Sistemi ad Energia Geotermica GEON Elco Italia Spa Evento ...geotermiaveronese.it/PDFsoci/Dimensionamento geotermico.pdf · sensitività dei parametri progettuali Sistemi ad Energia

GEON - Formazione ProgettistiLEADING

SUSTAINABLE GROWTH

2013

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Dimensionamento Geotermico e analisi di sensitività dei parametri progettuali

Sistemi ad Energia Geotermica GEONElco Italia Spa

Evento Formativo Progettisti

Dott. Andrea ZilleGeothermal Product Management


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“ Set the frame for the application!! ”(EGEC – Burkhard Sanner)


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La situazione Geologica sito specifica è l’elemento

nel progetto di un “sistema geotermico” che non

può essere cambiato da un progettista.

Il progetto si deve adattare alla situazione geologica e quindi

richiede la conoscenza dei dati geologici:

• Tipo di sottosuolo (influisce sulla perforazione)

• Caratteristiche termofisiche del sottosuolo (influisce su

progetto SGV)

• Caratteristiche idrogeologiche (influisce su progetto SGV e

perforazione)

• Temperatura indisturbata del sottosuolo (influisce su progetto

SGV)


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Perché dimensionare correttamente un

serbatoio geotermico !

Per 3 motivi essenzialmente:

� Ambientale: Realizzare un sistema geotermico ambientalmente sostenibile

� Energetico: Garantire l’efficienza e la “resa” (COP e SPF) del sistema geotermico nel tempo (medio – lungo termine

� Economico: Ottimizzare l’investimento economico iniziale evitando sottodimensionamenti o sovradimensionamenti del sistema geotermico


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Flusso di calore nel sottosuolo

Sonda geotermica – Closed Loop

Zona sup. (fino 1m ca.): Zona sensibile alle clima esterno

Zona int. (fino a 10-20m): Temperatura costante pari alla media della temperatura aria in superficie; Zona sensibile alle variazioni stagionali e atmosferiche

Zona profonda (oltre 10-20m): Temperatura costante e funzione del gradiente geotermico (3°C/100m)

Da Menichetti, 2012


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Norma VDI 4640

Esempio:

Ghiaia asciutta: λ = 0,4 W/mKρC = 1,5 MJ/m³K

Ghiaia satura d’acqua: λ = 1,8 W/mKρC = 2,4 MJ/m³K

Flusso di calore - Conduzione


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Flusso di calore - Convezione

Permeabilità

Gradiente Carico

Piezometrico

Eterogeneità


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Temperature nel sottosuolo

Conduzione Vs. Convezione

Influenza falda acquifera DETERMINANTE!!

Acquifero poroso(ghiaie e sabbie)

Acquifero fratturato(Roccia)


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Influenza moto falda

Variazione λ (W/mK) in profondità∆T/∆z • λ = Q (HF)

Temperature nel sottosuolo

Conduzione Vs. Convezione


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Dimensionamento Geotermico

Ci sono 2 principali step di dimensionamento geologico:

1. Dimensionamento di I livello o preliminare � Stima dei dati termotecnici (da termotecnico);� Valutazioni stratigrafiche di massima;� Attribuzione dei parametri termofisici alla sezione stratigrafica� Valutazione sommaria dell’incidenza della falda acquifera

2. Dimensionamento di II livello o esecutivo� Calcolo dati termotecnici di dettaglio (fabbisogni mensili e carichi

giornalieri);� Definizione dell’assetto stratigrafico di dettaglio;� Attribuzione dei parametri termofisici alla sezione stratigrafica;� Attenta valutazione dell’incidenza della falda acquifera


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Dimensionamento di I livello� Utilizzo banche dati VDI 4640� Meno di 1800h/anno funzionamento� Errore del 15% max. per impianti fino a 20kW


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Conducibilità termica

4,0

1

2

3

4

Gravel dry - saturatedQuarzit

1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8

Thermal Efficiency (W/m), 1800 h/a

heat conductivity (W/m/K)

5

10

15

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Regular Case

for single residential houses, with groundwater flow

clay moisture to saturated

Diorite

Dolomite

Granite

Limestone

Marl

Sand, dry - saturated

Sandstone

Schists

UBeG, 2010


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Dimensionamento di II livello

