Modelli di scambio termico in pozzo sulla base della caratterizzazione geotermica di un reservoir a bassa entalpia: studio di sensitività sulla efficienza dei sistemi di condizionamento a pompa di calore

Tra i temi di attualità, quello del risparmio energetico è tra i più dibattuti negli ultimi anni; tale tema è strettamente correlato al problema del riscaldamento globale, infatti, mentre sul prossimo esaurimento delle risorse energetiche tradizionali non vi sono ancora certezze assolute, per quanto riguarda l’azione nociva dei gas serra, la Comunità Scientifica Internazionale si ritrova d’accordo su una netta presa di posizione contro l’emissione di tali sostanze, provocata in larga parte dall’utilizzo dei combustibili fossili. In questo contesto, l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedano l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia, ove una corretta progettazione e l’utilizzo di tecnologie non convenzionali può portare alla riduzione anche dell’80% dei consumi, con conseguente abbattimento delle emissioni. Tra questi interventi innovativi, il più comune e conosciuto è sicuramente quello del solare termico e fotovoltaico; ma ne esistono anche di altri, ancora non molto pubblicizzati in Italia, ma ampiamente conosciuti e utilizzati in altri paesi dell’Unione. Tra questi, vi è il sistema di riscaldamento analizzato in questa tesi: la pompa di calore geotermica. Tale sistema, come verrà spiegato nell’elaborato di laurea, ha indubbi vantaggi economici, energetici ed ambientali, a fronte di una non trascurabile spesa iniziale. Attualmente, nel Nord Italia, si incominciano a vedere impianti di questo tipo, sulla scia del successo riscontrato nei paesi confinanti (in particolare Austria e Svizzera). La progettazione si basa attualmente su modelli statici, sviluppati dall’Università Svizzera del Canton Ticino, per l’utilizzo della pompa di calore nel territorio alpino. Obiettivo della tesi, è la verifica di tali modelli, di cui si è venuto a conoscenza grazie alla collaborazione con l’Università SUPSI, sulle condizioni idrogeologiche della Pianura Padana, soffermandosi su alcuni parametri fondamentali della progettazione di una pompa di calore geotermica, quali la conduttività e la capacità termica volumetrica dei terreni incontrati, la presenza di falde, ed i parametri geometrici del pozzo, al fine di dare una valutazione tecnica ed economica dell’impianto. Tali analisi è stata infatti fino ad ora affrontata in maniera sommaria dai perforatori, che eseguono generalmente sempre lo stesso modello di pozzo geotermico, sulla base degli esempi consolidati di Svizzera e Germania. Alcune misure di temperatura in situ sono state rilevate in collaborazione con la società Geotermia SRL di Mantova, ditta specializzata nella perforazione di pozzi geotermici (tale esperienza è parte centrale dell’estratto “Laboratorio di Tesi Ls”), mentre la parte modellistica della tesi è stata sviluppata in collaborazione con lo studio di progettazione Studio Seta SRL di Faenza, il cui stabile è climatizzato in parte con una pompa di calore geotermica.

Sistemi per la climatizzazione mediante pompe di calore geotermiche e pali energetici

We need a large amount of energy to make our homes pleasantly warm in winter and cool in summer. If we also consider the energy losses that occur through roofs, perimeter walls and windows, it would be more appropriate to speak of waste than consumption. The solution would be to build passive houses, i.e. buildings more efficient and environmentally friendly, able to ensure a drastic reduction of electricity and heating bills. Recently, the increase of public awareness about global warming and environmental pollution problems have “finally” opened wide possibility in the field of sustainable construction by encouraging new renewable methods for heating and cooling space. Shallow geothermal allows to exploit the renewable heat reservoir, present in the soil at depths between 15 and 20 m, for air-conditioning of buildings, using a ground source heat pump. This thesis focuses on the design of an air-conditioning system with geothermal heat pump coupled to energy piles, i.e. piles with internal heat exchangers, for a typical Italian-family building, on the basis of a geological-technical report about a plot of Bologna’s plain provided by Geo-Net s.r.l. The study has involved a preliminary static sizing of the piles in order to calculate their length and number, then the project was completed making the energy sizing, where it has been verified if the building energy needs were met with the static solution obtained. Finally the attention was focused on the technical and economical validity compared to a traditional system (cost-benefit analysis) and on the problem of the uncertainty data design and their effects on the operating and initial costs of the system (sensitivity analysis). To evaluate the performance of the thermal system and the potential use of the piles was also used the PILESIM2 software, designed by Dr. Pahud of the SUPSI’s school.

