Geotermia

Generalmente siamo abituati a pensare alla GEOTERMIA in termini di vapore da utilizzare in centrali termoelettriche, come per esempio a Larderello, oppure come acque termali per usi diretti volti alla climatizzazione; tuttavia è evidente che può essere considerata una risorsa del genere anche il “terreno” di casa nostra.

A pochi metri di profondità dalla superficie terrestre il terreno mantiene una temperatura quasi 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 raffrescare lo stesso ambiente.

Tale scambio di calore viene realizzato con POMPE di CALORE ABBINATE A SONDE GEOTERMICHE che sfruttando questo principio permettono di riscaldare e raffrescare le nostre case con un unico impianto assicurando un alto grado di rendimento sull’arco dell’intera stagione, e 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.

Le pompe di calore per riscaldare le case esistono sul mercato dagli anni 50, proprio come televisori, lavatrici e altri apparecchi domestici a noi famigliari, si tratta dunque di una TECNICA AFFIDABILE, AMPIAMENTE COLLAUDATA. Queste macchine hanno il grande vantaggio di fornire più energia (sotto forma di calore) di quella che gliene occorre per funzionare, questo è reso possibile dal fatto che la macchina assorbe calore dal mezzo esterno.

Le pompe di calore per riscaldare le case esistono sul mercato dagli anni 50, proprio come televisori, lavatrici e altri apparecchi domestici a noi famigliari, si tratta dunque di una TECNICA AFFIDABILE, AMPIAMENTE COLLAUDATA. Queste macchine hanno il grande vantaggio di fornire più energia (sotto forma di calore) di quella che gliene occorre per Geo1funzionare, questo è reso possibile dal fatto che la macchina assorbe calore dal mezzo esterno. Il calore geotermico fa parte delle fonti di energia rinnovabili e può essere sfruttato da diverse profondità del sottosuolo. L’utilizzabilità tecnica di questa fonte di calore dipende in prima linea dalle condizioni geologiche ed idrogeologiche del luogo, considerando che in linea di principio nel sottosuolo a partire da una profondità di 20 m si trovano condizioni di temperatura costante che non sono soggette a oscillazioni giornaliere o stagionali. Da questa profondità normalmente la temperatura sale di circa di 1°C ogni 33 m. In base alle differenti caratteristiche delle rocce costituenti il sottosuolo il calore viene trasportato e immagazzinato in modo diverso. Le rocce lapidee possiedono un’elevata conducibilità e capacità d’immagazzinamento del calore (es. graniti, gneiss, calcari, arenarie) lo stesso vale per le terre sciolte molto sature (es. ghiaia, sabbia). Gli impianti geotermici possono sfruttare l’energia del terreno principalmente con tre sistemi diversi che sono:

Collettore di superficie, adatto a piccoli immobili che abbiano un giardino dove interrare il collettore a scambio diretto ad una profondità di almeno 2 mt.;

Collettore in perforazioni verticali del terreno che possono essere superiori o inferiori a 100mt. La differenza di profondità nelle perforazioni è data dal fabbisogno termico dell’immobile e dal terreno;

Circuito ad acqua freatica adatto per tutti gli immobili e potenze richieste, serve solo una discreta quantità di acqua e che sia presente tutto l’anno.

Il sistema più utilizzato dove si sono riscontrati migliori rendimenti è quello di mettere in opere le suddette sonde attraverso perforazioni verticali spinte solitamente a una profondità che ci permette di non sentire le variazioni di temperatura giornaliere e stagionali.

Le sonde geotermiche verticali sono degli scambiatori a circuito chiuso. Le più comuni sono realizzate in tubi dipolietilene di 32 o 40 mm di diametro immersi nel terreno fino a profondità che possono variare da 50 a 150 m. Questi tubi, vengono inseriti dopo aver effettuato la perforazione del terreno (foro di 120÷150 mm). Il foro viene successivamente riempito con materiale di adeguata conducibilità termica al fine di realizzare un tutt’uno con il terreno stesso. Questa è ovviamente una condizione assolutamente necessaria per avere un corretto scambio termico.

Le sonde coassiali, altra tipologia, possono essere utilizzate in terreni ad alto contenutogeo2d’acqua. Consistono di due tubi; quello interno è in polietilene, ed è aperto alle due estremità; quello esterno è in acciaio inox ed è chiuso all’estremità inferiore. Il fluido termovettore viene pompato nel tubo di polietilene e risale all’interno del tubo esterno scambiando energia con lo stesso e con il terreno circostante.

