Guida Tecnica Geotermia Guida Tecnica Geotermia

Transcript

Alessandro Zerbetto
G.T. -- ITA -- 00 -- 11.2006 -- Guida Tecnica
Guida Tecnica Geotermia
High Technology in Refrigeration Devices
R&D
Department
INTRODUZIONE
L’attenzione alle problematiche ambientali è sempre stata una
prerogativa della filosofia di HiRef S.p.A. nel proporre soluzioni per la
climatizzazione, oggi quanto mai enfatizzata dalla consapevolezza che
una massiccia sensibilizzazione dell’opinione pubblica nei confronti di
un tema così attuale è di fondamentale importanza.
Nella presente guida è proposta un’introduzione ad una tecnologia
semplice, se conosciuta, e allo stesso tempo vincente: la geotermia.
Dopo un’intensa attività di ricerca e di studio all’interno del
Dipartimento R & D di HiRef S.p.A., si è ritenuto importante divulgare il
più possibile le conoscenze fino ad ora acquisite, nella profonda
convinzione che il ”segreto aziendale” costituisca in questo caso un
inutile limite alla diffusione di una tecnologia da cui noi ed i nostri figli e
l’ambiente potremmo solo trarre benefici.
Dr. Ing. M. Mantovan
A.D. HiRef S.p.A.
G.T.---ITA---00---11.2006---Guida Tecnica
R&D
Department
INDICE

Galletti: Profilo aziendale
Principi di base: la pompa di calore
1
Limitazioni della pompa di calore
4
Aspetti energetici globali
5
Il terreno come sorgente termica
7
Le sonde geotermiche verticali
9
Le sonde geotermiche orizzontali
11
La convenienza energetica della pompa di calore rispetto ai sistemi
tradizionali
La convenienza energetica delle pompe di calore geotermiche rispetto
a quelle ad aria
13
14
Tipologia di terreno
15
Punti di forza della soluzione “HiRef”
16
Criteri progettuali per gli ambienti
18
Circuito idraulico lato sonde
19
Nomogrammi per le sonde geotermiche
25
Esempio di selezione di un impianto geotermico a sonde orizzontali
27
Esempio di selezione di un impianto geotermico a sonde verticali
29
Appendice ---A---
31
Appendice ---B---
37
G.T. ---ITA ---00---11.2006---Guida Tecnica
GALLETTI.IT > L’AZIENDA
1906. Galletti viene fondata a Castel Maggiore (Bologna) da Ugo Galletti.
La produzione è inizialmente concentrata sulla realizzazione di stampi
per ghiaccio e carpenteria leggera in generale.
1950. L’evoluzione produttiva e tecnologica la porta negli anni a
diventare fornitore di aziende nel settore automobilistico e motociclistico
quali Ferrari, Ducati, Lamborghini, Morini.
1960. Inizia una trasformazione radicale: dalla produzione di
componenti contoterzi alla realizzazione di apparecchiature a marchio
Galletti per il mercato del riscaldamento quali termoconvettori ed
aerotermi.
1975. Inizio della produzione di ventilconvettori; primo passo verso il
mercato del condizionamento.
1986. Galletti incontra una impor tante azienda giapponese di
climatizzazione e con lei affronta per la prima volta il mercato domestico
degli split in qualità di distributore esclusivo per l’italia. 15 anni di
collaborazione portano Galletti a diventare un punto di riferimento nel
mercato italiano degli split system.
1994. Galletti è una delle prime aziende in Europa a conseguire la certificazione
Eurovent per i ventilconvettori
1995. Nascita di uno stabilimento dedicato alla produzione di scambiatori di
calore a pacco alettato. Inizio produzione linea di refrigeratori d’acqua da 6 a 80
kW.
1996. Nuova linea per la produzione di ventilconvettori con una capacità
di 700 unità al giorno
2001.Nasce HiRef un’azienda del gruppo Galletti specializzata nella
produzione di condizionatori di precisione e refrigerazione di processi
industriali
2003. Ampliamento dello stabilimento di Bentivoglio con una nuova
unità di 7000 m2 adibita a centro didattico e formazione, sale meeting e
magazzino prodotti finiti.
2006. Un secolo di storia per una realtà che oggi si racconta in 3
stabilimenti produttivi per un’area complessiva di oltre 45.000 m2,
oltre 250 dipendenti, 1.700.000 fan coil venduti, oltre 250.000 split
installati, 10 anni di certificazione Eurovent, 70 centri di assistenza
autorizzati in Italia.
GALLETTI.IT > I PRODOTTI
Applicazioni Residenziali e Industriali
ECHO
/ Refrigeratori d’acqua condensati ad aria e pompe di calore
Resa raffreddamento
3,5 6,5 kW
z
ECHO PLUS
MCA
Resa riscaldamento
8 kW
Resa raffreddamento
10 60 kW
z
LCA
Resa raffreddamento
45 300 kW
z
LSS
Resa raffreddamento
320 480 kW
z
LCS
Resa raffreddamento
210 530 kW
z
> 4 modelli realizzati in 4 versioni
> kit idraulico integrato con pompa standard o con pompa maggiorata
> controllo di condensazione di serie sui modelli in pompa di calore, disponibile come opzione
nei modelli solo raffreddamento
/ Pompa di calore aria/acqua ad alta efficienza
> funzionamento in riscaldamento con temperatura aria da -10 a +28°C
> pompa di circolazione acqua standard o con pompa maggiorata
> controllo di condensazione
> kit idraulico integrato
> recupero parziale di calore disponibile su richiesta
> controllo di condensazione di serie sui modelli in pompa di calore, disponibile come opzione
nei modelli solo raffreddamento
> kit idraulico integrato disponibile per tutti i modelli e tutte le versioni
> disponibili in esecuzione standard e silenziata
> versione free cooling disponibile in esecuzione standard e silenziata
> recupero di calore e kit bassa temperature disponibili su richiesta
/ Refrigeratori d’acqua condensati ad aria con compressori scroll
/ Refrigeratori d’acqua condensati ad aria con compressore a vite
MCC
Resa raffreddamento
6 40 kW
z
LCC
Resa raffreddamento
50 150 kW
z
MCW
Resa raffreddamento
5,5 40 kW
z
LCW
Resa raffreddamento
50 300 kW
z
ESTRO
Resa raffreddamento
1,15 11 kW
z
FCNT
Resa raffreddamento
1 2,5 kW
z
WH
Resa raffreddamento
2 4,5 kW
z
CSW
Resa raffreddamento
3 8,5 kW
z
> Refrigerante R 410A
> ventilatori centrifughi a pale avanti direttamente accoppiati a motore elettrico
> controllo di condensazione previsto di serie su tutti i modelli
> recupero di calore e kit bassa temperatura acqua disponibili su richiesta
> ventilatori centrifughi a pale rovesce direttamente calettati a motore elettrico
/ Refrigeratori d’acqua condensati ad acqua e pompe di calore
> unità moto-evaporanti disponibili in esecuzione standard e silenziata
> dry-cooler e condensatore remoto disponibile su richiesta
/ Refrigeratori d’acqua condensati ad acqua e pompe di calore
> unità moto-evaporanti disponibili in esecuzione standard e silenziata
> dry-cooler e condensatore remoto disponibile su richiesta
/ Ventilconvettori con ventilatore centrifugo
> con mobile di copertura, a pavimento parete o soffitto
> senza mobile di copertura, ad incasso verticale/orizzontale
> ribassato con mobile di copertura
/ Ventilconvettori con ventilatore tangenziale
> 4 modelli
> con mobile di copertura per installazione a parete
/ Ventilconvettori a parete alta
> 3 modelli
> telecomando a raggi infrarossi
> kit valvola ON-OFF disponibile su richiesta
/ Ventilconvettori a cassetta
> 1 batteria (impianti a 2 tubi) con comando a filo
> 2 batterie (impianti a 4 tubi) con comando a filo
PWN
/ Unità canalizzabili
Resa raffreddamento
2,5 10 kW
z
UTN
Resa raffreddamento
2,5 18 kW
z
AREO
Resa caldo/freddo
3 98 kW
z
S 80
Resa riscaldamento
11 110 kW
z
DST
Portata aria
1400 9500 m3/h
z
MTV
Portata aria
2000 19000 m3/h
z
REKO
Portata aria
600 4000 m3/h
z
> 9 modelli
> installazione ad incasso a soffitto
> motore elettrico elettrico a 7 velocità
/ Unità termoventilanti
> 1 batteria (impianti a 2 tubi) per installazione orizzontale e verticale
> 2 batterie (impianti a 4 tubi) per installazione orizzontale e verticale
/ Aerotermi per climatizzazione
> 18 modelli per riscaldamento e condizionamento
> tutti i modelli possono funzionare con acqua calda e refrigerata
> motori plurivelocità: 2 per alimentazione 400V 3 per 230V monofase
> possibilità di montaggio a soffitto nel funzionamento di riscaldamento
/ Aerotermi pensili
> 16 modelli per installazione a soffitto
> tutti i modelli possono funzionare con acqua calda e surriscaldata
> 9 modelli per funzionamento con vapore saturo
> sistema di raccolta condensa per funzionamento con acqua refrigerata (optional)
/ Destratificatori d’aria
> 6 modelli
> termostato di regolazione
> telesalvamotore
/ Unità di condizionamento modulari
> installazione verticale o orizzontale
> telaio in profili di acciao zincato doppia pannellatura sandwich
/ Unità di recupero calore
> unità con semplice o doppia pannellatura
> batteria di post-riscaldamento (ad acqua o elettrici) disponile su richiesta
Applicazioni Residenziali e terziario
2x1
/ Terminale per impianti di climatizzazione
Resa raffreddamento
1,1 3,9 kW
z
KAIMAN
Resa riscaldamento
1 2 kW
z
FLAT
Resa raffreddamento
1,15 3,5 kW
