La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Attività di ricerca sugli impianti a pompa di calore accoppiata al terreno Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Attività di ricerca sugli impianti a pompa di calore accoppiata al terreno Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del."— Transcript della presentazione:

1

2 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 – Bologna Enzo Zanchini

3 IL PROBLEMA ENERGETICO-AMBIANTALE IPCC - FOURTH ASSESSMENT REPORT: CLIMATE CHANGE 2007 (AR4) Il riscaldamento del pianeta è inequivocabile (aumento delle temperature medie globali dellaria e degli oceani, scioglimento di neve e ghiaccio, innalzamento del livello del mare). La maggior parte dellaumento delle temperature medie globali è molto probabilmente dovuta allaumento delle concentrazioni di gas serra di origine antropica. I combustibili fossili non potranno assicurare per un lungo periodo il soddisfacimento dellattuale fabbisogno di energia La temperatura media dellaria vicino alla superficie della terra è aumentata di circa 1.0 °C rispetto al decennio Questo incremento di temperatura è dovuto in larga parte alle emissioni di gas serra in atmosfera causate dallattività delluomo

4 V Congresso Nazionale AIGE Modena, 8-9 Giugno 2011 Variazione della temperatura media annua dellaria, vicino al suolo, , rispetto al valore medio del periodo (°C) Metereological Office - Hadley Centre

5 La decisione n. 406/2009/CE del Parlamento europeo e del Consiglio prevede che, entro il 2020, le emissioni di gas serra dellUnione 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 lenergia da fonti rinnovabili copra il 20 % del consumo energetico totale dellUnione entro il 2020 (per lItalia la riduzione obiettivo è il 17%) La Direttiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo e del Consiglio, sulla prestazione energetica nelledilizia, 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.

6 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 lenergia 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

7 TEST DI RISPOSTA TERMICA CON VALUTAZIONE NUMERICA 1 serbatoio con resistenze elettriche 2 pompa 3 misuratore di portata 4 termoresistenza per T in 5 termoresistenza per T out 6 acquisizione dati

8 TRT eseguiti in numerose località dellItalia settentrionale: Rimini, Cesena, Maranello, Fiesso dArtico, 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. Valutazione del TRT di Fiesso dArtico

9 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 mm, inserite direttamente nel terreno, senza sigillante.

10 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

11 Potenza assorbita: T in = 4°C; T g = 14 °C; k gd = 2.8 W/(mK) Si è trovato che lingresso nel condotto anulare esterno è preferibile, e che leffetto del thermal short circuiting è poco rilevante.

12 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. Si è trovato che leffetto del thermal short circuiting è importante, e può essere sensibilmente ridotto sostituendo al polietilene il polipropilene PPR 80. Potenza rilasciata: T in = 28°C; T gd = 14°C; k gd = 2.8 W/mK

13 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

14 SOSTENIBILITÀ NEL LUNGO TERMINE DI CAMPI DI SONDE CON CARICHI TERMICI STAGIONALI NON BILANCIATI Q/Q 0 / 0 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, , ASSENZA DI MOVIMENTO DELLACQUA DI FALDA

15 STUDIO NUMERICO SISTEMATICO PER GRANDI CAMPI DI SONDE (SONDE A DOPPIO TUBO AD U) Sonda singola: Q 1 bilanciato; Q 3 completamente non bilanciato T g = 14 °C ; Valore massimo del carico Q 0 = 30 W/m

16 Valore minimo annuo di T f per una linea di infinite sonde, con k gd =1.4 W/(m K), carichi termici Q 2 e Q 3. T g = 14 °C ; Valore massimo del carico Q 0 = 30 W/m

17 Valore minimo annuo di T f per una linea di infinite sonde, con k gd = 2.8 W/(m K), carichi termici Q 2 e Q 3. T g = 14 °C ; Valore massimo del carico Q 0 = 30 W/m

18 Valore minimo annuo di T f per un campo quadrato infinito, con k gd = 2.8 W/(m K), carichi termici Q 2r e Q 3r. T g = 14 °C ; Valore massimo del carico Q 0 = 20 W/m

19 SOSTENIBILITÀ NEL LUNGO TERMINE DI CAMPI DI SONDE CON CARICHI TERMICI STAGIONALI NON BILANCIATI E MOVIMENTO DELLACQUA DI FALDA Porosità media e velocità media dellacqua per terreni non rocciosi, da (Chiasson, Rees, Spitler 2000) TerrenoPorosità mediaVelocità media acqua m/anno Ghiaia Sabbia grossa Sabbia fine Limo Argilla

20 EFFETTI DEL CARICO TERMICO REGOLARE Vengono considerati due tipi di carico termico regolare (mediato nel tempo), con periodo 0 di un anno: il tipo Q 1, con carichi stagionali parzialmente compensati; il tipo Q 2, 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. Studio in forma adimensionale

21 Carichi termici adimensionali Q* 1 e Q* 2 Q/Q 0 / 0

22 Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media allinterfaccia fra sonda e terreno: linea singola, carico Q* 2, Fo = 550. Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per k gd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima allinterfaccia sonda terreno

23 Valore massimo annuo della temperatura adimensionale media allinterfaccia fra sonda e terreno: linea doppia, carico Q* 2, Fo = 550. Già con Pe = 0.02 ( 2 m/anno per k gd = 2 W/(mK) e D = 15 cm) si raggiunge un valore asintotico della temperatura massima allinterfaccia sonda terreno

24 Valori di per * /Fo = 1, 2, 5, 10, 20, 50, per una linea singola di infinite sonde, con carico adimensionale

25 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 landamento nel tempo della differenza di temperatura adimensionale, dove T tub = temp. allinterfaccia tubi-malta sigillante, con il carico effettivo fluttuante. T s = temp. allinterfaccia 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.

26 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 Per il periodo di 6 mesi si adotta uno dei due carichi adimensionali:

27 Illustrazione del carico termico adimensionale Q* sh1, primi 10 giorni

28 Si fa riferimento a una sonda a doppio tubo a U con rapporto fra diametro esterno dei tubi (32 mm) e diametro della sonda (156 mm) e rapporto fra distanza fra gli assi di due tubi adiacenti e diametro della sonda.

29 Si definiscono i numeri puri: k gt = conducibilità termica della malta sigillante Winter operation Fo Summer operation Fo Tabella 5. Valori massimi di T* tub - T* s per vari valori di Fo e gt = densità della malta sigillante, c gd = capacità termica specifica della malta sigillante (si assume = 0.52)

30 Diagramma di T* tub - T* s in funzione di */Fo, per il caso invernale, Fo = 550 e = 0.7.

31 I risultati ottenuti mostrano che il movimento dellacqua di falda, anche con velocità modeste, può garantire la sostenibilità nel lungo periodo di grandi campi di sonde disposti in linee ortogonali al moto dellacqua. Individuano inoltre un metodo di progetto per grandi campi di sonde geotermiche in presenza di movimento dellacqua di falda. Il metodo deve essere esteso a piccoli campi di sonde e a diversi valori del dellinterasse fra le sonde.

32 S. Lazzari, A. Priarone, E. Zanchini, Long-term performance of BHE (borehole heat exchanger) fields with negligible groundwater movement, Energy 35 (2010) 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)

33 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 dellacqua 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 dellacqua di falda.

34 GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE Enzo Zanchini Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del Controllo Ambientale – Viale Risorgimento, 2 – Bologna


Scaricare ppt "Attività di ricerca sugli impianti a pompa di calore accoppiata al terreno Università di Bologna – Dipartimento di Ingegneria Energetica, Nucleare e del."

Presentazioni simili


Annunci Google