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Dalla Santa, Giorgia (2016) Effetti sulle proprietà meccaniche, idrauliche e termiche prodotti da scambiatori geotermici nei terreni argillosi: il caso studio della città di Venezia. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

In Ground Source Heat Pump systems (GSHP) a continuous circulation of a fluid inside the exchangers installed in the ground transfers heat between the ground and the building’s conditioning system. The heat exchange connected to a GSHP has been shown to alter the natural thermal status of the surrounding subsoil (Banks, 2012). Often the carrier fluids are brines consisting of a mixture of water and anti-freezing solutions, which lower their working temperature in order to improve the heat extraction from the ground during the cold season. The international community has already pointed out the importance of assessing a minimum temperature threshold for the brines inside the probes, in order to constrain the thermal anomalies induced in the soil (Haehnlein et al., 2010; Haehnlein et al., 2013).
This research analyzes how the cyclic thermal stress induced by a borehole heat exchanger (BHE) in the subsoil could change the sediments'€™ properties, if the BHE works in extreme running conditions which induce freeze-thaw cycles (FTCs) and heating processes in the ground.
The study case of Venice (Italy) is considered, where GSHP systems could be a very interesting solution for the issues related to the particular configuration of the city center, to the density of historical buildings and to the local regulations. Venice represents an example of a densely urbanized area with the subsoil characterized by a continuous alternation between cohesive and sandy layers, as in most lowland plains.
A large laboratory program is undertaken in order to measure how the thermal anomaly affects the mechanical, hydraulic and thermal properties of deposits surrounding a BHE, if FTCs occur. In addition, a first evaluation of the thermal impact on the subground is carried out using finite element modelling (Feflow FEMCode), considering a typical building and the geological context of the study case.
The freezing point of sediments is some degrees below 0°C, and varies depending on the kind of sediment, water content, salt content and imposed load (Bing e Ma, 2011; Marion, 1995). While coarse materials display very few effects to temperature changes, FTCs induce a thermal consolidation process affecting irreversibly the cohesive sediments texture, due to the important role that water molecules play in their structure (Konrad e Morgenstern, 1980; Qi et al., 2008)). After 5-7 FTCs, the cohesive samples achieve a new state of equilibrium, characterized by a lower void ratio and a higher state of compaction (Konrad, 1989c).
Experimental results show that a significant settlement is induced in normal-consolidated cohesive layers, while, in the case of overconsolidated layers, a negligible expansion occurs. The effects are intensified in more active clayey sediments characterized by a higher plasticity index and with the presence of smectite minerals, which are more sensitive to temperature changes. The induced thermal settlement is measured considering several conditions of thermal and mechanical loads, degree of overconsolidation and interstitial water salinity, by means of a special device consisting in a thermostatically controlled oedometer.
The irreversible compaction effect induced on cohesive sediments increases with higher salinity concentration, despite the fact that the increasing salt content lowers the sediment freezing point, thereby protecting the soil from freezing processes.
The thermal induced consolidation is achieved in clayey layers with different intensity along the probe, decreasing with increasing applied mechanical stress corresponding to increasing depth. These layers will display hereafter a higher stiffness to higher loads and a sort of insensitivity to further thermal stress.
The obtained results also demonstrated that the BHE’s thermal stress can significantly increase the vertical hydraulic conductivity in cohesive layers, if FTCs are established. The effect is higher in shallow deposits and in overconsolidated layers.
Therefore, it is important to estimate the propagation of the frost front induced by a GSHP system in terms of time and position, in order to evaluate the volume involved in the critical thermal processes.
The propagation of the thermal plume induced in the ground is gained from several modelling simulations performed considering different conditions. A first model represents a 100m length BHE inserted into the ground, characterized consistently with the urban features and the geological context of the study case considered. A real case scenario is analyzed where the thermal requests are unbalanced towards heating. The results show that the volume of ground involved in the freezing processes is very constrained next to the probe; hence a correct representation of the studied phenomenon needs a new and more defined modelling mesh.
For this purpose, another fully discretized model of a double-U BHE was performed, in order to increase the accuracy of the representation of the heat transfer process in frozen ground conditions, providing a more reliable evaluation of the induced thermal anomaly. The sediments phase change is considered by means of a recently developed plug-in(Anbergen et al., 2014 ),, which takes into account the release of latent heat and incorporates the sediments’ thermal properties in frozen state, which affect the extension of the induced thermal anomaly. Hence, specific experimental measures of thermal properties of cohesive sediments sampled in the Venetian area are performed in both frozen and unfrozen conditions. Four different 50cm deep slices of the probe-ground system are analyzed by using the fully discretized model, characterized with the boundary conditions provided by the total-length model and by the experimental measures.