z
> convezione aria naturale in funzione di riscaldamento
> ventilconvettore nella fase estiva di raffreddamento
> 4 modelli
> unica estetica con KAIMAN e FLAT
/ Termoconvettori
> 6 modelli realizzati in 3 dimensioni di ingombro
> batteria a 4 e 6 ranghi per funzionamento con acqua a bassa temperatura
> deflettore uscita aria con microinterruttore (opzione) per chiudere valvola termostatica
> unica estetica con 2x1 e FLAT
/ Ventilconvettori con ventilatore centrifugo
> 7 modelli in 3 dimensioni di ingombro
> con mobile di copertura, installazione in vista a parete
> unica estetica con 2x1 e KAIMAN
/ Sistema di ionizzazione e sanificazione dell’aria
BIOXIGEN
> è in grado di neutralizzare germi, batteri, virus, spore, muffe, odori sgradevoli, mediante
ossigeno attivo.
> non utilizza raggi UV o prodotti chimici.
> disponibile su tutti i terminali di impianto Galletti quali 2x1, KAIMAN, ESTRO
/ Sistema di gestione degli impianti di climatizzazione
ERGO
> analizza in tempo reale il funzionamento dei terminali di impianto
> offre una strategia di controllo che adatta il funzionamento del chiller e dei terminali alle reali
richieste di carico termico
> applicabile a tutti i terminali di impianto ed i refrigeratori d’acqua Galletti
SPLIT SYSTEM
Resa raffreddamento
2 14 kW
z
/ Climatizzatori d’aria split system
> 29 sistemi monosplit e 6 sistemi multisplit
> unità interne a parete alta, pavimento/soffitto, cassetta, incasso canalizzabili
> refrigerante R410A per classi di efficienza fino alla A
HIREF.IT > I PRODOTTI
Condizionamento di Precisione
HTW
/ Condizionatori monoblocco per applicazioni telefoniche
Resa raffreddamento
2,5 14,2 kW
z
HTD
Resa raffreddamento
4,5 17,2 kW
z
HTS
Resa raffreddamento
2,6 14,5 kW
z
JREF
Resa raffreddamento
5,9 22,2 kW
z
TREF
Resa raffreddamento
21,2 118,6 kW
z
> 12 modelli per installazione all’esterno
> free cooling (optional)
> doppia alimentazione elettrica (optional)
> esecuzione bi-circuito (optional)
> valvola di espansione elettronica (optional)
/ Condizionatori monoblocco per applicazioni telefoniche
> 8 modelli per installazione all’interno
> mandata verso l’alto (HTU) o verso il basso (HTD)
/ Condizionatori in 2 sezioni per applicazioni telefoniche
> 9 modelli, unità interna per installazione a soffitto
/ Condizionatori di precisione per ambienti tecnologici
> ventilatori centrifughi a pale avanti
> ventilatori radiali a pale rovesce e tecnologia EC (optional)
/ Condizionatori di precisione per ambienti tecnologici
> ventilatori radiali a pale rovesce
> mono e bi-circuito
> tecnologia EC (optional)
R&D
Department
PRINCIPI DI BASE: LA POMPA DI CALORE
La crescente esigenza di raffrescare gli edifici nel periodo
estivo, unita alla richiesta di riscaldamento durante l’inverno,
ha portato negli ultimi anni alla diffusione di un’unica
apparecchiatura in grado di soddisfare i due diversi
fabbisogni termici: la pompa di calore reversibile.
Deflusso naturale
Dai principi della termodinamica è noto come il trasferimento
spontaneo di calore possa avvenire solamente da un corpo
caldo ad uno freddo, mentre il processo contrario può essere
condotto solo con apporto di energia dall’esterno. Un
semplice esempio è costituito dalla Fig. 1, in cui si osserva
come l’acqua si riversi naturalmente dal serbatoio posizionato
in alto a quello sottostante, con possibilità di ricavare energia
meccanica, ad esempio mediante una turbina. Similmente in
termodinamica il trasferimento di calore da una sorgente ad
elevato livello termico ad una di livello inferiore consente una
produzione di energia meccanica e quindi elettrica, ad
esempio mediante un generatore. Al contrario, per trasferire
la massa d’acqua dal bacino a valle a quello a monte è
necessario disporre di una pompa, con spesa di energia
elettrica. Lo schema che segue chiarisce ulteriormente
l’analogia.
Pompaggio
Su queste basi è fondato anche il funzionamento della pompa
di calore, la quale trasferisce calore da un livello di
temperatura inferiore ad uno superiore con una spesa di
lavoro meccanico al fine di ottenere le condizioni di
temperatura [e se richiesto di umidità] desiderate
nell’ambiente da climatizzare. La macchina opera un ciclo
termodinamico
sfruttando
un
fluido
termovettore
[refrigerante] che scorre all’interno della tubazione del
circuito ed è composta da: due scambiatori di calore per il
trasferimento dell’energia termica tra il fluido e le sorgenti, un
compressore e una valvola di laminazione, che garantisce la
corretta portata di massa all’evaporatore sotto le condizioni di
salto di pressione imposte dalle condizioni al contorno.
Fig. 1 --- Analogia idraulica dei processi termodinamici:
deflusso naturale e pompaggio
• Bacino a monte: . . . . . . . . . . . . Sorgente ad alta Temp.
[calda]
• Bacino a valle: . . . . . . . . . . . . . Sorgente a bassa Temp.
[fredda]
• Quota del bacino a monte: . . . Temperatura della
sorgente calda
• Quota del bacino a valle: . . . . Temperatura della
sorgente fredda
• Deflusso naturale dell’acqua
da monte a valle: . . . . . . . . . . . Trasferimento spontaneo
di calore dalla sorgente
calda a quella fredda
[ciclo diretto]
• Pompaggio da valle a monte:
Pompa di calore per la
climatizzazione
[ciclo inverso]
Fig. 2 --- Schema rappresentativo di una pompa di calore
1
R&D
Department
Mediante somministrazione di lavoro dall’esterno la
macchina è quindi in grado di assorbire la quantità di calore
Q0 da una sorgente a bassa temperatura, grazie
all’evaporazione del fluido frigorifero, e di cedere la quantità
Q1 ad un livello termico maggiore mediante condensazione
del refrigerante stesso. A seconda dell’effetto utile che si
intende sfruttare all’interno dell’ambiente da climatizzare
[l’assorbimento o la cessione del calore], si ottiene
rispettivamente il funzionamento in raffreddamento o in
riscaldamento.
Fig. 3 --- Scambi termici in un ciclo inverso operato da una pompa
di calore
Una classica rappresentazione grafica del ciclo [detto ciclo inverso] attuato dalla macchina è quello segnato su un diagramma
termodinamico p--h, in cui l’asse verticale delle ordinate riporta la pressione del fluido frigorifero e quello delle ascisse l’entalpia.
C
B
D
A
Fig. 4 --- Rappresentazione grafica del ciclo inverso sul diagramma “p-- h”
Dalla Fig. 4 si pongono in evidenza le quattro trasformazioni termodinamiche:
A ---B: Compressione del refrigerante [allo stato gassoso]
dal livello di pressione p1 a p2 con spesa di energia
C ---D: Espansione del liquido da p2 = p3 a p4 = p1
D ---A: Evaporazione del liquido alla pressione pe e
temperatura Te con assorbimento del flusso termico
q0
B ---C: Condensazione del gas alla pressione p2 e
temperatura T2 e cessione del flusso termico q1
2
Per valutare le prestazioni energetiche della pompa di calore
occorre introdurre due grandezze:
È evidente l’interesse, sia dal punto di vista economico che
energetico, ad ottenere valori del COP più alti possibile: esso,
infatti, costituisce una sorta di moltiplicatore dell’energia
pregiata fornita e consente di mettere a disposizione energia
utile in misura multipla rispetto all’elettricità richiesta per il
funzionamento della macchina.
• il Coefficiente di Effetto Utile in regime di refrigerazione:
ε=
R&D
Department
Q0
L
in cui Q0 è detto Effetto Frigorifero, cioè è l’energia asportata
dalla sorgente a bassa temperatura;
• il Coefficiente di Prestazione COP [acronimo dell’inglese
Coefficient Of Performance] della pompa di calore
funzionante in regime di riscaldamento:
COP =
Q1
L
• Applicando il Primo Principio della Termodinamica, quindi
di conservazione dell’energia del sistema pompa di calore,
si ha che Q0 + L = Q1 , quindi, con una sostituzione si
ricava:
COP = ε + 1
3
R&D
Department
LIMITAZIONI DELLA POMPA DI CALORE
Si presenta una notevole limitazione qualora si utilizzi l’aria
esterna come sorgente termica fredda, dato che le prestazioni
energetiche della macchina dipendono fortemente dal salto
termico fra ambiente asservito e sorgente esterna. Infatti, il
Teorema di Carnot consente di esprimere le grandezze sopra
definite anche in funzione delle sole temperature delle due
sorgenti; ne deriva che per un ciclo termodinamico ideale,
ciclo di Carnot, si può scrivere:
Sulla base di queste importanti osservazioni risulta evidente la
convenienza nel disporre di una sorgente termica le cui
fluttuazioni di temperatura nel tempo siano contenute, con
massimo beneficio nel caso in cui si possa usufruire di una
sorgente isoterma. Particolare interesse suscita allora
l’opportunità di accoppiare la pompa di calore al terreno: si
parla di pompe di calore geotermiche o di pompe di calore a
sonde geotermiche.
Q0
T0

