GEOTERMIA E DIMENSIONAMENTO

IMPIANTI

Roth Italia

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VDI 4640

NORMA DI RIFERIMENTO

Non essendo ben definita una norma riguardo il dimensionamento degli impianti geotermici il riferimento europeo attuale è dato dalla VDI 4640.

Tutte le aziende di settore, dai costruttori delle pompe di calore ai produttori di sonde geotermiche considerano questo testo come BASE FONDAMENTALE per qualsiasi progettazione.

DEFINIZIONI

La parte di materiale non consolidato e di roccia solida compattato con acqua sotterranea è chiamato un pozzo aquifero. In virtù delle sue caratteristiche di conduttività termica, è la conformazione sotterranea ideale per assorbire, immagazzinare e cedere calore.

Ground Heat Collectors: sono gli scambiatori che sono installati orizzontalmente o obliqui sotto i primi cinque metri di terreno (Sinonimo: horizontal round collectors, horizontal loops, serpentino orizzontale).

Borehole Heat Exchangers: sono gli scambiatori installati verticali o obliqui in profondità nel terreno (Sinonimo: vertical round heat exchangers, vertical loops, sonde verticali)

Geothermal energy: è la forma di energia immagazzinata al di sotto della superficie solida terrestre come calore

La neutral zone è l’area sotterranea chiusa alla superficie terrestre, al di sotto della quale la temperatura non varia più di 0.1 K durante l’anno. Solitamente comincia dai 10 ai 20 metri di profondità.

Enviromental energy (energia ambiente) : è il calore immagazzinato come energia nell’aria, nelle superfici d’acqua (fiumi, laghi, mari) ed inoltri modi naturali (la neve ad esempio) sopra la superficie solida terrestre.

COP (Coefficient of performance) ε: di una pompa di calore per un certo punto di lavoro è il rapporto momentaneo tra la potenza termica emessa ed il consumo elettrico.

Annual performance factor βa (SPF): di una pompa di calore è il rapporto tra la potenza termica emessa in un anno e il suo consumo elettrico.

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Il valor medio della temperatura superficiale della terra è di 13°C ed è determinato da un equilibrio tra l’energia dovuta alla radiazione solare, la radiazione termica attraverso lo spazio, il flusso di energia geotermico e le varie interferenze tra le stesse.

Tuttavia relativamente al ridotto flusso di energia che si ha dal sottosuolo, dai 0.05 ai 0.12 W/m2, paragonato ai 1000 W/m2 di radiazione solare, il bilancio energetico superficiale non risente degli apporti sotterranei. Il bilancio cambia quando cominciamo a spostarci in profondità. Come già accennato in precedenza, al di sotto della neutral zone la temperatura nel terreno può considerarsi costante e risente in maniera particolare dei substrati della crosta terrestre. Nel caso delle pompe di calore geotermiche, è desiderabile avere substrarti di terreno con un elevata capacità termica e di flusso termico cosicché si possa sfruttare attraverso l’impiego di pozzi di estrazione o con scambiatori verticali particolarmente semplici. Contrariamente, qualora si lavori nell’ottica di immagazzinare calore nel terreno, caratteristiche di elevata capacità di flusso termico sono poco auspicabili.

Il trasporto di calore nel sottosuolo avviene per conduzione e in condizioni stazionarie viene descritta dalla conduttività termica λ W/(mK), mentre in condizioni non stazionarie il parametro di riferimento diventa la diffusività termica α (m2/s). La conduttività idraulica delle rocce nel sottosuolo è un parametro fondamentale per i fenomeni convettivi di trasporto di calore, il parametro di riferimento è la permeabilità (m/s).

Se consideriamo invece il processo di immagazzinamento dell’energia termica, il parametro principale di riferimento diventa la capacità termica specifica ρcp (kJ/m3K).

Non solo la stratigrafia della roccia, ma anche la distribuzione e le caratteristiche dell’acqua sotterranea devono essere prese in considerazione. Esempi dei parametri sopraccitati sono riportati nella tabella seguente

La tabella rappresenta esempi di conduttività termica e capacità termica specifica del sottosuolo a 20°C

Di seguito viene invece illustrata una tabella che riporta i valori di permeabilità di rocce non consolidate basata sulla DIN 18130-1

La conduttività termica delle rocce può avere differenti valori a seconda della isotropicità o non isotropicità (condizione molto frequente) del sottosuolo ad esempio parallela o verticale rispetto al livello di roccia in esame. La conduttività idraulica dipende invece dalle caratteristiche del substrato roccioso,se è costituito da rocce consolidate o non consolidate, porose o fratture permeabili. Le rocce consolidate sono le più difficili da valutare, in particolare a causa della distribuzione irregolare delle fratture interne. I valori di permeabilità riportati in tabella hanno valore solo a livello teorico, per avere la certezza dei dati ovviamente occorre un’indagine campionata.Il contributo del flusso geotermico al bilancio termico del sottosuolo, dipende enormemente dalla profondità. Per impianti geotermici che si sviluppano al di sopra della neutral zone ovvero dai 10 ai 20 m di profondità, l’energia ricavabile per determinare il bilancio termico del sistema, dipende esclusivamente dall’influsso della radiazione solare e dalla percolazione delle acque superficiali. Solamente tra i 20 e i 100 m di profondità il contributo del flusso geotermico deve essere preso in considerazione. Gli impianti a grande profondità, oltre i 100 m, sono primariamente influenzati dal flusso di calore geotermico.

