Idrogeologia e progettazione di impianti di scambio di calore METODI SPERIMENTALI DI ANALISI...
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Idrogeologia e progettazione di impianti
di scambio di calore
METODI SPERIMENTALI DI ANALISI TERMICHE
Dott. Mattia Quarantini
28-29-30 Settembre 2011
BREVE
INTRODUZIONE
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Geotermia per climatizzare gli edifici• Una particolare applicazione della risorsa
geotermica a bassa temperatura • Una risorsa energetica pulita e rinnovabile • Contribuisce al risparmio energetico degli edifici
(aumento prestazioni energetiche complessive)• Consente bassi costi di gestione, minima
manutenzione, elevato confort e sicurezza
Funzionamento:• Negli impianti geotermici avviene un prelievo di
calore dal terreno per conduzione, mediante un fluido vettore che circola ad una temperatura minore rispetto al terreno circostante.
• La quantità di calore prelevato è funzione delle caratteristiche di conducibilità termica del terreno, della superficie totale di scambio, della differenza di temperatura tra fluido e terreno, dalla portata e della velocità del fluido di circolazione
SONDE GEOTERMICHE VERTICALIGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
•Realizzabili (quasi) ovunque•Poca superficie dedicata•Facilità di autorizzazione (bassi impatti ambientali)•Elevati costi iniziali (perforazioni)•Elevati rendimenti
DIMENSIONAMENTO IMPIANTIGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
IMPORTANTE DEFINIRE:
•Modello Geologico (caratteristiche dei terreni attraversati, spessore strati, granulometria, grado di saturazione)
•Modello Idrogeologico(livello piezometrico,determinazione dei flussi di falda, spessore degli acquiferi)
•Modello Geotermico(meccanismi di scambio del calore, conducibilità termica ottenuta tramite TRT)
TEST DI RESA TERMICA (TRT o
GRT)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
IlGRT oppure anche TRT (Thermal Response
Test), permette di conoscere la
conducibilità termica dei terreni λ [W/(m
∙ K)] e la resistenza termica del pozzo Rb
[K/(W/m)].
In prima approssimazione si possono
tenere in considerazione i valori medi di
conducibilità dei terreni presenti in zona, ma
questo valore può oscillare anche del 20%,
risulta quindi fondamentale l’esecuzione di
un test per campi sonda con potenze
superiori ai 30 kW.
TEST DI RESA TERMICA (TRT o GRT)GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Il test consiste nell’inserire all’interno di una sonda un fluido, definito fluido
termovettore ad una potenza costante. Un datalogger collegato a dei
termostati, registra in continuo le variazioni della temperatura nel tubo di
mandata e nel tubo di ritorno. Dall’analisi dei dati ottenuti si determina la
conducibilità del terreno e la resistenza del pozzo.
MISURE TERMOMETRICHEGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Misura della temperatura in sonda a diverse profondità tramite
termofreatimetroMisura del terreno indisturbato
• Temperatura media
• Gradiente geotermico locale
• Anomalie termiche (falde acquifere)
• Zona di influenza superficiale
Misura del terreno alterato da un TRT
• Zone a maggiore dispersione termica
• Determinazione della conducibilità
termica degli strati
• Tempo di ritorno allo stato termico
naturale del terreno
STIMA DELLA CONDUCIBILITA’ TERMICA
DEGLI STRATIGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
L’esecuzione di un GRT provoca una
alterazione della temperatura del
terreno attorno alla sonda. La
misura della variazione della
temperatura a diverse profondità in
tempi diversi ci permette di
determinare la conducibilità dei
livelli di terreno misurati. La media
dei risultati ottenuti viene
comparata con il TRT.
La determinazione della conducibilità,
per ogni livello di misura, si ottiene
in maniera analoga al calcolo della
conducibilità termica nel GRT.11 11.5 12 12.5 13 13.5
22 °C
23 °C
24 °C
25 °C
f(x) = 1.15826323316658 x + 8.86985010425595R² = 0.948407511716081
In(t)
STIMA DELLA RESA TERMICA LINEARE
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Conoscendo la conducibilità dei terreni
è possibile stimare la resa delle
sonde geotermiche in fase di
riscaldamento o di raffrescamento.