ε C = L = T T
1 −
0


 COP = Q 1 = T 1
C

L
T1 − T 0

Quindi, per ottenere prestazioni elevate della macchina, e
quindi valori elevati dei due coefficienti ε e COP, è necessario
contenere la differenza fra i livelli termici delle due sorgenti,
fredda e calda, cioè avvicinare i valori delle due temperature
T0 e T1 .
Nel caso in cui si utilizzi una pompa di calore per soddisfare la
richiesta di caldo dell’utenza, si ritiene fissato il livello termico
della sorgente calda, che in questo caso risulta essere proprio
l’ambiente asservito. La sorgente fredda invece è
rappresentata dall’aria esterna, la cui temperatura è soggetta
ad anche notevoli escursioni termiche giornaliere e stagionali.
Il fabbisogno di riscaldamento è ovviamente maggiore
quando le condizioni climatiche si fanno via via più rigide, ma
questa circostanza riduce drasticamente l’efficienza
energetica della pompa di calore: come visto, per T1 fissata le
prestazioni calano al diminuire della T0 . Per ogni grado di
temperatura dell’aria esterna in diminuzione si ha una
riduzione della resa del 3,5% circa; analogamente avviene in
regime di raffrescamento. Nell’eventualità non remota di una
stagione invernale particolarmente fredda e nel caso in cui la
temperatura dell’aria esterna scenda di 15 °C al di sotto della
temperatura secondo cui la macchina viene progettata, ad
esempio da +5 °C a ---15 °C, si ha una penalizzazione della
resa di circa il 50% a parità di temperatura di condensazione e
di T1 ; dunque, per garantire prestazioni convenienti anche a
---15 °C occorrerebbe una macchina di taglia molto maggiore.
4
R&D
Department
ASPETTI ENERGETICI GLOBALI
L’aumento delle concentrazioni di gas serra nell’atmosfera a
causa delle attività umane ha portato ad un anomalo aumento
dell’Effetto Serra, con bruschi cambiamenti climatici dovuti
all’innalzamento della temperatura media globale terrestre.
Negli ultimi 120 anni, infatti, si è riscontrato un incremento
della temperatura media del pianeta di 0,6 °C, dato
preoccupante se si considera che piccole variazioni termiche
in tempi così relativamente brevi causano differenze
climatiche sostanziali. Infatti, l’assorbimento e lo smaltimento
della CO2 è un meccanismo naturale ad opera della
vegetazione presente sulla terra, ma fortemente penalizzato
dalle massicce quantità di emissioni climalteranti prodotte
dall’uomo. Tali emissioni [12,5 tonnellate di CO2 generate in
un anno dai paesi sviluppati] risultano troppo elevate per
essere stoccate nell’atmosfera, una fascia estremamente
sottile per contenerle. Si calcola addirittura che se tutti si
comportassero come un cittadino di un paese industrializzato
servirebbero altri 2,6 pianeti per soddisfare le necessità
dell’umanità e contestualmente mantenere il riscaldamento
del pianeta al di sotto di 1 °C per secolo.
Fig. 5 --- Ricostruzioni e rilevazioni della Temperatura Media Globale dal 1000 al 2000 nell’emisfero Nord
Secondo il Third Assessment Report, il terzo rapporto
dell’IPCC [Intergovernmental Panel on Climatic Change] del
2001, tra il 1990 e il 2100 la temperatura media mondiale alla
superficie potrebbe aumentare tra gli 1,4 e i 5,8 °C se non
verrà invertito il tasso di produzione delle emissioni
antropogeniche di gas serra: solamente 3 °C sarebbero
sufficienti a rendere il clima di Roma molto simile a quello di
Marrakech, in Marocco.
2100 sarà addirittura 4,5 volte quello attuale. E il dato
preoccupante è che l’80% dell’energia è oggigiorno prodotta
da combustibili fossili e che il 100% dell’energia dei trasporti
dipende dal petrolio.
Nel 1997 ottantaquattro paesi si sono riuniti a Kyoto,
Giappone, per stipulare un accordo internazionale per la
riduzione dei gas ad effetto serra emessi in atmosfera. Con la
prospettiva di emanare delle leggi per la salvaguardia del
bene comune che è l’atmosfera terrestre, nel 2002 il
cosiddetto Protocollo di Kyoto veniva ratificato da 141 paesi,
fra cui 15 europei. Dal 16 Febbraio 2005 il Protocollo di Kyoto
impone ad ogni nazione firmataria di decrementare le proprie
emissioni legate all’uso di combustibili fossili nel periodo
Inoltre occorre tenere conto delle proiezioni di aumento
demografico da 6 a 11 miliardi di persone entro la fine del
secolo attuale e di incremento del P.I.L. procapite pari all’1,9%
all’anno. Con una previsione di progresso dell’efficienza
comunque pari all’1% annuo il fabbisogno energetico del
5
R&D
Department
Per adeguarsi a tali norme di salvaguardia ambientale appare
quindi fondamentale contenere il più possibile le fughe in
atmosfera di fluidi frigorigeni, utilizzare refrigeranti
eco---compatibili, ma soprattutto migliorare l’efficienza
energetica dei sistemi. Quest’ultimo obiettivo è raggiungibile
solo con un consistente shock tecnologico e con una rottura
rivoluzionaria nei modi di produrre e consumare energia: un
interessante esempio è costituito dalle pompe di calore
geotermiche.
2008---2012, il che si traduce in una riduzione globale di gas
serra pari al 5,2% rispetto ai livelli del 1990. Secondo l’accordo
per la condivisione degli oneri tra gli stati europei membri [il
Burden ---sharing Agreement del 16 Giugno 1998] all’Italia
spetta il compito di riduzione del 6,5% rispetto all’anno 1990,
tuttavia nel periodo 1990---2002 abbiamo aumentato le
emissioni di ben il 9%, portandoci, al 2002, ad una ”distanza”
pari al 15,5% dagli obiettivi di Kyoto.
6
R&D
Department
IL TERRENO COME SORGENTE TERMICA
di calore geotermica è quella di “pompare” il caldo o il freddo
dal sottosuolo all’abitazione, fornendo però un’integrazione
al livello termico. Cioè la pompa di calore è un dispositivo che
consente di innalzare il livello dell’energia termica prelevata
da una sorgente la cui temperatura non ne consente un
utilizzo vantaggioso. È pertanto interessante considerare
l’impianto geotermico sotto l’aspetto della sua particolare
convenienza: si tratta infatti di un sistema semplice, ma
efficace, in quanto sfrutta una risorsa ampiamente
disponibile, ma altrimenti inutilizzata.
È indispensabile introdurre una prima precisazione sul
significato di geotermia, che può indicare lo sfruttamento di
un flusso termico derivante da fenomeni di carattere
geologico o vulcanologico [sorgenti termali, soffioni . . .],
utilizzabile per sola differenza di temperatura, oppure lo
scambio di un flusso termico con il sottosuolo, inteso come
massa di grande capacità termica e utilizzato come sorgente
in un ciclo termodinamico, dal quale estrarre calore durante la
stagione invernale ed al quale cederne durante quella estiva.
Il primo tipo di geotermia concerne principalmente la
produzione di energia elettrica o le acque termali, mentre il
secondo tipo riguarda la possibilità di climatizzare un edificio,
sia in regime di riscaldamento, che di raffrescamento.
Operando in queste condizioni, la pompa di calore non
risente delle oscillazioni termiche giornaliere, in quanto le
variazioni di temperatura nel terreno sono attenuate e sfasate.
Questo sfasamento, che dipende dalla profondità e dal tipo di
terreno, può risultare anche dell’ordine di qualche mese, e la
temperatura più bassa può aver luogo addirittura alla fine del
periodo di riscaldamento.
Gli impianti geotermici per la climatizzazione si distinguono
poi sulla base della modalità con cui avviene lo scambio
termico con il sottosuolo:
1 --- impianti accoppiati con il terreno attraverso un sistema
di tubazioni a circuito chiuso al cui interno scorre il fluido
termovettore;
L’accoppiamento della pompa di calore al terreno visto come
sorgente termica esterna [GSHP: Ground ---Source Heat
Pump] può essere realizzato mediante sonde geotermiche,
ovvero tubazioni inserite nel terreno e percorse da un fluido
termovettore [solitamente acqua eventualmente addizionata
di glicole etilenico], che non sono altro che un particolare tipo
di scambiatore di calore.
2 --- impianti che utilizzano l’acqua di falda come fluido
termovettore, con o senza reimmissione nella falda
stessa dopo l’uso;
3 --- impianti che sfruttano l’acqua dei laghi e dei bacini
come sorgente termica attraverso un circuito che può
essere sia aperto che chiuso.
Le due figure successive [Fig. 6 e Fig. 7] forniscono una
rappresentazione di una tipica installazione geotermica.
L’impianto è suddiviso in tre parti: la prima è composta dalle
tubazioni che raggiungono i terminali di impianto
[ventilconvettori, pavimenti radianti . . .] o un serbatoio di
accumulo per l’acqua calda, la seconda è costituita dalla
pompa di calore, nelle cui tubature scorre il fluido refrigerante,
la terza parte è formata infine dalle sonde geotermiche
[orizzontali o verticali].
I casi 2 e 3 richiedono una situazione ambientale particolare,
legata alla disponibilità idrica, e soprattutto comportano
maggiori vincoli legislativi sull’inquinamento termico delle
acque [attualmente la materia è regolamentata dal D.L.
152/99, ma è opportuno tenere presente l’emanazione di
eventuali piani regionali di risanamento delle acque].
Prendendo invece in considerazione la prima tipologia si
osserva come, grazie alla sua elevata inerzia termica, già a
moderata profondità il terreno risenta poco delle fluttuazioni
termiche giornaliere e stagionali, al punto che la sua
temperatura si può considerare pressoché costante per tutto
l’anno: l’ampiezza dell’escursione termica giornaliera si
riduce a un decimo a circa 35 cm di profondità, mentre quella
dell’escursione termica stagionale si riduce dello stesso
fattore a circa 6 m di profondità.
La pompa di calore è classificata dunque come una macchina
acqua---acqua, ovvero ai due scambiatori [evaporatore e
condensatore] il cambiamento di fase del refrigerante avviene
a spese di una portata di acqua che si raffredda o che si
riscalda.
Storicamente i primi studi su questa tecnologia si ebbero
negli Stati Uniti e in Canada a partire dal secondo dopoguerra,
con una significativa diffusione commerciale a partire dagli
anni ’80. Attualmente i sistemi GSHP hanno una discreta
diffusione anche in Europa: in Svezia per i bassi costi
dell’energia elettrica e le particolarmente favorevoli proprietà
termiche del terreno, in Svizzera per la politica ambientale
che incentiva gli impianti di riscaldamento a bassa
produzione di CO2 . Altri Paesi che hanno dimostrato un certo
interesse in questa direzione sono Francia e Austria, mentre
l’Italia è ancora agli inizi.
In termini più elementari si può osservare come, a partire da
una certa profondità, il terreno risulti più caldo dell’aria
esterna in inverno e più freddo durante i mesi estivi; dunque si
rivela conveniente sfruttare questa circostanza, facendo in
modo di fare confluire il caldo o il freddo all’interno
dell’edificio, secondo le esigenze. Il livello termico a cui si
trova il sottosuolo non è però sufficiente a garantire delle
temperature adeguate al soddisfacimento del fabbisogno
termico lato utenza, per cui è necessario un “aiuto”: si può
quindi semplicemente affermare che la funzione della pompa
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R&D
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Fig. 6 --- Funzionamento estivo della pompa di calore geotermica
Fig. 7 --- Funzionamento invernale della pompa di calore geotermica
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R&D
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LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI
con diametro di qualche decina di cm è soggetta ad un
molto probabile collasso. Il riempimento con una miscela
di acqua e bentonite assicura invece una pressione
idrostatica sulle pareti della colonna vuota tale da evitarne il
cedimento.
Una prima tipologia di sonde è quella a sviluppo verticale. Si
