Dossier tecnico

Impianti geotermici: PdC, sonde e nuove tecnologie di recupero di calore geotermico

Gli impianti geotermici sfruttano la stabilità del calore geotermico presente nel sottosuolo come fonte termica per la climatizzazione invernale ed estiva, la produzione di acqua calda sanitaria e, in casi specifici, anche per gli impianti di ventilazione meccanica controllata e la produzione di energia elettrica.

Si tratta di sistemi composti da pompe di calore e sonde di scambio geotermico di vario genere che negli ultimi anni si sono sempre più diffuse ed evolute distinguendosi in scambiatori a bassa, media o alta profondità. In questo dossier analizzeremo il funzionamento degli impianti geotermici e la loro conformazione, analizzandone vantaggi e svantaggi oltre che specifici ambiti di applicazione considerando le caratteristiche fisiche e termiche del terreno oltre che le esigenze degli edifici a servizio dei quali gli impianti geotermici andranno installati.

 

Geotermia

Introduzione

Geotermia

La geotermia è la scienza che studia i fenomeni coinvolti nella produzione e trasferimento del calore proveniente dalla terra. In altri termini, in ambito impiantistico, viene utilizzato il terreno come fonte di scambio termico, sfruttando la stabilità del calore presente nel sottosuolo.

L’energia geotermica ha il vantaggio di non essere vincolata, o di essere vincolata in modo limitato rispetto ad altre energie, garantendo efficienze impiantistiche pressoché stabili durante l’intero anno, diversamente da quanto avviene nel caso in cui si sfrutti l’aria esterna come fonte di scambio termico, la quale ovviamente è molto più suscettibile a variazioni legate all’irraggiamento solare, all’umidità relativa e alla temperatura dell’aria, che portano a considerevoli pendolazioni dei rendimenti globali.

In base alle temperature di sfruttamento la geotermia si suddivide in quattro tipologie:

Geotermia

Negli ultimi anni, in ambito impiantistico, si sono ampiamente diffusi impianti geotermici per abitazioni e per il terziario caratterizzati da bassissima temperatura: in questi casi il terreno viene sfruttato per dissipare o sottrarre calore dal terreno in base alle esigenze delle pompe di calore, attraverso degli scambiatori che vengono selezionati e realizzati in base alla conformazione morfologica del sito di realizzazione dell’edificio.

Andamento delle temperature del terreno

Geotermia

All’aumentare della profondità del terreno, si riduce la temperatura dello stesso, fino a giungere ad una condizione in cui la temperatura del sottosuolo non è più soggetta alle modificazioni delle condizioni climatiche esterne.

Gli strati superficiali del terreno sono invece soggetti a variazioni di temperatura, e le fluttuazioni di temperatura rilevabili sono indotte da una serie di fattori come lo scambio convettivo con l’aria, l’irraggiamento notturno, le percolazioni degli elementi meteorici e altri fattori climatici.

Il terreno superficiale funge da isolante rispetto all’esterno e ritarda gli effetti delle trasmissioni del calore che lo coinvolgono.

Più si scende in profondità, più la temperatura del terreno diventa costante, permettendo di analizzare il comportamento ottenibile nei sistemi geotermici.

Le temperature del terreno alle diverse profondità sono rilevabili attraverso grafici come quello riportato, dove si può osservare che ad una profondità di circa diciotto metri la temperatura del terreno rimane costante a circa 10°C durante tutto l’anno.

Purtroppo però il terreno è un enorme volano termico e va attentamente analizzato il fenomeno delle deriva termica legata allo sfruttamento stagionale dello stesso.

LA DERIVA TERMICA DEL TERRENO

La deriva termica di un terreno è un fenomeno legato allo sbilanciamento dei carichi legati alla cessione o al prelievo di energia al e dal terreno. In termini elementari significa che provvedere al solo prelievo di calore (Ciclo invernale delle normali pompe di calore) o cessione di calore (Ciclo estivo delle normali pompe di calore), o avere una cessione piuttosto che un prelievo sbilanciato di calore, può portare alla saturazione del terreno stesso, ossia ad una condizione nelle quale il terreno non è più in grado di ricevere o cedere energia, riducendo se non addirittura annullando l’effetto geotermico e compromettendo l’efficienza e le performance della pompa di calore.