GRT Geothermal Response Test

D a ta - l o g g e r

E l e c . P o w e r

H e a t e r

M o b i l e G e o t h e r m a l Te s t

( )T TQ

k

ed

Q

kI X

x− = ⋅ =

−∞∫0 2 2

2

' '

π ββ

π

β

Determinazione di:� Conduttività termica effettiva λ (W/mK)� Resistenza termica Rb (k/mW)� Temperatura media indisturbata


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Automatic evaluation : - Dati vengono direttamente acquisiti e gestiti dal software- Controllo dei risultati mediante stepwise evaluation

Software GertCal


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Unità 1: Terreno di riporto e naturale costituito da depositi eluviali caratterizzati da clasti arenacei in matrice argillosa bruna o grigia, umido, inodore fino alla profondità di ca. 7m da p.c.Unità 2: Alternanze di Marne e Arenarie in stratificazione da centimetriche a pluridecimetriche, complessivamente asciutte; rare venute d’acqua.

Caso 1- “senza influenza falda acquifera”

Sonda geotermica 125mλ est. =2,36 W/mK λ meas. =2,55 W/mK

∆ = + 7,5%


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Unità 1: depositi eluviali e/o colluviali argilloso limosi di origine quaternaria dati dall’alterazione del bedrock fino alla profondità di ca. 8m da p.c (insaturo)Unità 2: depositi ghiaioso sabbiosi e conglomerati fratturati fino alla profondità di 75m da p.c. (saturo) FALDAUnità 3: Flysh Eocenico caratterizzate da alternanze di marne ed arenarie

Caso 2 - “con influenza falda acquifera”

Sonda geotermica 150mλ est. = 2,49 W/mK λ meas. = 4,55 W/mK

∆ = + 45%


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1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,01,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

λ measured [W/(m x K)]

n = 86

Benefit del Gethermal-Response-Test

Range di fluttuazione per

impianto di 30 kW =

+ - 2 sonde geotermiche

100 m

λ measured [W/(m,K)]


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Cosa succede se sottosimensioniamo??

60kW riscaldamento 1800 ore/anno

30kW freecooling 800 ore/anno

Predesign con λ = 2,3 W/mK10 sonde 100m

λ SPF Annualextra cost

Cost over15 year

2,3 4,0 0 Eur 0 Eur

2,1 3,5 570 Eur 8500 Eur

1,9 3,1 1150 Eur 17250 Eur

1,7 2,8 1700 Eur 25500 Eur

Valore GRT = 3000 Eur


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Progettazione sistema geotermico

Esempio pratico


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Progettazione di un Sistema Geotermico

Informazioni di INPUT necessarie da HVAC (Termotecnici )

1. Carichi termici mensili/giornalieri in riscaldamento e raffrescamento2. Carico totale/anno in riscaldamento e raffrescamento3. COP/EER della PDC nelle condizioni di lavoro previste4. SPF medio stagionale in riscaldamento e raffrescamento5. Produzione di ACS con sistema geotermico


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Progettazione di un Sistema Geotermico

Informazioni di INPUT geologiche

Parametri Fissi - Terreno:

1. Conducibilità termica2. Capacità termica

Parametri Variabili – Geometria e Perforazione:

1. Tipo di SGV (single U – double U)2. Lunghezza SGV (20-300m)3. Distanza tra le sonde4. Geometria del campo sonde5. Materiale di cementazione6. Diametro di perforazione (dipende da formazionie geol. e prof.)7. Materiale di cementazione (standard o thermal grout)


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Esempio - Carichi termici

0

2

4

6

8

10

12

jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec

MW

h

heating loads

Potenza termica max: 40kWt

1 AQUATOP T43 Potenza termica B0W35 = 44kWt

COP 4.4

Ore funzionamento/a = 1000 ore


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Esempio – Geologia

Analisi Stratigrafica e idrogeologica tipo

0-6 m da p.c. : Deposito superficiale argilloso, umido.

7-38 m da p.c. : Ghiaia sabbioso limosa, satura. (Falda acquifera – avvezione prob.)

39-150 m da p.c. : Bedrock - Alternanza di Arenarie e Marne.

