Studio geotecnico e termico di un impianto geotermico a ...

Premesse Analisi termiche del sottosuolo Analisi termica della fondazione Analisi delle vibrazioni Conclusioni

Studio geotecnico e termico di un

impianto geotermico a sonda verticalea bassa entalpia

Rocco Domenico Manzi

Dipartimento ICEACorso di laurea in Ingegneria Civile

Facolta di IngegneriaUniversita degli Studi di Padova

Relatore: Prof. Ing. Marco Favaretti

11 luglio 2012

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Schema del lavoro

1 Premesse

2 Analisi termiche del sottosuolo

3 Analisi termica della fondazione

4 Analisi delle vibrazioni

5 Conclusioni

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Premesse

Parte I

Obiettivo ambientale e Tecnologia

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Obiettivo ambientale

⇒ Obiettivo UE 2020

Il 20% della riduzione dei consumi

Il 20% della riduzione delle emissioni

Il 20% di utilizzo delle energie rinnovabili

Dotare un edificio esistente anni ’70 di un impianto SVG

→ Condizioni critiche in fase di riscaldamento (assorbimento)

Parere dei geotermici: distanza della sonda a 2.00m dall’edificio

Obiettivo ⇒ Misurare l’impatto dell’opera geotermica sul costruito

Analisi termica del sottosuolo ⇒ Distribuzione delle temperature:

bordo sonda

bordo fondazione

Analisi termica della fondazione ⇒ Eventuali lesioni

Analisi delle vibrazioni ⇒ Eventuali lesioni

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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bordo sonda

bordo fondazione

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Impianto geotermico verticale

Figure: Schema di assorbimento del calore dal terreno

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Schema di funzionamento impianto

Figure: Schema di assorbimento del calore dal terreno 6 / 38

Scheda tecnica della macchina perforatrice

Caratteristiche tecniche

diametro massimo del tubo: 7 inch, minimo 2 inch

pressione del fango: 40 bar

passaggio libero:150 bar

capacita di carico: 500 kN

prestazioni rotary

I a marcia, 31.580 Nm, 0-45 rpm

II a marcia, 16.600 Nm, 0-85 rpm

III a marcia, 4.150 Nm, 0-340 rpm

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prestazioni rotary

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prestazioni rotary

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prestazioni rotary

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prestazioni rotary

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prestazioni rotary

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prestazioni rotary

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Tecniche di perforazioni di piccolo diametro

Principio di funzionamento delle circolazione diretta

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Impatto termico e geotecnico

Parte II

Dati di input

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Impatto termico e geotecnico

Parte II

Dati di input

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Classe energetica CasaClima

Certificazione CasaClima. Dividendo per 10 =litri/m2 anno di gasolio

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Fabbisogno energetico edificio

area: A= 150m2

fabbisogno unitario: FU = 120kWh/m2 annui secondo lacertificazione CasaClima

ore di funzionamento dell’impianto: OEF = 1800ore

Fabbisogno istantaneo

soluzione 1 (2000 classe E)

FI =FU · A

120 · 150

1800= 10kW

soluzione 2 (1970 classe A)

FI = α · V = 26 · 405 = 10.5kW

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area: A= 150m2

FI =FU · A

120 · 150

1800= 10kW

FI = α · V = 26 · 405 = 10.5kW

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area: A= 150m2

FI =FU · A

120 · 150

1800= 10kW

FI = α · V = 26 · 405 = 10.5kW

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area: A= 150m2

FI =FU · A

120 · 150

1800= 10kW

FI = α · V = 26 · 405 = 10.5kW

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area: A= 150m2

FI =FU · A

120 · 150

1800= 10kW

FI = α · V = 26 · 405 = 10.5kW

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Carico termico

quantita di calore assorbito istantaneo:

FI = −QAI = 10kW

resa termica media del terreno:

RT = 30m/kW

lunghezza unitaria della sonda:

LU = 150m

Lunghezza totale sonde:

LT = RT · |QAI | = 30 · 10 = 300m

numero di sonde:

NS =LT

150= 2

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Carico termico

FI = −QAI = 10kW

RT = 30m/kW

LU = 150m

LT = RT · |QAI | = 30 · 10 = 300m

numero di sonde:

