Studio di un sistema energetico contro terra con integrazione di materiali a cambiamento di fase

La sempre più crescente richiesta energetica e la contemporanea necessità di ridurre l’utilizzo di risorse fossili ha accelerato notevolmente l’integrazione di tecnologie che sfruttano le fonti di energia rinnovabile. Per via della discontinuità che le caratterizzano, però, tali tecnologie risentono dell’esigenza di essere poi combinate con sistemi intelligenti, efficienti e sostenibili per l’accumulo energetico. Il lavoro di tesi presentato è focalizzato sull’osservazione delle potenzialità che hanno l’uso combinato di impianti geotermici a bassa entalpia e materiali a cambiamento di fase (anche noti come PCM, dall’inglese “Phase Change Materials”). Il banco di prova su cui si applica lo studio è il sistema GeothermSkin, un muro energetico dotato di una rete di tubazioni in grado di trasformare le strutture verticali interrate degli edifici in geoscambiatori, grazie alla possibilità di utilizzare il terreno come sorgente o pozzo termico, ed in particolare al prototipo installato presso l’Energy Center di Torino, che è accoppiato ad una pompa di calore elettrica che alimenta, tramite fluido termovettore, un ventilconvettore per il riscaldamento o il raffrescamento dell’ambiente di prova. Dopo un’iniziale introduzione sui concetti generali legati alla geotermia e alle pompe di calore attualmente esistenti, segue una contestualizzazione circa il sistema in esame e le condizioni climatiche e geologiche in cui esso si colloca, grazie alla presenza di una serie di parametri raccolti durante delle prove di riscaldamento condotte tra il 22 ottobre e il 10 novembre 2023. Ciò ha consentito di vagliare gli effetti che si hanno sul profilo di temperatura interno al terreno rispetto a delle condizioni al contorno predefinite come, ad esempio, il profilo di temperatura esterna e il gradiente termico nel sottosuolo. Successivamente alla presentazione del caso studio in condizioni operative di riferimento, vengono creati scenari di natura sperimentale, a parità di condizioni al contorno, selezionando diversi materiali a cambiamento di fase, usufruendone come integrazione di energia termica derivante dall’accoppiamento diretto con il muro energetico. La scelta di tali materiali si basa, parallelamente alla disponibilità di mercato, sul selezionare i punti di passaggio di fase caratteristici a temperature vicine a quelle di set-point, in maniera da sfruttarli come accumulatori di energia attraverso il processo di fusione o di solidificazione. Le prove sperimentali simulate sono state tutte svolte in ambiente COMSOL Multiphysics®, risolutore particolarmente utile per la rappresentazione di fenomeni accoppiati e multivariati. Alla fine dell’elaborato vengono riportati i risultati ottenuti dal confronto delle simulazioni con l’intento di trarre vantaggi a favore della diffusione della fonte geotermica a bassa entalpia e dell’implementazione dei pcm, importanti, tra gli altri obiettivi, per la minimizzazione dell’impronta ecologica del settore residenziale.