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Geothermal Heat Pumps

Un tool in Matlab-Simulink per la simulazione di pompe di calore geotermiche
( La termotecnica - Aprile 2012 - Milano )
Gianpiero Colangelo, Danilo Romano, Arturo de Risi, Giuseppe Starace, Domenico Laforgia

Abstract
Nell’ultimo decennio, le pompe di calore geotermiche hanno avuto in Italia sviluppo e diffusione grazie soprattutto ai consistenti consentono risparmi energetici che consentono quando utilizzate per soddisfare il fabbisogno di climatizzazione estiva e invernale degli edifici.
In questo lavoro vengono analizzati i diversi modelli matematici presenti in letteratura per il calcolo delle prestazioni delle pompe di calore dotate di scambiatori orizzontali e verticali e per le relative metodologie di dimensionamento semplificate.
A seguito dei risultati di questa analisi è stato concepito e implementato un modello matematico in ambiente Matlab-Simulink che integra le metodologie per la progettazione dei sistemi geotermici verticali e orizzontali e valuta le potenze termiche scambiate con il terreno correggendo i valori tabellari di riferimento e largamente in uso nella progettazione semplificata degli impianti di piccola taglia, in funzione delle particolari condizioni operative. Il modello è tarato con il riferimento a risultati sperimentali e ai valori in uscita dalle procedure di calcolo del software RETScreen.

CFD Simulations of Horizontal Ground Heat Exchangers: a Comparison among Different Configurations
(2012 -Applied Thermal Engineering Volumes 33–34, February 2012, Pages 24–32)
http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.09.005
Paolo Maria Congedo, Gianpiero Colangelo, Giuseppe Starace

Abstract
This work deals with the efficiency and the energy behavior of Ground Source Heat Pumps (GSHPs) used for heating and cooling of buildings. In particular horizontal type heat exchangers have been investigated for different configurations, in order to evaluate the characteristics of these systems in the most common layouts and in different working conditions. The main results pointed out the heat fluxes transferred to and from the ground and the efficiency of the system. The calculations were made with the CFD code Fluent and the simulations covered one year of system operation, both in summer and winter for typical climate conditions of the South of Italy. The most important parameter for the heat transfer performance of the system resulted the thermal conductivity of the ground around the heat exchanger and the optimal ground type was that with the highest thermal conductivity (3 W/m K in the cases analyzed in this work). The choice of the velocity of the heat transfer fluid inside the tubes was another key factor. The depth of installation of the horizontal ground heat exchangers did not play an important role on the system performance. The helical heat exchanger arrangement resulted as the best performing one. 

Computational Sensitivity Analysis of Horizontal Heat Exchangers for GSHPs
(2007 -ASME-ATI Conference – Energy: Production, Distribution and Conservation, Milano-  Vol.I, pp. 467-476  - Articolo)
Giuseppe Starace, Gianpiero Colangelo, Paolo Maria Congedo

Abstract
The Ground Source Heat Pump (GSHP) is a promising technology alternative to traditional heat pumps for the air conditioning and heating of buildings. In particular the GSHPs with horizontal ground heat exchanger (GHX) could achieve good performance with lower installation costs compared to vertical GHX. In this work a numerical comparison among different depths of installation (1.5m – 2.0m – 2.5 m) of the ground coupled heat exchanger was performed. In particular the comparing parameters were:
the heat flux exchanged between the heat exchanger and the ground; the system efficiency; the energy and installation costs in both heating and cooling periods of the year. The dependence on the ground thermal conductivity was investigated as well. In particular, the possibility to replace the ground around the tube with a filling material with a different thermal conductivity and heat capacity was evaluated, in order to improve the efficiency of the system.
The investigation was performed for two possible utilizations: a single flat and a commercial building. As the South of Italy requires both heating and cooling, the systems were studied for both winter and summer operation. A cost analysis was performed as well to evaluate GSHP horizontal heat exchanger at the three depths considered in order to evaluate the benefits obtained. The results showed the dependence of the performance of the horizontal GSHP from these parameters, giving useful information both for designers and installers.
 


Le pompe di calore geotermiche
(Congresso nazionale - AICARR 2003 Le moderne tecnologie negli impianti e nei componenti per il riscaldamento - Padova, Bari, Catania)
Giuseppe Starace

Abstract

La pompa di calore geotermica (GSHP, Ground Source Heat Pump o GHP Geothermal Heat Pump) è una macchina frigorifera utilizzata per il condizionamento degli ambienti e per il riscaldamento di acqua per uso sanitario riconosciuta a livello mondiale  per i suoi vantaggi energetici e funzionali. Rispetto al tradizionale utilizzo della pompa di calore aria-aria essa: a) richiede meno energia per funzionare;
b) in luogo dell'aria ambiente
utilizza serbatoi termici (il terreno, l’acqua di falda o corpi d'acqua superficiali) a temperatura estremamente poco variabile;
c) non richiede energia supplementare per il riscaldamento dell’unità esterna durante i picchi di freddo invernale; d) richiede una manutenzione meno impegnativa;
e) non necessità di uno studio per il posizionamento dell’unità esterna per questioni legate alle condizioni ambientali.
In questo lavoro si spiega l’origine dei vantaggi energetici dell’utilizzo della sorgente geotermica e si pone l’accento su alcune delle problematiche di progetto degli scambiatori di calore verticali per le applicazioni geotermiche.


File Allegati:
Pdc Geotermiche
Pdc rinnovabile starace