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ing. Fabio Minchio dott. Geol. Rimsky Valvassori

Parametri tecnici d'influenza nella progettazione e nella

realizzazione di sonde geotermiche

Ing. Fabio Minchio, Ph.D.Dott. Geol. Rimsky Valvassori


Parametri tecnici d'influenza nella progettazione e nella realizzazione di sonde geotermiche

Dimensionamento campo sonde geotermiche verticali

Il dimensionamento di un campo di sonde geotermiche verticali dipende da:1. Tipologia di terreno e relative proprietà

termofisiche2. Caratteristiche della sonda geotermica 3. Caratteristiche del sistema edificio impianto4. Obiettivi prestazionali

LA PROGETTAZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO E’ UN PROCESSO COMPLESSO NON RICONDUCIBILE SEMPLICEMENTE AD UN

PARAMETRO DI “RESA TERMICA”



Dimensionamento campo sonde geotermiche verticali

Approccio al dimensionamento (Minchio, Basta, 2007)



Proprietà del terreno

• Importanza di un’adeguata geognostica• Ground Response Test: alcune criticità

– Test non del tutto consolidati in Italia– Test di costo non trascurabile: problema durata– In presenza di moti convettivi significativi test non

consistente: problema importante in Veneto (terreni ghiaiosi)

• Database: classificazioni “generiche”



GeognosticaLa fase geognostica preliminare risulta di fondamentale importanza per la corretta scelta e dimensionamento di un sistema di scambio termico con il sottosuolo. In particolare appaiono necessari soprattutto:

• la definizione della stratigrafia del sottosuolo, da cui derivano le proprietà termiche del terreno

• la valutazione della presenza della acqua, in termini assoluti ed in relazione ai movimenti della stessa nel terreno.Lo studio geologico deve essere esteso alla parte di sottosuolo interessata dalla realizzazione dell’opera (concetto di volume significativo). Nel caso specifico circa 100 m di profondità



Geognostica

• Metodi diretti:– Rilevamento geologico– Sondaggi (carotaggio continuo o distruzione)– Prove penetrometriche (CPT/DPSH)

• Metodi indiretti:– Metodi elettrici (tomografia elettrica)– Metodi sismici attivi (rifrazione)– Metodi sismici passivi (HVSR)



Geognostica



GRT

“Thermal Response Test” o “Ground Response Test” (GRT): uno scambiatore pilota installato nel suolo (che sarà parte di un pozzo poi appartenente al loop dell’impianto che si realizzerà) sollecitato da un impulso termico a potenza costante



GRT



GRT

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60 70time (h)

Tem

pera

tura

(°C

)

Text Tin Tout



GRT



Geologia e Parametri “termici” del terreno

In generale è possibile osservare come la conducibilità termica di un terreno dipenda da:

• Composizione mineralogica della roccia/terreno costituente il sottosulo

• Porosità del terreno o della roccia• Grado di umidità del sistema multifase• Presenza di acqua in movimento e quindi

permeabilità del sottosuolo60 a 702,9Gneiss

35 a 551,7Basalto

55 a 703,4Granito

55 a 652,3Arenaria

45 a 602,8Calcare, massiccio

30 a 401,7Argilla, limo, umido

55 a 651,8 a 2,4Ghiaia, sabbia, acquifero

meno di 200,4Ghiaia, sabbia, secco

70superiore a 3,0Rocce indurite a conducibilitàtermica elevata

501,5 a 3,0Rocce indurite o rocce mobili sature d'acqua

20meno di 1,5Sottosuolo di cattiva qualità(rocce mobili secche)

Potenza d'estrazione(W/m)

Conducibilità termica(W/m K)Sottosuolo

60 a 702,9Gneiss

35 a 551,7Basalto

55 a 703,4Granito

55 a 652,3Arenaria

45 a 602,8Calcare, massiccio

30 a 401,7Argilla, limo, umido

55 a 651,8 a 2,4Ghiaia, sabbia, acquifero

meno di 200,4Ghiaia, sabbia, secco

70superiore a 3,0Rocce indurite a conducibilitàtermica elevata

501,5 a 3,0Rocce indurite o rocce mobili sature d'acqua

20meno di 1,5Sottosuolo di cattiva qualità(rocce mobili secche)

Potenza d'estrazione(W/m)

Conducibilità termica(W/m K)Sottosuolo



Caratteristiche sonda geotermica



Caratteristiche sonde geotermiche

• Diametro perforazione• Configurazione geometrica• Materiale sonda• Materiale riempitivo• Fluido termovettore• Regime di deflusso

Valore di Rb



Perforazione e installazionePerforazione con fanghi Perforazione con fanghi

bentoniticibentonitici o polimerio polimeriPerforazione con doppia batteria con Perforazione con doppia batteria con

foro costantemente rivestitoforo costantemente rivestito

L’utilizzo del rivestimento in avanzamento è CONSIDERABILE una B.A.T. (Best Available Technology) in campo geotermicoe consente di:

• MINIMIZZARE l’utilizzo di fluidi di perforazione per la stabilizzazione del foro;

• MINIMIZZARE in fase di transitorio (perforazione) la messa in comunicazione di falde sovrapposte, caratterizzate da qualitàe da quote piezometriche differenti.



Perforazione e installazione

MOLTO IMPORTANTE:EVITARE L’INSTALLAZIONE DELLE SONDE

(IN MATERIALE PLASTICO) DENTRO IL FORO DI SONDAGGIO A SPINTA CON LA MACCHINA

OPERATRICE, INSIEME ALLA BATTERIA DI ASTE

iI danneggiamento della sonda è MOLTO probabile



Materiali

• Standard di mercato: HDPE• Sonde in materiale metallico:

– Corrosione– Correnti vagantiL’uso di materiali ad elevata conduttività termica

consente un miglioramento ma in ogni caso esiste un limite di “sfruttamento” sostenibile del terreno



Supersonde??

Mands, 2008



Configurazione geometrica

• Standard di mercato: sonda a doppia U o a singola U, meno diffuse coassialiObiettivo: ottimizzazione regime di deflusso



Fluido termovettore

• Dimensionamento standard: previsto anticongelante– standard: soluzione acqua e glicole propilenico

• Elevata viscosità: perdite di carico, regime di deflusso laminare• Impatto ambientale?

Acqua?– Svantaggi

• Necessità di incrementare il numero di sonde per assicurare temperature sempre > 0°C: convenienza economica improbabile nei piccoli impianti

• Difficoltà ottenimento garanzia su pompa di calore

– Vantaggi• Riduzione perdite di carico e consumi di pompaggio• Miglioramento regime di deflusso a parità di portata



Sistema edificio-impianto

• La tipologia di applicazione ha influenza determinante sul dimensionamento: – Curva di carico– Fabbisogni energetici in riscaldamento e raffrescamento

1. Sovrapposizione degli effetti di breve e lungo periodo: dati di fabbisogno energetico

fondamentali come input di dimensionamento2. Necessità software di simulazione

3. Necessità di valutazione sul lungo periodo (standard: 25 anni)



Profilo di temperatura



Obiettivi prestazionali

• Il dimensionamento è sempre effettuato con l’obiettivo di ottenere temperature del fluido in ingresso alla pompa di calore al di sopra di un livello minimo invernale e al di sotto di un livello massimo estivo

• Per migliorare il COP e l’EER medio stagionale è necessario incrementare il numero di sonde

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