MODULO 1 20 ore. Argomento della lezione:

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1 MODULO 1 20 ore Nozioni teoriche, fondamenti di termotecnica e caratteristiche dei materiali impiegati in ambito di realizzazione dell edificio - impianto. Argomento della lezione: Sistemi per l uso di fonti energetiche rinnovabili rinnovabili : GEOTERMIA. Docente Dott. Ing. Michele Conti N Ore 2 ore 1

2 L Energia Geotermica 2

3 GRADIENTE TERMICO Nella maggior parte delle aree terrestri, le rocce hanno una temperatura di circa C a 500 m di profondità, e di C a 1000 m. In altre zone, dove le condizioni geologiche sono più favorevoli (crosta terrestre più sottile, vulcanismo e/o fratture tettoniche), le temperature possono raggiungere e superare i 200 C. L energia termica accumulata in queste zone viene resa disponibile a profondità accessibili da vettori termici presenti nella crosta terrestre e denominati fluidi geotermici. Al disotto di metri si ha la zona di omotermia, in cui il calore è fornito esclusivamente dal flusso proveniente dall interno della terra con un aumento medio progressivo di 1 C ogni 33 metri di profondità. 3

4 DEFINIZIONE L energia Geotermica è generata dal calore terrestre. L origine di questo calore è legato alla natura interna del nostro pianeta e con i processi fisici che in esso hanno luogo; E una risorsa diffusa praticamente inesauribile (se sfruttata correttamente), costantemente disponibile nel tempo, rinnovabile e a bassissimo impatto ambientale. Rappresentazione schematica di un sistema geotermico 4

5 LA FONTE DI CALORE 5

6 Tecnologie di utilizzo applicabili.. nel futuro In base ai dati delle temperature dei pozzi disponibili è possibile determinare gli utilizzi più probabili della risorsa geotermica: le basse temperature rilevate fanno ritenere maggiormente conveniente le tecnologie che utilizzano la geotermia per la produzione di calore (Sonde geotermiche verticali associate a pompe di calore, utilizzo diretto dell acqua di falda, pali energetici). Non esistono dati su perforazioni profonde relativi all area pedemontana che possano a priori escludere utilizzi per la produzione di energia elettrica (temperature >100 ). 6

7 Le centrali geo-termoelettriche Impianti geotermici in funzione ad Orbetello Islanda, USA (Yellowstone-Park), New Zeland, Australia, Kenya 7

8 IMPIANTISTICA GEOTERMICA LA POMPA DI CALORE 8

9 Pompa di calore Energia primaria EPe 9

10 Macchina frigorifera Energia primaria EPe 10

11 IL MOTORE TERMICO IL CICLO DI CARNOT 11

14 Importanza del Ciclo di Carnot CORSO DI ABILITAZIONE PER LA Il ciclo di Carnot è di notevole importanza per la Termodinamica, sia sotto l'aspetto applicativo che teorico. Dal punto di vista applicativo esso stabilisce un limite superiore al rendimento di una macchina termica, note la temperatura massima e minima del fluido di lavoro. 14

15 Pompa di calore: Considerazioni energetiche 15

16 Pompa di calore 16

17 Pompa di calore =

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20 LA SORGENTE GEOTERMICA 20

21 CORSO DI ABILITAZIONE PER LA SISTEMI DI CAPTAZIONE GEOTERMICA SONDA VERTICALE 13 aprile 2012 Dott. Ing. Michele Conti 21

22 SISTEMI DI CAPTAZIONE GEOTERMICA CAMPO ORIZZONTALE 22

23 SISTEMI DI CAPTAZIONE GEOTERMICA FALDA ACQUIFERA 23

24 Le Sonde geotermiche Il funzionamento della SGV si basa sull evidenza che, già oltre i 20 metri di profondità, la temperatura del sottosuolo è costante. Le sonde geotermiche verticali (SGV) sono degli scambiatori di calore installati in perforazioni. Le profondità delle perforazioni arrivano fino a 400 m, ma in alcune aree potrebbero già essere sufficienti m e comunque la tendenza è quella di non superare più i 100 m. Sono sufficienti temperature dell acqua di falda di ; l impianto è associato a pompe di calore ed impianti di riscaldamento a bassa temperatura (pannelli radianti e pavimenti riscaldanti). 24

25 Le Sonde geotermiche (2) Caratteristiche tecniche della SGV: Superficie di riferimento energetico mq Potenza Massima di riscaldamento 8 kw (100%) Potenza della SGV 5.2 kw (65%) Potenza della Pompa di Calore 2.8 kw (35%) Profondità della perforazione m Costi d investimento della SGV (2002) Perforazione e SGV completa Pompa di calore Installazione, materiale, sistema di regolazione del riscaldamento e preparazione dell acqua sanitaria Totale

