beyond the surface
Resistività Termica del Terreno
Obiettivi
La misura di resistività termica del terreno trova applicazione in:
Progettazione cavidotti MT/AT e FER: calcolo portata termica e sezione cavi (IEC 60287) per il trasporto e la distribuzione elettrica.
Dimensionamento termico sistemi geotermici a bassa entalpia e stima scambio termico sonda-terreno (sonde verticali e orizzontali).
Progettazione infrastrutture lineari (gasdotti, oleodotti, teleriscaldamento) in cui il terreno è il mezzo principale di smaltimento del calore.
Caratterizzazione termofisica sottosuolo per studi di efficienza energetica e modellazione termica del suolo.
Principio del metodo
La misura di resistività termica del terreno è un’indagine geofisica finalizzata alla determinazione quantitativa della capacità del suolo di condurre o resistere al flusso di calore. I due parametri misurati sono tra loro reciproci: la onducibilità termica λ [W/m·K], che esprime l’attitudine del terreno a trasmettere il calore, e la resistività termica
ρ [m·K/W], che ne rappresenta l’inverso. Un terreno con elevata conducibilità termica dissipa rapidamente il calore generato da una sorgente al suo interno, mentre un terreno con elevata resistività termica lo trattiene.
Il metodo di misura adottato è la tecnica della sonda non stazionaria NSSP (Non-Steady-State Probe), basata sul principio della sorgente di calore lineare transitoria. La sonda termica – composta da un cavo riscaldante (sorgente lineare di calore) e da un sensore di temperatura incorporato – viene inserita nel terreno e, dopo un breve periodo di equilibrio termico con il mezzo circostante, viene attivata la fase di riscaldamento.
La temperatura della sorgente aumenta nel tempo in funzione della potenza calorica Q immessa e della conducibilità termica del mezzo λ secondo la relazione logaritmica:
ΔT = (Q / 4πλ) · (ln t + B)
dove ΔT è la variazione di temperatura [°C], Q è la potenza per unità di lunghezza [W/m], t è il tempo [s] e B è una costante dipendente dalle proprietà termiche del mezzo. Poiché dopo il transitorio iniziale la curva temperatura-ln(t) diventa lineare, la conducibilità termica viene calcolata dalla pendenza di tale retta tra due istanti t1 e t2 (entrambi maggiori di 150 s):
λ = (Q / 4π · ΔT) · ln(t1 e t2 )
Il calcolo viene eseguito automaticamente dal software interno della centralina di acquisizione. La resistività termica ρ è ottenuta come inverso di λ. Il principale vantaggio del metodo NSSP rispetto alle tecniche stazionarie è la velocità di esecuzione: l’intera misura richiede tipicamente 300–960 secondi, eliminando la necessità di attendere il raggiungimento dello stato stazionario nel mezzo.
Modalità esecutive
Per ogni punto di misura viene eseguito un preforo nel terreno con trapano e punta di diametro 20mm con asta di prolunga fino alla profondità di indagine stabilita (tipicamente 1,50 m dal piano campagna).
La sonda termica viene introdotta nel foro verificando il migliore accoppiamento possibile con il terreno circostante, condizione essenziale per evitare errori nella misura.
Dopo il periodo di equilibrio termico iniziale, viene avviata la fase di riscaldamento controllato: la centralina eroga corrente al cavo riscaldante con potenza costante e registra in continuo la temperatura del sensore con risoluzione temporale di 25 ms per tutta la durata della prova (300–960 s).
Al termine dell’acquisizione il software calcola automaticamente
i valori di λ e ρ e li presenta graficamente e numericamente sul display.
Strumentazione
Le misure vengono eseguite con il sensore digitale MAE TCR24 (M.A.E. S.r.l.), strumento specificamente progettato per la misura di campo della conducibilità e resistività termica del terreno.
Il TCR24 è dotato di convertitore A/D a 24 bit con 1 canale di acquisizione, e copre un range di misura di conducibilità termica da 0,1 a 6 W/m·K (resistività termica da 0,17 a 10 m·K/W) con accuratezza dichiarata del ±6%.
La risoluzione temporale di campionamento è di 25 ms, per intervalli di misura compresi tra 300 e 900 s. L’unità centrale è equipaggiata con CPU ARM Cortex A9, display TFT-LCD touchscreen da 7″ (1280×800 pixel), alimentazione a batteria Li-ion 10,8 V/12,4 Ah con autonomia superiore a 8 ore, interfaccia USB e memoria interna da 5 GB (fino a 300.000 acquisizioni).
Il contenitore è in copolimero di polipropilene con grado di protezione IP67. La sonda di campo in dotazione è il modello CTS120: lunghezza totale 120 cm, elemento sensibile 17 cm, diametro 6,3 mm, operativa tra 0 e 50 °C. La strumentazione è conforme alle normative di riferimento IEEE 442- 2017 (Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements)
e ASTM D5334-14 (Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure).
Risultati forniti
Curve temperatura-log(tempo) per punto di misura: evidenza fase riscaldamento e parametri di calcolo (tempo, T, potenza Q).
Rilevazione della temperatura iniziale e finale del terreno misurata precisamente in corrispondenza di ogni singolo punto.
Valore di conducibilità termica λ [W/m·K] e di resistività termica ρ [m·K/W] per ogni punto.
Tabella riepilogativa dei risultati con profondità e coordinate geografiche per ogni punto di misura.
Riferimenti normativi e tecnici
- IEEE 442-2017 – Guide for Soil Thermal Resistivity Measurements;
- ASTM D5334-14 – Standard Test Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and
Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure; - IEC 60287 – Electric Cables – Calculation of the Current Rating (norma di riferimento per il dimensionamento termico dei cavi interrati);
- CEI 11-17 – Impianti di produzione, trasmissione e distribuzione di energia elettrica – Linee in cavo.
