Attività di ricerca sugli impianti a pompa di calore accoppiata al terreno
Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale – Viale Risorgimento, 2 – 40136 Bologna
Enzo Zanchini
IL PROBLEMA ENERGETICO-AMBIANTALE
IPCC - FOURTH ASSESSMENT REPORT: CLIMATE CHANGE 2007 (AR4)
Il riscaldamento del pianeta è inequivocabile (aumento delle temperature medie globali dell’aria e degli oceani, scioglimento di neve e ghiaccio,
innalzamento del livello del mare). La maggior parte dell’aumento delle temperature medie globali è molto probabilmente dovuta all’aumento delle
concentrazioni di gas serra di origine antropica.
I combustibili fossili non potranno assicurare per un lungo periodo il soddisfacimento dell’attuale fabbisogno di energia
La temperatura media dell’aria vicino alla superficie della terra è aumentata di circa 1.0 °C rispetto al decennio 1900-1909.
Questo incremento di temperatura è dovuto in larga parte alle emissioni di gas serra in atmosfera causate dall’attività dell’uomo
V Congresso Nazionale AIGE Modena, 8-9 Giugno 2011
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
18
50
18
55
18
60
18
65
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18
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00
19
05
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00
20
05
°C
MEDIA 2000 - 2009 : + 1.00 � C
Variazione della temperatura media annua dell’aria, vicino al suolo, 1850-2009, rispetto al valore medio del periodo 1900 -1909 (°C)
Metereological Office - Hadley Centre
La decisione n. 406/2009/CE del Parlamento europeo e del Consiglio prevede che, entro il 2020, le emissioni di gas serra dell’Unione Europea siano ridotte del 20%.
La direttiva 2009/28/CE del Parlamento europeo e del Consiglio, recepita in Italia dal decreto del 3 Marzo 2011, prevede che l’energia da fonti rinnovabili copra il 20 % del consumo energetico totale dell’Unione entro il 2020 (per l’Italia la riduzione obiettivo è il 17%)
La Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio, sulla prestazione energetica nell’edilizia, definisce “edificio a energia quasi zero” un edificio caratterizzato da un fabbisogno energetico globale molto basso o quasi nullo, coperto in misura molto significativa da fonti rinnovabili
Gli stati membri devono provvedere affinché entro il 31 dicembre 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione siano edifici a energia quasi zero. Per gli edifici pubblici, la data è anticipata al 2018.
Il decreto 3 marzo 2011 prevede che, a partire dal 2017 (2014), oltre al 50% del consumo per ACS, sia ricoperto da fonti rinnovabili il 50% (35%) della somma dei consumi per ACS, riscaldamento, raffrescamento. A tal fine, non può essere computata come rinnovabile l’energia elettrica fotovoltaica.
Ciò rende di fatto obbligatori per le nuove costruzioni impianti a pompa di calore.
Le pompe di calore accoppiate al terreno sono quelle con il COP (EER) più alto
TEST DI RISPOSTA TERMICA CON VALUTAZIONE NUMERICA
1 serbatoio con resistenze elettriche2 pompa3 misuratore di portata4 termoresistenza per Tin
5 termoresistenza per Tout
6 acquisizione dati
1
2
35
4
6
TRT eseguiti in numerose località dell’Italia settentrionale: Rimini, Cesena, Maranello, Fiesso d’Artico, Vigonza, Oderzo, San Bonifacio, Trieste.
È stato messo a punto un programma di simulazione numerica agli elementi finiti che consente di determinare con buona affidabilità e precisione sia le
caratteristiche della malta sigillante che quelle del terreno.
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000s
°C Tm misurata
Tm simulata
Valutazione del TRT di Fiesso d’Artico - 2008
OTTIMIZZAZIONE DI SONDE GEOTERMICHE COASSIALI
malta sigillante 35 mm
terreno
tubo polietilene spessore 4.6 mm
50 mm
89 mm
Acciaio AISI 304 spessore 2 mm
Esistono anche sonde coassiali di diametro esterno 50 - 60 mm, inserite direttamente nel terreno, senza sigillante.
ground
PE-Xa (PP-R80)
water
AISI 304
annulus in
center in
flow direction
r4r3r2r1
r
h1
L
0
z
Con riferimento a piccole sonde (diametro 5 cm, lunghezza 20m, senza sigillante), sono stati studiati gli effetti della direzione del flusso e del thermal
short circuiting
-400
100
600
1 100
1 600
2 100
2 600
3 100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Q (W)
t (s)
Annulus-in PE-Xa
Annulus-in adiabatic
Center-in PE-Xa
Center-in adiabatic
.
