2. ENERGIA GEOTERMICA
2.7 Influenza dell’ambiente interno sulla performance dei tunnel energetici
2.7.1 Risultati di Analisi Numeriche sulla performance dei tunnel energetici e conclusioni
Le analisi numeriche condotte da Ma et al. (2021) per valutare la performance termica dei conci energetici nei tunnel energetici sono state effettuate su di un modello la cui geometria e condizioni geologiche erano le stesse della sezione della Linea 1 della metropolitana di Torino. Grazie ai risultati estrapolati, si è potuto capire meglio il meccanismo di trasmissione di calore di una galleria energetica
41 al variare delle condizioni ambientali al suo interno. Si è inoltre considerato il terreno circostante come del tutto sommerso da falda e, di conseguenza, saturo.
Per simulare le condizioni di maggiore consumo di energia e flusso termico si sono presi i valori di temperatura misurata in inverno (dicembre-febbraio) ed estate (giugno-agosto), come mostrato in Figura 40. E due approcci numerici sono stati introdotti e validati per calcolare l’efficienza di scambio termico del modello: il primo (più veloce), denominato approccio ‘locale’, ha tenuto in considerazione uno scambio di calore nelle sole zone concentrate attorno ai tubi scambiatori (modellati mediante buchi inseriti nella mesh del rivestimento), il secondo (più lento), denominato ‘globale’, ha considerato il gradiente di temperatura e le proprietà termiche di ogni zona del dominio. È stato, quindi, il secondo approccio globale l’unico in grado di considerare il calore scambiato per ogni singola componente e di distinguere separatamente i contributi di scambio termico associati alla conduzione e convezione.
I due aspetti fondamentali, come mostrato dall’equazione scritta precedentemente dello scambio termico per convezione, che più influenzano il flusso termico all’interfaccia tra il rivestimento prefabbricato e l’ambiente interno sono ovviamente il valore 𝑇𝑎 dell’aria interna e il coefficiente di trasferimento del calore; un ruolo non marginale però è anche assunto dal rivestimento stesso, o meglio dal materiale calcestruzzo e le sue proprietà termiche.
Figura 40.Oscillazione stagionale della temperatura nel tunnel (Ma et al.,2021)
Essendo il terreno circostante alla geo-struttura energetica saturo, non si è tenuto in conto di un flusso idraulico negli strati porosi; per il coefficiente ℎ𝑡 si è assunto un range tra 0-25 W/m2K, mentre la 𝑇𝑎 si è fatta variare a partire dal suo valore iniziale meno tre gradi (𝑇0− 3°𝐶) incrementandola di 1°C fino
42 ad avere (𝑇0+ 3°𝐶). Il range che la è andata a coprire durante il periodo di studio, per entrambe le modalità, è mostrato in Figura 41.
Figura 41. Range di variazione dell’aria interna al tunnel durante le simulazioni numeriche (Ma et al.,2021)
Si è potuto valutare che le condizioni ambientali interne del tunnel giocano un ruolo cruciale nelle prestazioni termiche della galleria energetica e la variazione media della potenza termica è sicuramente dipendente dalla differenza di temperatura tra l’aria del tunnel 𝑇𝑎 e quella del fluido termovettore circolante nei tubi 𝑇𝑓 (Figura 42).
D’estate la potenza termica assume valori più grandi se si parte da una temperatura dell’aria interna più bassa, perché cresce la differenza tra quest’ultima e quella del fluido circolante nelle serpentine; nella stagione invernale, in modo specchiato, la potenza termica media verrà incrementata per valori iniziali dell’aria interna del tunnel energetico più alti (così da aumentare la differenza di temperatura 𝑇𝑓− 𝑇𝑎). Sicuramente, in entrambi i casi (‘cooling/heating mode’) si deduce che al crescere del coefficiente di scambio termico ℎ𝑡, cresce il valore della potenza termica media.
In Figura 43, invece, si sono indagati gli andamenti dell’efficienza termica con la differenza di temperatura tra l’aria interna e il fluido termovettore: si è potuta affermare l’esistenza di una relazione non lineare tra il coefficiente di scambio termico ℎ𝑡 e la potenza termica e una che diviene lineare tra l’efficienza termica e la differenza di temperatura tra l’aria del tunnel e il fluido circolante.
Per una prima stima dell’efficienza termica di una galleria energetica sono stati elaborati dei grafici di pre-dimensionamento; questi diagrammi sono validi per quei tunnel che presentano differenze di temperatura e condizioni ambientali simili al caso trattato nel modello delle simulazioni numeriche.
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Figura 42.Variazione del coefficiente di scambio termico sulla potenza termica media: a) stagione invernale (heating), b) stagione estiva (cooling) (Ma et al.,2021)
Figura 43.Potenza termica media al variare della temperatura interna del tunnel: a) stagione invernale (heating), b) stagione estiva (cooling) (Ma et al.,2021)
Come si vede in Figura 44, i grafici restituiscono zone di colore diverso che rappresentano i range di potenza termica media in W/m2 al variare delle condizioni ambientali, ovvero temperatura interna dell’aria e coefficiente di scambio termico. Non si tiene in considerazione la velocità dell’acqua di falda presente nel terreno attorno al rivestimento.
