Pompe di Calore reversibili accoppiate al Suolo (PdC geotermiche)

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1 Pompe di Calore reversibili accoppiate al Suolo (PdC geotermiche) Si ringraziano l ing., R. F. De Masi ed il prof. G.P. Vanoli, dell Università degli Studi del Sannio, per il supporto nella preparazione di questo materiale. Prof. Fabrizio Ascione 1/27

2 Pompe di Calore geotermiche: generalità Nella descrizione delle Macchine Frigorifere e delle Pompe di Calore, si è mostrato come, al fine di ridurre il lavoro di compressione (e quindi il costo di esercizio ) e contemporaneamente aumentare rispettivamente EER (Energy Efficiency Ratio) e COP (Coefficient of Performance), è necessario ed ausipicabile ridurre la differenza tra le temperature dell ambiente interno e della sorgente esterna. Pertanto: nel funzionamento a caldo e quindi a pompa di calore : è opportuno: alzare la temperatura dell ambiente da cui si estrae energia (il terreno ha temperature invernali più alte di quelle dell aria esterna), bisogna ridurre la temperatura di funzionamento degli impianti, e quindi usare ad esempio fan coil e pannelli radianti, che lavorano con T non superiori a 45 C, rispetto ai classici termosifoni che operano con acqua a 75 C. nel funzionamento estivo e quindi a refrigeratore è opportuno: cedere energia ad un ambiente non troppo caldo (il terreno ha temperatura estiva più bassa di quella dell aria esterna), progettare terminali di raffrescamento che lavorano a temperature dell acqua non troppo basse, intorno ai 15 C invece che 7 C (i.e., terminali quali fan coil). Prof. Fabrizio Ascione 2/27

3 Pompe di Calore geotermiche: generalità Pompe di calore / macchine frigorifere geotermiche prevedono l utilizzo del terreno come sorgente/pozzo di energia. Rispetto all aria esterna, il terreno presenta i vantaggi di seguito elencati: ha un inerzia termica molto alta, la qual cosa riduce/annulla le escursioni giornaliere, mensili e talora annuali di temperatura. Questa cosa, sia in inverno che in estate porta il terreno in condizioni termiche più favorevoli (maggiore efficienza) rispetto all aria esterna. Infatti: in inverno, il terreno ha una temperatura più alta di quella dell aria esterna, in estate, il terreno ha una temperatura più bassa di quella dell aria esterna Quando ben dimensionato, con scambiatori sufficienti in ambo le stagioni, un impianto geotermico non richiede ventilatori esterni né torri di raffreddamento. Ciò determina un minore impatto estetico. Prof. Fabrizio Ascione 3/27

4 Accoppiamento Pompa di Calore reversibile e Terreno Ci sono tre modalità attraverso cui accoppiare una pompa di calore reversibile (cioè che funziona anche a macchina frigorifera), al terreno: 1. Mediante un sistema di sonde geotermiche (tubazioni in cui scorre una soluzione a basa acquosa, usata come fluido termo-vettore): sistemi chiusi. 2. Utilizzando direttamente acqua di falda come fluido termo-vettore, potendola reimmettere nel pozzo o meno: sistemi aperti. 3. Usando come fluido termo-vettore acqua di lago, bacino o mare: sistemi aperti. La tecnologia 1 è la più flessibile, e può essere attuata in molteplici declinazioni (sonde verticali, orizzontali, etc). Le possibilità 2 e 3 richiedono il verificarsi di condizioni particolari (presenza di falde e bacini di acqua), nonché importanti verifiche legislative. Nel seguito, pertanto, ci riferiremo prettamente alla prima tecnologia Prof. Fabrizio Ascione 4/27

5 Accoppiamento Pompa di Calore reversibile e Terreno Fonte: Prof. Fabrizio Ascione 5/27

6 Come varia la temperatura del Terreno? Già a 4 metri di profondità, la temperatura del terreno ha un escursione annua di pochi gradi (4 5 C). Tale escursione si riduce a 1-2 C a 8/10 metri di profondità. Ancora più nel sottosuolo, la temperatura rimane pressoché costante durante l intero arco dell anno. Ciò vale in tutti i luoghi, e non solo dove sono presenti pozzi geotermici. Prof. Fabrizio Ascione 6/27

7 Sonde orizzontali Si tratta di serpentine a circuito chiuso interrate ad una profondità solitamente non superiore ad 1 metro. Tali sistemi non richiedono perforazioni profonde, ma esigono che vi sia un'ampia superficie di scambio termico. Come semplicistico ma indicativo criterio progettuale, si può stimare che l'ingombro dell'area in cui corrono le serpentine sia pari a circa volte quello della superficie delle abitazioni da riscaldare. L installazione può essere a serpentina o a spirale Prof. Fabrizio Ascione 7/27

