La progettazione di impianti geotermici a bassa entalpia
Normativa, impianti e strumenti di calcolo
LA GEOTERMIA IN BREVE
L’energia geotermica è una forma di energia rinnovabile che si basa sullo sfruttamento del calore naturale, interno ed esterno, presente sulla Terra:
- il calore interno è riconducibile all’energia termica rilasciata da processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi, che produce un gradiente geotermico in media pari a circa 3 °C ogni 100 m di profondità;
- il calore esterno è reso disponibile soprattutto dall’irraggiamento solare e dalla pioggia, che sono, in pratica le sole fonti di calore significative fino a circa 15 m di profondità.
L’energia geotermica, a differenza delle altre fonti energetiche, non dipende né dalle condizioni atmosferiche né dalla disponibilità di scorte di sostanze combustibili ed è pertanto considerata una fonte di energia stabile e affidabile.
Tra le varie forme di energia geotermica, quella a bassa entalpia, più comunemente nota come energia geotermica a bassa temperatura, è quella maggiormente utilizzata per applicazioni di carattere industriale e residenziale, quali:
- il riscaldamento degli edifici e la produzione di acqua calda sanitaria;
- il raffrescamento degli edifici.
La geotermia a bassa entalpia sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore: nei mesi invernali il calore viene estratto in superficie per mezzo di appositi scambiatori di calore; viceversa, in estate, il calore in eccesso, presente negli edifici, viene trasferito al terreno.
La prestazione di uno scambiatore geotermico è molto dipendente dall’energia termica che viene complessivamente “estratta” e “iniettata” nel suolo nell’arco di un’intera stagione di riscaldamento e raffrescamento: se vi è una preponderanza di estrazione di calore (tipica dei climi invernali), la temperatura del terreno tenderà ad abbassarsi provocando possibili problemi di scambio termico, legati alla formazione di ghiaccio sulla superficie dello scambiatore stesso. Viceversa, un bilancio energetico negativo (tipico dei climi estivi) può portare a un sovrariscaldamento del terreno. Questi fenomeni non si verificano nei primi mesi di funzionamento dell’impianto, ma tendono a manifestarsi dopo diversi anni di funzionamento.
L’inconveniente può essere evitato se si persegue un bilancio energetico annuale pressoché nullo, dove l’energia termica estratta e quella iniettata all’incirca si equivalgono; questa condizione garantisce un andamento quasi costante delle performance dell’impianto, che si può protrarre per tutto il suo ciclo di vita.
Quanto sopra si verifica normalmente nei climi mediterranei, caratterizzati da estati mediamente calde o in tutte quelle applicazioni in cui il raffrescamento dell’edificio comporta fabbisogni elevati, con conseguenti notevoli quantità di energia ceduta al terreno (p. es. grossi centri commerciali).
Per le ragioni sopra esposte, si tratta di impianti che non possono essere improvvisati, ma che richiedono un’accurata progettazione con mezzi di calcolo affidabili e validati sul campo.
NORMATIVE DI CALCOLO
Negli anni sono stati sviluppati diversi metodi di calcolo per simulare le prestazioni degli scambiatori geotermici, alcuni dei quali sono tuttora in via di perfezionamento. Tra i più noti si riportano:
Normative tedesche VDI 4640:2001: propongono una metodologia rapida, molto semplificata, che permette di dimensionare le sonde con valori tabulati o ricavati da grafici. Il calcolo si basa sulla stima della potenza media estraibile dal terreno, espressa in W/m, ricavabile da tabelle recanti valori convenzionali validi per terreni sciolti e consolidati e dipendenti dalle ore totali di utilizzo dell’impianto a pieno carico. Essendo un metodo semplificato, è applicabile per impianti di potenza limitata, fino a 30 kW e solo in riscaldamento.
Metodo ASHRAE: contenuto nel manuale ASHRAE 2007 Handbook - HVAC Applications e sviluppato negli Stati Uniti sulla base delle ricerche di Kavanaugh.
Tale metodo si basa su ipotesi più complesse che portano dapprima a valutare un flusso termico annuale e le resistenze termiche efficaci tra terreno e sonda. Successivamente, tramite l’utilizzo delle trasformate di Fourier, si definisce l’impulso di scambio annuale, mensile e giornaliero con le caratteristiche geometriche dello scambiatore di calore e le proprietà del terreno.