Results show that the freezing front is very constrained around the probe (with a radius <20cm from the filling grout) in the studied conditions, decreasing with increasing depth along the probe.
Despite the fact that only a limited volume close to the probe will experience FT cycles, the consequences of the thermal alteration on cohesive layers cannot be neglected. A significant settlement could occur next to the probe, derived from the compaction gained in the clayey layers present in the local stratigraphic sequence. Furthermore, the increased vertical permeability of the BHE surrounding cohesive layers could constitute a possible hydraulic connection of different aquifers previously separated. These occurrences have to be taken into account in the boreholes field design and during the running phase, because their relevance increases with the abundance of clayey layers and with the number of BHE in the array.
The issues studied are particularly hazardous in dense urbanized areas, characterized by abundance of cohesive layers in the stratigraphic sequence, where the lack of external spaces implies that the BHEs have to be bored under or close to the buildings’ foundations.
In order to regulate the installation of new BHE fields and their exploitation avoiding the highlighted issues, it is important to identify the areas more suitable for this application. Finally this work presents the map of geological sensibility to the thermal stress induced by a BHE of Venice’s historical center, which is based on the distribution of sensitive cohesive sediments in the subsoil, obtained by a high density stratigraphic data-base.
In conclusion, low enthalpy geothermal systems should be designed taking into account the thermal sensitivity of the subsoil. The obtained results could contribute to the definition of the environmental hazards connected to the use of GSHP systems.

Abstract (italian)

Gli impianti geotermici di bassa entalpia per la climatizzazione degli edifici sono una tecnologia emergente che permette di avere una più elevata sostenibilità e un minor impatto ambientale, grazie all'€™uso di energie alternative ai combustibili fossili e all'€™abbattimento delle emissioni nocive in atmosfera (Huttrer, 1997; Lund et al., 2005).
Negli impianti a circuito aperto detti GWHP (Ground Water Heat Pump) l'€™energia termica è scambiata direttamente con l'€™acqua sotterranea che viene prelevata e reimmessa nel sottosuolo. Negli impianti a circuito chiuso invece, detti GSHP (Ground Sorurce Heat Pump), lo scambio termico tra l'™edificio e il terreno è affidato ad un fluido termovettore che scorre all'™interno di sonde inserite nel sottosuolo. Il terreno funziona come sorgente di energia termica che viene fornita all'edificio durante l'€™inverno, e come serbatoio a cui cedere calore durante l'estate. La tipologia di scambiatori di calore a terreno più diffusa è la sonda verticale, inserita nel sottosuolo per una profondità  di circa 100m. Una pompa di calore controlla il sistema spendendo energia elettrica, fornendo un incremento di energia termica quando necessario. La sostenibilità energetica ed ambientale del sistema nasce dal fatto che il sottosuolo già  a qualche metro di profondità  mantiene pressoché costante la temperatura nel corso dell'€™anno, pari all'€™incirca alla temperatura media annua dell'aria (Banks, 2012).
Di conseguenza ai processi di scambio di calore tra il fluido termovettore ed il terreno, l'equilibrio termico della porzione di sottosuolo che circonda la sonda viene modificato rispetto alla condizione indisturbata. Spesso, i fluidi termovettori sono acqua miscelata con soluzioni antigelo, che permettono di abbassarne la temperatura di lavoro in modo da aumentare l'estrazione di calore dal terreno durante la stagione invernale. La necessità  di prestare attenzione alle possibili conseguenze indotte nel sottosuolo dall'€™anomalia termica generata durante l'€™esercizio di impianti a circuito chiuso è stata sottolineata recentemente dalla comunità scientifica internazionale, che ha invitato a minimizzarne l'™intensità per le possibili conseguenze ambientali provocate, anche considerando l'interazione che può crearsi tra impianti vicini (Haehnlein et al., 2010; Haehnlein et al., 2013). In generale infatti, è noto che le proprietà  dei materiali vengono alterate dalle variazioni di temperatura, ma l'entità  di tali alterazioni e la sensibilità alle variazioni termiche delle diverse tipologie dei sedimenti presenti nel sottosuolo non sono ancora ben note.
L'obiettivo della ricerca presentata è consistito nell'€™indagare l'€™anomalia termica indotta nel sottosuolo dal funzionamento di una sonda geotermica verticale ed i possibili effetti da questa provocati sulle proprietà dei sedimenti al suo intorno, considerandone sia le proprietà  meccaniche ed idrauliche sia le proprietà termiche, le quali possono a loro volta influenzare nel lungo periodo l'€™integrità e la funzionalità  del sistema sonda-terreno. In particolare sono state considerate condizioni critiche di funzionamento dell'€™impianto che, utilizzando additivi anticongelanti all'interno delle sonde, possono indurre fenomeni di congelamento e scongelamento nel terreno circostante, oltre a riscaldamento.
E'™ stato considerato il caso studio del centro storico di Venezia, dove, a causa della particolare conformazione della città e della tipologia degli edifici presenti, spesso gli impianti si trovano a funzionare in condizioni di esercizio estreme. Il caso studio considerato, pur dedicato ad un particolare contesto geologico ed ambientale, può essere considerato esemplare ed estensibile anche ad altri ambienti geologici caratterizzati dalle condizioni litostratigrafiche tipiche delle basse pianure alluvionali. Le condizioni ambientali considerate, infatti, descrivono una situazione molto frequente a livello nazionale ed internazionale che, inoltre, per la favorevole condizione morfologica e idrogeologica, risultano spesso sede di importanti insediamenti urbani ad elevata densità edificatoria, quindi con problematiche simili a quelle studiate.

