ITPC20070040A1

ITPC20070040A1 - HIGH CAPACITY GEOTHERMAL WELL

Info

Publication number: ITPC20070040A1
Authority: IT
Inventors: Cesare Melegari
Original assignee: Cesare Melegari
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-02-22

Description

POZZO GEOTERMICO AD ALTA CAPACITA’ HIGH CAPACITY GEOTHERMAL WELL

La presente invenzione propone un pozzo geotermico ad alta capacità in grado di sfruttare il sottosuolo come fonte di calore a bassa entalpia per impianti di condizionamento ambientale di medie e grandi dimensioni. Più in particolare si tratta di un pozzo del diametro di alcuni metri scavato fino a una profondità variabile, fra i quaranta e i sessanta metri circa di profondità, dove in genere si trovano le falde acquifere. The present invention proposes a high capacity geothermal well capable of exploiting the subsoil as a low enthalpy heat source for medium and large environmental conditioning systems. More specifically, it is a well with a diameter of a few meters dug up to a variable depth, between forty and sixty meters in depth, where the aquifers are generally found.

Detto pozzo è caratterizzato dal fatto di prevedere una pluralità di tubazioni che partono dal fondo di detto pozzo e proseguono nel terreno circostante lungo una direzione sostanzialmente orizzontale e radiale rispetto all’asse del pozzo. Said well is characterized by the fact of providing a plurality of pipes that start from the bottom of said well and continue into the surrounding ground along a substantially horizontal and radial direction with respect to the axis of the well.

L’insieme di dette tubazioni costituisce lo scambiatore di calore deirimpianto cedendo o assorbendo calore dal terreno in base al funzionamento dell’impianto come pompa di calore o come condizionatore. The set of these pipes constitutes the heat exchanger of the system, yielding or absorbing heat from the ground based on the operation of the system as a heat pump or as an air conditioner.

Sul fondo del pozzo sono previste anche aperture che consentono all’acqua della falda circostante di fluire all’interno del pozzo e permettono di sfruttarne le generose dimensioni per creare una riserva d’acqua utilizzabile per svariati scopi. At the bottom of the well there are also openings that allow the water from the surrounding aquifer to flow inside the well and allow you to take advantage of its generous size to create a water reserve that can be used for various purposes.

Al giorno d’oggi gli impianti geotermici sono una realtà sempre più presente in Europa dove, sia per motivi ambientali sia per motivi economici, si sta ampliando la ricerca di fonti energetiche alternative. Nowadays, geothermal plants are an increasingly present reality in Europe where, both for environmental and economic reasons, the search for alternative energy sources is expanding.

Un esempio classico di utilizzo dell’energia geotermica è quello per il riscaldamento delle abitazioni attraverso un impianto a pompa di calore. La pompa di calore sfrutta gli stessi componenti di un ciclo frigorifero ma funziona esattamente al contrario, ovvero, attraverso la compressione e la laminazione di un gas frigorigeno, preleva energia termica daN’ambiente esterno e lo trasferisce aN’ambiente da riscaldare. A classic example of the use of geothermal energy is that for heating homes through a heat pump system. The heat pump uses the same components of a refrigeration cycle but works exactly the opposite, that is, through the compression and lamination of a refrigerant gas, it takes thermal energy from the external environment and transfers it to the room to be heated.

In figura 1 è rappresentato schematicamente un impianto a pompa di calore indicata nel suo complesso con 1 ; il suo funzionamento è spiegato in seguito. Figure 1 schematically represents a heat pump system indicated as a whole with 1; its operation is explained below.

Il compressore 2 comprime il gas frigorigeno innalzandone la temperatura, successivamente il gas attraversa lo scambiatore interno 3 cedendo calore aN’ambiente e condensando. Compressor 2 compresses the refrigerant gas by raising its temperature, then the gas passes through the internal exchanger 3, releasing heat to the environment and condensing.

AN’uscita del condensatore il fluido passa attraverso la valvola 4 che lo lamina abbassandone la temperatura, infine passa attraverso lo scambiatore esterno 5 che preleva calore daN’ambiente per fare rievaporare il gas. At the condenser outlet, the fluid passes through the valve 4 which foils it, lowering its temperature, and finally passes through the external exchanger 5 which takes heat from the environment to re-evaporate the gas.

La pompa di calore inoltre ha un funzionamento reversibile; invertendo il flusso del gas frigorigeno è possibile cedere calore aN’ambiente esterno sottraendolo aN’ambiente interno, ovvero in queste condizioni funzione come condizionatore. The heat pump also has a reversible operation; by reversing the flow of the refrigerant gas, it is possible to transfer heat to the external environment by subtracting it from the internal environment, or in these conditions it functions as an air conditioner.

Attualmente esistono già impianti di questo tipo che sfruttano il terreno come serbatoio di energia termica a temperatura costante da trasferire aN’ambiente da riscaldare. Currently there are already plants of this type that use the ground as a reservoir of thermal energy at a constant temperature to be transferred to the room to be heated.

