Come funzionano le pompe di calore geotermiche? Come possono essere utilizzate nelle ristrutturazioni di edifici residenziali? Quali sono i vantaggi legati a questa tecnologia?
Scopo del presente articolo è quello di dare una risposta a queste domande, in merito a una tecnologia la cui applicazione risulta ancora piuttosto limitata.Le pompe di calore geotermiche per edifici residenziali
Ancora oggi, le Pompe Di Calore (PDC) geotermiche non hanno ampia diffusione sul territorio nazionale. Mentre l’installazione di una PDC ad aria o ad acqua ormai può essere considerata di uso comune, soprattutto in caso di nuova costruzione o ristrutturazioni importanti, le pompe di calore geotermiche suscitano ancora diffidenza a causa di vari fattori quali ad esempio, l’iter burocratico per la richiesta delle autorizzazioni, la progettazione maggiormente complessa rispetto ad altre soluzioni e i costi più elevati.
Quello che molti non sanno è che per la produzione di energia termica questo tipo di pompa di calore rappresenta una delle fonti rinnovabili a più alta efficienza. Inoltre, l’energia geotermica, specie se scambiata con il terreno, può essere considerata come una fonte stabile, continua e inalterabile, non subisce variazioni a causa delle temperature esterne o degli eventi atmosferici ed è quindi possibile prevedere con ragionevole certezza la resa e i consumi del sistema impiantistico ad essa correlato. Vediamo quindi di dare maggiori informazioni in merito al funzionamento geotermico delle pompe di calore con focus particolare nel caso di applicazione in ambito di ristrutturazione importante per gli edifici residenziali.
Pompe di calore geotermiche: i principi di funzionamento
Per gli impianti in pompa di calore ad oggi la tecnologia più utilizzata nel territorio nazionale è rappresentata dai sistemi ad aria, in quanto rappresentano una delle soluzioni più facilmente installabili. Tuttavia, bisogna ricordare che tale tecnologia dipende fortemente dalla temperatura dell’aria esterna che a sua volta è interessata da una certa variabilità sia stagionale che giornaliera. Viceversa, per le pompe di calore geotermiche, ed in particolare nel caso in cui la fonte di scambio termico sia il “terreno”, una certa variabilità di temperatura avviene solo negli strati superficiali. Infatti, all’aumentare della profondità del sottosuolo la temperatura diventa via via costante, con valori più elevati durante il periodo invernale e valori più bassi durante il periodo estivo rispetto alle temperature dell’aria esterna.
Figura 1 – Funzionamento invernale ed estivo delle pompe di calore geotermiche.
Generalmente, un impianto geotermico può essere distinto in sistema a circuito aperto e sistema a circuito chiuso. Nel primo caso, la PDC scambia calore con il pozzo “acqua di falda” nel secondo caso scambia energia termica con il “terreno”. Nello specifico, un sistema chiuso può essere:A sonde verticali, ovvero vengono creati dei pozzi di diametro ridotto e di profondità variabile al cui interno sono inserite delle sonde che scambiano calore con il sottosuolo su tutta la lunghezza della perforazione. A sonde orizzontali, le tubazioni sono installate in sbancamenti o trincee scavate fino ad una profondità relativamente limitata richiedendo grandi superfici libere da costruzioni.
Volendo riassumere i principali componenti di un sistema di tale tipo, possiamo dire che esso può essere suddiviso in due parti:Serbatoio geotermico, caratterizzato dalle sonde, dalle connessioni superficiali, dai collettori e dal glicole che vi scorre internamente; Centrale geotermica, formata dalla pompa di calore, dall’accumulo inerziale, dall’eventuale accumulo per ACS e dalla coibentazione.
Dal punto di vista funzionale, un sistema geotermico sfrutta l’energia termica del terreno per il riscaldamento ed il raffrescamento di un fluido termovettore. La terra, infatti, contiene una grande quantità di calore che può essere di origine esterna (dovuta al sole e alla pioggia) ed interessa una profondità di circa 15 metri, di origine interna (dovuta al calore prodotto da reazioni chimiche delle sostanze radioattive presenti nel sottosuolo) ed interessa una profondità superiore a 20 metri, di origine esterna e interna che rappresenta la fascia intermedia tra le prime due (profondità compresa tra i 15 e i 20 metri). In sintesi, quindi, abbiamo sistemi geotermici che differiscono in funzione della profondità di prelievo del calore.
