Caratteristiche generali

Le fluttuazioni della temperatura alla superficie terrestre si ripercuotono a determinate pro- fondità con un certo ritardo e minori ampiezze, così come è rappresentato in Figura2.24(a). Oltre una determinata profondità, a causa dell’elevata inerzia del suolo, tali variazioni sono trascurabili e la temperatura resta approssimativamente costante e indicativamente resta più alta della temperatura dell’aria in inverno e più bassa in estate. La profondità limite, oltre la quale non si risente di fatto delle variazioni di temperatura nell’atmosfera varia da caso in caso. Alla superficie sono molteplici i fenomeni fisici di scambio termico che possono presentarsi: scambio convettivo, impatto della radiazione solare, evaporazione dell’umidità del terreno, scambio radiativo con l’esterno, caduta di pioggia. Invece lo scambio termico in profondità, oltre che con il fenomeno conduttivo, può essere fortemente favorito dalla presenza di masse d’acqua in movimento (Figura2.24(b)). Comunque sia si può conside- rare che indicativamente, oltre la profondità di 5 ÷ 8 m, si ha una temperatura costante durante l’anno (Figura2.24(c)) [10] [9].

(a) Fluttuazioni Tgeo (b) Fenomeni fisici (c) Ampiezza Tgeo

In conclusione negli impianti geotermici si vuole sfruttare il terreno come sorgente ester- na, così da avere temperature più vicine rispetto a quelle necessarie agli utilizzatori sia di inverno che d’estate, così da permettere rendimenti più alti del sistema e condizioni di funzionamento stabili. Quando in estate le condizioni esterne non richiedono una refrigera- zione spinta, negli impianti geotermici si può anche prevedere il free cooling, cioè quando le temperature del terreno sono sufficientemente basse, si può portare direttamente l’acqua in uscita dagli scambiatori nel terreno agli utilizzatori, bypassando la macchina e consumando soltanto l’energia necessaria alle pompe di circolazione [11].

Il problema principale di questi impianti sono gli elevati costi di installazione e quindi la necessita di un’ottima progettazione per non incappare in troppo alti tempi di ritorno dell’investimento. I lavori di scavo sono onerosi e generalmente lo scambio termico con il terreno è difficoltoso, costringendo a lunghezze considerevoli dei tubi interrati per estrarre il calore necessario al buon funzionamento della macchina. Per fare una stima indicativa, si fa riferimento ai soliti valori già utilizzati di taglia della pompa di calore elettrica di 40 kW e COP di 4. Considerando scambiatori a terreno verticali, molti testi suggeriscono una potenza estraibile lineare da 20 kW fino a oltre 60 W/m [12], valore estremamente variabile in funzione ad esempio della tipologia di terreno, geometria di scambiatore, presenza di acqua in movimento. Considerando un valore in condizione di progetto di 50W/m [13][10], sono necessari 600m di scavo, ottenibili ad esempio con 6 sonde profonde 100m. Con sistemi GAHP la situazione migliora, infatti con un GUE di 1.6 si ottiene una lunghezza di 300m. La progettazione incontra alcune difficoltà. Per prima cosa qualunque pompa di calo- re deve essere ben dimensionata per massimizzare le prestazioni per un maggior tempo possibile e ottenere massimi risparmi durante tutta la vita utile, considerando anche la possibilità di un generatore di integrazione quale caldaia o pompa di calore ad aria (per contribuire al fabbisogno estivo). Il dimensionamento della parte geotermica è complessa perché è strettamente legata ai rendimenti della macchina, alla risposta del terreno e corri- sponde alla voce più importante nei costi di installazione. La risposta del terreno durante gli anni di funzionamento, oltre a non essere di facile previsione, può avere un impatto de- terminante nelle prestazioni dell’impianto e quindi dei risparmi ottenibili rispetto a sistemi tradizionali. In ogni anno il terreno è molto sollecitato termicamente, si ha una estrazione di calore in inverno, una somministrazione di calore in estate nel caso di funzionamento estivo e free cooling e l’effetto del terreno circostante che tende a riportare la temperatura intorno agli scambiatori geotermici prossima a quella indisturbata. Tutti questi contributi portano a una variazione delle temperature del sottosuolo. Generalmente è raro che que- sti contributi si bilanciano dopo dodici mesi, quindi anche la temperatura media annuale del terreno intorno agli scambiatori varia dal valore indisturbato iniziale. In genere si ha una deriva termica e dopo alcuni anni dalla prima accensione la temperatura si stabilizza ad un valore fisso diverso da quello iniziale. Nel caso di predominanza di carico inver- nale (che risulta più interessante nello studio di pompe di calore ad assorbimento), ci si aspetta una temperatura media annuale che si porta ad un valore minore rispetto al caso indisturbato [11]. Questo fenomeno di sbilanciamento termico è caratterizzato da tempi di circa 10 anni ed è determinato dal dimensionamento del campo geotermico (come il tipo

di sonde, la profondità, la distanza reciproca e la disposizione). Si potrebbe risentire di un sottodimensionamento delle sonde solo dopo alcuni anni, provocando un abbassamento delle temperature del terreno. Ciò potrebbe causare problemi di congelamento del fluido geotermico (generalmente acqua o acqua glicolata)e dell’acqua presente nel terreno con conseguente variazione delle proprietà termiche. Per di più un abbassamento della tem- peratura di entrata all’evaporatore peggiora le prestazioni della pompa di calore e può portare a dei risparmi effettivi a fine vita utile minori rispetto a quelli prospettati in fase di progetto. Per concludere si cita una definizione di produzione sostenibile da singolo si- stema geotermico :"Per ciascun sistema geotermico e per ciascuna modalità di produzione, esiste un certo livello di produzione massima di energia, al di sotto del quale è possibile mantenere costante la produzione di energia dal sistema per un lungo periodo (100-300 anni)"(Orkustofnun Working Group 2001) [8] [14].