Università
Università degli studi di Genova
DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della
Produzione, TermoEnergetica e modelli Matematici
PERFORM, Centro di Formazione Permanente
dell’
dell’Università
Università degli Studi di Genova
Presentazione del Corso:
Progettazione di Sistemi Geotermici a
Bassa Entalpia per Applicazioni a
Pompa di Calore
Ordine degli Ingegneri della Provincia di
Genova, Sala Convegni "S.Frixa
“
"S.Frixa“
Genova 11 marzo 2011
Prof. Ing.
Marco Fossa
Presentazione del Corso
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DIPTEM
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Proponenti
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Perform, Centro di Formazione Permanente
dell’Università degli Studi di Genova
PerForm è il Centro di Formazione Permanente dell’Università
degli Studi di Genova. Suo scopo è lo sviluppo di una formazione
di alto profilo, articolata in modo da rispondere a specifiche
esigenze professionali.
La sua attività si focalizza sulla formazione permanente, su
quella post-lauream e su quella di perfezionamento destinata a
professionalità di alto livello o aggiornamenti professionali di
eccellenza.
Punto qualificante delle attività di formazione PerForm è
l’ottimale calibratura di docenza accademica e di docenza
esterna altamente qualificata, e la stretta collaborazione con
aziende, istituzioni pubbliche e private in una politica di
relazione con il territorio e il mondo produttivo.
PerForm cura la realizzazione di progetti in ambito scientifico,
medico, economico, giuridico, umanistico, sociale.
PerForm
Centro di Formazione Permanente dell’Università degli Studi di Genova
Palazzo Belimbau, Piazza della Nunziata, 2 - 16124 Genova
Tel.: (+39) 010 2099466, Fax: (+39) 010 2099469
www.perform.unige.it
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Diptem, Sezione Termoenergetica
People
www.ditec.unige.it
11 academic staff, 8 tech/administrative staff,
students with a research grant (www.ditec.unige.it)
6
PhD students
4
Research Topics
Energetics and applied thermodynamics:
Efficient use of energy in civil and industrial field. Renewable energy
resources, energy conversion processes and refrigeration.
8
7
6
5
4
3
2
1
Single and multiphase thermofluid-dynamics :
Two phase flow in pipes, pool and flow boiling, frost deposition, spacesystems and electronic equipment, optical techniques in heat transfer,
natural circulation in closed loops
Environmental comfort and applied acoustics:
Environmental comfort design: air quality, acoustic and visual comfort,
optimal thermo hygrometric conditions.
HVAC and building physics:
Thermal behavior of buildings, air conditioning systems management,
geothermal heat pump modelling.
Thermophysical properties of materials:
Thermophysical properties analysis with references to thermal insulation of
materials. Radiant properties of surfaces.
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Profilo del Direttore del Corso
Breve CV Marco Fossa
(come presente al sito www.ditec.unige.it/staff)
Ingegnere Meccanico, Dottore di Ricerca in Fisica Tecnica, Ricercatore al
Ditec dal 1993. Professore Associato dal gennaio 2007. Autore di circa 85
pubblicazioni scientifiche, si occupa di termofluidodinamica bifase, energie
rinnovabili, pompe di calore geotermiche, controllo termoigrometrico,
rumorosità da traffico veicolare, problematiche di incendio da idrocarburi
liquidi. Collabora con il Cern di Ginevra e Insa-Cethil di Lione.
È stato Visiting Professor all'Università del New South Wales (2006-2010), a
Sydney (www.unsw.edu.au), con la quale collabora su tematiche termiche
relative agli edifici a doppia facciata fotovoltaica.
È stato Direttore del corso Certificazione Energetica Edifici organizzato da
Unige
Insegnamenti presso Unige, Facoltà di Ingegneria:
•Fisica Tecnica Ambientale, •Energie Rinnovabili
•Laboratorio di Misure Ambientali
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Docenti e partners istituzionali ed
industriali
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Docenti, I
Unione Geotermica Italiana, Giorgio Buonasorte, geologo, Membro del Consiglio Direttivo di UGI, ha
maturato in Enel esperienza trentennale di ricerca e coltivazione di campi geotermici. Docente nei
corsi dell' International School of Geothermics, IIGR-CNR, Pisa
Electricitè de France, EDF, R&D Moret sur Loingt, Dr. Odile Cauret, ingegnere, responsabile del
laboratorio PAC, per il test di pompe di calore e scambiatori interrati innovativi
Geo-Net, Gabriele Cesari, geologo, Direttore Tecnico e Ammistratore delegato di GeoNet, azienda
leader nel settore dell'installazione di sonde geotermiche
Università di Padova, Prof. Antonio Galgaro, Dipartimento di Geoscienze, docente di Geofisica
Applicata, membro della commissione UNI/CTI per la stesura delle linee guida sulla geotermia a bassa
entalpia, esperto di strumentazione e analisi dati TRT
Robur s.p.a., Ing. Massimo Ghisleni, Project Application Manager, esperto di Pompe di calore ad
assorbimento a metano
3F Engineering. Dr. Ing. Fabio Minchio, dottore di ricerca,
progettazione, ricerca e sviluppo nel settore delle pompe di
sorgenti alternative all'aria. E' attivo nel campo delle rinnovabili
energetica. E' autore del libro Geotermia e Pompe di calore
formazione.
