Experimental analysis and numerical simulation of a flat-panel ground heat exchanger

Le recenti politiche ambientali, volte alla riduzione del fabbisogno energetico in edilizia ed alla riduzione delle emissioni di gas clima alteranti, hanno supportato il diffondersi delle tecnologie ad energia rinnovabile. Tra queste, le pompe di calore geotermiche si sono affermate come soluzione alternativa ai tradizionali sistemi per il riscaldamento e raffrescamento degli edifici, in virtù della loro provata affidabilità e dell’elevata efficienza. Sono attualmente disponibili diverse tipologie di pompa di calore geotermica che possono essere in primo luogo classificate in due sottocategorie: a circuito aperto e a circuito chiuso. Le pompe di calore geotermiche a circuito chiuso sono maggiormente diffuse e sono termicamente accoppiate al terreno, che è la sorgente/pozzo termico, per mezzo di scambiatori geotermici. Questi sono generalmente costituiti da un sistema di tubazioni in materiale plastico, che può essere installato in perforazioni verticali (fino a 200 m di profondità) o in posizione orizzontale all’interno di appositi sbancamenti e trincee superficiali (solitamente fino a 2 m). Le pompe di calore geotermiche accoppiate a scambiatori verticali beneficiano della favorevole temperatura del terreno alle basse profondità. All’incirca a 10 m dalla superficie infatti il terreno ha una temperatura quasi costante pari alla temperatura media annuale dell’aria, che aumenta all’aumentare della profondità secondo il gradiente geotermico locale. Al contrario, nel caso di scambiatori orizzontali, la pompa di calore è accoppiata termicamente ad una sorgente (il terreno superficiale) la cui temperatura oscilla stagionalmente al variare delle condizioni ambientali. In virtù di ciò, gli scambiatori verticali offrono prestazioni mediamente migliori, tuttavia l’elevato costo, rende comunque competitiva la più economica soluzione orizzontale per applicazioni residenziali di piccola taglia. Negli ultimi decenni, un considerevole sforzo è stato fatto per l’ottimizzazione delle prestazioni delle pompe di calore geotermiche, sia in ambito accademico che industriale. Di recente sono state sviluppate nuove configurazioni e geometrie per gli scambiatori orizzontali con l’obiettivo di aumentarne l’efficienza di scambio termico. Questa tesi si inserisce in questo ambito, essendo dedicata ad un innovativo scambiatore geotermico di tipo Flat-Panel, inventato e sviluppato presso l’Università degli Studi di Ferrara. L’analisi delle prestazioni di scambiatori Flat-Panels è stata condotta sia per via sperimentale sia impiegando tecniche di modellazione numerica, nell’intento di fornire indicazioni approfondite sul loro utilizzo in accoppiamento a pompe di calore geotermiche. Allo scopo è stato allestito un apparato sperimentale equipaggiato con due prototipi di Flat-Panel, presso il Dipartimento di Architettura dell’Università di Ferrara. Sono stati condotti diversi test simulando il funzionamento di una pompa di calore geotermica in differenti condizioni operative (riscaldamento e raffrescamento) e in diverse modalità (funzionamento continuo, discontinuo e pulsato). Con rifermento ai più comuni scambiatori orizzontali, il Flat-Panel ha fornito prestazioni molto buone sia in riscaldamento che raffrescamento. In particolare, un’ottima prestazione è stata ottenuta durante i test estivi, in virtù della maggiore differenza di temperatura tra il fluido termovettore ed il terreno termicamente indisturbato. Come riportato in letteratura in merito agli scambiatori orizzontali, anche per i Flat-Panels non sono stati osservati fenomeni di deriva termica nel terreno superficiale, indipendentemente dall’energia scambiata. L’analisi numerica ha riguardato la modellazione dello scambio termico nel terreno per mezzo di scambiatori di tipo Flat-Panel. Allo scopo è stato impiegato un modello numerico agli elementi finiti risolvendo lo scambio termico in regime transitorio in un dominio bidimensionale. Nel dominio di calcolo la particolare geometria del Flat-Panel è stata ricondotta ad una condizione al contorno. È stato inoltre sviluppato un modello del bilancio di energia alla superficie del terreno (condizione al contorno del terzo tipo) al fine di simulare dettagliatamente la variazione giornaliera e stagionale della temperatura del terreno superficiale, che è determinante per le prestazioni degli scambiatori orizzontali. In considerazione di ciò, l’analisi è stata approfondita con ulteriori simulazioni per valutare l’effetto sulla soluzione numerica di differenti condizioni al contorno alla superficie del terreno: il modello del bilancio di energia, un flusso termico equivalente ed infine una temperatura superficiale equivalente. I risultati indicano che l’utilizzo del modello del bilancio di energia è l’approccio da preferirsi, senza che questo comporti un particolare aggravio in termini di tempo di calcolo. L’utilizzo di una temperatura equivalente è una ragionevole semplificazione, sebbene la sua stima corretta sia piuttosto complessa. I risultati del modello numerico proposto sono stati confrontati con i dati sperimentali ottenuti durante i test in diverse condizioni operative. Complessivamente il modello si è dimostrato affidabile nel calcolo della variazione di temperatura nel terreno determinato dall’effetto combinato dello scambio termico alla superficie del terreno e allo scambiatore. Infine, è stata svolta un’analisi di sensitività per valutare l’effetto della variazione della conduttività termica del terreno.