Campi di sonde geotermiche
L'energia geotermica superficiale offre una promettente soluzione a basse emissioni di carbonio per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici. I sistemi geotermici superficiali più diffusi sono le pompe di calore geotermiche verticali (GSHP). Questi sistemi scambiano calore con il terreno attraverso scambiatori di calore a sonda (BHE), tipicamente installati a profondità fino a 400 m.
Il dimensionamento dei campi di sonde è complesso perché coinvolge una modellazione multifisica, prestazioni a lungo termine e vincoli specifici del sito. Poiché le sonde sono termicamente accoppiate, il calore estratto o iniettato in una sonda influisce su quelle vicine (fenomeno noto come interferenza termica). Pertanto, un progetto efficace deve considerare i carichi termici cumulativi e gli effetti dei carichi di picco su decenni di esercizio (tipicamente 20–50 anni). Deve garantire che le temperature del fluido rimangano entro limiti accettabili per tutta la vita utile del sistema, per evitare il congelamento o il surriscaldamento del terreno.
Come funziona
TESSA impiega il metodo della sovrapposizione temporale e la modellazione con g-function per prevedere le temperature del fluido nelle sonde su decenni di esercizio. Questo approccio si basa su metodi validati provenienti dalla letteratura accademica e dalla nostra stessa ricerca pubblicata.
Le temperature estreme del fluido sono stimate sovrapponendo tre componenti di carico:
- Componente a lungo termine — rappresenta il carico medio annuo.
- Componente stagionale (periodica) — cattura le variazioni stagionali.
- Componente a breve termine (impulsiva) — tiene conto dei carichi di picco che durano da ore a giorni.
Ciascuna componente di carico è associata alle rispettive resistenze termiche del terreno, oltre alla resistenza termica della sonda.
Per calcolare queste resistenze termiche, TESSA utilizza il metodo delle g-function sviluppato dal Dr. Per Eskilson. La g-function è una funzione di risposta in temperatura adimensionale che descrive come la temperatura del terreno evolve in risposta a un carico termico unitario nel tempo in un campo di sonde. Questo metodo è utilizzato anche in strumenti standard del settore come Earth Energy Designer (EED).
TESSA integra Pygfunction, sviluppato dal Prof. Massimo Cimmino, che utilizza la soluzione analitica a sorgente lineare finita per calcolare le g-function. A differenza degli strumenti limitati a geometrie semplici (campi rettangolari o a forma di U), Pygfunction consente la progettazione di configurazioni arbitrarie di campi di sonde.
Input richiesti
Per eseguire un'analisi di dimensionamento, TESSA richiede i seguenti input:
- Profilo di scambio termico del campo di sonde.
- Specifiche delle sonde (dimensioni e proprietà termiche).
- Layout del campo di sonde (coordinate di ciascun BHE).
- Proprietà termiche del terreno.
- Vincoli sulle temperature minima e massima del fluido.
Validazione con Energy Earth Designer (EED)
Per validare il dimensionamento del campo di sonde implementato in TESSA, i risultati sono stati confrontati con quelli ottenuti da Energy Earth Designer (EED), un software ampiamente utilizzato per la progettazione di sistemi geotermici. Due casi di calcolo rappresentativi sono stati definiti e simulati in entrambi gli strumenti nelle stesse condizioni al contorno.
Definizione degli scenari di validazione
Configurazione del campo di sonde
- Layout rettangolare 2 × 3 (6 sonde in totale)
- Interasse tra le sonde: 10 m
Specifica delle sonde
- Configurazione a doppio tubo a U
- Diametro della sonda: 110 mm
Proprietà del terreno
- Temperatura superficiale: 8 °C
- Conducibilità termica del terreno: 3.5 W/(m·K)
- Capacità termica volumetrica: 2.16 MJ/(m³·K)
- Flusso di calore geotermico: 0.06 W/m²
Fluido termovettore
- 25% glicole etilenico
Configurazione del sistema
- Riscaldamento fornito da pompa di calore (COP = 3)
- Raffrescamento fornito tramite raffrescamento diretto
Parametri di dimensionamento
- Periodo di simulazione: 50 anni
- Temperatura media massima del fluido: 15 °C
- Temperatura media minima del fluido: −1.5 °C
Casi di carico
- Caso 1: esercizio con solo riscaldamento.
- Caso 2: riscaldamento con raffrescamento stagionale (che fornisce una parziale rigenerazione termica).
| Caso | Calore annuo (MWh) | Calore mensile max (MWh) | Calore di picco (kW) | Raffrescamento annuo (MWh) | Raffrescamento mensile max (MWh) | Raffrescamento di picco (kW) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 182 | 26.8 | 91 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 182 | 26.8 | 91 | 50 | 20 | 42 |
Risultati
| Caso | Lunghezza sonda (EED) (m) | Lunghezza sonda (TESSA) (m) | Scostamento |
|---|---|---|---|
| 1 | 262 | 250 | −4.7% |
| 2 | 229 | 220 | −4.1% |
Lo scostamento tra TESSA ed EED rimane inferiore al 5% in entrambi i casi. Nel Caso 1 (solo riscaldamento), TESSA sottostima leggermente la lunghezza di sonda richiesta rispetto a EED. Nel Caso 2, l'introduzione dei carichi di raffrescamento riduce la lunghezza di sonda richiesta grazie alla rigenerazione termica del terreno. Entrambi gli strumenti catturano coerentemente questo effetto di rigenerazione, e lo scostamento relativo rimane analogamente ridotto. Nel complesso, il confronto dimostra l'affidabilità dell'implementazione di TESSA per i calcoli di dimensionamento geotermico a lungo termine.