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ⓘ Geotermia a bassa entalpia




                                     

ⓘ Geotermia a bassa entalpia

La pompa di calore geotermica è un impianto di climatizzazione degli edifici che sfrutta lo scambio termico con il sottosuolo superficiale, per mezzo di una pompa di calore. Poiché il calore nel sottosuolo proviene in gran parte dallinterno della Terra, la geotermia a bassa entalpia è classificata come fonte di energia rinnovabile, nonostante la pompa di calore consumi di per sé energia elettrica, solitamente prodotta a partire da altre fonti di energia.

                                     

1. Descrizione

La pompa di calore permette di scambiare il calore tra una" sorgente” a temperatura inferiore rispetto al" pozzo”, ovvero il punto dove si immette il calore. In un impianto di riscaldamento, ledificio più esattamente: il circuito dei terminali di riscaldamento delledificio rappresenta il" pozzo caldo”; viceversa, in un impianto di condizionamento ledificio è la" sorgente fredda” dalla quale viene estratto il calore. Il vantaggio economico ed energetico della pompa di calore è dato dal rapporto tra il calore immesso o estratto dalledificio e il consumo di energia solitamente elettrica, oppure calore in una pompa di calore ad assorbimento, detto COP coefficiente di prestazione, un rapporto compreso fra 3 e 6 per le pompe di calore geotermiche.

Il suolo rappresenta per la pompa di calore una" sorgente” quando essa lavora in riscaldamento o un" pozzo” in modalità raffrescamento di calore. Rispetto allaria atmosferica, che è la sorgente adoperata dalle pompe di calore aerotermiche, la temperatura del suolo ad una certa profondità subisce variazioni annuali molto più contenute: a profondità di 5–10 m la temperatura del suolo è pressoché costante tutto lanno ed è equivalente allincirca alla temperatura media annuale dellaria, ovvero circa 10-16 °C. Ciò significa che il suolo, rispetto allaria, è più caldo dinverno e più fresco destate, a vantaggio del rendimento della pompa di calore.

Lo scambio di calore con il sottosuolo può avvenire in tre modi:

  • impianti a circuito chiuso, dove la pompa di calore effettua lo scambio termico col suolo indirettamente, a mezzo di un circuito idraulico nel quale scorre un fluido termovettore;
  • impianti a circuito aperto, nei quali viene prelevata acqua di falda sulla quale viene effettuato lo scambio termico.
  • scambio diretto, dove il circuito dellevaporatore/condensatore della pompa di calore è a diretto contatto con il sottosuolo;

In climi freddi, dove il carico termico delledificio è sbilanciato a favore del riscaldamento, il suolo potrebbe raffreddarsi per via del prelievo di calore: è però possibile accoppiare la pompa di calore geotermica a un impianto di pannelli solari termici e immagazzinare nel suolo il calore accumulato in estate.

Altri nomi per le pompe di calore geotermiche sono" sistemi di geoscambio”," impianti closed/open loop”," geotermia superficiale” ecc. Il nome" geotermia a bassa entalpia” deriva dalla definizione, data dal D.Lgs. 22/2010, dei fluidi estratti dal sottosuolo per la produzione di calore e/o elettricità: al di sotto dei 90 °C si parla di fluidi a bassa entalpia.

I costi di installazione dellimpianto sono molto maggiori, rispetto alle soluzioni convenzionali caldaia a metano o gasolio, tuttavia i minori costi di mantenimento permettono un recupero dellinvestimento in tempi inferiori a 10 anni, con una vita dellimpianto non inferiore a 25 anni. Nel 2010, in Europa, erano operative circa 1 milione di pompe di calore geotermiche in 19 Stati.

                                     

2. Storia

La pompa di calore fu teorizzata da Lord Kelvin nel 1853 e sviluppata da Peter Ritter von Rittinger nel 1855. Le pompe di calore aerotermiche si diffusero presto in Europa e Stati Uniti. Nel 1912, lingegnere svizzero Heinrich Zoelly inventò la prima pompa di calore geotermica. A fine anni quaranta, Robert C. Webber inventò la prima pompa di calore a scambio diretto. Nel 1946 fu installata una pompa di calore geotermica nel Commonwealth Building Portland, Oregon. Gli impianti a circuito aperto dominarono questa nicchia di mercato fino a quando, nel 1979, lo sviluppo del polibutilene per le tubazioni rese economicamente realizzabili gli impianti a circuito chiuso. Dopo la crisi petrolifera del 1973, la geotermia a bassa entalpia cominciò a diffondersi, soprattutto in Svezia e in Germania dove, nel 1980, fu installato il primo impianto a sonde geotermiche. Nel 2004, nel mondo erano presenti circa un milione di impianti geotermici a bassa entalpia, con una potenza totale di 12 GW.

