sonde geotemche ozzontal non esste un femento esauente. Rsulta petanto nteessante analzzae queste tecnologe e valutane effettve potenzaltà e lmt. LE SONDE ORIZZONALI Il campo d sonde a svluppo ozzontale può pesentas n dvese confguazon dffeent fa loo a seconda della foma dsegnata dalla tubazone del numeo d tub mpegat e della connessone fa am come llustato n Fgua. In questo lavoo è stata pesa n consdeazone la tpologa a sepentna n see (Fgua e).

3 Fgua - Confguazon d posa pe sonde geotemche a svluppo ozzontale [7]. E evdente che ad un maggoe fabbsogno temco dell edfco cosponde una maggoe estensone della supefce del teeno dedcato alla posa del campo d sonde. I paamet pncpal che nfluenzano l flusso temco scambato fa la sonda e l sottosuolo sono sostanzalmente la lunghezza della tubazone la pofondtà d nstallazone ed l passo ta tub; petanto occoe valutae con attenzone la dsponbltà d supefce d teeno da pate dell utenza qualoa s scelga d adottae un mpanto a sonde geotemche a svluppo ozzontale. D mpotanza levante è anche la stma del costo dell opea d sbancamento pe la posa della tubazone. Occoe nnanztutto dstnguee se l teeno sulta satuo d acqua n supefce poché n tal caso s manfestano poblem pe la capactà opeatva degl escavato: 3

4 n pesenza d falda acqufea occoe nfatt pevedee un mpanto d pompaggo (Well-Pont) che poscugh l aea e che consenta agl escavato d tanstae sul fondo del pano d scavo. Su un aea d 50x0 m ad esempo l mpanto d Well-Pont chede una maggoe estensone della supefce (60x30 m cca). Sul pemeto esteno vanno po poszonat de tub vetcal (agh) ad una pofondtà supeoe a quella complessva dello scavo a dstanza d m. Occoono pecò 80 agh nteat fno a 65 m d pofondtà. Dopo un peodo d funzonamento delle pompe l teeno può essee sbancato con scav che pocedono pe lvell pogessv pevedendo petanto l obblgo del noleggo d un autocao che poszonato n cospondenza del pemeto dell aea contenga all nteno d un cassone baltable l mateale aspotato. Dopo la posa della sonda geotemca ozzontale l autocao può effettuae l poto d teeno con l auslo d una pala meccanca. A ttolo d esempo e sulla base de dat ndcat nel pezzao della Regone Veneto n matea d scav è stato valutato l peventvo pe lo sbancamento potzzato (50x0 m) a 5 m d pofondtà e potato n abella totalzzando un peodo d esecuzone dell opea stmato n 0 gon. Nel caso d lvello d falda molto possmo al pano campagna s dmosta petanto pù vantaggoso lo scavo a flo falda. Pe la stessa aea è stata analzzato l costo d uno sbancamento lmtato a 5 m d pofondtà. In questo caso l costo pesunto (abella ) è d cca 3300 Euo. Una possbltà pe due cost è d effettuae l opea d scavo non pe un ntea aea ma pe tncee paallele fa loo. In tal modo vene ealzzata una see d fossat pofond 5 m e lagh quanto la benna dell escavatoe mpegato (cca 70 cm suffcent pe la posa del tubo). Il mezzo utlzzato può tanstae sugl agn della tncea pogessvamente fomata n modo da gaante la posa pogessva della tubazone n poletlene che vene qund nteata. E comunque da tenee n consdeazone la pova n pessone d tenuta della tubazone ed l passo adottato ta am della sepentna. abella Peventvo d sbancamento d un aea d 000 m ad una pofondtà d 5 m con teeno satuo d acqua. Desczone Quanttà Costo untao otale [ ] Agh Well-Pont Autocao Escavatoe Scavo d sbancamento 80 untà 4 gon 60 oe 60 oe 5000 m /ago /gono 3750 /h 4000 /h 400 /m otale

