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Installazioni di sistemi in geotermia a bassa entalpia .pdf



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I N G E E N I U M
Engineering Ltd
Installazioni di sistemi in
geotermia a bassa entalpia in
ambiti civili ed industriali
www.ingeenium.com

Geotermia a bassa entalpia
La geotermia a bassa entalpia o GCHP (Ground Coupled Heat Pump) è una tipologia di energia che
sfrutta il calore presente negli strati del sottosuolo terrestre per la climatizzazione degli edifici.
Gli impianti più semplici, a partire dal basso verso l’alto, sono così composti:
•dai 50 ai 150 metri di profondità sotto terra, si trova la sonda geotermica, che analizza i dati di
temperatura, pressione e volume delle rocce che contengono il calore che interessa per la produzione di
energia termica;

•la pompa di calore si trova pochi metri sotto l’abitazione ed è l’effettivo strumento che permette il
trasferimento di energia quando serve;
•il serbatoio per l’accumulo d’acqua (calda o fredda, a seconda che sia inverno o estate) posto vicino alla
pompa di calore, serve per integrare la possibile mancanza di elettricità che non permetterebbe alla
pompa di funzionare, consentendo quindi la continuità del flusso di calore;
•il pavimento radiante all’interno dell’edificio è composto da diversi tubi in cui passa il fluido
climatizzante, permettendo sin dal primo strato abitativo un piacevole comfort;
•le tubazioni per l’acqua calda sanitaria sono disposte in tutte le stanze che necessitano di questo
elemento; sono all’interno delle murature e quindi non recano alcun danno visivo e non rubano spazio.
Andando più nel dettaglio possiamo analizzare le differenti forme di energia geotermica a bassa entalpia,
che si classificano come non derivanti da anomalie geotermiche e derivanti da anomalie geotermiche
positive:

Energia geotermica
geotermiche

non

derivante

da

anomalie

Per energia geotermica non derivante da anomalie geotermiche si intende il calore presente all’interno
della crosta terrestre sfruttabile per la produzione di energia termica; è una fonte rinnovabile vera e
propria ed è più frequente delle anomalie geotermiche. Si differenziano due diversi utilizzi:
•l’uso diretto (pre-riscaldamento o pre-raffreddamento dell’aria di ventilazione, temperature di 15-20 gradi
centigradi). L’aria di rinnovo viene prelevata dall’esterno e inviata all’interno di condotti orizzontali interrati
ad una profondità tra 1 e 2 m; in inverno viene pre-riscaldata e in estate viene direttamente immessa in
ambiente o pre-raffrescata e successivamente inviata ad un’unità di trattamento dell’aria.
•l’uso indiretto, anche detto geoscambio, consiste, in inverno, nell’impiego di pompe di calore che servono
per portare l’energia sottratta dal terreno, da una temperatura solitamente intorno a 12-15°C, a temperature
utili per il riscaldamento, mentre d’estate l’impiego di macchine frigorifere o pompe di calore reversibili
serve per il condizionamento estivo, immettendo nel terreno il calore rimosso da un condensatore.
Per la costruzione di questi impianti si utilizza una speciale trivella per pozzetti verticali, nel caso in cui
l’impianto si voglia far estendere in direzione verticale sotto il terreno oppure vengono adoperate delle
serpentine a sviluppo orizzontale quando è più difficile scendere troppo sotto il livello del suolo (bastano
pochi metri di profondità).
In funzione della profondità del terreno, esiste uno sfasamento e una riduzione delle fluttuazioni stagionali
di temperatura del suolo rispetto quelle dell’aria, a causa della sua capacità termica più alta; di conseguenza
il terreno diviene una sorgente termica più calda dell’aria esterna in inverno e più fresca in estate. E’ più
caldo quando noi abbiamo freddo ed è più fresco quando siamo accaldati, perfetto! Inoltre, grazie a questa
particolarità, le efficienze delle macchine sono migliori ed il vantaggio maggiore è in termini di costi di
gestione. In pratica più sono simili le temperature del terreno e quella che si vuole ottenere all’interno
dell’edificio, minore sarà il costo di realizzazione delle sonde di scambio.