PRINCIPIO DI DIMENSIONAMENTO

• Short term influence

• Long term influence

E’ importante avere ben presente la differenza tra la richiesta in riscaldamento e condizionamento di un edificio o di un processo tecnologico ed il calore estratto o ceduto al sottosuolo. In riscaldamento, una pompa di calore con COP=4, avrà circa 3 kW sull’evaporatore che vengono forniti dal terreno e 1 kW di elettricità che devono essere forniti al compressore, mentre 4 kW saranno disponibili al condensatore per essere trasferiti all’impianto.

Nel caso di pompe di calore con collettori di superficie, un sottodimensionamento del circuito, va a vantaggio dei limitati effetti che si hanno sulla vegetazione circostante (estensione del periodo freddo). In generale un sottodimensionamento comporta un minor sfruttamento della risorsa geotermica ed un incremento della potenza assorbita al compressore, pertanto un peggioramento del COP medio annuale.

Nel caso di pompe di calore geotermiche funzionanti con sonde verticali, un sottodimensionamento comporta uno sfruttamento eccessivo del pozzo durante il periodo di riscaldamento, con conseguente scarsa rigenerazione durante il periodo estivo.

ASPETTI AMBIENTALI

Il maggior argomento a favore dell’uso delle pompe di calore geotermiche è il bilancio energetico e ambientale sicuramente a favore se comparato ai sistemi tradizionali a gas e gasolio. La centralizzazione della produzione dell’energia elettrica, anche se importata dall’estero, riducono comunque la dipendenza dall’importazione dell’energia primaria gas e gasolio, sempre più al centro di delicate questioni internazionali.

RICHIESTA ENERGIA PRIMARIA ED EMISSIONI CO2

Quando si prende in considerazione l’energia e le emissioni di differenti tecnologie di riscaldamento, dobbiamo prendere in considerazione l’intera catena dell’energia primaria disponibile.

Nella figura seguente è indicato il flusso di tale energia e si può vedere come l’impiego di pompe di calore rispetto a sistemi tradizionali, dia un significativo contributo a risparmiare energia primaria attraverso l’uso di calore ambientale libero da qualsiasi costo.

Come già accennato in precedenza allo stato attuale dell’arte, è possibile risparmiare dal 30 al 45% rispetto a sistemi a gasolio e dal 20 al 35% rispetto ai più moderni impianti che utilizzano caldaie a condensazione.

La riduzione di impiego di combustibili fossili per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria, contribuisce inoltre alla riduzione delle emissioni di CO2.

Ragionando in questa direzione, utilizzando le pompe di calore si riesce ad ottenere una riduzione delle emissioni dal 45 al 55% rispetto ai sistemi a gasolio e attorno al 15-30% rispetto ai più moderni impianti che utilizzano caldaie a condensazione

Ci sono due fattori che depongono completamente a favore di un continuo e forte sviluppo nel futuro delle pompe di calore:-   - Contrariamente alla tecnologia delle caldaie, le pompe di calore avranno sicuramente un ulteriore sviluppo nella riduzione delle emissioni di CO2 e di risparmio di energia primaria (Miglioramento continuo del

COP).- Il costante miglioramento di efficienza nella produzione di energia elettrica da fonti energetiche rinnovabili, va totalmente a favore dello sviluppo delle pompe di calore.

POSSIBILI EFFETTI RIGUARDO L’IMPIEGO DEL SOTTOSUOLO

•Sonde verticali: rigenerazione del terreno.

•Sonde orizzontali: influenze minime.

•Amungimento diretto: corretta ubicazione dei due pozzi e penetrazione di falda.

PRECAUZIONI AMBIENTALI

Normativa in vigore in Germania, Austria e Svizzera. Impianti realizzabili a seguito dell’osservanza di procedure standard di esecuzione.

•Registro imprese specializzate (DVGW120)

•Materiali consigliati:

•POZZI: corrosion proof

•Sonde (orizzontali e verticali): polietilene (PE), polipropilene (PP), polibutilene (PB), tubazioni in acciaio (attenzione alle caratteristiche dell’acqua), rame+PE.

•FLUIDO DI SCAMBIO: atossico, resistente al congelamento al di sotto dei –10/-20°C.

Usualmente nella maggioranza degli impianti dislocati in Germania, Austria, Svizzera, si utilizza glicole etilenico nella concentrazione del 33% (punto di congelamento a –20°C).LA miscela antigelo impiegata negli scambiatori di calore, contengono inibitori della corrosione in concentrazione approssimativa dell’1% per evitare di avere problemi di tossicità di miscela. Nel caso di impianti ad evaporazione diretta, con collettori a serpentino orizzontale, si possono utilizzare fluidi di lavoro direttamente allo stato gassoso. In generale poi, riguardo la lubrificazione dei compressori, bisogna considerare macchine che impiegano oli sintetici (oli esteri), caratteristica necessaria comunque per l’impiego di fluidi di lavoro HFC. E’ vietato l’impiego di oli minerali qualora si impieghino sistemi geotermici ad espansione diretta.

