Progettazione di un apparato di laboratorio per lo studio del test di risposta termica del terreno in presenza di moto di falda

Groud Source Heat Pump working principle is based on the installation of buried heat exchangers into the ground, called borehole (or ground) heat exchangers. This technology shows an higher energy efficiency and a lower environmental impact than the traditional air conditioning systems. These advantages are leading to a growing spread of its application to heating and cooling solutions for commercial and residential buildings. An accurate ground-heatexchanger design plays a fundamental role to guarantee an high value of the COP/EER parameter of the ground-source heat pump, and it is related to the knowledge of the mean ground thermal conductivity λ and of the thermal borehole resistance Rbh, as ratified in the norm UNI 11466 [1]. Since it is difficult to obtain accurate values of these parameters analyzing the geological information or reading the ground stratigraphic profile, the so called Thermal Response Test (TRT) in situ is adopted at the preliminary stage. The standard TRT procedure considers the injection of a constant thermal power into the ground, thanks to the circulation through an heat exchanger of an heat transfer fluid, whose temperatures at the inlet and outlet sections are recorded for a defined time period. Subsequently data are interpreted through the Infinite Line Source (ILS) analytical model, that let us obtain the parameters λ and Rbh. However this model shows different limits: it neglects the length and the radial dimension of the borehole; it approximates the ground as an homogeneous and isotropic medium; it does not take into account the thermal heat transfer along the axial direction. The main lack is the hypothesis of purely conductive heat transfer between the heat source and the ground. In fact, in presence of significative ground water advective flows, the model does not consider the effects of the ground water flux, and simplifies all possible heat transfer mechanisms with one unique purely conductive heat transfer thanks to an equivalent parameter λ. The present research, that is financed by “Fondo di Ateneo per la Ricerca di Base” (FARB) assigned to the Energy Department of Politecnico di Milano, stems from the last simplification that characterizes the TRT in situ. The ultimate goal of this work consists in obtaining a new method, which can be either a completely new procedure or an improvement of the actual TRT. The leading idea is to found the research on a physical borehole heat exchanger model in scale, buried into a porous medium permeated by water, in other words an apparatus that can be built inside the laboratory, where it is possible to control and parameterize the soil and groundwater flow conditions, unlike what happens during a TRT in situ. The purpose of this thesis work is the design of the fundamental test apparatus components (SandBox): - the first step is represented by the geometric dimensioning of the heat exchanger and of the box which contains the porous medium, on the basis of the analysis of the thermal transfer phenomenon. The analysis is lead thanks to the implementation on Matlab of some analytical models for line sources, that are described in Chapter 2. A parallelepiped trasparent plexiglass geometry is selected, where the heat exchanger is buried through one of the lateral face, parallel to box base. The necessity to reduce the heat exchanger dimension, without keeping the proportion between the radius (10 times scaled) and its length (100 times scaled) not to have a threadlike heat exchanger, is not a problem to keep on working in similitude with the real scale. The consequence is the time and velocity scale reduction, to keep the same Fourier and Péclet number as the real case. The TRT time period changes from 72 hr in the real case to 0,72 hr in the laboratory, instead the velocity is multiplied by a factor of 10 obtaining a range between 10-7 m/s e 10-5 m/s. - at a later stage we take care of the way to reproduce the natural groundwater flow, designing an hydraulic system and the following connection with the box. Especially we take advantage of the acceleration due to gravity to obtain the water filtration through the SandBox, collecting the outcoming water and refilling the box from the top, thanks to the hydraulic circuit. The components that are suitable for the lowest flow rate, are not suitable for the highest flow rate and viceversa. In addition it is necessary to think about a solution to obtain the most uniform water velocity at the inlet and at the outlet of the SandBox: we decide to apply a nonwoven fabric layer and a steel perforated panel. If the pump has to win the pressure drop due to the tubes and small items, the pressure drop given by the ground has to be won by a layer of water, kept constant at the top of the box. - finally we design the data acquisition system concerning the temperature and flow rate sensors: the displacement of the temperature sensors was decided, the data acquisition system and the appropriate instrumentations were selected to be able to measure and record the control and controlled variables of the problem. The problem encountered is related to the limited spatial extension of the numerically simulated heat transfer (20 cm), and to its rapid dynamics characterized by variations of the order 1.1 ° C / min. These aspects involve the need to find temperature meters as small as possible, to be able to place the sensors at a minimum distance of 1 cm, obtaining as punctual measurements as possible, avoiding that the metal matter interferes on the heat transfer propagation. We decide to use 57 waterproof thermocouples (1 mm diameter). At the end of the designing procedure we characterized the sand properties (density and porosity), we built the box and executed the first test related to the hydraulic seal. The box was built up, and its hydraulic seal was tested. The outcomes of the sand characterization, especially regarding the porosity, showed the sand porosity independence from the box filling technique: both the pluviation technique in air (saturated subsequently) and the pluviation technique in water gives a porosity value equal to 0,37. The hydraulic seal tests showed that the glue and/or the bonding can not keep water inside the box, hence it is necessary to think about different solutions, such as using a metal frame of the SandBox.

