Gli eventi meteorologici estremi, le carenze idriche e altre conseguenze dei cambiamenti climatici hanno messo in discussione e compromesso le infrastrutture energetiche in tutto il mondo. L’aumento del consumo di energia richiede necessariamente una riduzione significativa dell’utilizzo di energia collettiva per mitigare gli effetti del global warming. La maggior parte delle fonti di energia richiedono carburante ed emettono gas serra e altre forme di inquinamento atmosferico: per esempio, il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici rappresentano oltre il 25 per cento del consumo energetico mondiale. Nell’Unione Europea, nello specifico, gli edifici sono responsabili di circa il 40 per cento del consumo di energia e del 36 per cento delle emissioni di anidride carbonica. Poiché quasi i tre quarti dei suoi edifici sono considerati inefficienti dal punto di vista energetico, l’Ue ha recentemente aggiornato la sua direttiva sul rendimento energetico degli edifici per richiedere che, entro il 2021, tutti quelli di nuova costruzione siano quasi a zero energia.

I sistemi di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione (HVAC) sostenibili, come quelli che sfruttano l’energia geotermica a bassa entalpia, sono necessari per raggiungere l’obiettivo posto dalla Ue. Questi sistemi utilizzano una pompa di calore acqua-acqua collegata a uno scambiatore di calore geotermico con pozzi verticali (fori profondi e stretti nel terreno). I pozzi sono dotati di tubi coassiali o a forma di U, che trasportano un liquido che scorre e che scambia calore con il terreno, utilizzando la terra come fonte di calore in inverno e come dissipatore di calore in estate. I sistemi geotermici HVAC sono realmente rinnovabili solo se lo scambiatore di calore e la strategia di iniezione/estrazione del calore sono progettati correttamente. In caso contrario, l’esaurimento termico risultante dal terreno ostacola le prestazioni del sistema.

In un articolo pubblicato sul Journal of Applied Mathematics del SIAM, Miguel Hermanns e Santiago Ibáñez hanno usato tecniche di espansione asintotica per studiare la risposta termica armonica dei pozzi geotermici verticali alle eccitazioni armoniche sub-annuali. L’interesse di Hermann per lo scambio di calore geotermico è iniziato nel 2011, quando una società di costruzioni spagnola lo ha contattato per l’esecuzione di ricerca e sviluppo per la modellazione teorica degli scambiatori di calore geotermico. “I sistemi geotermici HVAC sono tra le soluzioni HVAC disponibili, quelle più efficienti dal punto di vista energetico”, spiega Hermanns. “La loro diffusa adozione potrebbe chiaramente aiutare nella lotta in corso contro i cambiamenti climatici”.
Il corretto dimensionamento di questi scambiatori di calore è fondamentale per sfruttare l’energia geotermica a bassa temperatura. “Questo dimensionamento è condotto durante la fase di progettazione dell’edificio mediante estese simulazioni numeriche che prevedano la risposta termica dello scambiatore di calore geotermico e il terreno circostante per i successivi 25, 50 o anche 100 anni di funzionamento”, continua Hermanns. “Se è troppo grande, il sistema geotermico HVAC non è economicamente sostenibile, se è troppo piccolo, i risparmi energetici previsti non vengono raggiunti”. Per questi motivi, i modelli teorici e numerici veloci e accurati sono essenziali.

Per garantire l’efficienza di un sistema HVAC geotermico, gli scienziati devono avere familiarità con il comportamento del sistema a distanza di oltre 50 o anche 100 anni. Hermanns e Ibáñez hanno stimato il comportamento di risposta termica a lungo termine con un’approssimazione periodico-temporale, un metodo di progettazione predisposto specificamente per gli scambiatori di calore geotermico. “Il nostro lavoro è stato in grado di superare i modelli esistenti in termini di precisione, flessibilità e velocità, aprendo le porte a nuove possibilità di progettazione e ottimizzazione”.