POMPE DI CALORE ACQUA ACQUA

Nel caso di sfruttamento diretto dell’acqua del sottosuolo, è necessario realizzare due pozzi:-    -  Pozzo di produzione.-    -  Pozzo di iniezione.La realizzazione dei pozzi deve essere eseguita da persone in possesso di opportuni certificati ed è necessario verificare che ci siano i permessi per lo sfruttamento dell’acqua di falda.

DIMENSIONAMENTO

POZZO DI PRODUZIONE

L’acqua di falda viene estratta per la pompa di calore attraverso la realizzazione di uno o più pozzi di produzione. Il pozzo deve garantire a produzione permanete della portata nominale per la pompa di calore installata.

Questa equivale a circa 0,25 m3/h per ogni chilowatt di capacità dell’evaporatore. La capacità produttiva dipende dalle caratteristiche geologiche del luogo e deve essere confermato da un test di pompaggio.

POZZO INIEZIONE

L’acqua riscaldata o raffreddata dalla pompa di calore è ricondotta nel sottosuolo in falda attraverso uno o più pozzi di iniezione. Questi devono essere realizzati nella direzione del flusso sotterraneo della falda ad una distanza sufficiente da quella del pozzo di produzione. La temperatura di iniezione nel sottosuolo non deve superare +- 6K.

PARAMETRI IDROCHIMICI

Per acqua di falda non contenente ossigeno e con un basso livello di potenziale redox, il pozzo può risultare a rischio di incrostazioni se sono presenti ferro e manganese. In tal caso bisogna prendere particolari precauzioni.

L’acqua estratta dal pozzo, non deve venire a contatto con l’aria ambiente. Il sistema deve essere completamente chiuso e permanentemente sotto pressione. Sono inoltre richiesti sistemi di trattamento per la rimozione di ferro e manganese. Per ridurre la formazione di incrostazioni, è richiesta un’analisi del contenuto di ferro e manganese e del valore del pH.

Per grossi impianti occorre effettuare un’analisi dettagliata delle caratteristiche idrochimiche del fluido di lavoro.

INSTALLAZIONE

Parametri di progettazione:• Numero pozzi• Metodo di trivellazione• Profondità del pozzo• Diametro del pozzo• Locazione del pozzo

E’ fondamentale determinare:• Responsabilità• Disponibilità di spazio• Pianificazione del cantiere di scavo• Approvvigionamento materiale ausiliario, acqua e energia• Analisi di campo, test pompaggio ecc.

Nella figura seguente viene evidenziato un esempio di sistema di amungimento.

POMPE DI CALORE GEOTERMICHE A SERPENTINO ORIZZONTALE

Nel caso semplice di pompa di calore geotermica per solo riscaldamento con operating times da 1800 a 2400 h/anno, il progetto può essere realizzato utilizzando valori di potenza estraibile per metro quadro riportati nella tabella seguente:

La tabella sopraccitata vale alle seguenti condizioni: -   - Solo estrazione di calore. -  - Con produzione di DHW (domestic hot water) da parte della pompa di calore, il valore da prendere in considerazione è quello riferito alle 2400h/a di funzionamento.

La figura seguente mostra lo schema tipo di una pompa di calore con serpentino orizzontale:

Per lunghe operazioni annuali di funzionamento, bisogna prendere in considerazione anche il lavoro specifico annuale di estrazione. Può essere dato come valore tra i 50 ed i 70 kW/m2a. Questo valori si applicano per il puro riscaldamento. Questi valori risultano differenti quando ci si riferisce anche al condizionamento estivo. Durante l’estate si ha iniezione nel terreno (cooling, recharging). In queste condizioni di funzionamento, le caratteristiche del terreno giocano un ruolo molto inferiore sulla potenza specifica di estrazione.

INSTALLAZIONE: -   I serpentini orizzontali, non devono essere sovrapposti.-   La superficie sopra il serpentino orizzontale non deve essere impermeabilizzata. -   Solo in casi eccezionali sono accettate deroghe ai sopraccitati consigli. - Solo in particolari realizzazioni sono richiesti particolari permessi di costruzione.

Ad un metro di profondità la temperatura del suolo può raggiungere la temperatura di congelamento anche senza l’utilizzo in scambio termico. Ad una profondità di 2 metri, la temperatura minima si aggira attorno ai 5°C. L temperatura aumenta con l’aumento della profondità, tuttavia essendo al di sopra della neutral zone, la quantità di calore trasmessa dalla superficie della terra diminuisce. Lo scongelamento del ghiaccio formatosi nel serpentino,non è assicurato. Tuttavia l’installazione in profondità dovrebbe variare tra i 1,2 e 1,5 m.Il passo di posa, usualmente si aggira attorno ai 0,3 e 0,8 m, tuttavia bisogna tenere presente che la formazione di ghiaccio attorno alle tubazioni, potrebbe non fondersi. La densità di posa dipende dal diametro delle tubazioni.

POMPE DI CALORE GEOTERMICHE A SONDE VERTICALI

PROGETTAZIONE: Le sonde geotermiche verticali usualmente, a seconda della tipologia di roccia, raggiungono la profondità da 10 a 200 m (In Germania ad esempio per legge non si possono superare i 100 m di profondità)Per trivellazioni che superano i 400 m non si possono più fare le considerazioni di seguito esposte, ma entrerà in gioco un dimensionamento più complesso che non prenderemo in considerazione.Nella figura seguente vediamo un esempio di schema con pompa di calore geotermica a sonda verticale.