5 Sempe basandos sul pezzao della Regone Veneto s pota n abella 3 l peventvo pe questa seconda potes d ntevento feta ad uno scavo a tncee pe la posa d una sonda ozzontale a 5 m dal suolo e con passo ta tub d 5 m. abella Peventvo d sbancamento d un aea d 000 m ad una pofondtà d.5 m. Desczone Untà Costo untao otale [ ] Autocao Escavatoe Scavo d sbancamento 80 oe 80 oe 500 m /h 4000 /h 85 /m otale abella 3 Peventvo d sbancamento d un aea d 000 m pe tncee ad una pofondtà d.5 m. Escavatoe Desczone Untà Costo untao otale [ ] Scavo d sbancamento 50 oe 4000 /h m 3 85 /m otale S può notae un notevole spamo nel costo dell opea d sbancamento dato molto utle nell ottca d un auspcable ncemento della dffusone degl mpant geotemc n ambto talano. Può sultae oppotuno evdenzae nfne come la soluzone a pofondtà dotta lmt peò l utenza nella scelta d pantae albe a adc pofonde poché potebbeo essee aecat dann al ccuto daulco geotemco. A ttolo d completezza e pe una valutazone compaatva s potano n abella 4 pezz pe opee d sbancamento ealzzate n alcune egon talane nell potes d un campo d sonde posto alla pofondtà d 5 m dal pano campagna. 5

6 abella 4 Pezz pe opea d sbancamento n alcune egon talane. Regone Scavo n sezone apeta [ /m 3 ] Noleggo Escavatoe compensvo d opeatoe [ /h] Lombada Emla Romagna oscana (Fenze) 45 (n sez. obblgata fno a 300 m) 500 Alto Adge (Bolzano) 38 (fno a 500 m) 5500 Campana IL MODELLO MAEMAICO Al fne d valutae la esa temca specfca d una sonda geotemca ozzontale è stato svluppato un codce d calcolo denomnato GAIA basato sul metodo alle dffeenze fnte utlzzando una dscetzzazone basata pazalmente su coodnate clndche. Ogn sngolo volume sulta contenee un nodo dotato d una popa capactà temca e connesso agl alt medante esstenze temche secondo un analoga elettca a esstenze-capactà. Il modello s basa sull potes che all nteasse ta tub non v sano sgnfcatv scamb temc n senso ozzontale (condzone d adabatctà). Avendo dunque potzzato che l flusso temco scambato all ntefacca sonda-teeno abba smmeta cconfeenzale nella zona n possmtà del tubo (Fgua 3) pes come paamet d dscetzzazone clndc l aggo e l angolo θ e consdeata una sezone tasvesale della sonda s ottene la schematzzazone d Fgua 4. Fgua Element longtudnal che compongono cascun amo del campo d sonde ozzontal. 6

7 7 Fgua 3 - Dscetzzazone a volum d contollo del maco-volume d ndagne e nod. Secondo la nomenclatua adottata s ottene la geneca equazone d blanco de fluss temc (feto all untà d lunghezza del tubo) pe l geneco nodo con massa (): ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) τ θ ρ θ λ θ λ θ λ θ λ τ = c () Vengono nolte sctte equazon d blanco de fluss temc (con temne noto nullo) pe nod pv d neza temca al fne d pesegue un maggoe gado d dettaglo d calcolo.

8 Fgua 4 Schematzzazone d un geneco nodo nel pogamma GAIA. Ogn sstema d equazon legato all elemento d tubo consdeato vene connesso al successvo elemento medante la condzone d contnutà (potata d massa) e d conguenza (tempeatua) del fludo (Fgua 5). Pe cascun elemento longtudnale peso n esame vene petanto sttuto un sstema d equazon solto nelle X ncognte tempeatue de nod [ ]{ X} { B} A = () Infne n base alla potata d fludo temovettoe nelle sonde s può cavae l flusso scambato medante l espessone p ( ) e qund la esa temca specfca meda pe untà d lunghezza. q= mc & (3) out n 8

9 Fgua 5 Connessone de dves element d tubo. Al fne d valutae l effettva attendbltà de sultat devant da calcol del modello sono state effettuate dvese smulazon a patà d condzon al contono anche con l pogamma dettaglato HEA [4]. La duata della smulazone è stata pa a ann (750 oe) mente dat d output consdeat pe l confonto sono quell elatv al secondo anno evtando n tal modo possbl dffeenze all nzo della smulazone. Quale condzone al contono pe le condzon clmatche estene sono stat utlzzat valo dell anno tpo d Veneza [5] combnat con oppotun coeffcent pe tenee conto dell nfluenza della adazone solae detta sul pano ozzontale. Lo scato scontato è contenuto n un ntevallo d ± 0 C n possmtà del tubo consdeato come punto maggomente ndcatvo pe la valdazone del modello. 9