8 Scambiatori a sonde verticali Si tratta di serpentine anche esse a circuito chiuso. Di norma si utilizzano i cosiddetti tubi ad "U", costituenti, appunto, il circuito chiuso in cui scorre il fluido termo-vettore, che nella maggior parte dei casi è acqua mescolata a glicole al fine di abbassarne la temperatura di solidificazione ( congelamento). All'interno della perforazione, sono calati tubi in polietilene. L adiacenza con il terreno circostante è ottenuta mediante un "filler" riempitivo. Il numero delle sonde e la loro lunghezza verticale nel sottosuolo, nonché la loro sezione e quindi la portata massica di acqua che fluisce, sono scelte progettuali che dipendono innanzitutto - ma non solo - dal carico termico dell'edificio da riscaldare, ed anche dalla natura del terreno in cui si opera. Prof. Fabrizio Ascione 8/27

9 Sonde verticali: Materiali e riempimento Nelle prime applicazioni, per le sonde si era soliti utilizzare tubazioni in metallo, generalmente rame. Entrambi problemi di costi e corrosione, ad oggi, hanno portato alla diffusione del polietilene ad alta densità (HDPE). Come detto, all interno delle perforazioni sono inserite le tubazioni. Come riempimento, si è soliti utilizzare bentonite, caratterizzata da un accettabile conducibilità termica, nell intervallo W/mK. Prof. Fabrizio Ascione 9/27

10 Sonde verticali: tipologie Oltre alle sonde a singola U, esistono quelle a doppia U (in cui nella perforazione sono inseriti 4 tubi collegati a coppie nella parte bassa) ed anche i sistemi a tripla U e quadrupla U, nei quali i tubi per perforazione sono rispettivamente sei ed otto. Sono, questi ultimi due, sistemi molto più rari. Esistono, poi, i sistemi assiali, in cui il tubo di ritorno è interno a quello di mandata Prof. Fabrizio Ascione 10/27

11 Sonde orizzontali Nelle installazioni a sonde orizzontali, è opportuno che il campo di sonde non sia al di sotto dell edificio. Questo perché l obiettivo è recuperare energia dal terreno, e quindi indirettamente da radiazione solare, pioggia, vento, condizioni climatiche in genere. Al contrario, un campo di sonde al di sotto dell edificio scambierebbe con l edificio stesso. In definitiva, è opportuno porre il campo geotermico su terreno libero, preferibilmente in spazi non ombreggiati. Due sono le modalità di installazione del sistema di sonde: La prima prevede uno sbancamento di una trincea lineare (larga meno di 1 m), in cui le sonde sono sviluppate con andamento a spirale. Questo consente di ridurre il volume di scavo. La seconda, invece, prevede sbancamento di ampie aree, fino ad 1.5 volte la superficie edilizia da climatizzare, in cui le sonde sono disposte a serpentino. Prof. Fabrizio Ascione 11/27

12 Dimensionamento di un campo di sonde geotermiche a sviluppo verticale Nella scelta di tipologia e numero di sonde intervengono diversi fattori, tra cui: Tipologia di terreno e relative proprietà termo-fisiche Caratteristiche della sonda geotermica Caratteristiche del sistema edificio impianto Obiettivi prestazionali Sebbene non sia sempre effettuata, specialmente per piccoli impianti (taglia non superiore ai 30 kw), una geognostica preventiva è necessaria per la progettazione del campo di sonde. Tale attività consiste in una serie di operazioni comprendenti l accertamento della stratigrafia del sottosuolo, e quindi indagini sui parametri termici (conducibilità, capacità termica, etc.), così come indagini relative alla presenza di acqua. Le analisi vanno effettuate sull intero volume significativo, e quindi sull insieme di terreno (a campione) interessato dalla eventuale presenza di scambiatori. Indicazioni esaustive sono riportate dalla Norma tedesca VDI 4640, la quale asserisce che i metodi semplificati sono accettabili solo al di sotto dei 30 kw. Prof. Fabrizio Ascione 12/27

13 Dimensionamento di un campo di sonde geotermiche a sviluppo verticale E necessario innanzitutto calcolare la potenza richiesta dallo scambiatore esterno (evaporatore in inverno, condensatore in estate) della Pompa di Calore. Ad esempio, con riferimento alla stagione invernale, sarà nel seguito chiamato P evap. Per fare ciò è necessario determinare le ore di funzionamento equivalenti dell impianto e le caratteristiche del terreno. In particolare, una volta nota la potenza termica da progetto (P prog ) (per il riscaldamento, o per riscaldamento più acqua calda sanitaria, a seconda delle necessità) e il coefficiente di prestazione della pompa di calore (COP), la potenza richiesta allo scambiatore esterno ed estratta dal terreno sarà calcolata come nell equazione di cui sotto: P = COP 1 COP ev P prog A questo punto, è necessario valutare, in funzione del tipo di suolo, la potenza specifica estraibile (P terreno ). In prima approssimazione e per impianti di piccola taglia, si possono assumere i valori riportati nella tabella alla slide seguente. Prof. Fabrizio Ascione 13/27