Gli impianti di climatizzazione a pompa di calore geotermica si basano sull’utilizzo di scambiatori interrati detti geoscambiatori. Rispetto ai sistemi convenzionali di condizionamento dell'aria, questa tecnologia presenta un'efficienza energetica maggiore e un impatto ambientale minore. Questi vantaggi stanno portando alla loro crescente diffusione in applicazioni di riscaldamento e raffrescamento per edifici ad uso commerciale e residenziale. Per garantire un elevato COP/EER della pompa di calore geotermica è di fondamentale importanza eseguire un accurato dimensionamento del geoscambiatore, il quale si basa, come prescritto dalla Norma UNI 11466 [1], sia sulla conoscenza della conducibilità termica media del sottosuolo λ, sia sulla resistenza termica del pozzo Rbh. Poiché è difficile dedurre valori accurati di questi parametri da informazioni geologiche o dal profilo stratigrafico del terreno, si effettua, in fase preliminare, il cosiddetto Test di Risposta Termica (TRT) in situ. Il metodo standard di esecuzione del TRT prevede l'iniezione di una potenza termica costante nel sottosuolo, mediante la circolazione in un geoscambiatore di un fluido termovettore, del quale vengono registrate le temperature alle sezioni di ingresso ed uscita per un intervallo di tempo stabilito. I dati ottenuti vengono interpretati mediante il modello analitico della Sorgente Lineare Infinita (ILS) il quale permette di ricavare i parametri λ e Rbh. Tuttavia tale modello presenta diversi limiti: trascura la lunghezza e la dimensione del raggio del pozzo geotermico; approssima il terreno come mezzo omogeneo ed isotropo; trascura il gradiente geotermico del sottosuolo; trascura lo scambio termico con il terreno in direzione assiale. Il principale difetto, però, è l'ipotesi di uno scambio termico per sola conduzione tra sorgente e sottosuolo. Infatti, in presenza di importanti acquiferi, il modello non considera gli effetti del flusso d'acqua sotterraneo e semplifica tutti i possibili processi di scambio termico del sottosuolo con il trasporto puramente conduttivo per mezzo di un parametro equivalente λ. Il presente lavoro di ricerca, finanziato dal Fondo di Ateneo per la Ricerca di Base (FARB) in dotazione al Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, nasce in risposta a quest'ultima problematicità del TRT in campo. Scopo ultimo della ricerca consiste nell’ottenere un nuovo metodo, sia esso una procedura interamente nuova, oppure una modifica migliorativa della procedura attualmente in uso, per l'esecuzione e l'interpretazione di un TRT comprensivo degli effetti del moto di falda. L’idea è di basare lo studio su un modello fisico in scala di un geoscambiatore immerso in un terreno poroso e permeato da acqua, per cui un apparato realizzabile in laboratorio, dove è possibile controllare e parametrizzare le condizioni del terreno e della falda, a differenza di quanto avviene durante l'esecuzione di un TRT in campo. Io scopo del presente lavoro di tesi è quello di progettare e dimensionare i componenti fondamentali dell'apparato di prova (SandBox): - il primo passo è consistito nel dimensionamento geometrico dello scambiatore e della vasca contenitiva del mezzo poroso, sulla base di un’analisi del fenomeno di propagazione del calore effettuata ricorrendo ad alcune soluzioni analitiche per sorgenti lineari descritte nel Capitolo 2, implementate in codici Matlab; si è scelta una geometria parallelepipeda di plexiglass trasparente nella quale il geoscambiatore viene inserito attraverso una faccia laterale, parallelo alla base della vasca. L'analisi dimostra che la necessità di scalare il geoscambiatore, senza mantenere la proporzione tra dimensione del raggio (che viene scalato di un fattore 10) e lunghezza dello scambiatore (che viene