10 Fgua 6 - Andamento delle tempeatue secondo HEA alle oe del 6 gennao (tempeatua meda del fludo nel tubo 3.3 C; tempeatua sole-aa 9. C). Fgua 7 - Andamento delle tempeatue secondo HEA alle oe 4 del luglo (tempeatua meda del fludo nel tubo 9 C; tempeatua sole-aa 37.6 C). LA SCELA DEL CAMPO DI SONDE Una volta taato l modello è stata valutata l nfluenza de paamet geometc sulla esa d una sonda geotemca ozzontale medante dvese smulazon al vaae del passo P e della pofondtà d posa H. In tal modo è stato possble cavae un confonto fa va cas sulla base della esa temca lneae nella stagone nvenale ed estva che sulta ovvamente maggoe pe pofondtà e passo pù elevat. 0

11 abella 5 - Resa temca specfca meda stagonale ed annuale pe quatto dvese dsposzon d sonda geotemca ozzontale (feta ad un aea d teeno d 50x0 m). H [m] P [m] Resa specfca meda nvenale [W/m] Resa specfca meda estva [W/m] Resa specfca meda annuale [W/m] Le smulazon hanno evdenzato che all nzo del peodo nvenale s ha n geneale un pcco della esa temca gaze al fatto che ne mes pecedent l sottosuolo vene pogessvamente scaldato; analogamente all nzo del funzonamento estvo s sconta un pcco della esa temca del teeno. Inolte la soluzone a pofondtà H = 5 m sente maggomente della adazone solae spetto a quella con H = 4 m; patcolae nfluenza sulta avee l aggamento a pate dalla fne del mese d Gennao dmostato dal fatto che da tale peodo n po la esa tende ad aumentae a causa dell ncemento della tempeatua estena. Duante l peodo nvenale la confguazone con H = 5 m e P = 5 m sulta pù effcente spetto a quella con H = 4 m e P = m olte che decsamente pù economca. D alto canto duante l peodo estvo le sonde poste a H = 4 m smaltscono una potenza temca maggoe gaze alla mnoe nfluenza dell aggamento solae e alla possbltà d sfuttae una massa a tempeatua pù possma a quella del teeno ndstubato. S può notae come passando dalla soluzone con H = 5 m e P = m alla soluzone con H = 4 m e P = m s ha un aumento del 8% cca nella esa temca specfca meda annuale mente passando dalla soluzone con H = 5 m e P = 5 m alla soluzone con H = 4 m e P = 5 m s ha un aumento del 0% cca dat che n questo studo pealto non sembano gustfcat dall exta-costo chesto dallo sbancamento fno a 4 m d pofondtà. A patà d aea da dedcae alla posa della sonda geotemca ozzontale l mglo compomesso ta esa e costo d sbancamento semba essee la confguazone con H = 5 m e P = m.

12 APPLICAZIONE AD UN CASO DI SUDIO E stata effettuata una smulazone dnamca medante l modello DIGIHON [8] pendendo l clma della cttà d Veneza come femento. E stato così possble cavae l fabbsogno enegetco d un untà esdenzale pe quatto pesone d cca 60 m d supefce su unco pano e con coeffcente S/V pa a 037. Le tasmttanze temche potzzate sultano pa a 030 W/(m K) pe le paet opache estene 05 W/(m K) pe l tetto e 5 W/(m K) pe le supefc fnestate Fabbsogno d Enega (E) Caco emco massmo (P) E [kwh] / P [W] Gennao Febbao Mazo Aple Maggo Gugno Luglo Agosto Settembe Ottobe Novembe Dcembe Fgua 8 - Caco temco (P) e d fabbsogno enegetco (E) dell edfco secondo un anno tpo (.R.Y.) calcolat con l codce Dghon Multzone. Le potenze d pogetto nvenale ed estva sono spettvamente pa a 439 e 8 kw. I valo contenut de cach temc sono da mputae all elevato solamento temco potzzato pe l edfco coeentemente con l pncpo che l utlzzo d un mpanto tecnologcamente avanzato è tanto pù gustfcato quanto pù l nvoluco dell edfco pevede l'mpego d soluzon ad alta effcenza enegetca. L mpanto d clmatzzazone è del tpo a ventlconvetto con tempeatua d mandata e tono spettvamente pa a 35 C e 30 C n nveno 7 C e C n estate. E nolte pevsta la ventlazone meccanca con ecupeatoe d caloe d effcenza pa al 50%.