Ipotizzando sonde geotermiche profonde 100m

Parametri termofisici pesati (sola conduzione) in f. form. geologiche e spessore:

λ = 2,491 W/mKC = 954,9J/Kg Kα = 0,087 m²/gg


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Esempio – Dati geologici/idrogeologici

CONDUCIBILITA’ TERMICA DEL TERRENO λ(W/mK)

0-6m da p.c.: Deposito superficiale argilloso: 1,2 – 2,3

7-38m da p.c.: Ghiaia sabbiosa satura: 1,8 – 2,4

39-150m da p.c.: Bedrock arenaceo marnoso: 1,5 – 4,2

CALORE SPECIFICO DEL TERRENO C(J/kg K)

0-6m da p.c.: Deposito superficiale argilloso: 1050

7-38m da p.c.: Ghiaia sabbiosa satura: 960

39-150m da p.c.: Bedrock arenaceo marnoso: 1005

DIFFUSIVITA’ TERMICA α( m²/giorno)

0-6m da p.c.: Deposito superficiale argilloso: 0,045

7-38m da p.c.: Ghiaia sabbiosa satura: 0,078

39-150m da p.c.: Bedrock arenaceo marnoso: 0,065 – 0,11

Dati da VDI 4640 - Margine incertezza – 15-20%!! Oltre 20kW t potenza


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Esempio – Standard

ZONA NORD ITALIA: MILANO (pianura padana)

T.ind. TERRENO = 13°C

T MIN VINCOLATA EVAP. IN > 1°C∆T = 3°CGLICOLE = 20%

TIPOLOGIA = SONDA DOPPIA UGEOMETRIA = 1x8INTERDISTANZA = 8mCOLLEGAMENTO = 8 PARALLELI

DIAM. PERFORAZIONE = 152mmCEMENTAZIONE = Boiacca cemento/bentonite (< 1W/mK)DISTANZIALI = NO


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Esempio – OUTPUT

RESISTENZA TERMICA Rb = 0.257 mK/W

ITERAZIONE = λ = 2.43 W/mK; D = 0.083 m²/gg

Ltot = 1029,6mLsonda = 128,7mT penalizzazione 25 anni = -0,15 °CResa max. = 33.1 W/m


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Esempio – Geometria campo sonde




TIPOLOGIA = SONDA DOPPIA UGEOMETRIA = 2X4INTERDISTANZA = 8mCOLLEGAMENTO = 8 PARALLELI



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Esempio – OUTPUT

RESISTENZA TERMICA Rb = 0.257 mK/W

ITERAZIONE = λ = 2.42 W/mK; D = 0.083 m²/gg INVARIATA

Ltot = 1038,9m SUPERIORELsonda = 129,9m SUPERIORET penalizzazione 25 anni = -0,26 °C PEGGIORAResa max. = 32,8 W/m INVARIATA


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TIPOLOGIA = SONDA DOPPIA UGEOMETRIA = 2X4INTERDISTANZA = 6m – 10mCOLLEGAMENTO = 8 PARALLELI



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Esempio – OUTPUT

INTERDISTANZA 6m

ITERAZIONE = λ = 2.44 W/mK; D = 0.083 m²/gg SUPERIORE

Ltot = 1063,4m SUPERIORELsonda = 132,9m SUPERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,54 °C PEGGIORAResa max. = 32.1 W/m INFERIORE

INTERDISTANZA 10m

ITERAZIONE = λ = 2.42 W/mK; D = 0.083 m²/gg INFERIORE

Ltot = 1027,9m INFERIORELsonda = 128,5m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,12 °C MIGLIORAResa max. = 33.2 W/m SUPERIORE


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TIPOLOGIA = SONDA DOPPIA UGEOMETRIA = 2X4INTERDISTANZA = 10mCOLLEGAMENTO = 8 IN SERIE



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Esempio – OUTPUT

RESISTENZA TERMICA Rb = 0.24 DIMINUISCE

ITERAZIONE = λ = 2.43 W/mK; D = 0.083 m²/gg INVARIATI

Ltot = 992,6m INFERIORELsonda = 124,1m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,13 °C INVARIATAResa max. = 34,3 W/m SUPERIORE


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TIPOLOGIA = SONDA SINGOLA UGEOMETRIA = 2X3INTERDISTANZA = 8mCOLLEGAMENTO = 8 IN SERIE