Energia geotermica derivante da anomalie geotermiche
L’energia geotermica derivante da anomalie geotermiche positive, invece, sfrutta i fluidi
fuoriuscenti dal terreno (zone termali) solamente a scopi diretti: per la produzione di energia
elettrica (temperature maggiori di 250 °C) e per la produzione di calore (temperature da 50°C a
100 °C, ad esempio è il caso del teleriscaldamento).
Un’altra classificazione riguarda la tipologia di impianto a cui può essere accoppiata la pompa di
calore:
•a circuito chiuso: si tratta di impianti accoppiati con il terreno attraverso un sistema di tubazioni
estese in orizzontale, verticale o a spirali, al cui interno scorre il fluido termovettore;
•circuito aperto: sono impianti che utilizzano l’acqua di pozzo o di falda come fluido, con reimmissione dell’acqua nella falda stessa o in fognatura dopo l’uso;
Facciamo ora un’analisi energetica di confronto, anche attraverso dei dati numerici, tra un
impianto consistente in una pompa di calore e un impianto di riscaldamento invernale che utilizza
una caldaia tradizionale:
Con un COP medio di 3.8 (Coefficiente Di Prestazione), una pompa di calore è in grado di
produrre 100 kWh di calore tramite 27 kWh di elettricità. In Italia servono 59.4 kW di energia
primaria per produrre 27 kWh elettrici e quindi per produrre 100 kWh di calore. Il rendimento,
rispetto all’energia primaria spesa, è 100/59.4 = 168%. La quota di calore considerata rinnovabile
è Qu – W = 100 kWh termici – 27 kWh elettrici = 73 kWh.
Una caldaia a gas naturale con rendimento medio dell’ 85% richiederebbe un’energia primaria di
100/0.85 = 117 kWh per produrre la stessa quantità di calore della pompa di calore. Il
rendimento è in pratica la metà rispetto alla pompa di calore.

La geotermia a bassa entalpia
• Questa presentazione è stata
sviluppata per fornire alcune
informazioni sulla progettazione di
sistemi di cooling in geotermia a
bassa entalpia in ambito civile ed
industriale.

• Vengono qui presentate alcuni
principi fisici relativi ai sistemi di
Geotermia a bassa entalpia, alcune
metodologie applicative, con
particolare attenzione alle tipologia
di pompe di calore utilizzate, e le
metodologie di captazione calore
utilizzate per lo scambio termico in
terreno.
• Viene infine fornito qualche
elemento su una installazione in
provincia di Bari.

Qualche principio

Qualche principio

Le pompe di calore sono tutte uguali ?

Sistemi di captazione e scarico calore nel terreno

L’installazione a Palese

Geotermia a bassa entalpia:
qualche principio.

Entalpia come funzione di stato
• L’entalpia è una funzione di stato
termodinamico che esprime la quantità di
energia che un sistema è in grado di
scambiare con un altro sistema.

• Definiamo quindi la funzione di stato
entalpia come la somma fra energia
interna complessiva ed energia termica
del sistema.
• I sistemi geotermici a bassa entalpia si
basano non già sulla captazione di
calore terrestre (come avviene nella
geotermia per la produzione di energia
elettrica) ma sfrutta l’inerzia termica
della terra, virtualmente infinita, come
“pozzo termico”.

Il pozzo termico
• Un “pozzo termico” è
sostanzialmente qualunque
sistema fisico che abbia una
capacità termica virtualmente
infinita.
• In altri termini possiamo
considerare un sistema “pozzo
termico” tutte le volte che la
capacità termica dello stesso
sia almeno due ordini di
grandezza superiore a quello
del nostro sistema
termodinamico.

Perché la geotermia è a bassa entalpia?
• La geotermia detta a bassa
entalpia sfrutta la massa
terrestre come un pozzo di
calore virtualmente infinito: in
altri termini la capacità di
scarico e carico termico
terrestre è virtualmente
ininfluenzabile da processi di
carico e scarico termico di entità
trascurabile quali le installazioni
in geotermia.
• In questo senso l’utilizzo di
sistemi a pompa di calore
permettono di trasferire in
maniera bidirezionale calore da
un ambiente ad un altro.