Coordinatore scientifico del corso
libero professionista, si occupa di
calore a terreno e accoppiate con
e delle tecnologie ad alta efficienza
ed è docente in numerosi corsi di
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Docenti, II
Supsi (Svizzera), Prof. Daniel Pahud, Professore Universitario presso l'Istituto di Sostenibilità
Applicata, esperto di geostrutture energetiche e campi sonde geotermiche, ha dimensionato
l'impianto geotermico del Dock Midfield, Aereoporto di Zurigo, Autore di PileSim2
HiRef s.p.a., Ing. Alessandro Zerbetto, Product Manager, si occupa di ricerca e sviluppo nella linea
pompe di calore geotermiche di HiRef
Università degli Studi di Genova, Diptem: Prof. Ing. Mario Misale, ordinario di Fisica Tecnica per
Ingegneria Meccanica, si occupa di trasmissione del calore, termofluidodinamica monofase e bifase e
proprietà termofisiche dei materiali.
Università degli Studi di Genova, Diptem: Prof. Ing. Paolo Cavalletti, insegna Impianti Tecnici e
Fisica Tecnica alla Facoltà di Architettura di Genova. E' Certificatore Energetico in diverse regioni
italiane e ha organizzato e condotto corsi di certificazione energetica in Liguria e Piemonte.
Università degli Studi di Genova, Diptem: Dr. Ing. Danila Dalla Pietà, ha concluso il dottorato di
Fisica Tecnica al Diptem sulla modellazione di sonde geotermiche verticali. Ha sviluppato il codice di
calcolo TecGeo ed ha collaborato alla stesura del Manuale del codice EED 3.0.
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Programma del Corso e Calendario
delle lezioni
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Ore
MODULO 1
Docente
Introduzione al Corso e Benvenuto
0.5
Unige (Fossa)
La risorsa geotermica ed il quadro energetico attuale. Risorse ad alta e media entalpia. Situazione nazionale ed internazionale,
scenari e possibili sviluppi tecnico normativi
1.5
Ugi (Buonasorte)
Il fabbisogno energetico negli edifici e la normativa vigente
2
Unige (Cavalletti)
Principi fondamentali di Fisica Tecnica: bilanci di energia al suolo e all’edificio, rendimenti delle macchine termiche
2
Unige (Misale)
Proprietà termofisiche dei materiali, meccanismi di trasmissione del calore con enfasi sugli aspetti della conduzione
tempovariante.
2
Unige (Misale)
Generalità su caldaie e combustione
1
Unige (Fossa)
Cicli Inversi. Pompe di calore geotermiche. Pompe di calore a compressione di vapore, pompe di calore reversibili, controllo
3
Hiref
Pompe di calore ad assorbimento
2
Robur
Calcolo delle prestazioni stagionali di sistemi a Pdc: UNI TS 11300-4 (o UNI EN 15316-4-2)
2
3F Engineering
(Minchio)
Metodi Dinamici sistema edificio impianto (es TRNSYS)
1
3F Engineering
Classificazione del sottosuolo, caratteristiche geotecniche dei terreni, gli acquiferi e le falde, la permeabilità del terreno, pozzi e
piezometri, sondaggi e altre forme di rilevazione. Aspetti idrogeologici finalizzati a determinare le caratteristiche della falde.