In Italia il Comitato Termotecnico Italiano (CTI) sta elaborando un progetto di norma (attualmente in inchiesta interna) atto a fornire tutti i requisiti minimi legati alla progettazione, dimensionamento e installazione di impianti geotermici a bassa entalpia.
Tale progetto di norma utilizza quasi integralmente lo standard ASHRAE, come metodo di calcolo per scambiatori a sviluppo verticale, mentre introduce una nuova metodologia di calcolo per gli scambiatori in trincea a sviluppo orizzontale.
TIPOLOGIE DI SCAMBIATORI A TERRENO
Scambiatori verticali: chiamati anche sonde geotermiche, sono realizzati con tubazioni installate in verticale fino a profondità di 100–120 m. Vengono posti in opera in fori di diametro variabile da 100 a 150 mm.
Nelle perforazioni sono inseriti 2 o 4 tubi (a singola o doppia U), realizzati generalmente con tubi in PE-X. Per favorire il loro inserimento si usano zavorre, di circa 15-20 kg, costituite da pesi a pendere. Sono inoltre utilizzati degli appositi distanziatori, inseriti ogni 7-8 m di sviluppo, per mantenere le giuste distanze tra le sonde.
Il vuoto tra le pareti della perforazione e le sonde geotermiche è riempito generalmente con una miscela a base di cemento (bentonite) con l’aggiunta di quarzite o polvere di ferro per migliorare la resa termica.
La miscela viene iniettata, tramite un tubo supplementare, dal basso verso l’alto in modo da escludere la formazione di bolle d’aria.
Scambiatori orizzontali: sono realizzati con tubazioni in materiale plastico in diametri variabili da 16 a 22 mm e la loro profondità di posa può essere compresa da 0,8 fino a 2 m dal piano di campagna, in opportuni scavi in trincea, meno costosi rispetto a quelli realizzati con sbancamento. Esistono soluzioni con trincee a più tubazioni poste su piani tra loro paralleli. Queste soluzioni, seppur minimizzando la superficie di terreno occupata rispetto a quelle ad un solo anello, comportano rese termiche minori. Le rese più basse sono causate dal fatto che le sovrapposizioni delle tubazioni all’interno della trincea causano interferenze termiche peggiorative.
Generalmente, per non causare un raffreddamento eccessivo del terreno, è preferibile distanziare le trincee di almeno 1,5 m.
In termini di costo la maggior lunghezza delle tubazioni installate è ampiamente compensata dalla riduzione del volume di scavo.
In entrambi i casi, il fluido termovettore è costituito da una miscela di acqua e antigelo, con concentrazioni variabili in base al tipo d’impiego, il cui compito è quello di garantire un punto di congelamento della miscela al di sotto della temperatura minima del fluido interno agli scambiatori (in fase di progetto si considerano 6-8 °C). Le miscele più comunemente utilizzate sono a base di glicole-propilenico e glicole-etilenico.
LA SPERIMENTAZIONE EDILCLIMA
Da circa 2 anni è in corso una sperimentazione da parte di Edilclima su tre impianti alimentati da pompe di calore geotermiche (geotermia verticale):
- impianto di climatizzazione invernale ed estiva (con controllo dell’umidità e della purezza dell’aria) di due edifici residenziali di circa 3.200 m3 climatizzati, a consumo energetico nullo (COP medio stagionale pari a 6);
- impianto di produzione di ACS per gli edifici di cui sopra, ad integrazione della produzione con solare termico (COP medio stagionale pari a 3,8);
- impianto di climatizzazione invernale di un edificio ristrutturato per ridurre il suo consumo a quasi zero.
Gli impianti di cui sopra sono alimentati con parte dell’energia elettrica prodotta da impianti fotovoltaici.
I primi due impianti sono strumentati e monitorati per essere utilizzati in una ricerca in collaborazione con il Politecnico di Torino.
Le prestazioni ottenute fino ad oggi hanno potuto fornire informazioni per la verifica e la messa a punto della normativa di calcolo in corso di elaborazione e per lo sviluppo del software Edilclima EC714 - Impianti geotermici, finalizzato al dimensionamento di impianti che utilizzano pompe di calore geotermiche a bassa entalpia.