Detti impianti realizzati secondo la tecnica nota, prevedono di installare, all’interno del terreno, delle sonde geotermiche che fungono da scambiatore di calore esterno per il liquido frigorigeno. Said systems built according to the known technique, provide for the installation, inside the ground, of geothermal probes that act as an external heat exchanger for the refrigerant.

Nella figura 2 è rappresentato un esempio di impianto a pompa di calore con sonda geotermica. Figure 2 shows an example of a heat pump system with geothermal probe.

Detta sonda indicata nel complesso con 6 comprende una o più tubazioni 7 inserite all’interno di una perforazione verticale 8 che viene poi riempita con cemento o simili per evitare la contaminazione della falda, come previsto dalle normative al riguardo. Said probe indicated as a whole with 6 includes one or more pipes 7 inserted inside a vertical perforation 8 which is then filled with cement or the like to avoid contamination of the groundwater, as required by the relevant regulations.

La sonda interrata costituisce lo scambiatore di calore esterno deirimpianto di condizionamento. The underground probe constitutes the external heat exchanger of the air conditioning system.

I dispositivi appena descritti, pur se efficienti e vantaggiosi dal punto economico, presentano però un inconveniente. The devices just described, although efficient and advantageous from an economic point of view, however, have a drawback.

Difatti impianti configurati in questo modo, nella maggior parte dei casi sono in grado di fornire potenze modeste, sufficienti a servire abitazioni o piccoli edifici. In fact, systems configured in this way, in most cases are able to provide modest power, sufficient to serve homes or small buildings.

Per costruzioni di dimensioni importanti sarebbe necessario dunque installare un numero molto elevato di sonde geotermiche, operazione troppo costosa e non realizzabile a livello pratico. For buildings of important dimensions it would therefore be necessary to install a very large number of geothermal probes, an operation that is too expensive and not feasible in practice.

Per ovviare ai suddetti problemi la presente invenzione propone un pozzo geotermico ad alta capacità, costituito da uno scavo del diametro di alcuni metri e di profondità variabile generalmente fra i quaranta e i sessanta metri circa, caratterizzato dal fatto di prevedere una pluralità di tubazioni che partendo dal fondo del pozzo proseguono nel terreno lungo una direzione sostanzialmente orizzontale e radiale rispetto all’asse del pozzo. Dette tubazioni costituiscono lo scambiatore di calore della pompa di calore prelevando o cedendo energia termica al sottosuolo. To overcome the aforementioned problems, the present invention proposes a high-capacity geothermal well, consisting of an excavation with a diameter of a few meters and a depth generally varying between forty and sixty meters, characterized by the fact of providing a plurality of pipes starting from the bottom of the well continue in the ground along a substantially horizontal and radial direction with respect to the axis of the well. These pipes constitute the heat exchanger of the heat pump, taking or transferring thermal energy to the subsoil.

La profondità del pozzo è variabile in funzione della profondità alla quale si trova la falda acquifera. The depth of the well varies according to the depth at which the aquifer is located.

Infatti, facendo in modo che il fondo del pozzo si trovi in prossimità della falda acquifera, le tubazioni che fuoriescono e che attraversano il terreno sono circondate da uno strato di acqua che migliora nettamente l’efficienza dello scambio termico. In fact, by ensuring that the bottom of the well is close to the aquifer, the pipes that come out and cross the ground are surrounded by a layer of water that significantly improves the efficiency of the heat exchange.

Il vantaggio principale è quello di poter ridurre la superficie totale scambiante rispetto a un impianto di pari potenza realizzato secondo la tecnica nota. The main advantage is that of being able to reduce the total exchanging surface with respect to a plant of the same power built according to the known technique.

Il diametro del pozzo varia fra i due metri e dieci metri circa in funzione della dimensione deirimpianto e della potenza necessaria; in genere con un impianto configurato come quello appena descritto è possibile raggiungere potenze centinaia di volte superiori a quelle dei normali impianti con sonda geotermica. The diameter of the well varies between about two meters and ten meters depending on the size of the plant and the power required; in general, with a system configured like the one described above, it is possible to reach powers hundreds of times higher than those of normal systems with geothermal probe.

Detto pozzo inoltre è caratterizzato dal fatto di prevedere, sulle pareti vicino al fondo, delle aperture che permettono all’acqua della falda circostante di fluire all’interno del pozzo creando una notevole riserva d’acqua utilizzabile per vari scopi. Said well is also characterized by the fact that it provides, on the walls near the bottom, openings that allow the water from the surrounding groundwater to flow inside the well, creating a significant water reserve that can be used for various purposes.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui: The present invention will now be described in detail, by way of non-limiting example, with reference to the attached figures in which:

· La figura 3 è una sezione verticale del pozzo geotermico, secondo l’invenzione. Figure 3 is a vertical section of the geothermal well, according to the invention.

• La figura 4 è una vista dall’alto del pozzo geotermico secondo l’invenzione. • Figure 4 is a top view of the geothermal well according to the invention.

