Geotermia
Con il termine geotermia, si intende comunemente la tecnologia che utilizza il sottosuolo quale serbatoio
termico per riscaldare e raffrescare gli edifici e per la produzione di acqua calda sanitaria.Letteralmente geotermia significa calore dalla terra, ossia l’energia termica immagazzinata nel sottosuolo del nostro pianeta, e che nella crosta terrestre aumenta in maniera proporzionale man mano che si scende in profondità.
Si tratta di una fonte di energia inesauribile, costantemente disponibile e soprattutto rinnovabile. Per non confonderla con la geotermia classica (quella dei sottosuoli caldi utilizzati per riscaldamento diretto o per la produzione di corrente elettrica con sistemi tradizionali (Lardarello) o avanzati (Enhanced Geothermal Systems) la geotermia utilizzata per la climatizzazione viene definita "geotermia a bassa entalpia".
A pochi metri di profondità dalla superficie terrestre il sottosuolo mantiene una temperatura in prima approssimazione costante per tutto l’anno e questo ci permette di estrarre calore d’inverno per riscaldare un ambiente e di cedere calore durante l’estate per rinfrescare lo stesso ambiente.
Sfruttando questo principio, lo scambio di calore viene realizzato con pompe di calore abbinate a sonde geotermiche che permettono di riscaldare e rinfrescare gli edifici con un unico impianto e assicurano un alto grado di rendimento sull’arco dell’intera stagione, con un fabbisogno di energia elettrica contenuto rispetto alle prestazioni.
Non è neppure necessario alcun apporto termico esterno (per esempio una caldaia a metano) per coprire le punte invernali.
Un impianto geotermico è costituito da sonde geotermiche verticali e da pompe di calore e da serbatoi di accumulo.
Le sonde geotermiche sono tubi in polietilene di diametro 32 o 40 mm, inseriti in fori che vanno dai 70 ai 120 metri di profondita.La geometria di installazione può essere variabile. Si parla di single U o simplex quando nel foro viene inserito un solo circuito, mentre si parla di double U o duplex quando i circuiti geotermici sono due. Geotermica Saval ha condotto una campagna di studi e sperimentazioni sulla differente resa delle due tipologie di scambiatori. Tali studi sono stati condotti mediante ground response test e di software specifici.
Ulteriori studi e sperimentazioni sono stati condotti su sonde geotermiche coassiali che si sono mostrate particolarmente interessanti in sottosuoli poco conduttivi, anche se presentano svantaggi in termini di regime idraulico.
Al momento la Geotermica Saval ritiene questo tipo di sonde non competitive rispetto alle sonde geotermiche in polietilene.
Il sottosuolo
Il tipo di sottosuolo gioca un ruolo importante e la conoscenza delle sue caratteristiche termiche e idrogeologiche è determinante per il corretto dimensionamento dell’impianto:
- Non tutti i tipi di rocce e di terreni dimostrano lo stesso rendimento termico.
- Le installazioni di impianti a circuito aperto necessitano della presenza di acque di falda in quantità soddisfacenti.
La tabella seguente presenta le differenze nel rendimento termico di alcuni tipi di sottosuolo per le sonde geotermiche verticali. In prima approssimazione si può considerare che le sonde geotermiche estraggono una quantità specifica per ogni metro di lunghezza: più alta è la conducibilità termica del sottosuolo, più alta è la quantità estratta.
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Sottosuolo |
Rendimento [W/m] |
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Sottosuolo cattivo (terreno asciutto) |
20 |
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Roccia o terreno umido |
50 |
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Roccia con alta conducibilità |
70 |
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Ghiaia, sabbia, asciutta |
< 20 |
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Ghiaia, sabbia, satura |
55-65 |
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Argilla, limo, umido |
30-40 |
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Roccia calcare |
45-60 |
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Arenaria |
55-65 |
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Granito |
55-70 |
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Gneiss |
60-70 |
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Valori approssimativi di rendimenti specifici per diversi tipi di sottosuolo per sonde geotermiche. |
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Costo sonde geotermiche
Il costo per l'installazione delle sonde geotermiche è pari a circa 1/3 del costo totale dell’impianto geotermico, e per questo motivo è essenziale affidarsi a professionisti qualificati.
Il costo varia da 50 euro a 60 euro il metro lineare per di perforazione con le sonde geotermiche in polietilene cementate, mentre varia da 70 euro a 80 euro per metro lineare di perforazione, per sonde geotermiche coassiali.