La Geotermia non comporta combustione
• In questo senso il processo
geotermico a bassa entalpia
permette di trasferire calore
dalla massa terrestre ad un
fluido operante (e viceversa)
senza che per scaldare lo stesso
sia necessario immettere calore
generato dall’ossidazione di
combustibili: quindi niente
fiamme, niente ossidi e
(ovviamente) nessuna necessità
di fonti di calore chimico.

Il concetto di COP
• COP è l’acronimo di “Coefficient of performance” di
una pompa di calore, ovvero il rapporto fra il calore
somministrato alla sorgente a temperatura più alta
e il lavoro speso per fare ciò:
• COPpdc = Q1/ L
• Viceversa il COP di una macchina frigorifera è
definito come il rapporto fra il calore assorbito dalla
sorgente a temperatura più bassa e il lavoro speso:

• COPf = Q2/ L
• È possibile scrivere il COP frigorifero in funzione del
COP della pompa di calore: considerando come
sistema termodinamico la pompa di calore (il
cerchio in figura) e prendendo positivi i calori e i
lavori entranti si ha:
• Q2 – Q1 + L = O

Il concetto di COP
• Sostituendo nell'equazione del COP
frigorifero avremo:
• COPf = (Q1 / L) - 1
• Per cui:
• COPf = COPpc − 1
• Il COP può essere espresso anche in
funzione del costo unitario
dell'energia elettrica e termica,
espressi in €/kWh:
• COP = costo unitario energia elettrica
/ costo unitario energia termica
• In questo modo è possibile calcolare
quale debba essere il COP minimo
affinché si abbia convenienza, dal
punto di vista finanziario, nell'utilizzo
della pompa di calore per
riscaldamento al posto di una
tradizionale caldaia.

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Tipologie di pompa di calore

Le pompe di calore NON sono tutte uguali
• E’ vero, la tecnologia legata alle
pompe di calore proviene da quella
dei condizionatori: i processi interni
sono sostanzialmente simili e le
performance teoriche sono di fatto
abbastanza standardizzate.
• Ciò però non significa che le pompe
di calore siano tutte uguali: i
parametri funzionali permettono di
scegliere soluzioni che risultano
interessanti in funzione delle scelte
di progetto.

Potenze in
gioco

Ottimizzazione
prestazionale
in condizioni di
fuori progetto

Progettazione
di impianti
geotermici

Ottimizzazione
prestazionale
in condizioni di
progetto

Flessibilità di
funzionamento

La produzione di ACS deve essere integrata?
• Dal punto di vista della complessità
impiantistica il collegamento fra
condizionamento domestico e la
produzione di ACS risulta in linea di
massima equivalente, mentre dal
punto di vista termodinamico lo
scarico di energia termica durante il
periodo estivo permette di ottenere
acqua calda sanitaria a costi
estremamente limitati.
• La soluzione di disporre di un boiler
ACS integrato alla pompa di calore
rappresenta quindi la soluzione
ideale dal punto di vista energetico.

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Dimensionamento termico

Il sistema geotermico come polmone
• Un sistema in geotermia a bassa
entalpia deve essere pensato non
già come un mero impianto
termotecnico ma più
approfonditamente come ad un
polmone termico.
• Pertanto un’installazione
geotermica in costruzioni
scarsamente efficienti in termini di
coibentazione non solo comporta
una continua trasmissione termica
all’esterno, ma anche un
funzionamento non ideale della
PDC, costretta a lavorare in modo
continuativo e non con un processo
impulsivo discontinuo.
• Il sistema in geotermia in questo
caso risulta inadatto e poco
vantaggioso.

Scambio termico con il terreno
• Come gestire le necessità
termiche di scambio della PDC ?
• Le tecnologie geotermiche
prevedono in genere che si
realizzi lo scambio termico
grazie a sonde interrate oppure
utilizzando acque di falda o
disponibili (come ad esempio
quelle di uno specchio d’acqua).
• Vi sono fondati motivi per
effettuare scelte di progetto
differenti a seconda delle
situazioni

Capacità termica del terreno
• Ovviamente la capacità termica
del terreno riveste particolare
importanza nel
dimensionamento di un
impianto.
• Una prospezione geologica
preliminare riveste quindi una
particolare importanza nel
dimensionamento di un
impianto con sonde
convenzionali.