tratta di una o più perforazioni verticali, al cui interno vengono
collocati uno o più tubi percorsi da un fluido termovettore: a
tale tecnologia si dà il nome di Sonda Geotermica Verticale
[talvolta indicata anche con l’acronimo inglese BHE: Borehole
Heat Exchanger].
A livello applicativo si procede come segue:
• Viene perforato il terreno [da 10 fino anche a 400 m].
• La zavorra [in cemento o in metallo pesante] viene portata
in cantiere e saldata in loco alla matassa dei tubi.
Fig. 9 --- Installazione della sonda geotermica verticale
Il materiale di riempimento ideale dovrebbe essere poco
permeabile all’acqua, essere facilmente inseribile
nell’interstizio, avere una buona conducibilità termica e
dovrebbe garantire un buon contatto termico fra tubo e
terreno. Usualmente viene utilizzata dunque una miscela di
cemento e bentonite, resa fluida per la posa, oppure si
riempie la perforazione con sabbia e quarzo.
Fig. 8 --- Zavorra e raccordo a “U” per tubi in polietilene
• La tubazione viene calata nel pozzo.
• La tubazione viene sottoposta a prova di circolazione e di
perdita.
• L’interstizio tra le sonde e la perforazione viene riempito
con una massa fluida di cemento e bentonite, che in
seguito solidifica: in tal modo si aumenta anche la
conduttività con il terreno e si assicura la tenuta strutturale
della colonna verticale. Infatti, una perforazione di 100 m e
Fig. 10 --- Sezione trasversale della sonda a doppia “U”
9
R&D
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Le varie sonde verticali sono generalmente collegate in
parallelo, ovvero la portata totale di fluido termovettore si
divide in tante parti uguali quante sono le perforazioni
effettuate. In tal modo si può beneficiare di una maggiore
differenza di temperatura fra fluido nella sonda e terreno
rispetto alla soluzione di sonde poste in serie. In quest’ultimo
caso, infatti, la temperatura del fluido in uscita da ciascuna
sonda si avvicinerebbe gradualmente alla temperatura del
sottosuolo, riducendo l’efficacia della forza motrice termica
nello scambio.
L’operazione di collocazione della sonda verticale può durare
da uno a quattro giorni per una perforazione da 100 m, con il
coinvolgimento di 3 operai: comprende la posa e la prova di
pressione. Particolarmente dispendioso in termini di tempo è
l’allestimento dell’impianto per l’esecuzione dello scavo,
dipendendo quest’ultimo anche dalla conformazione
geologica del sottosuolo.
All’interno di una condotta i tubi possono assumere diverse
disposizioni, fra le quali si riportano di seguito le più comuni:
Si ricorda infine che oltre i 100 metri di profondità comincia a
percepirsi un incremento di temperatura dovuto alla presenza
del nucleo terrestre, con un gradiente di circa 3°C ogni 100 m.
Fig. 11 --- Sezione trasversale delle sonde geotermiche verticali
• a singolo tubo ad “U”: all’interno della perforazione
vengono inseriti un tubo di mandata e uno di ritorno
collegati sul fondo, poi si esegue il getto di riempimento;
• a doppio tubo ad “U”: è realizzato come il precedente, con
la differenza che nella perforazione si inseriscono quattro
tubi collegati a due a due sul fondo;
• a tubi coassiali: il tubo di ritorno è interno a quello di
mandata, che occupa tutta la sezione della perforazione,
quindi, se il diametro del tubo esterno è uguale o di poco
minore di quello della perforazione, non è necessario il
getto di riempimento;
• a tubi coassiali complessi: non esistono a riguardo delle
specifiche sulle modalità di funzionamento di questa
configurazione, né dati che ne riportino la resa.
10
R&D
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LE SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
polietilene costituente la sonda viene calata nella trincea
dall’alto [è sconsigliata la presenza di un operaio sul fondo
dello scavo per motivi di sicurezza] e successivamente si
reinterra. Procedendo in questo modo per un numero di volte
pari al numero di rami del campo di sonde, si ottengono
vantaggi economici cospicui, per la semplicità di esecuzione
dell’opera di sbancamento, nonché per il limitato volume di
terreno movimentato. Tuttavia la profondità dello scavo non
può superare il filo falda, se presente, o i 4÷5 m per limite di
operabilità dell’escavatore.
Affiancate alle sonde geotermiche verticali si trovano quelle a
disposizione orizzontale. Si tratta di un sistema di tubazioni
posizionate su un piano parallelo a quello del suolo, secondo
diverse configurazioni geometriche e di connessioni
idrauliche.
I sistemi orizzontali vengono interrati generalmente a piccola
profondità [fino a 4÷5 m] ed hanno perciò bisogno di
un’ampia superficie sgombra da edifici. È sconsigliata
l’installazione nelle fondamenta dello stabile per possibili
cedimenti della struttura a causa della sollecitazione termica
del terreno.
Un aspetto critico per l’installazione delle sonde geotermiche
orizzontali è costituito dall’esecuzione dello scavo del terreno
destinato ad alloggiarle. A seconda della profondità a cui si
intende posare la tubazione, della disponibilità di area
sbancabile da parte dell’utenza e della presenza o meno di
falde acquifere nel sottosuolo si presentano differenti
problematiche e quindi diverse soluzioni.
Premesso che ogni opera debba essere valutata
singolarmente tenendo opportunamente conto di ogni
aspetto tecnico, si osserva in prima analisi come non risulti
conveniente sbancare un’intera area. Il volume di materiale
movimentato risulta infatti particolarmente elevato, con diretta
ripercussione sull’onere economico. Inoltre è necessaria la
presenza di un autocarro che accolga temporaneamente la
massa di terreno asportato, per facilitare le operazioni
dell’escavatore. Ancora più critica si rivela la situazione
nell’eventualità che a partire da una certa profondità sia
presente una falda acquifera, come avviene nella Pianura
Padana. In questo caso infatti non è possibile il transito delle
macchine per movimento terra sul fondo del piano di
sbancamento, il quale sarebbe sommerso d’acqua. Perciò è
necessario prevedere un impianto di pompaggio
[Well ---Point] per il prosciugamento dell’area per un tempo
necessario all’esecuzione dell’opera di sbancamento.
Fig. 12 --- Escavatore idraulico del tipo “Tema”
Volendo condurre un confronto diretto fra le sonde verticali ed
orizzontali, un punto decisamente a favore delle prime è
rappresentato dalla resa termica specifica, cioè dalla quantità
di calore scambiabile col terreno per m lineare di sonda. Per
contro, le orizzontali consentono un risparmio notevole sulle
spese di installazione e quindi tempi di ritorno
dell’investimento iniziale inferiori. Va evidenziato, inoltre,
come per le sonde verticali non sia necessario prevedere un
appezzamento di terreno particolarmente esteso [dipende
dalla distanza tra due sezioni trasversali], mentre per le
orizzontali ci sono forti limitazioni sul tipo di alberi che
eventualmente si decidesse di piantare: le radici potrebbero
raggiungere la tubazione e danneggiarla.
Particolarmente vantaggiosa si dimostra invece l’opportunità
di effettuare uno scavo per trincee parallele fra loro, mediante
l’utilizzo di un escavatore idraulico del tipo “Terna”, dotato di
benna frontale e retroescavatore.
La macchina può transitare sugli argini del fossato
progressivamente formato e riporre la massa di terreno
asportata di lato. In tal modo non è necessario prevedere un
autocarro, né la presenza del Well ---Point. La tubazione in
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Fig. 13 --- Diverse configurazioni delle sonde geotermiche orizzontali
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LA CONVENIENZA ENERGETICA DELLA POMPA DI CALORE RISPETTO AI
SISTEMI TRADIZIONALI
Più semplicemente: il principio di funzionamento di una
generica caldaia è basato sullo sfruttamento dei fumi caldi
prodotti nella combustione del metano per scaldare una
portata d’acqua [ad uso sanitario o destinata al
riscaldamento]. Nelle caldaie a condensazione in particolare i
fumi vengono raffreddati a livello tale da provocare la
formazione di condensa: in tal modo si riesce a recuperare un
ulteriore quantità di calore [detto latente] che si libera
solamente nei processi di evaporazione o di condensazione.
Grazie alle elevate prestazioni energetiche del sistema
pompa di calore accoppiata alle sonde geotermiche, si
ottiene una consistente riduzione dei consumi, tanto che
anche in ambito residenziale è possibile sostituire il
tradizionale impianto a caldaia e split per soddisfare il
fabbisogno di climatizzazione e di acqua calda sanitaria.
Per condurre un confronto su base energetica fra i due sistemi
occorre fare delle considerazioni preliminari, in quanto
vengono utilizzate due forme di energia diverse fra loro. La
caldaia consuma infatti gas metano, che è una fonte di
energia primaria, mentre la pompa di calore è alimentata con
corrente elettrica, che è un tipo di energia secondaria, ovvero
derivata da quella primaria. Per tenere quindi conto di come
effettivamente la pompa di calore consumi l’energia, occorre
risalire nella catena di produzione della corrente elettrica, fino
ad esprimere il consumo in funzione della sola energia
primaria.
Storicamente il rendimento termico delle caldaie è sempre
stato riferito al Potere Calorifico Inferiore del combustibile
usato [che non tiene conto della condensazione dei fumi]: è
spiegato il motivo per cui il rendimento assume valori
superiori all’unità.
Si può pertanto assumere con discreta approssimazione che
una caldaia a condensazione abbia rendimento termico
medio stagionale, derivante dalla produzione di acqua calda
sanitaria e di soddisfacimento del fabbisogno di
riscaldamento, pari all’unità.
In Italia la produzione dell’energia elettrica deriva
principalmente dalla combustione di risorse fossili da parte
delle centrali termoelettriche, con una bassa percentuale di
provenienza rinnovabile [idroelettrico]. Globalmente a livello
nazionale l’efficienza con cui viene prodotta l’elettricità è
stimabile attorno al 40%, cioè per 100 parti di energia primaria
se ne ottengono solamente 40 di energia elettrica. Tenendo
conto di un rendimento di distribuzione della rete nazionale,
dalla centrale alla presa, dell’80% circa, si ha un rendimento
totale [risultato del prodotto dei due precedenti] del 32%: tale
valore prende il nome di REP [Rapporto di Energia Primaria].
Affinché una pompa di calore sia energeticamente più
conveniente di una caldaia, cioè consumi l’energia primaria in
modo più efficiente, occorre che sia:
COP . REP > η t
quindi che il COP sia circa maggiore di 3.
Quindi, per confrontare in modo congruo l’efficienza di una
caldaia, espressa in termini di rendimento termico, con quella
della pompa di calore, occorre moltiplicare il COP per il REP.
Si consideri ora una moderna caldaia a condensazione,
particolarmente performante con impianti cosiddetti a bassa
temperatura [tali per cui i terminali sono alimentati con acqua
fino a 35÷40 °C, al contrario dei radiatori, ai quali l’acqua di
impianto giunge a 75÷80 °C]. Grazie alla tecnica della
condensazione dei fumi di combustione è infatti possibile
recuperare l’aliquota [circa l’11%] corrispondente al calore
latente contenuto nel vapore d’acqua degli stessi e quindi
cedere un flusso termico maggiore al fluido termovettore
d’impianto. Dal momento che l’estrazione del calore latente di
condensazione risulta possibile solo se la temperatura lato
fumi scende al di sotto della loro temperatura di rugiada [circa
57 °C per combustione di metano], ne deriva che la caldaia a
condensazione presenta un rendimento medio stagionale