scalata di un fattore 100) per evitare un geoscambiatore filiforme, non preclude la possibilità di lavorare in similitudine con il caso di geoscambiatore reale. Ne è conseguita una riduzione dei tempi e delle velocità, per operare con gli stessi numeri di Fourier e Peclet del caso reale. La durata del TRT passa da 72 ore del caso reale a 0,72 ore in laboratorio, le velocità vengono invece moltiplicate per un fattore 10, ottenendo così un intervallo tra 10-7 m/s e 10-5 m/s. - successivamente ci si è occupati di come riprodurre il moto naturale di falda, progettando l’impianto idraulico ed il relativo accoppiamento alla vasca; in particolare si sfrutta la gravità per ottenere la filtrazione dell’acqua attraverso la SandBox, raccogliendo l’acqua che percola sul fondo e immettendola nuovamente da sopra la vasca e mantenendo un battente idraulico al di sopra del terreno, grazie all’impianto idraulico. L’ampio intervallo di velocità determina un campo di portate tra 21 ml/min e i 2100 ml/min e quindi comporta lo sdoppiamento del circuito idraulico. I componenti che riescono a garantire il raggiungimento della portata minima, non soddisfano la portata massima, e viceversa. Inoltre è stato necessario pensare ad una soluzione che garantisse il più possibile l’ uniformità della velocità dell’acqua in ingresso ed uscita dalla SandBox: si è pensato quindi di predisporre uno strato uniformatore composto da filtrina e una lastra in acciaio preforata. Se la pompa del circuito idraulico deve vincere la perdita di carico delle tubazioni e dei componenti di raccordo, è il battente idraulico sopra il terreno, che deve vincere la perdita di carico introdotta dallo strato di sabbia, essa dipendente dalla permeabilità idraulica, stimata mediante relazioni empiriche. - Infine si è progettato il sistema di acqusizione, relativamente ai sensori di temperatura e di portata: si è stabilito il posizionamento dei sensori di temperatura, si è selezionata la strumentazione adatta al rilevamento delle variabili di controllo e controllate specifiche di questo problema, ed il relativo sistema di acquisizione. La problematicità incontrata è relativa alla limitata estensione spaziale del fenomeno di propagazione del calore simulata numericamente, dell’ordine dei 20 cm, e alla sua rapida dinamica con variazioni pari a 1,1 °C/min. Questi aspetti comportano la necessità di reperire misuratori di temperatura che siano dotati della parte sensibile il più piccola possibile, in modo da poter posizionare i sensori ad una distanza minima di 1 cm, ottenendo una lettura il più puntuale possibile ed evitando che la presenza di materiale diverso dal terreno interferisca sensibilmente sul fenomeno di propagazione. Si è optato quindi per l’acquisto di 57 termocoppie di diametro 1 mm che garantiscono isolamento all’acqua. Al termine della progettazione, si è proceduto alla caratterizzazione, in termini di proprietà fisiche (densità e porosità), del mezzo di riempimento scelto, alla realizzazione della vasca e al primo collaudo di tenuta idraulica dell'apparato. Gli esiti delle prove sulla sabbia, in particolare in relazione alla sua porosità, mostrano che essa è indipendente dal metodo di riempimento scelto per formare il campione di suolo: sia che si ottenga il campione per “pluviation techinique” della sabbia in aria, con successiva saturazione, sia per “pluviation” della sabbia in acqua (ottenendo il campione già saturato), la porosità risulta pari a 0,37. Le prove relative alla tenuta all’acqua mostrano che la colla e/o l’incollaggio non sono in grado di garantire il trattenimento dell’acqua all’interno della scatola, e che quindi è opportuno pensare ad altre soluzioni per il raggiungimento dell’obiettivo, ad esempio ricorrendo ad una intelaiatura metallica della SandBox.