2.3 Pompe di calore geotermiche
2.3.3 Linee guida di progettazione
Come già specificato più volte, la progettazione di impianti geotermici deve essere attenta e dettagliata. Alcune norme europee (come la VDI 4640) descrivono metodologie semplificate per facilitare il dimensionamento di piccoli impianti (sotto i 30 ÷ 40 kW ). In generale la scelta del parametro resa termica lineare (in W/m) in funzione della tipologia del terreno non è sufficiente per una buona progettazione, ma è necessario (soprattutto per impianti medio-grandi) seguire un procedimento più rigoroso e dettagliato. Le fasi consigliate sono le seguenti.
1. Definizione della tipologia di sistema
Il primo passo è la scelta di un preciso scambiatore al terreno, tra i quali i più usuali sono stati brevemente descritti sopra.
2. Valutazione delle problematiche amministrative
Spesso l’iter burocratico risulta essere lungo e complicato. Senza entrare nel merito della questione, che esula dagli obiettivi della tesi, si ricorda solo che gli enti autoriz- zativi sono principalmente preoccupati della presenza di falde acquifere. In tal caso, si deve assicurare che non ci sia alcun rischio di danneggiamento o inquinamento della falda, soprattutto riguardo tre aspetti principali: la messa in comunicazione di falde con diverse qualità durante i lavori; l’induzione di possibili anomalie termiche sul flusso di acqua, la rottura di sonda con uscita di fluido termovettore.
3. Geognostica
La fase di determinazione delle caratteristiche termofisiche e idrogeologiche del ter- reno è fondamentale, le modalità di svolgimento variano in funzione della taglia del- l’impianto, profondità ed estensione dell’installazione, presenza di falde acquifere, esigenze per le pratiche burocratiche. Solo per i piccoli impianto possono risultare sufficienti le informazioni bibliografiche o date dall’esperienza di perforatori, nel- la maggior parte dei casi si necessita di metodi di prospezione geognostica (come sondaggi meccanici, metodi sismici o elettrici). Si deve indagare la stratigrafia, la composizione mineralogica e i parametri idrogeologici (tipo le presenze di falde). Per ogni strato si devono definire i parametri termofisici quali la conduttività termica, la capacità termica, la diffusività termica (si definiscono alcuni valori di esempio in Tabella 2.1) e la temperatura del terreno indisturbato.
Roccia Conducibilità termica Capacità term. vol. [W/(K m)] [J/(m3)]
Range Media Range Media
Suoli Ghiaia 0.70 ÷ 0.90 0.8 1.4 106 Sabbia (grezza) 0.70 ÷ 0.90 0.8 1.4 106 Sabbia (fine) 0.70 ÷ 0.90 0.8 1.4 106 Limo 1.20 ÷ 2.40 1.8 2.4 106÷ 3.3 106 2.85 106 Argilla 0.85 ÷ 1.10 0.98 3 106÷ 3.6 106 3.3 106 Rocce Calcarica 1.50 ÷ 3.30 2.4 2.13 106÷ 5.5 106 1.34 106 Carsica 2.50 ÷ 4.30 3.4 2.13 106÷ 5.5 106 1.34 106 Arenaria 2.30 ÷ 6.50 4.4 2.13 106÷ 5 106 3.56 106 Argillite 1.50 ÷ 3.50 2.5 2.38 106÷ 5.5 106 3.94 106 Ignea e metamorfica 2.50 ÷ 6.60 4.58 2.20 106
Tabella 2.1: Proprietà termofisiche di varie rocce e suoli
L’eventuale presenza di acqua in movimento è molto importante per definire per lo scambio termico della pompa di calore con la sorgente fredda. L’acqua di falda occupa gli spazi disponibili nei pori del terreno o delle rocce, con pressioni superiori di quella atmosferica. L’acqua di falda è presente praticamente ovunque, ma solo in alcune zone le caratteristiche geologiche locali permettono il moto di questi flussi. L’equazione che descrive il moto di acqua in un mezzo poroso è la Legge di Darcy:
q = −Kdh
dx (2.8)
Si definisce q la Darcy Velocity (m/s), cioè la portata volumetrica dell’acqua per unita di sezione di passaggio complessiva, K è la conducibilità idraulica, h il battente idraulico e x la variabile spaziale. Un’altra grandezza caratteristica è la porosità Φ , definita come il rapporto tra l’area complessiva di passaggio del flusso di acqua e l’area degli spazi dei pori. Quindi si può risalire alla velocità lineare media dell’acqua v con la formula v = q/Φ [19]. Si riassumono in Tabella2.2le caratteristiche idrologiche di varie rocce e suoli34.
3La velocità di falda è calcolata con un battente idraulico costante classico di 0.01m/m.