elevato soprattutto ai bassi carichi, ovvero nella fase di
riscaldamento del fluido termovettore d’impianto. Per contro
avrà un basso rendimento a pieno carico, cioè nel momento in
cui viene prodotta l’acqua calda sanitaria. Con riferimento al
potere calorifico inferiore del metano si ottengono rendimenti
superiori all’unità, fino a 1,09.
13
R&D
Department
LA CONVENIENZA ENERGETICA DELLE POMPE DI CALORE
GEOTERMICHE RISPETTO A QUELLE AD ARIA
Le più comuni pompe di calore utilizzate, soprattutto in ambito
residenziale, hanno l’unità dissipatrice [contrapposta all’unità
affacciata all’utilizzatore] che sfrutta l’aria esterna come fluido
per lo scambio termico. Ad esempio un comune
condizionatore domestico [a split] presenta il condensatore
solitamente installato all’esterno dell’edificio climatizzato.
Come scritto sopra, le fluttuazioni di temperatura dell’aria
rappresentano una fonte di penalizzazione delle prestazioni di
una pompa di calore, da cui l’esigenza di sfruttare una
sorgente termica che sia più stabile, come ad esempio il
terreno. La pompa di calore geotermica consente di
beneficiare di COP maggiori [per i più vicini livelli termici fra cui
opera], di rese maggiori e quindi di risparmio nei costi di
esercizio e di installazione [taglia della macchina inferiore].
Inoltre, per temperature dell’aria esterna particolarmente
basse, in funzionamento invernale si può presentare
l’inconveniente della formazione di brina sulla batteria
evaporante esterna. La brina infatti costituisce una resistenza
allo scambio termico e si forma sulla superficie esterna dei
tubi, ostruendo il passaggio dell’aria attraverso le alette. È
pertanto necessario programmare un ciclo di sbrinamento
per fondere il ghiaccio eventualmente presente, cosa che
avviene mediante sensori che rilevano il livello di brinatura.
Viene temporaneamente invertito il ciclo di funzionamento
della macchina, ovvero l’evaporatore diventa condensatore
per alcuni istanti: in tal modo si riscalda e si libera dal ghiaccio.
Tale operazione, sebbene duri poco tempo, è altamente
penalizzante in termini di efficienza e di consumi.
Per una macchina geotermica non occorre prevedere un
dispositivo di sbrinamento, con vantaggio economico anche
nell’onere di installazione; nei casi in cui ci fosse il rischio di
ghiacciare l’acqua nelle sonde, è da considerare la diluizione
di una certa percentuale di glicole etilenico nell’acqua di
circuito.
Fig. 14 --- Batteria alettata ghiacciata
Da sottolineare è anche il disagio acustico spesso derivante
dal funzionamento dei ventilatori sull’unità condensante,
nonché i costi energetici che scaturiscono dalla
movimentazione di elevati volumi d’aria.
L’aria esterna si dimostra essere probabilmente la sorgente
termica più sfavorevole dal punto di vista termodinamico:
l’unico grosso vantaggio risiede nella sua facile disponibilità.
14
R&D
Department
TIPOLOGIA DI TERRENO
Oltre alla conducibilità, occorre valutare i parametri che
concorrono ad un’elevata capacità termica del terreno,
ovvero il calore specifico cp e la densità ρ.
Particolare importanza nella valutazione delle prestazioni, e
quindi della convenienza, di un impianto geotermico assume
il tipo di terreno che costituisce il sottosuolo. Infatti è
vantaggioso disporre di una tipologia con una conducibilità
termica λ sufficientemente elevata, cioè con una buona
capacità di trasportare calore. Risulta quindi di fondamentale
importanza valutare le proprietà termofisiche del terreno,
mediante opportune rilevazioni geologiche dell’area
interessata. È inoltre da sottolineare come la presenza
d’acqua aumenti il rendimento dell’impianto, essendo
maggiore lo scambio termico tra fluido termovettore nelle
tubazioni e sottosuolo.
15
R&D
Department
PUNTI DI FORZA DELLA SOLUZIONE “HIREF”
• Doppia inversione di ciclo: il passaggio dal
funzionamento di regime estivo ad invernale, e viceversa,
viene realizzato da una valvola di inversione di ciclo che
cambia il senso di percorrenza del fluido frigorifero
all’interno del circuito della macchina. In tal modo
l’evaporatore diventa condensatore e il condensatore
diventa evaporatore. Con un azionamento elettrico, il setto
interno viene spostato a sinistra o a destra, permettendo
così di invertire il ruolo dei due scambiatori.
Coerentemente con una filosofia di progettazione e
realizzazione di apparecchiature a elevata efficienza
energetica, le pompe di calore geotermiche della HiRef S.p.A.
prevedono l’adozione di soluzioni e dispositivi che
costituiscono un concreto punto di forza dell’azienda.
La HiRef S.p.A., grazie ad una solida attività di Ricerca e
Sviluppo, propone l’utilizzo dei seguenti sistemi:
• Valvola di laminazione a controllo elettronico: la valvola
di laminazione elettronica si sta lentamente diffondendo
nelle moderne macchine frigorifere di dimensioni più
grandi e provvede a sostituire le tradizionali valvole di
laminazione termostatiche. Le valvole termostatiche
regolano la portata di fluido frigorigeno entrante
nell’evaporatore mediante misura del grado di
surriscaldamento, ovvero della differenza fra la
temperatura del vapore surriscaldato aspirato dal
compressore e la temperatura del vapore saturo all’uscita
dell’evaporatore [∆T = Tsurr – Tevap ]. Il limite principale di
questa valvola [a controllo meccanico] è la modesta
modulazione della portata dovuta ad una ridotta
escursione dell’otturatore, circostanza che si è costretti ad
accettare per il corretto funzionamento elastico della
membrana. Quindi il campo di regolazione risulta limitato.
Il problema è evitato con l’utilizzo di una valvola di
laminazione elettronica, in cui l’otturatore è movimentato
da un motorino elettrico passo---passo. In tal modo ne è
consentita la massima escursione dalla posizione di totale
apertura alla chiusura, con modulazione continua della
portata di fluido dallo 0 al 100%. Il controllo della posizione
dell’otturatore è realizzato grazie a termometri elettronici
collegati ad un microprocessore: la determinazione del
grado di surriscaldamento del fluido refrigerante in uscita
dall’evaporatore risulta perciò più raffinata e precisa. Il
surriscaldamento può pertanto essere più contenuto [0,7
°C rispetto ai 5÷7 °C della valvola tradizionale]: il vantaggio
termodinamico che ne deriva consente un innalzamento
della temperatura di fine evaporazione, quindi valori più
elevati del COP. Il beneficio permette di ripagare la
maggiore spesa di installazione dopo solo un anno di
funzionamento della macchina.
Fig. 16 --- Valvola di inversione di ciclo lato refrigerante
Fig. 15 --- Valvola di laminazione a controllo elettronico
Fig. 17 --- Valvola a 4 vie di inversione di ciclo lato fluido termovettore
16
R&D
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• Gestione integrata d’impianto: la gestione della
macchina, ed in particolare della parzializzazione della
potenza frigorifera, è realizzata mediante l’intervento di un
microprocessore di bordo, il quale controlla l’azionamento
dei compressori e quindi la conseguente potenza termica
disponibile allo scambiatore utilizzatore. L’attivazione o lo
spegnimento dei vari compressori avviene in base alla
temperatura dell’acqua in ingresso o in uscita allo
scambiatore utilizzatore. Inoltre, il microprocessore
gestisce la sicurezza grazie ad una serie di sonde che
rilevano lo stato di particolari parametri critici; i valori
misurati vengono confrontati con quelli limite impostati e
nel caso in cui vengano superati la macchina va in blocco e
in allarme. Un esempio è il controllo sulla temperatura di
condensazione: è presente un pressostato che fa scattare
lo stato di allarme nel caso in cui la pressione di
condensazione superi il valore di soglia impostato. Il
microprocessore gestisce anche le altre componenti
elettroniche presenti nella macchina, agendo per esempio
sulle valvole di inversione di ciclo; in questo caso
l’inversione del ciclo avviene in base ad un comando di
input derivante dalla centralina di controllo dell’impianto
che dialoga in modo continuo con il processore di bordo.
In tal modo però si rinuncia al beneficio del deflusso in
controcorrente all’interno degli scambiatori, assunto in
fase di progetto. Infatti, quando il moto relativo fra i due
fluidi [refrigerante e fluido termovettore lato utenza o
dissipazione] avviene secondo direzioni contrarie, il flusso
termico scambiato risulta maggiore di quello che si ottiene
con deflusso in equicorrente [direzioni uguali dei fluidi]. Si
ipotizzi che la pompa di calore venga dimensionata per le
condizioni estive, e quindi che in regime di raffreddamento
sia realizzata la controcorrente. Nel momento in cui si va ad
invertire il funzionamento della macchina per soddisfare il
fabbisogno di riscaldamento, agli scambiatori si realizza
l’equicorrente con perdita di efficienza nello scambio
termico. Per evitare tale penalizzazione viene quindi
adottata una valvola di inversione di ciclo anche al lato
opposto, cioè per il fluido termovettore. Si tratta di una
valvola di inversione a quattro vie, rappresentata in Fig. 17.
In ambito aziendale è stata condotta un’analisi per valutare
il miglioramento delle prestazioni della macchina derivante
dall’adozione della valvola di inversione di ciclo lato acqua.
Sono state considerate due macchine: la prima con doppia
inversione di ciclo e la seconda con sola valvola di
inversione lato refrigerante, funzionanti alle stesse
condizioni standard stagionali: in inverno l’acqua entra al
condensatore alla temperatura di 30°C e all’evaporatore a
8 °C, mentre in estate entra al condensatore a 35 °C e
all’evaporatore a 12 °C. Dal confronto fra funzionamento
degli scambiatori in equicorrente e controcorrente è
scaturito un incremento dei COP che in regime di
riscaldamento è mediamente del 20%, mentre in
raffreddamento addirittura del 25%.
• Reversibilità della macchina: poiché in inverno il terreno
risulta progressivamente raffreddato dall’assorbimento di
calore da parte delle sonde, è ragionevole pensare che
possa venire meno la potenzialità termica della massa di
terreno, essendo presente una anche seppur modesta
deriva termica. Il funzionamento della pompa di calore in
entrambi i regimi stagionali consente invece un riequilibrio
termico, risultante dalla combinazione delle due forzanti
opposte tra loro [raffreddamento del terreno in inverno e
riscaldamento in estate], e realizza dunque un potenziale
termico uniforme nel corso degli anni.
• Filtri deidratanti a setaccio molecolare: i filtri deidratanti
vengono installati sulla linea del liquido subito dopo il
condensatore e hanno lo scopo di eliminare le particelle di
acqua che possono trovarsi nel circuito. L’umidità può
essere presente per insufficiente essiccamento delle
tubazioni prima della carica di fluido frigorigeno, oppure
può entrare assieme all’aria all’atto del caricamento o nelle
parti che venissero trovarsi in depressione. A bassa
temperatura la solubilità dell’acqua nel fluido è molto
ridotta e quindi questa può ghiacciare; tale fenomeno si
verifica più facilmente in corrispondenza della valvola di
laminazione, che può dunque rimanere bloccata. I filtri
deidratanti a setaccio molecolare, contenenti sostanze a
base di silicati di alluminio cristallizzati, hanno la capacità di
catturare le molecole d’acqua, lasciando passare quelle di
fluido frigorigeno e di olio.
• Parzializzazione della resa: per le macchine di taglia
maggiore è prevista l’installazione di due compressori per
circuito. In tal modo è possibile la parzializzazione del
carico senza alcuna perdita energetica della macchina; la
minore potenza fornita è infatti ottenuta spegnendo un
