Analisi energetica ed economica di fluidi secondari in sistemi geotermici GCHP

Since the 18th century, the progress in the industrial and technological field has inevitably had consequences for everything around it, from the lifestyle of the people living on the planet through the environment and the policies that the highest institutions adopt to protect the world in which we live. Towards the end of the 20th century, the industrialized countries became aware that a further increase in greenhouse gas emissions would have serious consequences for the ecosystem. Therefore, several measures have been taken to reduce emissions and all kinds of energy waste. The air conditioning sector, as it should be, has also been involved in these choices. The aim of the research is to use renewable resources to reduce electricity consumption to the bare minimum. In this sense, among systems that use renewable resources, heat pumps represent an efficient way for the production of heat and cold. In particular, geothermal heat pumps are the right compromise between having good performance and ensuring a low environmental impact. They use the ground as thermal sink/source and in particular its capacity to have an almost constant temperature throughout the year reducing the high variability of performance which the machine is subject during the year. Among the various configurations, the ground coupled heat pumps are able to take advantage of this characteristic that the ground possesses, as they extend for tens of meters underground, in which the ground temperature remains constant. Inside the borehole heat exchanger flows a heat transfer fluid that has the task of exchanging heat with the ground. The choice of the heat transfer fluid is very important especially, in relation to the temperature that the ground reaches during the different seasons of the year. It is necessary to prevent that the temperature of the fluid reaches the freezing temperature causing the entire system to freeze. Recent studies carried out on this technology are aimed at looking for the mixture that has a wide range of use. Mixtures are often made up of water in which they are dissolve substances such as glycols, alcohols or salts. The present work aims to illustrate several secondary fluids used in geothermal heat exchangers and the energy performance resulting from their use. A MATLAB model has been used that combines the three fundamental components of the analysis : the building, the heat pump and the ground. This allows to know the temperature trend inside the exchanger by following a capacity planning based on the minimum operating temperature. In conclusion, a comparison between the various fluids was made considering the length of the borehole heat exchanger, the performance of the heat pump, the yearly energy consumption and a short economic analysis to find out the best solution.

Fin dal XVIII secolo, il progresso in campo industriale e tecnologico porta inevitabilmente con sé delle conseguenze su tutto ciò che lo circonda, dallo stile di vita delle persone che vivono sul pianeta passando per l’ambiente e per le politiche che le massime istituzioni adottano a tutela del mondo in cui viviamo. Verso la fine del ventesimo secolo, tra i paesi industrializzati è maturata la consapevolezza che un ulteriore aumento delle emissioni di gas serra avrebbe portato a gravi conseguenze per tutto l’ecosistema. Si sono quindi intrapresi una serie di interventi volti a ridurre le emissioni e ogni tipo di spreco energetico. Anche il settore della climatizzazione, come giusto che sia, è stato coinvolto in queste scelte. Lo scopo della ricerca è quello di sfruttare risorse rinnovabili in modo da ridurre al minimo indispensabile il consumo dell’energia elettrica. In questo senso, tra i sistemi che sfruttano risorse rinnovabili, le pompe di calore rappresentano un modo efficiente per la produzione di caldo e freddo. In particolare, le pompe di calore geotermiche presentano un giusto compromesso tra avere delle buone prestazioni e assicurare un basso impatto ambientale. Esse sfruttano il terreno come pozzo/sorgente termica e in particolare la capacità di avere una temperatura pressoché costante per tutto l’anno, riducendo l’alta variabilità delle prestazioni a cui la macchina è soggetta durante l’anno. Tra le varie configurazioni, le pompe di calore geotermiche a sonde verticali riescono a sfruttare appieno questa caratteristica, in quanto si estendono per decine di metri sottoterra, zona in cui la temperatura del suolo rimane costante. All’interno delle sonde scorre un fluido termovettore che ha il compito di scambiare calore con il terreno. La scelta del fluido termovettore è molto importante soprattutto in relazione alla temperatura che il terreno raggiunge durante le diverse stagioni dell’anno. È necessario impedire che la temperatura del fluido raggiunga la temperatura di congelamento causando così il blocco dell’intero sistema. I recenti studi effettuati su questa tecnologia sono quindi mirati a cercare la miscela che possiede un ampio range di utilizzo. Le miscele sono spesso costituite da acqua in cui vengono disciolti sostanze come glicoli, alcoli o sali. Il presente lavoro ha lo scopo di illustrare diversi fluidi secondari utilizzati negli scambiatori di calore geotermici e le prestazioni energetiche risultanti dal loro utilizzo. Si è fatto uso di un modello MATLAB che unisce i tre componenti fondamentali dell’analisi, ovvero edificio, pompa di calore e terreno, e che permette di conoscere l’andamento di temperatura all’interno dello scambiatore a seguito di un dimensionamento basato sulla temperatura minima di esercizio. In conclusione, è stato effettuato un confronto tra i vari fluidi utilizzando come parametri la lunghezza della sonda, le prestazioni della pompa di calore, l’energia spesa annualmente e una breve analisi economica.