Roccia Conducibilità idraulica Porosità Velocità
[m/s] [m/anno]
Range Media Range Media
Suoli Ghiaia 3 10−4÷ 3 10−2 3 10−3 0.24 ÷ 0.38 0.31 3.05 103 Sabbia (grezza) 9 10−7÷ 6 10−3 7.3 10−5 0.31 ÷ 0.46 0.385 6.01 101 Sabbia (fine) 2 10−7÷ 2 10−4 6.3 10−6 0.26 ÷ 0.53 0.4 5.05 Limo 1 10−9÷ 2 10−5 1.4−7 0.34 ÷ 0.61 0.475 9.4 10−2 Argilla 1 10−11÷ 4.7 10−9 2.2 10−10 0.34 ÷ 0.6 0.47 1.46 10−4 Rocce Calcarica 1 10−9÷ 6 10−6 7.7 10−8 0 ÷ 0.2 0.1 2.44 10−1 Carsica 1 10−6÷ 1 10−2 1 10−4 0.05 ÷ 0.5 0.275 1.15 102 Arenaria 3 10−10÷ 6 10−6 4.2 10−8 0.05 ÷ 0.30 0.18 7.65 10−2 Argillite 1 10−13÷ 2 10−9 1.4 10−11 0 ÷ 0.1 0.0525 8.5 10−5 Ignea e metamorfica (fratturata) 8 10−9÷ 3 10−4 1.5 10−6 0 ÷ 0.1 0.05 9.78 Ignea e metamorfica (non fratturata) 3 10−13÷ 2 10−10 2.4 10−12 0 ÷ 0.05 0.025 3.09 10−5 Tabella 2.2: Proprietà idrologiche di varie rocce e suoli
4. Realizzazione GRT Ground Response Test o TRT Thermal Response Test É un test messo a punto a livello commerciale alla fine degli anni ’90 per sistemi verticali, realizzato su uno scambiatore di prova che farà poi parte del campo sonde (Figura2.27(a)). Imponendo una potenza termica o frigorifera costante per un certo periodo di tempo (almeno 50 ore per superare il transitorio iniziale), si studiano le temperature misurate in uscita e in ingresso. Applicando il modello teorico della sorgente lineare di Ingersoll del 1948 [36], si può calcolare la conduttività termica effettiva del terreno e la resistenza termica equivalente del sistema fluido-sonda-pozzo.
(a) (b) (c)
Figura 2.27: Macchina per le misurazioni e elaborazione dati del GRT [8]
In Figura2.27(b) si ha un esempio di misurazione delle temperature. La conduttività effettiva e la resistenza del pozzo Rb sono date dalle seguenti formule:
λef f = Q 4πkH ; Tf − T0 q = 1 4πλln 4αt r2 − γ + Rb (2.9)
dove H è la profondità del pozzo, Q è la potenza termica fornita e k è il coefficiente angolare della retta interpolante dei valori di temperatura media del fluido in funzione del logaritmo del tempo (Figura 2.27(c)).
Nella seconda formula si definiscono le seguenti grandezze: q la potenza specifica di estrazione espressa in W/m, T0la temperatura del terreno indisturbata, Tf la tempe- ratura media del fluido, r il raggio del pozzo, α la diffusività termica del terreno, γ la costante di Eulero, pari a 0.5772. Affinché il test dia risultati affidabili, è necessario che la potenza termica fornita o estratta sia costante, con estrema attenzione a sbalzi di tensione elettrica e variazioni della temperatura esterna per sistemi male isolati. Prima dell’inizio del test si deve misurare la grandezza T0, facendo scorrere il fluido nella sonda senza fornire o sottrarre calore.
Il parametro energetico fondamentale per la valutazione dell’effetto della sonda geo- termica sullo scambio di calore è la resistenza termica Rb (Figura2.28), definita della formula seguente:
Rb=
Tb− Tf
q (2.10)
Si indica con Tb la temperatura del terreno adiacente alla superficie del pozzo geo- termico.
Figura 2.28: Schema delle resistenze termiche nei Borehole Exchangers [8]
Il valore di Rground (resistenza termica del terreno) è legato alle caratteristiche del suolo, dunque non può essere variata. Al contrario Rbè una variabile legata alla scelta del tipo di sonda. Facendo riferimento a sonde verticali, Rb dipende dai seguenti parametri.
• Diametro della perforazione.
