LEZIONI DI Lezioni Efficienza Energetica e Risorse Energetiche Alternative. GEOTERMIA, gli scambi termici con i terreni

LEZIONI DI

“Lezioni Efficienza Energetica Risorse Energetiche Alternative” e

GEOTERMIA, gli scambi termici con i terreni

Ing. Fabio Agosta – Ragusa 2015

SCAMBI TERMICI

CON I TERRENI

Perché la Geotermia?

Pompe di Calore

POMPA DI CALORE SISTEMA A TEMPERATURA T1

SORGENTE A TEMPERATURA T0

LAVORO Ln Meccanico

o Elettrico

T1 >T0

Calore Q

Calore

Q

Pompe di Calore

Periodo Invernale

sottraggono calore dall’ambiente esterno e lo cedono all’edificio

POMPA DI CALORE

EDIFICIO AMBIENTE ESTERNO

(?) Calore

Q

Calore Q

LAVORO L ⁿ

Periodo Estivo

Sottraggono calore all’edificio e lo cedono all’ambiente esterno

MACCHINA FRIGORIFERA

EDIFICIO AMBIENTE ESTERNO

(?) Calore

Q

Calore Q

LAVORO L ⁿ

Coefficiente di Prestazione COP

COP

C OP

Differenza tra T

e T

[°C o K]

0 5 10 15

20 30 40 50 60

L’efficienza della Pompa di Calore dipende dalle Temperature di Esercizio

Ridurre T1- T0 :

Pannelli Radianti (T1=35° C) piuttosto che Sistemi Tradizionali(T1=60°C);

Pompe di Calore Tecnologicamente più Efficienti

Ridurre T1- T0:

intervenire sulla Sorgente Esterna

Aria:

Tradizionalmente la più comune sorgente Esterna per le pompe di calore

• Grande Disponibilità;

• Grande Diffusione dei sistemi “split” a piccola taglia;

Termodinamicamente poco efficiente:

il carico termico da soddisfare cresce al diminuire della temperatura esterna nel periodo invernale:

• Diminuzione del COP;

• Diminuzione della potenza termica erogabile dalla macchina;

Sorgente Termica Esterna

Sorgente Termica Esterna

Acque Superficiali: (Laghi - Bacini Artificiali)

Grazie all’elevata inerzia termica risentono poco delle fluttuazioni giornaliere e stagionali di temperatura;

Acqua di Falda:

Ha una temperatura pressoché costante in tutti periodi dell’anno (T=10-15°C);

Acqua:

Terreno:

Grazie all’ elevata inerzia termica risente poco delle fluttuazioni giornaliere e stagionali di temperatura;

Al di sotto di una “certa” profondità la

temperatura si può assumere pressoché costante (T=10-15°C);

Accoppiamento Pompa di Calore con il Terreno come Sorgente Termica Esterna :

GSHP

(Ground-Source Heat Pump)

Sorgente Termica Esterna

Un Modello Termico Semplificato per i Terreni

Esempio: “Vienna”

Temperature Esterne Medie Giornaliere – Vienna, 2001

Curva Sinusoidale Idealizzata

Temperatura Superficiale:

Ampiezza :

Temperatura Media Annuale:

Periodo:

Pulsazione:

Z

terreno

Calore Specifico: C

=cost.

Conservazione Entalpia

(Conduzione Termica alla Fourier) Caso 1-D

Conducibilità Termica: =cost.

0

Densità: =cost.

Diffusività Termica:

Soluzione Analitica:

Fattore di Smorzamento Costante di Smorzamento

Equazione di Governo:

Un Modello Termico Semplificato per i Terreni

Soluzione Analitica

TERRENI:

Sabbia Limosa – Limi Argillosi

=1960 kg/m^3;

Cp=1515 J/kg K;

=2,5 W/m K;

Diffusività Termica

=0,072 m^2/giorno

Un Modello Termico Semplificato per i Terreni

Esempio: “Vienna”

TERRENI:

Sabbia Limosa – Limi Argillosi

=1960 kg/m^3;

Cp=1515 J/kg K;

=2,5 W/m K;

Diffusività Termica

=0,072 m^2/giorno

Un Modello Termico Semplificato per i Terreni

Esempio: “Vienna”

Determinazione della conducibilità termica del terreno

Dalla curva relativa a Z=0,2m si ricavano i parametri per modellare la temperatura superficiale

Noti parametri geotecnici significativi:

Indice dei vuoti e=0,36;

Grado di saturazione Sr=0,5;

Densità Specifica del Solido Gs=2,75;

Si ricava il Calore Specifico medio del terreno

Dalle misure di temperatura registrate nel tempo si è ricavata la Conducibilità Termica media del Terreno