26 Le Sonde geotermiche La sonda verticale da suolo 1. profondità almeno 1m e inclinazione verso le sonde 5. diametro foro di trivellazione circa mm 6. distanza dalle fondamenta almeno 4-5m 6. distanza dalle altre tubazioni di acqua, di acque reflue o tubazioni di alimentazioni varie almeno 0,7m NOTE: Verificare i m 2 liberi disponibili per i lavori di trivellazione Profondità massima del pozzo 100m Distanza minima fra due pozzi 8-10m (per evitare effetti di esaurimento di medio-lungo periodo). La sonda verticale da suolo garantisce grande stabilità della temperatura della sorgente (COP). 26

27 La sonda verticale da suolo CORSO DI ABILITAZIONE PER LA Le sonde sono in polietilene (PE), polipropilene (PP) o polibutilene (PB); una valida alternativa è costituita dai tubi in PE-Xa specifici per geotermia, con caratteristiche di resistenza meccanica e termica. Sigillante: miscela di bentonite (minerale argilloso), cemento d alto forno, di sabbia e acqua Il fluido termovettore che corre nella sonda è costituito da una miscela 1:3 in volume di acqua e 1,2 propilenglicole biodegradabile e non tossica. Tale miscela garantisce una protezione dal gelo fino a -15 C. 27

28 La sonda verticale da suolo, potenza estraibile Norma di riferimento VDI 4640, valida per potenze <30kW th La sorgente di calore non deve provocare alterazioni eccessive nella temperatura del medio circostante: ± 11K sul carico di base; ±17K di picco. Se ci sono più installazioni vicine (sempre <30kW th ) si deve ridurre la potenza d estrazione di 10-20%. 28

29 La sonda verticale da suolo, potenza estraibile: PROVA IN CAMPO Il Test di Risposta Termica consente di ottenere: - la conduttività termica del terreno (W/m,K) - la resistenza termica del complesso sonda K/(W/m) 29

30 I Pali Energetici Sono delle geostrutture (principalmente pali) in calcestruzzo o calcestruzzo armato dalla duplice funzione: fungere da fondamenta ed, equipaggiate con scambiatori di calore, fornire calore all edificio che sostengono. All interno dei pali sono installati dei tubi in polietilene ad U (due o più a seconda del diametro del palo da 0.4 a 1.5 m). Un fluido portatore di calore circola nel circuito chiuso tra i pali e la pompa di calore. I Pali energetici funzionano secondo un ciclo annuale, con un estrazione di calore dal terreno durante la stagione di riscaldamento ed un estrazione di freddo durante il periodo di climatizzazione. 30

31 Il collettore da suolo orizzontale Con il collettore orizzontale da prato si lavora nei primi metri di sottosuolo, pertanto diventa fondamentale l apporto di calore dell acqua piovana (percolazione) e del sole (irraggiamento solare). La temperatura della sorgente è meno stabile. 1. 0,5 m distanza dal bordo esterno delle fronde degli alberi 2. 1,2 m 1,5 m profondità tipica di posa 3. 1,5 m distanza dalle tubazioni di acqua sanitaria, acque reflue e acque piovane 4. 1,5 m distanza dalle fondazioni dell edificio 5. 1 m distanza dalle fondazioni di recinzioni e simili. NOTE: Distanza minima fra le tubazioni di andata/ritorno dalla pompa di calore al pozzo distributore/collettore pari ad almeno 0,7m 31

32 Collettore orizzontale da suolo, potenza estraibile 32

33 Il collettore da suolo orizzontale capillare Con il collettore orizzontale da prato a capillare si riducono fortemente le superfici necessarie, ma le potenze trasferibili sono limitate a 11kW cm sotto il limite del gelo di 1,2-1,5m 9. 6metri 10. 1m 33

34 Il collettore da suolo orizzontale capillare 34

35 Il collettore da fosso verticale/orizzontale. 1. 0,5 m di distanza dal bordo esterno delle fronde degli alberi 2. 1 m profondità di posa 3. 1,5 m di distanza dalle fondazioni dell edificio 4. 1,5 m di distanza dalle tubazioni dell acqua sanitaria, reflue e piovane 5. 1 m distanza dalle fondazioni di recinzioni e simili 6. altezza collettore 1,6 m 2,0 m 7. larghezza del fosso alla sommità circa 2,6 m 3 m, alla base (8.) circa 1,2 m 35

36 Il collettore da fosso verticale/orizzontale. 36

37 Il collettore da fosso verticale/orizzontale. Per i tubi del collettore si è affermato il tubo PE con diametri nominali D20 (diametro esterno 20 mm, spessore parete 2 mm). Si possono comunque impiegare per il collettore anche diametri di tubo D 25, D 32 o D

