Pompe di calore geotermiche

 

Questa tecnologia si basa su due concetti fondamentali:

  • Il COP (coefficiente di prestazione) delle pompe di calore è tanto più grande quanto minore è la differenza di temperatura tra pozzo e sorgente termica.
  • Al di sotto di un certo strato di terreno le oscillazioni giornaliere di temperatura non vengono più avvertite e quelle annuali risultano molto attenuate.

Combinando le pompe a vari tipi di scambiatori sotterranei, riusciamo quindi a sfruttare questo enorme “serbatoio”, sottraendogli calore in inverno e fornendogliene in estate.

In Italia, nonostante il nostro paese sia stato per lungo tempo leader nel settore geotermico, questi impianti sono poco conosciuti Negli Stati Uniti e nei paesi del Nord Europa (Svizzera in testa), invece, rappresenta una delle applicazioni delle energie rinnovabili in più forte crescita. L’energia complessivamente generata da questi impianti è stimata attorno ai 20 TWh annui e le installazioni, che possono riguardare non solo edifici di piccole dimensioni, aumentano del 10% ogni anno.

La più grande installazione al mondo, costruita nel 1990 per servire il Galt House East Hotel e i Waterfront Office Buildings di Louisville (USA), soddisfa le necessità di un’area totale di 161650 m2, con potenze di riscaldamento e raffreddamento rispettivamente di 19,6 e 15,8 MW (corrispondenti a 784 delle comuni caldaie e a più di 4000 dei comuni condizionatori).

Funzionamento

Accurati studi geotermici hanno messo in luce che nella zona che va dai 6 ai 46 m di profondità nel sottosuolo, la temperatura rimane costante durante l’anno e corrisponde approssimativamente alla temperatura media esterna del sito. Al di sopra dei 6 m la temperatura del suolo è direttamente correlata a quella esterna, mentre al di sotto dei 46 m la temperatura comincia a salire a causa del gradiente geotermico, che la fa aumentare di 2/3 °C ogni 100 m.

Come già detto è proprio su questa dinamica che si basa la tecnologia in esame, che usa principalmente tre componenti fondamentali:

  • Pompa di calore (d’ora in poi GSHP: Ground-Source Heat Pump)
  • Scambiatore di calore sotterraneo (d’ora in poi GHX: Ground Heat Exchanger)
  • Sistema di riscaldamento/raffreddamento interno

In inverno il GHX sottrae calore a bassa temperatura al terreno, la GSHP utilizza energia elettrica per aumentarne quantità e qualità, e il sistema di riscaldamento lo distribuisce all’interno dei locali, o tramite sistemi radianti o con sistemi di ventilazione. Il grande vantaggio di questi impianti è che, grazie ad una valvola reversibile, il processo può essere percorso in senso inverso durante l’estate, provvedendo anche al raffreddamento dei locali.

In questa parte iniziale si vuole però precisare che il suolo non va considerato come un pozzo o come una sorgente ideale di calore: le dinamiche che si vengono a creare sono molto complesse e sono principalmente influenzate dalla conducibilità termica e dalla diffusività termica del terreno.

 

Se infatti si dimensiona male lo scambiatore, la potenza termica sottratta o fornita può portare ad un abbassamento/innalzamento della temperatura del suolo, con conseguente variazione della capacità dell’impianto. Questi squilibri possono avere luogo sia nel breve periodo sia nell’arco stagionale. Se infatti la GSHP viene usata in una sola modalità e non si restituisce in estate quello che è stato sottratto in inverno, il “bacino” non riesce a ricaricarsi.

Per questi motivi è stato sviluppato negli ultimi anni il “thermal response test”, un metodo rapido che, immettendo in una sonda di prova un carico termico noto, ottiene una conducibilità termica λm media tramite una regressione lineare sul piano T/log(t).

Per quanto riguarda le pompe di calore diamo in questa sede solo un breve cenno al loro funzionamento e ai loro parametri caratteristici per non appesantire la trattazione. Una pompa di calore è una macchina capace di trasferire calore da una sorgente a più bassa temperatura ad un pozzo a temperatura maggiore; questo è anche il principale compito di una macchina frigorifera e quindi di un condizionatore: in effetti pompa di calore e macchina frigorifera sono fondamentalmente simili e differiscono soltanto in ciò che viene considerato come effetto utile (riscaldamento e raffreddamento del locale interessato).

Queste macchine funzionano entrambe con quattro elementi principali: compressore, condensatore, valvola di laminazione ed evaporatore. Il fluido refrigerante viene compresso, aumentando la sua temperatura, per poi cedere calore nel condensatore; il fluido viene quindi laminato, abbassando pressione e quindi temperatura, per andare ad assorbire calore dall’ambiente refrigerato.

 

 

Si capisce a questo punto come invertendo la posizione di condensatore ed evaporatore nell’arco dell’anno si riesca ad ottenere sia il riscaldamento (condensatore nel locale interessato) sia il raffreddamento (evaporatore nel locale interessato) degli ambienti.

Queste macchine funzionano quindi grazie all’energia elettrica necessaria ad azionare il compressore. Per valutare la loro efficienza (il rapporto tra l’effetto utile e l’energia elettrica consumata) si utilizza il COP (Coefficiente di Prestazione) anche indicato con il rendimento η.

E' noto che queste macchine lavorano su un ciclo (detto di Lorentz) che fa riferimento al ciclo inverso di Carnot. Come tali il loro rendimento ideale è:


Ovviamente il rendimento reale è molto più basso. Per mettere in evidenza questo aspetto introduciamo il fattore exergetico ε, espresso come il rapporto tra l’exergia X = E – A e l’energia E, che tiene conto del fatto che non tutta l’energia può essere convertita in altre forme di energia:

 

In questo modo è semplice mettere in evidenza la rapida diminuzione dell’efficienza (e quindi del COP) al crescere del salto di temperatura che la pompa di calore deve fornire. In figura è rappresentato l’andamento dell’efficienza per impianti con diverse Tcold.

Appariranno a questo punto chiari i vantaggi delle GSHP rispetto alle pompe di calore tradizionali che usano l’aria esterna.

Per quanto riguarda gli scambiatori di calore ci sono varie possibilità:

  • GHX (Ground Heat Exchanger): usano il terreno come pozzo o sorgente termica; possono essere sia verticali che orizzontali.
  • GWHX (Groundwater Heat Exchanger): usano gli acquiferi sotterranei come pozzo o sorgente termica.
  • SWHX (Surface Water Heat Exchanger): usano specchi d’acqua superficiali (laghi o stagni) come pozzo o sorgente termica.

Tutti questi tipi di connessioni hanno il grosso problema di essere pressoché inaccessibili dopo l’installazione. Per questo motivo i materiali e la manodopera devono essere di alta qualità: è ormai globalmente riconosciuto che i tubi in polietilene ad alta densità sono i più adatti per questi scopi, tanto per le loro caratteristiche strutturali quanto per quelle termiche. Per quanto riguarda il fluido evolvente negli scambiatori si usa una miscela acqua-antigelo, solitamente una soluzione al 35% di glicol propilenico, non tossico.

 

Links

it.wikipedia.org/wiki/Pompa_di_calore
www.edilio.it/news/pdf/pompeCaloreGeotermiche.pdf

Ottimo sito contenente strumenti per analisi di progetti con fonti energetiche rinnovabili, fornisce manuali molto validi e completamente gratuiti (in lingua inglese) anche sulle pompe di calore geotermiche.

www.retscreen.net

Alcune ditte e installatori

oberthal.org

geotherm.itrri.itgeoclima.com