• simulazioni 3D
• pali energetici
• modelli semplificati
• criteri adimensionali

I pali energetici sono uno dei possibili scambiatori di calore a sviluppo verticale per pompe di calore accoppiate al terreno. Essi permettono una riduzione dei costi di installazione dell'impianto ma nelle attuali modellazioni è limitato l'approfondimento degli effetti legati alla loro geometria tozza e alla loro elevata capacità termica. In questa tesi è stata analizzata la dinamica dei pali energetici tramite simulazioni numeriche 3D al variare dell'aspect ratio, della posizione dei tubi, della portata e della condizione al contorno sulla superficie del terreno. In particolare sono stati mantenuti costanti la temperatura e la velocità del fluido in ingresso, il diametro dei tubi e del palo e le proprietà termofisiche. L'obiettivo è quello di dedurre dei criteri adimensionali e ipotesi semplificative per lo sviluppo di modelli analitici semplificati. I risultati ottenuti, relativi al raggio e alla diffusività termica dei pali analizzati e con imposta la condizione di temperatura del fluido in ingresso costante, sono presentati in mappe adimensionali per generalizzare. La dinamica del fluido termovettore si conclude ad un tempo di 3-25 minuti mentre quella del palo ad un tempo dell'ordine di 10-15 giorni (corrispondente a Fob=5 e non può essere trascurata durante il funzionamento della pompa di calore. Le prestazioni di scambio termico migliorano posizionando i tubi vicino all'interfaccia con il terreno e posizionandoli uniformemente lungo la circonferenza del palo. L'analisi del campo termico ha evidenziato che una modellazione 2D è sufficiente a riprodurre il comportamento transitorio del palo, in quanto lo scambio termico lungo la direzione assiale risulta trascurabile durante la dinamica. Per questa ragione, i tubi possono essere modellati come delle sorgenti di calore puntiformi variabili nel tempo a condizione di introdurre un fattore correttivo che tenga conto delle reali dimensioni radiali del condotto. Infine, i risultati numerici risultano coerenti con i modelli tradizionali per la valutazione della temperatura del terreno nel caso di superficie del terreno adiabatica ma non isoterma. Ciò testimonia la necessità di approfondire l'influenza delle condizioni al contorno superficiali sulle prestazioni dei pali energetici.