STUDIO PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE IMPIANTI DI GEOTERMIA

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1 GUIDA ALLA PROGETTAZIONE E ALL INSTALLAZIONE Gli impianti geotermici a pompa di calore sfruttano al meglio l energia pulita del sottosuolo con ottimi rendimenti. L energia geotermica definita di bassa temperatura, diversamente da quella omonima energia nota come geotermia ad alta temperatura (manifestazioni termali, fumarole e soffioni boraciferi), è una risorsa naturale, gratuita e rinnovabile disponibile ovunque. L energia utilizzata negli impianti geotermici di bassa temperatura con pompa di calore viene definita tecnicamente anche energia geotermica di bassa entalpia. L energia fornita dal sottosuolo viene utilizzata per riscaldare, raffrescare condizionare, e produrre acqua calda sanitaria per gli edifici, è facilmente fruibile mediante pompe di calore e sonde geotermiche verticali SGV. L energia geotermica si trova nel sottosuolo sotto forma di calore e la sua unica ed evidente manifestazione è la temperatura. Con la temperatura dei terreni e delle rocce di circa C ad una profondità di 100 mt, l energia contenuta del sottosuolo è rilevante. Il flusso di calore dall interno della terra verso la superficie è inesauribile. La temperatura della crosta terrestre è influenzata dalle variazioni climatiche fino ad una profondità di 10-15mt, al di sotto di questa profondità, a prescindere che si tratti di terreni alluvionali o rocce antiche, si mantiene costante. La temperatura rimane costante per l effetto del bilanciamento tra il flusso di calore proveniente dal nucleo, dal mantello terrestre e dagli apporti di energia solare alla superficie terrestre e talvolta con il contributo dell energia apportata dalle acque sotterranee. 1

2 Con l aumentare della profondità, la temperatura del terreno aumenta di circa 3 C ogni cento metri grazie al gradiente termico, apportando un ulteriore beneficio al rendimento del sistema. La sezione geotermica deve essere dimensionata e bilanciata con molta attenzione, estrarre una elevata quantità di energia dal sottosuolo, in un arco di tempo troppo breve, può provocare un blocco dell impianto geotermico. La conoscenza e l esperienza dei tecnici Acqua ewo consente di operare allo stato dell arte e della tecnica per ottenere la massima performance. Per usufruire di questa grande quantità di energia gratuita nel sottosuolo sono state sviluppate le sonde geotermiche verticali SGV, scambiatori di calore realizzati in tubi di polietilene a circuito chiuso inserite nel foro di perforazione eseguito alla profondità calcolata (max 200 mt). La sonda geotermica verticale viene saldamente ancorata al terreno con la cementazione bentonitica. Questa operazione garantisce inoltre il contatto termico e la sigillatura del perforo. La tecnologia del sistema geotermico a sonde verticali è nata in Svizzera, 20 anni fa, dove sono stati realizzati i primi scambiatori di calore verticali raggiungendo la profondità di circa 100 mt. Questo nuova tecnica ha gradualmente sostituito i collettori orizzontali, scambiatori interrati a poca profondità e di conseguenza soggetti alle influenze climatiche stagionali (terreno freddo in inverno quando necessita riscaldamento, terreno caldo d estate quando necessita condizionamento) non garantendo così una prestazione costante. Il progresso tecnologico delle pompe di calore, soprattutto con l introduzione dei compressori scroll rotativi, ha permesso di raggiungere eccellenti rendimenti (COP > 4,5 B/W 0 /35 ) rendendo così l impianto ad energia geotermica, uno dei più efficienti sistemi per il riscaldamento e condizionamento esistenti sul mercato. Le crisi energetiche e il continuo aumento del costo dell energia da prodotti petroliferi hanno reso ancora più competitivo l utilizzo di questa tecnologia. I maggiori utilizzatori di questa tecnologia sono in Svizzera con il 60 % dei nuovi edifici, in Germania, in Svezia, in Francia e da pochi anni in Italia con notevoli risparmi di gestione. La progettazione Una attenta progettazione dell impianto è il fattore determinante per il successo di un sistema ad alta efficienza energetica e lo è ancora di più per un impianto ad energia geotermica. In questa importante fase nulla deve essere tralasciato, ogni area geotermica ha le proprie caratteristiche e necessita di valutazioni appropriate. Gli aspetti da analizzare preventivamente in ogni applicazione geotermica sono molteplici, ogni applicazione fa ricorso ad estrazione (fase invernale 2

