Indagini geotermiche e geologiche per la realizzazione di sistemi GSHP (Ground Source Heat Pump)

Abstract

Questo lavoro si focalizza sulle metodologie per la stima delle proprietà termiche e idrogeologiche del sottosuolo, fondamentali per applicazioni geotermiche a bassa entalpia di tipo “Ground Source Heat Pump” (GSHP). Sono stati analizzati tre scambiatori geotermici verticali (BHE) equipaggiati con sonde a “doppia U”, realizzati in siti e contesti geologici-idrogeologici differenti. Successivamente, mediante modelli analitici di trasferimento di calore, è stata effettuata la caratterizzazione delle proprietà termofisiche del sottosuolo. Una corretta stima del calore estraibile per ogni BHE si basa sulla conoscenza delle caratteristiche litostratigrafiche, che può derivare sia da ricerche bibliografiche sia anche da prove in situ (analisi di carotaggi e cuttings). La presenza di flusso d’acqua nel sottosuolo è inoltre importante per poter valutare le proprietà termiche e la resistenza termica del pozzo. Per i casi analizzati sono stati effettuati Test di Risposta Termica (TRT), che consistono nella stimolazione termica del terreno tramite iniezione (o estrazione) di calore. I dati registrati durante il TRT sono stati interpretati attraverso il classico modello termico in regime conduttivo della sorgente di calore lineare infinita (ILS) e secondo il modello avvettivo della sorgente lineare in movimento (MLS); inoltre, in uno dei casi investigati, è stato studiato l’effetto termico della circolazione d’acqua in frattura. È stato infine effettuato uno studio dei log termometrici in foro, registrati dopo la dissipazione dei disturbi legati alla perforazione, da cui è stato possibile determinare, in maniera alternativa a MLS, la velocità di Darcy. I risultati mettono in evidenza l’importanza di valutare le caratteristiche litostratigrafiche ed idrogeologiche dell’area d’interesse per una ottimale progettazione di sistemi GSHP.

This thesis focuses on methods used to estimate thermal and hydrogeological properties of the underground, which are fundamental for low enthalpy geothermal applications, such as “Ground Source Heat Pumps” (GSHP). Three different borehole heat exchangers (BHE) equipped with double-U probes were studied, which are realized in different sites and geological-hydrogeological contests. Then, using analytical modes of heat transfer, characterizations of thermophysical properties of the underground were realized. A correct estimation of the pull-out heat for every BHE is based on the knowledge of lithostratigraphic characteristics, that could derive from either bibliographic researches or in situ tests (such as cores’ and cuttings’ analysis). The presence of groundwater flux is also important for the evaluation of thermal properties and borehole’s thermal resistance. Ground Response Tests (GRT) have been interpreted using the classic thermal model in conductive regime of the Infinite Line Source (ILS) and the advective model of Moving Line Source (MLS). Moreover, in one of the cases investigated, the thermal effect of the circulation in fracture of groundwater has been studied. Finally, it has been realized a study of boreholes’ thermal logs, recorded after the dissipation of disturbs due to perforation, from which it has been possible to determine, in an alternative way to MLS, the Darcy velocity. Results evidence how important it is to evaluate lithostratigraphic and hydrogeological characteristics of the areas of interest for an optimal planning of GSHP systems.