Raccomandazioni per la realizzazione di impianti con pali energetici

Dato il carattere interdisciplinare, il concepimento di un impianto con pali energetici deve avvenire già nelle prime fasi di progettazione.

Un dimensionamento corretto richiede di definire con grande cura il contesto locale geologico, geotecnico e idrogeologico. Inoltre, i fabbisogni energetici, sia per il riscaldamento che per il raffreddamento, devono essere conosciuti in anticipo il più precisamente possibile (idealmente si dovrebbero conoscere le evoluzioni temporali delle potenze richieste e dei livelli di temperatura associati durante tutto l’anno).

A partire da questo punto, diverse varianti di sistemi possono essere valutate, dimensionate e paragonate sulla base del numero di pali di fondazione a disposizione, della loro disposizione e delle loro caratteristiche fisiche e termiche.

Questa procedura può essere effettuata più volte nell’arco del progetto, in funzione delle conoscenze attuali dei dati e della loro evoluzione tra la fase iniziale e la fase finale del progetto, in modo da affinare di volta in volta il concetto e il dimensionamento del sistema. Anche se il concetto finale deve essere stabilito tramite l’aiuto di uno strumento per la simulazione dinamica, questo non è necessariamente il caso per un pre-progetto, dove devono essere effettuate delle scelte tecnologiche.

Allo scopo di potere dimensionare un pre-progetto senza necessariamente ricorrere a degli strumenti di simulazioni dinamiche, una serie di raccomandazioni sono state stabilite sulla base di simulazioni numeriche applicate ad un sistema tipico. Le simulazioni sono state sviluppate e convalidate sulla base delle misure di impianti realizzati in Svizzera

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Il diagramma riportato di seguito in figura 19 sintetizza i principali risultati numerici relativi ad un pre-dimensionamento di un impianto con pali energetici (le potenze e le energie indicate sono espresse per metro lineare di palo).

Figura 19. Sintesi dei principali risultati numerici relativi ad un pre-dimensionamento di un progetto in fase iniziale.

** Se la ricarica termica del terreno supera il 90% dell’energia prelevata, la temperature del terreno avrà la tendenza ad aumentare a lungo termine. Questo limiterà la ricarica termica nel caso essa sia ottenuta tramite un raffreddamento diretto sui pali.

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Esso è valido per un impianto detto “di referenza”, definito tramite le seguenti caratteristiche principali:

 Sistema monovalente (nessun contributo di energia ausiliaria).  Nessuna domanda di acqua calda sanitaria da soddisfare.

 Richiesta di energia di riscaldamento pari a 200 MWh/an (clima tipo Zurigo; superficie energetica di referenza di 3600 m2, ossia una domanda di energia di riscaldamento di 55 kWh/m2 an).

 Tre pompe di calore (PdC) accopiate ai pali connesse in parallelo (33 kW termico ciascuna alle seguenti condizioni : 5/0°C entrata/uscita dell’evaporatore e 40/50°C entrata/uscita del condensatore; coefficiente di prestazione (COP) del 3,3).

 Temperatura della distribuzione del riscaldamento per una temperatura esterna dell’aria di –10°C : 50°C andata / 40°C ritorno.  Temperatura minima del fluido termovettore tollerata nel circuito dei

pali pari a 0°C.

 Un centinaio di pali di 20 m di lunghezza, di piccolo diametro (35 cm), muniti con un quadruplo U e separati da una distanza di circa 4 metri.

 Zona non riscaldata tra i locali riscaldati e i pali energetici (isolamento della soletta di fondazione dello stabile tramite uno strato isolante di 10 cm di spessore).

 Terreno: conduttività termica pari a 1,8 W/mK; capacità termica volumetrica di 2,4 MJ/m3 K, temperatura iniziale del terreno di 10°C.

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Lo schema di principio dell’impianto di riferimento è mostrato nella figura 20 che segue:

Figura 20. Schema di principio dell'impianto di riferimento utilizzato per stabilire le raccomandazioni.

Usando dei pali con un diametro maggiore (> 40 cm) la distanza tra di essi è anche generalmente più grande e di conseguenza le prestazioni fornite nel diagramma precedente possono essere maggiori (fino a un 50% per dei pali di 1 m di diametro).

I valori presentati corrispondono ad un sistema monovalente. Per un funzionamento di base con un’estrazione costante dai pali, la potenza per metro di palo sarà minore mentre la quantità di energia per metro di palo risulterà maggiore.

Se il flusso di acqua sotterranea è nullo, allora non sarà possibile soddisfare le richieste di temperatura senza dover effettuare una ricarica termica del terreno; essa dovrà essere di almeno 100-125 MWh/an, ossia dal 70 al 85% dell’energia estratta tramite i pali, la cui lunghezza attiva non dovrà essere inferiore ai 20 m.

I tubi di connessione orizzontale fra i pali contribuiscono ugualmente all’estrazione del calore: le simulazioni hanno mostrato che il 20% dell’energia estratta proviene dalle connessioni orizzontali. Questo evidenzia l’importanza di porsi la domanda sulla necessità di isolare o

50 meno la base dello stabile.

Un sovradimensionamento termico della lunghezza dei pali energetici permette di aumentare la temperatura del fluido termovettore nei pali. Tuttavia, il miglioramento del coefficiente di prestazione annuo della pompa di calore non permette di giustificare l’aumento dell’investimento relativo all’esecuzione dei pali energetici.

Inversamente, un sottodimensionamento termico porta a delle temperature più basse nei pali, situazione che può implicare un pericolo di gelo. Nel diagramma che sintetizza i principali risultati di un pre-dimensionamento dell’impianto, i valori indicati corrispondono a un dimensionamento ottimale, nel senso che la temperatura del fluido nei pali può a volte scendere a 0°C, senza però mai correre il rischio di ghiacciarli.

Questi risultati sono comunque da considerare con prudenza se implementati su altri impianti; in ogni modo permettono di soddisfare le necessità di pre-progettazione nella fase iniziale.

Per concludere, spesso appaiono dei problemi di compatibilità di funzionamento tra le diverse componenti del sistema di riscaldamento o di raffreddamento. Una comprensione del sistema nella sua globalità è necessaria per un’integrazione e una gestione ottimale delle differenti parti implicate e in particolare dei pali energetici nel concetto energetico dello stabile, tenuto conto dei bisogni energetici dell’utilizzatore.

Infine, risulta difficile generalizzare le regole descritte sopra; di conseguenza uno strumento per la simulazione dinamica del sistema con pali energetici risulta molto prezioso per rispondere alle domande che sorgono al momento del concepimento di un tale impianto.

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