Il numero delle sonde geotermiche e la profondità d’installazione variano in funzione dell’energia termica richiesta.

Ogni sonda è formata da due moduli ciascuno dei quali costituito da una coppia di tubi in polietilene uniti a formare un circuito chiuso (un tubo di “andata” e uno di “ritorno”) all’interno dei quali circola un fluido glicolato (miscela di acqua e anticongelante non tossico).

I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad un apposito collettore connesso alla pompa di calore.

Durante l’inverno il terreno ha una temperatura generalmente superiore a quella esterna, il fluido glicolato scendendo in profondità attraverso le sonde sottrae energia termica al terreno; ritornato in superficie ad una temperatura maggiore, provoca l’evaporazione del refrigerante che circola nel sistema della pompa di calore, il liquido si espande ed ASSORBE CALORE dalla sorgente esterna, ovvero, tramite le sonde geotermiche, dal terreno.

All’uscita dell’evaporatore il fluido, ora allo stato gassoso, viene aspirato all’interno del compressore che, azionato da un motore elettrico, fornisce l’energia meccanica necessaria per comprimere il fluido, determinandone così un aumento di pressione e conseguentemente di temperatura.

Il fluido viene così a trovarsi nelle condizioni ottimali per passare attraverso il condensatore (scambiatore). In questa fase si ha un nuovo cambiamento di stato del fluido, che passa dallo stato gassoso a quello liquido CEDENDO CALORE all’aria o all’acqua che sono utilizzate come fluido vettore per il riscaldamento degli ambienti o per la produzione di acqua sanitaria.

Il ciclo termina con la sua ultima fase dove il liquido passa attraverso una valvola di espansione trasformandosi parzialmente in vapore e raffreddandosi, riportandosi così alle condizioni iniziali del ciclo.

Lo stesso identico sistema, con opportuni accorgimenti impiantistici, potrà provvedere anche al CONDIZIONAMENTO ESTIVO, in questo caso il ciclo viene invertito ed il sistema cede al terreno il calore estratto dall’ambiente interno raffrescandolo.

In generale per il condizionamento estivo si è costretti al raffreddamento delle macchine frigorifere con l’aria, la cui temperatura di riferimento estiva è di 32°C.

Utilizzando le sonde geotermiche, la temperatura di riferimento è invece di circa 14°-16°C, il salto di temperatura nelle macchine che devono produrre acqua refrigerata a 7°C, si riduce drasticamente, aumentando notevolmente la resa e riducendo, di conseguenza, in modo rilevante i consumi di energia ed i costi di gestione.

A questo si aggiunge il vantaggio di poter effettuare anche un preraffreddamento dell’aria utilizzando direttamente il fluido circolante nelle sonde geotermiche, mentre l’acqua refrigerata viene usata solo per la deumidificazione raffreddando l’aria sotto il punto di rugiada.

Con le pompe di calore si ha quindi il vantaggio di sfruttare una sola macchina, che grazie ad una valvola diventa reversibile poiché presenta la possibilità di invertire le funzioni dell’evaporatore e del condensatore, fornendo così aria fredda in estate e aria calda in inverno. L’inversione tra i due sistemi, riscaldamento e raffrescamento, può avvenire o con un’inversione sul ciclo o con un’inversione sull’impianto.

La tecnica di prelevare calore con una sonda geotermica è altamente affidabile e fa ormai parte dei modi convenzionali di riscaldamento, ben conosciuta e sfruttata in tutto il Nord Europa e negli Stati Uniti.

A titolo di esempio, una pompa di calore collegata ad una sonda geotermica inserita a circa 100 m di profondità estrae dal suolo una potenza geotermica sufficiente per riscaldare un’abitazione unifamiliare standard

L’efficienza di una pompa di calore è rappresentata dal coefficiente di prestazione COP (Coefficient of Performance), inteso come rapporto tra l’energia termica resa al corpo da riscaldare e l’energia elettrica consumata perché possa avvenire il trasporto di calore medesimo. Un valore di COP tipico di un sistema piuttosto efficiente, può essere considerato pari a 3 (valori normali sono compresi tra 2,5 e 3,0): ciò significa che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh d’energia termica all’ambiente da riscaldare.