Schema Generale di GSHP

Terreno

Edificio

Scambiatori Geo-Termici

Per ragioni di natura economica si dovrebbe raggiungere un COP>=4

CIRCUITO

SECONDARIO

CIRCUITO PRIMARIO

Scambi di Calore Edificio-Terreno

Scambi di Calore Sonde-Terreno

Profili Temperatura

Terreno

Flusso di Calore Geotermico

Flusso di Acqua Falda Idrica

SCAMBIO GEO-TERMICO: PROBLEMA ACCOPPIATO

Scambi Termici con L’atmosfera

Flusso Convettivo di Calore

Simulazione Numeriche per un GHSP

Profili di temperatura del terreno

Problema della “Deriva” Termica nei Terreni

L’utilizzo esclusivamente Estivo od Invernaledel terreno come sorgente esterna può determinare variazioni su scala pluriennale della temperatura del sottosuolo.

Decadimento nel corso degli anni delle prestazioni dell’impianto - Necessità di Sovradimensionare Inizialmente L’impianto Geotermico;

Ridotto periodo di utilizzazione dell’impianto con conseguenti tempi di recupero dell’investimento più lunghi.

Inconvenienti che possono essere un limite significativo perché il costo d’investimento

iniziale è piuttosto elevato In questi casi terreni con alte permeabilità e alti gradienti idraulici sono

più favorevoli

GIORNI PROGRESSIVI - Tre Anni

C OP

Simulazione Numeriche per un GHSP

Per ragioni di natura economica si dovrebbe raggiungere un COP>=4

Simulazione Numeriche per un GHSP

Per avere COP>=4 la temperatura nel circuito

primario non dovrebbe essere inferiore ai 0-5 °C

Simulazione Numeriche per un GHSP in un Edifico per Uffici in fase di realizzazione a Padova

Per avere COP>=4 la temperatura nel circuito

secondario non dovrebbe superare i 30-35°C

Differenti Tipologie di GSHP

Sonde Geotermiche Verticali- SGV

Sonde ad “U” sino a z=100 m

Sezioni Orizzontali delle SVG

Fluido Termovettore:

Acqua –Climi Caldi

Acqua+Glicole Etilenico (20%)-Climi Freddi

Differenti Tipologie di GSHP

Sonde Geotermiche Verticali- SGV

Sonde ad “U” sino a z=100 m

Sezioni Orizzontali delle SVG

Differenti Tipologie di GSHP

Sonde Geotermiche Verticali- SGV Sonde ad “U” sino a z=100 m

Fluido Termovettore:

Acqua –Climi Caldi

Acqua+Glicole Etilenico (20%)-

Climi Freddi

Differenti Tipologie di GSHP

Scambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi

Differenti Tipologie di GSHP

Scambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi

Differenti Tipologie di GSHP

Scambiatori a sviluppo ORIZZONTALE-Sistemi Chiusi

Differenti Tipologie di GSHP

Sistemi “Aperti” di estrazione di acqua

dalla falda freatica

Sistemi Ibridi

Standing Column Well - SCW

Differenti Tipologie di GSHP

Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures

Pali “Energetici”

Fondazione “Termo-Attiva”

Differenti Tipologie di GSHP

Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures

Diaframmi “Termo-Attivi”

Differenti Tipologie di GSHP

Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures

Metropolitana con Rivestimento

“Termo-Attivo” Sezione Orizzontale Rivestimento

Galleria

Differenti Tipologie di GSHP

Fondazioni “energetiche” & Thermo-Active Ground Structures

EDIFICI CON IMPIANTI RADIANTI a MASSE TERMICAMENTE ATTIVE in zone in cui è

richiesto

RISCALDAMENTO/RAFFRESCAMENTO

(nuovo impulso alle GSHP)

EDIFICI A MASSE TERMICAMENTE ATTIVE

Richiesta di un Fluido Termovettore con temperature inferiori ai 30°C in inverno e superiori a 15°C in estate permette di definire l’attivazione termica delle masse come un sistema LTS (Low Temperature System);

Potenze di picco ridotte rispetto alle applicazioni tradizionali grazie all’elevata inerzia degli impianti;

Impianti più piccoli e meno costosi ed una minore potenza elettrica impegnata

IMPIANTI PER RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO

Il Funzionamento sia estivo che invernale limita o addirittura elimina le variazioni termiche del terreno nel corso degli anni e diminuisce i tempi di recupero dell’investimento iniziale.