Potenza assorbita: Tin = 4°C; Tg = 14 °C; kgd = 2.8 W/(mK)
Si è trovato che l’ingresso nel condotto anulare esterno è preferibile, e che l’effetto del thermal short circuiting è poco rilevante.
Per sonde con diametro 9 cm, lunghezza 100 m e malta sigillante, sono stati studiati gli effetti del thermal short circuiting e della portata in volume.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0.0E+00 5.0E+04 1.0E+05 1.5E+05 2.0E+05 2.5E+05 3.0E+05 3.5E+05 4.0E+05
Q[W
]
t [s]
PE100
PPR80
adiabatic
.
Si è trovato che l’effetto del thermal short circuiting è importante, e può essere sensibilmente ridotto sostituendo al polietilene il polipropilene PPR 80.
Potenza rilasciata: Tin = 28°C; Tgd = 14°C; kgd = 2.8 W/mK
E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Effects of flow direction and thermal short-circuiting on the performance of small coaxial ground heat
exchangers , Renewable Energy 35 (2010) 1255–1265
E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Improving the thermal performance of coaxial borehole heat exchangers, Energy 35 (2010) 657–666
SOSTENIBILITÀ NEL LUNGO TERMINE DI CAMPI DI SONDE CON CARICHI TERMICI STAGIONALI NON BILANCIATI
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0
0 .4
0 .2
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0Q/Q0
t /t0
Per una sonda singola, non esistono problemi di sostenibilità nel lungo periodo. Mostrato sperimentalmente in: L Rybach, W.J. Eugster, Sustainability aspects of geothermal heat pump operation, with experience from Switzerland. Geothermics, 39, 365-369, 2010.
ASSENZA DI MOVIMENTO DELL’ACQUA DI FALDA
STUDIO NUMERICO SISTEMATICO PER GRANDI CAMPI DI SONDE(SONDE A DOPPIO TUBO AD U)
Sonda singola: Q1 bilanciato; Q3 completamente non bilanciato
Tg = 14 °C ; Valore massimo del carico Q0 = 30 W/m
-20
-15
-10
-5
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Years
� C
Years
� C
Q2 , 6 m Q2 , 8 m Q2 , 10 m Q2 , 14 m Q3 , 6 m Q3 , 8 m Q3 , 10 m Q3 , 14 m
Valore minimo annuo di Tf per una linea di infinite sonde, con kgd =1.4 W/(m K), carichi termici Q2 e Q3.
Tg = 14 °C ; Valore massimo del carico Q0 = 30 W/m
-10
-5
0
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Q2, 8 mQ2, 10 mQ2, 14 mQ3, 6 mQ3, 8 mQ3, 10 m
Years
� C
Q2 , 6 m Q2 , 8 m Q2 , 10 m Q2 , 14 m Q3 , 6 m Q3 , 8 m Q3 , 10 m Q3 , 14 m
Valore minimo annuo di Tf per una linea di infinite sonde, con kgd = 2.8 W/(m K), carichi termici Q2 e Q3.
Tg = 14 °C ; Valore massimo del carico Q0 = 30 W/m
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Years
� C
Q2r , 6 m Q2r , 8 m Q2r , 10 m Q2r , 14 m Q3r , 6 m Q3r , 8 m Q3r , 10 m Q3r , 14 m
Valore minimo annuo di Tf per un campo quadrato infinito, con kgd = 2.8 W/(m K), carichi termici Q2r e Q3r .