Le condizioni interne dell’ambiente della galleria non solo influenzano lo scambio di calore tra l’aria interna e il sistema geotermico in opera, ma influenzano anche la quantità di energia che viene scambiata con il terreno; non hanno alcun impatto, invece, sul volume di terreno coinvolto nello scambio di
44 calore. L’area di terreno con la massima velocità di flusso termico (quindi la più performante) si trova di solito tra i 3,5 e i 4 m dalla superficie interna del rivestimento.
Figura 44.Grafici di pre-dimensionamento: a) stagione invernale (heating), b) stagione estiva (cooling) (Ma et al.,2021)
Nella stagione invernale, lo scambio di calore avviene principalmente con la zona interna della galleria (quindi per convezione tra l’interfaccia del rivestimento e l’aria interna). In quella estiva, la maggior parte dello scambio avviene invece nel terreno.
Si ricorda che le simulazioni numeriche erano state svolte con due tipologie di approcci, di cui una globale per poter distinguere i contributi allo scambio di calore dovuti ad ogni singolo componente del sistema geotermico. I risultati vengono mostrati nei grafici mostrati nelle Figure 45 e 46.
Figura 45.Contributo di ogni componente del sistema geotermico allo scambio di calore al variare del coefficiente di scambio termico: a) stagione invernale (heating), b) stagione estiva (cooling) (Ma et al.,2021)
45 Nella Figura 45 (a) è evidente come il calore scambiato tra l’aria dell’ambiente interno e la parete interna del rivestimento (‘tunnel environment’) dia il maggior contributo di scambio termico nel sistema geotermico durante la stagione invernale. I valori negativi di potenza termica nelle altri parti del rivestimento (‘tunnel lining’) sono dovuti al fatto che, essendo i coefficienti di scambio termico positivi, il calore viene estratto dall’ambiente interno del tunnel (‘heating’), facendo crescere il valore di temperatura del rivestimento stesso.
Figura 46.Contributo di ogni componente del sistema geotermico allo scambio di calore per fissati valori di conduttività termica del rivestimento contro: a) coefficiente di scambio termico, b) temperatura interna dell’aria (Ma et al.,2021)
Poiché il rivestimento è ciò che fa da tramite tra l’ambiente interno della galleria e i tubi scambiatori, il flusso di calore al confine aria interna-rivestimento sarà altamente influenzato anche dalle proprietà termiche del calcestruzzo di cui è fatto.
Per capire meglio il ruolo che gioca (o meglio che le sue proprietà termiche giocano) nella performance energetica del tunnel, ne sono stati studiati gli effetti mediante analisi parametriche. In Figura 46 viene mostrato come varia l’efficienza energetica del tunnel per ogni componente del sistema geotermico per tre distinti valori della conduttività termica del rivestimento, rispettivamente λl= 1.3, 1.8, 2.3 W/mK, sia in funzione del coefficiente di scambio termico (caso a), sia in funzione della temperatura dell’aria interna del tunnel (caso b).
Dato che l’influenza delle condizioni ambientali interne sull’efficienza energetica è più pronunciata durante la stagione invernale, entrambi i grafici in Figura 46 si riferiscono alla modalità di riscaldamento (e si mostrano in accordo con i risultati della Figura 45 a)): come già dedotto dai risultati in Figura 42 e 43, i grafici ribadiscono la relazione non lineare dell’efficienza energetica della galleria con l’aumento del coefficiente di trasferimento del calore e la relazione lineare, invece, della medesima efficienza energetica con l’aumento della differenza tra la temperatura dell’aria interna e del fluido termovettore.
46 Per quanto riguarda la conduttività termica del rivestimento, dai grafici si nota come il suo cambiamento porti un incremento o una diminuzione della velocità di scambio termico in ogni singola componente del sistema geotermico: al crescere dei valori di conduttività termica (λl) del rivestimento del tunnel, l’effetto delle condizioni dell’ambiente interno sulla performance energetica della geo-struttura viene notevolmente facilitato. In conclusione, durante i mesi più freddi, si può raggiungere un massimo miglioramento della performance del 40% e 21%: valori ricavati per il massimo coefficiente di scambio termico ℎ𝑡 e la massima temperatura interna dell’aria rispettivamente. Di conseguenza, come si era già accennato, per garantire una migliore stima degli effetti delle condizioni ambientali del tunnel sulla sua performance energetica non si possono tralasciare le proprietà termiche del materiale di cui sono fatti i conci.
Ciononostante alcuni dei risultati ricavati e di cui si è parlato per stimare il potenziale di scambio termico non possono essere ritenuti di validità generale, poiché vincolati alle caratteristiche della zona dove è installato il tunnel energetico, come anche alle condizioni di lavoro. Quindi, all’inizio della progettazione si dovrebbero eseguire studi più dettagliati riguardo tutti questi specifici aspetti.