Pompe di calore - ditec.unige.it - Università degli studi di Genova

Università
Università degli studi di Genova
DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della produzione,
Termoenergetica e Modelli Matematici,
Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC
LE RISORSE RINNOVABILI:
Lo sfruttamento della risorsa
geotermica a bassa temperatura
Corso di Energie Rinnovabili 1
Marco Fossa
Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli
Matematici, DIPTEM
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Rev. 06/12/2007
Contenuti
Il calore dalla terra
Sfruttamento termico a grandi profondità
Acquiferi profondi e Hot Dry Rocks
Pompe di calore geotermiche
Diffusione della tecnologia nel mondo
Caratteristiche del suolo
Scambiatori interrati
Costi e criteri di dimensionamento
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1
Il calore della terra (I)
More than 99% of earth mass has a
temperature greater than 1000 °C.
Only 0.1% of earth mass is cooler
than 100 °C
The type of geothermal application
depends on the temperature level of
the geothermal reservoir. For a
normal geothermal temperature
gradient (about 3 °C per 100 m), the
type of application is related to the
depth :
• 0 – 1000 m heating with heat
pumps;
• 1000 – 3500 m heating without
heat pumps (aquifers);
• 3500 – 6000 m hot dry rock
systems, heat and power
production.
Crosta
5-50km
Nocciolo
Mantello
T≈6000°C
T>1200°C
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Il calore della terra (II)
Source: Häring Geo-Project, Steinmaur / D.Pahud, SUPS
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Il calore della terra (III)
Installed geothermal power capacity (MWe) worldwide in 1997 (source:
Brunner and al., 2000, D.Pahud, 2002).
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Il calore della terra (IV)
Worldwide installed geothermal capacity for electricity production, in
MWe (source: EurObserv’ER, 2000, , D.Pahud, 2002). M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe - Pag. 6 / 65
3
Il calore della terra (IVb)
Source: M. Kaltschmitt, S. Frick, 2006
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Il calore della terra (V)
Worldwide installed geothermal capacity for production of heat,
in MWth (source: EurObserv’ER, 2000, D.Pahud, 2002).
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4
Il calore della terra, scenari
Geothermal development scenarios for 2005 and 2010 (source:
Brunner and al., 2000, D.Pahud, 2002).
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Il calore della terra,
Tecnologie (I)
La tecnologia Hot Dry Rock è
concettualmente semplice.
Consiste nell’iniettare a
profondità idonee acqua in un
sistema di rocce fratturate e
prelevare la stessa (o il suo
vapore) attraverso un’altra
perforazione.
In superficie un impianto di tipo
Rankine organico (ORC)
provvede alla conversione
termodinamica, con produzione
di elettricità e calore.
Difficoltà risiedono
nell’individuare (o creare..) i
volumi fratturati e nella
disponibilità di grandi quantità di
acqua
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Il calore della terra,
Tecnologie (II)
La tecnologia che sfrutta gli
Acquiferi profondi si basa sul
prelievo e la reimmissione di
acqua termale dal sottosuolo
(1000-2000m profondità). In
superficie un impianto per la
conversione termodinamica
(ORC o impianto Kalina)
provvede alla conversione
termodinamica, con produzione
di elettricità e calore. Altra
possibilità è il solo sfruttamento
termico, con l’eventuale utilizzo
di pompe di calore
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ORC
Il calore della terra,
Tecnologie (III)
La tecnologia che utilizza i Cicli
Rankine Organici si basa
sull’impiego di fluidi organici
quali propano (R290), C4F8
(RC318), isobutano per
realizzare un ciclo Rankine
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6
Source: M+W Zander, 2006
Il calore della terra,
Tecnologie (III)
La tecnologia che utilizza i
Cicli Kalina si basa
sull’impiego di miscele
binarie, per realizzare un
passaggio di fase a
temperature variabili
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Il calore della terra, Realizzazioni (I)
Source: Rödl & Partner