compressore, quindi ottimizzando il consumo di energia
elettrica.
• Gestione della portata variabile per le pompe: nel
quadro elettrico è possibile integrare dei comandi per la
gestione di pompe esterne al frame della macchina;
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R&D
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CRITERI PROGETTUALI PER GLI AMBIENTI
energetico, riguardante le disposizioni per la riduzione dei
consumi energetici e per lo sviluppo delle energie rinnovabili.
In essa inoltre è contenuta la definizione di un Piano
Energetico Comunale [PEC], che sancisce che i Comuni con
popolazione superiore a 50’000 abitanti debbano stilare uno
specifico piano per la regolamentazione dell’uso delle fonti
energetiche rinnovabili.
In ambito europeo, nazionale, regionale e anche locale sta
avanzando il promulgamento di nuove leggi e regolamenti
che definiscano i parametri di una nuova edilizia, sempre più
attenta ai temi dell’efficienza energetica, e che consenta la
costruzione di edifici che non disperdano calore e
massimizzino la resa dei loro consumi. L’interesse per queste
problematiche è decisamente coerente con la filosofia che
giustifica l’adozione di sistemi di condizionamento ad alto
contenuto tecnologico solo se anche l’involucro che
costituisce l’edificio dispone di soluzioni di elevata efficienza
energetica.
Il 27 luglio 2005 il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti
ha emesso un Decreto, applicato ai nuovi edifici e a quelli
esistenti con impianto di climatizzazione, che regolamenta
l’applicazione della Legge 10/91 e che ha lo scopo di
prescrivere a livello comunale delle regole che favoriscano
un’elevata efficienza energetica per gli edifici.
Un importante risultato pubblicato nelle recenti normative è
costituito dalla definizione di un sistema di Certificazione
Energetica degli edifici. Si tratta di una nuova modalità di
classificazione dei fabbricati, che vengono distinti secondo
caratteristiche di efficienza energetica in categorie di
consumo [dalla classe A alla G] similmente a come avviene
per gli elettrodomestici. Nella categoria “edifici
energeticamente efficienti” rientrano dunque gli edifici per i
quali è previsto un basso consumo di energia, gli edifici a
consumo energetico nullo e gli edifici passivi.
Del 19 agosto 2005 è infine il D.L. 192/05 sui requisiti
energetici e sulla Certificazione Energetica degli edifici, che
recepisce la Direttiva Europea 2002/91/CE.
Quindi risulta di fondamentale importanza includere nella
definizione e progettazione di un nuovo impianto di
climatizzazione ad avanzata tecnologia anche il concetto di
edificio ad elevata efficienza energetica, considerando
l’immobile e l’impianto come un unico insieme.
Basso fabbisogno di calore
Dall’analisi energetica sopra svolta appare chiaro come sia
vantaggioso, sempre in termini di efficienza della pompa di
calore, contenere la T di condensazione, e quindi la T di
servizio dell’utenza in regime di riscaldamento. Il sistema
geotermico, come in generale tutti i sistemi a pompa di calore,
non andrebbe accoppiato a terminali di impianto tradizionali,
come i radiatori, ma andrebbero invece utilizzati pannelli
radianti o ventilconvettori, soluzioni cosiddette “a bassa e
media temperatura”. La T di mandata all’utilizzazione è quindi
contenuta a 35÷40 °C per i primi e 40÷45 °C per i secondi,
contro i 75÷80 °C dei radiatori.
Alto fabbisogno di calore
Fig. 18 --- Classi di consumo energetico degli edifici secondo la
Certificazione Energetica
A livello europeo la Direttiva 2002/91/CE approvata dal
Parlamento Europeo, avente come tema il rendimento
energetico degli edifici, impone agli Stati membri dell’Unione
Europea di attenersi alle seguenti disposizioni, a partire dal 6
Gennaio 2006:
--- Definizione del rendimento energetico degli edifici
mediante un metodo di calcolo.
--- Applicazione dei requisiti minimi agli edifici di nuova
costruzione e a quelli esistenti ristrutturati.
--- Certificazione Energetica degli edifici.
In Italia vige dal 9 Gennaio 1991 la Legge n. 10, primo
riferimento a livello nazionale in materia di risparmio
18
R&D
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CIRCUITO IDRAULICO LATO SONDE
Pompa di circolazione:
Per le macchine pluricompressore si possono accendere
entrambe le pompe disposte in parallelo, con la possibilità
di escluderne una in funzione della parzializzazione del
carico.
Per la disposizione in serie si rimanda a trattazioni
specifiche di impiantistica idraulica.
La scelta della pompa va fatta da catalogo sulla base della
portata di fluido termovettore circolante nelle sonde [il cui
valore è generalmente fissato in sede di dimensionamento
della pompa di calore] e della caratteristica resistente
dell’impianto. Quest’ultima, espressa in m.c.a. [metri di
colonna d’acqua] o in Pa, rappresenta l’energia da fornire al
fluido per compiere l’intero percorso delle sonde geotermiche
e attraverso lo scambiatore lato dissipazione. Poiché il circuito
geotermico è del tipo chiuso e dato che per entrambe le
configurazioni, orizzontale e verticale, è presente un tratto di
discesa e di risalita, la caratteristica resistente dell’impianto è
data dalla sola somma delle perdite di carico continue e
localizzate.
Le perdite di carico continue costituiscono la resistenza al
deflusso che trova il fluido nel contatto con le pareti della
tubazione, e sono quantificabili in Pa con l’espressione di
Darcy---Weisbach:
Tubazione:
per semplicità di installazione e per motivi economici vengono
utilizzati tubi in polietilene. Il polietilene infatti è un materiale
caratterizzato da elevata flessibilità [facili operazioni di
piegatura e buona attitudine all’assorbimento delle
vibrazioni], è leggero, quindi le spese di trasporto e di
installazione risultano ridotte, ha una buona resistenza
chimica a svariate sostanze [fra cui anche il glicole etilenico],
è saldabile termicamente, non si degrada in seguito a
variazioni di temperatura ambiente e resiste anche a
temperature molto basse.
Per il trasporto di fluidi in pressione, categoria in cui rientrano
anche le applicazioni geotermiche, viene adoperato il
polietilene a media ed alta densità, che presenta
caratteristiche meccaniche superiori e che quindi consente di
preservare le caratteristiche della tubazione nel lungo
periodo. Le sonde geotermiche sono quindi costituite da PE
80 e da PE 100 [UNI 10910].
u2 
 l
∆p c = ∑i  f i ρ 
2 
 d
in cui li è la lunghezza dell’i---esimo tratto rettilineo di
tubazione, d è il diametro interno del tubo, ρ ed u sono
rispettivamente la densità e la velocità del liquido in deflusso, f
è un numero adimensionale detto fattore di attrito, dipendente
dal carattere turbolento del moto [identificato dal numero di
Reynolds] e dalla finitura superficiale interna della tubazione.
Il fattore di attrito f può essere ricavato dal diagramma di
Moody [Fig. 19].
Le perdite di carico localizzate sono dovute agli attriti
imputabili ai singoli componenti del circuito idraulico [gomiti,
curve, valvole . . .] e sono esprimibili ciascuna come:
∆pl = ξ
--- Giunzioni: nell’eventualità che la lunghezza del tubo
fornito sia inferiore a quella dell’applicazione, o per
particolari esigenze di conformazione del circuito idraulico
costituente le sonde, occorre utilizzare dei raccordi per la
giunzione delle varie parti. I giunti possono essere di
polietilene oppure di metallo; possono essere a
compressione o a flange e bulloni. Ulteriore distinzione
viene fatta tra giunti rimovibili e giunti fissi. Questi ultimi,
sfruttando la saldabilità del polietilene, sono raccordi di
plastica contenente una resistenza elettrica. I due tubi da
raccordare vengono fusi localmente per effetto Joule
prodotto dalla resistenza, a cui è applicata una tensione
elettrica dall’esterno. Per la giunzione di due tratti contigui,
aventi la stessa direzione, si può effettuare
un’elettrosaldatura di testa.
u2
2g
dove ξ è il coefficiente caratteristico di ciascun tipo di
componente.
Quindi la pompa dovrà garantire una prevalenza, cioè una
fornitura di energia, sufficiente a sopperire alla sommatoria di
tutte le perdite di carico ∆p t = ∆p c + ∆p l
--- Scelta del tubo: i tubi vengono classificati, secondo
normativa, in classi di pressione, ovvero sulla base della
pressione idrostatica interna PN a cui possono resistere in
esercizio continuo per un certo periodo di tempo a 20 °C.
Quindi si hanno tubazioni PN 5, PN 8, ecc.
Occorre però tenere conto anche della temperatura del
fluido trasportato, la quale, aumentando, riduce la
resistenza effettiva del tubo. Ad esempio un PN 8 con
deflusso di liquido a 40 °C viene declassato a PN 5,9.
--- Acqua refrigerata: nel caso in cui si adottino temperature
al di sotto dello zero per il fluido in mandata alle sonde,
occorre utilizzare una tipologia di pompe speciale: per
acqua refrigerata. A differenza delle normali pompe
presentano un setto di isolamento delle parti elettriche
costituenti lo statore del motore elettrico, le quali
potrebbero altrimenti essere danneggiate per formazione
di condensa qualora la temperatura del liquido nelle sonde
fosse inferiore alla temperatura di rugiada dell’aria.
--- Diametro del tubo: il diametro del tubo viene determinato
secondo diagrammi di dimensionamento dei tubi in
polietilene, che ne riportano il valore in funzione della
portata e della velocità di deflusso [o della portata e delle
perdite di carico]. Ovvero si decide di adottare un certo
tubo sulla base della portata [impostata nel
dimensionamento della pompa di calore] e della caduta di
pressione che si intende fronteggiare con la pompa scelta.
--- Pompe in serie e parallelo: talvolta negli impianti può
essere inserita una pompa di riserva collegata in parallelo
con quella principale: in caso di avaria può essere
ripristinata immediatamente la continuità della portata. Le
due pompe vengono poi alternate nel funzionamento per
mantenerle in uguali condizioni di usura.
19
R&D
Department
--- Dilatazioni termiche: il polietilene, più dell’acciaio o del
rame, è soggetto a dilatazione o contrazione dimensionale
dovuta alle variazioni di temperatura attorno al valore che si
ha nelle condizioni di posa. La variazione di lunghezza
dipende da un fattore α [coefficiente di dilatazione termica
lineare] ed è quantificabile secondo l’espressione:
Tab. 1 --- Valori dei coefficienti di dilatazione lineare di
alcuni materiali
Materiale
∆l = α l0 ∆T
con l0 lunghezza del tubo alle condizioni di installazione, ∆T
incremento di temperatura rispetto alla T di installazione e ∆l
differenza di lunghezza del tubo rispetto ad l0 .
Il coefficiente α assume i valori in Tab. 1 a seconda del
materiale considerato.
Acciao al carbonio
1.2 x 10 ---5
Acciaio inox
1.7 x 10 ---5
Alluminio
2.4 x 10 ---5
Ghisa
1.1 x 10 ---5
Polietilene
1.3 x 10 ---4
Polietilene reticolato
1.9 x 10 ---4
Rame
1.7 x 10 ---5
Fig. 19 --- Diagramma di “Moody”
20
Coefficiente di
dilatazione lineare “α“
[1/°C]
R&D
Department
Fig. 20 --- Diagramma di dimensionamento di tubi lisci per acqua a 80 ˚C [fonte: Miniguida AICARR II Ed.]
21
R&D
Department
Tab. 2 --- Fattori correttivi per il calcolo delle perdite di carico a temperature dell’acqua diverse da 80 °C
[fonte: Miniguida AICARR II Ed.]
Perdita di carico
a 80 °C
C
[Pa/m]
/
Perdita di carico a diverse temperature rispetto a quella a 80 °C
[Temperatura in °C]
1
5
10
20
40
60
80
100
120
140
160
Tubo con diametro interno 15 mm
50
1.50
1.45
1.39
1.29
1.15
1.06
1.00
0.94
0.90
0.86
0.83
100
1.40
1.39
1.34
1.25
1.13
1.05
1.00
0.95
0.91
0.88
0.85
200
1.38
1.34
1.29
1.22
1.12
1.05
1.00
0.95
0.92
0.89
0.86
400
1.33
1.29
1.25
1.19
