TRT Innovativi:
il Brevetto all-in-one
La conoscenza delle proprietà termofisiche e in particolare della conducibilità termica del terreno e della resistenza termica equivalente della sonda geotermica verticale (Borehole Heat Exchanger, BHE) è di fondamentale importanza nella fase di dimensionamento dell’impianto, garantendone l’efficienza energetica sul lungo periodo e la sostenibilità economica.
Il metodo tradizionale per la determinazione dei parametri termici di terreno e sonda consiste in una procedura sperimentale definita Test di Risposta Termica (Thermal Response Test, TRT). Tale test prevede di utilizzare un BHE pilota, collocato nel terreno da analizzare, all’interno del quale viene fatto scorrere il fluido termovettore, opportunamente riscaldato fuori terra in modo controllato, per una durata di circa 70 ore. Durante la prova vengono misurate le temperature del fluido e dall’analisi di queste misure è possibile dedurre la conducibilità del terreno e la resistenza della sonda geotermica. Per effettuare tale campagna di misure vengono utilizzate apparecchiature sperimentali dedicate, le cosiddette macchine TRT, che hanno un costo realizzativo particolarmente alto (20000-60000€ da stime del 2019).
L’invenzione proposta costituisce una novità assoluta nel mercato delle applicazioni GCHP e fa riferimento al relativo Brevetto UniGE Italiano n. 102019000023082 (“Metodo e dispositivo per la misura di parametri geotermici per il dimensionamento ed il successivo monitoraggio di pompe di calore geotermiche”).
Lo scopo dell‘invenzione è quello di poter effettuare, in modo semplice ed economico, le misure dei parametri geotermici sopracitati senza dover ricorrere all’impiego né della macchina TRT classica né dei collegamenti idraulici per la circolazione di fluido nelle tubature dello scambiatore interrato.
L'invenzione rappresenta, a oggi, la soluzione di gran lunga più economica rispetto a tutte le tecnologie esistenti che si prefiggono simili obiettivi.
Il brevetto ha per oggetto un metodo e un dispositivo per la determinazione delle proprietà termofisiche del terreno e della malta cementizia di riempimento (nota come “grout”) delle sonde geotermiche. Il metodo innovativo proposto, denominato EDDTRT (Electric Depth Distributed Thermal Response Test) prevede una fase di set-up durante la quale una sonda geotermica pilota viene dotata di un cavo riscaldante di tipo resistivo e strumentata con sensori di temperatura digitali di tipo one-wire a profondità e posizioni radiali note rispetto al cavo riscaldatore. Successivamente si alimenta il cavo riscaldante e si acquisiscono nel tempo i valori di temperatura rilevati dai sensori. Infine, per ogni sensore si costruisce un grafico temperatura/tempo in scala semilogaritmica e si individuano i tratti di ciascun grafico con andamento pressoché lineare: dalla pendenza di tali tratti è possibile estrapolare i valori di conducibilità termica del riempimento della sonda (grout) e del terreno, evidenziandone anche eventuali variazioni a diverse profondità.
Schema dell’applicazione EDDTRT per la stima dei valori di conducibilità termica del terreno anche caratterizzato da differente stratigrafia lungo la profondità
Il metodo EDDTRT consente inoltre la misura dei parametri di funzionamento del BHE per il monitoraggio e il controllo dell’impianto durante l’esercizio. L’acquisizione in continuo delle temperature lungo gli scambiatori può essere utilizzata per controllare il funzionamento della pompa di calore, aumentarne l’efficienza di conversione, scongiurare condizioni di funzionamento anomalo (come temperature al terreno troppo alte o troppo basse), rilevare situazioni geologiche inattese, quali per esempio la comparsa o scomparsa di movimenti di acqua di falda dei diversi strati di terreno. Tale monitoraggio, non disponibile nelle soluzioni impiantistiche tradizionali, rappresenta un enorme valore aggiunto per l’impianto geotermico da un punto di vista economico perché consente un utilizzo ottimizzato del sistema complessivo sul lungo periodo. Infine, rispetto ad analoghi sistemi DTRT basati sull’utilizzo di fibre ottiche, i costi sono di gran lunga inferiori e l’affidabilità delle misure non soggetta a problemi di connessione tra i diversi spezzoni del cavo dati (la fibra ottica nel sistema DTRT).
Dal punto di vista operativo, il metodo EDDTRT prevede l’utilizzo di una tubazione innovativa che presenta un alloggiamento assiale periferico per accogliere il cavo con i sensori di temperatura e un distanziatore per mantenere il cavo riscaldante in posizione centrale fissa rispetto alle tubazioni. L’architettura del sistema di misura come concepito nel Brevetto si avvale di sensori low cost di tipo digitale (one-wire sensors). La combinazione sensori/riscaldatore/tubazioni costituisce quindi un elemento “all-in-one” molto compatto, per le misure di tipo EDDTRT.
