CAPITOLO 2

CAPITOLO 2

LA POMPA SI CALORE GEOTERMICA:PROPRIETA’ E CARATTERISTICHE 2.1 Generalità

La Terra assorbe circa il 47% dell’energia che riceve dal sole e la mantiene sotto forma di energia pulita e rinnovabile. Le pompe di calore ad energia geotermica sfruttano il fatto che la temperatura del terreno già a pochi metri sotto la superficie risente molto meno delle

variazioni di temperatura dell’aria (fig. 4): questo permette di estrarre calore dal terreno l’inverno per riscaldare con un’efficienza che si avvicina al 400% e di cedere calore al medesimo in estate per il condizionamento.

Fig. 1 Profilo di temperatura superficiale e del sottosuolo

L’utente di un impianto di questo tipo non necessita quindi di due sistemi distinti,uno per riscaldare ed uno per condizionare,ma ottiene lo stesso risultato con un unico sistema ed in maniera più efficace ed efficiente.

Il numero di sistemi a pompa di calore geotermica è elevato in alcuni Paesi europei come la Svizzera, la Svezia e la Germania e all’interno degli Stati Uniti. Qui le installazioni sono aumentate in maniera stabile negli ultimi 5 anni. Nel 1997 la loro presenza era stimata in 45000 unità, di capacità media pari a 12kW.

Oggi la loro presenza si incrementa di circa 50000 unità all’anno. Di queste il 46 per cento utilizza lo schema a circuito chiuso e scambiatori verticali, il 38 per cento lo schema a circuito chiuso e scambiatori orizzontali e il 15 per cento lo schema a circuito aperto. La US Energy Information Agency informa che i sistemi con schema a circuito aperto sono aumentati fino a costituire il 25 per cento della produzione annuale americana.

2.2 Principio di funzionamento della GHP

I componenti di un impianto ad energia geotermica sono sostanzialmente tre: una o più pompe di calore normalmente collocate all’interno dell’edificio, un insieme di tubi opportunamente interrati per scambiare calore con il terreno ed un sistema di scambio di calore con l’ambiente interno.

Nella pompa di calore i tubi provenienti dal terreno vanno in un evaporatore che scambia calore con un liquido refrigerante il quale evapora e viene mandato in un compressore dove viene compresso e surriscaldato; il gas a questo punto cede il proprio calore all’aria o acqua esterna grazie ad uno scambiatore. Una volta ceduto il proprio calore il fluido viene riportato in forma liquida ed il ciclo descritto ricomincia.

In estate il ciclo è invertito ed il sistema cede al terreno il calore estratto dall’ambiente interno rinfrescandolo.

Lo scambio di calore con il terreno avviene attraverso un insieme di tubi in polietilene che possono essere interrati orizzontalmente a pochi metri di profondità oppure verticalmente.

2.3 La sonda geotermica verticali

Questo tipo di scambiatore consiste in una semplice tubazione ripiegata ad U (fig. 2) che consente di far scendere il fluido vettore all'interno di un pozzo profondo e di risalire dopo avere scambiato potenza termica con il terreno. Per gli scambiatori verticali sono possibili due differenti circuitazioni:

• a collettore centrale di alimentazione di una batteria di

scambiatori disposti su di una grande area; fig. 2

• a disposizione diffusa con piccoli sistemi a pompe di calore indipendenti al servizio

delle diverse zone di un edificio.

A partire da 20 metri di profondità,la temperatura del sottosuolo è costante e non dipende più dal giorno o dalla notte,né dalle stagioni. E’ il flusso di calore presente in profondità che regola la temperatura. Più si scende in profondità e più la temperatura aumenta (generalmente il gradiente di temperatura è di 3°C ogni 100 metri).

Generalmente queste sonde sono installate ad una profondità che varia dai 50 ai 350 metri e possono essere installate in quasi tutti i tipi di formazione rocciosa.

La perforazioni hanno un diametro di 10-15 cm e sono realizzate in prossimità dell’edificio da riscaldare. La profondità della perforazione è determinata in base al volume dei locali da scaldare ed al tipo di terreno. Terminata la perforazione si inserisce la sonda (fig. 5) e lo spazio vuoto restante è riempito con una miscela di bentonite e cemento per assicurare un buon contatto termico tra i tubi e la parete della perforazione.

La realizzazione degli scambiatori verticali presenta costi elevati per lo scavo già a partire dalla profondità di 25 m. La loro progettazione deve tenere conto della mutua influenza termica e per questo devono essere distanziati l'uno dall'altro di alcuni metri.

La scelta del polietilene nella costruzione delle sonde è dovuta ad esigenze di posa in opera, per la sua resistenza termica e per la scarsa richiesta di manutenzione.