PICCOLI IMPIANTI FINO A 30 kW Per il dimensionamento di impianti in pompa di calore con potenza massima di 30 kW e produzione di acqua calda sanitaria quando richiesta, ci si può avvalere della tabella di calore specifico estraibile in funzione della tipologia di terreno in W/m 2

Questi valori di estrazione (che devono essere riferiti alla capacità sull’evaporatore), sono tranquillamente applicabili nei casi più semplici in cui si abbia:-   - Sola produzione di acqua calda (e acqua calda sanitaria se richiesta)-   - Lunghezza delle sonde comprese tra i 40 ed i 100 m-   - Interasse di posa tra due sonde:        Minimo 5 m per sonde da 40 a 50 m        Minimo 6 m per sonde da 50 a 100 m-Sonde a U DN20, DN25 o DN32 o sonde coassiali del diametro di 60 mm-Valori non applicabili per un largo numero di perforazioni in area limitata (problemi di interferenza).

Indipendentemente dalle condizioni sopraccitate di seguito viene descritto un nomogramma sperimentale che contiene al suo interno tutte le condizioni sino ad ora prese in considerazione. Il nomogramma è stato sviluppato per le condizioni del territorio Svizzero dall’ Ufficio Federale per l’Energia e l’Economia. I valori riportati non hanno avuto ancora validazione sperimentale, ma risulta un ottimo strumento per il dimensionamento in Austria e Germania. Per quanto concerne l’Italia, effettuando un dimensionamento con tale nomogramma, andiamo sicuramente in condizioni di sicurezza elevate, in quanto le condizioni climatiche stagionali del nostro paese sono molto meno rigide rispetto a quelle dei paesi sopraccitati. In Germania c’è inoltre una differenza sostanziale di condizioni climatiche e geologiche tra nord e sud pertanto in alcuni casi si effettua un sovradimensionamento della profondità di trivellazione.Dovrebbe essere noto che il valore di ingresso del nomogramma a non corrisponde all’ SPF (Seasonal performance factor) o al COP, ma rappresenta piuttosto un fattore di funzionamento annuale dedotto dall’energia richiesta per tutte le operazioni ausiliarie. Si può calcolare utilizzando la seguente equazione:

pa

H

H

PQ

Qa

dove:a= valore di ingresso nel nomogrammaQH= Fabbisogno annuale di energia in riscaldamento (kWh/a)

βa =Seasonal performance factor

PP= Richiesta annuale di energia per il funzionamento degli ausiliari (pompa di circolazione, sistema di produzione del

calore ecc.) Il nomogramma si applica alle seguenti condizioni limite:

Descrizione Valore Unità di misura

Richiesta di energia 4-16 MWh/a

Capacità termica 3-8 KW

Altitudine 200-1400 m a.s.l.

Conduttività termica del terreno

1.2-4.0 W/(mK)

Lunghezza della singola sonda 60-160 m

Lunghezza di un campo a due sonde

60-100 m

Valore di ingresso nel nomogramma a

3.8-4.6  

Nomogramma per il dimensionamento delle sonde verticali

SISTEMI OLTRE I 30 kWPer sistemi di taglia superiore ai 30 kW o per impianti per i quali si prevede di superare le 2400 h di funzionamento, occorre effettuare un calcolo molto accurato.Usualmente è necessario calcolare le temperature ottenibili durante l’arco dell’anno applicando il carico termico di progetto e rapportarle al periodo di vita dell’impianto. Effettuando un calcolo analitico, solitamente vengono effettuate delle semplificazioni. Un calcolo semplificato può essere effettuato per la parte soggetta a conduzione termica del terreno, all’interno del nostro circuito di scambio. Non si riesce a inserire in tale valutazione l’apporto dovuto al flusso termico dell’acqua sotterranea. Per impianti superiori ai 100 kW solitamente il flusso dovuto all’acqua sotterrane a si riesce a stimare, utilizzando l’andamento delle temperature dal secondo anno di funzionamento.

METODI DI CALCOLO SEMPLIFICATIUn metodo per il calcolo semplificato della temperatura attorno allo scambiatore di calore fu sviluppato negli USA attorno al 1950. Utilizzando la teoria generale della conduzione del calore rapportata in coordinate cilindriche Ingersoll, sviluppò una formula basata su questi dati, nella quale le temperature possono essere calcolate in funzione della conduttività termica, della capacità di estrazione/iniezione e dalla distanza tra i tubi. La temperatura nel fluido non sono determinate direttamente. Guernsey ed altri dedussero una semplice formula da questo per determinare l’andamento delle temperature (valida per αt/r2>1)Rapportando tale formula al SI diventa:

351,0106,0log1833,0 2

210

t

r

r

tQT

dove:ΔT variazione di temperaturaQ flusso di calore per metro di lunghezza di tuboλ conduttività termicar distanza dal centro dei tubi di scambiot tempoα diffusività termica La diffusività termica può essere calcolata come:

pc

conλ conduttività termicaρ densità della rocciacp calore specifico a pressione costante.