Proprietà termofisiche del terreno
3
UniPD (Galgaro)
Il cantiere di perforazione e movimentazione terra, aspetti economici legati alla posa in opera delle sonde geotermiche. Posa in
opera degli scambiatori verticali, tecniche di perforazione e riempimento
2.5
GeoNet (Cesari)
Normativa nazionale e regionale inerente le sonde geotermiche. Cenni alla normativa dei Paesi Europei. Autorizzazioni,
sicurezza, iter procedurale
2.5
Ugi (Franci)
MODULO 2
MODULO 3
MODULO 4
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MODULO 5
1
3F Engineering
(Minchio)
Scambiatori verticali: descrizione, collegamenti in superficie, fluido vettore e perdite di carico, collaudo idraulico, problematiche
ambientali
2.5
3F Engineering
(Minchio)
Scambiatori innovativi (in trincea, utilizzanti CO2, radiali, etc)
0.5
Scambiatori orizzontali: descrizione e posa in opera
Dimensionamento di sistemi orizzontali: metodi IGSHPA, parametri ASHRAE, influenza del clima, Norme SIA
2
3F Engineering
(Minchio)
Impianti a ciclo aperto. Prelievo di acqua dalla falda, criteri di dimensionamento dei pozzi, normativa
2
3F Engineering
(Minchio)
4
Unige (Fossa)
La sovrapposizione temporale degli impulsi termici per l’analisi dei carichi tempovarianti all’edificio. La sovrapposizione spaziale
delle soluzione per la stima dell’interferenza termica nei campi plurisonda.
1
Unige (Fossa)
Metodi semplificati: VDI 4640, metodo Ashrae, norme CSA 448 (canada), metodi IGSHPA
2
3F Engineering
(Minchio)
Dimensionamento di campi sonde verticali: procedura, parametri d'influenza, temperature del fluido termovettore come driver di
dimensionamento. PrnUNI-CTI (lavoro GL608 CTI)
1
3F Engineering
(Minchio)
4
Daniel Pahud
(Supsi)
MODULO 6
Dimensionamento delle sonde geotermiche verticali. Resistenze termiche interne. Resistenza tempovariante nel terreno. Le
equazioni della conduzione applicate alla risposta del terreno. Le soluzioni analitiche per il problema tempovariante: sorgente lineare
infinita, sorgente cilindrica, SLF, funzioni di trasferimento g.
MODULO 7
MODULO 8
Progettazione e dimensionamento di impianti geotermici con geostrutture energetiche. Geofondazioni, applicazioni in free cooling,
accumulo termico stagionale. Metodi di calcolo per il dimensionamento delle geofondazioni. Soluzioni al calcolatore e prestazioni
reali delle geostrutture
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MODULO 9
Il Test di Risposta Termica. Teoria, ipotesi di lavoro, modalità operative, analisi dei dati, strumentazione per la prova con
apporto termico o sottrazione di calore, incertezze di misura, tecniche innovative sperimentali e di analisi dei dati. GRT di tipo I
e II
3
UniPD (Galgaro)
Innovation in Horizontal Ground Heat Exchangers : Stakes, Results and Limits
in trincea)
1
EDF R&D (Odile
Cauret)
3
3F Engineering
(Minchio)
Esercitazioni al calcolatore sull’utilizzo di codici di calcolo per il dimensionamento degli scambiatori interrati verticali (EED 3.0)
4
Secos-Unige (Dalla
Pietà)
TOTALE ORE
56
(scambiatori innovativi di tipo orizzontale ed
MODULO 10
Distribuzione del calore negli edifici negli Impianti geotermici. Schemi tecnici, distribuzione ad aria ed a acqua, produzione
combinata di calore per la climatizzazione e ACS, distribuzione a bassa temperatura, integrazione delle ghp con altri fonti
rinnovabili
MODULO 11
Visita Facoltativa Impianto GeoEnergia (Lozzolo, Vercelli)
Calendario (2011)
SABATO mattina (presso Collegio Geometri, Via B.Bisagno 8)
VENERDI (presso Sede Provincia, Via Cesarea 14, Genova)
VENERDI (presso Facoltà di Ingegneria, Genova)
29-30 aprile (mod. 1 e 2)
13-14 maggio (mod. 3 e 4)
27-28 maggio (mod. 5 e 6)
10-11 giugno (mod. 7, 8, 9)
ven. 17 giugno (mod. 10 e 11)
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Le Pompe di calore geotermiche: risposta
dinamica del terreno e peculiarità del
processo di dimensionamento del sistema
(M.Fossa, Unige)
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Pompe di calore
Sorgente calda
Liquido alta
pressione alta
temperatura
Vapore alta
pressione alta
temperatura
La favorevole (e costante)
temperatura del terreno e delle
acque di falda, suggeriscono di
utilizzare la risorsa geotermica per
applicazioni con pompe di calore
Vapore bassa
pressione bassa
temperatura
Liquido bassa
pressione bassa
temperatura
Sorgente fredda
Aria Acqua Suolo
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Diffusione delle GHP e scenari
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GHP in Europa
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Applicazione ad una piccola utenza
(asilo nido aziendale Ospedale S.Martino,
S.Martino, Genova)
L’impianto geotermico sperimentale è
stato installato all’interno dell’ospedale
del San Martino di Genova al servizio dei
locali destinati all’asilo nido aziendale
della struttura.