3 riscaldamento) a reimmissione di calore (fase estiva condizionamento) dal sottosuolo che a loro volta devono soddisfare i singoli fabbisogni dell edificio, delle zone climatiche di operatività e dalla struttura geologica dei siti. Di conseguenza l elaborazione dei progetti deve tener conto di molteplici fattori: Geologia e idrogeologia del sottosuolo; Disposizione spaziale delle sonde geotermiche; Fabbisogno termico dell edificio. I prodotti scelti nella fase di progettazione per le realizzazioni rispettano i migliori standard europei di qualità, affidabilità,sicurezza e durabilità. La progettazione deve essere eseguita rispettando le norme di riferimento (VDI) ricorrendo a tecnologie di ricerca per la definizione delle proprietà geotermiche del terreno (GROUND RESPONSE TEST). Gli impianti ad energia geotermica possono soddisfare i fabbisogni termici di edifici residenziali, alberghieri e industriali. Le sonde geotermiche SGV Le sonde geotermiche si possono considerare come il cuore dell impianto geotermico con pompa di calore, esse devono essere dimensionate e realizzate allo stato dell arte. Per la realizzazione delle sonde geotermiche è necessaria una perforazione verticale nel terreno da circa 70 mt a 200 mt. Questa opera va a costruire lo scambiatore di calore necessario per ricavare energia gratuita dal sottosuolo. Gli impianti geotermici possono prevedere più sonde geotermiche verticali, e costituiscono il campo di sonde geotermiche. Il campo geotermico deve essere dimensionato considerando una distanza da una sonda all altra dai 7-8 metri, questo per evitare l intersezione fra aree di influenza termica di più sonde, a lungo termine se non rispettato può determinare cali di rendimento dell impianto. Campo sonde geotermiche SGV per impianti fino a 30 kw La resa della sonda geotermica è data dalle caratteristiche geologiche del sottosuolo. La conducibilità termica del terreno e di conseguenza la potenza termica estraibile a metro lineare può variare da sito a sito in modo rilevante. 3

4 La normativa tedesca VDI 4640 fornisce un riferimento utile per il dimensionamento delle sonde SGV, ma in ogni caso si consiglia di adottare cautela nell adozione dei parametri numerici indicati. Bisogna inoltre considerare le ore di funzionamento annuali 1800 o 2400, questo influisce sulla resa specifica effettiva. Questi dati possono essere utilizzati per piccoli impianti fino a 30 kw di potenza della pompa di calore, 4-5 sonde geotermiche verticali. Le normative VDI considerano solo la stagione di riscaldamento e di conseguenza le valutazioni per il raffrescamento devono essere condotte a parte. Tabella norme VDI citate. 4

5 Campo sonde geotermiche SGV per impianti superiori a 30 kw- Per impianti di potenze superiori ai 30kw oltre alla potenza termica lineare bisogna tener conto del fattore energetico. Lo stesso tipo di terreno, a parità di conducibilità termica, può infatti fornire una potenza di estrazione lineare variabile in funzione dell energia richiesta dal sistema, della distanza e profondità delle sonde. La lunghezza, la disposizione e il numero complessivo delle sonde dipende dalla costituzione geologica del sottosuolo e dal fabbisogno energetico dell edificio. Il prelevamento energetico di un campo sonde geotermiche comporta una riduzione repentina delle temperature del sottosuolo. E evidente come un attenta valutazione geologica ed energetica comporti il buon esito della progettazione e dell esecuzione della sonda geotermica. Per la progettazione di impianti con potenze superiori ai 30 kw è indispensabile eseguire dei test specifici geofisici di risposta geotermica (Ground Response Test) e di appropriati calcoli numerici mediante l uso di specifici software. Simulazione delle temperature di esercizio in 25 anni (impianto tipico del nord Italia con riscaldamento e raffrescamento). 5

6 GROUND RESPONSE TEST Ci sono aspetti geologici, litostratigrafici, l idrologici, l area a disposizione per le perforazioni, la distanza tra le sonde, tutti gli aspetti termotecnici di fabbisogno energetico, potenza della pompa di calore, temperature di emissione e molti altri,che condizionano e/o determinano l efficienza finale del sistema geotermico a pompa di calore. Per la realizzazione di impianti di potenza superiore ai 30 kw, si sconsiglia vivamente l utilizzo dei valori riportati nelle normative VDI indicate nei paragrafi precedente e valide parzialmente per piccoli impianti. La progettazione di grandi impianti deve essere invece basata sull indagine geofisica denominata Ground Response Test e deve essere effettuata con un attrezzatura di prova certificata. Si tratta di apparecchi di acquisizione dati di alta precisione con intervallo di acquisizione minimo di 30 o 1. I principali parametri acquisiti sono le temperature di mandata e ritorno della sonda, la potenza elettrica di riscaldamento immessa e tutta una serie di parametri di controllo (perdite di carico, pressione del circuito, ect). Il test è necessario anche per gli impianti con potenze inferiori ai 30 kw qualora il sito di indagine è posizionato a quote altimetriche superiori agli 800 mt s.l.m. o quando l impianto è caratterizzato da regimi di funzionamento anomali rispetto classico degli edifici residenziali (ad esempio impianti bivalenti p.d.c. e caldaia, impianti per piscine coperte o altre applicazioni dove si prevedono tempi di riscaldamento prolungati. Il GROUND RESPONSE TEST viene eseguito su una sonda geotermica campione della quale deve essere nota la stratigrafia sottoscritta da un tecnico abilitato. Passati 20 gg dal termine della cementazione ha inizio il test,termine necessario per non far influenzare le misurazioni con la reazione esotermica della calce presente nel cemento bentonitico. Il test ha una durata di 6 giorni continuativi, i risultati consistono in tabulati di tutti i parametri acquisiti, 2 giorni per l individuazione della temperatura media, 4 giorni per il test di immissione potenza. 6

