Test di risposta termica in sonde geotermiche verticali : metodi innovativi per l'interpretazione dello scambio di calore in falda

The present study simulates the working of a Thermal Response Test (TRT) performed on a vertical geothermal probe in order to both estimate thermo-physical parameters of thermal conductivity and underground water outflow velocity that characterize an aquifer and to determine the development of a groundwater heat perturbation. The low enthalpy geothermal plant where the probe is installed in is located within the Centro Zootecnico Didattico Sperimentale of Lodi and it is used for heating and cooling of a post-weaning pig room. Among the innovations of the following work there is the implementation of the TRT, realized with an innovative instrumentation (GEOsniff) which enables to obtain the value of thermo-physical investigated parameters through a thermal stress inside the geothermal probe with the heat carrier fluid not moving. This new method allows to obtain profiles of thermal and thermo-physical parameters along the vertical. After, the registered data were interpreted with 2 analytical approaches. The first one uses the analytical solution of Infinite Line Source (ILS), which assumes a heat transfer due only to conduction and therefore it does not provide an estimate of the groundwater velocity; the second one (Moving Line Source, MLS), instead, also implements the advective transport and estimates both velocity and flow direction. After, through the implementation of a numerical model the heat transfer that occurs in the subsoil during the test was simulated. Firstly, the probe was represented in the MODFLOW-USG calculation code as a 1D element but, since it did not provide satisfactory results, the MODFLOW-2000/MT3DMS calculation codes were used, obtaining a more reliable thermal distribution in the ground at the end of the TRT. Analysing the results, it is observed that analytical solutions ILS and MLS reproduce exactly experimental data; however, the MLS provides an important additional information (velocity), unlike ILS, the method nowadays used in most cases. Even the numerical model, which is more detailed than analytical solutions, is able to describe real data but with an overestimation caused by hardly implementable field operating conditions.

Il presente elaborato simula il funzionamento di un Test di Risposta Termica (TRT) eseguito su una sonda geotermica verticale al fine di stimare i parametri termo-fisici di conducibilità termica e velocità di deflusso idrico sotterraneo che caratterizzano un acquifero e determinare lo sviluppo di una perturbazione di calore in falda. L’impianto geotermico a bassa entalpia in cui è installata la sonda è situato all’interno del Centro Zootecnico Didattico Sperimentale di Lodi ed è destinato al riscaldamento e raffrescamento di una sala post-svezzamento di suini. Tra le innovazioni del seguente lavoro vi è la modalità realizzativa del TRT, effettuato con strumentazione innovativa (GEOsniff) che permette di ottenere il valore dei parametri termo-fisici indagati con una sollecitazione termica nella sonda geotermica con fluido di lavoro fermo. Tale metodo permette di ottenere i profili dei parametri lungo la verticale. I dati registrati sono stati interpretati con 2 approcci analitici. Il primo sfrutta la soluzione della Sorgente Lineare Infinita (ILS), che ipotizza uno scambio termico per sola conduzione e perciò non fornisce una stima della velocità di falda; il secondo (Sorgente Lineare in Movimento, MLS), invece, implementa anche il trasporto advettivo e stima sia la velocità sia la direzione di deflusso. Successivamente, con l’implementazione di un modello numerico è stato simulato lo scambio termico che avviene nel sottosuolo durante il test. Inizialmente la sonda è stata rappresentata nel codice di calcolo MODFLOW-USG come un elemento 1D ma, non ottenendo risultati soddisfacenti, si è ricorso ai codici di calcolo MODFLOW-2000/MT3DMS, ricavando una distribuzione termica nel terreno al termine del TRT più affidabile. Dall’analisi dei risultati, si nota come le soluzioni analitiche riproducano correttamente i dati sperimentali: la MLS fornisce un’informazione aggiuntiva importante (velocità), a differenza della ILS, che è l’approccio oggi adottato nella maggior parte dei casi. Anche il modello numerico, più dettagliato di quelli analitici, è in grado di descrivere i dati reali ma con una sovrastima dovuta alle condizioni operative di campo difficilmente implementabili.