Experimental and numerical study on the thermal properties of cement–based grouts for energy micropiles

ITALIANO I micropali energetici sono fondazioni profonde che consentono lo scambio di calore tra il terreno e l’edificio soprastante sfruttando l’energia geotermica superficiale. L’articolo presenta i risultati di prove sperimentali e simulazioni numeriche, eseguite allo scopo di analizzare le prestazioni termiche di micropali energetici. La sperimentazione è stata condotta utilizzando diversi tipi di boiacche cementizie, con e senza l’impiego di additivi chimici per aumentarne la conducibilità termica. Sulle boiacche, sia liquide che indurite, preparate con diversi rapporti acqua/cemento, sono state eseguite prove di conducibilità termica, di lavorabilità e di resistenza meccanica. Il maggiore incremento della conducibilità termica (pari a circa il 19%) è stato rilevato utilizzando un additivo a base di grafite, con una concentrazione del 10% e un rapporto acqua/cemento di 0.30. La diffusività termica e la capacità termica volumetrica non sono risultate significativamente influenzate dalla presenza degli additivi. La viscosità iniziale delle boiacche si è ridotta con l’aggiunta degli additivi, mentre le prestazioni meccaniche sono risultate comparabili a quelle della malta non additivata. I risultati sperimentali sono stati impiegati per calibrare un modello numerico 3D agli elementi finiti, con l’obiettivo di simulare il processo transitorio di trasferimento di calore per un micropalo energetico, parte di un gruppo collegato in testa da una platea rigida. Tramite il modello numerico sono stati analizzati gli effetti delle proprietà termiche dei materiali da costruzione, della portata di massa del fluido termovettore e della distanza tra i micropali energetici. Le prestazioni termiche e l’efficienza del sistema sono risultate significativamente influenzate dalla portata di massa del fluido e dalla distanza, mentre l’incremento della conducibilità termica dei materiali utilizzati è risultato avere un impatto marginale sulla potenza termica scambiata. ENGLISH Energy micropiles are deep foundation structures designed to exchange heat between the soil and the building using the shallow geothermal energy. This research shows both experimental tests and numerical simulations dealing with the thermal performance of energy micropiles. Different types of cement-based grouts, with or without chemical additives used to increase their thermal conductivity, were experimentally tested. Thermal conductivity tests, workability tests and mechanical strength tests were performed on liquid and on hardened grouts prepared at different water/cement ratios. The greatest thermal conductivity increase (about 19%) was measured when a graphite-based additive was used at 10% concentration and water/cement ratio of 0.30. Thermal diffusivity and volume heat capacity were not significantly affected by the presence of additives. The initial viscosity of the enhanced grouts was reduced when additives were used, while the mechanical performance was comparable to that of the neat mortar. Experimental data were used to calibrate the finite element numerical model simulating 3D, transient heat transfer process for an energy micropile part of a large foundation raft. The effects of thermal properties of construction materials, mass flow rate of the heat-carrier fluid and spacing among energy micropiles were analyzed. As a result, the thermal performance and efficiency of the system were significantly affected by the mass flow rate magnitude and by spacing, while the exchanged thermal power was slightly affected by the increase of the thermal conductivity of the used materials.