Ground Thermal Profiling by Enhanced Geothermal Response Tests

Shallow geothermal energy systems extract low-grade heat from the upper subsurface for building heating and cooling. Their economic feasibility rests on accurate estimation of the equivalent ground thermal conductivity, conventionally obtained from a thermal response test performed in the installation borehole. The enhanced thermal response test (ETRT) replaces the fluid-loop heat source of the conventional test with a hybrid copper–fibre cable embedded directly in the grout, enabling depth-resolved measurement through distributed temperature sensing along the optical fibre. ETRT data have so far been interpreted with analytical models the infinite-line-source solution and its log approximation that assume a perfectly constant heating power, an assumption rarely satisfied in practice. This thesis presents the first application of deconvolution-based interpretation to ETRT data. The deconvolution preprocessing step reconstructs the unit-power thermal response of the borehole, allowing classical analytical solutions to be applied without the constant-power assumption. Six interpretation methods are implemented within a single Python pipeline and compared on field datasets from sites of contrasting lithology, hydrogeology, and borehole installation geometry along the Italian peninsula. Cross-method comparison emerges as a per-site diagnostic. It isolates the methodological signature of each estimator, identifies departures from purely conductive heat transport at sites with measurable groundwater advection, and constrains the back-calculated borehole thermal resistance as a relative measure of installation quality. The work establishes deconvolution as a generally applicable preprocessing step for ETRT analysis and identifies extension to advective regimes and absolute-value calibration of the borehole-resistance inversion as directions for further research.

I sistemi di pompe di calore geotermiche (GSHP) vengono dimensionati in base a tre parametri di input: la temperatura del terreno indisturbato, la resistenza termica del pozzo e la conducibilità termica del terreno. Il test di risposta termica potenziata (ETRT) misura tutti e tre i parametri con risoluzione in profondità: un cavo ibrido cementato nel pozzo riscalda direttamente il terreno, e una fibra ottica nello stesso cavo restituisce la temperatura a ogni profondità. Questa tesi si interroga su quanto la conducibilità recuperata dipenda dal modo in cui viene interpretata la registrazione e su quale interpretazione sia più affidabile in quale contesto geologico. Sono stati sviluppati sei metodi di interpretazione a partire da due forme analitiche e tre segnali: l'approssimazione logaritmica del primo ordine (FOA) e la soluzione completa della sorgente lineare infinita (ILS), ciascuno adattato alla temperatura della fase di riscaldamento, alla temperatura della fase di recupero e alla funzione di trasferimento sperimentale ĝ recuperata mediante deconvoluzione vincolata dai soli dati misurati. I metodi sono stati applicati agli ETRT in tre siti italiani geologicamente distinti: Passo Giau nelle Dolomiti, Beato Pellegrino a Padova e l'Ambasciata svizzera a Roma. Un'analisi Monte Carlo ha propagato il rumore di misurazione attraverso tutti e sei i metodi. Il risultato principale è che la scelta del metodo sposta la conduttività dell'intero pozzo da 0,53 a 0,81 W m⁻¹ K⁻¹ per sito, mentre il rumore di misurazione propagato sposta ciascun singolo metodo di soli 0,07 a 0,12 W m⁻¹ K⁻¹: l'interpretazione, non lo strumento, è l'incertezza dominante della tecnica. Su basi teoriche, l'ILS adattato alla funzione di trasferimento è l'impostazione predefinita più difendibile; a Padova, dove la funzione di trasferimento presenta un'anomalia della falda freatica, gli adattamenti del recupero concordano meglio con le colonne di laboratorio, mentre a Roma l'adattamento della temperatura della fase di riscaldamento è il migliore. L'intervallo di interpretazioni difendibili di uno stesso test corrisponde a 22-34 m di lunghezza di perforazione sulla scala di riferimento del database italiano TRT.