BHE : influence of flow velocity and dispersion on energy exchange

Geothermal energy is a renewable and clean energy resource; in recent years, borehole heat exchangers (BHE) are widely spreading over the world. Installation and operation of geothermal pumps can produce a negative impact on the aquifer, which has to be carefully evaluated, in order to avoid the violation of laws and rules, but in particular because, a seeming insignificant modification of earlier equilibrium can develop a series of events whose final result is hardly to be foreseen. Temperatures’ forecasting and assessment with “heat bubbles” generation are among the major interesting elements to be taken into account after the installation of geothermal heat pumps. Subsoil impact, temperatures, interferences among systems, stoppage or dismissing time can be evaluated through mathematical modeling of heat flux and transport. In particular, a numerical model in MODFLOW/MT3DMS of a single U-pipe in a sandy aquifer is proposed, in order to investigate the influence of groundwater flow in the energy performance of a typical BHE and the effects of the BHE operation on the temperature field in the aquifer during the next operating year. This thesis work is divided into two parts. An introduction presents an overview concerning geothermal energy, its use, design and applied legislations. Then advection phenomena flow and heat transport equations, on which Modflow/MT3DMS codes are based, are presented. The first part of the study is intended to analyse the differences of simulation for a BHE between the use of a normal time step size and a temporal-refined time step size, during two years of operation and under a broad range of groundwater flow velocities. Considering that the use of a temporal-refined time step size gives more precise results, in the second part, the effect of different dispersivity values on BHE performance and temperature distribution in the aquifer are evaluated in order to get remarkable results.

L’energia geotermica è un tipo di energia rinnovabile e pulita; lo sfruttamento di tale forma di energia sta diventando ultimamente sempre più diffuso. L’installazione e il funzionamento delle sonde geotermiche può produrre sulla risorsa idrica sotterranea un impatto negativo che deve essere valutato con attenzione, non soltanto per non violare le leggi e i regolamenti locali ma soprattutto perché una modifica apparentemente insignificante dell’equilibrio preesistente può dare avvio a una catena di eventi, il cui effetto finale è difficilmente valutabile in anticipo. Uno degli elementi da valutare riguarda la previsione e il controllo delle temperature e dello sviluppo delle “bolle di calore” nel sottosuolo a seguito dell’installazione delle sonde geotermiche. Attraverso la modellazione matematica del flusso e trasporto di calore negli acquiferi è possibile valutare l’impatto del sistema nel sottosuolo, le temperature raggiunte a seguito della messa in opera dell’impianto e i tempi di recupero in caso di fermo o dismissione. In particolare, è proposto un modello numerico in MODFLOW/MT3DMS di una sonda a U in un acquifero sabbioso, al fine si determinare l’influenza del flusso acquifero sotterraneo sulle prestazioni di una sonda geotermica e gli effetti dell’attività di quest’ultima sulle temperature nell’acquifero durante il secondo anno di funzionamento. Questo lavoro di tesi è diviso in due parti. Un’introduzione presenta una visione generale sull’energia geotermica, il suo sfruttamento, progettazione e applicazioni legislative. In seguito si presentano i fenomeni di avvezione, flusso e trasporto di calore, sui quali sono basati i codici MODFLOW/MT3DMS. La prima parte dello studio analizza le differenze nella simulazione di una sonda geotermica tra l’utilizzo di una discretizzazione temporale infittita e di una non infittita su due anni di funzionamento e per un’ampia gamma di flussi sotterranei. Dal momento che l’utilizzo di una discretizzazione temporale infittita è in grado di dare risultati maggiormente precisi, nella seconda parte si valuta l’effetto di diversi valori di dispersività sulle prestazioni della sonda geotermica e sulla distribuzione delle temperature nel sottosuolo, al fine di ottenere risultati significativi.