Come produrre energia pulita con le pompe di calore geotermiche

Indice degli argomenti:

• Pompe di calore geotermiche: funzionamento
• Come si estrae il calore dal suolo?
• Sistema di riscaldamento con pompe di calore geotermiche
• Raffrescamento passivo con pompa di calore geotermica
• Livello di rumore e vibrazioni delle pompe di calore geotermiche

La terra è una ricca fonte di calore. Già a basse profondità, sotto il giardino, il terreno è un buon accumulatore termico. Per estrarre il calore dal terreno vengono utilizzate sonde geotermiche posate verticalmente oppure tubazioni a serpentina posate orizzontalmente nel terreno.

La sonda geotermica verticale, ottimale per piccoli appezzamenti di terreno, viene introdotta nel terreno ad una profondità totale (suddivisibile in più fori) di circa 100 metri. La serpentina è composta da un sistema di tubazioni che vengono installate nel terreno a circa 20 cm sotto il limite di gelo.

Pompe di calore geotermiche: funzionamento

La pompa di calore funziona come un frigorifero, ma in senso opposto: il frigorifero estrae calore dal suo spazio interno, rilasciandolo all’esterno, mentre la pompa di calore estrae calore dall’ambiente e lo rilascia nel sistema di riscaldamento della casa.

Come anticipato, il calore viene estratto mediante l’uso di sonde all’interno delle quali scorre un fluido termovettore, responsabile del trasporto dell’energia accumulata fino alla pompa di calore, alimentata ad elettricità. Da qui il calore viene distribuito in tutto l’edificio.

Le pompe di calore geotermiche sono sistemi evoluti da proporre ove esistano alcune condizioni di base sul complesso impianto-edificio. Gli edifici nei quali risulta più conviene utilizzare una pompa di calore geotermica hanno un buon isolamento (che diventa ancora più importante se si intende implementare anche un sistema di raffrescamento estivo).

Dal lato impiantistico, il limite economico di convenienza nell’utilizzo delle pompe di calore geotermiche si colloca intorno a 50°C di temperatura di mandata in produzione di acqua calda sanitaria e a basse temperature (35-40°C) in mandata all’impianto di riscaldamento.

Impianti di riscaldamento realizzati con temperature di mandata nominali di 50°C possono comunque avere una convenienza a condizione che si utilizzi una sorgente di calore geotermica relativamente più “calda” delle condizioni standard (es. acqua di falda a 12- 14 °C anziché a 8-10 °C), oppure in integrazione con sistemi solari o con una caldaia a condensazione.

Per questi motivi, l’impiantistica-tipo da prevedersi a valle di un sistema con pompe di calore geotermiche (salvo qualche termoarredo nei bagni) può essere un impianto di riscaldamento:

• a pavimento radiante a bassa temperatura;
• a parete radiante a bassa temperatura;
• a soffitto radiante a bassa temperatura;
• a piastre radianti a bassa temperatura (es. in sostituzione di vecchi termosifoni);
• con sistemi convettivi a media temperatura (es. in sostituzione di vecchi termosifoni);
• a fan coil a media temperatura (es. in sostituzione di vecchi termosifoni);

Nel caso in cui si progettino zone sull’impianto radiante (a pavimento o a parete), ovvero nel caso in cui l’impianto di riscaldamento non abbia un contenuto d’acqua/un’inerzia termica sufficiente, dovrà essere previsto un disgiuntore idraulico o un accumulo termico al fine di garantire un’adeguata circolazione di acqua nella pompa geotermica, per un regolare funzionamento.

Come si estrae il calore dal suolo?

Trivellazioni e sonde da suolo

Le trivellazioni (ove effettuate da ditte raccomandate da Vaillant) vengono consegnate con la sonda/le sonde da suolo speciali “a doppia U” per uso geotermico in PP già posata e finita (fino agli stacchi verticali dal terreno), verificata con prova di pressione idraulica a 6 bar.

Il prezzo di trivellazione indicativo menzionato di seguito (per mt di perforazione) comprende quindi la fornitura, la posa in opera e il collaudo della sonda verticale.

Per poter confrontare diversi preventivi di perforazione e posa sonde, è assolutamente indispensabile paragonare sistemi sonda equivalenti (per tipologia, lunghezza e criteri di progetto) e cioè partire dalle stesse ipotesi.

Ad esempio le seguenti differenze nei parametri di progetto, nei dati, nelle ipotesi preliminari e nei criteri di posa e installazione, possono influenzare anche in modo significativo la lunghezza delle sonde e il relativo preventivo.

