1. Cosa sono e come funzionano.

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1 PESCARA 19 FEBBRAIO 2010 I sistemi di scambio termico a bassa entalpia: le potenzialità della geotermia come fonte di energia rinnovabile e sostenibile Prof. Arch. Franco Cipriani Fisica Tecnica Ambientale Facoltà di Architettura L. Quaroni Università La Sapienza Roma

2 1. Cosa sono e come funzionano Principi di base. Impiego di macchine termiche ad alta efficienza Impiego di un mezzo di scambio che ne aumenti ulteriormente l efficienza Recupero di energia da sorgenti a bassa entalpia Obiettivi: economia energetica economia gestionale rispetto ambiente Prof. Arch. Franco Cipriani 2

3 1. Cosa sono e come funzionano Sorgenti a bassa entalpia. L acqua. Nell acqua lo scambio termico avviene con la massa idrica disponibile, sia direttamente (cioè prelevando l acqua dalla massa), sia indirettamente (predisponendo uno scambiatore senza prelievo). Nella tabella seguente sono riportati alcuni valori di temperature in C per masse d acqua utilizzabili: Massa d acqua T min T max T m Bacino fiume Tevere 1,0 24,4 12,7 Acqua di falda Mar Ligure (valori medi a 10 m) 13,4 24,6 17,6 Prof. Arch. Franco Cipriani 3

4 1. Cosa sono e come funzionano Sorgenti a bassa entalpia. 20 Il terreno Nel terreno lo scambio avviene con la massa di terra che circonda lo 60 scambiatore. La temperatura del terreno 70 oltre una profondità di circa 6-7 metri è pressoché costante durante tutto l anno e 80 alle nostre latitudini è compresa 90 mediamente tra 10 e 16 C. Ma già ad una profondità di 1,5-2 m la 100 variazione è molto contenuta (±3-5 C). profondità (m) temperatura t ( C) Prof. Arch. Franco Cipriani 4

5 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito aperto (open loop). Viene prelevata acqua da una sorgente che assicuri un regime e una temperatura sufficiente-mente costanti nell arco dell an-no: falda fiume lago mare La temperatura dell acqua non dovrebbe né scendere al di sotto di 1-2 C né salire oltre i C, ma il range di valori dovrebbe essere compreso piuttosto tra i 10 C e i C. Prof. Arch. Franco Cipriani 5

6 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). In acqua. Il principio di funzionamento rimane invariato rispetto alla tipologia precedente, ma in questo caso l acqua esterna non viene utilizzata direttamente nelle macchine termiche. Prof. Arch. Franco Cipriani 6

7 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, in superficie. Le modalità di posa delle tubazioni sono varie, vedi figura, ma le più usate sono quelle in serie e in parallelo. Prof. Arch. Franco Cipriani 7

8 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, in superficie. È un sistema economico, in quanto richiede solamente degli scavi superficiali (1,5 2 m), però necessita di una notevole superficie. La capacità media di scambio termico è di 1 kw ogni m di tubazione. Le tubazioni i vengono posate ogni 4-6 m. Prof. Arch. Franco Cipriani 8

9 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. È un sistema più costoso in quanto richiede le perforazioni, però necessita di una superficie piuttosto contenuta. La capacità media di scambio termico è di 1 kw ogni m di tubazione. I pozzi vengono realizzati con interdistanze di 3 6 m e sono in genere profondi m. È la tipologia più utilizzata. Prof. Arch. Franco Cipriani 9

10 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Pescara 19 febbraio 2010 Nel terreno, con perforazioni verticali. Componenti e caratteristiche. Le tubazioni sono in polietilene ad alta densità, tipo quelle per il gas o l acqua in pressione e possono avere una delle seguenti geometrie: a singolo tubo a U; a doppio tubo a U; a tubi coassiali, con tubo di ritorno interno a quello di mandata; a tubi coassiali complessi. Le tubazioni sono riempite di acqua oppure, ove necessario, da una miscela di acqua e glicole (con preferenza per quello propilenico atossico). Prof. Arch. Franco Cipriani 10

11 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. Componenti e caratteristiche. Le perforazioni. Prof. Arch. Franco Cipriani 11

12 Pescara 19 febbraio C 1 Cosa sono e come funzionano. 1 2 Tipologie 1.2. Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. Componenti e caratteristiche. caratteristiche Le p perforazioni hanno in g genere un diametro di 5 (circa 13 cm) e sono riempite, dopo che ci è stata introdotta la tubazione di scambio termico, con calcestruzzo bentonitico bentonitico. Prof. Arch. Franco Cipriani 12

13 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito i chiuso (closed dl loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. Componenti e caratteristiche. Nell arco dell anno la temperatura dell acqua nel geoscambiatore varia, in genere, tra i 4-5 C e i C, ma la dinamica può essere ancora più ridotta, in rapporto alle caratteristiche della macchina termica e del dimensionamento del geoscambiatore. Prof. Arch. Franco Cipriani 13

