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1 Inoltre è necessario che una volta sistemato il funzionamento dell impianto il terreno raggiunga su tutto il volume interessato compreso l intorno dello scambiatore dei valori di temperatura confrontabili con quelli del terreno indisturbato prima dell applicazione degli scambiatori. Innumerevoli studi hanno dimostrato che applicazioni di sonde geotermiche verticali correttamente dimensionate consentono di realizzare un sistema geotermico ambientalmente sostenibile secondo la definizione data. Le sonde geotermiche orizzontali sono caratterizzate da un installazione più superficiale che non comporta alcun impatto di medio - lungo periodo sulle temperature del terreno; il terreno infatti viene rigenerato attraverso il ciclo annuale di scambio termico con l aria, la radiazione solare e le precipitazioni. 1

2 RIGENERAZIONE TERMICA Ogni volta che questo stato naturale è alterato con un prelievo (o una immissione) di calore, l equilibrio deve ristabilirsi, e ciò richiede tempo. La variabile tempo di rigenerazione termica del suolo è la più delicata. Questa variabile a sua volta è collegata alle principali variabili di progetto degli impianti utilizzatori in superficie (es. impianto di riscaldamento): tempo di funzionamento annuo, livello di temperatura di mandata medio e di picco, dinamiche di accumulo del calore nell edificio (a loro volta legate all inerzia termica e all isolamento). In pratica, un sistema a pompa di calore geotermica in realtà è inscindibile da altri due elementi: il sistema edificio-involucro e l impianto di utilizzazione (impianto di riscaldamento); è pertanto fondamentale interfacciarsi già in fase preliminare con il progettista o i progettisti di queste parti per realizzare un buon sistema. 2

3 POMPA DI CALORE GEOTERMICA La pompa di calore geotermica innova il concetto di impianto di riscaldamento legato alla classica caldaia, in quanto consente di immaginare e realizzare impianti in cui il flusso energetico della sorgente all utilizzatore si inverte (per esempio con il raffrescamento estivo), o in cui l integrazione con altri impianti (es. solare fotovoltaico) assume un rilievo particolare dal punto di vista economico e/o energetico. Le pompe di calore geotermiche prelevano mediamente il 75% della propria energia dal suolo o dall acqua. Il resto dell energia è generalmente fornito dal compressore elettrico inserito nel circuito refrigerante (in alcune applicazioni con tecnologia ad assorbimento l energia mancante può essere fornita come l energia termica, fornita da un bruciatore). 3

4 CON ENERGIA DAL SOTTOSUOLO In generale l impianto geotermico è un impianto composto da una pompa di calore accoppiata ad una sorgente termica. L energia solare è accumulata a bassa profondità, mentre l energia geotermica è prevalentemente accumulata nelle zone più profonde. L energia del sottosuolo può essere utilizzata con l aiuto dei seguenti mezzi: - acque di falda; - collettori orizzontali sono realizzati con tubi in materiale plastico e derivano calore da bassa profondità; - sonde verticali sono realizzate inserendo tubi in materiale plastico in fori profondi m; - pali energetici sono realizzati inserendo tubi in materiale plastico nei pali di cemento delle fondazioni. 4

5 E CON ACQUE DI SUPERFICIE Anche le acque del mare, dei laghi, dei corsi d acqua e degli stagni possono essere utilizzate come sorgenti di calore. Va però considerato che, nei mesi più freddi, queste acque possono trovarsi a temperature molto basse e anche gelare. Pertanto, come nel caso dell aria esterna, il loro uso può richiedere sistemi integrativi del calore. 5

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13 INSTALLAZIONE DI SONDE ORIZZONTALI La posa delle sonde orizzontali avviene in genere ad una profondità di circa 1-1,5 metri, comunque sotto il limite di congelamento del terreno, impegnando un area proporzionale alla potenza richiesta. La posa in trincea ( fosso ) della sonda a circuito chiuso consente di occupare uno spazio inferiore, ottimizzando l occupazione a prato e e sfruttando eventuali corridoi di terreno intorno alla casa, con una posa leggermente più profonda (1,5-3 metri). Tuttavia questo tipo di realizzazione della sonda geotermica presuppone un attenta valutazione preliminare del tipo di terreno, che deve garantire un forte contenuto tutto l anno, e non essere un conglomerato di strati ghiaiosi o simili. 13

