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Numerical modelling of groundwater flow in heat extraction from the subsoil

Ciccolella Michela D’Acunto Berardino Pirone Marianna Urciuoli Gianfranco
Articolo Immagine
ISSN:
0557-1405
Rivista:
Rivista Italiana di Geotecnica
Anno:
2016
Numero:
2
Fascicolo:
Rivista Italiana di Geotecnica N. 2/2016

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Modellazione numerica della filtrazione nei problemi di estrazione di calore dal sottosuolo
Negli ultimi anni lo sfruttamento di energia geotermica a bassa entalpia come fonte di energia rinnovabile ha avuto un forte impulso in gran parte d’Europa. L’utilizzo delle risorse geotermiche presenta indubbi e notevoli vantaggi: assenza di emissioni di CO2 in atmosfera, mancato ricorso a sostanze facilmente infiammabili o esplosive e inesauribilità di questa fonte energetica economicamente vantaggiosa. I sistemi geotermici per il riscaldamento o raffreddamento di edifici utilizzano il calore disponibile nei primi 150 metri di terreno mediante pompe di calore; tali sistemi possono essere chiusi o aperti, i primi sono oggetto del presente articolo. I sistemi chiusi sono comunemente noti in letteratura come Ground-Coupled Heat Pumps (GCHP) (sistema termico accoppiato con il sottosuolo) ed utilizzano il sottosuolo stesso per accumulare o cedere calore, rispettivamente per il raffreddamento e riscaldamento degli edifici. L’intero sistema è composto da: un sistema di geo-scambio, una pompa di calore e un terminale di scambio (GHE). Il sistema di geo-scambio può essere costituito da un sistema di tubi interrati in cui circola un fluido termovettore capace di scambiare calore con il terreno mediante fenomeni di trasporto diffusivi. I tubi possono essere installati in sonde verticali, dissipatori orizzontali o pali energetici. L’articolo esamina il calore estratto mediante pali energetici da sottosuolo di argilla e di sabbia sia asciutta che satura in presenza di falda in movimento. In particolare è analizzato quanto la corretta modellazione del moto di filtrazione intorno al palo influenzi il campo di temperature durante il funzionamento dell’impianto geotermico. A tal fine è stato utilizzato un modello matematico 2-D costituito dall’equazione del bilancio di calore e del flusso d’acqua nel sottosuolo; le relative equazioni differenziali a derivate parziali sono state integrate numericamente con metodi alle differenze finite (FDM) e metodi agli elementi finiti (FEM). Il modello numerico è stato validato mediante soluzioni analitiche disponibili in letteratura; in particolare le temperature calcolate in assenza di falda in movimento sono state confrontate con le soluzioni analitiche della sorgente di calore lineare e cilindrica, le temperature calcolate in presenza di falda in moto con le soluzioni analitiche relative alla sorgente lineare in movimento. I risultati confermano che la falda in moto è capace di ripristinare velocemente a sistema spento la temperatura indisturbata nel terreno e che è essenziale modellare correttamente il moto dell’acqua intorno al palo per valori di velocità > 2·10-5 m/s, in quanto assumendo una velocità uniforme di filtrazione le perturbazioni nel campo di temperature dovute al funzionamento del sistema risultano sovrastimate. Keywords: Modellazione numerica, Flusso d’acqua nel sottosuolo, Pali energetici, Sistema geotermico accoppiato.affreddamento

Low-temperature geothermal resources have become very competitive thanks to their considerable environmental benefits, including the reduction in CO2 emissions and other greenhouse gases. Geothermal systems for heating or cooling of buildings use heat available in the upper part of the subsurface; this is often done via Ground Soil Heat Pump systems that can be generally closed or open. The former are considered in this study. Closed systems are commonly known as Ground-Coupled Heat Pumps (GCHPs). In a GCHP system, heat is extracted from or rejected to the ground via an external closed circuit constituting the ground heat exchanger (GHE) through which pure water or antifreeze fluid circulates. The GHEs commonly used consist of high-density polyethylene pipes (HDPE) installed in either vertical boreholes or in horizontal trenches. This paper deals with heat exchangers installed inside foundation piles; heat extraction from the subsoil is investigated in the case of clay and dry sand and in saturated sand where groundwater flow occurs. Moreover, in examining the role of groundwater flow in the performance of GHEs, the paper investigates to what extent taking into account the right velocity field for seepage around the pile instead of using a schematic uniform value affects the results. A mathematical model in 2D space is introduced, comprising a pair of parabolic and elliptic partial differential equations for soil temperature and the groundwater velocity field, respectively. The equations are solved numerically by means of the Finite Difference Method and Finite Element Method, respectively. The numerical model is validated by comparing the results of the conduction equation with the solutions of cylindrical and infinite line source (CILS and ILS) and those of the advection-diffusion equation with a moving infinite line source (MILS) model. The results show that groundwater flow is able to restore the initial undisturbed temperature in the subsoil very quickly and it is essential to take into account the correct seepage field around the GHEs to estimate system efficiency correctly for high values of velocity (> 2.10-5 m/s). 
Keywords: Numerical modelling, Groundwater flow, Heat transfer, Ground-Coupled Heat Pump system, Ground heat exchanger. 

 

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