14 Dimensionamento di un campo di sonde geotermiche a sviluppo verticale Potenza di estrazione dal terreno in funzione delle ore di funzionamento degli impianti Fonte: quaderno Caleffi Idraulica 38 Prof. Fabrizio Ascione 14/27

15 Dimensionamento di un campo di sonde geotermiche a sviluppo verticale A questo punto, noti a) la potenza termica richiesta all impianto, b) il COP della macchina, c) le ore di funzionamento e la potenza specifica di estrazione con la seguente equazione si calcola la lunghezza complessiva delle sonde: L = sonde P P evap terreno Comunemente, come detto, si usano tubazioni ad U, con diametri di mm. Le perforazioni non dovrebbero essere distanti tra loro meno di 5 metri. Il medesimo calcolo deve essere effettuato nella stagione estiva. Andrà poi scelta la lunghezza maggiore delle sonde, come valutata nelle due stagioni. In alternativa, se si sceglie la lunghezza invernale, minore, si può utilizzare una torre di raffreddamento in ausilio al gruppo frigo acqua acqua per la stagione di raffrescamento. Tale lunghezza andrà spalmata in un certo numero di perforazioni, caratterizzate da una scelta profondità. E opportuno che l impianto sia utilizzato sia di inverno che di estate, questo perché durante la fase di riscaldamento viene ulteriormente raffreddato, mentre in estate è il pozzo in cui si riversa l energia termica estratta dagli edifici. Un uso annuale, pertanto, consente di caricarlo dopo averlo scaricato in inverno. Prof. Fabrizio Ascione 15/27

16 Le procedure di cantiere: esecuzione delle perforazioni Srotolatore per sonde geotermiche Procedura di posa in opera di una sonda (Fonte Geo-net) Prof. Fabrizio Ascione 16/27

17 Laboratorio di Sintesi Finale in progettazione architettonica Le procedure di cantiere: esecuzione delle perforazioni Sonde geotermiche verticali Prof. Fabrizio Ascione Peso agganciato alla base della sonda 17/27

18 Le procedure di cantiere: esecuzione delle perforazioni Pompa di iniezione (Fonte Geo-net) Iniezione della malta a fondo foro (Fonte Geo-net) Prof. Fabrizio Ascione 18/27

19 Le procedure di cantiere: esecuzione delle perforazioni Riempimento del vano anulare con bentonite (Fonte Studio Seta) Configurazione finale di una sonda a singolo U, tappata per evitare le infiltrazioni di fango Prof. Fabrizio Ascione 19/27

20 Dimensionamento di un campo di sonde geotermiche a sviluppo orizzontale La procedura è analoga a quella mostrata per le sonde verticali, con alcune differenze. Innanzitutto, in questo caso, le escursioni stagionali di temperatura del suolo non sono trascurabili. Analogamente, anche la configurazione scelta per la posa (a trincea o serpentino) e il tipo di terreno influiscono sulla progettazione. Per i sistemi a serpentino, si può considerare una potenza specifica di estrazione nell intervallo W/m 2, mentre per i sistemi a trincea si considerano W/m (sistemi a singolo tubo) e W/m per i sistemi a doppio tubo. A questo punto, sarà sufficiente dividere la potenza richiesta al terreno (P evap ) per la potenza specifica di estrazione (P terreno ) per avere rispettivamente l area di scavo o la lunghezza della trincea. Prof. Fabrizio Ascione 20/27

21 In alternativa alle sonde, orizzontali e verticali, principalmente in impianti realizzati contestualmente all edificio si può optare per i PALI GEOTERMICI Si inserisce un sistema di sonde geotermiche nei pali di fondazione dell edificio, al momento della costruzione, se essi sono necessari per aumentare la portanza del terreno. Si usano tubi in polietilene o polietilene reticolato, inseriti nell armatura di fondazione, Le sonde sono poi annegate nel getto di calcestruzzo. Prof. Fabrizio Ascione 21/27