Impianti geotermici "a circuito aperto"
A differenza degli impianti a sonde geotermiche verticali, in cui non c’è alcun utilizzo
di acque di falda (qualora intercettate),
gli impianti geotermici acqua/acqua o a circuito aperto (open loop) prelevano acqua direttamente da un pozzo, o da un altro idoneo
corpo idrico.L'acqua viene avviata alla pompa di calore, che scambia calore con quest’ultima e quindi restituita alla sorgente, in un pozzo a valle della direzione di falda.
In questo caso la perfetta conoscenza del sottosuolo e della sua idrogeologia diventa determinante.
La restituzione di acque a monte del livello di falda, potrebbe compromettere in maniera significativa il funzionamento di questo tipo di impianti.
Se il fenomeno della saturazione termica, potrebbe manifestarsi in impianti geotermici a sonde geotermiche a circuito chiuso non correttamende dimensionati, questo è assolutamente escluso per impianti geotermici a ciruito aperto.
I costi per questo tipo di impianti sono variabili e dipendono fortemente dalle potenze in gioco.
Le pompe di calore
Le pompe di calore sono macchine elettriche o a gas che consentono gli scambi di calore dall’edificio al sottosuolo. In particolare durante l’inverno il sistema pompa di calore - sonde geotermiche provvederà ad estrarre calore dal sottosuolo, mentre in estate si avra l’effetto contrario per cui nel sottosuolo si andra a smaltire il calore estratto dall’edificio.
Questo scambio termico e possibile in quanto il sottosuolo, nei primi 100 metri, in generale, ha una temperatura di 12-14°C. Tale temperatura è costante durante l’anno, per cui sara una temperatura favorevole agli scambi durante l’inverno quando la temperatura esterna e inferiore ai 10°C, ed analogamente e una temperatura favorevole in estate quando le temperatura esterna supera i 25-30°C.L’impianto geotermico sostituisce in tutto e per tutto la caldaia per riscaldamento e produzione di acqua calda sanitaria ed i gruppi frigo per il raffrescamento.
Lo scambio termico con il sottosuolo rappresenta una possibilità molto vantaggiosa sul piano economico in quanto consente di dimezzare i costi di bolletta energetica.
Vantaggi
L’installazione di impianti geotermici risulta particolarmente vantaggiose per i seguenti motivi:
- Impianto
A livello impiantistico, un’unica macchina silenziosa e dalle dimensioni contenute, consente sia di riscaldare che di raffrescare. La pompa di calore geotermica sostituisce quindi in tutto e per tutto caldaia per il riscaldamento ed i gruppi frigo per il raffrescamento; può essere alloggiata in qualsiasi locale, perchè non necessita di ambienti dedicati e non necessita di canna fumaria. Tutto ciò consente un notevole recupero di spazi all’interno dell’edificio ed una riduzione degli oneri relativi alle opere murarie accessorie.
- Sicurezza
Dal punto di vista della sicurezza, l’impianto geotermico rappresenta quanto di meglio possa offrire la tecnologia, in quanto non è più necessario l’utilizzo di alcun combustibile, e questo azzera i pericoli derivanti da:
- perdite di gas con conseguente pericolo di saturazione;
- perdita di monossido di carbonio da scarichi della caldaia;
- pericolosi stoccaggi ad elevato rischio di incendio, che in caso di rottura possono sversare il proprio contenuto al suolo, con conseguenti contaminazioni ed inquinamento dei suoli e delle falde. - Ambiente
Gli impianti di climatizzazione geotermici rappresentano una delle tecnologie meno inquinanti, e più rispettose dell’ambiente. In questo tipo di impianti si ha la totale assenza di emissioni di CO2 o di altre sostanze nocive (ossidi di azoto, ossidi di zolfo, polveri sottili, particolato, PM10, PM2,5, residui che si depositano nell’ambiente dove si vive o si lavora o anche policiclici aromatici cancerogeni, e diossine in caso di perdita di efficienza del bruciatore). Secondo il rapporto EPA, gli impianti geotermici, sono il sistema che ha il più basso valore delle emissioni di CO2 fra tutte le tecnologie disponibili per la climatizzazione e il più basso impatto ambientale complessivo. Durante l’estate poi, questi impianti non contribuiscono in alcun modo all’inquinamento termico dell’atmosfera, in quanto smaltiscono il calore nel sottosuolo, generando accumulo termico per la stagione invernale successiva. - Costi di gestione
