Idrogeologia e progettazione di impianti di scambio di calore

1. Idrogeologia e progettazione di impianti di scambio di calore METODI SPERIMENTALI DI ANALISI TERMICHE 28-29-30 Settembre 2011 Dott. Mattia Quarantini

2. 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

3. SONDE GEOTERMICHE VERTICALI GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA • Realizzabili (quasi) ovunque • Poca superficie dedicata • Facilità di autorizzazione (bassi impatti ambientali) • Elevati costi iniziali (perforazioni) • Elevati rendimenti

4. DIMENSIONAMENTO IMPIANTI GEOTERMIA 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)

5. TEST DI RESA TERMICA (TRT o GRT) GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA • IlGRT oppure anche TRT (ThermalResponse Test), permette di conoscere la conducibilità termica dei terreni λ [W/(m ∙ K)] e la resistenza termica del pozzoRb[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.

6. 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.

7. MISURE TERMOMETRICHE GEOTERMIA 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

8. 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.

9. 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

10. 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 Forlimpopoli F. Savio • Il caso di studio riguarda un campo sonde realizzato nella frazione di Santa Maria Nuova nel Comune di Bertinoro • (Provincia di Forlì-Cesena). Torrente Bevano Bertinoro CESENA

11. CASO PRATICO: MODELLO GEOLOGICO GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Analisi dei cuttings, ricerca bibliografica, sondaggi e sezioni dal sito della Regione Emilia-Romagna Sabbie , limi ed argille di canale e di tracimazione fluviale Pleistocene Superiore - Olocene AES8 Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale Pleistocene Superiore AES7 Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale Pleistocene Medio AES6

12. CASO PRATICO: MODELLO IDROGEOLOGICO GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Osservazioni durante la perforazione, ricerca bibliografica, dati piezometricidal sito della Regione Emilia-Romagna Gruppo Acquifero A AES8 A0 A1 AES7 A2 AES6

13. CASO PRATICO: TEST DI RESA TERMICA GEOTERMIA 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

14. CASO PRATICO: ANALISI TERMICHE GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Evidente presenza in tutti i profili di una flusso di falda attivo nell’acquifero in ghiaia.

15. CASO PRATICO: RIDIMENSIONAMENTO GEOTERMIA 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.

16. CASO PRATICO: UBICAZIONE DELLE SONDE GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Il trasporto di calore per mezzo della falda acquifera determina una interferenza tra le sonde, diminuendo il rendimento dell’impianto. Terreno Alterato Terreno Indisturbato

17. CONCLUSIONI: LINEE GUIDA PER INDAGINI GEOTERMIA 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

18. CONCLUSIONI Indagini in Situ GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA Progettazione Campo Sonda Sfruttamento termico del sottosuolo Diminuire i Costi di installazione Incentivare questa Energia Rinnovabile

19. GRAZIE DELL’ATTENZIONE