22 Sistemi aperti: cenni Esistono poi i sistemi aperti, in cui il fluido utilizzato dalla PdC per l estrazione o cessione di energia, è direttamente acqua (di falda, lago, fiume) Il pozzo di estrazione deve garantire una quota minima di portata in arrivo alla pompa di calore, la qual cosa implica che le quote di estrazione e immissioni devono essere tali da non provocare squilibri del sistema. Di solito, la portata minima è intorno a 0.25 m 3 /h per ogni kwh di capacità dell evaporatore della macchina. E necessario perforare i pozzi di immissione ad una cera distanza da quelli di estrazione, onde evitare problemi di variazione termica eccessiva dell acqua di falda (ΔT < 6 C ). Nella progettazione, è necessario considerare la eventuale presenza di ferro o manganese nell acqua. In abbinamento a infiltrazioni di aria, infatti, si avrebbero rilevanti fenomeni di incrostazione. Per evitare ciò, il sistema deve essere perciò mantenuto chiuso e sotto pressione. Il sistema presenta un evidente semplicità di realizzazione ma comporta una serie di problemi relativi al depauperamento della falda (se l acqua non viene reimmessa) e possibili fenomeni di contaminazione della stessa (se il circuito d iniezione non è totalmente chiuso). Sono sempre necessarie complesse autorizzazioni. Prof. Fabrizio Ascione 22/27

23 Pompe di Calore e Macchine frigorifere geotermiche: Analisi dei possibili impatti negativi Prof. Fabrizio Ascione 23/27

24 Pompe di Calore e Macchine frigorifere geotermiche: Analisi dei Costi La ripartizione dei costi: Si hanno costi di: trasferimento impianto, cantiere, perforazione, installazione, cementazione e collaudo delle sonde. Costi di perforazione: variano da 50 a 60 /m, in funzione dei metri complessivi perforati, a prescindere dal numero di perforazioni; Sonda: per una sonda tipica di 100 m, il prezzo è da 9 a 20 /m in base alla qualità del materiale. A tale valore va aggiunto il costo dell inserimento della sonda nel foro da 114 a 144 /pz. Prof. Fabrizio Ascione 24/27

25 Impianti Geotermici Cenni finali Relativamente, infine, al fluido termo-vettore che scambia energia tra scambiatore esterno della pompa di calore reversibile e terreno, si possono usare: Acqua: ciò richiede che non vi sia rischio di congelamento, e quindi temperature nelle sonde inferiori a 4 5 C. Questo significa che tale fluido non è utilizzabile in climi invernali rigidi. Glicole etilenico. In tal caso, non vi è rischio di congelamento nemmeno al disotto degli 0 C. Tale soluzione è però inquinante, ha un costo, minore prestazioni di scambio termico. Si ricorda, ancora, che le pompe di calore in generale e quelle geotermiche in particolare, funzionano tanto meglio quanto non estreme sono le temperature agli scambiatori. Pertanto, è buona norma progettare l impianto da climatizzazione in modo tale che questo funzioni a bassa temperatura in inverno (35 40 C) e alte temperature in estate (intorno ai 15 C la T, se l impianto non deve deumidificare). Si prestano bene, pertanto, come terminali di impianto: Ventilconvettori Pannelli Radianti Prof. Fabrizio Ascione 25/27

26 Impianti Geotermici Cenni finali Infine, si ricorda che per impianti di una certa importanza (potenze superiori ai 30 kw) è necessaria una progettazione accurata, finalizzata ad una opportuno dimensionamento del campo di sonde geotermiche. Pertanto, è necessario adempiere ad una serie di indagini preventive in-situ, tramite Ground Response Test. Tali studi prevedono molteplici fasi di rilievo delle caratteriste termiche del terreno, provvedendo mediante metodi diretti quali rilievi geologici e sondaggi (carotaggi) e prove penetro-metriche. Esistono, poi, metodi indiretti, non invasivi, quali i metodi elettrici, i metodi sismici attivi e sismici passivi. Tali indagini valutano le proprietà termiche misurando altre grandezze, quali la conducibilità elettrica o i parametri di resistenza meccanica. Prof. Fabrizio Ascione 26/27

27 Fonti bibliografiche e testi per approfondire: Arturo de Risi (Responsabile scientifico). Sviluppo di un tool per la stima dei consumi energetici di impianti termici. Università del Salento per ENEA Ricerca di Sistema Elettrico. Ottimo materiale disponibile on-line M. Caleffi, Impianti a Pompe di Calore geotermiche ca_38.pdf M. Tornaghi, Geotermia. Manuale tecnico pratico per la realizzazione di un impianto geotermico, Editore: Sistemi Editoriali F. Tinti, Geotermia per la climatizzazione, Applicazioni - Tecnologia - Analisi costi-benefici. Dario Flaccovio Editore R. Delmastro, G. M. Noce, GSHP. Geotermia a sonde verticali. Editore: Geonergia Prof. Fabrizio Ascione 27/27