Ci sono altri svariati metodi di calcolo e software disponibili per il dimensionamento da siti del Nord America. Si fondano su un algoritmo sviluppato da Clesson presso l’università di Lund in Svezia. La soluzione dell’algoritmo di calcolo porta a determinare un funzione (g-functions) che prende in considerazione differenti geometrie di sonda. Tale funzione dipende dal numero, dalla distanza, dalla lunghezza e dalla geometria della sonda. Nel caso di trivellazioni profonde viene preso in considerazione anche l’angolo di deviazione della trivellazione e dell’eventuale assestamento del terreno. Simulazione numerica. Differenti metodi di calcolo fanno riferimento alla simulazione numerica.Questo risulta necessario qualora si devono prendere in considerazione impianti complessi nei quali siano presenti più sonde verticali che risentano notevolmente dell’influenza di flussi sotterranei di acqua.Per la modellazione matematica, prendendo in considerazione il flusso di acqua sotterranea, si utilizzano due impostazioni:-       Modellazione agli elementi finiti (elevate flessibilità di calcolo)-       Modellazione alle differenze finite (formule matematiche molto più semplificate) Per entrambi i metodi sono in commercio differenti pacchetti software per simulare e risolvere tutte le tipologie costruttive. Tuttavia modellazioni matematiche del genere dovrebbero essere effettuate da persone aventi un’esperienza avanzata in modo che il problema matematico possa essere facilmente realizzato e risolto.

COSTRUZIONE DI UNA SONDA E PERFORAZIONELe sonde verticali sono costituite da un piede con funzione di contrappeso avente un doppio attacco per l’andata ed il ritorno delle tubazioni verticali.I modelli base sono riportati nella figura seguente con indicati i diametri comuni di realizzazione.

Il piede di sonda e le sue connessioni ai tubi polietilenici, devono essere prodotte in fabbricati da aziende specializzate o che per lo meno siano a conoscenza delle norme sulla saldatura di materiali termoplastici, che devono essere obbligatoriamente rispettate (linee guida DVS2207 e DVS 2208). Il piede di sonda e le sue connessioni devono poi essere sottoposti ad un collaudo in pressione e flusso in accordo alla DIN 4279-7. I test di pressione dovrebbero essere realizzati ad una pressione di circa 1,5 volte superiore la pressione nominale delle tubazioni impiegate (in funzione del materiale). Il test di flusso deve provare una perdita di carico massima di 10mbar per una velocità di flusso di 1 m/s. Questi test devono essere documentati su un foglio di collaudo e presentati al cliente finale a garanzia del prodotto realizzato.

RIEMPIMENTO DEL POZZOIl riempimento è fondamentale per il buon funzionamento di un impianto:•Corretto apporto di calore•Nessuna contaminazione da agenti esterni•Miscela ottimale per stabilità della sonda e durata temporale

PROCEDURA RIEMPIMENTORiportiamo di seguito un esempio di procedura di riempimento del pozzo geotermico. Quando si inserisce la sonda verticale, è opportuno installare un tubo ulteriore per le basse profondità attraverso il quale si inietterà la sospensione di riempimento . Questa tubazione viene ritirata durante la fase di riempimento in parallelo all’avanzamento del medesimo. Qualora si realizzino delle trivellazioni per installazioni oltre i 60 m di profondità, potrebbe nascere dei problemi per l’estrazione della tubazione suddetta. In tal caso è consigliabile l’impiego di due tubi, uno utilizzato a partire dal piede di sonda ed uno utilizzato dalla metà della lunghezza della medesima che può essere facilmente estratto. Il riempimento viene realizzato a partire dal tubo inferiore e quindi da quello superiore. Quando si estrae il tubo di iniezione è necessario che l’estrazione avvenga sempre al di sotto del livello di riempimento del pozzo, questo per evitare fenomeni di formazione di occlusioni d’aria all’interno della sospensione di riempimento, come già detto dannosi per il corretto funzionamento in scambio termico della sonda geotermica.Il tubo di riempimento che rimane all’interno del pozzo geotermico deve ovviamente essere completamente riempito della sospensione utilizzata.

SOSPENSIONE DI RIEMPIMENTOLa sospensione utilizzata per il riempimento deve avere caratteristiche di impiego per i più svariati campi di temperatura. In particolar modo, qualora si realizzano dei pozzi per la sola estrazione del calore, bisogna assicurarsi che la sospensione sia frozen proof ovvero resistente alla formazione di ghiaccio.Nella pratica si utilizzano sospensioni di bentonite (un minerale argilloso di origine naturale), HOZ (cemento di alta fornace) e acqua. In alternativa sospensioni di bentonite, HOZ, sabbia e acqua. Sospensioni di bentonite e acqua sono da evitare in quanto sono molto povere dal punto di vista della conducibilità termica (<0.7 W/mK a 10°C) e non hanno la caratteristica frozen proof. L’aggiunta di cemento alla sospensione consente l’impiego per range di temperatura che arrivano a –15°C e con l’aggiunta di sabbia al quarzo, o di farina di quarzo, la conducibilità termica sale oltre gli 0.8 W/mK a 10°C. Per sospensioni di bentonite/Hoz/sabbia/acqua, la percentuale di bentonite e di cemento dovrebbe essere circa del 10%, la percentuale di sabbia del 30%. Esagerando con la percentuale di cemento si ha l’effetto spiacevole che il riempimento rimane molto plastico e non si riescono a gestire al meglio eventuali dilatazioni dello scambiatore di calore

