Progetto di un campo Sonde Geotermiche Nuova sede Lega Filo d Oro di Osimo (AN) Modello numerico FEM di trasporto del calore nel sottosuolo Dott. Geol. Andrea Zille Dott. Geol. Claudio Galli
Il Progetto La nuova sede di Osimo (AN) è destinata a diventare una struttura d avanguardia in Europa per l assistenza, la cura e la riabilitazione degli utenti sordociechi e pluriminorati psicosensoriali. Il nuovo Centro accorperà in un unico luogo la grande quantità di servizi, ambulatori, uffici e residenze attualmente distribuiti nel territorio di Osimo, tra Santo Stefano e San Biagio. L obiettivo è quello di migliorare l efficienza e la gestione delle strutture della Lega del Filo d Oro, attraverso la realizzazione di un nuovo complesso accogliente, funzionale e ben inserito nell ambiente.
Il Progetto Caratteristiche impianto Edificio Potenze edificio [kw] INVERNO ESTATE E1 121,2 74,8 E2 80,5 53,8 E3 22,7 17,6 E4 24,8 16,2 TOTALE 249 162 Edificio Potenze edificio [kw] INVERNO ESTATE E5 47,6 34,4 E6 54,3 34,1 E7-8 105,3 110,9 TOTALE 207 179
150.000 Fabbisogni d energia termica e frigorifera Fabbisogno d'energia [kwh] 100.000 50.000 0 Riscaldamento: 197 MWh ACS: 68 MWh -50.000 Raffrescamento: -257 MWh -100.000 Mese
Il Progetto Schema CTF Hybrid Lotto I
Il Progetto Inquadramento geologico
Il Progetto Inquadramento geologico La conducibilità media (λ) delle litologie varia da 1.5 a 1.8 W/mK, mentre il flusso di calore oscilla tra 26mW/m2 e 40mW/m2
Il Progetto Ground Response Test Temperatura del terreno indisturbato T [C ] 14.7 Conducibilità termica effettiva del terreno nell intorno della sonda geotermica λ [W/ (mk)] 1.77 Resistenza termica del pozzo R b [K/ (W/m)] 0.102
Il Progetto Calcolo Campo Sonde Campo geotermico calcolato ai sensi della UNI-11466 Metodo ASHRAE: L h L c = = ( ) ( ) q R + q W R + PLF R + R F a ga lh h b m gm gd sc t g t wi + t 2 wo h t ( ) ( ) q R + q W R + PLF R + R F a ga lc c b m gm gd sc t g t wi + t 2 wo c t p p
Il Progetto Calcolo Campo Sonde Campo geotermico calcolato ai sensi della UNI-11466 Metodo ASHRAE: Con SGV a 120m N. sonde = 54 Campo Geotermico Lc [m] 6449 Lh [m] 2630 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Lunghezza Campo Geotermico [m] Lh [m] Lc [m]
Simulazione - Modello trasporto del calore Nel sottosuolo i principali meccanismi di trasporto di calore sono racchiusi nell equazione sotto riportata: CONDUZIONE indotta dal gradiente di temperatura; ADVEZIONE dovuta al flusso di falda; DISPERSIONE dovuta a variazioni di velocità alla micro e macro scala. 1 λ λ λ ADVEZIONE CONDUZIONE DISPERSIONE SORGENTE
Schematizzazione sistema reale FEFLOW Estensione del modello: 950m X 850m n. 54 SGV a 120m di profondità 6480 ml Mesh 2D CAMPO SONDE
Schematizzazione sistema reale Litologia argillosa-marnosa nel suo insieme si estende sino ad almeno 1350m di profondità, ma in corrispondenza di una perforazione eseguita in località Osimo Stazione, è stato osservato un cambio litologico da circa 250-300m di profondità, a partire dalla quale sono presenti più livelli arenacei. Il Flusso sotterraneo è gestito in regime permanente (stazionario) mentre il Trasporto del calore è gestito in regime transitorio. = 3.24E-05 e 1.05E-06 < 0.4 CONDUZIONE DOMINANTE!! Il trasporto di calore richiede come condizione al contorno, da applicare al piano campagna, la temperatura media annua (12,7 C). Tale valore è stato determinatato durante il GRT, misurando la temperatura raggiunta dal flusso termovettore nella circolazione iniziale nello scambiatore a terreno in assenza di sollecitazione termica del terreno. In base ai dati raccolti è stata stimata temperatura a 100m di profondità di 14.7 C. Applicando un gradiente geotermico di 0.02 C per ogni metro di profondità al piano campagna si giunge a 12,7 C e a 250m di profondità a 17,7 C
Carichi energetici sottosuolo Edificio 2 Edificio 3 LUNGHEZZA SONDE GEOTERMICHE [m] EDIFICIO 1 23 120 EDIFICIO 2 17 120 EDIFICIO 3 6 120 EDIFICIO 4 8 120 POTENZA [kw] Riscaldamento 110,1 Raffrescamento 85,2 Riscaldamento 88,8 Raffrescamento 68,8 Riscaldamento 42,0 Raffrescamento 32,8 Riscaldamento 57,4 Raffrescamento 44,4