13 Pe pote effettuae un confonto con la soluzone geotemca s è consdeato un mpanto d clmatzzazone e d poduzone d acqua calda santaa d tpo tadzonale coè costtuto da una caldaa e un efgeatoe d acqua con condensazone ad aa a patà d edfco e d temnal d mpanto (ventlconvetto). S è fatto femento ad una caldaa muale a condensazone accoppata ad un sebatoo d accumulo pe la poduzone d acqua calda santaa. Quale altenatva alla soluzone tadzonale è stata consdeata una pompa d caloe acquaacqua con dsspazone tamte campo d sonde geotemche a svluppo ozzontale. La macchna destnata alla clmatzzazone dell edfco è una pompa d caloe acqua-acqua a sngolo ccuto fgofeo opeante a R-407c con compessoe scoll e con evapoatoe e condensatoe a paste. In patcolae la pompa d caloe ha una valvola d lamnazone a contollo elettonco una valvola d nvesone d cclo fgofeo e una valvola d nvesone del flusso d acqua negl scambato. al soluzon pemettono d gaante un deflusso n contocoente negl scambato n entamb egm d funzonamento ottenendo COP med pa a 47 n nveno e 55 n estate [6]. 3

14 Fgua 9 Pompa d caloe geotemca. In paallelo alla pompa d caloe dedcata alla clmatzzazone è pevsta una seconda pompa d caloe geotemca pe la poduzone d acqua calda santaa a 55 C con un accumulo d 300 l. La macchna funzona a R-34a e sulta pù semplce della pecedente n quanto non pesenta alcuna valvola d nvesone d cclo dovendo lavoae sempe con l condensantoe n qualtà d temnale pe l utente. Infne l campo geotemco ealzzato medante una semplce tubazone n poletlene a bassa denstà PE 40 pe taspoto d flud n pessone. Nel caso dell edfco consdeato s pevede una tubazone d lunghezza complessva pa a 35 m mente pe l mpanto d poduzone d acqua calda santaa sono suffcent 30 m d tubo; l campo d sonde è nstallato a 5 m d pofondtà con m d passo. 4

15 RISULAI L utlzzo d una modena caldaa a condensazone pemette d potzzae un endmento temco medo stagonale pa all untà pe funzonamento a bassa tempeatua mente pe la poduzone d acqua calda santaa è stato consdeato un endmento dell 80%. Pe quanto guada cost d eseczo l mpanto geotemco pota ad un consumo annuo d 60 kwh e mente quello tadzonale d 85 kwh e ed un utlzzo d 80 m 3 d gas metano. In temn d spesa economca la soluzone con pompa d caloe geotemca compota un onee taffao complessvamente pa a 440 Euo quella tadzonale pa a 960 Euo. In ambto d cost d nstallazone la soluzone geotemca potebbe tae un netto vantaggo qualoa fosse applcable la ecente Legge 3 del Dcembe 005 secondo la quale Pe nuov mpant enegetc almentat con font nnovabl (solae temco fotovoltaco caldae a bomasse ecc.) è pevsta un alquota I.V.A. al 0 % pe mateal pogettazone e nstallazone. I sultat dell anals compaatva sono potat n dettaglo nelle abelle 6 e 7: abella 6 - Cost d nstallazone dell mpanto tadzonale. Caldaa Camno Refgeatoe Bolltoe Quanttà Impoto I.V.A. [%] m 5000 /m otale [ ] otale abella 7 - Cost d nstallazone dell mpanto geotemco. Quanttà Impoto I.V.A. [%] otale [ ] Pdc clma Pdc a.c.s Sonde clma 35 m 93 /m Sonde a.c.s. 30 m 6 /m Pompa lato sonde clma