A) Tubi a U dello scambiatore di calore interrato
B) Costolatura del tubo estrusa, per contenere il cavo strumentato con sensori di temperatura digitali
C) Sensori di temperatura digitali impermeabilizzati. Sono collocati ogni 0.5-2 m lungo lo scambiatore
D) Distanziatore metallico che mantiene il riscaldatore E in posizione centrale, ed agisce come elemento elastico fra i tubi
E) Riscaldatore elettrico
Rappresentazione 3D della sonda geotermica “all-in-one”
A differenza di esistenti metodologie e apparecchiature (TRT e Distributed TRT con fibre ottiche) che si prefiggono simili misure, la presente metodologia e relativo dispositivo applica la soluzione ILS (Infinite Line Source) per interpretare misure distribuite di temperatura a seguito di un riscaldamento localizzato realizzato mediante cavo elettrico assiale nel volume occupato dalle tubazioni della sonda geotermica. Secondo tale approccio non è necessario alcun apparato esterno aggiuntivo (l’usuale macchina carrellata del TRT) in quanto le tubazioni integrate con sensori e riscaldatore (all-in-one) già svolgono tutte le operazioni di misura necessarie. Inoltre, il metodo e la relativa apparecchiatura consentono misure in tempi ridotti e a costi molto contenuti rispetto alle soluzioni tradizionali. Infine, il sistema consente la stima contemporanea della conducibilità termica del terreno e del materiale di riempimento della perforazione (grout), misure non possibili con gli usuali apparati fuori terra TRT.
Confronto ingombri applicazioni TRT: 1) macchina TRT tradizionale collegata alle sonde geotermiche nel terreno; 2) macchina TRT sviluppata presso l’Università degli Studi di Genova-Dime; 3) macchina per EDDTRT, sviluppata presso il DIME e basata su controller Arduino
La realizzazione di un dispositivo elettronico per la lettura del segnale digitale dei sensori di temperatura, basato sull’utilizzo di micro-personal computer su scheda miniaturizzata, consente inoltre la comunicazione senza fili, per esempio verso dispositivi mobili (e.g. smartphone). La misura delle temperature dal set di sensori può avvenire sia durante il riscaldamento da parte del cavo elettrico resistivo (per misure EDDTRT), sia durante le usuali condizioni di lavoro della sonda geotermica una volta collegata alla pompa di calore (fase di monitoraggio delle prestazioni e ottimizzazione dei parametri di funzionamento). Durante la fase di monitoraggio, il modulo di trasmissione GPRS collegato al Arduino Uno consente la trasmissione dei parametri rilevati a un server. I dati ricevuti, una volta interpretati e validati, possono essere memorizzati e resi disponibili sotto forma di una base di dati per la successiva interrogazione e analisi.
Architettura hardware del prototipo e TRT electronic module con Mini Ampere meter
TRT Innovativi:
L'Esperimento PoC
Il sistema innovativo EDDTRT ha beneficiato della validazione sperimentale mediante la realizzazione di un opportuno prototipo in scala. In particolare, il presente gruppo di Ricerca ha ricevuto un finanziamento da Liftt/Compagnia di San Paolo (bando PoC) per l’attività di validazione relativa al Brevetto Italiano n. 102019000023082 (“Metodo e dispositivo per la misura di parametri geotermici per il dimensionamento ed il successivo monitoraggio di pompe di calore geotermiche”).
Il prototipo in scala dell’esperimento PoC è stato realizzato per modellare sperimentalmente il terreno attorno a un reale scambiatore di calore per applicazioni geotermiche (per numeri di Fourier tipici degli esperimenti TRT) utilizzando un blocco di roccia di dimensione opportuna.
Esperimento PoC: modellazione in scala della procedura EDDTRT di cui al brevetto.
Tramite l’utilizzo di una stampante 3D di piccola taglia, del tipo Cartesian, sono stati realizzati prototipi di tubazione per il sistema “all-in-one” in scala ridotta, assemblati con distanziale, riscaldatore e sistema di sensori di temperatura. L’alloggiamento per i sensori di temperatura può essere realizzato in fase di estrusione della tubazione (tipicamente in polietilene) creando una costolatura sulla sua superficie esterna. I sensori di temperatura, per l'attività sperimentale dell'esperimento PoC, sono stati miniaturizzati utilizzando termocoppie di tipo K.