Tg = 14 °C ; Valore massimo del carico Q0 = 20 W/m
SOSTENIBILITÀ NEL LUNGO TERMINE DI CAMPI DI SONDE CON CARICHI TERMICI STAGIONALI NON BILANCIATI E MOVIMENTO
DELL’ACQUA DI FALDA
Porosità media e velocità media dell’acqua per terreni non rocciosi,da (Chiasson , Rees, Spitler 2000)
Terreno Porosità media Velocità media acqua m/anno
Ghiaia 0.31 3050
Sabbia grossa 0.385 60.1
Sabbia fine 0.4 5.05
Limo 0.475 0.094
Argilla 0.47 0.000146
EFFETTI DEL CARICO TERMICO REGOLARE
Vengono considerati due tipi di carico termico regolare (mediato nel tempo), con periodo t0 di un anno: il tipo Q1, con carichi stagionali parzialmente compensati; il tipo Q2, con carico esclusivamente estivo o esclusivamente invernale.
Vengono considerati campi di sonde infinitamente estesi, con le geometrie: linea singola, linea doppia sfalsata, linea quadrupla sfalsata. Si assume una distanza di 40 diametri (6 m per diametro 15 cm) fra due sonde adiacenti della stessa linea e fra due linee.
t t
*2
gd
w w
k
c D
Studio in forma adimensionale
t
02
gd
w w
kFo
c Dt tt
*
0 Fo
*
0
gd gdT T kT
Q*
0
Q
Carichi termici adimensionali Q*1 e Q*2
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0
0 .4
0 .2
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0Q/Q0
t /t0
*2Q
*1Q
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Pe = 0
Pe = 0.02
Pe = 0.05
Pe = 0.1
Pe = 0.4
Pe = 0.8
*maxsT
t *
Fo
Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media all’interfaccia fra sonda e terreno: linea singola, carico Q*2, Fo = 550.
Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per kgd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima all’interfaccia sonda terreno
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Pe = 0
Pe = 0.02
Pe = 0.05
Pe = 0.1
Pe = 0.4
Pe = 0.8
t *
Fo
*maxsT
Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media all’interfaccia fra sonda e terreno: linea doppia, carico Q*2, Fo = 550.
Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per kgd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima all’interfaccia sonda terreno
Valori di pert*/Fo = 1, 2, 5, 10, 20, 50, per una linea singola di infinite sonde, con carico adimensionale
2 lines, 1*Q t*/Fo
Pe Fo 1 2 5 10 20 50
0
300 0.516 0.543 0.607 0.688 0.808 1.038 550 0.567 0.609 0.705 0.817 0.974 1.283 800 0.608 0.660 0.780 0.922 1.120 1.505
0.02
300 0.516 0.541 0.601 0.660 0.729 0.788 550 0.566 0.604 0.676 0.742 0.798 0.826 800 0.607 0.650 0.732 0.797 0.833 0.848
0.05
300 0.513 0.530 0.563 0.578 0.585 0.582 550 0.561 0.581 0.599 0.607 0.607 0.607 800 0.599 0.612 0.622 0.623 0.623 0.623
0.1
300 0.502 0.509 0.512 0.513 0.512 0.512 550 0.543 0.535 0.533 0.534 0.533 0.533 800 0.575 0.557 0.556 0.556 0.555 0.556
0.4
300 0.396 0.393 0.393 0.393 0.393 0.393 550 0.410 0.410 0.410 0.410 0.410 0.410 800 0.415 0.416 0.416 0.416 0.416 0.416
0.8
300 0.306 0.306 0.306 0.306 0.306 0.306 550 0.308 0.307 0.308 0.308 0.308 0.308 800 0.308 0.309 0.308 0.308 0.308 0.308
*maxsT
*1Q
Per valutare i massimi raggiunti dalla temperatura media del fluido, bisogna considerare i carichi termici di picco, che sono assunti di durata 4 ore, e la struttura interna della sonda. Il metodo adottato è il seguente.
EFFETTI DEL CARICO TERMICO DI PICCO
Si considera un periodo di 6 mesi: quello con i massimi carichi termici. Per il suddetto periodo, si considera il carico termico (adimensionale) fluttuante effettivo e si calcola l’andamento nel tempo della differenza di temperatura adimensionale , dove* *
tub sT T
*
0
tub gd gd
tub
T T kT
Q
Ttub = temp. all’interfaccia tubi-malta sigillante, con
il carico effettivo fluttuante.
