Ground Response Test
Per il dimensionamento delle sonde geotermiche la conoscenza delle caratteristiche termiche
del sottosuolo è di primaria importanza. Per i piccoli impianti (potenza termica di
picco inferiore ai 40/50 kW) questi parametri vengono generalmente stimati dalla stratigrafia
presunta. Per gli impianti di potenzialità termica maggiore invece queste proprietà vanno misurate in loco.
Quando si va infatti a sollecitare il terreno con importanti prelievi ed immissioni di energia durante l’anno è senza dubbio necessario valutare attraverso opportune procedure di dimensionamento l’andamento delle temperature dello scambiatore geotermico allo scopo di assicurare che le temperature minime e massime di ingresso e uscita dalla pompa di calore e dall’impianto rimangano coerenti con i valori di progetto.
La lunghezza delle sonde infatti è determinata a partire proprio dai valori di temperatura minima e massima desiderati in ingresso alla pompa di calore (o allo scambiatore dell’impianto se si realizza raffrescamento passivo o free-cooling).
Il Ground Response Test [GRT] o Thermal Response Test è lo strumento che permette di rilevare le proprietà termofisiche di scambio del sottosuolo, e di conseguenza di procedere al corretto dimensionamento del campo geotermico evitando sovradimensionamenti che incrementerebbero inutilmente il costo finale dell’opera, o peggio ancora sottodimensionamenti che andrebbero ad inficiare inequivocabilmente la funzionalità dell’installazione.
Cenni storici
I fondamenti teorici del ground response test vengono stabiliti tra il 1976 e il 1988. I lavori più rappresentativi di questi studi sono quelli di Choudary (1976), Morgensen (1983), e Claesson ed Eskilson (1988).
Nel 1995 presso l’Università svedese di Lulea viene costruito da Gehelin, il primo apparato per l’effettuazione di questo test.
Nel 1996 anche l’Università dell’Oklaoma - USA, si dota di un apparato similare.
Le apparecchiature costruite in Svezia e negli USA, si basano sulla sollecitazione termica del sottosuolo mediante immissione di calore nella sonda geotermica con resistenze elettriche.
Nel 1999 viene presentato nei Paesi Bassi un sistema basato sul raffreddamento del sottosuolo per mezzo di pompa di calore.
A causa della difficoltà di ottenere potenze costanti con le pompe di calore, questo sistema non si è molto diffuso rispetto ai sistemi basati su riscaldamento del sottosuolo a mezzo di resistenze elettriche.
Ad oggi, l’utilizzo del ground response test si è diffuso in tutti i paesi industrializzati (Europa, Turchia, USA, Canada, Sud-America, Cina, Corea, Giappone, Etc.) parallelamente alla diffusione degli impianti geotermici.
Fondamenti teorici
In un mezzo solido il "flusso di calore" è proporzionale al gradiente di temperatura. L’equazione generale della conduzione termica è espressa dalla legge di Fourier.
Dato un campo di temperature T(r), dipendente dalla posizione r = f(x,y,z) nello spazio, il flusso di calore attraverso una superficie S è dato da:
dove la derivata del calore rispetto al tempo rappresenta il flusso di calore, kμν rappresenta il tensore della conducibilità termica. Il significato di tale equazione è che il flusso di calore avviene in virtù di un gradiente di temperature non nullo (se ∇T fosse nullo, tale sarebbe anche l'integrale). Se lo spazio soggetto a tale campo di temperature è isotropo, vale a dire che la direzione, per la relazione gradiente di temperatura-flusso di calore, è inessenziale ed è omogeneo, cioè uniforme in ogni regione di spazio, il tensore si riduce alla costante k. La mancanza di isotropia comporta la natura tensoriale della conducibilità termica: il flusso di calore non si ha lungo la direzione del gradiente di temperature, bensì lungo una direzione distorta dovuta alle caratteristiche del mezzo; la nuova direzione del flusso termico sarà allora quella del vettore kμ∇T.
Principio di funzionamento
Il ground response test si basa sull’immissione (oppure estrazione) di una quantit&agarve di calore nota e costante all’interno del loop geotermico, e sulla misura delle temperature di mandata e ritorno. Sono stati condotti test geotermici, sia immettendo calore nella sonda che estraendone. Si è osservato che le proprietà termiche del sottosuolo in generale non variano. Eccezioni sono state osservate solo nei casi in cui l’immissione di calore induce fenomeni di migrazione di acqua in strati di sottosuolo non completamente saturi.
La prova viene condotta su una sonda "pilota" che successivamente entrerà a far parte del campo sonde complessivo.
In merito alla durata del test le linee guida proposte dal gruppo di lavoro dell'Annex 13 nell'ambito del programma IAECES dell’IEA (International Energy Agency), a cui si fa riferimento in Europa, concordemente alle linee guida americane dell’ ASHRAE, prevedono una durata minima di carico termico di 50 ore di funzionamento. Le prime ore non vengono considerate nei calcoli in quanto il flusso termico impiega del tempo per stabilizzarsi con il sottosuolo ed in generale la temperatura misurata è funzione della geometria della sonda geotermica e del grouting.
Un tipico andamento delle temperature. Il grafico riporta oltre alle temperature di mandata e ritorno, anche l'andamento della temperatura esterna, della forzante e della portata idraulica
Ground Response Test eseguiti
aggiornamento 22 08 20101. Sonda geotermica in polietilene da 100 m single U - Montorio - Verona
2. Sonda geotermica in polietilene da 100 m double U - Montorio - Verona
3. Sonda geotermica in polietilene da 120 m double U - Calle Priuli - Venezia
4. Sonda geotermica in polietilene da 120 m single U - Noceto - Parma
5. Sonda geotermica in polietilene da 90 m double U - Favaro Veneto - Venezia
6. Sonda geotermica in polietilene da 120 m double U - Trieste
7. Sonda geotermica in in acciaio inox da 100 m coassiale - Trieste
8. Sonda geotermica in polietilene da 80 m double U - Trieste
9. Sonda geotermica in in acciaio inox da 120 m coassiale - Monastier - Treviso
10. Sonda geotermica in polietilene da 120 m double U - Monastier - Treviso
11. Sonda geotermica in in acciaio inox da 120 m coassiale - Trieste
12. Sonda geotermica in in acciaio inox da 70 m coassiale - Spresiano - Treviso
13. Sonda geotermica in polietilene da 90 m double U - Vittorio Veneto - Treviso
14. Sonda geotermica in polietilene double U da 85 m - Ponzano - Treviso
15. Sonda geotermica coassiale in acciaio provata con glicole - Spresiano - Treviso
16. Sonda geotermica in polietilene double U - Prata di Pordenone
17. Sonda geotermica in polietilene double U - Castelnuovo Berardenga - Siena
18. Sonda geotermica in polietilene reticoltato da 125 m - Rovederedo in piano - Pordenone
19. Sonda geotermica in polietilene double U - San Francesco al campo - Torino
20. Sonda geotermica in polietilene double U - Gubbio - Perugia