Caratteristiche
2 BHE, 90 profondità, double U pipe
10KWt (in riscaldamento)
Sistema di monitoraggio:
Accesso via web, sampl.
Freq. 1Hz
7 sensori di Temp.
2 flow meters
1 Power meter
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Sonde verticali BHE - tipologia
Sonda singola
b
Doppia sonda
Resistenza interna conduttiva BHE [K/W m] – Diametro
perforazione 0.11 m, Tubo PE DN 25 PN10
Interasse
[mm]
Tipo di
sonda
70
U
Singolo
U
Doppio
U
Singolo
U
Doppio
70
50
50
Conducibilità termica del riempimento
(grout) [W/m K]
0.7
1
1.5
2.0
0.134
0.109
0.0893
0.0785
0.0762
0.0627
0.0515
0.0454
0.182
0.142
0.110
0.0936
0.127
0.0995
0.0774
0.0659
Matrice di 4 sonde
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Sonde verticali BHE – tipologia
(II)
Fonte: Haka Gerodur
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Flusso termico estratto (BHE, VDI 4640)
Overall heat extraction time
Soil type
bad underground (λ
<1,5 W/m/K)
1800h/year
2400h/year
25W/m
20 W/m
regular rock and water
saturated sediments (λ
=1,5 -3,0 W/m/K)
rock λ > 3,0 W/m/K
Different
underground:
gravel, sand dry
gravel, sand watersaturated
clay, loam humid
limestone (massive)
sandstone
acid magmatites (e.g.
granite)
basic magmatites (e.g.
basalt)
gneiss
high groundwater-flow
in gravel/sand for
single systems
65 W/m
84 W/m
50 W/m
70 W/m
W/m riferiti alla potenza
della macchina ?
Alla potenza media di un
qualche mese dell’
dell’anno ?
<25 W/m
65
35
55
65
–
–
–
–
80
50
70
80
W/m
W/m
W/m
W/m
<20 W/m
55
30
45
55
–
–
–
–
65
40
60
65
W/m
W/m
W/m
W/m
65 – 85 W/m
55 – 70 W/m
40 – 65 W/m
70 – 85 W/m
35 – 55 W/m
60 – 70 W/m
80 – 100 W/m
Sonda singola... E nel caso di
sonde multiple ?
W/m riferiti alla potenza termica
estratta dal terreno, alla potenza
nominale della pdc....
pdc....
Solo Sonda singola...
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Il Dimensionamento del campo
sonde
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Temperatura del suolo durante l’estrazione
termica (I)
Il calore prelevato dalle sonde geotermiche soddisfa un bilancio di energia che nel
breve/medio periodo coinvolge in maniera predominante la capacità termica della
massa di sottosuolo e nel lungo periodo gli scambi termici per conduzione con gli
strati adiacenti di terreno, il flusso geotermico, l’apporto solare, gli scambi termici
associati alla percolazione dell’acqua precipitata e il flusso di acqua freatica.
il problema del dimensionamento delle sonde interrate deve considerare il
meccanismo del progressivo depauperamento termico che il suolo subisce nel
corso degli anni qualora il funzionamento del sistema GHP avvenga senza
rigenerazione (e.g. senza immissione di calore nel terreno, cosa che può avvenire
se il sistema geotermico è utilizzato per le operazioni di raffrescamento).
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Il terreno indisturbato
Temperatura indisturbata
del terreno, Tground
•Profondità < 15 m :
La temperatura flutta in
relazione agli andamenti
stagionali di Taria esterna
•Profondità ~ 15 m
Temperatura del terreno =
media annua Taria esterna
Gehlin S., 2002
•Profondità > 15 m :
La temperatura del terreno
aumenta con la profondità.
Il gradiente geotermico è
circa 2-3°C ogni 100 m.