*
0
s gd gd
s
T T kT
Q
Ts = temp. all’interfaccia malta sigillante-terreno, dovuta al carico termico regolare, mediato nel tempo.
T*tub - T*s dà la sopraelevazione di temperatura adimensionale T*tub rispetto alla T*s calcolata con le simulazioni di lungo termine. Aggiungendo T*s si trova la temperatura adimensionale T*tub effettiva. Infatti, la differenza T*tub - T*s non dipende dal particolare periodo di 6 mesi scelto.
Per il giorno di massimo carico invernale o estivo, si adottano, rispettivamente, distribuzioni di carico termico adimensionale (Q*sh1)max e (Q*sh2)max prese dalla letteratura.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 - 4 4 - 8 8 - 12 12 - 16 16 - 20 20 - 24
(Q*sh2) max
hours
2.648
Per il periodo di 6 mesi si adotta uno dei due carichi adimensionali:
* * * *1 1 max
2sinsh shQ Q
Fot t
* * * *2 2 max
2sinsh shQ Q
Fot t
Illustrazione del carico termico adimensionale Q*sh1, primi 10 giorni
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Q*sh1
t giorni
10.205
0.354
Si fa riferimento a una sonda a doppio tubo a U con rapporto 0.205 fra diametro esterno dei tubi (32 mm) e diametro della sonda (156 mm) e rapporto 0.354 fra distanza fra gli assi di due tubi adiacenti e diametro della sonda.
Si definiscono i numeri puri: gt
gd
kk
k
kgt = conducibilità termica della malta sigillante
gt gt
w w
c
c
Winter operation
Fo
300 0.261 0.173 0.132
550 0.301 0.200 0.156
800 0.334 0.225 0.183
Summer operation
Fo
300 0.426 0.303 0.251
550 0.514 0.380 0.322
800 0.577 0.430 0.373
Tabella 5. Valori massimi di T*tub - T*s per vari valori di Fo e
* *
maxtub sT T
0.4k 0.7k 1k
k
gt = densità della malta sigillante, cgd = capacità termica specifica della malta sigillante (si assume = 0.52)
0.4k 0.7k 1k
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5t*/ Fo
T*tub T*s
Diagramma di T*tub - T*s in funzione di t*/Fo, per il caso invernale, Fo = 550 e = 0.7. k
I risultati ottenuti mostrano che il movimento dell’acqua di falda, anche con velocità modeste, può garantire la sostenibilità nel lungo periodo di grandi campi di sonde disposti in linee ortogonali al moto dell’acqua. Individuano inoltre un metodo di progetto per grandi campi di sonde geotermiche in presenza di movimento dell’acqua di falda.
Il metodo deve essere esteso a piccoli campi di sonde e a diversi valori del dell’interasse fra le sonde.
S. Lazzari, A. Priarone, E. Zanchini, Long-term performance of BHE (borehole heat exchanger) fields with negligible groundwater movement,
Energy 35 (2010) 4966-4974.
E. Zanchini, S. Lazzari, A. Priarone, Long-term performance of large borehole heat exchanger fields with unbalanced seasonal loads and
groundwater flow, Energy 38 (2012) 66-77.
CONCLUSIONI
Sono stati realizzati numerosi TRT con valutazione numerica, conseguendo una notevole esperienza nella esecuzione e nella valutazione. È stato messo
a punto un codice di valutazione numerica 2-D piuttosto preciso. Sarà predisposto un nuovo codice 3-D, per ottenere maggiore accuratezza.
Per sonde geotermiche coassiali, è stata trovata la direzione migliore del flusso del fluido e sono stati valutati gli effetti del thermal short-circuiting,
indicando anche un metodo semplice per ridurre tali effetti.
È stata valutata la sostenibilità nel lungo periodo di vasti campi di sonde geotermiche, in assenza e in presenza di movimento dell’acqua di falda.
È in fase di elaborazione un metodo di progetto di campi di sonde geotermiche che consenta di assicurare la sostenibilità nel lungo periodo e
tenga conto degli effetti del flusso dell’acqua di falda.
GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE
Enzo Zanchini
Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale – Viale Risorgimento, 2 – 40136 Bologna