Analisi della trasmissione del calore nel terreno in presenza di scambiatori integrati nelle opere di fondazione

The thesis work focuses on the study of low enthalpy geothermal energy sources, used as heating and/or cooling systems for buildings or other structures. In the last years, the technologies used to exploit these sources are subject to rapid development and increasingly widespread diffusion, in particular with respect to the type called "energy foundation". The plant consists of a system of coils, placed in the foundation works of the structure, where a fluid flows through. This flow, due to the presence of a heat pump, enables to extract heat from the ground during winter months and release it during summer. The analysis has been performed by a numerical approach, resorting to the finite element method In the first part of the work we studied the change of temperature field created in the soil mass near a building with basements floors, with variation of the water table level and seasonal external temperature. We pointed out also the difference between countryside and urban conditions, where the widespread presence of buildings leads to an average increase of soil's temperature. In the second part we analyzed the energy foundation system created in a building under construction in the town of Tradate (VA), focusing on the main factors that regulate its efficiency. The velocity of the fluid in the coil plays a key role in the process of heat transmission, since the motion type affects the thermal exchange and constrains the design and management of the plant. Finally the influence of the presence of the plant on the temperature field in the surrounding soil has been analyzed.

Il lavoro di tesi è stato focalizzato sullo studio delle fonti di energia geotermica a bassa entalpia, utilizzate per il riscaldamento e/o raffrescamento di edifici o altre strutture. Negli ultimi anni, le tecnologie utilizzate per sfruttare queste risorse stanno subendo un rapido sviluppo e una sempre maggiore diffusione, in particolare la tipologia detta "energy foundation". L'impianto consiste in un sistema di serpentine disposte nelle fondazioni della struttura nelle quali circola un fluido che, attraverso una pompa di calore, permette di estrarre calore dal terreno durante i mesi invernali e cederlo durante l'estate. Le analisi sono state svolte con approccio numerico, ricorrendo al metodo degli elementi finiti. Nella prima parte del lavoro è stato studiato il campo di temperatura che si crea nel terreno in prossimità di un edificio con piani interrati, al variare dell'altezza di falda e delle fluttuazioni stagionali della temperatura esterna. Si è sottolineata inoltre la differenza tra le condizioni di aperta campagna e quelle di ambiente urbano, dove la diffusa presenza di edifici porta ad un aumento della temperatura nel suolo. Nella seconda parte è stato analizzato l'impianto di energy foundation realizzato in un edificio realmente costruito nel comune di Tradate (VA), focalizzando l'attenzione sui principali fattori che ne regolano il funzionamento. La velocità di movimento del fluido nella serpentina ha un ruolo importante nella trasmissione del calore, poiché il regime di moto presente influenza lo scambio termico e vincola la progettazione e la gestione dell'impianto. In ultimo è stata analizzata l'influenza dell'impianto sul campo di temperatura nel terreno circostante.