Per ridurre la resistenza termica complessiva del pozzo si continuano a condurre studi sulla possibilità di adottare materiali di riempimento o cementi ad alta conduttanza termica. E' quasi sempre necessario prevedere prima della progettazione un'indagine geotermica conoscitiva sulle caratteristiche del terreno per non commettere costosi errori di sotto- o sovra-dimensionamento delle superfici di scambio.

2.3.1 La disposizione degli scambiatori verticali

La scelta della disposizione per gli scambiatori affogati nel terreno è un compromesso tra esigenze di natura tecnica ed economica: bisogna occupare la minima area possibile, ridurre al minimo i costi di scavo dei pozzi o delle trincee, tenere basse le perdite di carico e ottenere lo scambio di potenza termica di progetto senza subire le conseguenze negative della interazione tra le diverse installazioni di scambiatori geotermici.

Lo scambiatore geotermico può essere formato da moduli disposti in serie o in parallelo (fig.

3a e 3b).

Figura 3 - Le disposizioni degli scambiatori geotermici - 3a) In

2.4 Gli scambiatori orizzontali

Questo tipo di scambiatore consiste in una tubazione adagiata orizzontalmente ad una profondità compresa tra 1,5 e 2 m secondo percorsi e disposizioni diverse. Queste possono essere:

• a singolo tubo; • a tubi multipli; • a tubi a spirale.

La prima soluzione prevede la posa di una singola tubazione a sviluppo orizzontale

all'interno di trincee profonde circa 1,5 m (fig. 4a). La seconda prevede la posa nella stessa trincea di più coppie di tubazioni di mandata e di ritorno. Le coppie possono essere

sovrapposta (fig. 4b) o affiancate (fig. 4c) alla prima e, a seconda della scelta progettuale effettuata, la trincea dovrà essere più stretta e profonda o più ampia ma meno profonda (circa 60 cm). Tra le varie trincee del percorso delle tubazioni orizzontali deve essere rispettata normalmente una distanza minima di circa 7 metri.

La terza soluzione prevede la posa delle tubazioni a spirale in trincee verticali analoghe per dimensioni a quelle degli scambiatori orizzontali a singolo tubo o a tubi multipli sovrapposti (fig. 4d).

Questo tipo di scambiatori sconta la più alta variabilità in temperatura degli strati superficiali del terreno e la maggiore area intorno all'edificio da utilizzare come sorgente termica.

Figura 4 - Scambiatori orizzontali. 4a) A tubo singolo;

4b) A tubi multipli sovrapposti; 4c) A tubi multipli affiancati; 4d) A spirale

Nella seguente tabella sono evidenziati i vantaggi e gli svantaggi legati alle singole scelte.

Tabella I - Vantaggi e svantaggi delle diverse disposizioni degli scambiatori geotermici [1,6]

Disposizione in serie Disposizione in parallelo Vantaggi 1. Percorso singolo e senza incertezze

per il bilanciamento

2. Unica misura di diametro delle tubazioni

3. Migliori prestazioni di scambio termico per il maggior diametro 4. Facile spurgo dell'aria intrappolata (con l'utilizzo di getti di acqua ad alta pressione)

l. Minori costi di installazione (di scavo) 2. Minore quantitativo di liquido antigelo 3. Minore costo di installazione legato alla manodopera.

4. Maggiore estensione di tubazioni di minore diametro

Svantaggi 0. Maggiore quantità di fluido coinvolto e conseguente maggiore quantità di antigelo

1. Costo di installazione più alto. 2. Installazione più cara (si legga manodopera: maggior peso e minore maneggevolezza di tubi di maggior diametro)

3. Perdite di carico maggiori

1. Attenzione speciale nello spurgo dell'aria

2. Difficoltà di bilanciamento dei circuiti. (lunghezze eguali tra i vari tratti entro il 10% di errore e ritorno inverso)

3. Approvvigionamento di tubazioni di diametro differente (collettori centrali di mandata e di ritorno)

Per entrambe le disposizioni deve essere predisposta una accurata coibentazione per la parte di tubazioni che corre fuori terra, per evitare la formazione di ghiaccio durante le stagioni più fredde e comunque è buona norma prevedere l'utilizzo di una soluzione antigelo nelle

proporzioni adatte a seconda della realtà climatica del singolo impianto.

2.5 Il Terreno

Un altro parametro fondamentale è il tipo di terreno in cui si installa la sonda geotermica; in base alle caratteristiche del terreno si dimensiona diversamente la sonda.

L’inerzia termica P, che varia a seconda del tipo di terreno, misura la velocità di risposta di un materiale alle variazioni di temperatura.

L’inerzia termica può essere stimata nel seguente modoP= ρ*K*C si misura in

] [ 2 1 2 K s m J dove:

K= conducibilità termica del terreno [ mK

W

];

ρ*C = calore specifico volumetrico del suolo [ K m

J

3 ].

