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