Sonde verticali convenzionali
• Le sonde geotermiche
convenzionali hanno capacità
termiche variabili fra i 10 ed i 50
w/metro lineare, valori in generale
limitati dal materiale utilizzato
(polietilene) che ha scarsa capacità
di scambio termico ma eccellente
resistenza alla corrosione galvanica.
• Ciò significa in linea di massima che
la capacità di scambio termico
dipendono sostanzialmente dalla
lunghezza della sonda e dalla
profondità raggiunta, che
forzatamente deve essere elevata
per evitare effetti di interferenza.

Sonde orizzontali convenzionali
• Identicamente alle sonde
verticali, anche le sonde
orizzontali (in genere interrate a
circa 1,5 metri di profondità)
hanno capacità di scambio
termico linearmente dipendenti
dalla lunghezza.
• Il valore di scambio termico
medio viene generalmente
calcolato con un coefficiente di
progetto 0.92 per tenere conto
degli effetti di interazione fra
sonde: sono quindi necessari
superfici ampie oltre che un
impegno di movimento terra
piuttosto elevato.

Scambio termico ad acqua di falda
• Lo scambio termico ad acqua di falda
necessita di un circuito aperto che
carichi acqua (che ha grande capacità
termica) da un pozzo e la scarichi in
un altro per evitare comprensibili
effetti di variazione termica. Questo
sistema ha il vantaggio di poter
funzionare con portate limitate
(qualche centinaio di litri ora) ma
necessita di pompe sommerse e
soprattutto di acque di falda con
caratteristiche piuttosto neutre in
termini di sali sciolti e di cariche
batteriche limitate.
• In questi casi l’utilizzo di scambiatori
di calore intermedi risolve il problema
ma decrementa ovviamente le
potenze termiche gestibili oltre a
necessitare di un dimensionamento
più oneroso delle pompe immerse.

Sistemi di scambio termico alternativi
• Alcuni sistemi di scambio termico
ad alta efficienza (GEOCOMPACT)
permettono un dimensionamento
semplice tramite un interramento
a circa 1,5 metri dalla superficie.
• Il sistema diviene quindi un pozzo
virtuale a circuito chiuso, che
utilizza in luogo di acqua un mix
fra glicole etilenico ed acqua,
massimizzando quindi le capacità
di scambio termico.

Installazione villa bifamiliare
• La villa bifamiliare è stata
pensata come un edificio in
classe A++ ed ha una volumetria
pari a 450 m^3 per unità
abitativa. Se lo standard
funzionale medio richiederebbe
circa 15 kW termici grazie alla
realizzazione di una
coibentazione a cappotto
interna il valore di installazione
complessivo è stato limitato a
7.57 kW termici.
• La soluzione è stata quella di
installare la PDC Rhoss THHE
106 (potenza di targa 7.7 kWt).

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L’installazione

Installazione
• La struttura di villetta bifamiliare
ha una volumetria complessiva
pari a 900 m^3, con una
valutazione di richieste
energetiche attorno ai 30 kW
per costruzioni in classe C.
• Lo sviluppo di una efficiente
coibentazione ha permesso di
scendere con le potenze
installate in maniera tale da
rispondere perfettamente alle
esigenze di riscaldamento e
raffrescamento con due pompe
di calore Rhoss THHE 106 con
potenza complessiva pari a 15,4
kWt.

Installazione
• L’integrazione di scambio
termico è stata realizzata con un
sistema a pavimento radiante
che, unita alla realizzazione di
una efficace coibentazione
inferiore, ha garantito eccellenti
prestazioni complessive.

Installazione
• Poiché il sistema di riscaldamento
e raffrescamento è
esclusivamente ad alimentazione
elettrica, si è scelto di non
collegare la villetta alla rete di gas
combustibile: l’adozione di
soluzioni quali le piastre da cucina
ad induzione permette di
eliminare totalmente i processi di
combustione eliminandone anche
i rischi connessi.


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