14 Infatti, la presenza di aria nel suolo, al posto dell acqua, porterebbe al congelamento precoce del terreno intorno alla sonda, con conseguente perdita della capacità di scambio termico. Un ulteriore variante moderna della sonda orizzontale a circuito chiuso è costituita dai collettori geotermici a tubi capillari, per i quali si indica una superficie a prato ridotta del 40% circa rispetto alla soluzione orizzontale convenzionale, con alcuni inconvenienti principalmente legati al maggior costo del sistema, alla fragilità dei tubi (che vanno posati in un letto di sabbia) e alle perdite di carico importanti che costringono a utilizzare collettori idraulici per i raccordi al circuito della pompa di calore. La posa di pavimentazioni o la costruzione di edifici sopra l area delle sonde interrate orizzontalmente è sempre da evitarsi, in quanto l area deve essere lasciata a prato o al più piantumata con cespugli bassi, per permettere alla radiazione solate di riscaldare il terreno e all acqua di percolarvi senza impedimenti (ciò perché il suolo nella fascia superficiale fino a 10 metri risente molto delle variazioni stagionale di temperatura, e ne deve essere favorita al massimo la rigenerazione termica). 14

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19 QUANDO SCEGLIERE LE SONDE VERTICALI In assenza di falde d acqua la soluzione a sonda orizzontale è generalmente la più conveniente in termini di rapporto costi-benefici (rese), se si dispone di una sufficiente area di prato, tale scelta non è particolarmente indicata per il raffrescamento estivo, in quando in quei mesi caldi il terreno ben presto raggiunge alte temperature che non agevolano lo scambio in raffrescamento. La soluzione migliore può essere quella della sonda verticale a circuito chiuso, inserita in una perforazione a profondità compresa tra gli 80 e i metri. Il limite di metri può costituire in genere il limite economico per una perforazione sia per la realizzazione della sonda. 19

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24 IMPIANTI DI RISCALDAMENTO UTILIZZABILI CON POMPE DI CALORE Le prestazioni delle pompe di calore aumentano col diminuire della differenza di temperatura fra la sorgente fredda e il fluido caldo. Pertanto è bene riscaldare con basse temperature. In relazione a tale aspetto, i normali impianti di riscaldamento presentano i seguenti vantaggi e svantaggi: IMPIANTI A RADIATORI: Sono impianti adottabili dove non è possibile utilizzare i pannelli radianti. Può essere, ad esempio, il caso di ristrutturazioni o di interventi di tipo conservativo. Il principale limite degli impianti a radiatori è dovuto al fatto che per poter funzionare a basse temperature richiedono soluzioni molto ingombranti. Ad esempio, se un radiatore a 80 C (temperatura media) emette kcal/h, a 45 C ne emette solo 320, il che porta a notevoli sovradimensionamenti. Un altro limite è dovuto all impossibilità di raffrescare coi radiatori. 24

25 IMPIANTI A PANNELLI RADIANTI: Sono impianti che consentono un buon utilizzo delle pompe di calore in quanto funzionano a basse temperature. È bene comunque abbassare il più possibile tali temperature il che si può ottenere adottando pannelli con piccoli interassi (10-15cm). IMPIANTI VENTILCONVETTORI: Questi impianti sono normalmente utilizzati per climatizzare uffici, negozi, alberghi, case di cura. I ventilconvettori usati con pompe di calore devono essere comunque in grado di poter funzionare a basse temperature (40-45 C). Inoltre, se installati in camere, vanno adottati modelli con ventilatori a bassa rumorosità. IMPIANTI AD ARIA: Sono impianti che possono essere realizzati con pompe di calore aria-aria o aria-acqua. Nel primo caso la pompa di calore alimenta direttamente i canali di distribuzione interna dell aria. Nel secondo caso, invece, la pompa di calore fornisce acqua calda che serve ad alimentare una centrale di trattamento aria. 25

26 RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO CON POMPE DI CALORE Gli impianti a pompa di calore possono essere utilizzati non solo per riscaldare ma anche per raffrescare. Ciò può essere ottenuto sia con pompe di calore reversibili sia con sistemi diretti: vale a dire con sistemi che consentono di utilizzare direttamente le sorgenti fredde. POMPE DI CALORE REVERSIBILI Sono pompe che consentono di invertire il senso di circolazione del fluido intermedio e quindi il senso del flusso di calore scambiato. Sono pertanto pompe in grado di produrre sia il caldo che il freddo. Il senso di circolazione è invertito con l aiuto dei seguenti componenti: - una valvola deviatrice a 4 vie posta sul tratto a monte e compressore; - una valvola deviatrice a 3 vie posta sul tratto di circuito dove viene fatto espandere il fluido; - una seconda valvola di espansione. 26

27 Tali componenti agiscono nel seguente modo: Attivazione del ciclo di riscaldamento le valvole deviatrici, a 3 e a 4 vie, mandano in apertura le vie che consentono un ciclo di lavoro in cui: 1) il compressore comprime il fluido intermedio innalzandone la temperatura; 2) il condensatore consente al fluido intermedio (che passa da vapore a liquido) di cedere al fluido caldo; 1) la valvola di espansione fa espandere il fluido intermedio abbassandone la temperatura; 4) l evaporatore consente al fluido intermedio (che passa da liquido a vapore) di assorbire calore dal fluido caldo. Con tale ciclo il fluido intermedio toglie calore alla sorgente fredda e lo cede al fluido caldo. 27

