Energy performance and thermo-active behavior of Mixed In Place MIP walls for near-surface geothermal energy use

Geothermal energy is a renewable resource that can be effectively harnessed for generating electricity or for direct use. In the realm of direct applications, innovative technologies like thermally activated foundations have emerged. These foundations serve a dual purpose by providing structural support to buildings and enabling the exchange of geothermal heat for thermal energy supply. BAUER Group has developed a specific technology known as Mixed in Place (MIP) walls, which involves enhancing conventional walls with heat absorber pipes attached to steel beams and incorporating specialized materials. Scientific research, as demonstrated by Bauer's work, has indicated that MIP walls can achieve a significant reduction of over 30% in carbon emissions compared to traditional methods, and it can efficiently serve as heat exchangers. By using FEFLOW, the results provided strong evidence of the MIP technique's efficacy, as indicated by the substantial variations in temperature observed. In the summer season, with an inlet temperature of 35degc, the outlet temperature reached 29.1degc. Similarly, during winter, when the inlet temperature was 2degc, the outlet temperature measured 4.21degc, while the soil temperature considered constant at 10degc for both summer and winter. These temperature discrepancies signify the MIP system's remarkable energy efficiency and proficient heat conduction. This study aimed to evaluate the effectiveness of MIP walls using two different steel beam configurations. The first configuration involved the use of HEA 260 beams, while the second configuration utilized 2 U 300 beams. The results clearly demonstrate the distinction between the two cases. In summer, the outlet temperature of the HEA 260 beam (29.1°C) indicates higher efficiency compared to the 2 U 300 beam (29.44°C). Similarly, during winter, the outlet temperature of the HEA 260 beam (4.21°C) is also higher than that of the 2 U 300 beam (4.12°C). The superior performance of the HEA 260 beam can be attributed to its unique construction and shape, which promote better heat conduction. In contrast, the inclusion of a MIP material section between the 2 U 300 beam limits its heat transfer capabilities. The higher thermal conductivity of steel, compared to other materials, contributes to the enhanced heat conduction in the HEA 260 beam. Additionally, sensitivity analysis was conducted to assess the impact of soil thermal conductivity on MIP walls. Different soil types, including sand (medium dense and dense) and gravel (medium dense and dense), were evaluated. As concluded that sand exhibited better efficiency due to its higher thermal conductivity properties compared to gravel. In summary, this study provided insights into the thermal efficiency of MIP walls and highlighted the importance of soil thermal conductivity in determining their performance. Additionally, it illustrated how modifying the geometry of the steel beam can impact the energy efficiency of MIP walls.

L'energia geotermica è una risorsa rinnovabile che può essere efficacemente sfruttata per generare elettricità o per usi diretti. Nel campo delle applicazioni dirette, sono emerse innovative tecnologie come le fondazioni termoattivate. Queste fondazioni svolgono una duplice funzione, fornendo supporto strutturale agli edifici e consentendo lo scambio di calore geotermico per l'approvvigionamento di energia termica. Il Gruppo BAUER ha sviluppato una tecnologia specifica nota come pareti Mixed in Place (MIP), che prevede il potenziamento delle pareti convenzionali con tubi assorbitori di calore fissati a travi in acciaio e l'incorporazione di materiali specializzati. La ricerca scientifica, come dimostrato dal lavoro di Bauer, ha indicato che le pareti MIP possono ottenere una significativa riduzione delle emissioni di carbonio di oltre il 30% rispetto ai metodi tradizionali e possono efficientemente funzionare come scambiatori di calore. Utilizzando FEFLOW, i risultati hanno fornito una forte evidenza dell'efficacia della tecnica MIP, come indicato dalle sostanziali variazioni di temperatura osservate. Nella stagione estiva, con una temperatura di ingresso di 35°C, la temperatura di uscita ha raggiunto i 29,1°C. Allo stesso modo, durante l'inverno, con una temperatura di ingresso di 2°C, la temperatura di uscita è stata di 4,21°C, considerando la temperatura del terreno costante a 10°C sia in estate che in inverno. Queste discrepanze di temperatura indicano l'eccezionale efficienza energetica del sistema MIP e una competente conduzione del calore. Questo studio aveva lo scopo di valutare l'efficacia delle pareti MIP utilizzando due diverse configurazioni di travi in acciaio. La prima configurazione prevedeva l'uso di travi HEA 260, mentre la seconda configurazione utilizzava travi 2 U 300. I risultati dimostrano chiaramente la differenza tra i due casi. In estate, la temperatura di uscita della trave HEA 260 (29,1°C) indica una maggiore efficienza rispetto alla trave 2 U 300 (29,44°C). Allo stesso modo, durante l'inverno, la temperatura di uscita della trave HEA 260 (4,21°C) è anche superiore a quella della trave 2 U 300 (4,12°C). La migliore prestazione della trave HEA 260 può essere attribuita alla sua costruzione e forma uniche, che favoriscono una migliore conduzione del calore. Al contrario, l'inclusione di una sezione di materiale MIP tra la trave 2 U 300 limita le sue capacità di trasferimento di calore. La maggiore conducibilità termica dell'acciaio, rispetto ad altri materiali, contribuisce a una migliore conduzione del calore nella trave HEA 260. Inoltre, è stata condotta un'analisi di sensibilità per valutare l'impatto della conducibilit