Terreni con inerzia termica maggiore hanno minor variazione nella temperatura di superficie nel passaggio dal giorno alla notte, rispetto a terreni con inerzia termica inferiore.

L’escursione termica del suolo è definita come : ΔT =ΔR/ ω*P

Dove ΔT= la differenza fra la temperatura superficiale del terreno registrata di giorno quella minima registrata di notte;

ΔR= è il flusso di radiazione solare netta [ W/m2 ];

ω = pulsazione della perturbazione periodica a cui è soggetto il terreno. Dalla relazione precedente risulta che la variazione di temperatura del suolo è inversamente proporzionale all’inerzia termica P la quale, a sua volta, è tanto più elevata quanto più è elevato il calore specifico volumetrico di un terreno e quindi il suo contenuto d’acqua.

Ne deriva che misurando l’escursione termica giornaliera della superficie di un terreno si può arrivare a stimarne l’umidità.

I corpi d’acqua presentano la più bassa fluttuazione di temperatura tra il giorno e la notte proprio in per il loro elevato calore specifico volumetrico.

In definitiva i terreni aridi (sabbia, ghiaia) determinano temperature più elevate e minore umidità; al contrario i terreni umidi (argilla, acquitrini) abbassano la temperatura elevando i contenuti di umidità.

Di seguito è riportata una tabella che mostra i parametri termici ,dei vari tipi di sottosuoli, che ci permettono di calcolare l’inerzia termica.

Tipo di roccia Conducibilità termica λ [W/ m K] Min Medio Max

Calore specifico

volumetrico del suolo ρ · C [ J/ m3 K ] Rocce magmatiche BASALTO DIORITE GABBRO GRANITO PERIDOTITE RIOLITE Rocce metemorfe GNEIS MARMO ARGILLOSE Rocce sedimentarie CALCARE MARNA QUARZITE SALE ARENARIA ROCCE ARGILLOSE 1.3 1.7 2.3 2.0 2.6 2.9 1.7 1.9 2.5 2.1 3.4 4.1 3.8 4.0 5.3 3.1 3.3 3.4 1.9 2.9 4.0 1.3 2.1 3.1 1.5 2.0 3.1 1.5 2.1 2.1 2.5 2.8 4.0 1.5 2.1 3.5 3.6 6.0 6.6 5.3 5.4 6.4 1.3 2.3 5.1 1.1 2.2 3.5 2.3 – 2.6 2.9 2.6 2.1 – 3.0 2.7 2.1 1.8 – 2.4 2.0 2.2 2.2 – 2.5 2.1 – 2.4 2.2 – 2.3 2.1 – 2.2 1.2 1.6 – 2.8 2.1 – 2.4

Rocce non consistenti GHIAIA SECCA MORAINE SABBIA SECCA SABBIA BAGNATA FANGO SECCO FANGO BAGNATO TORBA Altre sostanze BENTONITE BETON GHIACCIO PLASTICA ARIA ACCIAIO 0.4 0.4 0.5 1.0 2.0 2.5 0.3 0.4 0.8 1.7 2.4 5.0 0.4 0.5 1.0 0.9 1.7 2.3 0.2 0.4 0.7 0.9 1.6 2.0 2.32 0.39 0.02 60 0.58 1.4 – 1.6 1.5 – 2.5 1.3 – 1.6 2.2 – 2.9 1.5 – 1.6 1.6 – 3.4 0.5 – 3.8 1.8 1.87 - 0.0012 3.12 4.19

Quello che risulta più interessante però è vedere come varia l’andamento della temperatura non superficiale ma bensì quella del sottosuolo.

Come già visto in figura 1 il profilo di temperatura del suolo è di tipo sinusoidale e tanto più si scende in profondità tanto più l’andamento di temperatura si appiattisce.

L’ampiezza dell’oscillazione dell’onda di temperatura diminuisce secondo un esponenziale dato a x

e 2

ω

−

dove si indica con

• x la profondità in metri

• ω la pulsazione della perturbazione a cui è soggetto il terreno • a la diffusività termica data dalla relazione

ρ

K a=

Si evince quindi che l’ampiezza delle onde di temperatura tende più rapidamente a zero quanto più grande sarà ω.

Ad una distanza pari ad una lunghezza d’onda l’ampiezza è ridotta di un fattore esponenziale tale per cui le onde sono notevolmente attenuate.

Per terreni rocciosi con = 0.01 la lunghezza d’onda a λ è circa 2,7 cm con una frequenza di 1ciclo/minuto, 1 m per 1ciclo/giorno e 20 m per 1 ciclo/anno.

Altro fenomeno molto importante è il progressivo sfasamento nella fase dell’onda di

temperatura(fig. 1) infatti più si scende in profondità e più si ha un ritardo nel trovare il valore massimo dell’onda; è questo il motivo per cui nelle cantine in estate fa più fresco.