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Il calore della terra, Realizzazioni (II)
Utilization of thermal water from a depth of
3,350 m
• production of up to 38 MWt
• installation of a power plant with the capacity
of 3.36 MWel
• first construction phase 28 MWt,
second construction phase 40 MWt
Heat Exchanger:
1 x Heat supply, 1 x Electricity supply
Pump and Turbine Installations:
Pilot pump, at technical limit actually
Reinjection Well:
Drilling plan: depth: 3,300 m, Diameter casing:
16 inch
Production Well:
Depth: 3,350 m, Production rate: 150 l/s,
Temperature 122°C; Thermal Water Pipeline /
District Heating: Length: 3.6 km app. 10 km
District supply of Unterhaching (22,000
inhabitants) in the long run (70 MW)
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Il calore della terra, Realizzazioni (III)
Source: Rödl & Partner
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Il calore della terra,
Tecnologie (IV)
Heat storage
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Consumo di energia primaria per
usi civili
In ambito nazionale, i
consumi di energia
primaria nel settore
civile (produzione di
acqua sanitaria e
riscaldamento)
rappresentano circa il
20% del consumo
complessivo
22 %
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Pompe di calore
Sorgente calda
Liquido alta
pressione alta
temperatura
Vapore alta
pressione alta
temperatura
Liquido bassa
pressione bassa
temperatura
Vapore bassa
pressione bassa
temperatura
La favorevole (e
costante) temperatura
del terreno e delle
acque di falda,
suggeriscono di
utilizzare la risorsa
geotermica per
applicazioni con
pompe di calore
Sorgente fredda
Aria Acqua Suolo
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Pompe di calore ad acqua di falda
(I)
Il progetto di AEM, Milano
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Pompe di calore ad acqua di falda
(II)
Il progetto di AEM, Milano
30 MWt da pompe di calore, (2 unità da 15MWt,
temp. di mandata circa 90°C, Cop= 2.8)
10-15 MWt da cogenerazione mediante motoria
gas
45 MWt da caldaie a gas, mediante3 caldaie da15
MWt ciascuna(una diriserva)
80 MWht di accumulo su 3 serbatoi d’accumulo ad
acqua calda di potenza pari a 20 MWt
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Pompe di calore ad acqua di falda
(III)
Il costo variabile durante la giornata del kWe favorisce gli
utilizzi energetici nelle ore fuori picco, quali le pompe di calore
collegate a serbatoi di accumulo termico
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Pompe di calore
ad acqua di
falda (IV)
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Pompe di calore con scambiatori
interrati
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Andamento della temperatura del
suolo in funzione della profondità (I)
(Sito tedesco)
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Temperatura del suolo [°C]
Andamento della temperatura del
suolo in funzione della profondità (II)
P ro fo n d ità [m ]
3 .4
1 .7
1 .0
0 .5
T e m p e ra tu ra
a ria
G e n n a io
M a rz o
M a g g io
L u g lio
S e tte m b re
N o v e m b re
M ese
Andamento della temperatura del terreno negli strati superficiali
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Meccanismi di scambio termico
tra terreno e ambiente
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Disposizioni dello scambiatore
interrato orizzontale di tipo
lineare e a spirale
Energia estratta annua 5070 kWh/anno m2
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Disposizioni degli scambiatori
interrati verticali in parallelo
Borehole Heat Exchanger, BHE
Energia estratta annua 100
kWh/anno m
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INSTALLAZIONE DELLE
SONDE GEOTERMICHE
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Schema semplificato di un sistema
per il solo riscaldamento
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Sistema GHP per riscaldamento,
raffrescamento e acqua calda
sanitaria
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Diffusione delle GHP e scenari
Macchine certificate
D, A)
Diffusione GHP(CH,
in Europa
COP
3.0
4.0
4.5
Condizioni Operative
(EN 255)
A2/W35
B0/W35
B0/W35
Vendite annue GHP in Germania
30 Produttori, 100 modelli