                                     

3. Scambiatore di calore al suolo

Le pompe di calore geotermiche forniscono o sottraggono calore alledificio, scambiandolo con il suolo a basse profondità 1–200 m. I componenti dellimpianto sono quindi tre: scambiatore di calore al suolo, pompa di calore e terminali di riscaldamento/raffrescamento.

Come ricordato pocanzi, gli scambiatori di calore al suolo si dividono in tre categorie:

  • circuito chiuso;
  • scambio diretto;
  • circuito aperto.

Gli scambiatori possono avere diverse configurazioni, classificate per tipo di fluido e per schema. Negli impianti a scambio diretto, il circuito del refrigerante della pompa di calore è a diretto contatto con il suolo; negli impianti a circuito chiuso viene fatto circolare un fluido contenente acqua e additivi antigelo; gli impianti a circuito aperto operano lo scambio termico sullacqua di falda.

                                     

3.1. Scambiatore di calore al suolo Scambio diretto

Nella pompa di calore geotermica a scambio diretto, lo scambio termico avviene con il terreno. Il refrigerante in uscita dalla pompa di calore, circolando in una tubazione inserita a diretto contatto con il terreno, scambia calore con esso, e ritorna alla pompa di calore. Il nome" scambio diretto” implica quindi lassenza di un circuito e di un fluido intermedio tra terreno e pompa di calore. Non vi sono però interazioni dirette tra refrigerante e terreno, se non lo scambio termico, e nel circuito di scambio con il terreno non circola acqua.

Gli impianti a scambio diretto sono molto più efficienti rispetto a quelli a circuito chiuso. Ciò è dovuto allassenza di un circuito intermedio ciascuno scambiatore comporta comunque delle perdite e dallelevata conducibilità termica dei tubi di rame utilizzati per lo scambiatore, che per contro sono molto più costosi rispetto ai tubi in HDPE utilizzati nelle sonde geotermiche. In confronto alle sonde geotermiche, la lunghezza richiesta è inferiore del 70-85% e il diametro dei tubi è circa la metà. È richiesto un maggior controllo di qualità sui tubi, perché il gas refrigerante potrebbe fuoriuscire anche da crepe molto piccole. Il rame deve essere protetto dalla corrosione in suoli acidi con una protezione catodica o con un anodo sacrificale.

In alcuni Paesi europei, questi impianti non sono più ammessi, a causa del rischio di fuoriuscita di lubrificante del compressore della pompa di calore.



                                     

3.2. Scambiatore di calore al suolo Circuito chiuso

La maggior parte degli impianti geotermici a bassa entalpia è composta da tre circuiti:

  • circuito secondario di scambio termico col suolo.
  • circuito primario della pompa di calore;
  • circuito di climatizzazione;

Il circuito secondario è solitamente in polietilene ad alta densità, allinterno del quale si utilizzano miscele di acqua e antigelo. Il glicole etilenico è economico, ma è tossico anche a basse concentrazioni; la pur remota possibilità di un suo sversamento in falda ha spinto molte autorità di controllo a proibirne lutilizzo. Il glicole propilenico ha sostituito in molti casi quello etilenico, pur essendo più caro e meno efficiente energeticamente. Il metanolo e lalcol denaturato sono infiammabili e pertanto il loro utilizzo è sconsigliabile. Negli ultimi anni si sta affermando lutilizzo di soluzioni di cloruro di calcio, per via della maggiore economicità e della minore viscosità, che riduce il consumo energetico per la pompa di circolazione che mediamente è pari a circa 1/10 del consumo della pompa di calore; si rendono però necessarie componenti idrauliche speciali anti-corrosione. Una particolare importanza è inoltre rivestita dal materiale di riempimento della sonda grout geotermico e in particolare dalla sua conducibilità termica.