Studio e ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore

Lo sbrinamento per le pompe di calore ne limita fortemente l'uso. In questa tesi viene introdotto un concetto innovativo ad altissimo rendimento.

Studio e ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore

Studio e ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore di concezione innovativa.

Studio e ottimizzazione di un sistema di rigenerazione per pompe di calore ad alta efficienza

Studio e ottimizzazione di un sistema di rigenerazione per pompe di calore ad alta efficienza di concezione innovativa.

Studio ed ottimizzazione di un sistema di sbrinamento ad alto rendimento termodinamico per pompe di calore

Il mio elaborato si pone come obiettivo il miglioramento di una macchina di condizionamento atta al funzionamento a temperature inferiori allo standard nazionale (circa -20°C, -253,15 K). Il lavoro si basa sullo studio di un sistema innovativo di sbrinamento per pompe di calore ad alta efficienza che necessiti nel minor modo possibile di manutenzione, sia di facile installazione e permetta alla macchina di mantenere il rendimento intorno a valori accettabili. Dopo aver portato avanti un'analisi energetica del sistema, attraverso lo studio di diverse possibilità di sbrinamento, l'elaborato verifica che l'installazione del sistema progettato porti ad un effettivo vantaggio anche dal punto di vista economico.

Analisi in regime dinamico di un impianto di climatizzazione ad uso residenziale con pompa di calore geotermica

Si è svolta la modellazione in ambiente TRNSYS di un edificio residenziale e del suo impianto di climatizzazione con pompa di calore geotermica e si sono analizzati gli andamenti delle temperature interne e delle portate d'aria erogate per equilibrare i carichi termici sia per il riscaldamento invernale che per il raffrescamento estivo. Inoltre si sono valutati, al variare dell'efficienza sensibile del recuperatore di calore, le variazioni dei consumi di energia elettrica dell'impianto di ventilazione e di energia termica erogata dalla pompa di calore geotermica.

Studio, progettazione e realizzazione di una pompa di calore aria-acqua con serbatoio puffer integrato

La presente tesi discute lo studio, la progettazione e la realizzazione di una pompa di calore aria-acqua con serbatoio Puffer integrato. Dopo una panoramica delle pompe di calore in generale e del loro funzionamento, viene trattata la classificazione delle pompe di calore in base alle sorgenti da cui prelevano calore e a cui cedono calore. Sono successivamente descritti i fluidi frigoriferi che è possibile utilizzare nel circuito e le loro caratteristiche e la componentistica del circuito a pompa di calore, sia per quanto riguarda l'unità esterna che l'unità interna, descrivendo in generale i componenti che è possibile trovare all'interno di una pompa di calore, non solo analizzando, quindi, il nostro progetto nello specifico. Seguono una descrizione dei sistemi di produzione di acqua calda sanitaria, facendo una breve panoramica sui serbatoi, in quanto il nostro prodotto finale prevede l'integrazione nell'unità interna del serbatoio puffer per la produzione appunto di ACS, e, infine, una descrizione dell'analisi di mercato e della concorrenza effettuata preliminarmente e della progettazione e della realizzazione della pompa di calore aria-acqua con serbatoio integrato.