La termodinamica ci insegna, ma ce lo suggerisce anche il buon senso, che il lavoro necessario per portare l’energia termica da un livello di temperatura più basso ad uno più alto è proporzionale a tale dislivello o salto di temperatura. Da ciò consegue la prima buona regola energetica di utilizzare per il riscaldamento di ambienti abitati, che vanno mantenuti a temperatura di comfort intorno ai 20°C, temperature per i fluidi di riscaldamento degli impianti non superiori ai 35°C sufficienti allo scopo. Con acqua disponibile a 10°-15°C (sonda geotermica), il salto di temperatura è conseguentemente di solo 20°-25°C e, in queste condizioni, il rapporto tra calore reso all’impianto di riscaldamento e la potenza richiesta dalla pompa di calore nelle buone macchine moderne si aggira intorno a 4, potendo giungere anche a 6. Ciò significa che, spendendo 1 kW elettrico per l’azionamento dell’impianto si ottengono almeno 4 kW termici per l’utenza; gli altri 3 KW, ovvero il 75% del fabbisogno termico, vengono prelevati dall’ambiente e, più precisamente, dal sottosuolo; di conseguenza si può propriamente parlare di fonte “geotermica”.

Il calore ottenibile quindi é di circa 1 kW per una profondità della sonda di 15-25 m.

La posa in opera di sonde geotermiche non richiede una concessione per l’utilizzazione di acqua ma solo una notifica.

Il criterio più importante per raggiungere un elevato coefficiente di rendimento annuale è la temperatura di mandata massima degli impianti di riscaldamento che non dovrebbe superare i 45°C.

Nel caso ideale si utilizza un sistema di riscaldamento a bassa temperatura con temperature fino a 35°C, ad esempio un riscaldamento a pavimento o/e soffitto o/e parete.

Gli impianti di riscaldamento degli edifici esistenti non consentono quasi mai l’impiego di una pompa di calore a causa dei radiatori che richiedono una temperatura di mandata elevata.

Quindi gli impianti geotermici sono installabili in qualsiasi luogo e altitudine, in edifici pubblici, ville, condomini, hotel, e ristoranti, purché dotati di riscaldamento a pavimento o/e parete o/e soffitto.

Impianto ad energia geotermica

Un impianto che funziona ad energia geotermica è composto da:

  • SONDA GEOTERMICA inserita in profondità per scambiare calore con il terreno;
  • POMPA di CALORE installata all’interno dell’edificio;
  • SISTEMA di DISTRIBUZIONE del calore “a bassa temperatura” all’interno dell’ambiente (impianti a pavimento, pannelli radianti, bocchette di ventilazione, ecc…).
geo3

I Vantaggi installando una pompa di calore geotermica

Canna fumaria?  Fumi?  Emissioni?  Niente di tutto ciò !!!

Quando è in esercizio, la pompa di calore non emette alcuna sostanza dannosa.

Complessivamente un impianto geotermico offre i seguenti vantaggi:

  • riduzioni del consumo di combustibile, e in generale riduzione dei costi di riscaldamento, condizionamento e produzione di acqua calda;
  • riduzione generale delle emissioni di CO2, e altre emissioni inquinanti in atmosfera;
  • nessun uso del gasolio o del metano per la caldaia;
  • non è più necessaria la pulizia del camino;
  • non è più necessario il controllo del bruciatore;
  • nessuna apparecchiatura visibile installata al di fuori dell’edificio;
  • minore rumore durante il funzionamento;
  • adattabile a qualsiasi tipo di edificio: abitazioni, uffici, scuole, capannoni, ecc. …
  • realizzabile in qualunque zona, in ogni tipo di terreno.

PARAMETRI PER DIMENSIONAMENTO DI SONDE GEOTERMICHE

Tipo di terreno: il fattore essenziale da rispettare per la progettazione di un sistema a sonde geotermiche, è la conducibilità termica del sottosuolo. La potenza d’estrazione è proporzionale alla conducibilità termica.
Umidità naturale del suolo: essa migliora la conducibilità termica e garantisce un buon contatto tra sonda e sottosuolo.

Acque sotterranee: quando una sonda geotermica penetra in una falda freatica che presenta una velocità di scolo eccedente di qualche centimetro al giorno, la quantità di calore utilizzabile aumenta sensibilmente.