Vediamo, di seguito quali sono le loro caratteristiche principali.Sistemi a bassa profondità: Sono quei sistemi che utilizzano scambiatori realizzati con tubazioni a sviluppo orizzontale in materiale plastico e con una profondità di posa variabile da 0,8 a 4,0 m. Per tale motivo hanno un minor impatto ambientale e costi ridotti in quanto non richiedono particolari autorizzazioni. Lo svantaggio risiede nel fatto che questi scambiatori richiedono superfici estese e quindi possono essere realizzati in caso si abbiano grandi spazi a disposizione o per impianti medio piccoli. Sistemi a media profondità: Vengono realizzati mediante tubazioni metallici o in PE, con sviluppo verticale fino ad una profondità di circa 25-30 m. Si utilizzano principalmente in alternativa ai sistemi a bassa profondità nel caso in cui non si riesca a soddisfare il fabbisogno energetico dell’edificio o ai sistemi ad alta profondità qualora non si riescano ad ottenere le autorizzazioni da parte delle autorità locali. Sistemi ad elevata profondità: Possono arrivare ad una profondità compresa tra i 100-200 m e anche oltre. Rappresenta la soluzione più efficiente in termini di resa termica in quanto sotto i 20 m di profondità la temperatura del terreno aumenta di 3°C ogni 100 m. Per tale applicazione vengono utilizzati tubi in PE-Xa per resistere a pressioni molto elevate. Inoltre, bisogna rispettare una distanza di almeno 8 m tra le sonde per evitare che si creino interferenze termiche e quindi una diminuzione della resa termica globale del sistema.
La funzione delle sonde è quella di accumulare il calore proveniente dal sottosuolo. Per ottimizzare l’efficienza del sistema è necessario verificare la composizione del terreno, in quanto terreni rocciosi presentano una migliore conducibilità termica grazie alla loro struttura compatta che consente una buona propagazione del calore proveniente dagli strati più profondi. Anche i terreni ricchi di umidità o acqua possono essere considerati favorevoli allo scambio termico, infatti, grazie ai suoi moti convettivi, l’acqua è in grado di convogliare verso gli strati più superficiali il calore presente negli strati più profondi.
Infine, il calore prelevato dalle sonde attraversa l’evaporatore e il condensatore della PDC che a sua volta è collegata al circuito di distribuzione dell’edificio da servire fino ad arrivare al sistema di emissione.
Assieme alla produzione di energia termica da utilizzare per il riscaldamento dell’ambiente, la pompa di calore è in grado di produrre acqua calda sanitaria che viene accumulata in un apposito serbatoio. Se poi pensiamo di combinare la PDC ad un sistema solare termico, è possibile utilizzare anche il funzionamento reversibile per la climatizzazione estiva durante i periodi più caldi. Infatti, anche in regime estivo, l’elevata inerzia termica del sottosuolo permette all’impianto di lavorare con temperature costanti e ottenere elevata stabilità di funzionamento dal punto di vista termodinamico.
La geotermia nelle ristrutturazioni importanti
Qualora si voglia riqualificare un impianto su un edificio esistente, le pompe di calore geotermiche rappresentano una soluzione da non trascurare. Infatti, ricordiamo che uno degli interventi trainanti inclusi nel Superbonus è proprio la sostituzione degli impianti di climatizzazione invernale con generatori a più alta efficienza come le pompe di calore geotermiche.
Quando il tessuto urbano è densamente costruito, la soluzione maggiormente adottabile per questa tipologia di PDC è un sistema a sonde verticali. Tali sonde verticali occupano poco spazio e possono essere installate ad esempio lateralmente all’edificio condominiale o in corrispondenza di cortili interni, garantendo un ottimo scambio termico, in relazione alla profondità di posa, ed un’elevata efficienza.
La lunghezza delle sonde sarà proporzionata alla quantità di calore da assorbire dal terreno. Ovviamente, condizioni diverse di funzionamento comportano diverse lunghezze delle sonde, poiché lo scambio termico è proporzionale alla differenza di temperatura tra il fluido che scorre all’interno delle sonde e la temperatura media del terreno.
La corretta progettazione di un sistema geotermico deve necessariamente prendere in considerazione diversi fattori. In particolare, è consigliabile che venga effettuata:una analisi accurata dello stato di fatto e la diagnosi energetica dell’edificio (in caso di ristrutturazione);una progettazione o verifica del sistema di distribuzione interno all’edificio e un pre-dimensionamento della pompa di calore in funzione del fabbisogno termico;una progettazione del sistema di geoscambio tenendo in considerazione i risultati della relazione idrogeologica e dei test di risposta termica del sottosuolo.