SITUAZIONE USA (anno 2000)
GHP Installate in Svizzera
500.000 impianti di cui:
46% BHE
38% sonde orizzontali
600 scuole
Tasso di crescità 50.000 unità/anno
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Diffusione delle GHP e scenari (II)
Vendita Ghp in Svezia (fonte: Hellströöm, 2006)
Installazioni ghp nei
dintorni di Gothenburg
Fonte: Hellströ
Hellström (2006)
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Sviluppo capacità
capacità installata GHP in Svizzera
Sviluppo numero di GHP installate in Svizzera
Quota di PDC vendute annualmente in Germania
Capacità
Capacità e numero GSHP installate nel mondo al 2004
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Applicazione ad un grande edificio
(controllo del traffico aereo in Langen,
Francoforte)
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Captatori geotermici Integrati nelle
fondazioni (GeoPiles)
Dock Midfield, 300 pali geotermici
Dock Midfield, aeroporto di Zurigo (Ref. D.Pahud, www.isaac.supsi.ch)
Raffrescamento gratuito, free cooling (Dock Midfield, 58000m2,
anno 2006, 580 MWh/anno)
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Sonde verticali BHE - tipologia
Sonda singola
b
Doppia sonda
Resistenza interna conduttiva BHE [K/W m] – Diametro
perforazione 0.11 m, Tubo PE DN 25 PN10
Interasse
[mm]
Tipo di
sonda
70
U
Singolo
U
Doppio
U
Singolo
U
Doppio
70
50
50
Conducibilità termica del riempimento
(grout) [W/m K]
0.7
1
1.5
2.0
0.134
0.109
0.0893
0.0785
0.0762
0.0627
0.0515
0.182
0.142
0.110
0.0454
0.0936
0.127
0.0995
0.0774
0.0659
Matrice di 4 sonde
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Sonde verticali BHE – tipologia
(II)
Fonte: Haka Gerodur
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Sonde verticali BHE – tipologia
(III)
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Sonde verticali BHE – tipologia
(IV)
Sonde coassiali complesse
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Flusso termico estratto in sistemi
di piccola potenza (BHE)
Soil type
bad underground (λ
<1,5 W/m/K)
Overall heat extraction
1800h/year
2400h/year
25W/m
20 W/m
65 W/m
84 W/m
50 W/m
70 W/m
<25 W/m
<20 W/m
regular rock and water
saturated sediments (λ
=1,5 -3,0 W/m/K)
rock λ > 3,0 W/m/K
Different
underground:
gravel, sand dry
gravel, sand watersaturated
clay, loam humid
limestone (massive)
sandstone
acid magmatites (e.g.
granite)
basic magmatites (e.g.
basalt)
gneiss
high groundwater-flow
in gravel/sand for
single systems
65
35
55
65
–
–
–
–
80
50
70
80
W/m
W/m
W/m
W/m
55
30
45
55
–
–
–
–
65
40
60
65
W/m
W/m
W/m
W/m
65 – 85 W/m
55 – 70 W/m
40 – 65 W/m
70 – 85 W/m
35 – 55 W/m
60 – 70 W/m
80 – 100 W/m
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Temperatura del suolo durante
l’estrazione termica (I)
Il calore prelevato dalle sonde geotermiche soddisfa un bilancio di energia che nel
breve/medio periodo coinvolge in maniera predominante la capacità termica della
massa di sottosuolo e nel lungo periodo gli scambi termici per conduzione con gli
strati adiacenti di terreno, il flusso geotermico, l’apporto solare, gli scambi termici
associati alla percolazione dell’acqua precipitata e il flusso di acqua freatica.
il problema del dimensionamento delle sonde interrate deve considerare il
meccanismo del progressivo depauperamento termico che il suolo subisce nel
corso degli anni qualora il funzionamento del sistema GHP avvenga senza
rigenerazione (e.g. senza immissione di calore nel terreno, cosa che può avvenire
se il sistema geotermico è utilizzato per le operazioni di raffrescamento).
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Temperatura del suolo durante
l’estrazione termica (II)
Misure sono state effettuate nel terreno su un’istallazione svizzera (Elgg, vicino a
Zurigo) nelle vicinanze di una sonda singola verticale (profondità 105 m), alla distanza
radiale di 0.5 e 1 m e a diverse posizioni verticali 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85, and 105
m.
Le osservazioni hanno riguardato 5 anni e il diagramma riassuntivo dei rilevamenti è
riportato nelle figure successive, dove le temperature del terreno ad un metro di distanza
dalla sonda riportate in funzione dellaprofondità con il tempo (in anni) a parametro.
