Analisi energetica dell'impiego di diversi fluidi termovettori in sistemi a pompa di calore geotermica

The increasing attention to the climatic changes due to greenhouse gases emissions and the subsequent directives, related to the world of the climatization, in the last few years force the research to study renewable technologies. In this scenario, the heat pumps are an efficient solution. The ground coupled heat pumps, in particular, have good performance, using the ground as a heat source that keeps the same temperature in all times of year, over a certain depth. A heat transfer fluid flows inside the borehole heat exchanger and, typically, is not pure water. The latter can freeze at low dept due to its freezing temperature of 0 °C, especially in the first layers of the ground or after a subsizing that causes a reduction in temperature. The most frequent choice is the use of glycols as additives to reduce the freezing temperature. These compounds are corrosive and toxic and, in the case of breakup of the borehole, it might occur their diffusion into the ground and subsequent potential harm to the environment. In this thesis, the energy performance of geothermal heat pump systems that use different secondary fluid in the ground heat exchanger have been studied. Firstly, a numeric model is created in MATLAB to combine the ground system, the heat pump and the thermal residential needs. The model is able to obtain the trend of the temperature during time, in all points of the ground, after a sizing, and the real satisfaction of the thermal demand of the house. Then a sizing is done for each heat transfer fluid analysed, considering as design criterion the minimum operating temperature of the secondary fluid. Finally, the length of borehole heat exchanger, the pressure drop, the performance of heat pump, the energetic annual consumption of different fluids are compared, finishing with the economic analysis to find out the best solution.

Negli ultimi anni, la crescente attenzione verso i cambiamenti climatici dovuti alle emissioni climalteranti e le conseguenti direttive inerenti al mondo della climatizzazione hanno spinto la ricerca verso tecnologie che sfruttano risorse rinnovabili. In questo panorama, le pompe di calore si presentano come un’alternativa efficiente. In particolare, le pompe di calore geotermiche a sonde verticali hanno prestazioni molto buone, sfruttando come scambiatore il terreno, che, oltre un’esigua profondità, mantiene la stessa temperatura in tutti i periodi dell’anno. All’interno delle sonde scorre un fluido termovettore e, solitamente, non si sceglie acqua pura, visto il rischio di congelamento che si può avere, soprattutto nei primi strati del terreno o a seguito di sottodimensionamenti, che portano a una riduzione della temperatura del fluido. La scelta più frequente è l’impiego di glicoli per l’abbassamento della temperatura di congelamento, tuttavia questi composti, oltre a essere corrosivi,hanno una certa tossicità e, nel caso di rottura di un pozzo, possono creare danni all’ambiente. In questa trattazione, sono stati studiate le prestazioni energetiche di impianti a pompa di calore geotermica che utilizzano diversi fluidi secondari nello scambiatore di calore a terreno. Come prima cosa è stato creato un modello in MATLAB che permettesse di unire i sistemi terreno, pompa di calore e abitazione, in modo tale da conoscere l’andamento nel tempo della temperatura del terreno, a seguito di un dimensionamento, e l’effettivo soddisfacimento delle richieste termiche dell’abitazione. Successivamente è stato fatto un dimensionamento per ogni fluido termovettore analizzato, considerando un criterio di progettazione basato sulla temperatura minima di esercizio. Infine sono stati confrontati i diversi fluidi, in termini di lunghezza delle sonde, perdite di carico, prestazioni della pompa di calore, consumo energetico annuale e convenienza economica.