Idrogeologia e
progettazione di impianti
di scambio di calore
METODI SPERIMENTALI
DI ANALISI TERMICHE
28-29-30 Settembre 2011
Dott. Mattia Quarantini
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
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
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)
TEST DI RESA TERMICA (TRT o GRT)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
IlGRT oppure anche TRT (Thermal Response Test),
permette di conoscere la conducibilità termica
dei terreni λ [W/(m ∙ K)] e la resistenza termica
del pozzo Rb [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.
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.
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
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.
25 °C
y = 1,1583x + 8,8699
R² = 0,9484
24 °C
23 °C
22 °C
11
11.5
12
In(t)
12.5
13
13.5
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
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.
Il caso di studio riguarda un campo
Campo Sonde
sonde realizzato nella frazione di
Santa Maria Nuova nel Comune di
Forlimpopoli
F. Savio
Bertinoro
Torrente Bevano
(Provincia di Forlì-Cesena).
Bertinoro
CESENA
CASO PRATICO: MODELLO GEOLOGICO
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Analisi dei cuttings, ricerca bibliografica, sondaggi
e sezioni dal sito della Regione Emilia-Romagna
AES8
Sabbie , limi ed argille di canale e di tracimazione fluviale
AES7
Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale
AES6
Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale
Pleistocene Superiore - Olocene
Pleistocene Superiore
Pleistocene Medio
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
AES7
A1
AES6
A2
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
Risultati GRT Bertinoro
Valori ottenuti dal Test di resa termica sulla SGV3
Data e ora inizio Test
Data e ora fine Test
Temperatura media del terreno ndisturbato
∆T tra mandata e ritorno in sonda
Potenza Termica in stato stazionario
Conducibilità termica del terreno
Resistenza Termica del pozzo
06/10/2010
09/10/2010
ore 12.40
ore 12.20
14.36°C
2.78°C
6.0 kW
λ = 1.59 W/(m K)
Rb = 0.110 K/(W/m)
CASO PRATICO: ANALISI TERMICHE
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Evidente presenza in tutti i profili di una flusso di falda attivo nell’acquifero in ghiaia.
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.
Caso preso in
Esame
Bertinoro
ΔT
imposta
(°C)
14.35
Lunghezza
sonda (m)
N° sonde
progettate
Resa
terreno
attraversato
(W/m)
Potenza
totale
estratta
(kW)
90
10
28.96
26.07
68
13
29.21
25.83
54
17
28.51
26.17
CASO PRATICO: UBICAZIONE DELLE SONDE
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Il trasporto di calore per mezzo della falda
acquifera determina una interferenza tra
°C 12
°C 13
°C 14
°C 15
°C 16
0m
le sonde, diminuendo il rendimento
dell’impianto.
20 m
40 m
Terreno
Alterato
60 m
80 m
Terreno
Indisturbato
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
CONCLUSIONI
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
Indagini in Situ
Progettazione Campo Sonda
Sfruttamento termico del sottosuolo
Diminuire i Costi di installazione
Incentivare questa
Energia Rinnovabile
GRAZIE DELL’ATTENZIONE