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Temperatura del suolo
durante l’estrazione
termica (III)
Profilo di temperatura nel terreno ad 1 m
di distanza da una sonda geotermica
verticale al trascorrere degli anni di
esercizio (Fonte Rybach e Eugster,
1997)
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Temperatura del suolo durante
l’estrazione termica (IV)
Profili di temperatura nel terreno intorno ad una sonda geotermica
verticale (Funnel distribution, profilo ad imbuto)
Andamento delle isoterme intorno ad una sonda geotermica di 105 m,
durante il funzionamento in Elgg/ZH, Svizzera (Fonte Rybach e
Eugster, 1997)
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Il modello a due resistenze termiche per il
dimensionamento degli impianti GHP (I)
Tf, in
8
Heating
COP
6
GSHP
4
2
-10
0
10
20
30
Inlet fluid temperature, Tf, in (°C)
H
Tf, ave
z
Grout
Pipe
B
Tb
Rbhe
Tb
Rground(τ)
Q/L
Tf
2rb
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Tground
Il modello a due resistenze termiche per il
dimensionamento degli impianti GHP (III)
8
Heating
COP
Tf, in
6
4
GSHP
2
-10
0
10 20 30
Inlet fluid temperature,
Tf, in (°C)
SCOPO DEL DIMENSIONAMENTO
H
z
Lunghezza degli scambiatori sufficiente per
ottenere temperature del fluido al ritorno (Tf, in)
dal terreno sufficientemente elevate al fine di:
1) Ottenere COP medi stagionali elevati
B
2) Scongiurare condizioni di temperatura troppo
bassa nelle condizioni più sfavorevoli
Tf, ave
Rbhe
Rground(τ)
Tb
Tground
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Q
Il modello a due resistenze termiche per il
dimensionamento degli impianti GHP (IV)
METODOLOGIA DEL DIMENSIONAMENTO
8
Heating
COP
6
4
Tf,in è legata alla temperatura media lungo lo
(gli..) scambiatore (i..)
2
-10
Tf,ave=(Tf, in+Tf,out)/2
A flusso termico Q assegnato, Tf,ave dipende da
Tground,inf e dalle resistenze termiche del terreno e
della perforazione
0
10 20 30
Inlet fluid temperature,
Tf, in (°C)
Tf, in
GSHP
Quindi:
H
Occorre calcolare Rbhe e Rground
Occorre conoscere il flusso termico Q [W] al
terreno, che varia nel tempo (sia su base oraria,
che giornaliera che mensile...)
Q=Qground = Qbuild(COP-1)/(COP)
B
Rbhe
Tf, ave
Rground(τ)
Tb
Q
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Tground
Il modello a due resistenze termiche per il
dimensionamento degli impianti GHP (V)
8
Heating
COP
6
Occorre conoscere il flusso termico richiesto
dall’edificio Qbuild [W], in termini di energia E per
assegnati intervalli di tempo (ore, giorni, mesi..)
Q=Qground = Qbuild(COP-1)/(COP)
4
2
-10
0
10 20 30
Inlet fluid temperature,
Tf, in (°C)
Eground = Ebuild(COP-1)/(COP)
Tf, in
GSHP
80000.0
Winter only hourly Loads
Carico termico al terreno [W]
60000.0
H
40000.0
20000.0
B
0.0
Rbhe
Rground(τ)
-20000.0
Tf, ave
-40000.0
-60000.0
0
Tb
Q
Presentazione del Corso
Perform
2000
4000
6000
8000
“Progettazione
di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
Ore
dell'anno
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Pag. 31 / 100
Carichi termici costanti nel tempo
(e singola sonda…)
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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Pag. 32 / 100
Tground
La resistenza termica del
terreno e i modelli 1D (VII)
T (rb ) − Tgr ,∞
′
Qave
=
Γ( Fo)
C k gr
Fo=Forb=ατ/rb2
Q’
[W/m]
T(rb)-Tgr,∞
[°C]
τ
τo
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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Pag. 33 / 100
La resistenza termica del terreno e i modelli 1D
General Heat Conduction Equation (cyl. Coordinates)
Rybach & Eugster, 1997
1D transient heat conduction equation
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
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La resistenza termica del terreno e i modelli 1D (II)
Infinite Line Source Model (ILS)
The line source developed by Kelvin and
later solved by Ingersoll and Plass
(1948)
1D transient heat conduction,
constant thermal properties,
no underground fluid flow,
constant heat flux
Q’
Q’
∆T
α
Q’
= T(r, τ) – Tgr, ∞
=
ground diffusivity (m2/s)
=E1(x)
homogenous medium
γ =0.577216
Q’
x=1/(4For)
Exponential integral
Fo=For=ατ/r2
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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La risposta del terreno..
Courtesy of Prof. M. Bernier, EP Montreal
Conditions:
.
.