28 Ciclo di raffrescamento Ambiente da raffrescare Attivazione del ciclo di raffrescamento Le valvole deviatrici, a 3 e a 4 vie, mandano in apertura le vie che consentono (pur mantenendo inalterato il senso di rotazione del compressore) di invertire il ciclo di lavoro attuato nella fase di riscaldamento. In questo caso, il fluido intermedio toglie calore al fluido dell impianto di raffrescamento e lo cede alla sorgente esterna. 28

29 RAFFRESCAMENTO DIRETTO È realizzabile con le sorgenti esterne (ad esempio quelle geotermiche o ad acqua di superficie) che nel periodo estivo si trovano a temperature relativamente basse. Fase di riscaldamento: la valvola A devia il fluido proveniente dalla sorgente fredda verso la pompa di calore, mentre la valvola B apre le vie che collegano la pompa di calore ai terminali dell impianto. Fase di raffrescamento: la valvola A devia il fluido proveniente dalla sorgente fredda verso lo scambiatore di calore, mentre la valvola B apre le vie che collegano lo scambiatore di calore ai terminali dell impianto. Naturalmente, in questa fase, l impianto deve poter contare su adeguati sistemi di regolazione e di deumidificazione. 29

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31 Osservazioni: Gli aspetti positivi degli impianti a raffrescamento diretto riguardano soprattutto i bassi costi di gestione. In pratica le spese da sostenere sono solo quelle dell energia elettrica consumata dalle pompe di circolazione. Per contro gli aspetti negativi riguardano le prestazioni di questi impianti. Le temperature delle sorgenti esterne possono infatti avere sensibili variazioni stagionali e, specie nei periodi più caldi, non consentire un adeguata azione di raffrescamento e di deumidificazione. Rumorosità delle pompe di calore: Va considerato che le pompe di calore possono essere rumorose, specie quelle ad aria e quelle previste per installazioni esterne. Pertanto possono recar disturbo sia all edificio servito si agli edifici vicini. 31

32 PERSTAZIONI DELLE POMPE DI CALORE E DEI RELATIVI IMPIANTI PRESTAZIONI ISTANTENEE DELLE POMPE DI CALORE Sono riferite a ben determinate condizioni di prova e individuate con i seguenti coefficienti: - Coefficiente [ε] relativo al solo compressore: È dato dal rapporto fra il calore ceduto al fluido caldo e l energia richiesta dal compressore. ε = Qc Wcompressore In pratica, indica la potenza termica ottenibile assorbendo 1kW di elettricità per far funzionare il compressore. Ad esempio, se ε è uguale a 4, vuol dire che da 1 kw elettrico se ne ottengono 4 di potenza termica. 32

33 I valori di ε dipendono principalmente dal salto termico fra sorgente fredda e fluido caldo: più piccolo è tale salto e maggior è il valore di ε, cioè la resa della pompa di calore. Cosa d altra parte assai ovvia in quanto è certamente più facile trasportare calore da 10 a 30 C, piuttosto che da 10 a 50 C. - Coefficiente [COP: Coefficent of performance] relativo al compressore e ai mezzi ausiliari: Il suo valore (definito dalla norma EN 255) è dato dal rapporto fra calore ceduto al fluido caldo e l energia richiesta sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore: dispositivi antigelo, apparecchiature di regolazione e controllo, circolatori, ventilatori. COP = Qc W compressore + W mezzi ausiliari 33

34 PRESTAZIONI ANNUALI DEGLI IMPIANTI A POMPA DI CALORE Tali prestazioni sono individuate col coefficiente COPA, che significa COP annuale. Il suo valore è dato dal rapporto fra il calore ceduto al fluido caldo in un anno e l energia totale richiesta per far funzionare l impianto. COPA = Q utile (annuale) W totale consumata (annuale) È quindi un coefficiente che dipende non solo dalle prestazioni della pompa di calore, ma anche dalle specifiche caratteristiche dei vari sistemi di regolazione e di distribuzione dell energia termica. Ed è questo, e solo questo, il coefficiente che va considerato nel calcolare i costi di gestione di un impianto a pompa di calore nonché i relativi tempi di ammortamento. 34

35 Non è comunque facile determinare i valori del coefficiente COPA in quanto dipendono da diverse variabili spesso assai indefinite, quali ad esempio: - le variazioni di temperatura della sorgente fredda; - il sistema d distribuzione e i terminali utilizzati; - il tipo di regolazione che gestisce l impianto; - il tipo di regolazione che gestisce la pompa di calore. Ha un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni e disattivazioni del compressore. Nelle fasi di attivazione, infatti, la pompa di calore si comporta come un motore che deve scaldarsi. Pertanto i suoi COP sono assai inferiori a quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio svolte a regime e in condizioni ideali. Per determinare i valori del coefficiente COPA sono attualmente disponibili formule e software. È auspicabile, in ogni caso, che presto si possa contare su un metodo di valutazione ufficialmente riconosciuto ed è indispensabile per poter evitare valutazioni soggettive, e quindi contestabili, nel redigere la certificazione energetica degli edifici con pompe di calore. 35

