La ricerca proposta ha lo scopo di studiare il comportamento termico di tubazioni multiple per la distribuzione di fluidi termovettori a diverse temperature per il dimensionamento ottimale delle reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento, la cui riduzione degli scambi termici attraverso il terreno è fondamentale per garantire la transizione al cosiddetto 4GDH (4th Generation District Heating), che rappresenta uno dei principali obiettivi comunitari europei in materia di pianificazione energetica.
A tal proposito, infatti, per quanto siano rintracciabili in letteratura diversi lavori su tale argomento, la maggior parte di essi riguarda situazioni specifiche, derivandone che i risultati disponibili, per quanto interessanti dal punto di vista fenomenologico, seppur relativi a configurazioni semplici, non sono generalizzabili e hanno quindi modesta valenza applicativa. Si registra, pertanto, un'assoluta carenza di correlazioni operative di scambio termico, che, viceversa, sarebbero di notevole utilità pratica in sede sia di progetto che di verifica delle prestazioni delle reti di distribuzione termofluidica.
In questo contesto di inquadramento generale, viene proposta una ricerca numerico-sperimentale avente i seguenti principali obiettivi: (a) definire, in funzione delle caratteristiche geometriche dello scavo, del sistema di tubazioni interrate e del relativo isolamento termico, nonché delle proprietà termofisiche dei materiali, delle temperature in gioco e delle condizioni climatiche, il comportamento termico di ciascuno degli elementi componenti il sistema; (b) individuare, a parità di determinate condizioni, l'esistenza di configurazioni ottimali; (c) valutare gli effetti di non stazionarietà conseguenti alle variazioni delle condizioni operative del sistema; e (d) sviluppare correlazioni per il calcolo della resistenza termica a cui è soggetta ciascuna tubazione che compone il sistema in funzione dei diversi parametri indipendenti.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente connessa all'attuale mancanza di correlazioni sul comportamento termico di tubazioni multiple di distribuzione di fluidi termovettori a diverse temperature. Di fatto, la disponibilità di tali correlazioni di calcolo riveste un ruolo fondamentale per il dimensionamento ottimale delle reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento, la cui riduzione degli scambi termici rispetto alla situazione attuale costituisce uno degli elementi cardine per garantire la transizione al 4GDH, come ad esempio evidenziato da Lund et al. [1].
A partire dagli studi pionieristici di Esser e Krisher [2], Carlslaw e Jaeger [3] e Grigull [4], lo studio delle dispersioni termiche da tubazioni è stato oggetto di diverse ricerche, con ricadute più o meno significative sul dimensionamento delle reti per applicazioni di DH. D'altra parte, la transizione verso il 4GDH, considerata prioritaria tra le strategie energetiche comunitarie [5], richiede la disponibilità di strumenti di calcolo avanzati, ma che, al tempo stesso, siano di utilizzo relativamente semplice.
Tra i lavori più recenti, svolti proprio nell'ottica della transizione al 4GDH, si distinguono gli studi condotti da: Afshan e Pettinger [6] per tubi singoli; Danielewicz et al. [7] per coppie di tubi di mandata e ritorno isolati singolarmente; e Kraweczyk e Teleszewski [8-10] per coppie di tubi annegati all'interno di un unico blocco di materiale isolante di forma cilindrica, ellittica o ovoidale.
Sono inoltre degni di nota gli studi comparativi eseguiti da van der Heijde et al. [11], Oclon et al. [12] e Teleszewski et al. [13] per una coppia o due coppie di tubi isolati singolarmente e per le stesse tubazioni annegate in un unico blocco di materiale isolante.
Purtroppo, pressoché tutti i lavori citati riguardano situazioni specifiche, relativamente sia agli aspetti geometrici che alle condizioni di natura termica, derivandone che i risultati ottenuti dai diversi ricercatori - per quanto assolutamente interessanti dal punto di vista fenomenologico, soprattutto per il fatto che mettono in evidenza l'esistenza di configurazioni ottimali - non sono generalizzabili e hanno quindi modesta valenza applicativa. In particolare, in nessuno di tali lavori vengono proposte correlazioni di scambio termico, che è proprio ciò di cui sarebbe utile disporre in sede sia di progetto che di verifica delle prestazioni delle reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento.
Per quanto illustrato in sintesi, le potenzialità di realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte sono insite nell'innovatività dello studio proposto. Al riguardo, si ritiene che il raggiungimento degli obiettivi elencati nel precedente paragrafo possa costituire un utile contributo scientifico sull'argomento oggetto della presente ricerca.
Riferimenti bibliografici
[1] H. Lund et al., Energy 68 (2014) 1-11.
[2] W. Esser e O. Krisher, Die Berechnung der Anheizung und Auskühlung ebener und zylindrischer Wander, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg 1930.
[3] H. S. Carlslaw e J. C. Jaeger, Conduction of Heat in Solids, Oxford University Press 1948.
[4] F. G. Grigull, Heat Mass Transfer 2 (1969) 109-117.
[5] European Commission, EU Strategy for Heating and Cooling, Technical Report 2016.
[6] S. Afshan e A. Pettinger, Journal of Failure Analysis and Prevention 18 (2018) 1554-1561.
[7] J. Danielewicz et al., Energy 108 (2016) 172-184.
[8] D. A. Kraweczyk e T. J. Teleszewski, Proceedings 2 (2018) 1520.
[9] D. A. Kraweczyk e T. J. Teleszewski, Energies 12 (2019) 1012.
[10] D. A. Kraweczyk e T. J. Teleszewski, Energies 12 (2019) 2104.
[11] B. van der Heijde et al., International Journal of Thermal Sciences 117 (2017) 316-327.
[12] P. Oclon et al., Energy 183 (2019) 880-891.
[13] T. J. Teleszewski et al., Energies 12 (2019) 4699.