Analisi numerica di elementi di accumulo con materiali a cambiamento di fase (PCM) per applicazioni sotterranee

La crescente consapevolezza delle problematiche ambientali e delle carenze nell’approvvigionamento energetico da fonti rinnovabili è sempre più diffusa nella società globale, accentuata anche dagli attuali e frequenti fenomeni estremi correlati al cambiamento climatico. In questo contesto, diventa urgente individuare nuove e alternative soluzioni che permettano, in modo efficiente e sostenibile, di accumulare e conservare, quanto più a lungo possibile l’energia che, nelle sue diverse forme, viene prodotta anche da fonti rinnovabili. Tra le opzioni emergenti, all’interno dei sistemi di accumulo di energia termica (TES), i sistemi di pompe di calore geotermiche stanno acquisendo un’importanza crescente. Numerose ricerche sono attualmente in corso con l’obiettivo di individuare soluzioni che possano incrementare l’efficienza di questi sistemi. Un approccio promettente consiste nell’utilizzare i materiali a cambiamento di fase (PCM) in combinazione con i sistemi di pompe di calore geotermiche. Questi materiali sono in grado di assorbire e rilasciare energia termica durante la transizione di fase, ad esempio da solido a liquido e viceversa. Quando integrati con materiali edilizi utilizzati nelle pompe di calore geotermiche, come il calcestruzzo, i PCM migliorano le proprietà termofisiche del sistema nel suo complesso, offrendo significativi vantaggi nell’efficienza complessiva. Nel presente elaborato di tesi si affrontano diversi aspetti dei sistemi di accumulo geotermico che prevedono l’adozione dei materiali a cambiamento di fase. L’analisi prevede la trattazione delle caratteristiche e delle applicazioni dei materiali a cambiamento di fase, nonché la definizione delle tecniche sviluppate fino ad oggi per gli scambiatori geotermici e la descrizione dei parametri idrologici che vedono coinvolta la filtrazione sotterranea nello studio dei sistemi applicati nel sottosuolo. Mediante il software di fluidodinamica computazionale ANSYS Fluent 18.1, è stata condotta un’analisi numerica degli elementi di accumulo, che simulano il comportamento e i processi relativi agli scambiatori di calore a palo, realizzati in calcestruzzo integrato con materiali a cambiamento di fase. Il modello numerico vede la comparazione dei diversi profili di temperatura e di energia accumulata all’interno di un cilindro di calcestruzzo integrato con PCM, riscaldato con acqua a diverse temperature che scorre all’interno di un tubo metallico di differenti geometrie, posto nell’asse del suddetto cilindro. L’intero sistema è immerso in un volume di sabbia che replica il comportamento del terreno in cui tali sistemi di scambio geotermico sono tipicamente installati. I risultati ottenuti dalla simulazione numerica confermano le aspettative e le ipotesi formulate: le configurazioni che prevedono l’aggiunta di PCM, sia con acqua in ingresso nel tubo metallico di 80 °C che di 90 °C, manifestano un incremento di circa il 20% di energia termica accumulata qualora la percentuale di PCM aggiunta nella miscela di calcestruzzo sia del 10%, mentre si evidenzia un incremento superiore al 40% nel caso di un’aggiunta del 20% di PCM. L’analisi condotta fornisce una base per il confronto con lo studio futuro che sarà condotto tramite un modello fisico in scala. Tale modello fisico, descritto nel dettaglio nell’elaborato ma che non è stato possibile mettere alla prova in tempo per poter eseguire le simulazioni previste, permetterà di simulare, oltre a quanto è stato possibile analizzare tramite il modello numerico, la filtrazione sotterranea dell’acqua.