Laboratory apparatus for thermal response test in groundwater presence : realization, testing and preliminary results

The present work thesis is inserted in the Ground Source Heat Pump (GSHP) technology contest, based on the installation of buried heat exchangers into the ground, called borehole (or ground) heat exchangers. This technology shows a higher energy efficiency and a lower environmental impact than the traditional gas boilers and air conditioning systems. These advantages are leading to a an increasing application to heating and cooling solutions for commercial and residential buildings. An accurate ground heat exchanger design is fundamental to guarantee a high value of the ground source heat pump COP parameter, 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 standard UNI 11466 [10]. Since it is difficult to obtain accurate values of the ground thermal conductivity analyzing the ground stratigraphic profile, the so called Thermal Response Test (TRT) in situ is carried out at the preliminary stage. It consists in the injection of a constant thermal power into the ground, typically 50-80 W/m, thanks to the circulation of a heat transfer fluid through a test heat exchanger. The fluid temperatures at the inlet and at the outlet sections of the heat exchanger are recorded for a defined time period. Subsequently data are interpreted through the Infinite Line Source (ILS) analytical model. This actual test procedure main limit, whenever the TRT is carried out in presence of significant groundwater advective flows, is the hypothesis of purely conductive heat transfer between the heat source and the ground. From here, the necessity to obtain a method, either an entirely new procedure or an improvement of the TRT procedure currently used, to measure on site the soil thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the aquifer Darcy velocity, namely the necessary parameters to correctly design the ground heat exchanger coupled with geothermal heat pumps in groundwater presence. For this purpose, an apparatus called “Sand Box” is realized, in order to perform the TRT in laboratory, under controlled conditions. The idea is to build a box containing a porous medium saturated with water, in which the ground heat exchanger is simulated through an electrical resistance (self-heating cables) inserted in a copper pipe and the groundwater flow is obtained using a hydraulic circuit. The temperature profile inside the Sand Box, useful to understand the heat propagation mechanism, is collected thanks to 54 local temperature probes placed in different significant positions of the porous medium and directly at the borehole edges. After the construction Sand Box steps, the predisposition of the acquisition system and of the hydraulic circuit, 2 TRT tests are performed and analyzed. The first laboratory TRT is performed without water flow and the results are interpret with the ILS model. In this way it is possible to verify the correct working of the apparatus, being this model well consolidated in no water presence. The computed thermal conductivity value is equal to 1,876 W/(m∙K). This thermal conductivity value is coherent with the thermal conductivity value taken from literature for a generic wet sand (like the one used) and it gives a confirmation of the correct apparatus working. Subsequently, a second laboratory TRT in water presence is performed, and the results are compared with the no water flow case. The results in water flow presence show a different temperature profile with respect to the no water flow case, in accordance with the relative literature. Subsequent studies and laboratory TRTs are necessary to interpret the results using the Moving Infinite Line Source model (MILS) and in general to find a new method to correctly interpret a TRT in ground water presence. The Sand Box turned out to be an optimal apparatus to be used in this direction, to find a solution that could take to a correct ground heat exchanger design in ground water flow presence, allowing a potential production costs reduction.

Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto degli impianti di climatizzazione a pompa di calore geotermica, basati sull’utilizzo di scambiatori interrati detti geoscambiatori. Rispetto ai sistemi convenzionali di condizionamento dell'aria e alle caldaie, 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 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 [10], sia sulla conoscenza della conducibilità termica media del sottosuolo λ, sia sulla resistenza termica del pozzo Rbh. Poiché è difficile dedurre valori accurati di conducibilità termica dal profilo stratigrafico del terreno, si effettua, in fase preliminare, il cosiddetto Test di Risposta Termica (TRT) in situ. Questo test consiste nell’ iniettare una potenza termica costante nel sottosuolo, tipicamente 50-80 W/m, mediante la circolazione in un geoscambiatore di prova di un fluido termovettore. Si registrano le temperature in ingresso e in uscita allo scambiatore del fluido termovettore e successivamente i dati sono interpretati mediante il modello della sorgente lineare infinita (ILS). Il limite principale di questa procedura è quello di considerare, nel caso in cui il TRT sia condotto in presenza di moti acquiferi avvettivi, la conduzione come unico meccanismo di scambio termico. Da qui, la necessità di ottenere un nuovo metodo, sia esso una procedura interamente nuova, oppure una modifica migliorativa della procedura attualmente in uso, per misurare in situ la conduttività termica del terreno, la resistenza del pozzo e la velocità di Darcy dell’ acquifero, parametri necessari per il corretto dimensionamento di geoscambiatori in presenza di moti di falda. A tale scopo, è stato realizzato un apparato sperimentale di nome “Sand Box”, al fine di realizzare il TRT in laboratorio, in condizioni controllate. L’ idea è quella di costruire una scatola e riempirla di un materiale poroso saturo di acqua, nel quale il geoscambiatore è simulato da una resistenza elettrica (fili auto-scaldanti) inserita in un tubo di rame e la falda acquifera è riprodotta attraverso un circuito idraulico appositamente creato. Il profilo di temperatura all’interno della Sand Box, utile a capire il meccanismo di scambio termico, è monitorato grazie a 54 sensori di temperatura posizionati nei punti più significativi della Sand Box e direttamente al bordo del pozzo. Dopo le fasi di costruzione della Sand Box, la predisposizione del sistema di acquisizione dati e del circuito idraulico, 2 TRT sono stati eseguiti e i risultati ottenuti analizzati. Il primo TRT in laboratorio è stato eseguito in assenza di flusso di acqua e i suoi risultati sono stati interpretati mediante il modello ILS. In questo modo è stato possibile verificare il corretto funzionamento dell’apparato, essendo questo modello ben consolidato nei casi di assenza di falda. Il valore calcolato di conduttività termica del terreno è 1,876 W/(m∙K). Questo valore è in linea con i valori di letteratura per una sabbia umida (come quella usata) e ci dà conferma del corretto funzionamento dell’apparato. Successivamente, è stato eseguito un secondo TRT in presenza di flusso d’ acqua e i suoi risultati sono stati confrontati con il caso precedente senza falda. Questi ultimi risultati mostrano un differente profilo di temperatura rispetto il caso senza falda, in accordo con la letteratura. Ulteriori studi e TRT di laboratorio sono necessari per interpretare i risultati con il modello della sorgente lineare infinita in movimento (MILS) e più in generale per trovare un metodo che interpreti correttamente un TRT in presenza di moto di falda. La Sand Box si è rivelato un ottimo apparato da essere usato in questa direzione, con l’obbiettivo di dimensionare correttamente i geoscambiatori in presenza di moto di falda, con la conseguente potenziale riduzione dei costi di produzione.