Nello specifico, per il dimensionamento del numero di sonde geotermiche si procede nel seguente modo:Calcolo del calore preveniente dal terreno (Qter) in funzione della potenza termica richiesta e del COP di progetto della PDC.Dimensionamento di massima degli scambiatori in funzione della tipologia scelta (a serpentini e a chiocciola, ad anelli, a spirale, a canestri o a sonde geotermiche verticali).Dimensionamento degli scambiatori e dei circuiti di collegamento alla PDC in funzione del salto termico e delle perdite di carico. Iter per installare una pompa di calore geotermica
Tuttavia, prima di procedere con tale tipologia di intervento, è necessario tener bene a mente qual è l’iter da seguire per poter installare una pompa di calore geotermica. Ferme restando le verifiche normative in campo energetico e di progettazione, si riportano di seguito alcuni punti da attenzionare:verifica delle condizioni del sito e degli ingombri necessari per l’installazione delle sonde (fattibilità tecnica di realizzazione);verifica dell’esistenza di vincoli urbanistici o architettonici che spesso sono conseguenti a nome specifiche che possono cambiare in funzione del territorio regionale di interesse;essere in possesso di una relazione redatta da un geologo per determinare le caratteristiche morfologiche del sottosuolo, in modo tale da verificare lo scambio termico realizzabile o eventuali problematiche per l’installazione di sonde insite nella composizione del territorio;analisi dei parametri di calcolo per lo scambio termico in funzione alle caratteristiche di funzionamento della pompa di calore prescelta;progettazione del numero di sonde geotermiche, della distanza e della profondità di posa.
Inoltre, bisogna precisare che, in caso di installazione di pompe di calore in generale è sempre consigliabile intervenire prima sull’involucro edilizio in modo tale da ridurre i fabbisogni energetici dell’edificio e sfruttare così uno dei vantaggi principali delle PDC che risiede nell’utilizzo di un fluido termovettore a basse temperature: la riduzione dei carichi termici ed estivi di un fabbricato esistente comporta non solo un risparmio significativo in bolletta dei consumi energetici ma anche un costo più contenuto del sistema impiantistico e minori problematiche di tipo installativo in quanto avremo generatori più piccoli.CONSIGLIO/BUONA PRASSI Va detto che la situazione ideale per installare una pompa di calore geotermica (e in generale per tutte le pompe di calore) è che l’edificio interessato sia nuovo o ristrutturato in modo profondo, ancor meglio se il sottosistema di emissione sia rappresentato da componenti in grado di lavorare a bassa temperatura e siano idonei anche per il raffrescamento estivo, ottimizzando così l’efficienza e la convenienza economica dell’impianto.
Va detto che la situazione ideale per installare una pompa di calore geotermica (e in generale per tutte le pompe di calore) è che l’edificio interessato sia nuovo o ristrutturato in modo profondo, ancor meglio se il sottosistema di emissione sia rappresentato da componenti in grado di lavorare a bassa temperatura e siano idonei anche per il raffrescamento estivo, ottimizzando così l’efficienza e la convenienza economica dell’impianto.
Se volessimo riassumere i vantaggi e gli svantaggi connessi alle pompe di calore geotermiche potremmo notare che la convenienza dipende fortemente da alcune condizioni imprescindibili. Vediamo quindi, nello specifico quali migliorie e quali criticità sono riscontrabili dall’installazione di un sistema geotermico.
Vantaggi e svantaggi di un sistema geotermico
Le PDC geotermiche, in genere offrono specifici vantaggi che in alcune situazioni risultano determinanti:hanno un impatto acustico nettamente inferiore rispetto alle pompe di calore ad aria in quanto non hanno grandi ventilatori; occupano spazi ridotti, dato che non hanno la necessità di espellere l’aria di ventilazione e ciò consente che l’installazione avvenga anche all’interno di locali chiusi come le centrali termiche; richiedono una bassissima manutenzione e solo per il corpo macchina della PDC in quanto se il campo geotermico viene ben dimensionato e posato ha una vita utile di circa 80-100 anni; favoriscono l’integrazione con altri sistemi rinnovabili. La combinazione con un impianto solare termico permette una riduzione del lavoro della PDC con conseguenti risparmi in termini elettrici o di usura della macchina mentre la combinazione con un impianto fotovoltaico permette di ridurre drasticamente i consumi di energia elettrica sia della pompa di calore che dei sistemi ausiliari; hanno valori di efficienza mediamente superiori di 20-30% rispetto alle pompe di calore ad aria; rispetto alle pompe di calore geotermiche a circuito chiuso (ad acqua di falda), non essendoci scambio di massa con il sottosuolo l’iter burocratico in relazione alla richiesta di autorizzazioni è meno complicata.
Nonostante i numerosi vantaggi della geotermia, bisogna attenzionare anche le criticità che possono verificarsi:un aspetto che può limitare l’installazione di una pompa di calore geotermica è la disponibilità di un adeguato spazio esterno dove perforare il terreno per le sonde, problema tipicamente riscontrabile nei centri storici dove gli spazi esterni condominiali sono assenti o limitati; in tema di costi, l’investimento per un impianto in pompa di calore geotermica è più elevato in confronto a una pompa di calore aerotermica (vanno soprattutto valutati caso per caso costi di perforazione che in alcune circostanze possono essere ingenti); alcune composizioni del sottosuolo non sono favorevoli allo scambio termico delle sonde e ciò rende la pompa di calore geotermica non adattabile ad ogni condizione; la gestione del cantiere e della sicurezza durante le operazioni necessarie per la posa delle sonde può diventare particolarmente delicata.
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