Pompe di calore geotermiche
Questa tecnologia si basa su due concetti fondamentali:
  • Il COP (coefficiente di prestazione) delle pompe di calore è tanto più grande quanto minore è la differenza di temperatura tra pozzo e sorgente termica
  • Al di sotto di un certo strato di terreno le oscillazioni giornaliere di temperatura non vengono più avvertite, e quelle annuali risultano molto attenuate.
Combinando le pompe di calore a vari tipi di scambiatori sotterranei, riusciamo a sfruttare questo enorme “serbatoio”, sottraendogli calore in inverno e fornendogliene in estate.

In Italia, nonostante il nostro paese sia stato per lungo tempo leader nel settore geotermico, questi impianti sono poco conosciuti; ma questo non deve trarre in inganno sullo stato della tecnologia: negli Stati Uniti e nei paesi del Nord Europa (Svizzera in testa) essa rappresenta una delle applicazioni delle energie rinnovabili in più forte crescita. L’energia complessivamente generata da questi impianti è stimata intorno ai 20 TWh annui e le installazioni aumentano del 10% ogni anno.

Un altro errore che non bisogna commettere è pensare che le pompe di calore geotermiche siano adatte solo per il condizionamento di edifici di piccole dimensioni: la più grande installazione al mondo, costruita nel 1990 per servire il Galt House East Hotel e i Waterfront Office Buildings di Louisville (USA), soddisfa le necessità di un’area totale di 161650 m2, con potenze di riscaldamento e raffreddamento rispettivamente di 19,6 e 15,8 MW (corrispondenti a 784 delle comuni caldaie e a più di 4000 dei comuni condizionatori!).

Funzionamento
Accurati studi geotermici hanno messo in luce che nella zona che va dai 6 ai 46 m di profondità nel sottosuolo, la temperatura rimane costante durante l’anno e corrisponde approssimativamente alla temperatura media esterna del sito. Al di sopra dei 6 m la temperatura del suolo è direttamente correlata a quella esterna, mentre al di sotto dei 46 m la temperatura comincia a salire a causa del gradiente geotermico, che la fa aumentare di 2/3 °C ogni 100 m.

Come già detto è proprio su questa dinamica che si basa la tecnologia in esame, che usa principalmente tre componenti fondamentali:
  • Pompa di calore (d’ora in poi GSHP: Ground-Source Heat Pump)
  • Scambiatore di calore sotterraneo (d’ora in poi GHX: Ground Heat Exchanger)
  • Sistema di riscaldamento/raffreddamento interno
 
 
In inverno il GHX sottrae calore a bassa temperatura al terreno, la GSHP utilizza energia elettrica per aumentarne quantità e qualità, e il sistema di riscaldamento lo distribuisce all’interno dei locali, o tramite sistemi radianti o con sistemi di ventilazione. Il grande vantaggio di questi impianti è che, grazie ad una valvola reversibile, il processo può essere percorso in senso inverso durante l’estate, provvedendo anche al raffreddamento dei locali.

In questa parte iniziale si vuole però precisare che il suolo non va considerato come un pozzo o come una sorgente ideale di calore: le dinamiche che si vengono a creare sono molto complesse e sono principalmente influenzate dalla conducibilità termica e dalla diffusività termica del terreno;
se infatti si dimensiona male lo scambiatore la potenza termica sottratta o fornita può portare ad un abbassamento/innalzamento della temperatura del suolo, con conseguente variazione della capacità dell’impianto. Questi squilibri possono avere luogo sia nel breve periodo sia nell’arco stagionale; se infatti la GSHP viene usata in una sola modalità, e non si restituisce in estate quello che è stato sottratto in inverno, il “bacino” non riesce a ricaricarsi.

Per questi motivi è stato sviluppato negli ultimi anni il “thermal response test”, un metodo rapido che, immettendo in una sonda di prova un carico termico noto, ottiene una conducibilità termica m media tramite una regressione lineare sul piano T/log(t).