• Configurazione geometrica, che influenza il regime di deflusso (incrementando la turbolenza si migliora lo scambio termico ma aumentano le perdite di carico) e l’interferenza termica tra mandata e ritorno. Le soluzioni più adottate sono a singolo e doppia U, meno diffusi sistemi coassiali semplici, multicanale, ad elica e a spirale. Si sottolinea che, a parità di perforo, aumentare la lunghezza
del tubo permette miglioramenti limitati al 10 ÷ 20% (ad esempio passando da singolo-U a doppio-U) ma aumentano le difficoltà di posa.
• Materiale della sonda, il classico materiale utilizzato è il polietilene ad alta densità (HSPE), mentre con temperature intorno ai 40 ℃ (carico estivo), si usa polietilene reticolato PExa. Con geometrie coassiali si stanno applicando materiali metallici, che hanno conduttività termica più alta, ma hanno problemi di affidabilità per il rischio di corrosione e correnti vaganti, oltre ad un costo elevato.
• Materiale riempitivo, che deve rispettare due caratteristiche fondamentali: ga- rantire un buon contatto termico fra sonda e pozzo e fra pozzo e terreno, avere una permeabilità bassa così da contenere eventuali fuoriuscite di fluido termo- vettore. Il materiale base è la bentonite (argilla naturale), con conduttività pari a 0.7 W/(mK), quindi come un cattivo terreno. Per migliorare lo scambio ter- mico si usano impasti con cemento e bentonite. Si rappresentano alcuni valori indicativi in Tabella 2.3.
Conducibilità termica Grout senza additivi media [W/(Km)]
20% Bentonite 0.75
30% Bentonite 0.74
Malta cementizia 0.69 ÷ 0.78
Calcestruzzo (2100 ÷ 2400 kg/m3) 1.04 ÷ 1.38 Grout con additivi
20% Bentonite - 40% Quarzite 1.5 30% Bentonite - 30% Quarzite 1.2 ÷ 1.3 30% Bentonite - 30% Polvere di ferro 0.79 60% Quarzite - ceneri volanti 1.85
Tabella 2.3: Alcuni valori della conduttività dei materiali di riempimento [3] • Fluido termovettore, di norma si usa acqua addizionata con anticongelante, ge-
neralmente glicole propilenico per motivi ambientali. Infatti il glicole etileni- co è tossico, nonostante abbia migliore viscosità, calore specifico e più basso punto di congelamento a parità di percentuale di glicole. si riassumono alcune caratteristiche termofisiche di questi fluidi in Tabella 2.4.
Usare l’acqua pura permette un miglioramento delle caratteristiche termofisiche, possibilità di ridurre le portate e le perdite di carico. D’altro canto con acqua si devono garantire temperature maggiori allo 0 ℃, che può rendere non sostenibile l’impianto.
• Regime di deflusso, che è dato dall’effetto della configurazione geometrica e del fluido. Per non aumentare il valore di Rb, si deve assicurare un valore di Re > 2500 così da evitare flussi laminari e garantire uno scambio termico suffi- ciente. D’altro canto un aumento della portata causa maggiori perdite di carico e consumi di pompaggio.
Percentuale T riferim. T congel. Densità Calore spec. Cond.ter. Visc.din. % (peso) [℃] [℃] [kg/m3] [kJ/(kg K)] [W/(m K)] [P a m)] Acqua 100 40 0 991.8 4.067 0.632 0.0006 100 25 0 995.2 4.070 0.619 0.0008 100 5 0 1000 4.201 0.569 0.0015
Soluzione acqua-glicole etilenico
2 40 -0.4 995.81 4.167 0.609 0.0007
5 35 -1.2 1001.8 4.116 0.591 0.0008
10 30 -2.9 1011 4.031 0.565 0.001
20 25 -7.7 1028.38 3.855 0.521 0.0015
30 20 -14.5 1046.38 3.672 0.480 0.0023
Soluzione acqua-glicole propilenico
2 40 -0.2 992.77 4.195 0.622 0.0007
5 35 -0.8 996.74 4.163 0.600 0.0009
10 30 -2.1 1002.23 4.107 0.569 0.0011
20 25 -6.4 1011.72 3.990 0.517 0.0018
30 20 -12.9 1021.93 3.867 0.468 0.0030
Tabella 2.4: Alcuni valori dei fluidi termovettori usualmente utilizzati [3]
• Posa in opera deve essere attenta per mantenere buoni valori di Rb. Confi- gurazioni geometriche complesse possono aumentare le difficoltà operative, ad esempio se nello scambiatore a doppia-U i tubi sono troppo vicini, le interferen- ze termiche potrebbero peggiorare le prestazioni. C’è la possibilità di inserire distanziali, anche se sono poco utilizzati per difficoltà di installazione.
