Geostrutture energetiche : analisi di monitoraggio e simulazione numerica di un caso studio

Energy geostructures are traditional foundation elements that integrate heat exchangers employed for air conditioning systems of buildings and infrastructures through the exploitation of low-temperature geothermal energy. This pioneering technology comes out as an answer to the needs of obtaining installation cost and space savings in relation to the traditional borehole heat exchangers. In the first section, this thesis puts forward the current state of art of the analysed technology through a detailed review of the case studies in the existing literature. These case studies differ in the energy geostructures and in the nature of the analysis, from which the more used configurations were outlined, with a particular focus on the energy performances in relation to the traditional borehole heat exchangers. In the second section the ground-coupled plant equipped with thermo-active diaphragm walls and energy slabs in the service of the newly developed building based in Tradate (VA), was examined. the case study was further explored using on the one hand the analysis of the collected measurement data and on the other hand the ones generated by numerical simulations. The first analysis allowed to process thermal and energy data acquired reaching the definition of energy geostructures’ performance and specific thermal power ratios. The collected data were considered generally acceptable even if lower than the ones derived from the existing literature. Furthermore, it was analysed the conduct of the soil adjacent to the foundation elements instrumented in order to determine the influence resulting from the functioning of the ground-coupled system. Subsequently, numerical analysis were conducted starting from the monitored data, the findings of which remarked a significant influence of the parameters related to boundary conditions and thermo-physical properties of the ground, confirming the reliability of the numerical approach for predictive analytics, should it be properly calibrated.

Le geostrutture energetiche sono elementi di fondazione tradizionali che integrano al loro interno scambiatori di calore impiegati per la climatizzazione di edifici e di infrastrutture mediante lo sfruttamento del’energia geotermica a bassa temperatura. Tale tecnologia innovativa scaturisce in risposta alle esigenze di conseguire un risparmio dei costi di installazione e di spazio relativamente ai geoscambiatori a terreno tradizionali. Nella prima parte, il presente elaborato di tesi propone lo stato dell’arte della tecnologia oggetto di analisi attraverso una rassegna dettagliata dei casi studio presenti in letteratura. Questi si differenziano per le tipologie di geostrutture energetiche presentate e per la diversa natura delle analisi, dalle quali sono state delineate le configurazioni maggiormente impiegate con particolare riferimento alle prestazioni energetiche in relazione ai tradizionali geoscambiatori a terreno. Nella seconda parte è stato indagato l’impianto di geoscambio a servizio dell’edificio di nuova realizzazione costruito nel comune di Tradate (VA), provvisto di paratie e soletta energetiche. Il caso studio è stato approfondito ricorrendo da una parte all’analisi dei dati rilevati tramite un sistema di monitoraggio, dall’altra allo sviluppo di un modello numerico della paratia tipo e all’analisi delle relative simulazioni. Per la prima analisi sono stati elaborati i dati termici ed energetici acquisiti, giungendo alla definizione degli indici di prestazione dell’impianto e di potenza termica specifica delle geostrutture energetiche, risultati accettabili anche se generalmente inferiori rispetto agli intervalli di letteratura. Inoltre è stato analizzato il comportamento del terreno adiacente gli elementi di fondazione strumentati per determinare l’influenza derivante dal funzionamento dell’impianto di geoscambio. Successivamente, a partire dai dati monitorati sono state condotte analisi numeriche i cui risultati hanno evidenziato una notevole influenza dei parametri relativi alle condizioni al contorno imposte e delle proprietà termofisiche del terreno, confermando l’affidabilità dell’approccio numerico per analisi predittive qualora venga opportunamente calibrato.