Per quanto riguarda le pompe di calore diamo in questa sede solo un breve cenno al loro funzionamento e ai loro parametri caratteristici per non appesantire la trattazione. Una pompa di calore è una macchina capace di trasferire calore da una sorgente a più bassa temperatura ad un pozzo a temperatura maggiore; questo è anche il principale compito di una macchina frigorifera e quindi di un condizionatore: in effetti pompa di calore e macchina frigorifera sono fondamentalmente la stessa macchina e differiscono soltanto in ciò che viene considerato come effetto utile (riscaldamento e raffreddamento del locale interessato).

Queste macchine funzionano entrambe con quattro elementi principali: compressore, condensatore, valvola di laminazione ed evaporatore. Il fluido refrigerante viene compresso, aumentando la sua temperatura, per poi cedere calore nel condensatore; il fluido viene quindi laminato, abbassando pressione e quindi temperatura, per andare ad assorbire calore dall’ambiente refrigerato.
 
  Si capisce a questo punto come invertendo la posizione di condensatore ed evaporatore nell’arco dell’anno si riesca ad ottenere sia il riscaldamento (condensatore nel locale interessato) sia il raffreddamento (evaporatore nel locale interessato) degli ambienti.

Queste macchine funzionano quindi grazie all’energia elettrica necessaria ad azionare il compressore; per valutare la loro efficienza (il rapporto tra l’effetto utile e l’energia elettrica consumata) si utilizza il COP (Coefficiente di Prestazione) anche indicato con il rendimento .

E' noto che queste macchine lavorano su un ciclo (detto di Lorentz) che fa riferimento al ciclo inverso di Carnot; come tali il loro rendimento ideale è:

ovviamente il rendimento reale è molto più basso; per mettere in evidenza questo aspetto introduciamo il fattore exergetico , espresso come il rapporto tra l’exergia X = E – A e l’energia E, che tiene conto del fatto che non tutta l’energia può essere convertita in altre forme di energia:
 
In questo modo è semplice mettere in evidenza la rapida diminuzione dell’efficienza (e quindi del COP) al crescere del salto di temperatura che la pompa di calore deve fornire. In figura è rappresentato l’andamento dell’efficienza per impianti con diverse Tcold.

Appariranno a questo punto chiari i vantaggi delle GSHP rispetto alle pompe di calore tradizionali che usano l’aria esterna.

Per quanto riguarda gli scambiatori di calore ci sono varie possibilità:
  • GHX (Ground Heat Exchanger): usano il terreno come pozzo o sorgente termica; possono essere sia verticali che orizzontali
  • GWHX (Groundwater Heat Exchanger): usano gli acquiferi sotterranei come pozzo o sorgente termica
  • SWHX (Surface Water Heat Exchanger): usano specchi d’acqua superficiali (laghi o stagni) come pozzo o sorgente termica.

Tutti questi tipi di connessioni hanno il grosso problema di essere pressoché inaccessibili dopo l’installazione; per questo motivo i materiali e la manodopera devono essere di alta qualità: è ormai globalmente riconosciuto che i tubi in polietilene ad alta densità sono i più adatti per questi scopi, tanto per le loro caratteristiche strutturali quanto per quelle termiche. Per quanto riguarda il fluido evolvente negli scambiatori si usa una miscela acqua-antigelo, solitamente una soluzione al 35% di glicol propilenico, non tossico.

Scambiatore di calore sotterraneo verticale: Vertical GHX
Questi sistemi sono costituiti da tubi ad U singoli o doppi (più raramente da tubi coassiali), che possono avere lunghezza variabile tra i 45 e i 150 m. Una volta inseriti i fasci di tubi, i pozzi trivellati vengono riempiti di malta cementizia. La loro potenza specifica media varia tra i 40 e i 55 W/m.
I vantaggi di questa applicazione sono la ristretta superficie necessaria, grazie alla temperatura costante a cui attingono, ma il loro costo è alto rispetto ad altre possibilità.
GWHX:
Stavolta le tubazioni non sono altro che semplici pozzi: infatti in questo caso il ciclo è aperto, ed è la stessa acqua del sottosuolo che funge da fluido evolvente. Questo è sicuramente il sistema più semplice da installare, anche perché già con pochi pozzi si assicurano capacità importanti, ma ovviamente può essere utilizzato solo in quei siti che possiedono un acquifero dotato della disponibilità d’acqua necessaria. Oltre ai pozzi di estrazione, dotati di pompe sommerse, vanno scavati anche pozzi di iniezione.