CONNESSIONIQualora si renda necessaria le realizzazione di più pozzi di estrazione, il collegamento delle tubazioni in uscita avviene attraverso collegamento in parallelo ad un collettore. Nel punto alto dell’impianto è buona norma inserire dei sistemi di disareazione e la singola sonda geotermica dovrebbe essere corredata con valvole di intercettazione e valvole di non ritorno. Per ridurre al minimo i costi di isolamento, più tubazioni possibili dovrebbero essere insellati al di fuori dell’edificio.In posizione centrale del sistema di distribuzione della linea di tubazioni sonda-macchina, dovrebbe essere installato un degasatore o un disareatore.

REALIZZAZIONI SPECIALI AD EVAPORAZIONE DIRETTA

Pompe di calore geotermiche ad espansione diretta devono essere utilizzate solo con sistemi che adottano il serpentino orizzontale di scambio.Per il dimensionamento delle tubazioni a livello di lunghezza di circuito e diametro delle medesime, hanno enorme influenza le caratteristiche di espansione diretta della macchina stessa piuttosto che le caratteristiche del terreno in cui si va a realizzare l’impianto.L’unica accortezza da osservare sta nell’interasse di posa delle tubazioni che non deve essere inferiore agli 80 mm e la profondità di posa che dovrebbe essere tale da evitare la formazione di ghiaccio attorno alle tubazioni durante il periodo invernale. I materiali da impiegare devono avere caratteristiche di resistenza alla corrosione e devono soddisfare le caratteristiche di resistenza ai carichi chimici, termici e meccanici.Come protezione dalla corrosione, le tubazioni dell’evaporatore devono essere in rame per impieghi nel campo della refrigerazione e devono essere coperte da un rivestimento protettivo in PE o in PP con uno spessore di almeno 1 mm. Parimenti anche tutti gli altri accessori del circuito come ad esempio i collettori devono essere protetti dalla corrosione e devono avere un adeguato spessore di isolamento. Anche in questo caso si utilizza l’impiego di materiali per il condizionamento. L’installazione deve avvenire completamente nel primo strato superficiale di terreno.Il diametro delle tubazioni oscilla tra gli 8,12 o i 15 mm. La lunghezza massima dei circuiti deve essere approssimativamente di 75 m

Bisogna assicurarsi comunque che l’area di installazione delle tubazioni orizzontali abbia caratteristiche termiche adeguate e durante la posa è necessario verificare che le perdite di carico all’interno dei singoli circuiti sia la stessa per evitare di avere difficoltà nel bilanciamento dell’impianto medesimo. Fondamentale infine è verificare che il fluido d’impianto con cui deve essere caricato il circuito, non sia iniettato all’interno delle tubazioni durante la fase di saldatura delle tubazioni stesse. Se l’installazione dovesse essere effettuate con connessioni difficilmente accessibili o controllabili in opera, è obbligo utilizzare dei fluidi refrigeranti sicuri a livello ecologico. I collettori di raccolta, dovrebbero essere preferibilmente di tipo saldato e ben isolato e locati al di fuori del vano tecnico contenente la macchina ed organizzati in una struttura ad albero. Dispositivi di sicurezza come ad esempio una valvola di intercettazione elettromagnetica dovrebbero essere installati, per disconnettere l’evaporatore dalla pompa di calore qualora si verifichino fenomeni di bassa pressione all’interno dell’evaporatore stesso ed impianto finale fermo. Il riempimento dell’impianto in questo caso deve essere realizzato da persone qualificate.

ALTRE SORGENTI DI SCAMBIO GEOTERMICO In presenza di terreno avente scarse qualità geotermiche, la soluzione alternativa è la seguente:•ENERGY PILESCi sono due tipologie fondamentali:•Pali guidati prefabbricati•Pali realizzati in situ

•SPACE SAVING: SOLUZIONI ORIZZONTALI DI SCAMBIO COMPATTE

Ci sono dei sistemi alternativi di progetto per la realizzazione di sistemi a cambio orizzontale sotto il terreno. Negli ultimi anni si stanno facendo avanti in modo particolare due soluzioni:      -  Soluzione ramificata.      -  Soluzione a spirale.

•POZZI COASSIALISono la via intermedia tra pozzo ad amungimento diretto e la sonda verticale

•PITS e TUNNELSSoluzione di ampio sfruttamento in Germania, Svizzera e Nord America.

SISTEMI ENERGETICI UTILIZZATORI •PANNELLI RADIANTI•RADIATORI E CONVETTORI•BUFFER DI ACCUMULO

•SISTEMI DI CONTROLLO•ACQUA CALDA PER USO DOMESTICO

DISMISSIONE IMPIANTI

PROCEDURE DI DISMISSIONE REGOLATE

ESEMPI DI DIMENSIONAMENTO

Consideriamo di dover dimensionare una serie di impianti con pompa di calore geotermica a sonda verticale.L’abitazione è situata nella parte nord della Toscana a circa 300 m sopra il livello del mare.Le condizioni al contorno per il dimensionamento sono le seguenti:Abitazione da 160 m2 utili da scaldareFabbisogno: 75 W/m2

Fabbisogno energetico: QH=12 kWOre di funzionamento annuale impianto a pieno carico: ta=1500 h/a

Temperatura di lavoro impianto riscaldamento radiante: TV=35°C

SPF (Seasonal Performance Factor) =3,5Potenza da estrarre dal terreno:8,6 kW ricavata da:

a

aHEWS QQ

1

Tipologia di terreno: ghiaia o sabbia (acquifere)Conducibilità termica: 2,3 W/mK

CASO1Dimensionamento rapido secondo la tabella general figures.

