Concept, design and testing of an innovative geothermal heat exchanger installed at the Brenner Base Tunnel

The article presents the design, installation and testing of an innovative geoexchanger, tailored for tunnels excavated by TBM. The prototype was developed through the joint efforts of BBT-SE, involved in the construction of the Brenner Base Tunnel connecting Italy and Austria, and the University of Bologna. It consists in a modular horizontal closed-loop system located in the lining invert space dedicated to the drainage water flow in the exploratory tunnel. Due to the manner in which it functions, based on the heat exchange process with the drainage water, and to its compact design and straightforward installation procedure, the prototype was called "Smart Flowing". Modules were built outside and aflerwards assembled in the tunnel system, concurrently to the advancement of the TBM. Specific tests were performed, simulating a heat pump conditioning system's operation in both heating and cooling modes, to prove the prototype's reliability and efficiency. Finally, a preliminary economic and environmental potential assessment was carried out.

L’articolo presenta le fasi di progettazione, installazione e collaudo di un geoscambiatore innovativo, pensato per gallerie realizzate con TBM. Il prototipo è stato sviluppato nell’ambito di una collaborazione tra BBT-SE, coinvolta nella costruzione della Galleria di Base del Brennero tra Italia e Austria, e l’Università di Bologna. Esso consiste in un sistema orizzontale a circuito chiuso, di tipo modulare, collocato nello spazio dedicato alla raccolta delle acque di drenaggio all’interno del rivestimento in arco rovescio del cunicolo esplorativo. Il prototipo è stato denominato “Smart Flowing”, in virtù del processo di funzionamento, basato sullo scambio termico con il flusso di acqua, della configurazione compatta dei moduli e della semplicità di installazione durante l’avanzamento. L’affidabilità e l’efficienza del sistema sono state dimostrate attraverso una serie di prove sperimentali, volte a simulare il funzionamento di un impianto a pompa di calore sia in modalità riscaldamento sia in raffrescamento. Infine, è stata realizzata una valutazione preliminare del potenziale economico della soluzione proposta e della sua sostenibilità ambientale.