In figura 3 è rappresentato il pozzo geotermico secondo l’invenzione, indicato nel suo complesso con 9. Detto pozzo è costituito da uno scavo realizzato fino alla profondità dove si trova la falda acquifera 10 ed è delimitato internamente da una parete in calcestruzzo 11 come previsto dalla normativa vigente per evitare il rischio di contaminazione delle falde acquifere. Figure 3 shows the geothermal well according to the invention, indicated as a whole with 9. Said well consists of an excavation made up to the depth where the aquifer 10 is located and is internally delimited by a concrete wall 11 as foreseen. by current legislation to avoid the risk of contamination of groundwater.

Dal fondo 12 del pozzo partono una pluralità di tubazioni 13, realizzate in polietilene o materiali simili, che proseguono del terreno lungo una direzione orizzontale e radiale rispetto all’asse del pozzo. A plurality of pipes 13 start from the bottom 12 of the well, made of polyethylene or similar materials, which continue along the ground along a horizontal and radial direction with respect to the axis of the well.

Dette tubazioni 13 costituiscono dei loop chiusi, con una parte del tubo che funge da mandata e una da ritorno per il fluido frigorigeno. Said pipes 13 constitute closed loops, with one part of the pipe acting as a delivery and one as a return for the refrigerant fluid.

II collegamento delle varie tubazioni alla pompa di calore può avvenire ad esempio tramite una serie di collettori 14 disposti verticalmente all’interno del pozzo, come illustrato in figura 4, in ciascuno dei quali confluiscono un certo numero di tubazioni. The connection of the various pipes to the heat pump can take place for example through a series of manifolds 14 arranged vertically inside the well, as shown in Figure 4, in each of which a certain number of pipes converge.

In alternativa, i collettori possono essere costituiti da camere anulari, alle quali fanno capo da una parte It tubazioni orizzontali 13 e, dall’altra, i condotti che collegano le tubazioni alla pompa di calore. Alternatively, the manifolds can be made up of annular chambers, to which the horizontal pipes 13 belong on one side and the pipes connecting the pipes to the heat pump on the other.

Nella parete laterale di cemento 11 , in prossimità del fondo 12 del pozzo, sono ricavate anche una pluralità di aperture 15 che mettono in collegamento l’interno del pozzo con la falda acquifera circostante, per realizzare un serbatoio di acqua destinata ad altri usi. In the concrete side wall 11, near the bottom 12 of the well, there are also a plurality of openings 15 that connect the interior of the well with the surrounding aquifer, to create a water tank intended for other uses.

Il funzionamento dell’impianto avviene con la stesa modalità di quelli realizzati utilizzando sonde geotermiche. The system operates in the same way as those made using geothermal probes.

Il fluido proveniente dalla pompa di calore fluisce attraverso i collettori 15 e da qui nelle varie tubazioni 13 dove, grazie alla differenza di temperatura con il terreno circostante, può assorbire o cedere l’energia termica necessaria per il ciclo termodinamico. The fluid coming from the heat pump flows through the manifolds 15 and from here into the various pipes 13 where, thanks to the temperature difference with the surrounding ground, it can absorb or release the thermal energy necessary for the thermodynamic cycle.

La presenza di acqua intorno ai tubi, come già accennato, permette di migliorare notevolmente l’efficienza di scambio termico garantendo maggiori potenze a pari superficie scambiante installata. The presence of water around the pipes, as already mentioned, allows to significantly improve the heat exchange efficiency by ensuring greater power for the same installed heat exchanger surface.

II vantaggio principale della presente invenzione consiste nella possibilità di installare una superficie scambiante molto più elevata rispetto ai classici impianti con sonda geotermica, che corrisponde a una maggiore potenza disponibile per rimpianto. The main advantage of the present invention consists in the possibility of installing a much higher exchanging surface than in classic systems with geothermal probe, which corresponds to a greater power available for regret.

Un altro vantaggio importante è quello di poter sfruttare il pozzo e la falda acquifera sottostante per creare una notevole riserva d’acqua disponibile per l’edificio dove è installato rimpianto, riserva che in alcuni casi è imposta dalle norme di sicurezza. Another important advantage is that of being able to take advantage of the well and the underlying aquifer to create a significant reserve of water available for the building where the regret is installed, a reserve that in some cases is imposed by safety regulations.

Claims

CLAIMS 1) High capacity geothermal well, characterized by the fact of providing a well (9) dug into the ground up to the depth at which the temperature has a value such as to guarantee the necessary heat exchange, and a plurality of pipes (13) connected to a environmental conditioning system, which start from the bottom of said well and continue in the ground in a substantially horizontal direction.

2) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized by the fact that the depth of the well (9) is calculated so that the pipes (13) that come out of it are in contact with the water of the aquifer to maximize the heat exchange of said pipes.

3) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized by the fact that near the bottom there are openings (15) in the side wall, which allow the water from the groundwater to fill the well providing a reserve of water that can be used for other purposes.

4) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized in that said pipes (13) are connected directly to the heat pump.

5) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized by the fact that said pipes (13) are connected to the heat pump through a series of manifolds (14) arranged inside the well and each connected to a certain number of pipes (13).

6) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized in that said pipes (13) are made of polyethylene or similar materials.

7) High capacity geothermal well, according to claim 1, characterized by the fact that the side wall of the well is made with a layer of concrete, so as to close the spaces between the well and the surrounding ground, to avoid contamination between groundwater at different levels.