NS =LT

150= 2

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Carico termico

FI = −QAI = 10kW

RT = 30m/kW

LU = 150m

LT = RT · |QAI | = 30 · 10 = 300m

numero di sonde:

NS =LT

150= 2

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Carico termico

FI = −QAI = 10kW

RT = 30m/kW

LU = 150m

LT = RT · |QAI | = 30 · 10 = 300m

numero di sonde:

NS =LT

150= 2

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Carico termico

FI = −QAI = 10kW

RT = 30m/kW

LU = 150m

LT = RT · |QAI | = 30 · 10 = 300m

numero di sonde:

NS =LT

150= 2

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potenza unitaria assorbita −→ input modello FEM

q =QAI

150= 70W /m

differenza di temperatura all’interno sonda

Tb − Tf = q Rb = 70 · 0.12 = 8.4◦C

riduzione della temperatura nell’ interfaccia terreno-sonda

Tb = q Rb + Tf = 8.4− 2 = 6.4◦C

dai profili termici la Tmedia=6◦ C sul piano di fondazione

possibile congelamento del terreno ( in quale regione del dominio? ) →analisi FEM

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Profili termici

1 ANNO

2 MESE

3 SETTIMANA

4 GIORNO

Temperature piano fondazione (−1.50m)

profondita anno mese di gennaio giorno[m] [giorni] [giorni] [ore]-1.50 6.45 8.84 9.78

Dati termici terreno Loreggia PD

T0 = 15.1◦CdT0 = 13◦Ct0 = 10 giornia = 1.38 · 10−6m2/s

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Profili termici

1 ANNO

2 MESE

3 SETTIMANA

4 GIORNO

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Profili termici

1 ANNO

2 MESE

3 SETTIMANA

4 GIORNO

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Profili termici

1 ANNO

2 MESE

3 SETTIMANA

4 GIORNO

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Grafici termici

0 5 10 15 20 25 30 35 40−30

temperatura [°C]

Profilo della temperatura nel sotosuolo

gennaiolugliop−fonda

0 50 100 150 200 250 300 350−10

giorni l’anno

ra [°C

1.503.00

0.00 m1.50 m3.00 m8.00 m20.00 m30.00 m

0 5 10 15 20 25 30−10

giorni in un mese

ra [°C

Profilo della temperatura nel sotosuolo nel mese di gennaio

1.503.00

8.0020.00

0.00 m1.50 m3.00 m8.00 m20.00 m30.00 m

0 5 10 15 20−10

ra [°C

0.15 0.30 0.80

0.00 m0.15 m0.30 m0.80 m1.50 m3.00 m

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Equazione generale della conduzione

+ q = ρc∂T

∂τ(1)

∇(k∇T ) + q = ρc∂T

∂τ(2)

Soluzione equazione conduzione

T (z , t) = T0 + dT0 · e−

δ cos[

w(t − t0)−z

T (z , t) temperatura del terreno [◦C] alla profondita z[m] e al tempo t[s];T0 temperatura media del terreno ;dT0 variazione dell’ampiezza dell’onda di calore in superficie;t0 tempo per il quale la temperatura resta massima in superficie [s];

δ =√

πprofondita di penetrazione [m];

T periodo dell’onda di calore [s];w = 2π

Tfrequenza dell’onda s−1;

a diffusivita termica del mezzo a = λρc

m2/s.16 / 38

Analisi f.e.m.

Parte III

Analisi termiche e vibratorie

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Analisi f.e.m.

Parte III

Analisi termiche e vibratorie

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Modello Fem

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Particolare modello sonda-terreno-fondazione

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Analisi termiche del sottosuolo

1 TEMPERATURA ESTERNA

2 TEMPERATURA DEL SOTTOSUOLO ⇒ profili termici

3 STRATIGRAFIA ⇒ proprieta termiche4 ASSORBIMENTO DEL CALORE W/m

Proprieta termiche del terreno ⇒ rese termiche

5 FABBISOGNO ENERGETICO

OUTPUT SENZA FALDA/CON FALDA⇒ GRAFICI

1 ANDAMENTO TERMICO SUL BORDO DELLA SONDA

2 ANDAMENTO TERMICO SUL BORDO DELLA FONDAZIONE

3 ANDAMENTO DEL GRADIENTE TERMICO

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GRAFICI (senza falda)

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GRAFICI (con falda)

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STRATIGRAFIA⇒senza falda/con falda