Considerando un terreno di tipo con roccia regolare avente conduttività 1,5<λ<3,0 W/mK con potenza estraibile di 50 W/m risulta per un SPF di 3,5 che per 1 kW di potenza termica occorrono 20 m di BHE, occorrono due sonde verticali da 86 m.

CASO 2  Dimensionamento rapido secondo la tabella different underground: Considerando un terreno di tipo ghiaia e sabbia e falda acquifera (gravel, sand warer-satured), avente conduttività 55-65 W/m, con un SPF di 3,5, risulta che per 1 kW di potenza termica occorrono dai 15-18 m di BHE, occorrono cioè due sonde verticali da 67 a 79 m CASO 3 Dimensionamento rapido secondo il nomogramma. Facendo il calcolo della richiesta annuale di energia, ci accorgiamo che i valori ci conducono al limite di validità del nomogramma. Pertanto effettuiamo il dimensionamento per un sistema che richieda la metà della potenza (6 kW) ovvero 9000 kWh di energia. Considerato un fabbisogno di energia per gli ausiliari pari a 0,4 kW, calcolo il fabbisogno stagionale, moltiplicando semplicemente tale valore per ta.

Vado allora a calcolare il valore di ingresso nel nomogramma, che risulta essere a=3,96Entrando con tale valore nel nomogramma ottengo due sonde di lunghezza pari a 65 m.

CASO 4Dimensionamento secondo programma con modellazione ad elementi finiti.I dati in ingresso per la modellazione sono:Tipologia sonda: U semplice.Diametro trivellazone: 115 mmInterasse di posa: 6 mTipologia terreno: sandstone (acquifer) Max temp fluido esercizio: -5°CSi considerano anche i parametri del materiale di riempimento e di costruzione della sonda.Occorrono da simulazione due sonde verticali da 88 mRiepilogando:

MetodoPotenza specifica estraibile

Sonda verticale BHE

Numero LunghezzaLunghezza

totale

General figures 50 W/m 2 84 m 168 m

Different Underground

55-65 W/m 2 66-78 m 132-156 m

Nomogramma   2 65 m 130 m

Software   2 88 m 176 m

Conseguentemente, eseguendo un dimensionamento di massima si consiglia di incrementare il valore ottenuto di un valore dal 10 al 35% a seconda del metodo utilizzato.

CASO 5Dimensionamento utilizzando le sonde a scambiatore orrizontale. Dalla tabella risulta che:

per il terreno in esame a livello superficiale abbiamo un terreno coeso umido, la potenza specifica di estrazione si aggira attorno ai 16-24 W/m2, pertanto avremo che, considerando una pompa di calore con SPF di 3,5 occorreranno circa 360-540 m2 di terreno a disposizione per stendere le tubazioni, ovvero 2,5-3 volte la superficie utile d scaldare. 

NOMOGRAMMA DI CALCOLO PER SISTEMI ORIZZONTALI  Riportiamo di seguito un esempio di dimensionamento per pompa di calore con serpentino orizzontale che va ad utilizzare un nomogramma di calcolo tedesco, non ancora contemplato all’interno della VDI 4640, ma sicuramente molto efficace. Il nomogramma in esame è caratterizzato dalle seguenti caratteristiche: Terreno RegolareUmido, sabbioso con regolare esposizione solare: potenza specifica estraibile dai 20-30 W/m2 (classe del terreno 2 e 3) Terreno SfavorevolePietra dura, asciutto e ombreggiato: potenza specifica estraibile dagli 8-12 W/m2 (classe del terreno 4) Terreno FavorevoleTerreno sabbioso, saturo d’’acqua con elevato soleggiamento: potenza specifica estraibile: 35-40 W/m 2 (Classe del terreno 1)

Esempio: Per un’abitazione con richiesta di 15 kW e una pompa di calore con SPF di 3.5, la potenza richiesta all’evaporatore risulta essere di 10,7 kW. Ipotizzando di avere un terreno di classe 2 con 30 W/m2 di potenza specifica estraibile occorrono circa 500 m2 di terreno e 1000 m di tubazione da interrare.