• Numero di ore di funzionamento/anno previste dal progetto per il funzionamento in riscaldamento (in genere 1800), ed eventualmente in raffrescamento (normalmente serve una lunghezza della sonda maggiore).
• Resa in W per metro lineare di sonda nel terreno standard preso a riferimento (in genere si usa il valore di 50 W/m come da Norma VDI 4640).
• Numero di utenti per l’acqua calda sanitaria (che pesano ciascuno un +0,5 kW/anno di potenza per la sonda verticale, come da Norma VDI 4640).
• Tipologia di sonda verticale (a “U singola” o a “doppia U”) e relativo diametro (es. DN 25 o DN 32).
• Fluido termovettore (di regola nella sonda si deve sempre utilizzare una miscela di acqua-glicole al 20-30% ma si può ridurre un preventivo – con un rischio calcolato – ipotizzando di far circolare acqua non addizionata).
• Tipologia di posa e sigillazione con bentonite (quantità e % di bentonite, sabbia e/o quarzo utilizzato, tecnica di pressatura).
• Ipotesi e dati preliminari noti sul numero di falde sotterranee che la sonda/le sonde potrebbero attraversare (può avere un impatto sui tempi di esecuzione a causa della differente tecnica di perforazione e sigillatura).

Fatte queste importanti precisazioni, il prezzo di seguito quotato per i trivellatori suggeriti da Vaillant è comunque una semplice indicazione di riferimento e non impegna le aziende di trivellazione che forniranno un preventivo dettagliato, di volta in volta, solo dopo i necessari sopralluoghi in cantiere.

Per le trivellazioni con sonda geotermica verticale a circuito chiuso, una stima di massima di costo (IVA esclusa) è la seguente:

• 40,00 Euro al metro (sonde incluse, posate e provate in pressione) per terreni facili (compatti);
• 45-50,00 Euro al metro (sonde incluse, posate e provate in pressione) per terreni normali non particolarmente duri o friabili/con sedimenti scomposti, senza falde d’acqua multiple nel sottosuolo;
• 65,00 Euro (o più) al metro per terreni difficili.

Sono esclusi eventuali oneri e pratiche autorizzative locali.

Per le tipologie, materiali, costi, profondità di perforazione o estensione sottoprato degli scambiatori riferirsi alla “Specifica Tecnica geoTHERM” Vaillant.

Per la resa termica del terreno, per la profondità (livello statico) della falda locale (non piovana) e per informazioni sulle eventuali pratiche d’autorizzazione si raccomanda di consultare (almeno in prima battuta) un geologo locale di fiducia.

Sonde orizzontali a prato

L’interramento deve essere fatto a 1 – 1,5 m di profondità nel terreno (sempre 20 cm sotto il limite di gelo), senza piantumare il terreno che deve essere lasciato a verde.

• Sonde in PP (DN 25 o DN 32): è necessaria in media una superficie di prato pari a 2 – 2,5 volte l’area netta da riscaldare, per il solo riscaldamento, o pari a 3 – 3,5 volte l’area netta da riscaldare se è previsto anche il raffrescamento estivo.
• Sonde in strisce capillari per geotermia: è necessaria in media una superficie di prato pari a 1,3 – 1,6 volte l’area netta da riscaldare, per il solo riscaldamento, o pari a 1,8 – 2,2 volte l’area netta da riscaldare se è previsto anche il raffrescamento estivo

Sonde verticali a circuito chiuso (acqua-glicole)

Si considera mediamente che una sonda a “doppia U” in PP in un terreno standard renda 5 – 5,5 kW per 100 m di profondità. Normalmente se si vuole realizzare anche il raffrescamento estivo, la lunghezza delle sonde deve essere aumentata in quanto la capacità termica del suolo in raffrescamento (max 40 W/m) è mediamente inferiore a quella in riscaldamento.

Nel caso di trivellazioni multiple, tra le varie sonde deve esserci una distanza di almeno 8 – 10 mt (reticolo) per evitare interferenze termiche.

Attenzione: prevedere sempre un’adeguata distanza da fondazioni e case nella trivellazione di sonde verticali, onde evitare cedimenti o “stiramenti” termici del terreno. Consultare un geologo.

Pozzi di pescaggio/drenaggio in falda

La temperatura minima dell’acqua non deve mai scendere sotto i 7°C e la massima non deve superare i 20°C. La qualità dell’acqua deve essere buona (vedere tabella delle proprietà chimico-fisiche dell’acqua a fine paragrafo).

Deve essere garantita una portata di spillamento disponibile di 4 l/min/kW di potenza dell’impianto geotermico (in riscaldamento).

Per verificare ciò, un geologo dovrà misurare il livello della falda intercettata, effettuare un pompaggio continuo di acqua spillando in continuo per 24 – 48 h almeno 240 l/h per kW di potenza dell’impianto termico e verificare che dopo questo periodo il livello della falda non si sia abbassato (altrimenti si dovrà cercare una falda più profonda o più grande).