38 Il collettore idraulico ed i suoi collegamenti. 38

39 Sfruttamento diretto della falda freatica Dopo aver estratto l acqua sotterranea attraverso l emungimento di un pozzo, una pompa di calore trattiene la sua energia e fornisce una temperatura sufficiente per il riscaldamento delle abitazioni. Una volta raffreddata, l acqua viene reimmessa in falda mediante un secondo pozzo o, in alternativa, iniettata nella rete comunale d approvvigionamento idrico. Il sistema presenta un evidente semplicità di realizzazione e di utilizzo della risorsa ma comporta una serie di problemi relativi al depauperamento della falda (se l acqua emunta non viene reimmessa) e possibili fenomeni di contaminazione della stessa (se il circuito d iniezione non è totalmente chiuso). 39

40 Sistemi aperti Per l impiego dell acqua sotterranea occorre considerare: - la disponibilità locale - temperatura e quantità - approvazione della autorità - il grado di durezza - gli effetti della corrosione L acqua del sottosuolo dal punto di vista tecnico è la più idonea all impiego come sorgente primaria per la pompa di calore, infatti l acqua ha un elevato calore specifico (capacità di trasportare calore) e la temperatura dell acqua freatica è praticamente costante tutto l anno ed ha un valore minimo di circa 8-10 C. 40

41 Sistemi aperti 4. La profondità massima dell acqua sotterranea non dovrebbe superare i m perché l utilizzo sia economicamente conveniente 5. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 6. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 8. Distanza della pompa ad immersione dal fondo del pozzo almeno di 50-70cm 11. Distanza min. dal pozzo 15 m 41

42 La normativa D.Lgs n. 152 del 11 maggio 1999 e s.m.i. - Disposizioni sulla tutela delle acque dall'inquinamento e recepimento della direttiva 91/271/Cee concernente il trattamento delle acque reflue urbane e della direttiva 91/676/Cee relativa alla protezione delle acque dall'inquinamento provocato dai nitrati provenienti da fonti agricole. (Pubblicato sul Supplemento Ordinario n. 101/L alla Gazzetta Ufficiale n. 124 del 29 maggio 1999) Articolo 30 - Scarichi nel sottosuolo e nelle acque sotterranee 1. È vietato lo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo. 2. In deroga a quanto previsto al comma 1 l'autorità competente, dopo indagine preventiva, può autorizzare gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi geotermici, delle acque di infiltrazione di miniere o cave o delle acque pompate nel corso di determinati lavori di ingegneria civile, ivi comprese quelle degli impianti di scambio termico. 42

43 Caratteristiche acqua e impurità Il fattore determinante che influenza maggiormente la durata di un pozzo è il fenomeno dell'infiltrazione d'ocra. Con il termine infiltrazione d' ocra si intende il deposito di composti di ferro e di manganese insolubili. La tabella sopra elenca il campo di valori ammessi per la qualità dell acqua sotterranea da considerarsi idonea all uso con un impianto a pompa di calore. 43

44 Scambiatore di calore a protezione del sistema Pompa ad immersione Tipo Grundfoss Scambiatori Alfa Laval o similari In caso la composizione chimica non rispetti i valori da specifica occorre inserire uno scambiatore in acciaio inox fra l acqua freatica e la pompa di calore a compressione 44

45 Dimensionamento di massima della pompa e del pozzo Se non sono disponibili dati certi sul tipo e lo stato della falda acquifera occorre effettuare una prova di estrazione di h ad una portata di 240l/h per ogni kw installato; questo per verificare che la falda freatica non sia di tipo piovano. 45

46 Riepilogo: scelta della sorgente 46

47 Riepilogo: scelta della sorgente 47

48 Il ciclo termodinamico Il processo termodinamico della pompa di calore a compressione si basa sul principio di un fluido circolante in un anello chiuso sottoposto a quattro distinte fasi: - Assorbimento di calore (1) da parte del fluido dall ambiente circostante durante l evaporazione (75%) - Compressione (2) del fluido allo stato di vapore ad una pressione e temperatura superiori (25%) - Trasferimento del calore (3) assorbito dal fluido all ambiente circostante nella fase di condensazione - Espansione (4) del fluido allo stato di liquido alla pressione/temperatura di inizio del processo (diminuzione della pressione e temperatura) 48

49 Il ciclo completo (valori numerici di esempio) Bassa pressione Alta pressione Eva por ato re Compressor e Condensator e Pompa medio esterno da scaldare Pompa medio esterno da cui attingere calore Sotto raffreddatore (+20%) Valvola di espansione Vetro spia Essiccatore 49