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Analisi termica della fondazione

⇒ I VALORI TERMICI DELL’ANALISI INIZIALE INSERITI NELMODELLO FONDAZIONE (analisi separata)

OTUPUT

1 GRAFICO DELLE TENSIONI LUNGO IL BORDO DELLAFONDAZIONE

2 DILATAZIONI LUNGO IL BORDO DELLA FONDAZIONE(longitudinale)

3 DILATAZIONI LUNGO IL BORDO DELLA FONDAZIONE(trasversale)

STRESS-TERMICO

⇒ Confronto delle tensioni stress-termiche con le tensioni SLE delcalcestruzzo

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OTUPUT

STRESS-TERMICO

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OTUPUT

STRESS-TERMICO

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STRESS-TERMICO-grafici

⇒ Sviluppo delle tensioni come conseguenza di variazioni termiche⇒ σc,max ≤ 0.45fck = 0.45 · 20/25 = 9/11.25MPa

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Modello 3D vibrazioni

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1 Pressione dei fanghi ⇒ 40bar

2 Carico verticale della macchina perforatrice ⇒ 500kN

3 Frequenze della macchina perforatrice1a marcia 2a marcia 3a marcia0.74Hz 1.42Hz 5.67Hz

OUTPUT

1 Spostamenti

2 Accelerazioni ⇒ Conseguenze sull’edificio

3 Velocita

4 Pressioni

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OUTPUT

1 Spostamenti

3 Velocita

4 Pressioni

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OUTPUT

1 Spostamenti

3 Velocita

4 Pressioni

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Grafico delle accelerazioni⇒ Terreno E=20/60MPa

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Coefficiente energetico CE

CE =a2

= 16π4 · f 2 · w 2a

Stima distanza di perforazione Ey=20MPa

d [m] CE [m2/s2] a[mm/s2] wa[cm] valutazione< 0.20 1.12 6.0 0.47 pericolo strutturale< 0.60 0.12 2.0 0.15 pericolo strutturale> 1.20 0.03 1.0 0.08 molto fastidioso> 1.50 0.02 0.8 0.06 molto fastidioso

Stima distanza di perforazione Ey=60MPa

d [m] CE [m2/s2] a[mm/s2] wa[cm] valutazione0.50 0.02 0.8 0.06 molto fastidioso1.00 0.005 0.4 0.03 fastidioso

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Stima distanza perforazione: confronto Ey=20/60MPa

d [m] Ey = 60[MPa] Ey = 20[MPa] giudiziowa[cm]

0.50 0.06 0.47 accettabile / non accettabile1.00 0.03 0.15 accettabile / non accettabile> 1.00 0.02 0.08 accettabile / accettabile> 1.20 0.01 0.06 accettabile / accettabile

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Impatto termico

SUL BORDO FONDAZIONE E NULLO: TENSIONI < TENSIONIESERCIZIO

SUL BORDO SONDA: ELEVATO CON IMPIANTOSOTTODIMENSIONATO

APPROFONDIRE L’IMPATTO DEL GRADIENTE TERMICO:POSSIBILE VARIAZIONE UMIDITA

Stima della distanza di perforazione

d = 0 Se trascuriamo il gradiente termico

d > 4m → In assenza di falda il gradiente termico si stabilizza

d < 4m → In presenza di falda il gradiente termico si stabilizza

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Impatto termico

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Impatto termico

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Impatto termico

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Impatto termico

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Impatto termico

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Impatto delle vibrazioni

E = 20MPa → d > 1.50m

E = 60MPa → d = 0.50m

Stima della distanza di progetto

dp = funzione(q; E−1; frequenza; carico verticale; pressione fanghi)

USARE I GRAFICI (Cestelli Guidi) DI CONFRONTO

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E = 20MPa → d > 1.50m

E = 60MPa → d = 0.50m

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E = 20MPa → d > 1.50m

E = 60MPa → d = 0.50m

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E = 20MPa → d > 1.50m

E = 60MPa → d = 0.50m

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GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

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Grafici di riferimento (Cestelli Guidi)

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Grafici spostamenti ⇒ Terreno E=20/60MPa

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Grafici tensioni ⇒ Terreno E=20/60MPa

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Grafico delle velocita ⇒ Terreno E=20/60MPa

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Tabella materiali nell’analisi FEM

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