Le sonde geotermiche verticali sono scambiatori di calore costituiti spesso da tubi in polietilene che vengono installati all’interno di fori, eseguiti attraverso tecniche di perforazione, e successivamente cementati. Le tipologie di scambiatori verticali esistenti sono due, scambiatori ad U (single U, doppio U) e scambiatori coassiali.
Prima di essere collegate alla pompa di calore le sonde vanno riempite di una soluzione con caratteristiche anticongelante che consentirà alle sonde di scambiare energia con il sottosuolo.
Un contatto termico ottimale tra il terreno e gli scambiatori è fondamentale per un funzionamento efficiente di uno scambiatore verticale. I valori della resistenza termica di uno scambiatore dipendono quindi non solo dal materiale con cui sono realizzati ma anche dal materiale di riempimento.
Il metodo ASHRAE, utilizzato per il dimensionamento delle sonde geotermiche verticali, è il risultato di un modello matematico analitico sviluppato da Kavanaugh e Rafferty ottenuto partendo dal modello della sorgente cilindrica di Carslaw e Jaeger e aggiungendo un calcolo della resistenza del terreno basato su diversi impulsi di calore sul lungo, sul medio e sul breve periodo (Ved. Bibliografia).
Si definiscono tre intervalli di tempo t1, t2, tf :
I corrispondenti numeri di Fourier (F0) sono:
con a diffusività termica del suolo e d diametro equivalente della sonda.
I valori dei fattori G (Gf, G1, G2) relativi ai numeri di Fourier calcolati si possono derivare dal grafico del manuale ASHRAE
I tre valori della resistenza del terreno sono quindi calcolati come:
con kg conduttività termica del suolo.
Le equazioni per il calcolo delle lunghezze complessive degli scambiatori a terreno, rispettivamente per il raffrescamento e per il riscaldamento, sono:
con
qa flusso di calore netto annuale trasferito al terreno;
Rga resistenza termica del terreno, impulso annuale;
qlc picco termico di raffrescamento;
qlh picco termico di riscaldamento;
coefficiente di prestazione del refrigeratore in condizione di progetto;
coefficiente di prestazione della pompa di calore in condizione di progetto;
Rb resistenza termica dello scambiatore;
PLFmc fattore di parzializzazione mensile per il raffrescamento;
PLFmh fattore di parzializzazione mensile per il riscaldamento;
Rgm resistenza termica del terreno, impulso mensile;
Rgd resistenza termica del terreno, impulso giornaliero;
Fsc fattore di perdita di corto circuito;
tg temperatura del terreno indisturbato (stimabile con la media annuale delle temperature dell’aria esterna);
twi temperatura del fluido geotermico all’ingresso della pompa di calore;
tw0 temperatura del fluido geotermico all’uscita della pompa di calore;
tp variazione della temperatura dovuta all’effetto della presenza di più scambiatori; se si presuppone che le sonde siano ben spaziate tra di loro si potrebbe assumere che la temperatura di penalizzazione sia pari a 0.
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