I modelli che analizzano il trasporto di calore sono alla base della progettazione e della richiesta di concessione di impianti geotermici a bassa entalpia a circuito aperto.

In questa tipologia di impianti, da uno o più pozzi di estrazione viene prelevata acqua di falda. L’acqua prelevata passa attraverso uno scambiatore di calore dove avviene il trasferimento di calore dall’acqua di falda verso l’impianto, nel caso in cui occorra procedere al riscaldamento dell’edificio oppure dall’impianto verso l’acqua di falda, nel caso in cui occorra procedere al raffrescamento.

Terminato lo scambio di calore l’acqua viene restituita in falda attraverso una uno o più di pozzi di resa.

In questi impianti la portata prelevata generalmente coincide con la portata restituita ma, naturalmente, la temperatura dell’acqua restituita è differente dalla temperatura dell’acqua prelevata, proprio in virtù dello scambio di calore avvenuto all’interno dell’impianto geotermico.

In particolare, nei mesi invernali, nei quali occorre scaldare gli ambienti, la temperatura dell’acqua restituita in falda sarà inferiore rispetto alla temperatura dell’acqua prelevata mentre in estate, quando occorre raffrescare gli ambienti, la temperatura dell’acqua immessa in falda sarà maggiore rispetto alla temperatura dell’acqua prelevata.

Per questo motivo, nella progettazione di questi impianti è di norma richiesto uno studio idrogeologico finalizzato a capire in che modo si propagano questi pennacchi di acqua calda e di acqua fredda per valutare che non interferiscano con altri impianti ubicati più a valle e per capire se si verifica il fenomeno della corticircuitazione.

Tale fenomeno, che si può studiare in modo quantitativo usando le simulazioni numeriche, consiste in un richiamo dell’acqua immessa in falda da parte dei pozzi di prelievo.

Tale fenomeno penalizza la resa termica dell’impianto e quindi deve essere attentamente esaminato.

Da ultimo, i prelievi e le restituzioni provocano delle variazioni nei livelli piezometrici, con un decremento nella zona di prelievo e un incremento nella zona di restituzione. Tali effetti possono provocare cedimenti differenziali per diminuzione delle pressioni neutre oppure degli allagamenti degli interrati, per innalzamento dei livelli di falda.

La realizzazione di un impianto geotermico a circuito aperto implica quindi uno studio idrogeologico completo, in particolare se le portate previste di circolazione dell’acqua nell’impianto sono elevate.

Per questa tipologia di problemi realizzo modellazioni di flusso con MODFLOW e modellazioni di trasporto di calore con MT3DMS.