Caratteristiche sonde geotermiche CARATTERISTICHE SONDA GEOTERMICA Doppia U diametro: 0.131m CARATTERISTICHE TUBAZIONE SCAMBIATORE diametro: 0.032m distanza tra i centri: 0.07m conduttività: 0,42 W/m/K CARATTERISTICHE FLUIDO TERMOVETTORE Portata di progetto per singola sonda geotermica: Ed.1 = 26,6 m 3 /d; Ed.2 = 28,52 m 3 /d; Ed.3 = 44 m 3 /d; Ed.4 = 37,8m 3 /d. capacità termica volumetrica: 4,085 MJ/m 3 /K conduttività: 0,4992 W/m/K viscosità dinamica: 0,0018 kg/m/s densità: 1020 kg/m 3 CARATTERISTICHE DEL RIEMPIMENTO (ANULUS CEMENTAZIONE capacità termica volumetrica: 2,3 MJ/m 3 /K conduttività: 2,0 W/m/K
Risultati della Simulazione Andamento nel tempo della temperatura media del refrigerante in uscita per tutte le sonde 13.5 13.0 edificio 1 edificio 2 edificio 3 edificio 4 Andamento nel tempo della temperatura media del refrigerante in uscita considerando una sonda per ogni singolo edificio T [ C] 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 2 347 730 1125 1442 1794 2172 2555 2950 3316 3687 4074 4440 4811 5200 [d]
Risultati della Simulazione 15.0 14.0 slice 3 slice 5 slice 8 slice 9 13.0 T [ C] 12.0 EDIFICIO 1 11.0 10.0 EDIFICIO 2 9.0 SEZIONE 1_ inverno distanza [m] 15.0 14.0 13.0 n. slice Prof. da p.c. (m) Slice 3-15 Slice 5-40 Slice 9-80 Slice 11-100 T [ C] 12.0 11.0 10.0 9.0 EDIFICIO 3 EDIFICIO 4 slice 3 slice 5 slice 8 slice 9 SEZIONE 2_ inverno distanza [m]
Risultati della Simulazione INVERNO 1 ANNO ESTATE 1 ANNO INVERNO 15 ANNO ESTATE 15 ANNO
Risultati della Simulazione 50 m da p.c. 50 m da p.c. 50 m da p.c. 115 m da p.c. 115 m da p.c. 115 m da p.c. 180 m da p.c. 180 m da p.c. 180 m da p.c. ISOTERME INDISTURBATE SEZIONE EDIFICIO 1 INVERNO 15 ANNO SEZIONE EDIFICI 3-4 INVERNO 15 ANNO
Conclusioni Dal confronto tra i singoli edifici appare che nel corso di 15 anni di funzionamento alterno riscaldamento-raffrescamento, il sistema non subisce variazioni sensibili della temperatura, infatti subito dopo il primo anno di funzionamento avviene una decrescita che poi si assesta pressoché costante negli anni a seguire; Nel periodo invernale (riscaldamento), l abbassamento medio della temperatura del terreno ad una profondità di 100m da p.c. è di circa 0,3 C, mentre nel periodo estivo (raffrescamento) l anomalia termica positiva è di circa 0,5 C; Tra il periodo invernale ed il periodo estivo la massima differenza di temperatura del terreno raggiunta è pari a un ΔT 2,20 C in corrispondenza dell Edificio 1; Anche osservando il plume termico e le isoterme a 100m di profondità estratte in inverno ed estate in quattro distinti periodi temporali (1 anno, 5 anno, 10 anno e 15 anno), si osserva un equilibrio complessivo tra l anomalia indotta nel periodo estivo l anomalia termica indotta nella fase invernale; Attraverso l analisi delle slice alle varie profondità risulta evidente l interferenza tra i diversi edifici a partire dal 2-3 anno di funzionamento degli impianti; Per quanto riguarda la perturbazione termica in profondità, a partire dai 180m da p.c. il sistema non risente più dell effetto del campo sonde.
Commenti conclusivi.. Non si può scambiare calore con il serbatoio geotermico ad un tasso più elevato di quello con il quale il calore si rigenera; Per un dimensionamento efficiente, sostenibile e duraturo non bastano i parametri di letteratura, ma è necessario conoscere le condizioni del sito, progettare con rigore e ottimizzare il funzionamento dell impianto durante i primi 1-2 anni; Abbiamo bisogno di ripensare alla progettare i sistemi Geotermici a pompa di calore (GSHP) utilizzando un approccio nuovo! Questi sistemi non sono equivalenti alle caldaie e ai refrigeratori!!!; La differenza è il sottosuolo/terreno e cioè il nostro VOLANO TERMICO che possiamo «caricare» e «scaricare» come se fosse una BATTERIA; Questo crea delle opportunità non possibili con sistemi che lavorano in tempo reale come caldaie e ai refrigeratori e consente di ridurre extra costo legato alla realizzazione degli scambiatori a terreno/sonde geotermiche.