Idrogeologia e progettazione di impianti

di scambio di calore

METODI SPERIMENTALI DI ANALISI TERMICHE

Dott. Mattia Quarantini28-29-30 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 termofreatimetro

Misura 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 STRATI

GEOTERMIA 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 13.522 °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

A0A1A2

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 k

Risultati GRT BertinoroValori 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