La potenza estratta per metro
lineare è data da:
Discriminando le diverse porzioni di
terreno è possibile determinare gli
strati con una maggiore resa
termica lineare utile per il
dimensionamento delle Sonde
Geotermiche Verticali
CASO PRATICO: BERTINORO (FC)GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Nel sito oggetto di studio sono state realizzate
dall’azienda Geo-Net s.r.l. 10 sonde
geotermiche verticali, ciascuna lunga 90 m,
per una potenza totale estratta di circa 35
kW, per il riscaldamento e raffrescamento di
un complesso abitativo.
Campo Sonde
Bertinoro CESEN
A
Forlimpopoli
F. Savio
Torrente Bevano
Il caso di studio riguarda un
campo sonde realizzato nella
frazione di Santa Maria Nuova
nel Comune di Bertinoro
(Provincia di Forlì-Cesena).
CASO PRATICO: MODELLO GEOLOGICOGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
AES8Sabbie , limi ed argille di canale e di tracimazione fluviale
Pleistocene Superiore - Olocene
AES7Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale
Pleistocene Superiore
AES6Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale
Pleistocene Medio
Analisi dei cuttings, ricerca bibliografica,
sondaggi e sezioni dal sito della Regione
Emilia-Romagna
CASO PRATICO: MODELLO IDROGEOLOGICO
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Osservazioni durante la
perforazione, ricerca
bibliografica, dati
piezometricidal sito della
Regione Emilia-RomagnaGruppo Acquifero A
A0
A1
A2
AES8
AES7
AES6
CASO PRATICO: TEST DI RESA TERMICAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Risultati del test di resa
termica:
• Resistenza termica del
pozzo Rb= 0.110
K/(W/m)
• Conducibilità termica del
terreno λ= 1.59 W/ m kRisultati GRT Bertinoro
Valori ottenuti dal Test di resa termica sulla SGV3
Data e ora inizio Test 06/10/2010 ore 12.40
Data e ora fine Test 09/10/2010 ore 12.20
Temperatura media del terreno ndisturbato 14.36°C
∆T tra mandata e ritorno in sonda 2.78°C
Potenza Termica in stato stazionario 6.0 kW
Conducibilità termica del terreno λ = 1.59 W/(m K)
Resistenza Termica del pozzo Rb = 0.110 K/(W/m)
CASO PRATICO: ANALISI TERMICHEGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Evidente presenza in tutti i profili di una flusso di falda attivo nell’acquifero in
ghiaia.
CASO PRATICO: RIDIMENSIONAMENTOGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Mantenendo sempre la stessa potenza
richiesta dall’edificio, si osserva che
accorciando le sonde aumenta la resa
termica media, finchè non si esclude la
falda acquifera a 60 m dal p.c.
Caso preso in Esame
ΔT imposta
(°C)
Lunghezza sonda (m)
N° sonde progettate
Resa terreno
attraversato
(W/m)
Potenza totale
estratta (kW)
Bertinoro 14.35
90 10 28.96 26.07
68 13 29.21 25.83
54 17 28.51 26.17
CASO PRATICO: UBICAZIONE DELLE SONDEGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
°C 12 °C 13 °C 14 °C 15 °C 160 m
20 m
40 m
60 m
80 m
Terreno Indisturbato
Terreno Alterato
Il trasporto di calore per mezzo della
falda acquifera determina una
interferenza tra le sonde,
diminuendo il rendimento
dell’impianto.
CONCLUSIONI: LINEE GUIDA PER INDAGINIGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
INDAGINI GEOLOGICHE
• Ricostruzione della stratigrafia locale
• Carotaggi o Cuttings di perforazione
• Comparazione con i profili termici
INDAGINI IDROGEOLOGICHE
• Livello piezometrico
• Caratteristiche degli acquiferi e del flusso
di falda
• Corretta ubicazione delle sonde
INDAGINI TERMICHE
• Test di resa termica
• Gradiente geotermico locale
• Conducibilità termica per strato
• Interferenza tra le sonde
CONCLUSIONIGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Indagini in Situ
Progettazione Campo Sonda
Sfruttamento termico del sottosuolo
Diminuire i Costi di installazione
Incentivare questa Energia Rinnovabile
GRAZIE DELL’ATTENZIONE