Modelli termici per componenti elettronici di potenza

L'elaborato illustra una serie di modelli termici, che si differenziano principalmente per la loro accuratezza e velocità di calcolo, per essere in grado di scegliere il modello più adatto da utilizzare in relazione all'applicazione prevista e alle esigenze richieste. Per una migliore comprensione del problema, vengono introdotti inizialmente alcuni concetti generali legati alle temperature in gioco nei componenti elettronici di potenza e alla trasmissione del calore, poi si passa alla determinazione della sorgente del calore (ovvero le perdite) in un modulo IGBT. Vengono quindi descritti alcuni modelli che siano in grado di rappresentare il sistema in esame dal punto di vista termico. Infine viene implementato in Simulink uno dei modelli proposti, mettendo così in pratica gran parte dei concetti esposti. Per il calcolo delle perdite, per i modelli e per la simulazione ci si è concentrati su un determinato componente elettronico di potenza per entrare nel cuore di un problema termico. È stato scelto l’IGBT perché è un dispositivo relativamente nuovo, in continuo miglioramento ed è sempre più utilizzato.

Rilievo fotogrammetrico da drone per la generazione di modelli termici di porzioni di territorio

In questo elaborato viene sperimentato un iter processuale che consenta di utilizzare i sensori termici affiancati a fotocamere digitale in ambito fotogrammetrico al fine di ottenere prodotto dal quale sono estrapolabili informazioni geometriche e termiche dell’oggetto di studio. Il rilievo fotogrammetrico è stato svolto mediante l’utilizzo di un drone con equipaggiamento multisensoriale, termico e digitale, su una porzione di territorio soggetto ad anomalie termiche nei pressi di Medolla (MO). Per l’analisi termica e geometrica sono stati posizionati sul campo 5 target termici di cui ne sono state misurate le coordinate per la georeferenziazione delle nuvole dense di punti e la temperatura. In particolare sono state eseguite due riprese aeree dalle quali sono stati estratti i frame necessari per i processi di restituzione fotogrammetrica. Le immagini sono state sottoposte ad una fase di trattamento che ha prodotto immagini rettificate prive di delle distorsioni impresse dall’obbiettivo. Per la creazione degli elaborati vettoriali e raster a colori e termici sono stati impiegati inizialmente software di fotogrammetria digitale in grado di fornire scene tridimensionali georeferenziate dell’oggetto. Sono state sviluppate sia in un ambiente open-source, sia sfruttando programmi commerciali. Le nuvole dense sono state successivamente trattate su una piattaforma gratuita ad interfaccia grafica. In questo modo è stato possibile effettuare dei confronti tra i diversi prodotti e valutare le potenzialità dei software stessi. Viene mostrato come creare un modello tridimensionale, contenente sia informazioni geometriche che informazioni termiche, partendo dalla nuvola termica e da quella a colori. Entrambe georeferenziate utilizzando gli stessi punti fotogrammetrici d’appoggio. Infine i prodotti ottenuti sono stati analizzati in un ambiente GIS realizzando sovrapposizioni grafiche, confronti numerici, interpolazioni, sezioni e profili.

Analisi della stabilità dei risultati dei test di risposta termica: prove in campo, confronto e analisi critica per diversi metodi di esecuzione e modellizzazione