E' stato svolto un ampio programma sperimentale, al fine di determinare le deformazioni e le conseguenti variazioni di deformabilità, resistenza e permeabilità  idraulica generate nel sottosuolo dalle variazioni termiche. Le prove sperimentali sono state svolte su materiali diversi e considerando differenti condizioni al contorno (di carico, di stato iniziale, di temperatura, ecc..). Sui medesimi materiali sono state effettuate inoltre misure di conducibilità e diffusività termica a diverse temperature.
Infine, con lo scopo di identificare l'estensione della porzione di sottosuolo effettivamente interessata dalle eventuali modifiche delle proprietà misurate, è stato sviluppato un modello matematico agli elementi finiti di un sistema sonda-terreno con il quale è stato possibile studiare l'€™evoluzione nel tempo e nello spazio dell'€™anomalia termica indotta, valutando diverse condizioni di esercizio.

Il punto di congelamento dei sedimenti è qualche grado al di sotto di 0° C, e varia a seconda del tipo di sedimento, del contenuto d'€™acqua, del contenuto di sale e del carico imposto(Bing e Ma, 2011; Marion, 1995). Mentre i materiali più grossolani (sabbiosi) mostrano effetti molto limitati se sottoposti a cambiamenti di temperatura, i cicli di gelo/disgelo inducono un processo di consolidamento termico che modifica in modo irreversibile la tessitura dei sedimenti coesivi, a causa del ruolo fondamentale che le molecole d'acqua svolgono nella loro struttura (Konrad e Morgenstern, 1980; Qi et al., 2008). Dopo 5-7 cicli di gelo/disgelo, i materiali coesivi raggiungono un nuovo stato di equilibrio caratterizzato da un indice dei vuoti inferiore e da una maggiore compattazione (Konrad, 1989c).