Si può osservare che nel caso di una sonda singola, dopo qualche anno il processo di
raffreddamento si esaurisce e il profilo di temperatura del terreno raggiunge un
andamento stabile.
Gli andamenti di temperatura del terreno su scale temporali più brevi (ciclo di
funzionamento orario, “attacca e stacca”) sono decisamente diversi e mostrano gradienti
di temperatura molto forti e differenze di temperatura tra zona indisturbata (far field) e
strati immediamente adiacenti alla sonda fino a 5-10°C. Durante il ciclo di prelievo
termico ha luogo infatti un notevole raffreddamento degli strati del suolo prossimi alla
sonda, con una zona radiale interessata al fenomeno dell’ordine delle decine di
centimetri. Questa medesima regione, durante le ore in cui la pompa di calore è inattiva
ed il prelievo termico è azzerato, è sede di una risalita della temperatura (ciclo orario).
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22
Temperatura del suolo
durante l’estrazione
termica (III)
Profilo di temperatura nel terreno ad 1 m
di distanza da una sonda geotermica
verticale al trascorrere degli anni di
esercizio (Fonte Rybach e Eugster,
1997)
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Temperatura del suolo durante
l’estrazione termica (IV)
Profili di temperatura nel terreno intorno ad una sonda geotermica
verticale (Funnel distribution, profilo ad imbuto)
Andamento delle isoterme intorno ad una sonda
geotermica di 105 m, durante il funzionamento in
Elgg/ZH, Svizzera (Fonte Rybach e Eugster, 1997)
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23
Costi di impianto e costo delle
sonde interrate
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Criteri di dimensionamento (I)
General Heat Conduction Equation (cyl. Coordinates)
Axial simmetric heat Conduction Equation
Il principio di sovrapposizione delle soluzioni nello spazio e nel tempo
(Vedi lezione in aula del Docente)
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24
Criteri di dimensionamento (II)
Line Source Model
The line source developed by Kelvin and later solved by Ingersoll and Plass
(1948)
Q’
Q’
∆T
α
Q’
= T(r) – Tgr, ∞
=
Mezzo omogeneo
ground diffusivity (m2/s)
=
Q’
Esponential integral
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Criteri di dimensionamento (II)
Cylindrical Source Model
Ingersoll et al. (1950, 1954)
Q’
∆T
α
= T(r) – Tgr, ∞
=
ground diffusivity (m2/s)
J0, J1, Y0, Y1 Funzioni di Bessel di ordine 0 ed 1
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25
Criteri di dimensionamento (IIb)
Fo=
Cylindrical Source Model
Ingersoll et al. (1950, 1954)
Mezzo omogeneo
Tgr, ∞
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Criteri di dimensionamento (IIc)
.
.
Q=2.5 kW (Q/L = 25 W/m)
Conditions:
Borehole diameter = 6 inches
Ground conductivity = 2.1 W/m-K
Ground diffusivity = 0.08 m2/day
Far-field temperature = 10oC
100 m
Courtesy of M. Bernier, EP Montreal
52
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26
Criteri di dimensionamento (III)
Soluzione numerica agli
elementi finiti del campo
termico intorno ad una
sonda
verticale
a
singolo U
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G.Hellstrom, 2007
Courtesy of M.Bernier
Criteri di dimensionamento (IV)
Le funzioni di trasferimento g (g-functions) ottenute per via numerica consentono
il calcolo del transitorio termico per sistemi di sonde complessi, con carico
termico costante per unità di lunghezza. (Eskilson 1987, Hellstrom, 1997)
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27
Criteri di dimensionamento (IVb)
Le funzioni di
trasferimento g
(g-functions)
ottenute per via
numerica 3D
consentono il
calcolo del
transitorio
termico per
sistemi di sonde
complessi
(Eskilson 1987,