Bilancio termico durante l’anno per limitare la

“deriva” delle temperature

Il terreno è raffreddato durante l’inverno

(sorgente)

Il terreno è riscaldato durante l’estate (Pozzo)

In questi casi terreni con basse permeabilità e bassi

gradienti idraulici sono più favorevoli

IL TERRENO E’ UN MEZZO MULTIFASE

SOLIDO

(grani costituiti da diversi minerali)

LIQUIDO

(acqua liquida)

GAS

(aria secca + vapore d’acqua)

DIMENSIONI DEL GRANO

La dimensione del grano ha un’importanza rilevante sul comportamento idraulico, meccanico e termico del terreno

Il termine argilla è ambiguo, poiché usato per indicare una dimensione ed un tipo di minerale

Ghiaia Sabbia Limo Argilla

0.002 mm 0.075 mm

2 mm

Prevalentemente minerali argillosi Prevalentemente particelle appiattite Prevalentemente minerali non argillosi

Prevalentemente particelle arrotondate

CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA DIMENSIONE

ESEMPI DI CURVE GRANULOMETRICHE

MATERIA ORGANICA Particelle costituite da

frammenti di origine vegetale o animale (possono aver

conservato o perduto traccia della struttura originaria)

MATERIA INORGANICA

Particelle costituite da minerali non argillosi o argillosi.

Composizione mineralogica determinata mediante

diffrazione ai raggi X

NATURA DELLA FASE SOLIDA

CONDUCIBILITA’ TERMICA DELLE PARTICELLE SOLIDE

Dalla composizione mineralogica del terreno è possibile stimare la

conducibilità termica della fase solida utilizzando una media geometrica generalizzata

Dove

Km,j è la conducibilità termica del minerale

Xj è la frazione volumetrica di ciascun minerale

Vw = Volume dell’acqua interstiziale Va = Volume dell’aria interstiziale Vv = Volume totale dei pori

V = Volume totale

V Vw

Vs Va Vv

Mw Ms

M

Ms = massa dei solidi Mw = massa dell’acqua M = massa totale

s = densità dei grani

w = densità dell’acqua

VARIABILI DI FASI (1)

VARIABILI DI FASI (2)

Vs

v  V

Volume specifico

V V

v V







s v

V e  V

Indice dei vuoti

s s s

s s s

v

M V V

V V

V V V

eV



V n V^v

Porosità



V

 M

Densità

V M_s

d 

Densità secca

VARIABILI DI FASI (3)

s w

M w  M

v w

V S  V

Contenuto d’acqua

 



s t s

s t

s w

M M M

M M

M wM

Grado di saturazione

s s t

w s t

s t

w w v

w

M V

M M

V V M V

S^V^







TERRENO SATURO S= 1

TERRENO SATURO S= 1

TERRENO NON SATURO S < 1

p.c. p.c.

CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO SATURO (S=1)

Nota la conducibilità della fase solida (ks)e nota la porosità del terreno (n) è possibile fare una stima della conducibilità termica del terreno saturo (ksat) utilizzando la seguente media

geometrica:

[W/m °C]

Dove

Ks conducibilità termica della fase solida;

1-n rappresenta la frazione di volume dei solidi sul volume totale;

n rappresenta la frazione di vuoti sul volume totale;

k^w è la conducibilità termica del fluido interstiziale (acqua)

CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO SECCO (S=0)

E’ più complessa da determinare rispetto alla conducibilità termica satura. E’ meno dipendente dalla conducibilità del solido, ed è fortemente dipendente dalla POROSITA’ (n) e dal tipo di terreno (CURVA GRANULOMETRICA).

[W/m °C]

CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO NON SATURO (S<1)

Conducibilità termica in funzione del contenuto volumetrico d’acqua e del

tipo di terreno

CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO NON SATURO (S<1)

Conducibilità Termica Normalizzata

Dove

k^sat conducibilità termica del terreno saturo;

k^dry è la conducibilità termica del terreno secco

Espressioni Empiriche

CURVA DI RITENZIONE DI UN TERRENO

S funzione della pressione negativa dell’acqua (suzione) s

S

ln (s) 1

Sr

sb sr

sb = suzione di ingresso dell’aria

sr = suzione di saturazione residua

Sr = grado di saturazione residua

16/05/12

IL VALORE DI INGRESSO DELL’ARIA

In prima approssimazione, il terreno può essere assunto saturo per suzioni minori della suzione di ingresso dell’aria, sb

Per un ordine di grandezza della suzione di ingresso dell’aria, sb, si possono considerare i seguenti valori:

sabbia

(dmax=30 mm) limo

(dmax=3 mm) argilla (dmax=0.3 mm)

10 kPa 100 kPa 1000 kPa

La suzione di ingresso dell’aria dipende essenzialmente dai pori di

dimensione maggiore

COESIONE E TENSIONE CAPILLARE

COESIONE = Forza Attrattiva tra le molecole dello stesso tipo

Sulla superficie la risultante delle forze è diretta verso il basso

L’interfaccia liquido-gas si comporta come una membrana soggetta ad uno sforzo di trazione uniforme

liquid gas

Questa tensione prende il nome di TENSIONE SUPERFICIALE

EFFETTO DI CURVATURA DELL’INTERFACCIA LIQUIDO GAS

q R

water air

r

T

R T T r

u

u

q

ua = pressione dell’aria [F/L2]

uw = pressione dell’acqua[F/L2]

q = angolo di contatto

T = tensione superficiale[F/L]

r raggio del tubo capillare [L]

