Studio geotecnico e termico di un impianto geotermico a sonda ...

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vi Obiettivo di questo lavoro: L’obiettivo è di stimare l’impatto geotecnico che un’opera geotermica SVG ha su un edificio: nella fase di esercizio, ovvero quando avviene il prelievo di calore, studieremo gli effetti termici sull’edificio, in particolare sulla fondazione; nella fase di cantierizzazione valuteremo l’entità e gli effetti delle vibrazioni prodotte da una perforatrice di piccolo diametro sull’edificio. Descriveremo, inoltre, l’impianto da un punto di vista termotecnico; successivamente, utilizzando un programma agli elementi finiti, faremo delle opportune valutazioni termiche. Il terreno, ad esempio, potrebbe congelare in seguito ad un assorbimento eccessivo di calore dal sottosuolo, con danni alle strutture di fondazione. Nel primo capitolo, in particolare, 1 analizzeremo le ragioni scientifiche dell’esistenza dell’energia geotermica, sia ad alta entalpia che a bassa entalpia e nella seconda parte valuteremo, in maniera molto semplificata, il fabbisogno energetico dell’edificio: questo dato sarà utile nell’analisi termica del terreno, che faremo nell’ultimo capitolo, il capitolo 7. Nel capitolo 3 ci è sembrato opportuno analizzare la dinamica dei terreni, ossia quell’insieme di fenomeni vibratori dovuti a perforazioni, la cui valutazione dei possibili danni arrecati agli edifici segue nel capitolo 7. Nella seconda, ed ultima parte, analizziamo i concetti della liquefazione ed il calcolo del coefficiente di sicurezza alla liquefazione. Nel capitolo 2 sarà utile trattare i principi generali della termologia, che stanno alla base di un impianto geotermico. Le equazioni differenziali della conduzione saranno utili nell’affrontare l’analisi termica, che esporremo nell’ultimo capitolo. Nel capitolo 4 estrapoleremo i concetti espressi nel capitolo precedente, per adattarli nello specifico al terreno e quindi analizzeremo brevemente gli aspetti tecnico-costruttivo di diverse tipologie di impianto. Nel capitolo 5 faremo un’excursus sul mondo delle microperforazioni: tratteremo questo argomento nella sua generalità ed entreremo successivamente nel caso particolare di installazione delle sonde geotermiche a sviluppo verticale, le SVG. Nel capitolo 6 tratteremo tutte le possibili realizzazioni degli impianti geotermici, sia a sviluppo verticale che a sviluppo orizzontale, ed alla fine del capitolo proporremo qualche idea di cantiere inusuale, che ancora non ha trovato posto nella letteratura tecnica specialistica, quantomeno italiana. I software che utilizzeremo nel redigere questa tesi saranno: • per la scrittura: Latex-Miktek 2.9; • per i disegni: Autocad 2006 e GIMP; • per i calcoli e grafici: Matlab 7.1 e Comsol 4.2.
INDICE vii Indice I Concetti introduttivi 1 1 Introduzione 3 1.1 Breve storia della geotermia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Natura delle risorse geotermiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.1 La Terra: un motore termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.2 I sistemi geotermici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Definizione e classificazione delle risorse geotermiche . . . . . . . . . 12 1.2.4 Utilizzazione delle risorse geotermiche . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.3 Fabbisogno termico degli edifici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.3.1 Calcoli preliminari . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3.2 Parametri fondamentali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4 Esempio semplificato di dimensionamento del carico termico di un edificio . . 19 1.4.1 Esempio preliminare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4.2 Utilità dell’esempio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2 Introduzione alla trasmissione del calore 23 2.1 Introduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2 Principi della termodinamica e le leggi della conservazione . . . . . . . . . . . 24 2.3 Meccanismi di scambio termico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.1 Conduzione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.2 Convezione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.3 Irraggiamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4 Concetti fondamentali di conduzione termica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.1 Campo di temperatura e legge di Fourier . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.4.2 La conduttività termica dei materiali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.3 Equazione generale della conduzione . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.4.4 Condizioni ai limiti spazio-temporali . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.5 Conduzione termica in regime stazionario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.6 Conduzione monodimensionale in assenza di sorgenti termiche . . . . . . . . . 36 2.6.1 Parete a simmetria piana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.2 Parete a simmetria cilindrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.6.3 Raggio critico di isolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
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