Adattamento dei pacchetti connected linear network (CLN) e drain return flow (DRT) per la modellazione numerica di un test di risposta termica (TRT) in MODFLOW-USG

In the last decade, driven by the growing spread of low enthalpy geothermal plants consisting of heat exchangers coupled to heat pumps (GSHP, Ground-Source Heat Pump), the Thermal Response Test (TRT) has established itself as a fundamental tool for the efficient design of the plants themselves. Since the progress achieved in the field of numerical codes has allowed to use numerical models for the interpretation of TRT carried out in situ, in this study the possibility of reproducing a numerical TRT was verified by implementing a finite difference model in the MODFLOW-USG calculation code improving the approach, previously adopted in literature, based on MODFLOW-2000. First, by implementing an initial synthetic model with homogeneous hydrogeological and thermal characteristics containing a single vertical heat exchanger, the adaptation of the Connected Linear Network (CLN) and the Drain Return Flow (DRT) packages for the simulation of the TRT was evaluated. Subsequently, with the aim of evaluating the influence on the numerical results of the groundwater velocity and the spatial discretization characteristic of the modeling domain, 16 variations of the preliminary synthetic model were implemented. The numerical results obtained with each model were compared with the analytical solution of the Infinite Line Source Model (ILS) and the Moving Line Source Model (MLS) to evaluate their accuracy. The entire study is characterized by the simultaneous analysis between the TRT reproduction approach used in MODFLOW-USG and that followed by (Angelotti et al., 2014) within the MODFLOW-2000 and MT3DMS calculation codes. This made it possible to identify the strengths of the new approach in terms of lower computational load, of better accuracy of results and better applicability to real case studies.

Nell’ultimo decennio, spinto dalla crescente diffusione di impianti geotermici a bassa entalpia costituiti da sonde geotermiche accoppiate a pompe di calore (GSHP, Ground-Source Heat Pump), il Test di Risposta Termica (TRT) si è affermato come strumento fondamentale per un’efficiente progettazione degli impianti stessi. Poiché i progressi raggiunti nell’ambito dei codici di calcolo hanno permesso di impiegare modelli numerici per l’interpretazione di TRT svolti in situ, in questo elaborato di tesi è stata verificata la possibilità di riprodurre un TRT numerico mediante l’implementazione di un modello alle differenze finite all’interno del codice di calcolo MODFLOW-USG migliorando l’approccio precedentemente adottato in letteratura basato su MODFLOW-2000. In primo luogo, implementando un primo modello sintetico con caratteristiche idrogeologiche e termiche omogenee contenente una singola sonda geotermica verticale, è stato valutato l’adattamento dei pacchetti Connected Linear Network (CLN) e Drain Return Flow (DRT) per la simulazione del TRT. Successivamente, con lo scopo di valutare l’influenza sui risultati numerici della velocità di falda e della discretizzazione spaziale caratteristica del dominio di modellazione, sono state implementate 16 varianti del modello sintetico originale. I risultati numerici ottenuti con ciascun modello sono stati confrontati con la soluzione analitica della Sorgente Lineare Infinita (Infinite Line Source Model, ILS) e della Sorgente Lineare in Movimento (Moving Line Source Model, MLS) per valutarne l’accuratezza. L’intero elaborato di tesi è caratterizzato dall’analisi parallela tra l’approccio di riproduzione del TRT impiegato in MODFLOW-USG e quello seguito da (Angelotti et al., 2014) all’interno dei codici di calcolo MODFLOW-2000 e MT3DMS. Ciò ha permesso di individuare i punti di forza del nuovo approccio in termini di minor carico computazionale, di migliore accuratezza dei risultati e di migliore applicabilità a casi reali.