Scambiatore di calore sotterraneo orizzontale: Orizontal GHX
I fasci tuberi stavolta sono disposti orizzontalmente ed interrati ad una profondità variabile tra 1 e 2 m sottoterra; in questo modo risentono però della variabilità della temperatura esterna e la loro potenza specifica scende a valori compresi tra i 18 e i 30 W/m.
Sono sicuramente meno costosi ma l’area necessaria aumenta molto, anche se può essere diminuita utilizzando particolari tubi a spirale; ciò li rende adatti solo per applicazioni piuttosto piccole.

SWHX:
Nei Surface Water Heat Exchanger i fasci tubieri sono posizionati sul fondo di specchi d’acqua di dimensioni e profondità adeguate; per un certo periodo si era anche pensato ad un sistema aperto che sfruttasse la stessa acqua superficiale, ma si è poi preferito usare sistemi chiusi per evitare eventuali impatti sugli ecosistemi. Sebbene sia relativamente più economica rispetto alle altre scelte, questo installazione è soggetta a oscillazioni più ampie della temperatura rispetto a quelle del sottosuolo.
 

Configurazione impianti GSHP
Per quanto riguarda il sistema di riscaldamento/raffreddamento interno le configurazioni possibili sono due:
  • Water-to-air: il fluido utilizzato per la distribuzione del calore è l’aria, che scorre attraverso condotte (il “water” sta ad indicare il fluido che evolve nello scambiatore sotterraneo).
  • Water-to-water: a questa famiglia appartengono tutti i sistemi di riscaldamento/raffreddamento a superficie radiante (pavimento o soffitto).
Il costo iniziale di questi impianti è alto, e questo è sicuramente uno dei maggiori ostacoli nella loro diffusione, ma i vantaggi economici, che analizzeremo più avanti nella nostra analisi, sono innegabili nel lungo periodo.

In tutti i manuali si legge che le GSHP sono particolarmente indicate nelle seguenti condizioni:
  • In regioni climatiche che richiedono sia riscaldamento che raffreddamento
  • In regioni climatiche con larghe variazioni stagionali della temperatura
  • Dove i prezzi dell’elettricità sono piuttosto bassi durante l’anno, ma vengono tassati i picchi di consumo estivi
  • In edifici di nuova costruzione piuttosto che in edifici esistenti
  • In edifici istituzionali (statali, regionali, ecc.) piuttosto che in edifici privati: quando infatti il promotore è pubblico risultano accettabili anche tempi di payback più lunghi.
Spesso si ha però a che fare con edifici cosiddetti “cooling dominated” (fabbisogno termico per il raffreddamento maggiore di quello per il riscaldamento); infatti nella progettazione di sistemi GSHP si procede solitamente nel seguente modo: si stimano i due fabbisogni termici (riscaldamento e raffreddamento) e si progetta il GHX sul più piccolo dei due per evitare il sovradimensionamento stagionale. A questo punto se, come nel nostro caso, l’edificio è “cooling dominated”, si prevede uno scambiatore ausiliario per dissipare la potenza termica non soddisfatta (torre evaporativa, solar pond o altro, come si vedrà nell’ultimo paragrafo) e si dimensionano le pompe di calore sul fabbisogno termico di raffreddamento.

