Bibliografia capitolo
CON ACQUA 20 [C] Aa
4.11 Sonde geotermiche 1 Riscaldamento in inverno
Per lo sfruttamento del calore del suolo a profondità che vanno da alcune decine ad alcune centinaia di metri («geotermica a bassa profondità») vengono uti- lizzate sonde geotermiche verticali. In questo setto- re l'energia utilizzabile è presente sotto forma di ca- lore, per lo più con una temperatura minore di 20°C. Questo calore viene sottratto ad un suolo general- mente secco, ossia privo di acqua sotterranea. Una sonda geotermica consiste essenzialmente di un cir- cuito chiuso ad acqua, il cosiddetto circuito primario. Il sistema di tubi necessario è portato in profondità mediante una o parecchie trivellazioni, per lo più ver- ticali. Il termovettore, costituito da acqua con un'ag- giunta di circa 25% vol di antigelo, viene pompato at- traverso il sistema per sottrarne il calore. La miscela acqua-antigelo cede tale calore ad una pompa di ca- lore passando attraverso uno scambiatore di calore. In tal modo non vi è alcun contatto diretto tra il mez- zo refrigerante della pompa di calore ed il mezzo ter- movettore della sonda geotermica. Nella pompa di calore l'energia sottratta in questo modo dal circuito primario viene portata ad un livello di temperatura utilizzabile per un sistema di riscaldamento, rispetti- vamente di ventilazione. Con questi sistemi è possi- bile raggiungere coefficienti di rendimento medi del- l'impianto superiori a 3 [4.3, 4.15].
Dati critici di dimensionamento
Le ripartizioni della temperatura del suolo, che è il ve- ro e proprio fornitore di energia, variabili durante la giornata ed anche a lunga scadenza, rendono diffici- le il dimensionamento ottimale di un impianto di son- de geotermiche. Al momento della progettazione di un tale impianto è quindi necessario tener conto dei dati seguenti:
– fabbisogno d'energia della casa. Esso viene de- terminato dalle dimensioni dell'edificio, dal tipo di costruzione, nonché dall'orientamento e dalla si- tuazione climatica.
– La temperatura di mandata più elevata richiesta dal circuito di riscaldamento. Essa viene influen- zata dalla scelta del sistema di riscaldamento (ad es. riscaldamento a bassa temperatura) e dal suo dimensionamento.
– Il risparmio energetico che s'intende ottenere. Quanto minore è il consumo di energia seconda- ria desiderato, tanto maggiori saranno i costi del- l'impianto.
Princìpi
– Le sonde geotermiche sono sonde verticali me- diante le quali è possibile sfruttare la temperatura più o meno costante del suolo a profondità che vanno da alcune decine fino ad alcune centinaia di metri.
– In questo modo è possibile sottrarre calore dal suo- lo durante l'inverno, per restituirglielo in estate. Per raggiungere le temperature necessarie, in in- verno deve essere utilizzata una pompa di calore. In estate la miscela acqua/glicole, che circola nel- le sonde geotermiche, può essere utilizzata diret- tamente per il raffreddamento mediante uno scambiatore di calore.
– Per la valutazione dell'opportunità di un impianto di sonde geotermiche occorre tener conto del fab- bisogno di energia per il trasporto dei mezzi.
Figura 4.11
Schema di principio di un impianto di sonde geotermiche Riscaldamento a bassa temperatura
Circuito secondario (acqua) Circuito primario
(acqua + ev. protezione antigelo)
Prelevamento di calore Tendere ad una debole potenza specifica delle sonde (ca 50 W/m), perciò sonde più lunghe. È così possibile ottenere una tem- peratura più elevata della fonte. Pompa di calore
Circuito PC (mezzo refrigerante)
– La temperatura nel circuito primario. Essa viene determinata essenzialmente dalla geometria della sonda geotermica, dalla portata del circuito, non- ché dalla natura del suolo. Regola empirica: per un numero di 2000 h/a di servizio della pompa di ca- lore, occorre calcolare circa 20 m di lunghezza del- la sonda per ogni kW di potenza calorifica deside- rata (50 W/m).
Potenzialità calorifica della pompa di calore La potenzialità calorifica della pompa di calore deve essere calcolata con una certa generosità. Le pompe di calore dimensionate in modo troppo ristretto so- no causa di lunghi periodi di servizio e di un sovrac- carico dell'impianto delle sonde geotermiche. A cau- sa della mancanza di «periodi di ripresa» (flusso di calore) la temperatura utile della fonte di calore di- minuisce e, di conseguenza, diminuisce anche la po- tenzialità calorifica. La redditività ne risulta ostacola- ta e non è più possibile raggiungere le temperature ambiente desiderate.
La scelta della pompa di calore dimensionata in mo- do corretto costituisce quindi la prima condizione im- portante per la progettazione e la realizzazione di un impianto di pompe di calore efficiente. La sicurezza dell'esercizio viene di conseguenza garantita per una vasta gamma di varianti di dimensionamento della/e sonda/e geotermica/che. Una pompa di calore è tut- tavia economicamente interessante e razionale sot- to l'aspetto del risparmio di energia solo se può la- vorare in modo efficiente. Quanto minore è la diffe- renza di temperatura tra la fonte di calore e lo sfrut- tamento dello stesso, tanto maggiore sarà la quan- tità di calore fornita dalla fonte stessa e, di conse- guenza, tanto minore sarà la percentuale di energia ausiliaria. Il bilancio dell'energia sarà di conseguen- za positivo.
4.11.2 Raffreddamento in estate
Le sonde geotermiche, utilizzate in inverno quali fon- ti di calore per le pompe termiche, in estate possono essere utilizzate per il raffreddamento dell'aria ester- na. Durante i mesi estivi, ossia con temperature ester- ne superiori a 24°C circa, la miscela acqua/glicole che circola nella sonda geotermica viene a questo scopo trasportata in un circuito di raffreddamento. Non esi- stono dati sicuri sulle prestazioni di raffreddamento che ci si possono attendere, poiché finora non sono state eseguite misurazioni sistematiche. Si valuta che per circa 1000 ore di funzionamento durante l'estate
è possibile ottenere una potenza di raffreddamento di circa 50% della potenza calorifica ottenuta in in- verno, ossia circa 25 W/m.
Mediante questa combinazione di sottrazione di ca- lore in inverno a scopo di riscaldamento e di ag- giunta di calore in estate a scopo di raffreddamen- to, è possibile migliorare il rendimento della pompa di calore.
Il fabbisogno di potenza per l'azionamento delle pom- pe di circolazione e del ventilatore (resistenza mag- giore del refrigeratore a causa delle maggiori super- fici di scambio e di temperature più elevate dell'ac- qua di raffreddamento) è di circa 10-15% superiore a quello di un impianto frigorifero convenzionale.