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

Modeling and validation of the thermal behavior of buildings for the development of demand response methods

The representation of the thermal behaviour of the building is achieved through a relatively simple dynamic model that takes into account the effects due to the thermal mass of the building components. The model of a intra-floor apartment has been built in the Matlab-Simulink environment and considers the heat transmission through the external envelope, wall and windows, the internal thermal masses, (i.e. furniture, internal wall and floor slabs) and the sun gain due to opaque and see-through surfaces of the external envelope. The simulations results for the entire year have been compared and the model validated, with the one obtained with the dynamic building simulation software Energyplus.

Modelling and Verification of a Correction Factor to Evaluate the Efficiency of Solar Thermal Collectors with the Rapid Test Method

A new method for the evaluation of the efficiency of parabolic trough collectors, called Rapid Test Method, is investigated at the Solar Institut Jülich. The basic concept is to carry out measurements under stagnation conditions. This allows a fast and inexpensive process due to the fact that no working fluid is required. With this approach, the temperature reached by the inner wall of the receiver is assumed to be the stagnation temperature and hence the average temperature inside the collector. This leads to a systematic error which can be rectified through the introduction of a correction factor. A model of the collector is simulated with COMSOL Multipyisics to study the size of the correction factor depending on collector geometry and working conditions. The resulting values are compared with experimental data obtained at a test rig at the Solar Institut Jülich. These results do not match with the simulated ones. Consequentially, it was not pos-sible to verify the model. The reliability of both the model with COMSOL Multiphysics and of the measurements are analysed. The influence of the correction factor on the rapid test method is also studied, as well as the possibility of neglecting it by measuring the receiver’s inner wall temperature where it receives the least amount of solar rays. The last two chapters analyse the specific heat capacity as a function of pressure and tem-perature and present some considerations about the uncertainties on the efficiency curve obtained with the Rapid Test Method.

Space charge and dielectric response measurements to assess insulation aging of low-voltage cables used in nuclear power plants

The current design life of nuclear power plant (NPP) could potentially be extended to 80 years. During this extended plant life, all safety and operationally relevant Instrumentation & Control (I&C) systems are required to meet their designed performance requirements to ensure safe and reliable operation of the NPP, both during normal operation and subsequent to design base events. This in turn requires an adequate and documented qualification and aging management program. It is known that electrical insulation of I&C cables used in safety related circuits can degrade during their life, due to the aging effect of environmental stresses, such as temperature, radiation, vibration, etc., particularly if located in the containment area of the NPP. Thus several condition monitoring techniques are required to assess the state of the insulation. Such techniques can be used to establish a residual lifetime, based on the relationship between condition indicators and ageing stresses, hence, to support a preventive and effective maintenance program. The object of this thesis is to investigate potential electrical aging indicators (diagnostic markers) testing various I&C cable insulations subjected to an accelerated multi-stress (thermal and radiation) aging.

Development and testing of a Fourier trasform based experimental system for Dynamic Mechanical Thermal Analysis tests

Altough nowadays DMTA is one of the most used techniques to characterize polymers thermo-mechanical behaviour, it is only effective for small amplitude oscillatory tests and limited to a single frequency analysis (linear regime). In this thesis work a Fourier transform based experimental system has proven to give hint on structural and chemical changes in specimens during large amplitude oscillatory tests exploiting multi frequency spectral analysis turning out in a more sensitive tool than classical linear approach. The test campaign has been focused on three test typologies: Strain sweep tests, Damage investigation and temperature sweep tests.

Attenuation of thermal radiation from flare through water curtains on offshore platform.

Flaring has been widely used in the upstream operation of the oil and gas industry, both onshore and offshore. It is considered a safe and reliable way to protect assets from overpressure and the environment from toxic gas using combustion. However, there are drawbacks to using flares, such as vibration and thermal radiation. Excessive contact with thermal radiation is harmful to offshore personnel and equipment. Research organizations and companies have invested time and money to combat this. Many technologies have been developed so far to reduce the risk of thermal radiation, one of them being the water curtain system. Several tests were done to see the effectiveness of the water curtain system in mitigating thermal radiation in an offshore environment. Each test varied in the flare output, wind speed, and the size of water droplets size of the water curtain. Later, the results of each test were compared and analyzed. The results showed that a water curtain system could be a solution to excessive thermal radiation that comes from an offshore flare. Moreover, the water curtain with smaller water droplets diameter gives a more favorable result in reducing thermal radiation. These results suggest that, although it offers simplicity and efficiency, designing an efficient water curtain system requires deep study. Various conditions, such as wind speed, flare intensity, and the size of the water droplets, plays a vital role in the effectiveness of the water curtain system in attenuating thermal radiation.

Anisotropic seismic tomography with the reversible jump Markov chain Monte Carlo

The established isotropic tomographic models show the features of subduction zones in terms of seismic velocity anomalies, but they are generally subjected to the generation of artifacts due to the lack of anisotropy in forward modelling. There is evidence for the significant influence of seismic anisotropy in the mid-upper mantle, especially for boundary layers like subducting slabs. As consequence, in isotropic models artifacts may be misinterpreted as compositional or thermal heterogeneities. In this thesis project the application of a trans-dimensional Metropolis-Hastings method is investigated in the context of anisotropic seismic tomography. This choice arises as a response to the important limitations introduced by traditional inversion methods which use iterative procedures of optimization of a function object of the inversion. On the basis of a first implementation of the Bayesian sampling algorithm, the code is tested with some cartesian two-dimensional models, and then extended to polar coordinates and dimensions typical of subduction zones, the main focus proposed for this method. Synthetic experiments with increasing complexity are realized to test the performance of the method and the precautions for multiple contexts, taking into account also the possibility to apply seismic ray-tracing iteratively. The code developed is tested mainly for 2D inversions, future extensions will allow the anisotropic inversion of seismological data to provide more realistic imaging of real subduction zones, less subjected to generation of artifacts.

Numerical modeling on the short-term response of fiber-reinforced concrete round panels

Fiber-reinforced concrete is a composite material consisting of discrete, discontinuous, and uniformly distributed fibers in plain concrete primarily used to enhance the tensile properties of the concrete. FRC performance depends upon the fiber, interface, and matrix properties. The use of fiber-reinforced concrete has been increasing substantially in the past few years in different fields of the construction industry such as ground-level application in sidewalks and building floors, tunnel lining, aircraft parking, runways, slope stabilization, etc. Many experiments have been performed to observe the short-term and long-term mechanical behavior of fiber-reinforced concrete in the last decade and numerous numerical models have been formulated to accurately capture the response of fiber-reinforced concrete. The main purpose of this dissertation is to numerically calibrate the short-term response of the concrete and fiber parameters in mesoscale for the three-point bending test and cube compression test in the MARS framework which is based on the lattice discrete particle model (LDPM) and later validate the same parameters for the round panels. LDPM is the most validated theory in mesoscale theories for concrete. Different seeds representing the different orientations of concrete and fiber particles are simulated to produce the mean numerical response. The result of numerical simulation shows that the lattice discrete particle model for fiber-reinforced concrete can capture results of experimental tests on the behavior of fiber-reinforced concrete to a great extent.