7 L analisi di questi dati, condotta da specialisti del settore, permette di individuare le proprietà fisiche della sonda geotermica campione indicati di seguito: Temperatura media dello strato indagato pari alla lunghezza della sonda SGV ( C); Conducibilità media del terreno (w/m k); Resistenza termica della sonda geotermica (m k/w). 7

8 Per ottenere una progettazione corretta del campo di sonde geotermiche i risultati del test devono essere elaborati da progettisti o da specialisti del settore con appositi software. N.B. I risultati del GROUND RESPONSE TEST non individuano valori di potenze specifiche di estrazione (w/m) come le normative VDI per piccoli impianti. Metodi di perforazione, inserimento sonda e collegamenti superficiali I metodi di perforazione sono in genere due, a seconda della costituzione del sottosuolo: Aria compressa per i terreni rocciosi; A circolazione di fluido nei depositi alluvionali. Utensili di perforazione a circolazione di fluido ed aria compressa. Le perforatrici utilizzate per la geotermia sono dotate di doppia testa, preventer e cingoli con suole in gomma, nate per raggiungere notevoli profondità e essere utilizzate nei centri abitati. Tipologia di perforatrice idrauliche per la realizzazione di sonde geotermiche. 8

9 Le opere di perforazione, collegamenti superficiali realizzati alla regola dell arte fanno si che alla fine tutto sia intatto come all inizio. I detriti possono essere raccolti in cassoni carrabili e conferiti in discariche autorizzate. Nessun danno viene causato alle opere dell edificio. Finita la fase di perforazione vengono inserite le sonde geotermiche SGV scelte durante la progettazione, le tipologie più utilizzate sono: Sonda a singola U (2 tubi x 40 mm) Sonda a doppia U (4 tubi x 32 mm). L inserimento della sonda geotermica può avvenire nei seguenti modi: Abbinamento SGV con massa di trascinamento; Mediante astine di infilaggio. Fasi di inserimento sonda nel perforo. 9

10 Le sonde geotermiche realizzate in polietilene PE100 hanno sostituito materiali diversi quali l acciaio a giuntare o a saldare (l utilizzo vietato nel Nord Europa), PEX molto costoso e tecnicamente simile al polietilene puro per l utilizzo a bassa temperatura viene raramente utilizzato anche in Svizzera e Germania, non si raggiungono mai temperature superiori ai C. L utilizzo ormai ventennale di questa tipologia di polietilene PE100 in geotermia sono una garanzia per la sua qualità e funzionalità. L inserimento della sonda geotermica nel terreno viene eseguita con sistemi la cui efficacia è determinata da anni di esperienza nel settore. Fase importantissima che se mal eseguita condiziona l esito della resa della sonda geotermica. Fase finale della realizzazione della sonda geotermica è la cementazione bentonica, sigillatura del perforo. La cementazione avviene con iniezione dal basso verso l alto del foro, mediante il pompaggio di una miscela di cemento, bentonite e minerali inerti ad alta conducibilità. Opera che ripristina le condizioni geologiche ed idrogeologiche e garantisce ottime prestazioni in termini di resistenza termica della sonda geotermica. Particolare delle fasi di cementazione. 10

11 Collaudo sonde geotermiche Il collaudo della sonda geotermica avviene in varie fasi,il lavaggio, lo sfiatamento, il riempimento con acqua e il test finale di prova di tenuta a pressione. Collegamenti superficiali La sonda, o il gruppo di sonde così realizzate singolarmente, vengono successivamente collegate ai collettori di distribuzione con i collegamenti superficiali. Scavo collegamenti superficiali Collettori geotermici Carotature parete C.A. Operazione di carica del circuito sonde geotermiche collettori geotermici con miscela di acqua e glicole polipropilenico al 28%, percentuale indicativa da rifarsi comunque alle indicazioni del costruttore della pompa di calore. Questa operazione deve essere effettuata dopo il collaudo delle linee, lavaggio, sfiatamento e test tenuta a pressione. Per realizzazioni di sonde geotermiche in siti sottoposti a vincoli dalle Autorità competenti (es. tutela delle acque, aree sottoposte a bonifica) si raccomanda di eseguire uno studio e una progettazione attenta. 11