Q=2.5 kW (Q/L = 25 W/m)
Borehole diameter = 6 inches
Ground conductivity = 2.1 W/m-K
Ground diffusivity = 0.08 m2/day
Far-field temperature = 10oC
Rground(inizio)= 0 [mK/W]
(initial temperature)
100 m
Rground(1day)=
(10-6.6)/25=0.136[mK/W]
Rground(1week)=(10-4.4)/25=0.224[mK/W]
Rground(τ)=(Tbhe-Tgr)/(Q/L)
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DIPTEM
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Carichi termici variabili nel tempo
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DIPTEM
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La resistenza termica del terreno e l’utilizzo delle
funzioni di trasferimento Γ
Ebld
gr
[kwh]
[kWh] or
or [MJ]
[MJ]
Ebld= energia richiesta
dall’edificio
E
2
Egr= energia richiesta al
terreno
E3
E1
E4
Egr= Ebld=(COP-1)/COP
τ1
τ2
τ3
τ4
τ [ore, giorni o mesi]
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DIPTEM
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La resistenza termica del terreno e l’utilizzo delle
funzioni di trasferimento Γ
Q’gr
[W/m]
T(rb)-Tgr
Q’2
Q’3
Q’1
Q’4
τ1
τ2
τ3
τ4
τ [ore, giorni o mesi]
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DIPTEM
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La resistenza termica del terreno e l’utilizzo delle
funzioni di trasferimento Γ
Q’gr
[W/m]
Nel caso di carichi
termici al terreno
negativi
(Raffrescamento
estivo, calore
sottratto al
terreno)
T(rb)-Tgr
Q’1
Q’2
Q’3
τ1
τ2
Q’5
Q’4
τ3
τ4
τ [ore, giorni o mesi]
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DIPTEM
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Carichi termici variabili ed il
metodo Ashrae-CTI
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DIPTEM
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La sovrapposizione
temporale ed il metodo
Ashrae-CTI
Qi
∆τh
[W]
Qh
∆τm
Il metodo Ashrae (Kavanaugh &
Rafferty) si basa sull’ipotesi che il
dimensionamento di un campo
sonde geotermiche possa essere
fatto considerando 3 soli impulsi
termici,
rappresentativi
di
altrettanti intervalli di tempo di
durata pluriennale, mensile, oraria
(6 ore)
∆τy
Qm
Qy
τ
t2
t1
t3
[s]
t
M.Fossa, The Temperature Penalty Approach to The Design Of Borehole Heat
Exchangers For Heat Pump Applications, Energy and Buildings, to be published,
(2011).
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
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La sovrapposizione
temporale ed il metodo
Ashrae-CTI
Il metodo Ashrae (Kavanaugh &
Rafferty) utilizza una formula
per consentire il calcolo della
lunghezza complessiva L degli
scambiatori interrati
{
Q y R y + Q m Rm + Q h (Rh + Rbhe )}
L=
Tgr ,∞ − T f ,ave ( τ N ) − T p
I flussi termici (espressi in [W]) Qy, Qm e Qh
rappresentano il valore mediato del flusso termico
scambiato al terreno in tre periodi, annuale, mensile e
esaorario (6h) rispettivamente
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DIPTEM
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Pag. 43 / 100
La sovrapposizione
temporale ed il metodo
Ashrae-CTI
L=
{Q y R y + Q m Rm + Q h (Rh + Rbhe )}
Tgr ,∞ − T f ,ave ( τ N ) − T p
I flussi termici (espressi in [W]) Qy, Qm e Qh vorrebbero descrivere
sintericamente il profilo del carico al terreno durante tutto il periodo
di funzionamento, posto convenzionalmente pari a 10 anni
Carico termico al terreno [W/m]
50
45
40
Qm
Qy
35
30
25
20
15
10
5
0
Presentazione del Corso
Perform
1
5
9
13 17 21 “Progettazione
25 29 di33
37Geotermici
41 45
53 per 57
Sistemi
a bassa49
Entalpia
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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Università degli Studi di Genova
UnitàSeconda
di tempo
(per esempio mese) Pag. 44 / 100
Edizione, 2011
61
65
Carichi termici variabili,
“ricarica del terreno” e campi
multisonda di assegnata
geometria
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
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Pag. 45 / 100
80000.0
80000.0
60000.0
Carico termico al terreno [W]
Carico termico al terreno [W]
Winter and Summer Loads
Winter only hourly Loads
60000.0
40000.0
20000.0
0.0
-20000.0
-40000.0
-60000.0
40000.0
20000.0
0.0
-20000.0
-40000.0
-60000.0
0
2000
4000
6000
8000
0
Ore dell'anno
2000
4000
6000
8000
Ore dell'anno
2 profili termici al terreno, 2 campi sonde di uguale lunghezza complessiva
4x4
16x1
Presentazione del Corso
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
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Pag. 46 / 100
Andamento della
temperatura del fluido
vettore alla pompa di
calore.