Applicazioni esistenti
Come già detto abbiamo a disposizione già un enorme “Case History” su questi impianti, che va dalle piccole abitazioni monofamiliari sino ad enormi costruzioni commerciali. Un caso particolarmente interessante è quello riguardante la Old ARCO Arena di Sacramento (USA).  
Questo edificio, costruito nel 1985, ha ospitato le partite della locale squadra di basket dal 1985 al 1989, con una capienza complessiva di 10300 posti; all’inizio degli anni ’90 è stato riconvertito ad uffici, ma ha mantenuto la copertura iniziale e la sua area raggiunge comunque i 19600 m2.
Nel 1994 è stato installato un impianto di GSHP con le seguenti caratteristiche: un GHX verticale, formato da 265 tubi ad U lunghi 146,3 m e con un diametro di 9 cm, distanziati tra loro dai 4,5 ai 6 metri,
che assicurano una capacità di scambio termico di 1350 kW; utilizzando pompe di calore di potenza variabile dai 6 ai12 kW (di “cooling capacity”) si è così riusciti a coprire sia i fabbisogni invernali che quelli estivi della struttura.
Questo ha portato ad una diminuzione complessiva dei consumi energetici del 91% nel periodo di riscaldamento e del 71% in quello di raffreddamento. Questi dati sorprendenti sono però dovuti all’inadeguatezza del precedente sistema di riscaldamento, un VAV (“variable-air-volume”) che scaldava l’aria utilizzando resistenze elettriche. Bisogna inoltre considerare che con questo sistema si è riscontrata una notevole diminuzione del carico elettrico dovuto alle ventole.
I dati realmente sorprendenti sono quelli relativi all’aspetto economico: il costo totale dell’installazione si è attestato intorno ai 600.000 $, ma il risparmio ottenuto è stato mediamente di 158.000 $ ogni anno, e l’investimento è rientrato quindi in meno di 4 anni.

Anche in Italia sono presenti molte applicazioni interessanti, soprattutto negli edifici isolati come i grandi agriturismo che sorgono nel nostro paese, e negli ultimi anni sono comparse molte imprese installatrici.
 

Tecnologie abbinabili
In questo ultimo paragrafo si vogliono esporre varie tecnologie combinabili con le GSHP, e che spesso ne migliorano la appetibilità economica.

Geosol
Una volta installato il GHX, abbiamo a disposizione una grande area dove non possono essere costruiti edifici (solitamente questa area è adibita a verde pubblico), ma sulla quale possono essere applicati ad esempio dei collettori solari per la produzione di acqua calda e non solo. Nascono in questo modo i sistemi cosiddetti “Geosol”, nei quali i collettori solari e le GSHP non si limitano a coabitare, ma interagiscono l’uno con l’altro per ottimizzare le soluzioni impiantistiche. Durante l’inverno infatti si sottraggono al suolo grandi quantità di calore e ciò porta, nei terreni con conducibilità e diffusività comuni, ad una temperatura media del suolo più bassa negli ultimi mesi di riscaldamento; questo provoca una diminuzione nell’efficienza delle GSHP.

Se invece si hanno a disposizione dei collettori solari la situazione è differente: questi assorbiranno calore e lo cederanno all’accumulatore fin quando la temperatura dell’acqua sanitaria non raggiunge il valore richiesto; dopodiché l’energia solare, a questo punto in eccesso, può essere “iniettata” nel GHX ed andrà così a bilanciare gli squilibri termici del suolo, per essere usata in un secondo momento. In questo modo si è riusciti a:
  • Migliorare l’utilizzazione dello spazio a disposizione
  • Eliminare gli squilibri termici del terreno, migliorando l’efficienza
  • Aumentare il tempo di utilizzo dei collettori solari
Solar Pond
I solar pond possono avere in questa tecnologia due utilizzi: essi possono fungere, come spiegato precedentemente, da “Surface Water Heat Exchanger”, sostituendo così gli scambiatori di calore sotterranei; infatti anche essi godono della attenuazione delle oscillazioni di temperatura giornaliere, ma in questo caso è richiesta una grande superficie d’acqua.
Un secondo utilizzo è all’interno dei sistemi ibridi, come scambiatori di calore ausiliari; in questo caso, quando la temperatura in uscita alla pompa di calore raggiunge un certo valore prestabilito, il fluido evolvente viene fatto circolare all’interno di tubazioni subacquee, dove viene pre-raffreddato prima di essere inviato al GHX vero e proprio.

Links
it.wikipedia.org/wiki/Pompa_di_calore
www.edilio.it/news/pdf/pompeCaloreGeotermiche.pdf

Ottimo sito contenente strumenti per analisi di progetti con fonti energetiche rinnovabili, fornisce manuali molto validi e completamente gratuiti (in lingua inglese) anche sulle pompe di calore geotermiche.
www.retscreen.net

Alcune ditte e installatori
oberthal.org
geotermiasrl.it

geotherm.it
rri.it 
geoclima.com
 


I contenuti di questa sezione sono a cura dell'ing. Paolo Mastropietro
Ultima revisione 10 febbraio 2008