La pompa di circolazione può essere esterna o inclusa allinterno della pompa di calore. Nel circuito secondario sono inoltre presenti vasi di espansione e valvole di sicurezza per il controllo della pressione

Il circuito chiuso può essere installato orizzontalmente a profondità di 1-3m, oppure verticalmente in una perforazione effettuata appositamente sonde geotermiche oppure in un palo di fondazione pali geotermici.

                                     

3.3. Scambiatore di calore al suolo Circuito chiuso verticale

Un circuito chiuso verticale è composto da due o più tubi installati verticalmente nel terreno, che formano un circuito chiuso nel quale scorre il fluido termovettore. La lunghezza della perforazione può essere compresa tra 20 e 200m. La perforazione può essere effettuata appositamente sonda geotermica verticale, o per un palo di fondazione pali geotermici o energy piles.

Le sonde geotermiche possono avere configurazione a U, a doppia U oppure coassiale. Allinterno del perforo, lo spazio attorno ai tubi è solitamente riempito con un grouting geotermico, ovvero un calcestruzzo preparato con inerti silicei e additivi ad elevata conducibilità termica.

Le sonde geotermiche sono molto utilizzate là dove non cè spazio sufficiente per un impianto a circuito chiuso orizzontale, o una falda idrica sfruttabile per un impianto a circuito aperto. Nei campi sonde, la distanza tra le perforazioni è compresa tra 5 e 10m. Indicativamente, le sonde geotermiche sono in grado di fornire una potenza compresa tra 40 e 70 W per metro di perforazione.

Nei pali geotermici, invece, il circuito idraulico è inserito allinterno di un palo di fondazione. In questo modo è possibile limitare i costi dinstallazione, poiché la perforazione non è effettuata appositamente per le sonde. Per contro, il rendimento dellimpianto è inferiore, sia per la minore conducibilità termica dei terreni argillosi nei quali si usa questo tipo di fondazione, sia per la presenza di lunghe tubazioni orizzontali superficiali di distribuzione del fluido, che comportano perdite termiche consistenti. Un esempio molto noto di queste installazioni è laeroporto di Zurigo. Le profondità dei pali termici oscillano tra 10 e 30m; il rendimento è compreso tra 15 e 30 W per metro di perforazione, circa la metà del rendimento delle sonde geotermiche.



                                     

3.4. Scambiatore di calore al suolo Circuito chiuso orizzontale

Il circuito chiuso può essere posato orizzontalmente in una trincea, posta a profondità maggiori di quelle alla quale si può verificare il congelamento del terreno. Il tubo può essere lineare o a spirale earth coils; unaltra configurazione usata talvolta è il basket geotermico, ovvero una tubazione a spirale di altezza 2–3 m, inserita nel terreno. La potenza scambiabile dipende dalla lunghezza della tubazione e dallarea occupata: indicativamente, la potenza scambiabile con il terreno è di 15-40 W/m². Indicativamente, una casa con carico di punta di 10 kW, richiede tre tubazioni DN20 o DN 32 lunghe 120–180 m.

I tubi sono installati a 1–3 m di profondità: maggiore è la profondità di installazione, maggiore sarà linerzia termica e migliore il rendimento della pompa di calore. Rispetto alle sonde geotermiche verticali, il rendimento della pompa di calore è più basso, tuttavia i minori costi di installazione rendono comunque competitiva questa soluzione. Una variante del circuito chiuso orizzontale sono gli impianti installati in piccoli stagni, che sfruttano linerzia termica dellacqua.

                                     

3.5. Scambiatore di calore al suolo Open loop

In un circuito aperto, lo scambio termico avviene con lacqua di falda o, più raramente, proveniente da corpi idrici superficiali fiumi e laghi. Lacqua prelevata può essere reimmessa in un corpo idrico superficiale, oppure nello stesso acquifero da cui è stata estratta, tramite trincee drenanti o pozzi. I due pozzi prelievo e reimmissione devono essere installati a una distanza sufficiente, in modo da evitare la cortocircuitazione termica, che si verifica quando lacqua termicamente alterata dal pozzo di reimmissione plume termico raggiunge il pozzo di prelievo.