1.10
1.04
1.00
0.96
0.93
0.90
0.88
50
1.42
1.38
1.32
1.24
1.13
1.05
1.00
0.95
0.91
0.88
0.85
100
1.37
1.33
1.28
1.21
1.11
1.05
1.00
0.95
0.92
0.89
0.86
200
1.32
1.28
1.24
1.18
1.10
1.04
1.00
0.96
0.93
0.90
0.88
400
1.27
1.24
1.20
1.15
1.08
1.03
1.00
0.96
0.94
0.91
0.89
50
1.33
1.30
1.26
1.19
1.10
1.04
1.00
0.96
0.92
0.90
0.87
100
1.29
1.26
1.22
1.17
1.09
1.04
1.00
0.96
0.93
0.91
0.88
200
1.24
1.22
1.19
1.14
1.08
1.03
1.00
0.97
0.94
0.91
0.89
400
1.20
1.18
1.16
1.12
1.06
1.02
1.00
0.97
0.95
0.92
0.90
A titolo di esempio si consideri una tubazione in acciaio al
carbonio di lunghezza 10 m installata ad una temperatura di
20 °C. Se durante l’esercizio vi scorre all’interno un liquido a
65 °C, si produce una dilatazione termica che valutata in
senso longitudinale è pari a
∆ l = 1.2 x 10 - 5 ⋅ 10 ⋅ (65 -- 20) = 5.4 x 10 --3 m
cioè il tubo si allunga di 5,4 mm. Analogamente se il liquido è a
---5 °C si verifica una contrazione dell’acciaio di 3 mm.
I tubi in polietilene invece presentano dilatazioni
sensibilmente maggiori, circa dieci volte quelle che si
verificano per l’acciaio [nell’esempio 58,5 mm e ---32,5 mm],
ed è per questo che occorre tenere conto di eventuali
problemi che si possono verificare durante il funzionamento
dell’impianto geotermico, soprattutto nel tratto di tubazione
che va dalla macchina [o da un eventuale collettore di
distribuzione] fino alla testa delle sonde. Non è improbabile
infatti che la pompa di calore venga collocata in una centrale
termica o in un locale caldaia e che le sonde entrino nel
terreno ad una distanza da questa ragguardevole: tale tratto
di tubazione potrebbe ragionevolmente essere lunga 10 m.
È opportuno valutare la possibilità di adottare un
compensatore di dilatazione a soffietto, o un tratto di
tubazione corrugata, al fine di non danneggiare il giunto a 90°
che costituisce la testa della sonda. In tal caso, oltre alla
rottura del componente, si avrebbe fuoriuscita di liquido
termovettore, con pericolo di contaminazione del terreno
circostante per l’eventuale presenza di glicole.
In alternativa all’utilizzo di componenti compensatori si può
modificare la geometria di alcuni tratti con lo scopo di
assorbirne la variazione di lunghezza: si realizzano allora i
bracci dilatanti [Fig. 21] o le curve di compensazione [Fig. 22]
Fig. 21 --- Dilatazione termica sulla testa della sonda:
compensazione con braccio dilatante
Infine, per i segmenti rettilinei ancorati a tratti di muratura è
conveniente adoperare dei punti scorrevoli, cioè dei collari di
ancoraggio che, lasciando svicolato assialmente il tubo, ne
permettono lo scorrimento in quella direzione.
22
R&D
Department
Fig. 22 --- Dilatazione termica sulla testa della sonda: assorbimento con curva di compensazione
--- Glicole etilenico: nel caso in cui si debba gestire una
temperatura di mandata alle sonde inferiore a 0 °C
[funzionamento della pompa di calore in regime invernale]
è necessario addizionare l’acqua di circuito con una certa
quantità di glicole etilenico. In caso contrario l’acqua
ghiaccerebbe, con gravi danni a tutto l’impianto
geotermico di dissipazione.
Il glicole etilenico è un fluido incolore, leggermente viscoso
e completamente solubile in acqua. Il suo principale
aspetto negativo è la tossicità e il rischio di inquinamento
ambientale. È dunque fondamentale prendere tutte le
precauzioni necessarie ad evitare fughe accidentali dal
circuito geotermico, poiché la contaminazione avverrebbe
senza possibilità di contenimento e con il rischio di
inquinare eventuali falde acquifere.
La
miscela
acqua---glicole
etilenico
presenta
caratteristiche termofisiche diverse dall’acqua pura: si
abbassano la temperatura di congelamento e il calore
specifico, aumentano la densità e la dilatazione per effetto
termico. Il progettista deve quindi essere informato della
scelta di adottare una miscela glicolata, in quanto risulta
fortemente influenzato il dimensionamento degli
scambiatori di calore.
Fig. 23 --- Variazione di alcune caratteristiche termofisiche per la miscela acqua ---glicole etilenico rispetto all’acqua pura
23
R&D
Department
Sonde:
Inoltre, a causa del fatto che l’aggiunta di glicole etilenico
peggiora le prestazioni degli scambiatori di calore, è
necessario prevedere velocità maggiori per la miscela, e
quindi portate maggiori.
Sebbene alcuni installatori adottino tubazioni in polipropilene
[PP], se ne sconsiglia l’uso, soprattutto per il basso valore
della conducibilità termica [0,24 W/(mK) contro i 0,45 W/(mK)
del polietilene]. Il polipropilene dunque scambia un flusso
termico con il terreno circostante che a parità di tutte le altre
condizioni risulta all’incirca dimezzato. Inoltre, il coefficiente di
dilatazione termica lineare è pari a 1.5x10 --4 1/K, quindi il
polipropilene si dilata circa il 15% in più rispetto al polietilene.
--- Verticali: particolare attenzione va posta nella scelta del
tipo di tubazione da adottare per le sonde verticali. Il tubo,
che ha una lunghezza notevole, è totalmente riempito di
fluido termovettore ed è pertanto soggetto alla pressione
derivante dal peso della colonna liquida. Se ad esempio il
tubo fosse lungo 100 m e riempito di acqua, sulle sue pareti
agirebbe una pressione pari a 10 bar, a cui poi si aggiunge
quella derivante dal deflusso. Nel dimensionamento e nella
scelta della tubazione in polietilene è fondamentale
orientarsi verso elevati valori di PN.
Nel caso di più trivellazioni del terreno, le sonde verticali
vanno distanziate tra loro di un’opportuna lunghezza, in
modo da evitare pesanti fenomeni di interferenze termiche.
Inoltre, è opportuno mantenersi ad una certa distanza dagli
edifici, sia nella fase di perforazione, per non danneggiare
le strutture in seguito alle vibrazioni, sia nell’esercizio
dell’impianto geotermico, per non incorrere in cedimenti
strutturali dovuti a sollecitazione termica del terreno.
--- Orizzontali: il circuito costituente il campo di sonde
orizzontali può essere diviso in più circuiti, eventualmente
posti in parallelo tra loro. L’elevata flessibilità nella
disposizione delle tubazioni è un aspetto interessante per
l’utente che decida di optare per la soluzione geotermica:
ad esempio un circuito può essere collocato nel terreno
antistante l’abitazione, mentre un secondo sul retro, con
ulteriore possibilità di parzializzazione della potenza
termica.
24
R&D
Department
NOMOGRAMMI PER LE SONDE GEOTERMICHE
--- Profondità di posa delle sonde orizzontali di 2,5 m,
secondo convenienza derivante da opera di
sbancamento per trincee. Passo fra i rami di 2 m;
--- Tipo di terreno e relative proprietà termofisiche
valutati in base alla località di riferimento;
--- Funzionamento annuale della macchina in regime
invernale dal 16 Ottobre al 14 Aprile e in regime estivo
dal 16 Maggio al 14 Settembre. Nei giorni restanti
rimane spenta;
--- Fluido termovettore costituito da acqua pura, senza
aggiunta di glicole, le cui proprietà termofisiche sono
state convenzionalmente valutate alla temperatura di
15 °C;
--- Tubazione costituente la sonda in polietilene a media
densità PE 80 e di diametro nominale esterno pari a
25 e 32 mm per la configurazione orizzontale. Tali
diametri sono ritenuti idonei alle operazioni di
piegatura pre---posa;
--- Temperature dell’acqua in mandata alle sonde
costanti durante i due regimi di funzionamento,
invernale ed estivo.
L’installazione di un impianto di climatizzazione accoppiato a
sonde geotermiche comporta per l’utente l’onere di dover
effettuare una serie di scelte che hanno diretto impatto sulle
prestazioni della pompa di calore, sui costi di investimento e
di esercizio e quindi sui tempi di ritorno dell’esborso iniziale.
Diventa dunque di fondamentale importanza poter fornire
delle indicazioni, o meglio ancora un metodo pratico, che sia
di ausilio all’utente e che lo renda compartecipe al progettista
dei criteri di dimensionamento dell’intera struttura, nel suo
diretto interesse.
A tal proposito si propone in questa sezione un “manuale di
ausilio alla progettazione geotermica”, basato su semplici
diagrammi di selezione delle sonde geotermiche
[nomogrammi] e su una serie di indicazioni pratiche.
1 --- In relazione all’efficienza energetica dell’involucro
dell’edificio e della sua ubicazione si ottengono i carichi
termici di progetto [ovvero i picchi] da soddisfare nei
regimi invernale di riscaldamento ed estivo di
raffrescamento;
2 --- L’utente decide la tipologia di terminale di impianto da
utilizzare
nell’unità
residenziale,
fissando
di
conseguenza le temperature dell’acqua di mandata
dalla pompa di calore. Si ricorda che con impianti
geotermici è opportuno, in termini di convenienza
energetica ed economica, ricorrere a soluzioni
cosiddette a media temperatura [ventilconvettori:
40÷45 °C] o a bassa temperatura [pannelli radianti:
35÷40 °C];
Mentre per le sonde verticali si assumono come
condizioni al contorno:
--- T del terreno non disturbato da onde termiche
valutata in relazione alla località di ri---ferimento;
--- Sonda geotermica verticale del tipo a doppia U con
tubazione in polietilene a media densità DN 25 e DN
32;
--- Passo tra le sonde verticali pari a 7 m;
--- Tipo di terreno e relative proprietà termofisiche
valutati in base alla località di riferimento;
--- Fluido termovettore costituito da acqua pura, senza
aggiunta di glicole, le cui proprietà termofisiche sono
state convenzionalmente valutate alla temperatura di
15 °C;
--- Temperature dell’acqua in mandata alle sonde
costanti durante i due regimi di funzionamento,
invernale ed estivo.
3 --- Si fissa il COP che si desidera ottenere mediamente
dalla pompa di calore: questa decisione deve essere
effettuata però a partire da un fondamentale aspetto.
Come detto sopra, l’efficienza energetica della
macchina dipende strettamente dai livelli termici fra cui
opera [fra condensatore ed evaporatore]. Fissata di
fatto la temperatura di condensazione al p.to 2 ---, il COP
dipende dalla sola temperatura di evaporazione, quindi
dalla temperatura a cui si decide di inviare il fluido nelle
sonde geotermiche. Più bassa sarà questa, maggiore
sarà il ∆T con il terreno, e quindi il potenziale termico di
scambio, ma minore risulterà il COP. Servirà allora una
minore superficie di scambio, cioè una sonda
geotermica di lunghezza inferiore, ma a parità di
potenza termica fornita la macchina consumerà di più.
La scelta del COP si traduce allora in un compromesso
fra elevati costi di installazione, dovuti ad una superiore
lunghezza della sonda, ed elevati costi di esercizio
dell’impianto, strettamente collegati all’efficienza
energetica della pompa di calore.
Scelto dunque il ∆T fra temperatura di mandata alle
sonde e temperatura del terreno indisturbato si può
ricavare la resa termica specifica della sonda
geotermica. Da qui, conoscendo il carico termico di
progetto dell’edificio, si possono ricavare i metri di
sonda necessari a soddisfare il fabbisogno dell’utenza
seguendo il successivo procedimento. Dal I Principio
della Termodinamica applicato allo schema di
funzionamento di una pompa di calore e dalla
definizione di COP, si ottiene che la potenza termica
invernale da assorbire dal terreno attraverso le sonde è
pari a:
4 --- D’ausilio alla scelta da affrontare al p.to 3 --- giungono i
già citati nomogrammi, che permettono di stimare, con
buona approssimazione, la resa termica specifica di
una sonda [verticale od orizzontale] in funzione della T
di mandata del liquido termovettore. Vengono
considerate le seguenti condizioni al contorno per le
sonde orizzontali:
--- T del terreno non disturbato da onde termiche
valutata in relazione alla località di riferimento;