16
12
10
Simulazione oraria su 5
anni di funzionamento
consecutivi
8
6
4
Winter and summer heat loads - daily average
Rb=0.1 [m/WK] Tgr,? =10 [°C]
2
4X4
0
0
500
10
1000
Time [days]
16x1
4x4
1500
16x1
2000
9
Average fluid temperature [°C]
Average fluid temperature [°C]
14
8
7
6
5
4
3
2
1
Winter heat loads only - daily average
Rb=0.1 [m/WK] Tgr,? =10 [°C]
4X4
Presentazione del Corso
Perform
0
“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
0
1500
applicazioni a500
Pompa di calore”1000
Università
Università degli Studi di Genova Seconda Edizione, 2011 Time [days] Pag. 47 / 100
I Moduli del Corso Geotermia a
bassa entalpia
Esempi di Slides tratte dalle dispense
del corso
(circa 1500 slides)
Presentazione del Corso
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DIPTEM
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16x1
2000
Geotermia
(tratto da Modulo 1, Lezioni di G.Buonasorte, UGI)
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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LE PRINCIPALI APPLICAZIONI DELLA GEOTERMIA
Diagramma di Lindal
Cos'è l'Energia Geotermica?, M.H. Dickson e M. Fanelli. Website International Geothermal Association: http://iga.igg.cnr.it/geo/geoenergy.php?lang=it
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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Pag. 50 / 100
50
Fonte geotermica
Tecnologie di utilizzazione
Impianti a vapore
Tipo di fluido:
¾ Vapore dominante
¾ Acqua dominante
La caratteristiche dei fluidi
geotermici
condizionano ii possibili utilizzi
Vapore secco Vapore di flash
Impianti binari
Contenuto energetico:
¾ Alta entalpia
¾ Generazione di energia
elettrica
¾ Media entalpia
Acque calde
¾ Bassa entalpia
¾ Uso diretto ed indiretto del calore con varie tecnologie
impiantistiche
Produzione reiniezione
e/o pompe
di
calore
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DIPTEM
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Cataldi R., Mongelli F. Squarci P., Taffi L., Zito G., and Calore C. (1995). Geothermal ranking of the Italian territory. Geothermics, Vol. 24, n. 1; pp. 115‐129.
CARATTERIZZAZIONE GEOTERMICA DEL
TERRITORIO ITALIANO
La presenza di rocce permeabili
ricoperte da coltri impermeabili, genera
le condizioni favorevoli per la
formazione di risorse geotermiche:
Risorse con T >150 °C entro 3 km, in molte
aree della fascia preappenninica toscolaziale-campana ed in alcune isole
vulcaniche del Tirreno;
Risorse con T = 50-150 °C entro 3 km, nel
50% del territorio nazionale (in particolare
nella Pianura padana e nelle isole
maggiori)
Risorse con T = 30 - 50 °C a modesta
profondità, nelle aree suddette ed in molte
altre.
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DIPTEM
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52
Pompe di calore a compressione di
vapore
(tratto da Modulo 2, Lezioni di Zerbetto/Lazzari, Hiref)
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
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sommario
¾RICHIAMI TEORICI
• termodinamica di base dei cicli frigoriferi
• pompe di calore a compressione di vapori
• prestazioni (EER e COP)
• analogia Idraulica
¾QUADRO AMBIENTALE
• ozono e ODP
• riscaldamento globale e GWP → TEWI
¾EFFICIENZA
• la geotermia — edifici ad elevata prestazione energetica
• recupero totale e recupero parziale
• doppia inversione di ciclo (acqua e refrigerante)
• valvola di espansione a controllo elettronico
• pompe a velocità variabile
• set‐point scorrevole e importanza del software
• scelta del “no glicole”
• evaporatore allagato
• compressori BLDC inverter
• confronto con soluzioni tradizionali
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p/T dell’utenza
p/T della sorgente
Liquido
Vapore
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Liquido + Vapore
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doppia inversione di ciclo (acqua e refrigerante)
R
Chiller
Utenza
Pompa di Calore
R
Chiller
Utenza
R
Utenza
Utenza
Le valvole a 4‐vie lato acqua
R
Pompa di Calore
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Pompe di calore ad assorbimento
(tratto da Modulo 3, Lezioni di Ghisleni, Robur)
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DIPTEM
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GAHP vs PDC
ENERGIA PRIM.