50 25% di energia dal compressore 75% di energia dall ambiente 50

51 POMPA DI CAORE CON BOLLITORE A.C.S. 1 bollitore a doppia camicia da 150lt 2 collegamenti elettrici 3 avviatore dolce 4 compressore Scroll 5 filtro antiumidità 6 pompa salamoia 7 resistenza elettrica 8 regolatore energetico 9 pompa impianto di riscaldamento 10 valvola deviatrice acqua calda/riscaldamento 51

52 L IMPIANTO CON POMPA DI CALORE 52

53 Produzione Acqua Calda Sanitaria - ACS. Nella preparazione dell acqua calda, come per l impianto di riscaldamento, che conta è la possibilità di trasmettere sempre la potenza della pompa di calore (max kW); pertanto occorrono grosse superfici di scambio, superfici che sono garantite ad esempio dai boiler a doppia camicia (geostor VDH). La temperatura massima dell acqua sanitaria al prelievo è di C. Il boiler funziona secondo il principio della stratificazione. Il riscaldamento dell acqua sanitaria ha luogo iniziando dalla parte superiore del serbatoio, dove avviene il prelievo. Grazie ad una perfetta stratificazione acqua calda/acqua fredda è possibile un elevato sfruttamento dell acqua calda accumulata. Ciò significa che è possibile prelevare la maggior parte dell intero volume d acqua senza che la temperatura dell acqua calda in uscita diminuisca. 53

54 Superfici di scambio... Stazione di carica sanitaria Se si utilizzano bollitori tradizionali o stazioni di carica, si deve garantire sempre una superficie di scambio pari ad almeno: scambiatore tubolare: area 0,30 m 2 /kw, T=6K, coeff W/(m 2 K) scambiatore a piastre: area 0,15 m 2 /kw, T 6K, coeff W/(m 2 K) La temperatura massima dell acqua sanitaria al prelievo è di C. 54

55 Riscaldamento e Produzione Acqua Calda Sanitaria - ACS. 55

56 Schemi d impianto generici: esempi realizzativi... 56

63 Schemi d impianto generici: esempi realizzativi... Possibilità di interdire la carica sanitaria da parte della PdC, per far lavorare il sistema solare 63

64 Schemi d impianto generici: esempi realizzativi... Schemi di impianto, desurriscaldatore + ZEEH + sistema solare 64

66 RAFFRESCAMENTO GEOTERMICO 66

67 Raffrescamento naturale (- 2/3 C ambiente) installazione facile nessuna pompa di calore particolare rigenerazione complementare del terreno bassi costi di funzionamento: compressore spento durante il rafffrescamento Siccome l acqua freatica ed il terreno sono nella maggior parte dei casi più freddi in estate rispetto alla temperatura dell ambiente è possibile raffrescare (-2/3 C ambiente) un locale tramite ventilconvettori o il riscaldamento a pavimento. Nel circuito della soluzione salina o d acqua freatica viene installato uno scambiatore di calore a piastre, la temperatura di raffrescamento viene regolata tramite un miscelatore a 3 vie. La pompa di raffrescamento viene attivata a seconda del bisogno, tramite una sonda di temperatura ambiente. 67

68 Raffrescamento naturale (- 2/3 C ambiente) Rese di raffrescamemento: potenza di raffrescamento delle sonde verticali: ca. 30/40 W/m potenza di raffrescamento del collettore orizzontale: ca. 3 volte la superficie da raffr. potenza di raffrescamento con ventilconvettori: ca. 11W/m 2 K potenza di raffrescamento con riscaldamento a pavimento: ca. 6 W/m 2 K La temperatura del punto di rugiada non deve essere superata, altrimenti si forma condensa nei muri, occorre installare un deumidificatore. 68

69 Raffrescamento naturale (- 2/3 C ambiente) Resa teorica sensibile del raffrescamento a pavimento Dalla tabella e dal grafico seguenti si rilevano due aspetti: 1 la resa è notevolmente influenzata dall'interasse di posa; 2 la resa "sembra bassa rispetto ai normali calcoli dei carichi sensibili. Per ciò che riguarda il primo aspetto è necessario che l'interasse di posa non superi i cm ed anche il t sia basso. Relativamente al secondo aspetto, l esperienza ha dimostrato che il pannello aumenta notevolmente la sua resa (fino a 100 W/m 2 ) quando serve e cioè in caso di irraggiamento diretto del sole sul pavimento. 69

70 Raffrescamento naturale: schema impianto Raffrescamento naturale, con impianto a pavimento + deumidificatore Raffrescamento naturale, con ventilconvettore 70

71 Raffrescamento naturale: schema impianto 71

72 GRAZIE DELL ASCOLTO. E SPAZIO AL DIBATTITO!! 72