14 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito i chiuso (closed loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. Componenti e caratteristiche. Una nuova tipologia di scambiatore di recentissimo sviluppo è basata sulla realizzazione i di una serie di fori (4-6) inclinati di 20 posizionati i in circolo con un diametro di circa 1,5 m. I fori (diametro 80 mm) sono profondi mediamente m e alloggiano tubi in rame del tipo ACR Ø 3/8 o1/2, con protezione anticorrosione ICCP (protezione catodica). Nei tubi passa il gas refrigerante in quanto questo scambiatore è di fatto una parte della pompa di calore (condensatore/evaporatore). Ogni sonda fornisce circa 3,5 kw, (con una efficienza di scambio pari a 1 kw ogni 8-10 m) perciò in totale la pompa di calore è di kw. Prof. Arch. Franco Cipriani 14

15 1. Cosa sono e come funzionano Tipologie Circuito chiuso (closed loop). Nel terreno, con perforazioni verticali. Elementi per il dimensionamento. Quando possibile deve essere eseguito un test con una specifica apparecchia- tura per stabilire: La temperatura indisturbata del terreno La composizione stratigrafica La resistenza termica media allo scambio termico La presenza di falde acquifere che migliorano le prestazioni dello scambiatore Pescara 19 febbraio 2010 Prof. Arch. Franco Cipriani 15

16 2. Elementi di costo di realizzazione. i 2.1. Perforazioni. Pescara 19 febbraio 2010 Le perforazioni sono l elemento economicamente più delicato in quanto sono l elemento che provoca la differenza di costo rispetto agli altri iimpianti. i Per questa ragione il dimensionamento deve essere ottimale e richiede una grande esperienza. Gli elementi di variabilità progettuale sono molteplici, li i tra essi: la stratigrafia del terreno le condizioni climatiche e microclimatiche della zona l interdistanza delle perforazioni la profondità delle perforazioni le caratteristiche dell impianto e dei suoi componenti Prof. Arch. Franco Cipriani 16

17 2. Elementi di costo di realizzazione. i 2.1. Perforazioni. Il costo attuale, in Italia, varia tra 50 e 80 /m in rapporto, soprattutto, al tipo di terreno e alla quantità delle perforazioni. Ciò significa che scambiare un kw può costare da 500 a Questo costo è comprensivo delle tubazioni (fino alla centrale), del riempimento con il cls bentonitico, degli scavi per i percorsi orizzontali e del loro riempimento. Nei paesi dove questa tecnologia è più diffusa il costo medio è attualmente di circa /m ( /kw). Prof. Arch. Franco Cipriani 17

18 2. Elementi di costo di realizzazione. i 2.2. Macchine termiche. Il costo delle macchine termiche a pompa di calore è assai variabile in funzione della potenzialità, della tecnologia e del produttore. Ciò che si può evidenziare in questa sede è che in genere le pompe di calore condensate ad acqua costano un po meno di quelle condensate ad aria di pari potenzialità. Le pompe di calore a gas risultano ugualmente convenienti. Prof. Arch. Franco Cipriani 18

19 2. Elementi di costo di realizzazione. i 2.3. Componenti di centrale. L ultimo elemento di costo è costituito dai componenti di centrale (collettori, vasi di espansione, sistemi di pressurizzazione dei circuiti, sistemi di regolazione, valvole, ecc.), i quali sono pressoché equivalenti a quelli di qualsiasi altro impianto, con l eccezione delle pompe, che sono necessarie in numero superiore e ad inverter (per i vari circuiti del geoscambiatore). Questo elemento dipende anche dalla concezione e dalla tipologia dell impianto (concentrato, localizzato, ad anello d acqua, ecc.). Prof. Arch. Franco Cipriani 19

20 2. Elementi di costo di realizzazione. i 2.4. Valutazione complessiva del costo di realizzazione. Pescara 19 febbraio 2010 In Italia non abbiamo ancora impianti tali da poter effettuare valutazioni sulla base di dati rilevati. Per gli studi di fattibilità si utilizzano simulazioni che impiegano modelli di calcolo di vario tipo e software, normalmente nordamericano. Fan-Coil a 2 tubi Il grafico è relativo appunto alla situazione nordamericana. PdC anello acqua PdC geotermiche Sistemi VAV Fan-Coil a 4 tubi Prof. Arch. Franco Cipriani 20

21 3. Elementi di economia Energia. Il risparmio energetico nel geoscambio è legato al fatto che il sistema estrae energia dal terreno e che tale energia è totalmente gratuita e rinnovabile. L energia estratta dal terreno contribuisce a migliorare l efficienza delle macchine termiche impiegate, fino a raddoppiarla e oltre. Il geoscambio è una tecnologia che assicura un considerevole risparmio energetico, in generale tra il 25 e il 50%. Prof. Arch. Franco Cipriani 21

