Fondazioni energetiche innovative: prototipi di micropali attivi per lo sfruttamento della risorsa geotermica a bassa entalpia

Sommario
This paper presents the results of a numerical study performed in the design stage of an innovative geothermal technology – the geothermal micropiles – recently developed and currently under testing at the University of Perugia for the exploitation of low enthalpy geothermal energy in existing buildings. In this investigation, micropiles are equipped with a primary circuit of a traditional GSHP system, where the circulation of a heat carrier fluid (i.e. glycolic water) permits a thermal interaction with the surrounding soil. The numerical study has been performed to simulate the thermal behaviour of such prototype and to obtain useful information concerning its functioning under real operating conditions. The first results of the study showed that this new technology can provide a thermal flux comparable with the one provided by traditional geothermal piles.

Keywords: Geothermal energy; FE analysis; energy foundations; micropiles; thermal efficiency

1. Introduzione
Il globo terrestre può essere paragonato ad un enorme magazzino in cui sono stoccate grandi quantità di energia, detta geotermica in quanto presente nel sottosuolo sotto forma di calore. In particolare, l’energia disponibile a basse profondità e a basse temperature (anche detta energia geotermica “a bassa entalpia”) ha iniziato ad essere sfruttata negli ultimi 20 anni in usi diretti - come il condizionamento (estivo e/o invernale) degli edifici - attraverso l’utilizzo di tecnologie a pompa di calore (o sistemi GSHPs dall’acronimo inglese di Ground Source Heat Pumps). Nei sistemi tradizionali GSHP la pompa di calore è interposta tra due circuiti di tubazioni - generalmente in polietilene ad alta densità (HDPE) - detti “circuito primario” e “circuito secondario”. Il circuito primario si trova a contatto con il terreno e scambia calore con esso, mentre il circuito secondario si trova all’interno dell’edificio da condizionare. Per entrambi i circuiti, lo scambio termico avviene attraverso la circolazione di un fluido termo-vettore che può essere semplicemente acqua o acqua mista ad antigelo (glicole o soluzione salina). La pompa di calore consente il passaggio dell’energia termica dal terreno all’edificio, viceversa. Nel periodo invernale il terreno ha funzioni di sorgente energetica da cui sottrarre calore per garantire il riscaldamento dell’edificio; nel periodo estivo il terreno funge da serbatoio energetico in cui accumulare il calore sottratto all’edificio per raffreddarlo. Il circuito primario può essere inserito nel terreno in configurazioni a circuito aperto o chiuso (e.g., a sonde orizzontali, come la tipologia “in serie”, “in parallelo”, “in trincea” e “slinky”, o a sonde verticali). Per maggiori dettagli si faccia riferimento a [3], [6], [8].
Secondo i dati riportati in [7], la potenza termica installata per usi diretti alla fine del 2014 è stata stimata pari a 70,329 MWt, corrispondente ad un incremento del 45% rispetto ai dati del 2010. L’energia termica utilizzata è stata stimata pari a 587,786 TJ/anno (163,287 GWh/anno), corrispondente ad un aumento del 38.7% rispetto ai dati del 2010. Dell’energia termica totale utilizzata per usi diretti, il 55.3% è stata riservata alle pompe di calore. Tutto ciò ha consentito di raggiungere un risparmio energetico pari a 350 milioni di barili (52.5 milioni di tonnellate di petrolio equivalente) all’anno evitando il rilascio in atmosfera di 46 milioni di tonnellate di carbonio e 148 milioni di tonnellate di CO2. Sono stati realizzati circa 2,218 impianti in 42 paesi del mondo; sono state impiegate 34,000 persone ogni anno in 52 paesi; e sono stati investiti oltre 20 miliardi di dollari in progetti in 49 paesi.
Recentemente, particolare attenzione è stata rivolta alla possibilità di utilizzare il calore del sottosuolo attraverso le strutture a diretto contatto con esso. Esempi di tecnologie sviluppate in questo ambito hanno riguardato: tunnel, muri di sostegno, paratie e, soprattutto, strutture di fondazione profonde ([1], [2]). Queste ultime, quando già previste in un edificio per motivi strutturali, se accoppiate con un tradizionale sistema geotermico a sonda verticale, consentono di ottenere vantaggi sia economici (riduzione dei costi di installazione dell'impianto) che energetici (scambio di calore da e verso il terreno favorito dalle ottime proprietà termiche del calcestruzzo).
Una possibile alternativa molto promettente nello sfruttamento della risorsa geotermica a bassa entalpia è rappresentata dai micropali, dato il loro costo di installazione relativamente limitato e le loro procedure realizzative relativamente semplici e veloci. Il termine “micropalo” è usato nella terminologia geotecnica corrente per indicare pali con un diametro inferiore a 30 cm. Utilizzati per la prima volta in Italia nel 1952 come metodo innovativo per il recupero di edifici danneggiati in guerra [4], sono oggi ampiamente sfruttati in interventi di consolidamento di edifici esistenti o integrati in strutture multifunzionali per l’accumulo e produzione di energia rinnovabile [5].
Alla luce di ciò e allo scopo di studiare il comportamento di questo tipo di fondazioni energetiche (ancora poco noto e poco indagato), sono stati recentemente sviluppati e testati, presso il Polo di Ingegneria dell’Università degli Studi di Perugia, due prototipi di micropali energetici.

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