Materiale per la sonda: grazie alla loro maneggevolezza, alla buona resistenza alla corrosione ed al prezzo vantaggioso, i tubi in polietilene si sono imposti quale materiale costituente le sonde. La parete dovrebbe essere il più sottile possibile (aspetto termico) e resistere all’azione del terreno.

Sottosuolo Conducibilità termica Potenza d’estrazione Lunghezza della sonda geotermica per kW di potenza di riscaldamento (m)
(W/m K) (W/m) COP = 3 COP = 3,5
Sottosuolo di cattiva qualità (rocce mobili secche) meno di 1,5 20 33 36
Rocce indurite o rocce mobili sature d’acqua 1,5 a 3,0 50 13 14
Rocce indurite a conducibilità termica elevata superiore a 3,0 70 19,5 10
Ghiaia, sabbia, secco 0,4 meno di 20 superiore a 33 superiore a 36
Ghiaia, sabbia, acquifero 1,8 a 2,4 55 a 65 10 a 12 11 a 13
Argilla, limo, umido 1,7 30 a 40 17 a 22 18 a 24
Calcare, massiccio 2,8 45 a 60 11 a 15 12 a 16
Arenaria 2,3 55 a 65 10 a 12 11 a 13
Granito 3,4 55 a 70 9,5 a 12 10 a 13
Basalto 1,7 35 a 55 12 a 19 13 a 20
Gneiss 2,9 60 a 70 9,5 a 11 10 a 16

“Le pompe di calore geotermiche per il condizionamento degli edifici sono le più efficienti in termini energetici, le più pulite in termini di rispetto ambientale,  le più indicate in termini di rapporto costi/benefici”

Risparmi effettivi dei sistemi geotermici rispetto ai sistemi tradizionali

Comparazione dei costi a kw termico prodotto

Qui di seguito sono riportate le tabelle che indicano la comparazione dei costi tra i sistemi tradizionali ed il sistema geotermico riferendosi ad una abitazione di 290 mq. con un fabbisogno termico di 19,8 kW.

Nell’esempio si considera un periodo dal 15 ottobre al 15 marzo con una energia prodotta di 29.700 KWh. (sulla base di 8 ore al giorno di funzionamento)

In un recente studio commissionato dall’Agenzia americana per la protezione dell’ambiente (EPA), è stato mostrato che i sistemi a pompa di calore presentano generalmente i più bassi costi di life-cycle (cioè l’ammontare delle spese medie sostenute dal consumatore/utente durante tutto l’arco di esistenza del prodotto). La stessa indagine ha anche evidenziato che i sistemi a pompa di calore presentano un minimo impatto ambientale, essenzialmente confinato nella fase di messa in esercizio, a fronte di livelli di soddisfacimento e comfort molto alti (>95%) e di una maggiore efficienza rispetto ai termogeneratori a combustione (dal 48% per le caldaie a metano al 75% per quelle a gasolio).

Sistemi geotermici Sistemi a Gpl

energia prodotta / kWh

29.700

costo per produrre l’energia stabilita ( 1 lt. Gpl = 6,9 kWh)

3108,30 €

costo energia elettr. / kWh

0,15 €

rendimento %

0,90

C.O.P. (efficienza) compreso di pompe di circolazione

3,11

prezzo GPL / lt

0,65 €

energia consumata kW/h

9.549

consumo corrente caldaia

24,00 €

revisione annuale

0,00 €

revisione caldaia

85,00 €

pulizia camino

23,24 €

Costi di gestione

1.432,00 €

Costi di gestione

3.240,54 €
Sistemi a metano Sistemi a gasolio

costo per produrre l’energia stabilita ( 1 mc metano = 9 kWh)

2.456,66 €

costo per produrre l’energia stabilita ( 1 lt. gasolio = 9,8 kWh)

3.208,80 €

rendimento %

0,90

rendimento %

0,85

prezzo metano / mc

0,67 €

prezzo gasolio / lt.

0,90 €

consumo corrente caldaia

24,00 €

consumo corrente caldaia

24,00 €

revisione caldaia

85,00 €

revisione caldaia

85,00 €

pulizia camino

23,24 €

pulizia camino

23,24 €

Costi di gestione

2.588,90 €

Costi di gestione

3.341,04 €