INNOVATIVE SOLUTIONS FOR METAL GROUND HEAT EXCHANGERS

Buildings are responsible for 40% of global energy consumption and about 30% of greenhouse gas emissions. In fact, ensuring that new and existing buildings are sustainable and energy efficient is the main goal of European Commission efforts to challenge climate change . Shallow geothermal energy is a constant, reliable and renewable energy source available almost everywhere, and geothermal heat pump systems have proven to be effective in limiting energy consumption for the heating and cooling needs of buildings. However, the need for research and improvement is mandatory because there are technical barriers that limit the spread of these systems, which need further development to be made more efficient, cheaper and safer. This thesis describes the research and innovations obtained in the frame of Horizon 2020 GEO4CIVHIC project focused on improving one of the crucial components of shallow geothermal systems: the ground heat exchanger, focusing on the metal ones. Ground heat exchangers (GHE) are tubes inserted into the ground inside which a fluid flows that allows heat to be transferred to the ground. Their effectiveness depends mainly on the local geological context such as stratigraphy and hydrological conditions and on the materials and technology used to build the GHEs. This thesis, after an introductory part, describes traditional and innovative methods and procedures aimed at determining the thermophysical properties of different types of metallic GHEs. The proposed methods are then applied to study the interaction between GHEs and the environment, that is the underground which also includes its water content due to groundwater and its characterizing chemophysical properties. The study focuses on the effects of these interactions on heat transfer performance and, in the long term, on corrosion and pipe life. Workable solutions and measures to make metal ground heat exchangers more efficient, cost effective and safer have been identified and applied on a real case study. These include the development and implementation of an experimental type of GHE and the proposal of non-destructive inspection methods based on infrared thermography.

Gli edifici sono responsabili del 40% del consumo energetico globale e di circa il 30% delle emissioni di gas serra. Per questo motivo, garantire che gli edifici nuovi ed esistenti siano sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico è l'obiettivo principale degli sforzi della Commissione europea per contrastare il cambiamento climatico . L'energia geotermica a bassa entalpia è una fonte di energia costante, affidabile e rinnovabile disponibile quasi ovunque. I sistemi geotermici a pompa di calore si sono dimostrati efficaci nel limitare il consumo di energia per le esigenze di riscaldamento e raffrescamento degli edifici. Tuttavia, è necessario continuare la ricerca in questo campo, perché esistono barriere tecniche che limitano la diffusione di questi sistemi, che vanno pertanto ulteriormente sviluppati e resi più efficienti, più economici e più sicuri. Questa tesi descrive la ricerca e le innovazioni ottenute nell'ambito del progetto Horizon 2020 GEO4CIVHIC incentrate sul miglioramento di uno dei componenti cruciali dei sistemi geotermici superficiali: lo scambiatore di calore a terreno, nello specifico quelli in metallo. Gli scambiatori di calore a terreno (GHE) sono tubi inseriti nel terreno all'interno dei quali scorre un fluido che consente il trasferimento di calore con il terreno stesso. La loro efficacia dipende principalmente dal contesto geologico locale, che implica stratigrafia e condizioni idrologiche, nonché dai materiali e dalla tecnologia utilizzati per costruire i GHE. Questa tesi, dopo una parte introduttiva, descrive metodi e procedure tradizionali e innovativi volti a determinare le proprietà termofisiche di diversi tipi di GHE metallici. I metodi proposti vengono poi applicati per studiare l'interazione tra il GHE e l’ambiente circostante, ovvero il sottosuolo, che comprende anche il suo contenuto idrico dovuto alle falde acquifere e le sue stesse proprietà chimico-fisiche. Lo studio si è concentrato sugli effetti di queste interazioni sulle prestazioni di trasferimento del calore e, a lungo termine, sulla corrosione e sulla durata dei tubi. Soluzioni e misure preventive praticabili per rendere gli scambiatori di calore metallici efficienti, convenienti e più sicuri sono state identificate e applicate su un caso studio reale. Queste includono lo sviluppo e l'implementazione di un modello sperimentale di GHE e la proposta di metodi di ispezione non distruttivi basati sulla termografia a infrarossi.