Rb [K · m/W ] Scambiatore a doppia U in HDPE con materiale
riempitivo a conduttività termica elevata 0.10 ÷ 0.11 Scambiatore a doppia U in HDPE
con bentonite come riempitivo 0.12 ÷ 0.14 Scambiatore a singola U con materiale
riempitivo a conduttività termica elevata 0.12 ÷ 0.14 Scambiatore di tipo coassiale con materiale
riempitivo a conduttività termica elevata 0.06 Tabella 2.5: Valori indicativi di Rb [8]
Si ricorda che, anche ipotizzando Rb nulli, Rground è il parametro critico che limita lo scambio termico con il terreno.
5. Analisi delle caratteristiche del sistema edificio impianto
Si devono definire le varie caratteristiche dell’impianto in relazione all’utenza: fabbi- sogno energetico di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria dettagliati nel tempo; potenza di picco necessaria di riscaldamento e raffrescamento; scelta della pompa di calore (a compressione o ad assorbimento); copertura desiderata dell’im- pianto geotermico per la definizione dei generatori di back-up necessari; temperature
minime e massime di progetto in relazione all’impianto; scelta del fluido termovettore e portata di progetto.
6. Simulazione dinamica con definizione di numero, profondità e layout del campo geotermico
Una buona progettazione del campo geotermico non può prescindere dalla simula- zione dinamica dell’impianto completo durante tutta la vita utile (20 ÷ 30 anni). L’elevata inerzia termica del terreno fa sì che le prestazioni del campo geotermico possono variare anche dopo mesi e anni, con variazioni delle temperature in gioco e prestazioni della macchina. Una buona progettazione ha l’obiettivo di portare il territorio adiacente alle sonde a livelli termici generalmente diversi dalle condizioni indisturbate ma che comunque assicurano la continuità di funzionamento e rendi- menti vantaggiosi rispetto i sistemi tradizionali. Lo studio delle condizioni indotte dallo scambio termico sono complesse e tutt’ora oggetto di numerosi studi. É usuale schematizzare il fenomeno come la sovrapposizione di tre processi diversi (facendo riferimento a carico invernale) [14] :
• Un forte raffreddamento intorno allo scambiatore fino a 10 cm durante il ciclo operativo (scala temporale oraria);
• Un raffreddamento progressivamente sempre meno intenso fino a qualche metro in funzionamento stagionale (scala temporale annuale);
• Un minore raffreddamento del terreno con distanze dagli scambiatori oltre i dieci metri durante tutto il ciclo di vita (scala temporale trentennale).
In Figura2.29si possono analizzare gli andamenti delle temperature dopo vari anni.
Figura 2.29: Andamento delle temperature nel suolo con "andamento a imbuto" [14] Si può riscontrare la sovrapposizione dei fenomeni descritti, soprattutto gli effetti a breve termine che causano variazione delle temperature solo vicino agli scambiatori
(le curve dello stesso colore fanno riferimento allo stesso anno ma condizioni diverse di funzionamento della macchina). Si crea un "bacino termico", a causa dello scambio termico (oltre allo scambio conduttivo si può risentire dell’effetto del moto dell’acqua in movimento e della diffusione di vapore acqueo). L’effetto a breve periodo è legato alle potenze in gioco assorbite dall’impianto, al contrario gli effetti a medio-lungo ter- mine dipendono dall’energia netta prelevata o fornita annualmente nel terreno. Per questo è necessario una simulazione lungo tutti i venti anni per decidere le caratteri- stiche del campo geotermico quali profondità, numero e distanza tra gli scambiatori. É prassi progettuale posizionare le sonde geotermiche verticali a distanza di 6÷10 m per minimizzare le interazioni termiche negative [9] [8].
I risultati che si ottengono in un’analisi dettagliata possono anche rimettere in di- scussione alcune scelte inizialmente effettuate. Ad esempio una simulazione dinamica può mettere in luce possibili miglioramenti nella divisione tra carico geotermico e di back-up. Indicativamente un impianto geotermico ben dimensionato ha una potenza di picco di circa del 70 % della potenza richiesta nominale, così da poter coprire l’ 80 ÷ 90% del fabbisogno energetico annuo con un minor costo d’impianto. Così, lavorando per un maggior periodo al massimo carico, la pompa di calore può man- tenere maggiori rendimenti, con ovvi benefici in termini di costi di esercizio e tempi di recupero dell’investimento. Tutte queste considerazioni devono essere verificate da una simulazione dell’impianto, proprio per questo si analizza un possibile modello nel Capitolo3.
7. Analisi tecnico-economica
Definiti i vari sottosistemi, occorre un’analisi economica dei costi di investimento e stima dei costi di esercizio durante la vita utile.
8. Progetto definitivo
A questo punto manca solamente la definizione i tutti gli elementi dettagliati, tra cui pompe di circolazione, collettori e collegamenti vari.