Il vantaggio, rispetto agli impianti a circuito chiuso, sono:

  • maggiore rendimento della pompa di calore: lacqua prelevata, infatti, non risente dello scambio termico a differenza del terreno attorno a una sonda, nel quale si forma un gradiente termico, fino a quando non avviene la cortocircuitazione termica;
  • soprattutto per gli impianti di grande potenza, minore costo di installazione e minori spazi occupati, rispetto agli impianti a sonde geotermiche e ancor più rispetto agli impianti a circuito chiuso orizzontale.

Lo svantaggio principale di questi impianti è il rischio di formazione di cricche e incrostazioni, che accorciano la vita utile dellimpianto. Per questo motivo, linstallazione di impianti geotermici a circuito aperto è sconsigliata in presenza di alti contenuti di sali disciolti.

                                     

3.6. Scambiatore di calore al suolo Standing column well

Le standing column well sono un particolare sistema a circuito aperto, nel quale si utilizza lo stesso pozzo per il prelievo la reimmissione. Lacqua viene infatti prelevata al fondo del pozzo e, dopo lo scambio termico con la pompa di calore, reimmessa nella parte superiore del pozzo. Scendendo poi verso il fondo del pozzo, lacqua scambia calore con la roccia circostante. Esistono numerose applicazioni di questa tecnologia a New York e nel New England.

                                     

4. Pompa di calore e terminali di climatizzazione

La pompa di calore è lunità centrale degli impianti geotermici a bassa entalpia. Con la stessa macchina è possibile effettuare il riscaldamento e il raffrescamento delledificio, produrre acqua calda sanitaria e alimentare serpentine per lo scioglimento di ghiaccio e neve ad es. per rampe dei garage.

Il trasporto del calore allinterno delledificio può avvenire tramite aria o liquido. I terminali di climatizzazione più adatti per le pompe di calore geotermiche sono i pannelli radianti, perché lavorano a temperature più basse in riscaldamento e più alte in raffrescamento, garantendo quindi maggiori rendimenti della pompa di calore. È comunque possibile utilizzare i ventilconvettori: bisogna però tenere conto del fatto che, viste le minori temperature del fluido raggiungibili con la pompa di calore, in caso di retrofit di un impianto esistente è necessario aumentare la portata del fluido e quindi la sezione dei tubi di distribuzione.



                                     

5. Underground/Aquifer Thermal Energy Storage

In climi freddi, dove il consumo energetico per il riscaldamento è molto superiore rispetto a quello per il condizionamento, il bilancio energetico del suolo può essere deficitario, portando ad un suo progressivo raffreddamento, con conseguente riduzione del rendimento della pompa di calore. Un modo per rimediare a questo inconveniente è lo stoccaggio di calore nel sottosuolo, utilizzando a tale scopo dei pannelli solari termici che ricevono calore dal sole e, senza lausilio della pompa di calore, immettono calore nel sottosuolo, innalzandone la temperatura. In questo modo, durante linverno, la pompa di calore lavorerà con un rendimento più elevato. Questa soluzione si chiama Underground Thermal Energy Storage UTES o, nel caso di impianti a circuito aperto, Aquifer Thermal Energy Storage ATES.

                                     

6. Efficienza energetica

Il COP di una pompa di calore geotermica varia fra 3 e 6: ciò significa che, per ciascun kWh elettrico consumato, vengono prodotti 3-6 kWh termici. Il rendimento di energia primaria del sistema di generazione di energia elettrica in Italia è di circa il 40%: ciò significa che, per produrre 1 kWh elettrico, è necessario consumare 1/0.4 = 2.5 kWh termici. Di conseguenza, una pompa di calore geotermica è in grado di produrre da 3 a 6 kWh termici consumando 2.5 kWh termici. Il rendimento di energia primaria di una pompa di calore geotermica è quindi variabile tra il 120% e il 240%, mentre le migliori caldaie a condensazione raggiungono rendimenti del 90%. Una pompa di calore geotermica, confrontata con una caldaia a condensazione, permette quindi un risparmio energetico compreso tra il 25% e il 62.5%.

Il COP della pompa di calore dipende in gran parte dalle temperature dei due termostati fluido del circuito di scambio al suolo e fluido dellimpianto di climatizzazione: minore è la loro differenza, più alto è il COP. Di conseguenza, i terminali di climatizzazione che permettono le maggiori performance sono i pannelli radianti, che lavorano a