Il Test di Risposta Termica (Thermal Response Test-TRT) (Mogenson,1983) è il test esistente con il più alto grado di accuratezza per la caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale. Il test consiste in una simulazione in situ del funzionamento di un sistema a circuito chiuso di sfruttamento dell’energia geotermica, per un periodo limitato di tempo, attraverso l’iniezione o estrazione di calore a potenza costante all’interno del geo-scambiatore (Borehole Heat Exchanger-BHE). Dall’analisi della variazione delle temperature del fluido circolante, è possibile avere una stima delle proprietà termiche medie del volume del reservoir geotermico interessato dal test. Le grandezze principali per la caratterizzazione di un serbatoio geotermico sono la conduttività termica (λ), la capacità termica volumetrica (c), la temperatura indisturbata del suolo (Tg) e la resistenza termica del pozzo (Rb); la loro determinazione è necessaria per il corretto progettazione degli geo-scambiatori. I risultati del TRT sono tuttavia sensibili alle condizioni al contorno spazio-temporali quali ad es.: variazione della temperatura del terreno, movimento d’acqua di falda, condizioni metereologiche, eventi stagionali, ecc. Questo lavoro vuole: i) introdurre uno studio sui problemi di caratterizzazione del reservoir geotermico superficiale, in particolare analizzando l’effetto che il movimento d’acqua di falda ha sui parametri termici; ii) analizzare la sensitività dei risultati del test alle variabilità dei parametri caratteristici del funzionamento delle attrezzature. Parte del lavoro della mia tesi è stata svolta in azienda per un periodo di 4 mesi presso la “Groenholland Geo Energy systems” che ha sede ad Amsterdam in Olanda. Tre diversi esperimenti sono stati realizzati sullo stesso sito (stratigrafia nota del terreno: argilla, sabbia fine e sabbia grossa) usando una sonda profonda 30 metri e diversi pozzi per l’estrazione d’acqua e per monitorare gli effetti in prossimità del geo scambiatore. I risultati degli esperimenti sono stati molto diversi tra di loro, non solo in termini di dati registrati (temperature del fluido termovettore), ma in termini dei valori dei parametri ottenuti elaborando i dati. In particolare non è sufficiente adottare il modello classico della sorgente lineare infinita (Infinite Line Source Solution- ILS) (Ingersoll and Plass, 1948), il quale descrive il trasferimento di calore per conduzione in un mezzo omogeneo indefinito a temperatura costante. Infatti, lo scambio di calore avviene anche tramite convezione causata dal movimento d’acqua di falda, non identificabile mediante gli approcci classici tipo CUSUM test (Cumulative Sum test) (Brown e altri,1975) Lo studio della tesi vuole dare un quadro di riferimento per correlare la variabilità dei risultati con la variabilità delle condizioni al contorno. L’analisi integra le metodologie classiche (ILS) con un approccio geostatistico utile a comprendere i fenomeni e fluttuazioni che caratterizzano il test. Lo studio delle principali variabili e parametri del test, quali temperatura in ingresso e uscita del fluido termovettore, portata del fluido e potenza iniettata o estratta, è stato sviluppato mediante: il variogramma temporale, ovvero la semivarianza dell’accrescimento, che esprime il tipo di autocorrelazione temporale della variabile in esame; la covarianza incrociata temporale, ovvero la covarianza fra due variabili del sistema, che ne definisce quantitativamente il grado di correlazione in funzionamento del loro sfasamento temporale. L’approccio geostatistico proposto considera la temperatura del fluido Tf come una funzione aleatoria (FA) non stazionaria nel tempo (Chiles, 1999), il cui trend è formalmente definito, ma deve essere identificato numericamente. Si considera quindi un classico modello a residuo; in cui la FA è modellizzata come la somma di un termine deterministico, la media (il valore atteso) m(t),coincidente col modello descritto dalla teoria della sorgente lineare infinità, e di un termine aleatorio, la fluttuazione, Y(t). Le variabili portata e potenza sono invece considerate delle funzioni aleatorie stazionarie nel tempo, ovvero a media costante. Da questo studio di Tesi si sono raggiunte delle conclusioni molto importanti per lo studio del TRT: Confronto tra gli esperimenti in estrazione di calore, con e senza movimento d’acqua di falda: si studia l’effetto indotto dalla falda sul TRT. E’ possibile caratterizzare quantitativamente l’incremento della conducibilità termica equivalente legata a fenomeni convettivi dovuti al movimento d’acqua di falda. Inoltre, i variogrammi sperimentali evidenziano periodicità simili nei due casi e legate al funzionamento della pompa di calore e della componentistica associata ed alla circolazione del fluido termovettore all’interno della sonda. Tuttavia, la componente advettiva ha un effetto di smorzamento sulle piccole periodicità dei variogrammi, ma di aumento dell’ampiezza delle periodicità maggiori a causa del funzionamento della pompa di calore che deve fornire maggiore energia al sistema per bilanciare le dispersioni dovute al movimento d’acqua di falda. Confronto fra estrazione ed iniezione di calore, con movimento d’acqua di falda: si studia la significatività dei risultati nei due casi. L’analisi delle variografie evidenzia significative differenze nella struttura dei variogrammi sperimentali. In particolare, nel test con iniezione di calore i variogrammi sperimentali delle temperature hanno valori sistematicamente inferiori, circostanza che assicura una migliore precisione nella stima dei parametri termici. Quindi eseguire il TRT in iniezione di calore risulta più preciso. Dall’analisi dei variogrammi sperimentali delle singole variabili quali temperatura del fluido in ingresso e uscita all’interno del geoscambiatore è stato confermato il fenomeno di smorzamento delle oscillazioni da parte del terreno. Dall’analisi delle singole variabili del test (temperature, potenza, portata) è stata confermata l’indipendenza temporale fra portate e temperature. Ciò è evidenziato dalle diverse strutture dei variogrammi diretti e dalle covarianze incrociate prossime a zero. Mediante correlogrami è stato dimostrato la possibilità di calcolare il tempo impiegato dal fluido termovettore per circolare all’interno della sonda. L’analisi geostatistica ha permesso quindi di studiare in dettaglio la sensitività dei risultati del TRT alle diverse condizioni al contorno, quelle legate al reservoir e quelle legate al funzionamento delle attrezzature

Sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore per motori di ultima generazione.

La riduzione dei consumi energetici è una problematica che riguarda appieno il campo dell'autotrazione, a fronte delle misure sempre più stringenti per il taglio delle emissioni di anidride carbonica. A tal scopo, il recupero di energia dai gas di scarico tramite ciclo Rankine appare la soluzione più vantaggiosa, a fronte di onerosità e complessità affrontabili nel breve periodo. L'obiettivo della presente tesi di laurea è lo sviluppo di metodologie per la simulazione di scambiatori di calore bifase per un sistema a ciclo Rankine, utilizzato per il recupero di energia in un'autovettura. Lo svolgimento di test per la validazione dei modelli utilizzati, è risultato fondamentale al fine di ottenere il setup idoneo per la simulazione termofluidodinamica del componente oggetto di studio.

Analisi di criteri di gestione di reti complesse di distribuzione dell'energia

La tesi è il risultato di uno studio condotto sulle reti distribuzione dell’energia termica, elettrica e frigorifera; queste reti possono essere sviluppate per aumentare la diffusione della microgenerazione e generazione diffusa con l’obiettivo di renderle autonome elettricamente, termicamente e in alcuni casi indipendenti dal punto di vista del combustibile sfruttando possibilmente cogeneratori integrati e sistemi a fonte rinnovabile. In particolare la tesi si sofferma sull’analisi di criteri di gestione di una rete di teleriscaldamento esistente in modo da ridurne al minimo le dispersioni di energia termica in ambiente e gli scambi di energia elettrica con la rete nazionale. Lo sviluppo della tesi è stato suddiviso sostanzialmente in tre parti: la prima riguarda la caratterizzazione del comportamento di una rete di teleriscaldamento reale nel comprensorio urbano di Corticella a Bologna con determinati sistemi di produzione dell’energia elettrica e termica in centrale; nella seconda parte vengono analizzati nuovi sistemi in centrale di produzione e presso le utenze; infine la terza parte riguarda l’analisi economica ed energetica di tutte le soluzioni di gestione esaminate. Quindi ogni configurazione, data da nuovi sistemi di produzione delle fonti energetiche richieste e di gestione della rete, viene prima analizzata in riferimento a tre tipologie di scambio termico presso le utenze e poi valutata in termini di consumo di combustibile e di scambi di energia elettrica con la rete nazionale attraverso il costo di acquisto del gas naturale, il costo d’acquisto dell’energia elettrica dalla rete e il prezzo di vendita dell’energia elettrica alla rete. Sebbene le utenze vengano considerate sempre in assetto passivo all’interno di alcune configurazioni viene sfruttata la delocalizzazione della produzione di energia termica e la gestione della rete a bassa temperatura per ridurre il più possibile l’impatto ambientale della centrale e della rete di teleriscaldamento.