Assessment of optimal conditions for heat transfer in energy walls by finite element analysis

The energy geostructures are an advanced and effective geothermal energy system for heating/cooling of spaces, already widely used in many structures, such as tunneling, piles and diaphragm walls. The main parts of this system are the exchanger pipes, embedded in the concrete structure and tied to the reinforcing cage. My thesis focuses on the pipes layout efficiency, with the aim to find the optimal shape of exchanger pipes that improves the heat efficiency. Finite element thermal analyses are performed in my research for several models. Firstly, the without-flow analysis for ten years is conducted for every model to set up the undisturbed initial condition. Secondly, the with-flow analysis is conducted for every model, which is a 22 months period of heating/cooling cycles. By comparing the new shapes with the initial shape, I conclude that using both sides of the wall and increasing the spacing between the inlet and outlet pipe are effective ways to improve the efficiency for the whole system. Moreover, changing the boundary condition is also a positive way to improve the efficiency.

Le geostrutture energetiche sono un sistema geotermico avanzato ed efficace per il riscaldamento/raffreddamento degli spazi, già ampiamente utilizzato in molte strutture, come tunnel, pali e diaframmi. Le parti principali di questo sistema sono i tubi dello scambiatore di calore, incorporati nella struttura in cemento e legati alla gabbia di rinforzo. La mia tesi si concentra sull'efficienza del layout dei tubi, con l'obiettivo di trovare la forma ottimale dei tubi scambiatori che migliorano l'efficienza termica. Nella mia ricerca, vengono eseguite analisi termiche agli elementi finiti su diversi modelli. In primo luogo, l'analisi “senza flusso” viene condotta per dieci anni, per ogni modello, per impostare la condizione iniziale indisturbata. In secondo luogo, per ogni modello si esegue l'analisi “con flusso”, per un periodo di 22 mesi di cicli di riscaldamento/raffreddamento. Confrontando i nuovi layout con il layout iniziale, si conclude che l'utilizzo di entrambi i lati del diaframma e l'aumento della spaziatura tra il tubo di ingresso e quello di uscita sono modi efficaci per migliorare l'efficienza dell'intero sistema. Inoltre, cambiare la condizione al contorno è anche un modo positivo per migliorare l'efficienza.