I risultati sperimentali dimostrano che nei livelli coesivi normal-consolidati viene indotto un cedimento significativo, mentre, in caso il materiale sia sovraconsolidato, si verifica una espansione trascurabile. Gli effetti sono intensificati nei sedimenti argillosi più attivi, caratterizzati da un alto indice di plasticità e con la presenza di minerali di smectite, più sensibili alle variazioni di temperatura. Gli esperimenti svolti per misurare il cedimento termico indotto sono stati eseguiti utilizzando uno speciale edometro termostatato, considerando diverse condizioni di carico applicato e sollecitazione termica, diversi gradi di sovraconsolidazione e salinità dell'acqua interstiziale.
L'effetto di compattazione irreversibile indotto sui sedimenti argillosi aumenta all'€™aumentare della concentrazione salina, nonostante l'€™aumento del contenuto di sale abbassi la temperatura critica di congelamento, proteggendone così il suolo.
Inoltre, l'effetto di consolidamento indotto termicamente nei depositi coesivi si verifica con diversa intensità lungo la sonda geotermica, diminuendo all'aumentare del carico applicato, corrispondente alla sollecitazione che si riscontra a profondità crescenti. Questi livelli, una volta subito il processo di consolidamento dovuto ai cicli di gelo disgelo, sono dotati anche di una maggiore rigidezza se sottoposti ad ulteriori carichi e non subiscono ulteriori cedimenti se sottoposti ad aggiuntive variazioni di temperatura.
I risultati ottenuti hanno dimostrato, inoltre, che l'™anomalia termica indotta nel terreno da una BHE, se genera cicli di gelo/disgelo, può aumentare in modo significativo la conducibilità idraulica verticale dei livelli argillosi. L'effetto è maggiore nei depositi superficiali e nei livelli sovraconsolidati.
Pertanto, è importante valutare l'evoluzione temporale e spaziale della propagazione attorno ad una sonda geotermica delle condizioni che portano il sedimento al congelamento, al fine di valutare il volume di terreno effettivamente coinvolto nei processi individuati come critici.
La propagazione del plume termico indotto nel terreno è stata stimata grazie a simulazioni modellistiche, svolte considerando diverse condizioni al contorno. Un primo modello rappresenta una BHE di 100m di lunghezza inserita nel terreno, caratterizzando il modello coerentemente con le caratteristiche urbane e il contesto geologico del caso studio considerato e simulando un caso reale con richieste termiche dell'€™edificio sbilanciato verso il riscaldamento. I risultati mostrano che il volume di terreno coinvolto nei processi di congelamento è molto limitato attorno alla sonda, evidenziando la necessità di aumentare la scala di rappresentazione del fenomeno, utilizzando un modello con una mesh di calcolo più raffinata. A questo scopo è stato realizzato un altro modello di una sonda a doppia U, completamente discretizzato al fine di aumentare la precisione della rappresentazione del processo di trasferimento di calore in condizioni di congelamento del terreno, fornendo così una stima più affidabile dell'anomalia termica indotta. Il processo di cambiamento di fase del sedimento viene rappresentato con l'applicazione di un plug-in recentemente sviluppato (Anbergen et al., 2014 ), che tiene conto del rilascio di calore latente ed inoltre assegna specifiche proprietà termiche ai sedimenti in condizioni di congelamento, che influenzano la propagazione dell'anomalia termica indotta. E'€™ stata quindi eseguita appositamente una serie di misure sperimentali delle proprietà termiche dei sedimenti coesivi dell'area veneziana, sia in condizioni congelate che a temperature al di sopra dello zero. Utilizzando il modello completamente discretizzato, sono state simulate quattro diverse fasce orizzontali del sistema sonda-terra profonde 50cm, caratterizzandole con condizioni al contorno fornite dal modello di sonda completa e dalle misure sperimentali.
I risultati mostrano che il fronte di congelamento è molto ristretto nei pressi della sonda (19cm) nelle condizioni studiate, e diminuisce all'aumentare della profondità della fascia di terreno considerata.
Nonostante il fatto che solo un volume limitato in prossimità della sonda è effettivamente soggetto a cicli di gelo/disgelo, gli effetti termici indotti sui livelli coesivi non possono essere trascurati. Un cedimento significativo può verificarsi vicino alla sonda, derivato dalla compattazione acquisita nei livelli argillosi presenti lungo la sequenza stratigrafica. Inoltre, l'aumento localizzato della permeabilità verticale dei livelli argillosi potrebbe costituire un possibile collegamento idraulico tra acquiferi differenziati, precedentemente separati. Questi rischi devono essere presi in considerazione nella progettazione del campo sonde e durante la fase di esercizio di un impianto, perché la loro importanza può aumentare con l'abbondanza degli strati argillosi presenti e con il numero di sonde che compongono l'€™impianto stesso.
I rischi emersi sono particolarmente pericolosi in aree densamente urbanizzate e caratterizzate da abbondanza di strati coesivi nella sequenza stratigrafica, dove la mancanza di spazi esterni implica che le sonde debbano essere realizzate sotto o nelle vicinanze delle fondazioni degli edifici.
Al fine di regolare l'installazione di nuovi campi di sonde geotermiche e il loro utilizzo evitando i problemi evidenziati, è importante identificare le aree del territorio più adatte per questo tipo di utilizzo. Avendo individuato e analizzato tipologie litologiche caratterizzate da una diversa sensibilità all'€™alterazione termica indotta, è stato infine possibile proporre una mappa tematica di sensibilità geologica del territorio di Venezia all'€™alterazione termica, basata sulla distribuzione nel sottosuolo dei sedimenti coesivi "sensibili", nota grazie ad un database stratigrafico ad alta densità informativa. Questa tipologia di mappa può essere proposta come possibile strumento di analisi del territorio, a supporto del processo decisionale svolto dalle amministrazioni locali per la gestione e la regolamentazione dei processi autorizzativi relativi agli impianti di geo-scambio a circuito chiuso.
In conclusione, gli impianti geotermici a bassa entalpia dovrebbero essere progettati tenendo conto della sensibilità termica del sottosuolo, soprattutto se utilizzano temperature di esercizio che possono indurre cicli di congelamento e scongelamento nei sedimenti circostanti. I risultati ottenuti da questa ricerca possono contribuire a definire i rischi ambientali connessi con l'uso di sistemi GSHP.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Galgaro, Antonio
Ph.D. course:Ciclo 28 > Scuole 28 > SCIENZE DELLA TERRA
Data di deposito della tesi:01 February 2016
Anno di Pubblicazione:01 February 2016
Key Words:BHE; cicli gelo/disgelo; freeze/thaw cycles; clay; argilla; thermal anomaly; anomalia termica
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 04 - Scienze della terra > GEO/05 Geologia applicata
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Geoscienze
Codice ID:9586
Depositato il:17 Oct 2016 12:35
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