Modellazione numerica del trasporto di calore in falda per lo studio delle prestazioni energetiche e degli impatti termici derivanti dall'attività di una sonda geotermica

Ground-Source Heat Pumps (GSHPs) are among the cleanest and most energy efficient systems for heating or cooling buildings as alternative to traditional methods. In GSHP systems, the heat pump is coupled to a closed loop Borehole Heat Exchanger (BHE) buried into the ground. Inside, a circulating thermal-carrier fluid extracts the heat from the ground during winter and, vice versa, releases it during summer. The overall goal of the PhD thesis was to prove that numerical models can be successfully applied for design and optimization aims, allowing a more efficient use of the subsurface for geothermal purposes. At first, a numerical model of a single BHE was implemented in MODFLOW/MT3DMS codes and results in terms of predicted exchanged energy and temperatures distribution were assessed. For validation purposes, the results were compared to two distinct analytic solutions and for different groundwater flow velocities. An innovative analytic solution, known as moving line source, was considered allowing to introduce the advection term of heat transfer in aquifer. Successively, in order to simulate a typical GSHP operation, a sensitivity analysis of the heat transfer parameters was carried out and hence the numerical model adapted to a real case (EcoZoo project): the design, development and monitoring of a pilot GSHP providing heating, cooling and ventilation to a piglet room were accomplished. Despite the lack of experimental data in literature, the acquired data allowed to evaluate the capability of MODFLOW/MT3DMS for heat transfer modelling. After a thermal and hydrogeological parameters calibration, the numerical model correctly reproduced the heat transfer into the aquifer. By the use of the developed model it is now possible to thermally typify the aquifer in detail and to reproduce the real length of the thermal plume after a typical heating operation. Moreover, results from the real case application demonstrated the feasibility to use BHEs in zoo-technical production, e.g. hence showing the potential for BHEs to improve the eco-sustainability aspects of such activities.

I sistemi a pompa di calore geotermica (GSHP) sono tra i sistemi più puliti ed energeticamente efficienti utilizzati per il riscaldamento o raffrescamento di edifici, come alternativa ai metodi tradizionali di riscaldamento. Nei sistemi GSHP, la pompa di calore è accoppiata a geotermiche verticali a circuito chiuso (BHE) immerse nel terreno. All'interno del BHE, circola un fluido termo-vettore che estrae il calore dal terreno durante l'inverno e, viceversa, lo inietta durante l'estate. L'obiettivo principale della tesi di Dottorato è quello di dimostrare che i modelli numerici possono essere applicati con successo per scopi di progettazione e ottimizzazione, consentendo un utilizzo più efficiente del sottosuolo per scopi geotermici. Come primo step, è stato implementato un modello numerico di un singolo BHE nel codice di calcolo MODFLOW/MT3DMS e successivamente sono stati valutati i risultati in termini di energia scambiata e distribuzione di temperature nel sottosuolo. Al fine di validare il modello numerico realizzato, i risultati sono stati confrontati con due soluzioni analitiche, al variare della velocità di flusso di falda. E’ stata utilizzata infatti anche l’innovativa soluzione analitica della sorgente lineare in movimento che permette di considerare analiticamente il termine advettivo del trasporto di calore nell’acquifero. In seguito, al fine di simulare il tipico funzionamento di un GSHP, è stata effettuata un'analisi di sensibilità dei parametri del trasporto di calore. Il modello numerico è stato successivamente applicato al caso reale (progetto EcoZoo). Nell’ambito del progetto sono state seguite la progettazione, lo sviluppo ed il monitoraggio dell’impianto GSHP pilota, il cui scopo è riscaldare e raffrescare, mediante un costante ed adeguato ricambio d’aria, una sala destinata al post-svezzamento di suinetti. A causa della mancanza di dati sperimentali in letteratura, i dati acquisiti hanno permesso di valutare la capacità di MODFLOW/MT3DMS per la modellazione del trasporto di calore. Dopo un’attenta analisi di calibrazione dei parametri termici ed idrogeologici, il modello numerico riproduce correttamente il trasporto di calore in falda. Sfruttando il modello numerico realizzato è ora possibile caratterizzare termicamente nel dettaglio l’intero sistema acquifero e riprodurre la lunghezza effettiva del plume termico dopo un tipico funzionamento di riscaldamento da parte del BHE. Inoltre, i risultati dell'applicazione al caso reale hanno dimostrato la fattibilità di utilizzo dei BHE nella zootecnia, incrementando così l’ecosostenibilità di tale settore.