On the modeling of thermo-active diaphragm walls by numerical analyses and monitoring data

The thermo-active diaphragm walls are traditional retaining structures that embed heat exchangers for the exploitation of the near-surface geothermal energy, used in the thermal conditioning of buildings and infrastructures. In this thesis, a thermo-active diaphragm wall is numerically analyzed based on input monitored data and all the aspects of its modeling are investigated. Generally, two analyses have been conducted for the same 3D model; first, the thermal analysis that leads to the determination of the variation in temperature fields due to natural environmental conditions, then a two-year cycle analysis of heating/cooling active mode of the geothermal system. The performance of the thermo-active diaphragm wall system is studied and verified with monitored data of actual project, which provide an opportunity to optimize the numerical model. Furthermore, on-site data of the project have played a significant role at the calibration of the model. These data have provided a clear understanding of the energy performance and thermal response of the diaphragm wall and soil mass and allowed for better comprehension of the heat transfer process. The comparison between the monitored data of the project and the result of the numerical analysis confirmed the reliability of the numerical analysis. The results of the numerical analysis are in agreement with the sensors’ temperatures. In addition, looking at the power of the system, the result has shown to be accurate. The numerical results also demonstrate that the model's behavior is strongly dependent on the boundary conditions and on the system input data. A more refined calibration still can be pursued in order to improve the predictive potential and to outline suggestion for a possible optimization of the system.

Le paretie a membrana termoattiva sono strutture di trattenimento tradizionali che incorporano gli scambiatori di calore per lo sfruttamento di energia geotermica vicina alla superficie, utilizzati nel condizionamento termico di edifici e infrastrutture. In questa tesi, la paretie a membrana termoattiva viene analizzata numericamente in base ai dati monitorati dall'input e vengono studiati tutti gli aspetti della sua modellazione. Generalmente, sono state condotte due analisi per lo stesso modello 3D; In primo, l'analisi termica che porta alla determinazione della variazione dei campi di temperatura a causa delle condizioni ambientali naturali, quindi un'analisi a ciclo biennale del modo di riscaldamento / raffreddamento attivo del sistema geotermico. Le prestazioni del sistema a parete a membrana termoattiva sono studiate e verificate con dati monitorati del progetto effettivo, che forniscono l'opportunità di ottimizzare il modello numerico. Inoltre, i dati sul sito del progetto hanno svolto un ruolo significativo nella calibrazione del modello. Questi dati hanno fornito una chiara comprensione della prestazione energetica e della risposta termica della parete della membrana e della massa del suolo e hanno consentito una migliore comprensione del processo di trasferimento del calore. Il confronto tra i dati monitorati del progetto e il risultato dell'analisi numerica ha confermato l'affidabilità dell'analisi numerica. I risultati dell'analisi numerica sono in accordo con le temperature dei sensori. Inoltre, guardando la potenza del sistema, il risultato è stato dimostrato corretto. I risultati numerici mostrano inoltre che il comportamento del modello dipende fortemente dalle condizioni di confine e dai dati di ingresso del sistema. È ancora possibile perseguire una calibrazione più raffinata al fine di migliorare il potenziale predittivo e illustrare i suggerimenti per una possibile ottimizzazione del sistema.