Hellstrom, 1997)
Q’
Tborehole(τ)
Tground = Tgr, ∞
τ
2πkgr
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Criteri di dimensionamento (V)
Sorgente lineare
finita
Eskilson (1987), Zang (2004)
Lamarche et Beauchamp (2007)
Q ⎡⎢
θ=
2πk ⎢
⎣
β 2 +1
∫
β
erfc (γz )
z2 − β 2
β 2 +4
dz − D A −
∫
β 2 +1
⎤
dz − DB ⎥
⎥
z2 − β 2
⎦
erfc (γz )
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28
Criteri di dimensionamento (VI)
Q’
Q’
(τ)
Rb=
0.1-0.15 (singolo U)
Rb=
0.08-0.15 (doppio U, kgrout>1.5)
Rb=
0.05-0.1 (coassiale complesso)
Q’
Tborehole(τ)
τ
2πkgr
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Il codice Tec-Geo
Reference: M.Fossa, Dalla Pietà, XXIV conf. UIT, 2006
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29
Caratteristiche software TecGeo
Le principali particolarità del programma di calcolo TecGeo, rispetto ad altri
softwares commerciali (e.g. EED), sono:
il calcolo tempovariante del COP. E’ possibile scegliere di eseguire la
simulazione fissando i COP in riscaldamento e raffrescamento, oppure scegliere
l’opzione COP variabili, nella quale il programma calcola iterativamente il COP
in funzione della temperatura in ingresso alla pdc. In questo caso è necessario
fornire alcuni punti della curva caratteristica della pdc, tra i quali il programma
esegue un’interpolazione lineare.
la ricerca della lunghezza minima delle sonde dato un intervallo di
temperatura in ingresso alla pdc. Impostando le temperature minime e
massime ammesse in ingresso alla pdc e fornendo una lunghezza minima delle
sonde, il software calcola, a partire dalla lunghezza minima imposta, la
lunghezza minima che le sonde devono avere per mantenere la temperatura in
ingresso alla pdc nell’intervallo dato.
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Esempio di calcolo: temperatura del fluido
di ritorno nel tempo
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30
Confronti TecGeo - EED
Sonda Singola H = 110 m, singolo U
TecGeo
EED
I Anno
1
7,27
6,96
2
8,07
7,83
3
8,90
8,72
4
11,00
10,9
5
13,01
12,99
6
17,43
16,78
7
20,57
20,21
8
21,00
20,74
9
18,52
18,21
10
13,10
13,64
11
10,57
10,58
12
7,70
7,58
Media diff.
0,26
TecGeo
EED
II Anno
6,38
6,21
7,43
7,35
8,35
8,35
10,50
10,6
12,57
12,73
17,43
16,56
20,64
20,01
21,13
20,56
18,64
18,05
13,05
13,49
10,31
10,44
7,46
7,45
Media diff.
0,31
TecGeo
EED
V Anno
5,95
5,97
7,02
7,12
7,96
8,13
10,12
10,39
12,21
12,52
17,56
16,35
20,77
19,81
21,26
20,37
18,76
17,87
12,75
13,32
10,02
10,27
7,18
7,29
Media diff.
0,48
TecGeo
EED
X Anno
5,73
5,83
6,80
6,98
7,75
8
9,91
10,26
12,01
12,39
17,64
16,23
20,84
19,69
21,33
20,25
18,83
17,75
12,56
13,2
9,84
10,16
7,00
7,17
Media diff.
0,59
TecGeo
EED
XV Anno
5,63
5,76
6,70
6,91
7,65
7,93
9,81
10,19
11,91
12,33
17,68
16,16
20,88
19,62
21,37
20,18
18,87
17,68
12,47
13,13
9,74
10,09
6,90
7,1
Media diff.
0,65
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Misura delle caratteristiche del suolo, TRT
(I)
G.Hellstrom, 2007
Il Termal Response Test (TRT), è la
procedura adottata per la misura delle
proprietà del terreno (conducibilità) e della
resistenza interna del BHE, direttamente in
situ.
M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe - Pag. 62 / 65
31
Misura delle caratteristiche del suolo, TRT
(II)
Test equipments developed
by EPFL
M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe - Pag. 63 / 65
Misura delle caratteristiche del suolo, TRT
(III)
Tf = media aritmetica tra temperatura del fluido
in mandata (Tfin) e temperatura del fluido al
ritorno dallo scambiatore interrato
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Fine presentazione
M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe - Pag. 65 / 65
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