ANALISI COSTI

Impianti di riscaldamento a confrontoL’offerta di impianti di riscaldamento si fa sempre piú ampia, più differenziata e quindi meno trasparente per i consumatori.La questione centrale per l’acquirente è trovare soluzioni di riscaldamento efficaci e a costi contenuti, laddove la convenienza economica è diventata un fattore chiave a causa del continuo aumento dei prezzi dei combustibili fossili come il petrolio e il metano.Per avere una panoramica dei tipi di impianti disponibili sul mercato e dei loro costi si può utilizzare il "termometro dei costi del calore", un utile strumento di orientamento per i consumatori.Il termometro dei costi di caloreSi tratta di un grafico comparativo che illustra i costi connessi ai diversi sistemi di riscaldamento per uso domestico.Il raffronto si basa su un edificio che necessita di una caldaia da 15 kW ed ha un fabbisogno calorifico annuo di 15.000 kWh, dunque un edificio appartenente alla categoria "C" della classificazione "Casa Clima".I dati del grafico tengono conto non solo del prezzo di acquisto della caldaia, bensí anche dei costi per il combustibilie e la manutenzione dell’impianto.Analasi di costi del caloreCome si nota dalla tabella qui riportata, gli impianti di minor prezzo si rivelano poco convenienti quando si passa a considerarne anche i costi di esercizio.All’ultimo posto di questa classifica vi sono gli impianti a gas liquido seguiti da quelli a gasolio.Tra il sistema piú caro (a gas liquido) e quello piú conveniente (caldaia a legna spezzata) esiste una differenza di costi pari al 60%.Va tuttavia precisato che le caldaie come quelle a legna spezzata richiedono un maggiore lavoro dovuto alla ricarica manuale del combustibile.Gli impianti a gasolio e a pellets offrono un comfort pressoché identico, tuttavia i costi degli impianti a pellets sono inferiori del 47%.

Tabella riassuntivaTipo di impianto Confronto del

prezzo

a gasolio 100%

a metano 60%

a GPL 114%

a legna 44%

a minuzzoli di legna 61%

a pellets 52%

stufa centralizzata 51%

teleriscaldamento 55%

pompa di calore geotermica 49%

I costi di investimento includono il prezzo di acquisto della caldaia, della cisterna, degli allacciamenti alla rete del gas, della distribuzione calore, del silo (per lo stoccaggio del combustibile legnoso) e del trasporto del combustibile (minuzzoli, pellets ecc.). Da questo importo è stato detratto il 30% di contributo provinciale sui nuovi impianti.I costi del combustibile sono stati calcolati per un periodo di 20 anni basandosi sui costi praticati attualmente senza considerare il loro andamento futuro, poiché a questo riguardo si possono fare solo delle ipotesi.I costi di manutenzione includono le spese per la canna fumaria, lo spazzacamino, la corrente e il tecnico della ditta di assistenza.

APPENDICE AESEMPIO REALIZZATIVO

IMMAGINI DI IMPIANTI E SONDE GEOTERMICHEL’edificio in esame è una casa di abitazione (circa 200 m2 di superficie riscaldata), parzialmente adibita ad ufficio locata a Lugano. In occasione del cambiamento della vecchia pompa di calore aria-acqua, il proprietario della casa, ha deciso di sfruttare l’energia geotermica e solare con il nuovo sistema. Una pompa di calore di 14 kW termici (B0/W35) con 3 sonde geotermiche di 80 m ognuna riscalda la casa. Collettori solari termici (superficie di 7.8 m2), dimensionati per la produzione di acqua calda sanitaria, possono anche essere utilizzati per il riscaldamento. Durante la stagione estiva, l'energia superflua prodotta dai collettori solari viene direttamente iniettata nel terreno tramite le sonde geotermiche.

Trivellazione di pozzo geotermico Nell’immagine è possibile vedere la macchina che esegue la trivellazione e la bobina avvolta di sonda verticale appesa al sollevatore a gancio rosso.

Particolare della sonda avvolta. Si vede il piede di sonda con il contrappeso per favorire la discesa all’interno del pozzo trivellato. 

Particolare della realizzazione dello scavo. Sa notare il flusso bentonitico attorno alla zona di perforazione, fluidificante comunque contenuto all’interno di apposite vasche di scavo.

Particolare della sonda verticale a 4 tubi utilizzata per la realizzazione in esame

Sezione orizzontale della sonda

geotermica posata di tipo a doppi U

Scavo di circa 1 m di profondità per il collegamento sonda-pompa di calore

Lavori terminati, l’impatto ambientale risulta nullo. La foto mostra il chiusino di copertura del terzo campo sonde.

I 7.8 mq di collettori solari sono stati integrati in modo armonioso nell’architettura della casa .

Valori annualiI dati rilevati dal 1 agosto 2001 al 31 luglio 2002 permettono di stabilire valori annuali caratteristici per le sonde geotermiche e la pompa di calore.Per le sonde, i valori caratteristici sono determinati per metro lineare di sonda geotermica (lunghezza totale delle sonde: 240 m).

Sonde Geotermiche  

Potenza d’estrazione 43-70 W/m

media 52 W/m

   Energia annuale estratta 99 kWh/m

Iniettata per metro sonde 18 kWh/m

Iniettata per mq di collettori solari 16 kWh/mq

Rapporto iniettata estratta 18%

Pompa di Calore  

Potenza di riscaldamento (condensatore) 14-20 kW

Media 16 kW

Potenza di estrazione (evaporatore) 10-17 kW

Media 12,5 kW

Potenza elettrica (compressore) 3,1-4,9 kW

Media 3,9 kW

Energia termica annuale prodotta con pompa di calore30700kWh

COP (Medio)  

Senza pompe di circolazione 4,1

Con pompe di circolazione 3,8

GRAZIE E ARRIVEDERCI