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 per climatizzare gli edifici 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 Misura del terreno indisturbato 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.

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. Campo Sonde Bertinoro CESENA Forlimpopoli F. Savio Torrente Bevano Il caso di studio riguarda un campo sonde realizzato nella frazione di Santa Maria Nuova nel Comune di Bertinoro (Provincia di Forlì-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 Pleistocene Superiore - Olocene AES7 Ghiaie di canale, limi o argille di tracimazione fluviale Pleistocene Superiore AES6 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 A0 A1 A2 AES8 AES7 AES6

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 06/10/2010 ore 12.40 Data e ora fine Test 09/10/2010 ore 12.20 Temperatura media del terreno ndisturbato 14.36°C ∆T tra mandata e ritorno in sonda 2.78°C Potenza Termica in stato stazionario 6.0 kW Conducibilità termica del terreno λ = 1.59 W/(m K) Resistenza Termica del pozzo 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 ΔT imposta (°C) Lunghezza sonda (m) N° sonde progettate Resa terreno attraversato (W/m) Potenza totale estratta (kW) Bertinoro 14.35 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 le sonde, diminuendo il rendimento dell’impianto. Terreno Indisturbato Terreno Alterato

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 Incentivare questa Energia Rinnovabile Indagini in Situ 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