22 3. Elementi di economia Costo dei consumi energetici. Il risparmio energetico è anche un risparmio di natura economica. L energia ha un costo (a kwh quella elettrica, a MJ e/o m 3 il gas). Il risparmio non è proporzionale rispetto al calo dei consumi, ma maggiore in quanto diminuiscono anche le quote fisse relative all impegno di energia. Prof. Arch. Franco Cipriani 22

23 3. Elementi di economia Gestione. I costi di gestione sono generalmente ridotti. L impianto è di per se piuttosto semplice. Il geoscambiatore è composto essenzialmente di tubazioni e pompe, p pertanto la manutenzione è minima. Le macchine termiche sono tutte normalmente più affidabili e con vita più lunga rispetto a quelle convenzionali, in particolare quelle a gas quasi non hanno parti in movimento. Prof. Arch. Franco Cipriani 23

24 3. Elementi di economia Spazio. Lo spazio disponibile all interno degli edifici ha un costo. Con le soluzioni impiantistiche adottabili con macchine elettriche (alcuni tipi) e con le pompe di calore a gas è possibile risparmiare lo spazio della centrale termica, essendo sufficiente un piccolo spazio per i componenti della distribuzione dell acqua verso/da il geoscambiatore e del fluido caldo/freddo verso/da la rete di distribuzione nell edificio. Prof. Arch. Franco Cipriani 24

25 3. Elementi di economia. Pescara 19 febbraio Valutazione complessiva degli elementi di risparmio. Il grafico si riferisce alla situazione nordamericana, ma è sperabile che in breve tempo i costi italiani si allineino e quindi si ottenga questo stesso rapporto tra costi e vantaggi. PdC geotermiche PdC anello acqua Sistemi VAV Fan-Coil a 2 tubi Fan-Coil a 4 tubi Prof. Arch. Franco Cipriani 25

26 4. Vlt Valutazioni iambientali. tli 4.1. Elementi di carattere generale. Impianto tradizionale a. Impatto acustico. In generale le soluzioni legate al geoscambio consentono una riduzione dell impatto acustico. In particolare: le pompe di calore condensate ad acqua possono essere alloggiate in ambienti chiusi, al contrario di quelle condensate ad aria le pompe p di calore a gas, per caratteristiche costruttive, sono poco rumorose, il livello a 5 m è di appena 45 db(a). Prof. Arch. Franco Cipriani 26

27 4. Vlt Valutazioni iambientali. tli 4.1. Elementi di carattere generale. b. Aspetti architettonici. In generale le soluzioni legate al geoscambio consentono una buona integrazione con l architettura (le macchine possono non essere in vista). In particolare: il geoscambiatore non presenta elementi visibili, è tutto sotterraneo finché le tubazioni non arrivano in centrale. Sopra può esserci del verde, parcheggi, sistemazioni esterne o anche l edificio stesso; possono essere realizzate tipologie di impianto che consentono una drastica riduzione degli spazi tecnici. Prof. Arch. Franco Cipriani 27

28 4. Valutazioni ambientali Elementi di carattere generale. b. Aspetti architettonici. Prof. Arch. Franco Cipriani 28

29 4. Valutazioni ambientali Elementi di carattere generale. c. Integrabilità con fonti rinnovabili. In generale le soluzioni legate al geoscambio possono facilmente integrarsi con fonti di energia rinnovabile, un esempio immediatamente evidente può essere l uso dei pannelli fotovoltaici o dei generatori eolici con le pompe di calore elettriche. Ma anche l impiego di collettori solari, il metano prodotto da biomasse o digestori, ecc. Prof. Arch. Franco Cipriani 29

30 4. Vl Valutazioni iambientali Contenimento dei consumi energetici. Le soluzioni legate al geoscambio contribuiscono ad una rilevante diminuzione dei consumi energetici. In una simulazione su un edificio per uffici di mq (carico termico estivo di picco Q = 605 kw) si è ottenuto un risparmio di kwh, ciò che in termini i di energia primaria i significa, ifi ponendo pari a 0,4 la resa delle centrali, una riduzione del consumo di circa 1,18 GWh/anno, o,ponendo l equivalenza: e 1 Tep = 4.545,45 kwh e il risparmio ottenuto risulta pari a poco meno di 260 Tep. Prof. Arch. Franco Cipriani 30

31 4. Vlt Valutazioni iambientali. tli 4.3. Riduzione delle emissioni. La riduzione del consumo energetico può essere tradotto in riduzione delle emissioni: le macchine elettriche non hanno emissioni dirette e inoltre considerando le emissioni specifiche pari a 0,52 kg di CO 2 per kwh marginale prodotto, si è ottenuta nella simulazione una riduzione di 245,54 tonnellate di CO 2. Prof. Arch. Franco Cipriani 31

32 FINE Prof. Arch. Franco Cipriani 32