Articolo scaricabile gratuitamente in PDF (1268 Kb) - La Termotecnica

Tecnica
66 Pompe di Calore
aprile 2012
LA TERMOTECNICA
da, (R b
) è assunta costante rispetto alla resistenza termica
del terreno, poiché il fluido termovettore, le tubazioni e il
materiale di riempimento hanno un’inerzia termica molto
piccola rispetto al terreno circostante.
I termini R ga
, R gm
, R gd
corrispondono al valore che assume
la resistenza del terreno durante alcuni momenti particolari
del funzionamento del sistema: quando è stata raggiunta
una certa stabilità nello scambio termico netto (uno o più
anni) per il termine R ga
; in corrispondenza dello scambio
medio che si verifica nel mese di progetto (R gm
); al verificarsi
un picco nelle ore di progetto (R gd
). Esistono alcune possibili
varianti a tale metodo, basate sul diverso modo di stimare
movimenti d’acqua nel sottosuolo, che sono in grado di
asportare o apportare calore al terreno nei pressi della sonda:
è possibile trascurare l’accumulo termico annuo dovuto
al termine q a
R ga
semplificando tali equazioni.
Il metodo IGSHPA [16]
È costruito sulle basi della teoria della sorgente lineare. Si
calcola la resistenza termica del terreno in funzione della
geometria dello scambiatore e della diffusività e conduttività
del terreno. Tiene conto della sovrapposizione delle
resistenze termiche degli scambiatori vicini sommando tale
contributo alla resistenza di uno scambiatore singolo di
raggio equivalente e del carico parziale estivo o invernale
dell’impianto rispetto alle ore totali di funzionamento in quei
mesi. Il metodo definisce la lunghezza L come la massima
tra quella in raffrescamento e in quella estiva (5 e 6) e rappresenta
negli USA un punto di riferimento per il calcolo
degli impianti residenziali.
La maggior parte dei modelli presenti in letteratura è stata
pensata per rappresentare lo scambio termico tra la sonda
geotermica e il terreno alternativamente per la configurazione
verticale o orizzontale. Il modello matematico implementato
nel codice “MoGe”, descritto in questo lavoro, si
propone di integrare le metodologie per la progettazione
dei sistemi geotermici verticali e orizzontali e intende valutare,
in funzione delle particolari condizioni operative, la
potenza specifica scambiata, correggendo i valori tabellari
di riferimento, che sono largamente in uso nella progettazione
semplificata degli impianti di piccola taglia. Partendo
dalla relazione di scambio termico in regime stazionario, la
(5)
(6)
potenza specifica scambiata con il terreno è funzione della
differenza di temperatura tra fluido termovettore e terreno,
della configurazione della sonda e della natura del materiale
di riempimento, della presenza di installazioni vicine
e delle ore equivalenti di funzionamento dell’impianto,
avendo così una stima nel tempo della potenza ceduta (o
sottratta) all’ambiente e dei consumi elettrici.
Descrizione del modello matematico e
simulazione numerica
Il modello sviluppato prevede il comportamento energetico
delle macchine geotermiche in termini di capacità dell’impianto
e di consumi elettrici. L’opportunità di un nuovo
modello nasce dalla necessità di sviluppare modelli di
analisi energetica in cui un mix di soluzioni tecnologiche
consenta di ottimizzare l’interazione tra consumo e generazione
locale dell’energia. Questo può avvenire attraverso
lo sviluppo di ambienti semplificati di calcolo e tramite la
progettazione ottimale del sistema edificio-impianto con le
tecnologie individuate. L’idea è, quindi, quella di un modello
capace di integrarsi e dialogare con altri moduli al fine di
simulare l’esercizio di fonti energetiche funzionanti in generazione
distribuita al servizio di utenze reali (edifici) e con
condizioni tariffarie, fiscali e normative reali. Il progettista
può quindi valutare l’integrazione di più tecnologie ad
alta efficienza energetica in funzione delle caratteristiche
climatiche del sito e delle richieste del contesto territoriale,
in modo da aumentarne la sostenibilità e la competitività. In
particolare, nell’ambito della progettazione geotermica in
ambienti semplificati di calcolo, si vogliono superare i limiti
che consentono di utilizzare i suddetti modelli con sufficiente
accuratezza solo negli stadi di pre-fattibilità e fattibilità di
un progetto permettendo all’utente di aggiornare il database
delle caratteristiche termiche del terreno in cui è effettuata
la perforazione, scegliere il tipo di configurazione di sonda
e relativo materiale di riempimento, scegliere la tipologia di
impianto presente sul lato unità abitativa.
Il modello matematico è stato sviluppato in ambiente Matlab/Simulink
per sfruttare le caratteristiche tipiche di questo
ambiente di simulazione di modularità e flessibilità nell’implementazione
matematica e nelle funzioni I/O.
Il modello matematico è quello basato sulla soluzione dell’equazione
del trasferimento di calore tra un cilindro interrato
e l’ambiente circostante. Il metodo proposto è basato
sull’equazione sviluppata e valutata da Carlslaw e Jaeger
e sulla normativa VDI 4640 [17], che consente di poter
applicare metodologie semplificate sia per il calcolo, sia per
la determinazione delle proprietà del terreno. In particolare
ci si riferisce a valori tabellati che riportano proprietà medie
per tipo di sottosuolo, potenza specifica di estrazione e
nomogrammi, nonché su algoritmi di calcolo semplificati.
L’utilizzo del metodo semplificato è possibile quando la
potenza termica utile dell’impianto è al di sotto dei 30 kW