Creazione della sezione di prova prototipale mediante l’utilizzo di stampante 3D
L’apparato di misura è stato dunque inserito in un campione di ardesia opportunamente tagliato e sagomato, rappresentante il volume di terreno in cui la sonda geotermica si trova a operare. I parametri geometrici e operativi sono stati determinati tramite un’accurata valutazione preliminare basata su analisi adimensionali e simulazioni numeriche (Comsol MultiPhysics). Le dimensioni del blocco di ardesia (80x80x40 cm) e la sua massa (circa 700kg) necessitano di uno specifico carrello atto anche alla movimentazione.
Analisi dei dati, simulazioni numeriche: temperatura media assiale nel volume di ardesia a diverse distanze radiali dal riscaldatore. In ascissa il logaritmo del tempo (immagine tratta da paper sottomesso alla rivista Energies, settembre 2021)
Campione di roccia (ardesia) con opportuno carrello atto a movimentare il blocco durante l’attività sperimentale.
Realizzazione della sezione di prova strumentata: per esigenze legate alla sperimentazione, un’opportuna tubazione in ottone di piccolo spessore (camicia) viene disposta in corrispondenza del foro passante di diametro 40 mm
Per consentire la validazione della procedura descritta nel Brevetto e del sistema prototipale “all-in-one”, le misure effettuate per la stima della conducibilità termica dell’ardesia sono state confrontate con alcune misure dirette. Le misure dirette sono state effettuate mediante lo strumento k-meter Applied Precision 2114 in dotazione al DIME; la tabella sottostante presenta i risultati delle misurazioni sul blocco di ardesia e su campioni della stessa roccia opportunamente sagomati.
Misure dirette della conducibilità termica dell’ardesia: lo strumento k-meter Applied Precision 2114 in dotazione al DIME
Tabella 1 - Conducibilità termica misurata e capacità termica dell'ardesia (tabella tratta da paper sottomesso alla rivista Energies, settembre 2021 [15])
Analoghe misure sono state effettuate utilizzando un ulteriore misuratore di conducibilità termica in regime stazionario progettato e realizzato al DIME (steady state k-meter). Questi strumenti per la misura della conducibilità termica, a differenza del sistema “all-in-one” di cui al Brevetto, hanno il limite di poter essere utilizzati in laboratorio e soltanto su piccoli campioni. Le Figure che seguono illustrano il progetto del misuratore di conducibilità termica e la sua realizzazione sperimentale. I componenti costituenti il setup finale sono stati disegnati in PTC Creo e realizzati attraverso l’utilizzo della stampante 3D Prusa i3 MK3S.
Misure dirette della conducibilità termica dell’ardesia: il misuratore di conducibilità termica in regime stazionario progettato e realizzato al DIME (steady state k-meter)
Successivamente, utilizzando il modello prototipale in scala “all-in-one”, sono state condotte prove ripetute secondo la procedura descritta dal Brevetto, con durata di una decina di ore ciascuna, a cui è stato necessario aggiungere il transitorio di alcuni giorni per riportare la sezione di prova in roccia alla temperatura indisturbata originale.
Le prove sono state realizzate all’interno dei laboratori del DIME presso le sedi di Genova e Savona (Solar and Geothermal Lab, Cenvis/Unige, Palazzina Oliva, Savona).
I risultati ottenuti dimostrano sperimentalmente che il sistema di cui al Brevetto è in grado di produrre misure che consentono una stima delle proprietà del terreno con un’accuratezza confrontabile con i sistemi convenzionali TRT e DTRT a fibre ottiche, utilizzando una tecnologia di gran lunga più compatta, economica e funzionale. In particolare, l’accordo sui valori di conducibilità termica è risultato molto buono, specialmente se si confrontano i valori di conducibilità ottenuti dall’analisi delle temperature rilevate dal sensore TK6 del prototipo “all-in-one” (Tabella 2), sensore posto nella parte mediana del volume verticale cilindrico che alloggia lo scambiatore, posizione che consente di limitare gli effetti di bordo.
Tabella 2 - Conducibilità termiche relative alla prova sperimentale (tabella tratta da paper sottomesso alla rivista Energies, settembre 2021 [15])
Ulteriori dettagli relativi a queste attività vengono riportati nel paper sottomesso alla rivista scientifica Energies:
Morchio, S.; Fossa, M.; Priarone, A.; Boccalatte, A. Reduced Scale Experimental Modelling of Distributed Thermal Response Tests for the Estimation of the Ground Thermal Conductivity. Energies 2021, 14, 6955. https://doi.org/10.3390/en14216955
Si ringrazia l’ing. Andrea Corte che, durante la sua tesi triennale in Ingegneria Meccanica, ha contribuito alla realizzazione dell’apparato sperimentale relativo all’esperimento PoC e ai numerosi componenti stampati 3D. Si ringraziano inoltre l’ing. Alessia Boccalatte e l’ing. Samuele Memme per i preziosi suggerimenti sulle rappresentazioni grafiche e sulla messa a punto del sistema di acquisizione dati.