EFFETTO UTILE
ABSORPTION HEAT PUMP
COMPRESSION HEAT PUMP
GAS
HEAT
HIGH
PRESSURE
generator
ELECTRICITY
PUMP
condenser
COMPRESSOR
absorber
HEAT
evaporator
LOW
PRESSURE
Prelievo energetico
da fonte rinnovabile
HEAT
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Pompe di calore geotermiche GAHP - GS
Impianti idronici di climatizzazione invernale ed estiva
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DIPTEM
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Sistema funzionante alle condizioni di carico contemporaneo di base
SPEGNIMENTO
TERMOREFRIGERATORI
2
1
3
0
4
b ar
60
2
40
3
80
1
20
4
0
1 20
°C
b ar
2
2
1
1
3
4
3
0
0
4
bar
bar
7°C
2
2
3
1
1
1
1
0
4
3
0
bar
UTILIZZO
2
0
4
bar
4
bar
2
3
3
0
4
bar
UTILIZZO
POTENZA
POTENZA
FRIGORIFERA
TERMICA
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Calcolo delle prestazioni delle Pompe di
Calore
(tratto da Modulo 3, Lezioni di Minchio, 3F_Engineering)
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Geoscambiatori, perforazione, posa in
opera, cantiere
(tratto da Modulo 4, Lezioni di Cesari, GeoNet)
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Classificazione del sottosuolo, caratteristiche
geotecniche dei terreni, gli acquiferi e le
falde
Impianti geotermici a circuito aperto
(tratto da Modulo 4, Lezioni di Galgaro, Uni PD)
(tratto da Modulo 5, Lezioni di Minchio, 3F Engineering)
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Variazione
giornaliera
e stagionale
Zona a
temperatur
a costante
Inizio
dell’influenza
del gradiente
geotermico
Il sottosuolo è inteso quindi come
una massa di grande capacità
termica e utilizzato come sorgente
in un ciclo termodinamico dal
quale estrarre calore durante la
stagione invernale ed al quale
cederne durante quella estiva utile
per il riscaldamento e climatizzazione di edifici
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Scambiatori interrati
(tratto da Modulo 5, Lezioni di Minchio, 3F Engineering)
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Metodi di dimensionamento
(tratto da Modulo 7, Lezioni di Minchio, 3F Engineering)
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Ashrae-CTI, calcolo assistito al
calcolatore
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Geostrutture
(tratto da Modulo 8, Lezioni di D.Pahud, Univ. Supsi, CH)
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Il Thermal Response Test
(tratto da Modulo 9, Lezioni di Galgaro, Uni PD)
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“Progettazione di Sistemi Geotermici a bassa Entalpia per
DIPTEM
applicazioni a Pompa di calore”
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EFFETTI DEL MOVIMENTO DI FALDA
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Esercitazione al calcolatore con il Codice di
Calcolo EED 3.0
(tratto da Modulo 11, Lezioni di Dalla Pietà, Uni GE)
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Il software EED (Earth Energy Designer)
Earth Energy Designer (EED) è un
codice di calcolo per il
dimensionamento di sonde
geotermiche verticali interrate per
applicazioni a pompa di calore,
basato sull’approccio delle funzioni di
trasferimento g (g-functions) introdotto
da Eskilson nel 1987.
Il codice calcola l’andamento nel
tempo della temperatura del fluido
vettore di ritorno dalle sonde in
funzione della configurazione, delle
proprietà del terreno e dei carichi
termici mensili richiesti all’impianto di
climatizzazione.
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Il software EED (Earth Energy Designer)
Sezione di Input – Proprietà del Terreno
Se la località oggetto dell’intervento
non è compresa nel database, la
temperatura del terreno alla
superficie può essere calcolata
come media delle temperature
dell’aria registrate durante l’anno.
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Il software EED (Earth Energy Designer)
Sezione di Input – Perforazione e Scambiatore di Calore
Il primo menu a tendina di questa
sezione permette di scegliere la
tipologia di tubazioni all’interno della
perforazione: tubazione coassiale,
singolo U, doppio U e triplo U. A
seconda della tipologia scelta la
parte inferiore della finestra di
dialogo (contenente i dati sulla
tubazione) varia per permettere
l’inserimento di input riferiti alla
specifica configurazione.
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Il software EED (Earth Energy Designer)
Sezione di Input – Carico Termico
E’ possibile impostare un valore totale
annuale di carico termico, il quale viene
poi ripartito dal codice tra i mesi
seguendo un profilo di carico predefinito
(ma che può essere modificato
dall’utente) riportato nelle prime due
colonne di dati mensili; quantità positive si
riferiscono al fabbisogno dell’edificio in
riscaldamento.
In alternativa i valori di energia mensile
possono essere inseriti mensilmente.
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