Analisi delle metodologie di simulazione della progettazione di un impianto di media-grande taglia.

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1 LEZIONE 4 Analisi delle metodologie di simulazione della progettazione di un impianto di media-grande taglia. Il Ground Response Test. Metodo ASHRAE - CTI Utilizzo del software di progettazione EED Analisi di un caso reale impianto industriale a cura di Simone Laprovitera slaprovitera@trevispa.com tel.:

2 Norma tecnica di riferimento: UNI 11466:2012 Sistemi geotermici a pompa di calore Requisisti per il dimensionamento e la progettazione La norma definisce i criteri di progettazione e le procedure di calcolo per la determinazione delle prestazioni di progetto degli impianti a pompa di calore geotermica. La norma inoltre permette di determinare le temperature medie mensili del fluido termovettore lato terreno che servono per determinare le prestazioni energetiche delle pompe di calore ai fini della certificazione energetica degli edifici. La norma si applica agli impianti geotermici a pompa di calore con fluido secondario utilizzati per la climatizzazione invernale ed estiva e per la produzione di acqua calda sanitaria mediante scambio di calore con il terreno.

3 Metodo di calcolo Estratto norma UNI 11467:2012

4 IL GROUND RESPONSE TEST La progettazione di un campo sonde geotermiche si fonda su dati di tipo idrogeologico e su stime di proprietà termiche dei terreni. Mentre per campi di piccola potenza, tali stime possono risultare sempre sufficienti, con un leggero sovradimensionamento delle sonde, per campi di grande dimensione, dove interviene anche l interferenza termica tra le sonde, la progettazione è più delicata ed è consigliabile fare misure in situ: il Ground Response Test.

5 SCHEMA DI IMPIANTO GEOTESTER Il geotester, la macchina adibita allo scopo, deve essere in grado di fornire una potenza termica costante all interno della sonda geotermica, e deve essere in grado di rilevare le variazioni di temperatura del fluido circolante all interno delle sonde che tale iniezione di potenza comporta. Deve disporre quindi di un sistema di immagazzinamento dati per la registrazione della variazione di tutti i parametri durante la prova.

6 I RISULTATI DEL TEST L iniezione di calore all interno delle sonde a potenza costante comporta un continuo incremento delle temperature del fluido di ingresso ed uscita, fino al punto che il terreno non è in Grado di dissipare tutta l energia fornita. A questo punto, l incremento di temperatura risulta molto più limitato e ci si assesta sullo stato quasi stazionario. Dall analisi dei dati è possibile ricavare le proprietà termiche del terreno e del foro, mediate sulla lunghezza della sonda. È bene ricordare che i risultati del test si riferiscono alle proprietà termiche dello scambiatore che è costituito da fluido termovettore, sonda geotermica, riempimento e terreno

7 TEMPERATURA DEL TERRENO INDISTURBATO La rilevazione della temperatura del terreno indisturbato è importante per comprendere quanta energia e in che forma si può effettivamente estrarre dal terreno, se prevale la modalità riscaldamento piuttosto che il raffrescamento, se è possibile il direct cooling, etc La temperatura non è costante lungo la verticale, ma è influenzata da vari fattori; per tale motivo le rilevazioni più accurate prevedono un profilo di temperature. Esistono diversi metodi per determinare la temperatura del suolo, alcuni consolidati, altri in fase di sperimentazione. Si suddividono in due categorie: 1) I metodi che utilizzano direttamente i sensori di monitoraggio del geotester 2) I metodi che prevedono l utilizzo di sensori aggiuntivi calati in foro, quali termoresistenze, termocoppie, fibre ottiche, sistemi wireless

8 CONDUCIBILITA TERMICA DEL TERRENO La conducibilità termica effettiva è il risultato principale dell esecuzione di un Ground Response Test. Dal rilevamento della quota di dissipazione del calore nel sottosuolo, si rileva, tramite analisi inverse, la MEDIA lungo la verticale della conducibilità termica dei terreni interessati dalla SGV. Tale valore servirà per ricavare la resa termica, in W/m, e conseguentemente il numero di sonde necessarie e la loro spaziatura.

9 RESISTENZA TERMICA DEL FORO La resistenza termica del foro è il secondo risultato fondamentale ai fini della realizzazione di un campo sonde che mantenga la propria efficienza nel tempo. Il materiale dentro il foro (sonda e cementazione) è il principale responsabile della schermatura termica tra il fluido e il terreno, che si visualizza nel GRT con un notevole aumento di temperatura iniziale. Il calcolo del parametro, tramite i risultati del GRT, serve per verificare la corretta realizzazione del foro.

10 BASE MATEMATICA DEL GRT Il modello di calcolo più comunemente utilizzato è il metodo di sorgente lineare infinita, che suppone un comportamento puramente conduttivo del sistema. Esistono anche modelli numerici più complessi ad elementi finiti. Diversi test effettuati hanno dimostrato che questi modelli decadono, o hanno scarsa precisione, in presenza di notevole flusso di acqua di falda, e cioè di componenti avvettive e convettive, che incrementano lo scambio termico.

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13 Modellazione del geoscambiatore EQUAZIONE DI RIFERIMENTO q = L (Tg Tw)/R Modello conduttivo stazionario, valido se verificate le seguenti ipotesi: a. Trasmissione del calore per sola conduzione b. Contatto termico completo e perfetta adesione tra sonda e terreno c. Effetto del moto della falda trascurabile d. Interferenza tra sonde trascurabile

14 Modellazione del geoscambiatore SORGENTE CILINDRICA r T r T r r T = + a EQUAZIONE ALLA BASE DEL MODELLO CONDIZIO AL CONTORNO Per t = 0: T = Tg e Φ = 0; Per t > 0: r = r b e Φ = cost; ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = m m m m m m m p l m d Y J J p Y Y p J e l q T T o o F g o SOLUZIONE

15 Il metodo ASHRAE Il metodo ASHRAE viene contemplato nella norma tecnica redatta dal GL-608 del CTI (Comitato Termotecnico Italiano) in merito alla progettazione dei sistemi di geoscambio. Attualmente la suddetta norma è in mano all UNI ed è in inchiesta pubblica.

16 Il metodo ASHRAE CTI Kavanaugh e Rafferty, 1997 L = Rb + R T T - g Wi ( F,1) o + T 2 R (F o,1) = resistenza termica del terreno in corrispondenza della superficie esterna della sonda. Dipende dalle caratteristiche geometriche della sonda, dalla diffusività e conduttività del terreno ed infine dal tempo attraverso il numero di Fourier Wo q

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