In definitiva non è economicamente ed energeticamente vantaggioso pensare di utilizzare un impianto geotermico per il solo riscaldamento, o per il solo raffreddamento, ma è necessario che lo stesso sia utilizzato per tutta la stagione al fine di garantire dei cicli di “carico/scarico” del terreno necessari al mantenimento della capacità energetica dello stesso.

Recupero geotermico negli impianti VMC

Il terreno non viene però utilizzato solo come serbatoio termico per lo scambio di calore necessario alle pompe di calore, viene utilizzato anche negli impianti aeraulici, per pre-riscaldare o pre-raffreddare l’aria a seconda della stagione, per arrivare addirittura a sfruttare i cicli di free-cooling o free-eating nelle mezze stagioni. Per fare questo l’aria esterna aspirata, prima di essere inviata all’unità incaricata di filtrare e trattare l’aria prima dell’immissione in ambiente, viene fatta transitare all’interno di speciali condotti interrati. Questo sistema geotermico è conosciuto con il nome di Pozzo Provenzale o Pozzo Canadese.

In questo caso il sistema di scambio geotermico viene realizzato attarverso l’interramento di una tubazione polimerica ad una quota di circa due metri di profondità; ovviamente, maggiore è la profondità di interramento, più la temperatura del terreno rimane costante nel corso dei mesi. Purtroppo questo sistema è ad oggi ancora poco diffuso, nonostante il costo di investimento iniziale sia molto spesso marginale.

Anche in questo caso però sono richieste alcune accortezze nella scelta dei materiali come di seguito descritto:

  • Il tubo deve avere adeguata resistenza meccanica allo schiacciamento;
  • Il materiale adottato deve essere igienicamente compatibile all’utilizzo e soprattutto, deve avere buone caratteristiche di scambio termico;
  • Le giunzioni devono essere perfette e a tenuta, per evitare infiltrazioni di acqua all’interno del tubo o evitare che il pozzo geotermico possa essere fonte di veicolazione del radon;
  • Devono essere predisposti opportuni accorgimenti per evitare l’ingresso di insetti o altri animali all’interno della tubazione;

E’ preferibile l’utilizzo di tubazioni la cui superficie interna sia liscia al fine di ridurre le perdite di carico totali. Per la finitura esterna, invece, è da prediligere una tubazione corrugata/spiralata, per aumentare la superficie di scambio vero il terreno.

GRT – Ground Response Test

Uno dei crucci più diffusi per la definizione delle prestazioni degli impianti geotermici, e soprattutto per la definizione dell’energia che un terreno può gestire, risiede nelle possibilità di avere informazioni preliminari sulla potenza cedibile o assorbibile dallo stesso.

Al fine di determinare in anticipo quale sia la potenza che può essere ceduta o prelevata dal terreno, è possibile eseguire delle prove strumentali preliminari sul terreno stesso. Queste prove prendono il nome di Ground Response Test o Test di Risposta Termica, il cui acronimo è GRT.

Il test si effettua tramite una sonda geotermica che verrà poi utilizzata per l’impianto definitivo e serve per determinare alcune proprietà termiche del terreno tra cui:

  • Temperatura indisturbata;
  • Conducibilità termica;
  • Coefficiente globale di scambio termico;
  • Resistenza della sonda.

Ovviamente, una misura accurata permetterà di ottimizzare dei costi di installazione ed esercizio, ma soprattutto permetterà di definire in modo preliminare l’efficienza dell’impianto.

Attraverso i valori misurati in sede di test sarà possibile simulare mediante appositi software FEM, il funzionamento del campo di geoscambio fino a 25 anni di esercizio in funzione dei fabbisogni energetici dell'edificio e dei parametri caratteristici del campo di geoscambio (numero, profondità, tipologia e disposizione delle sonde geotermiche).

La prova viene eseguita attraverso delle resistenze elettriche agenti sulla sonda, un flusso termico controllato e costantemente misurato; il test ha una durata minima di 72 ore e permette di misurare costantemente la potenza scambiata dalla sonda con il terreno.

Misurata la potenza totale fornita al fluido termovettore attraverso le resistenze elettriche e la pompa, e note le temperature di ingresso e di uscita delle sonde, si può determinare il coefficiente di scambio termico per unità di lunghezza della sonda (W/mK).

Geotermia