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Esempio – OUTPUT


ITERAZIONE = λ = 2.42 W/mK; D = 0.083 m²/gg INVARIATI

Ltot = 948,3m INFERIORELsonda = 118,5m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,14 °C INVARIATAResa max. = 35,9 W/m SUPERIORE


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Esempio – Perforazione e costruzione





DIAM. PERFORAZIONE = 140mmCEMENTAZIONE = Thermal grout (> 1.5 W/mK)DISTANZIALI = SI


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Esempio – OUTPUT


ITERAZIONE = λ = 2.35 W/mK; D = 0.081 m²/gg INFERIORI

Ltot = 676,7m INFERIORELsonda = 84,6m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,2 °C PEGGIORAResa max. = 50,4 W/m SUPERIORE

Ritornando alla configurazione iniziale in riga 1X6

Ltot = 672,5m INFERIORELsonda = 84,1m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,11 °C MIGLIORAResa max. = 50,7 W/m SUPERIORE

CONFIGURAZIONE MIGLIORE GEOMETRIA/SONDE!!


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Esempio – CONSIDERAZIONI

Ltot passa da 1029m a 672m DIMINUZIONE DEL 35%

T penalizzazione 25 anni passa da -0,15°C a -0,11°C MIGLIORA

IN CONCLUSIONE 3 ASPETTI FONDAMENTALI LEGATI ALLA G EOMETRIAE AGLI ASPETTI COSTRUTTIVI DELLE SONDE GEOTERMICHE:

FONDAMENTALE CORRETTA PERFORAZIONE/POSA SONDE

FONDAMENTALE INTERDISTANZA TRA LE SONDE (> 8m)

PREFERIBILE COLL. IN SERIE E SONDE SINGLE U

SCONSIGLIABILE MATRICE REGOLARE (4x4, 3x3 ETC..)


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Esempio – Temperatura Terreno

ZONA MONTANA : ALPI/APPENNINI (1000-1500 s.l.m.)






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Esempio – OUTPUT

ITERAZIONE = λ = 2.46 W/mK; D = 0.084 m²/gg SUPERIORE

Ltot = 1214,7m SUPERIORELsonda = 151,8m SUPERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,06 °C MIGLIORAResa max. = 28,1 W/m INFERIORE

NECESSARIO CAMPO SONDE PIU’GRANDE!!


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Esempio – Temperatura Terreno

ZONA CENTRO ITALIA : PESCARA/ROMA






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Esempio – OUTPUT

ITERAZIONE = λ = 2.31 W/mK; D = 0.08 m²/gg INFERIORE

Ltot = 587,3m INFERIORELsonda = 73,5m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,13 °C PEGGIORAResa max. = 58 W/m SUPERIORE


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E’ IMPORTANTE ESEGUIRE UN LOG DI TEMPERATURA!! (ANC HE IN ASSENZA DI GROUND RESPONSE TEST)

Ltot passa da 587m a 1212 m in funzione della temper atura (7-12°C)

VARIAZIONE DEL 100%

T penalizzazione 25 anni passa da -0,08°C a -0,13°C (7 -12°C)

E’ POCO INFLUENZATA


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Esempio – Influenza falda acquifera

OTTIMIZZAZIONE CON FALDA ACQUIFERA

Se consideriamo che i parametri medi per la Formazione Geologica ghiaioso sabbiosa tra i 6 e i 38 m da p.c. sono:

Porosità media = 0,31

Conducibilità idraulica K = 10 E-03 m/sec

Velocità media acqua di falda = 60 m /anno

ALLORA SI PUO’ CALCOLARE CHE:

Conducibilità termica λ effettiva della singola formazione geologica

Passa da 2,1 W/mK a 8,28 W/mK !!


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Esempio – OUTPUT

ITERAZIONE = λ = 6,18 W/mK; D = 0.077 m²/gg SUPERIORE

Ltot = 432m INFERIORELsonda = 54,1m INFERIORET penalizzazione 25 anni = - 0,07 °C MIGLIORAResa max. = 78,8 W/m SUPERIORE


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Ltot passa da 672m a 432 m con temperatura terreno di 12°C

RIDUZIONE SONDE GEOTERMICHE DEL 35%

RIDUZIONE PROFONDITA’ SINGOLE SONDE

SFRUTTAMENTO IDEALE ZONA INTERESSATA DA FALDA (formazione

ghiaiosa satura)