16 Pompa lato sonde a.c.s Sbancamento emoaccumulatoe otale 3636 Con una dffeenza sul costo d nstallazone d cca 445 Euo a vantaggo della soluzone tadzonale e con un spamo annuo su consum d cca 50 Euo a favoe della soluzone geotemca s ha un tempo d tono dell nvestmento pa a cca 85 ann. Occoe po consdeae le emsson d CO nel funzonamento d entambe le tpologe d mpanto tenendo conto della dvesa natua dell'enega consumata. Pe l mpanto geotemco s è stmata un emssone annua d 89 kg CO mente pe l mpanto tadzonale 3076 kg CO compotando qund una duzone d un fattoe 4 nelle emsson. CONCLUSIONI E stata analzzata la possbltà d utlzzo d pompe d caloe con sonde geotemche ozzontal. A tal fne è stato mplementato un modello matematco pe detemnae la esa temca specfca delle sonde ozzontal accoppate ad una pompa d caloe acqua-acqua. Not pofl d caco temco dell edfco è possble medante tale modello effettuae una stma della lunghezza della sonda necessaa pe l fabbsogno dell utenza e qund avee a dsposzone dat d pogetto pe la ealzzazone dell mpanto consdeato. D gande mpotanza è l anals delle modaltà e de poblem tecnc d esecuzone dell opea d sbancamento pe la collocazone delle sonde. Una pofondtà donea semba essee pa a cca 5 m. La pocedua d scavo può essee ottmzzata: coendo allo scavo d tncee anzché allo scavo dell ntea aea cost d sbancamento pe pofondtà mede fno a 5 m vengono notevolmente dott (n appoto cca uno a quatto). Questa soluzone pesenta comunque qualche ctctà come ad esempo la pova n pessone d tenuta della tubazone ed nolte la sua esecuzone è legata al passo adottato ta am della sepentna. Un ulteoe aspetto patcolamente nteessante della posa a 5 m d pofondtà guada la possbltà spetto ad una soluzone a 4 m d pofondtà d benefcae dell aggamento solae da metà peodo nvenale n po. Questo s vela patcolamente nteessante nell applcazone esdenzale che sulta spccatamente centata sul funzonamento n egme d scaldamento e d acqua calda santaa puttosto che d affescamento. L nfluenza delle 6

17 condzon clmatche estve consente nfatt una pazale geneazone gatuta del teeno e petanto pestazon temche pù unfom nel tempo. E stata nfne effettuata un ndagne pe valutae la convenenza enegetca economcotaffaa e ambentale della soluzone geotemca con ottm sultat a favoe della soluzone nnovable spetto a quella tadzonale (caldaa+efgeatoe). Pe gl elevat valo d COP consegut dalla macchna (cca 55 nella stagone estva e 47 n quella nvenale) la pompa d caloe sulta enegetcamente pù convenente spetto alla caldaa accoppata a efgeatoe con condensazone ad aa. Dal punto d vsta economco la soluzone geotemca pevede cost d nstallazone supeo spetto a quello tadzonale ma decsamente contenut qualoa venga adottata la modaltà d sbancamento poposta. Gaze al spamo medo d cca 500 Euo l anno l tempo d tono dell nvestmento (pay-back tme semplfcato) ammonta a 85 ann cca. BIBLIOGRAFIA [] M. alle Applcazon geotemche negl mpant d attvazone temca della massa Semna Velta 00 00/. [] S. P. Kavanaugh K. Raffety Gound souce heat pumps -Desgn of geothemal systems fo commecal and nsttutonal buldngs A.S.H.R.A.E. Applcatons Handbook 997. [3] M. De Cal R. Del Banco F. Felln M. Manente M. onon R. Zecchn Svlupp nelle pompe d caloe: l teeno come sogente temca Convegno ACARR Padova Gugno 003. [4]. Blombeg Heat A PC-pogam fo heat tansfe n two dmensons. Manual wth bef theoy and examples Lund Goup fo Computatonal Buldng Physcs Ottobe 999. [5] L. Mazzaella Dat clmatc oa pe 67 localtà talane Att della Gonata d studo Govann De Gogo Poltecnco d Mlano Mlano 8 Novembe 997 Ed. Esculapo Bologna Mazo 999. [6] F. Bsco M. De Cal Ottmzzae le pompe d caloe Anals teoca e spementale pe applcazon geotemche CDA n. 0 Novembe 005 pagg [7] R. Lazzan Gound as a possble heat pump souce Geothemsche Enege 3/33 Mazo/Gugno 00. atto da 7

18 [8] P. Bunello G. D Gennao M. De Cal R. Zecchn Mathematcal modellng of adant heatng and coolng wth massve themal slab Clma 000 Napol Settembe 00. 8