Deve inoltre essere assicurata una distanza minima di 10-15 m tra il pozzo pescante e quello di drenaggio, per non rischiare un “corto circuito idraulico” sotterraneo (a meno che non si reimmetta l’acqua in una falda a livello diverso dalla falda di pescaggio).

Per la realizzazione di un impianto con pompe di calore geotermiche acqua-acqua si raccomanda di consultare un geologo locale per informazioni sulla qualità dell’acqua (analisi chimicofisica e temperatura minima annuale), la profondità della falda e, soprattutto, per verificare le eventuali procedure autorizzative necessarie. In caso di esigenze particolari (es. acqua di qualità non buona) è necessario interporre uno scambiatore speciale esterno tra il circuito a perdere dell’acqua di pozzo e il circuito della pompa di calore.

Questo accorgimento (con un ulteriore scambiatore esterno) permette peraltro di realizzare uno schema di funzionamento acqua-acqua anche con una pompa di calore a circuito chiuso “acqua-glicole”.

Sistema di riscaldamento con pompe di calore geotermiche

Le pompe di calore geotermiche sono adatte alla realizzazione del sistema di riscaldamento del tipo “monovalente”, nel quale la pompa di calore riesce a soddisfare da sola il fabbisogno di riscaldamento e produzione di acqua calda.Tuttavia, limitatamente alla prima fase di vita di un edificio nuovo o ristrutturato (6-18 mesi), o a particolari situazioni di picchi di carico, potrebbe essere necessaria l’attivazione della resistenza elettrica a corredo della pompa.

Lo scopo dell’utilizzo di tale resistenza non è quindi limitato alla copertura di eventuali picchi allo spunto in condizioni climatiche particolarmente rigide, ma anche e soprattutto indirizzato alla garanzia della corretta “asciugatura” dell’edificio nuovo o ristrutturato (pavimento/caldane/muratura etc…).

Infatti la potenza richiesta in un edificio nuovo può superare anche del 30-40% il valore della potenza di progetto dell’impianto a regime (in funzione ovviamente della tecnica edilizia impiegata). Il mancato utilizzo/inserimento della resistenza elettrica ausiliaria porterebbe ad un sovraccarico della richiesta di potenza sulla sonda per sistemi a circuito chiuso (escluse le macchine ad acqua di falda), con rischio di grave compromissione del regolare funzionamento della sonda verticale nelle stagioni successive di riscaldamento.

Tale effetto può essere attenuato e compensato con il raffrescamento estivo (durante il quale si reinietta calore nel terreno), tuttavia sia Vaillant che altri costruttori sconsigliano di utilizzare pompe di calore geotermiche con sonde a circuito chiuso quale unico mezzo di riscaldamento nel primo anno di vita dell’edificio.

L’utilizzo iniziale/saltuario della resistenza elettrica ausiliaria spiega la necessità di installazione di un contatore elettrico trifase di 6-10 kW anche per macchine di piccola potenza nominale (8 kW). Il sistema di riscaldamento a pompa di calore geotermica con funzionamento monovalente ha ampiamente dimostrato la sua validità tecnico-economica, come dimostra l’esperienza di paesi freddi come la Svezia, dove il 95% delle nuove case costruite ogni anno vengono riscaldate con pompe di calore geotermiche monovalenti, quale unico sistema di riscaldamento, con la sola fase di asciugatura dell’edificio demandata alla resistenza ausiliaria.

Raffrescamento passivo con pompa di calore geotermica

Il raffrescamento passivo (free cooling) può funzionare con il solo consumo elettrico di due pompe e di poche valvole motorizzate; è però necessario uno scambiatore esterno.

La pompa di calore geotermica rimane “silente” in fase di raffrescamento estivo (salvo attivare il compressore in caso di richiesta di acqua calda sanitaria dal bollitore), mentre la regolazione e la sensoristica della pompa di calore (insieme all’interfaccia/centralina dedicata per raffrescamento passivo) intervengono a governare il funzionamento generale.

Per il raffrescamento attivo con impianti a pavimento/parete/soffitto è necessaria una centralina di raffrescamento.

Livello di rumore e vibrazioni delle pompe di calore geotermiche

Il livello di rumore di un sistema con pompe di calore geotermiche è bassissimo (paragonabile all’udito a quello di un grosso frigorifero), il che rende la macchina installabile in qualunque collocazione all’interno dell’abitazione.

La macchina è fornita con compressore isolato su giunti antivibranti, tuttavia nel caso di installazione su pavimenti leggeri o mobili (es. pavimenti flottanti) è buona norma realizzare una basetta di appoggio in cemento.

Le pompe di calore geotermiche Vaillant, recentemente testate e certificate da un Istituto Svizzero specializzato, si sono dimostrate tra le più silenziose d’Europa.

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