DERIVA TERMICA QUASI NULLA


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Esempio - Carichi termici

Potenza termica max: 40kWPotenza frigorifera max: 93kW

2 AQUATOP T43 Potenza termica B0W35 = 44kW

COP 4.44Potenza frig. B35W7 = 46,5kW

EER = 4,43

Ore funzionamento/a > 2000 ore

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec

MW

h heating loads

cooling loads


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Esempio – Heat + Cool



T MIN PDC IN (RISCALDAMENTO) > 1°CT MAX PDC. IN (RAFFRESCAMENTO)= 29,5°C∆T = 3°C (RISC.) – 4°C (RAFFR.)GLICOLE = 20%

TIPOLOGIA = SINGOLA UGEOMETRIA = 2X6INTERDISTANZA = 10mCOLLEGAMENTO = 2 circ. PARALLELI da 6

DIAM. PERFORAZIONE = 140mmCEMENTAZIONE = Thermal grout (> 1W/mK)DISTANZIALI = SI


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Esempio – OUTPUT

CASO 1: SOLO CONDUZIONE


Ltot = 1635,2m Lsonda = 136,3m T penalizzazione 25 anni = 0,32 °CResa max. = 69,7 W/m

CASO 2: CONDUZIONE E CONVEZIONE (FALDA ACQUIFERA)

ITERAZIONE = λ = 4,23 W/mK; D = 0.082 m²/gg

Ltot = 1297,9mLsonda = 108,2m T penalizzazione 25 anni = 0,24 °C Resa max. = 87,8 W/m


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Esempio – Impianto Ibrido

Analisi andamento Potenza/ore f.Potenza critica con la quale si riesce a coprire la gran parte dei fabbisogniPc. = 61kW CA. 65% POTENZA MAX.

0

20

40

60

80

100

120

140

664 993 1329 1606 2008 4016 8397

Potenza

Potenza

Log. (Potenza)

POSSIBILE SOLUZIONE !

61 kW Acqua glicolata/acqua = SONDE GEOTERMICHE (65%)

32 Kw aria/acqua = SCAMBIATORE REMOTO AD ARIA (35%)

Il campo sonde dimensionato per HEAT è 2.4 volte qu ello dimensionato per COOL a causa dello sbilanciamento die carichi energ etici


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Esempio – Impianto Ibrido



Ltot = 1056,3m Lsonda = 88m T penalizzazione 25 anni = 0,29 °C Resa max. = 70,2 W/m

CASO 2: CONDUZIONE E CONVEZIONE (FALDA ACQUIFERA)

ITERAZIONE = λ = 5,36 W/mK; D = 0.079 m²/gg

Ltot = 767,9mLsonda = 64 m T penalizzazione 25 anni = 0,18 °C Resa max. = 96,5W/m


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Ltot passa da 1635 m a 1047 m con temperatura terre no di 13°C

CASO 2: CONDUZIONE E CONVEZIONE

Ltot passa da 1297 m a 768 m con temperatura terren o di 13°C

RIDUZIONE SONDE GEOTERMICHE DEL 35%

RIDUZIONE PROFONDITA’ SINGOLE SONDE

DERIVA TERMICA QUASI NULLA

AUMENTO COP/SPF IMPIANTO


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• La progettazione di sistemi geotermici secondo norme internazionali riconosciute(VDI 4640- SIA 384 – ASHRAE)

• Le informazioni geologiche sitospecifiche sono sempre necessarie

• Per i piccoli impianti si possono utilizzare semplificazioni e tabelle/diagrammi

• Progetti con potenze superiori ai 30kW necessitano di apposite procedure di calcolo

• Il Geothermal Response Tests deve essere eseguito per impianti con potenza > 30kW

• E‘ fondamentale realizzare le sonde con tecniche e diametri di perforazione adeguatiavendo cura di utilizzare materiali per la cementazione specifici per la geotermia

In conclusione…. cosa si deve fare!


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Nella realizzazione di un sistema geotermico

bisogna seguire un metodo di lavoro che ci

assicuri “certezza” dei risultati!

UN IMPIANTO AMBIENTALMENTE SOSTENIBILE E’

SOSTENIBILE ANCHE DAL PUNTO DI VISTA

ENERGETICO ED ECONOMICO!!


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Fare bene la Geotermia fa bene alla Geotermia!

Grazie

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