Geotermia: tecnica ed innovazione

La geotermia: i vantaggi dello scambio di calore con in terreno

Una delle tecniche più efficaci per smaltire ed assorbire calore da utilizzare per riscaldare e raffrescare edifici sempre più efficienti sotto il profilo prestazionale dell’involucro, è la geotermia. Il terreno è di fatto un serbatoio energetico pressoché inesauribile, se utilizzato con coscienza e in modo corretto.

È ampiamente diffusa la consapevolezza che più si scende in profondità nel terreno, più costante rimane la temperatura dello stesso. In realtà, fino a circa 15 metri di profondità, la temperatura del terreno è influenzata dalle condizioni metereologiche esterne, mentre superati i 20 metri la temperatura si stabilizza.

La geotermia, ossia la tecnica/tecnologia che prevede lo scambio di calore con il terreno, si suddivide in quattro tipologie:

Nel settore degli impianti di climatizzazione, viene utilizzata la geotermia a bassissima temperatura, mediante la quale si va a sfruttare il terreno come volano termico per il ciclo di condensazione o di evaporazione dei gruppi frigoriferi/pompe di calore.

Gli scambiatori di calore a bassissima temperatura

SCAMBIATORI ORIZZONTALI A BASSA PROFONDITÀ A SERPENTINO, CHIOCCIOLA E ANELLO

Sono scambiatori di calore geotermici caratterizzati da tubazioni in polietilene, polibutilene o rame posati ad una quota generalmente compresa tra 1,2 – 1,5 m. Data la ridotta profondità di interramento, sono soggetti alle variazioni di temperatura del terreno, pertanto va tenuta in considerazione la riduzione delle capacità di scambio nei vari periodi dell’anno. Il vantaggi principali di tali scambiatori risiede nei ridotti costi di impianto grazie all’assenza di trivellazioni. Di contro, oltre ad essere soggetti alle variazioni di condizioni ambientali, richiedono elevate superfici esterne disponibili attorno al fabbricato.

A seconda del terreno e dell’esposizione dell’area interessata all’installazione degli scambiatori orizzontali, la resa delle sonde varia tra i 10 e i 40 W/m².

In prima approssimazione, possono essere ipotizzati i rapporti di estrazione riportati nella tabella seguente. Sarà certamente opportuno analizzare in modo approfondito le singole situazioni installative al fine di evitare problemi relativi alla resa delle pompe di calore.

SCAMBIATORI ORIZZONTALI A SPIRALE SLINKY

Gli scambiatori SLINKY, sono scambiatori realizzati con tubazioni in polietilene disposte nel terreno a formare dei cerchi sovrapposti. Particolarmente diffusi nel Nord America, non trovano grande diffusione in Europa, nonostante sembra stiano dando buoni risultati. Il vantaggio dello sviluppo a spirale risiede nel fatto che rispetto agli scambiatori a serpentino o chiocciola, si riescono a ridurre le superfici complessive di sviluppo. Le tubazioni vengono interrate ad una quota compresa tra 1,0 – 1,5 m nel caso di scavo a sbancamento, per arrivare fino a 1,0 – 2,5 m nel caso di scavo in trincea. Nel caso di collocamento all’interno dello scavo in trincea, gli scambiatori a spirale possono essere adagiati sia in posizione orizzontale che in posizione verticale per poter massimizzare lo scambio termico.

SCAMBIATORI A CANESTRO

Gli scambiatori a canestro, sono realizzati con tubi in polietilene fissati ad armature in ferro o in plastica e sono stati recentemente utilizzati in Svizzera e Germania. Vengono collocati ad una profondità di circa 1,5.

Il principale vantaggio risiede nella possibilità di risparmiare superficie di scambio per il 30%-50% rispetto agli altri scambiatori. Sono scambiatori compatti che garantiscono un’efficace integrazione di impianti esistenti sottodimensionati o in caso di ristrutturazioni dove la superficie esterna è limitata e magari il tipo di intervento comporti un maggiore fabbisogno termico.

Gli scambiatori a canestro possono avere forma cilindrica o conica e possono essere preassemblati oppure realizzati direttamente in cantiere.

SCAMBIATORI COASSIALI

Gli scambiatori coassiali sono sonde realizzate con tubazioni in materiale polimerico o materiale metallico che vengono installate verticalmente fino ad una profondità di 25 – 30 m e vengono solitamente utilizzati in tutti i contesti nei quali la superficie esterna perimetrale di pertinenza del fabbricato è ridotta e pertanto non è possibile perseguire la realizzaizione di reti orizzontali. Nelle sonde coassiali, lo scambio di calore avviene sulla superficie esterna in un solo verso. Questo tipo di scambiatore ha il grande vantaggio di garantire un alto livello di omogeneità nell’accumulo, possono tuttavia soffrire di possibili cortocircuitazioni tra il fluido entrante ed il fluiso uscente.

Le sonde più evolute sono caratterizzate da un tubo esterno in materiale metallico, come ad esempio acciaio inox, necessario per resistere alle azioni corrosive del terreno e non soggetto alle problematiche derivanti dalle correnti vaganti.

PALI DI FONDAZIONE

Nei terreni incoerenti e poco portanti, o dove vi sia la necessità di realizzare dei pali di fondazione, gli scambiatori possono essere integrati nei pali stessi. Le sonde vengono alloggiate all’interno dei pali di fondazione.

Data la complessità progettuale legata alle sonde, tale soluzione trova applicazione su edifici di notevoli dimensioni, quali ospedali, centri commerciali, centri direzionali, in quanto le maggiori risorse e costi legati ai professionisti viene giustificata dal costo stesso dell’edificio.

Il collegamento tra i vari pali energetici viene eseguita con geometria ad anello o con circuiti a ritorno inverso, al fine di bilanciare le varie sonde.

SCAMBIATORI AD ALTA PROFONDITÀ

Gli scambiatori ad alta profondità sono caratterizzati da tubazioni in materiale polimerico infissi nel terreno a profondità variabile compresa tra i 100 – 120 m, ma in casi particolari possono arrivare fino a 200 m. Sono meno diffusi in quanto richiederebbero tubazioni che resistano a pressioni maggiori, determinando la necessità di avere spessori maggiori delle pareti delle tubazioni con sensibile riduzione della capacità di scambio termico delle sonde, con conseguente necessità che tutti i componenti in linea abbiano pressione nominale adeguata alle sonde.

Questa soluzione permette un aumento della resa termica delle sonde, in quanto sotto i 20 m di profondità, non vi è più alcuna influenza delle condizioni metereologiche esterne.

Le tubazioni sono caratterizzate da pesi chiamati zavorre, poste in testa alle stesse, che garantisce l’inserimento dei tubi nei fori eseguiti, mentre il vuoto tra tubazione e foro è riempito con materiale ad alta conduttività che viene iniettato dal basso verso l’alto, attraverso l’uso di un tubo supplementare inserito nel foro sonda. Le sonde vengono normalmente realizzate ad una distanza pari a circa 4 – 5 m dall’edificio, al fine di evitare problemi strutturali allo stesso.

Le sonde inoltre devono essere collocate con una interdistanza di circa 7 – 9 metri per evitare interferenze negli scambi di calore tra di esse.

La norma VDI riporta le rese delle sonde geotermiche a doppio U per diverse tipologie di terreno:

SCAMBIATORI ELICOIDALI

Sono scambiatori geotermici che possono essere utilizzati in zone aride o semiaride in quanto offrono maggiori soluzioni progettuali, perché la superficie necessaria di scambio per pozzo può essere facilmente ottenuta variando il passo d’elica. Il pozzo, inoltre, può essere...