R = raggio di curvatura della caloptta sferica[L]

q





 r

u r

rT

u

se q < 90°

La pressione dell’aria è parzialmente sostenuta dai menischi

La pressione dell’acqua è più bassa di quella dell’acqua

Equilibrio Meccanico

RISALITA IN UN TUBO CAPILLARE

uw<

0 uw=

0 uw=

0 uw=

0

T r h

u



q

h

ua=

0

INCREMENTO DELLA PRESSIONE DELL’ACQUA IN UN SISTEMA DI TUBI CAPILLARI

Z

Vw / V 1

S

Variazione Della Conducibilità Termica di un Terreno Lungo La

Profondità

A parità di grado di saturazione La conducibilità termica Cresce al

crescere della temperatura

EFFETTO DELLA TEMPERATURA SULLA CONDUCIBILITA’ TERMICA

DEL TERRENO

MORALE:

Utilizzare con cautela i valori di conducibilità termiche definiti

“tipici” per ciascun tipo di terreno

?

MISURA DIRETTA DELLA CONDUCIBILITA’ TERMICA IN SITO

Interpretazione delle Misure in Sito

SEZIONI GEOLOGICHE-PROFILI TERMICI

VALUTAZIONE DIRETTA DELLE “RESISTENZE” TERMICHE

SCAMBIATOTI-TERRENO E DELLA CONDUCIBILITA’ TERMICA

CALORE ENTRANTE

EVAPORAZIONE

ACQUA CALORE

USCENTE FLUSSO DI VAPORE D’ACQUA (DIFFUSIONE) GAS

FLUSSO DI CALORE (CONDUZIONE E CONVEZIONE)

CONDENSAZIONE ACQUA

FLUSSO LIQUIDO (CONVEZIONE)

FLUSSO DI CALORE (CONDUZIONE E CONVEZIONE)

LIQUIDO

FLUSSO DI CALORE (CONDUZIONE) SOLIDO

ACQUA LIQUIDA ENTRANTE

I FLUSSI DI LIQUIDO, VAPORE E CALORE SONO FORTEMENTE ACCOPPIATI

T

Flusso di Calore Geotermico (Incremento di 3°C

ogni 100m)

Flusso di Acqua Falda

Soluzione al Finito del Problema Termo-Idraulico

Scambio di Calore con l’atmosfera

u

Pioggia ed Evapo- Traspirazione

Flusso Idraulico Flusso Convettivo di

Calore

T

=10-15°C

Scambi di Calore

Edificio-Terreno

Condizioni al contorno superiore (Atmosfera)

Bilancio Della Massa

Interfaccia Terreno atmosfera

wE* Atmosfera

Solido qmv

wP

qml

Interfaccia Terreno- Atmosfera(T=Ts) hv(Ts)( <w

E*)

Atmosfera(T=Ta)

Solido (T=Ts) Rn

H hl(Ta)(wP*)

q hv(Ts) qmv hl(Ts) qml

Bilancio di Energia

Evaporazione Pioggia

Vapore d’acqua Acqua liquida

Calore Sensibile

Radiazione Netta

Calore latente uscente

Calore latente entrante

Calore per conduzione

Calore Latente del vapore

Calore Latente del liquido

Esempi di Applicazione di Modelli Fisico-Matematici per la Previsione della Variazioni di Temperatura

Dati atmosferici misurabili con una stazione meterologica:

Umidità Relativa Temperatura Precipitazioni Velocità del Vento

Radiazione Netta Solare

previsione dell’andamento delle

temperature nel tempo mediante

simulazione con FEM

MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (1)

Isoterme nell’intorno di uno

scambiatore ad “U”

MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (1)

Isoterme nell’intorno di uno

scambiatore ad “U”

MODELLAZIONE FEM DELL’INTERAZIONE TERRENO-SONDE (2)

Effetto del flusso convettivo di calore legato alla velocità di filtrazione nel

terreno

MODELLAZIONE NUMERICA DEL PROBLEMA DELLA “DERIVA”

TERMICA

CONCLUSIONI

La Geotermia a bassa entalpia offre una valida alternativa ai sistemi tradizionali di riscaldamento/raffrescamento:

energia rinnovabile

abbattimento di emissioni di CO2 Indipendenza dai combustibili fossili

La progettazione di GHSP necessita un approccio multidisciplinare, soprattutto nel caso di impianti in edifici complessi.

Sarebbe necessario investire di più sulla ricerca:

MENO CENTRALI NUCLEARI E PIU’ SONDE GEOTERMICHE

Grazie per L’attenzione