I consumi di corrente elettrica sono bassissimi. I risparmi sui costi di gestione sono consistenti e le manutenzioni sugli impianti molto limitate. Inoltre utilizzando la tecnica del raffrescamento passivo o free cooling è possibile raffrescare gli ambienti a costo zero. Il grafico mostra i costi energetici di una tipica villa unifamiliare in pianura padana. - Manutenzioni
Le manutenzioni ad un impianto di climatizzazione geotermica sono pressoché nulle rispetto alle costose manutenzioni necessarie alla caldaia (pulizia del camino, controllo del bruciatore, etc.) o ai gruppi frigoriferi. - Durata degli impianti
La durata degli impianti supera di gran lunga quella dell’edificio che li ospita. Le prime sonde geotermiche in polietilene HD sono state installate in Germania 50 anni fa. E’ presumibile ipotizzare che le sonde installate oggi durino almeno 50 anni. La vita media delle migliori pompe di calore geotermiche, ammonta a circa 40.000 ore di funzionamento. Considerato che una pompa di calore lavora dalle 2.000 alle 2.500 ore/anno, la durata di un macchinario di questo tipo è pari a circa 20 anni. - Equipaggiamento e gestione di facile utilizzo
Si tratta di una semplice pompa di calore, e le modalità di controllo, in particolare se si adotta un’installazione decentralizzata zona termica per zona termica, sono a portata dell’utente privato, che deve gestire un semplice selettore. - Architettura
Non è più necessario installare anti-estetici gruppi frigoriferi al di fuori degli edifici, lasciando spazio disponibile per altro impiego, eliminando i problemi di corrosione e rendendo più semplice la manutenzione vista la maggiore accessibilità dell’impianto. Non richiedendo gas, non è più necessario ricavare nicchie per l’alloggiamento di ingombranti e costosi contatori. L’integrità di ogni stile architettonico può essere completamente mantenuta a causa della totale assenza di dispositivi visibili esterni. Questo vantaggio risulta particolarmente evidente in ristrutturazioni di pregio di edifici storici sottoposti a vincoli urbanistici. - Isole termiche
Nelle grandi città, l’utilizzo di condizionatori ad aria, crea all’interno dell’area urbana, il cosiddetto fenomeno delle isole termiche. I condizionatori immettono aria calda in atmosfera. A causa della ventilazione non sufficiente in quanto ostacolata dai palazzi, in particolari condizioni si creano situazioni in cui la temperatura dei centri urbani arriva ad essere di parecchi gradi superiore a quella del territorio circostante. Questo fenomeno dovuto anche al traffico veicolare, potrebbe essere notevolmente contenuto se lo scambio avvenisse con il sottosuolo. - Minore utilizzo di refrigeranti
Le pompe di calore acqua-aria e acqua-acqua contengono al loro interno un sistema di refrigerazione, il che riduce il rischio di perdite di HCFC e mal funzionamenti dovuti a errata carica o connessione. Richiedono inoltre una quantità inferiore dal 20% al 70% di refrigerante rispetto a un’apparecchiatura tradizionale. - Efficienza elevata
In caso di grosse installazioni, se il sistema è correttamente dimensionato (cosa sempre importante, ma fondamentale per questo tipo di impianti), la temperatura del fluido termovettore negli scambiatori a terreno assicura un rendimento superiore a quello dei sistemi convenzionali ad aria o a combustibili fossili, sia per la costanza nel tempo, che per il livello termico più prossimo a quello medio di riscaldamento (teorema di Carnot); la stabilità di temperatura garantisce inoltre una elevata efficienza del sistema. - Acqua calda sanitaria pressocchè gratuita
I centri commerciali, che utilizzano frigoriferi per la conservazione delle derrate alimentari dispongono di un’abbondanza di calore da cedere che viene assorbito dall’impianto nel funzionamento in condizionamento; con un sistema a pompa di calore questo calore può essere facilmente utilizzato per il riscaldamento dell’acqua calda sanitaria, attraverso heat recovery coils su alcune unità o con pompe di calore acqua-acqua dedicate, riuscendo anche a ridurre il numero delle sonde geotermiche (infatti in questo caso la maggior parte del calore è rimossa prima di essere re-immessa nel terreno attraverso gli scambiatori). - Maggiore efficienza in parzializzazione
Se questi impianti lavorano a carico parziale, incrementano l’efficienza rispetto a quando operano a pieno carico: quando gli scambiatori sono parzialmente caricati infatti, la temperatura del fluido termovettore è più prossima a quella del terreno, di conseguenza più bassa in raffrescamento e più elevata in riscaldamento, e di conseguenza l’ efficienza del sistema è incrementata.