36 TEMPERATURE MASSIME OTTENIBILI Le pompe di calore ad uso civile possono essere suddivise in due classi: la prima comprende pompe in grado di funzionare fino a 55 C, la seconda fino a 65 C. TEMPERATURA MASSIMA = 55 C La maggior parte delle pompe di calore attualmente disponibili presenta questo limite, dovuto essenzialmente alle caratteristiche fisiche e chimiche dei fluidi intermedi utilizzati. È un limite che non comporta problemi negli impianti dove i terminali funzionano a bassa temperatura e dove l acqua calda sanitaria è richiesta a non più di C. Lo stesso limite, invece, non consente soluzioni (a meno di ricorrere a sistemi integrativi del calore) nelle ristrutturazioni dove i terminali sono stati dimensionati a temperature medio - alte. Non consente soluzioni neppure dove sono richieste temperature dell acqua sanitaria oltre i C: ad esempio per servire le cucine e le lavanderie di comunità, oppure per effettuare trattamenti termici antilegionella. 36

37 TEMPERATURA MASSIMA = 65 C Questo limite può essere conseguito con l aiuto di due artifici: il primo ottenibile con un prelievo e una successiva reiniezione di vapore nel normale ciclo di lavoro (il sistema è detto EVI Enhanced Vapour Injection), il secondo effettuato con due cicli di lavoro fra loro collegati in cascata. Sistema EVI Si realizza prelevando una piccola parte del fluido intermedio a valle del condensatore. Questo fluido è dapprima fatto espandere e poi fatto passare attraverso uno scambiatore supplementare. Infine è immesso direttamente nel compressore. Un simile artificio fa aumentare il salto termico del fluido e quindi la temperatura a cui è possibile portare il fluido caldo. Sistema a doppio ciclo di lavoro Il doppio circuito di lavoro è ottenuto con due circuiti semplici fra loro collegati come nel disegno sotto riportato. In pratica, così disposti, i due circuiti si dividono il compito di incrementare il salto termico fra la sorgente e il fluido caldo. 37

38 COME SI PROGETTA UN IMPIANTO GEOTERMICO A POMPA DI CALORE DI UN FABBRICATO? Occorre conoscere preventivamente la potenza termica necessaria per riscaldare e produrre acqua calda sanitaria Occorre conoscere le caratteristiche geologiche, geotermiche e la stratigrafiche del sito. La potenza termica ricavabile per ogni ml di sonda geotermica dipende dal tipo di terreno e di roccia a contatto. 38

39 Il dimensionamento di questi collettori si effettua in base alla resa termica del terreno, che è influenzata soprattutto dalla sua compattezza e dalla quantità che in esso si ritrova (vedi tabella). Potenza termica specifica derivabile dal sottosuolo con collettori orizzontali a serpentini Tipo di sottosuolo Terreno sabbioso secco Terreno sabbioso umido Terreno argilloso secco Terreno argilloso umido Terreno saturo d acqua Superficie W/m² Tubo W/m Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi connessi all uso di antigelo. Con una pompa di calore che ha in dotazione il circolatore per la sorgente fredda, perdite di carico e portata dei collettori devono essere compatibili con le prestazioni di tale circolatore. I dati sono basati sulle seguenti ipotesi: - interasse dei serpentini 40cm; - ore operative annuali 1.800; - superficie del terreno libera; - superficie del terreno non impermeabilizzata. 39

40 Il dimensionamento delle sonde si effettua in base alla resa termica del sottosuolo (vedi tabella). In genere si può considerare una resa termica media di 50 W per ogni metro di sonda. Potenza termica specifica derivante dal sottosuolo con sonde geotermiche Tipo di sottosuolo Sonda W/m Sedimenti secchi 20 Roccia o terreno umido 50 Roccia ad alta conducibilità 70 Ghiaia, sabbia (asciutta) < 20 Ghiaia, sabbia (satura d acqua) Argilla, limo umido Roccia calcarea Arenaria Granito Basalto È consigliabile prevedere salti termici di 3-4 C e scegliere diametri dei circuiti interni che non comportano perdite di carico troppo elevate. Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi dovuti all uso dell antigelo. I dati sono basati sulle seguenti ipotesi: - sonda con doppio circuito a U; - ore operative annuali 1.800; - coefficiente di lavoro COP uguale a 4; - distanza minima fra le sonde 8 m. 40