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Impianti Geotermici a bassa entalpia

Le sorgenti termiche di una pompa di calore

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Tale processo è inverso rispetto a quello che avviene spontaneamente in natura ed è dovuto al fatto che viene fornita energia elettrica alla macchina che "pompa calore". Il principio di funzionamento che sta alla base della pompa di calore è un ciclo termodinamico chiamato ciclo frigorifero, ed è analogo a quello che fa funzionare un comune frigorifero.

Il vantaggio nell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia, sotto forma di calore, di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall’ambiente esterno (che può essere aria, acqua o suolo). Si tratta di una valida ed ecologica alternativa alla caldaia a olio combustibile o a gas.

Nell’aria, nell’acqua e nel suolo sono immagazzinate enormi quantità di energia, che si rinnovano continuamente grazie al calore terrestre, alla radiazione solare e alle precipitazioni atmosferiche. Con l’aiuto di un compressore, la pompa di calore può portare questa energia a una temperatura tale da renderla utilizzabile a scopo di riscaldamento.

Il mezzo da cui si estrae calore può essere:

  • l’aria esterna al locale dove è installata la pompa di calore oppure estratta dal locale dove è installata la pompa di calore;
  • l’acqua di falda, di fiume, di lago quando questa è presente in prossimità dei locali da riscaldare e a ridotta profondità.
  • il suolo attraverso lo scambio di calore che avviene tra il terreno e delle sonde in cui scorre acqua addizionata con glicole (antigelo)

In particolare, si parla di sistemi geotermici a bassa entalpia nel caso di pompe di calore che utilizzano come fonte di calore l'acqua di falda e il suolo.

 

L’acqua come sorgente di calore

Le pompe di calore che sfruttano le acque di falda hanno il vantaggio di aver temperatura costante e sufficientemente elevata.

Uno svantaggio dei sistemi che usano l’acqua come fonte di calore, nei confronti di quelli che usano l’aria è il maggior costo iniziale dell’impianto per l‘estrazione di calore dalla sorgente.

La loro prestazione nel caso acqua-acqua è quindi elevata, raggiungendo COP oltre 4,5. I problemi per questa soluzione consistono nel fatto che non dappertutto sono disponibili falde acquifere e, dove lo sono, non dappertutto è permesso di emungerle.

Inoltre è necessario rispettare i regolamenti locali o regionali per disporre delle acque di falda anche se la reimmissione a valle in falda ha un trascurabile impatto ambientale perché il terreno è in grado di disperdere facilmente il calore.

Il principio di funzionamento consiste nel pompare l'acqua di falda nello scambiatore intermedio che cede energia termica all’evaporatore del circuito frigorifero della pompa di calore.

L’acqua di falda viene estratta attraverso un condotto e poi generalmente reiniettata nel terreno attraverso un secondo condotto a valle della pompa di calore.

Il vantaggio di questa tecnica è che l'acqua di falda mantiene una temperatura più elevata che genera una potenza superiore e un COP migliore. La variazione di temperatura dell’acqua di falda ad una profondità ad esempio di 10 metri o più è molto graduale. Secondo la localizzazione del pozzo e della profondità, la temperatura dell'acqua è inferiore alla media solo di pochi gradi in inverno.

 

Il suolo come sorgente di calore

Questo tipo di Pompa di Calore sfrutta il calore del suolo o delle rocce (calore geotermico a bassa entalpia) utilizzando collettori di scambio termico orizzontali o verticali immersi nel terreno, nei circuiti dei quali circola acqua addizionata di glicole etilenico per evitare eventuale rottura per gelo delle tubazioni dei circuiti. La circolazione dell’acqua avviene in circuito chiuso con lo scambiatore “esterno” della Pompa di Calore.

Il grande vantaggio di queste Pompe di Calore è la temperatura del suolo che è molto più costante di quella dell’aria; bisogna fare solo attenzione al bilanciamento dell’utilizzo invernale ed estivo per evitare degradazioni del suolo.

Il terreno infatti, presenta una buona inerzia termica, già a basse profondità, che permette, al terreno, di risentire poco delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali esterne, al punto che la sua temperatura può essere considerata costante per tutto l’anno.

L’interazione della radiazione solare con il terreno si rispecchia in una fluttuazione della temperatura con i ritmi giornalieri e stagionali che diminuisce all’aumentare della profondità fino a raggiungere valori di stabilizzazione, per una profondità superiore ai 10 m, corrispondenti all’incirca alla temperatura media esterna dell’aria valutata per un interno anno solare.

In linea generale dai 10 m fino ai 20 m, la temperatura dovrebbe essere all’incirca pari a 14°C, con fluttuazioni di 2°C in più o in meno. Una volta superata questa zona neutra la temperatura aumenta di circa 3°C ogni 100 m.

 

Tecnologie per lo sfruttamento termico del terreno

Per l’acquisizione di energia termica dal terreno vengono utilizzate le sonde geotermiche.

All’interno delle sonde circola un fluido termovettore costituito da una miscela costituita da acqua e da un agente antigelo, il cui compito è quello di garantire un punto di congelamento della miscela inferiore di 7–8°C rispetto alla temperatura minima di lavoro della pompa. Solitamente, per ragioni di sicurezza, si garantisce il non congelamento della miscela fino a -20°C.

Le soluzioni possibili per una sonda geotermica che scambi calore col terreno sono essenzialmente tre:

  • le sonde geotermiche verticali (SGV), ovvero scambiatori di calore verticali caratterizzati da lunghezze che vanno dai 50 a oltre 350 m;
  • le serpentine nel terreno, ovvero scambiatori di calore disposti orizzontalmente a profondità di circa 1-2 m, in terreni sciolti;
  • i pali energetici, ovvero scambiatori di calore integrati negli elementi di fondazione di costruzioni palificate che hanno una profondità tipica di alcuni metri.

I vantaggi e gli svantaggi dei primi due tipi di sistemi si possono così riassumere:

Sistema “in profondità” con perforazione

  • VANTAGGI: Buona resa specifica, non influenzata dalle condizioni atmosferiche. Spazi di posa ridotti
  • SVANTAGGI: Costo elevato. Necessità di attrezzatura specifica e mano d'opera specializzata per la posa

Sistema “in superficie" con serpentina

  • VANTAGGI: semplicità ed economia di posa
  • SVANTAGGI: necessità di spazi estesi per l’installazione