Validation of a semi-analytical model for the thermal design of energy diaphragm walls

Energy geostructures are reinforced concrete elements that possess a double functionality: they combine the structural and the energetic purpose for a single building or a more complex facility, such as metro lines, museums, etc., by embedding heat exchanger pipes within the foundations. A circulating heat carrier fluid flows in the pipe circuit and after the action of a reverse heat pump, it is made available to the overlaying building to fulfill the heating/cooling request. Unfortunately, the use of these geostructures is not very common because its applicability is limited to newly built facilities. To favour the spread of this technology, the presented thesis will highlight the advantages of such applications and will validate a new analytical model for the evaluation of the thermal potential of a geothermal system. The study will focus on energy diaphragm walls that were not intensively analysed throughout the years. Due to their planar geometry, they cannot be modelled as BHEs and energy piles, therefore a newly conceived model is necessary. Following the research of Sun, 2013, the semi-analytical model is presented. The assumptions that set the basis for the modelling procedure simplify the realistic mechanisms involved. For instance, the heat exchangers are assumed as point thermal sources and thanks to the symmetry planes of the domain, the analysis may reduce to a bidimensional problem. The domain regards a horizontal section including one of the wall panels and a portion of the adjacent soil. The superimposition of the boundary conditions leads to the conclusion that the steady state condition that characterises the right border prevails on the vast majority of the soil, while the wall is substantially influenced by the pipe inlet and outlet that extract/inject heat depending on the considered season and by the excavation boundary condition on the left. The convection boundary is modified according to the convection coefficient (h) that is investigated with reference to three simulations: the standard case of 11.5 W/(m^2 °C), the case of static air and the case of strong wind with variable air temperature throughout the changing seasons. This last setting reflects the most realistic scenario among the three. At the end, it may be stated that the model succeeds to place itself as an alternative methodology to numerical models, like the finite element approach. In fact, the model can reach results in agreement with the numerical data coming from literature (Sterpi, 2017) and the general behaviour of the domain is well captured.

Le geostrutture energeticamente attive sono elementi in cemento armato che possiedono una doppia funzionalità: combinano la funzione strutturale di sostegno con quella energetica per un singolo edificio o un complesso di edifici, incorporando al loro interno una serie di tubi scambiatori. Un fluido termovettore circola all'interno dei tubi che costituiscono il circuito primario e dopo l'azione della pompa di calore, è reso disponibile all'edificio alla temperatura necessaria al riscaldamento/raffreddamento degli ambienti. In questo modo è soddisfatta la richiesta di energia termica dell'edificio. Sfortunatamente, l'impiego di queste geostrutture non è molto comune perché la loro applicabilità è limitata ad edifici di nuova costruzione. Per incrementare la loro diffusione, la presente tesi evidenzierà i vantaggi derivanti dalla loro applicazione e condurrà uno studio di validazione di un nuovo modello analitico. Il suo scopo è di validare il potenziale termico derivante da un sistema geotermico. Lo studio si concentrerà sui diaframmi o paratie energetiche che non sono state oggetto di analisi intensive nel corso degli anni. Godendo di geometria piana, le paratie energetiche non possono essere modellate come le sonde verticali o i pali energetici, motivo per cui si è reputata necessaria la teorizzazione di un nuovo modello di trasferimento termico. Seguendo le ricerche condotte da Sun, 2013, è stato concepito questo modello semi-analitico. Le assunzioni su cui si basa lo rendono molto semplificativo della realtà. Per esempio, i tubi scambiatori vengono trattati come se fossero delle sorgenti termiche puntuali e grazie agli assi di simmetria del dominio in questione, l'analisi può essere ridotta allo studio di una sezione bidimensionale. Il dominio è costituito dalla sezione orizzontale di uno dei pannelli della paratia e una porzione di terreno adiacente. L'imposizione delle condizioni al contorno ci permette di concludere che la condizione di stato stazionario che caratterizza il bordo destro prevale sulla maggior parte del terreno, mentre la paratia è influenzata sostanzialmente dalla presenza dei tubi scambiatori che estraggono o rilasciano calore a seconda della stagione di interesse e dalla condizione di convezione impostata sul bordo sinistro. Quest'ultima è stata modificata conseguentemente al valore del coefficiente di convezione h che è stato studiato con riferimento a tre simulazioni: il caso standard a 11.5 W/(m^2 °C), il caso con aria ferma e il caso con forte vento e temperatura dell'aria derivante dal succedersi delle stagioni. Quest'ultima opzione riflette il caso più realistico tra le tre. Si può quindi concludere che il modello riesce ad affermarsi come una valida alternativa ai modelli numerici, come il metodo degli elementi finiti. Infatti, alla fine del lavoro viene dimostrato che il modello riesce a raggiungere risultati concordi con quelli numerici derivanti dalla letteratura (Sterpi, 2017) e il comportamento generale del dominio viene ben catturato.