PINV ,t = PINV ,e 1 −


1
COPINV



dove PINV,e è il carico termico dell’edificio in regime di
riscaldamento. Analogamente la potenza termica da
25
R&D
Department
poi una stima della potenza elettrica impegnata dalla
pompa:
smaltire lato sonde nel periodo estivo è quantificabile
con:

PEST ,t = PEST ,e 1 +


1
COPEST
Pp = mghη p = Qρghη p



dove m è la portata massica in [kg/s], g è l’accelerazione
di gravità, h è la prevalenza, ηp è il rendimento della
pompa e Q è la portata volumetrica in [m 3/s].
La lunghezza della sonda risulta uguale a:
l=
Pt
I nomogrammi di selezione delle sonde geotermiche
orizzontali sono riportati, in base alla località di riferimento, in
Appendice ---A ---, mentre l’Appendice ---B --- contiene i
nomogrammi di selezione delle sonde geotermiche verticali.
Ps
dove Pt è il carico termico da scambiare lato sonde,
calcolato come sopra, mentre Ps è la resa specifica della
sonda geotermica, espresso in W/m.
Ovviamente, il carico termico [lato sonde] maggiore
fisserà la lunghezza della sonda. Appare chiaro,
dunque, come il regime di funzionamento meno critico
[caratterizzato dal carico termico lato sonde minore] sia
ulteriormente avvantaggiato, in termini di COP, dal fatto
che si hanno a disposizione più metri di sonda di quelli
strettamente necessari.
Per zone di installazione in cui lo squilibrio dei carichi
termici sia limitato, per non forte predominanza di una
condizione climatica su un’altra, è possibile minimizzare
i costi di installazione delle sonde geotermiche
mediante ottimizzazione del calcolo della loro
lunghezza. Uguagliando infatti le forme esplicite delle
due formule che conducono al valore di l stagionale, si
ottiene l’espressione:
COP INV =
1
P
P
1

1 − INV, S EST , t 1 +

PEST , S PINV , t 
COP EST



Portando a convergenza i valori dei COP calcolati dalla
precedente con quelli derivanti dal dimensionamento
della pompa di calore, mediante scelta delle
temperature di mandata dell’acqua lato sonde, si
ottiene un valore pressoché univoco di l, con evidente
economia nell’onere economico di esecuzione
dell’impianto a sonde geotermiche. Tale ultima
procedura, onerosa dal punto di vista numerico,
rappresenta comunque un affinamento, da eseguire,
eventualmente, nelle ultime fasi della progettazione.
5 --- In base alla portata di fluido termovettore che fluisce
nella tubazione [dato derivante dal dimensionamento
della pompa di calore] si può effettuare una stima delle
perdite di carico distribuite che conducono infine alla
scelta della pompa. L’impiantista avrà l’onere di fissare
una soglia limite per la portata della pompa, scelta
prevalentemente influenzata dal costo di acquisto e dai
consumi in esercizio, oltre la quale le perdite di carico
diventano importanti. Per portate superiori a tali valori
consigliati è opportuno dividere il circuito delle sonde in
due o più circuiti in parallelo tra loro [si ricorda che
dividendo la portata in n rami, le perdite di carico per
ogni ramo saranno ridotte, rispetto al caso di singolo
circuito, del fattore n2]. Considerando infine anche le
perdite localizzate si dispone dei dati per la scelta da
catalogo della pompa [portata e prevalenza]. Dal
rendimento di pompaggio fornito dal costruttore si ha
26
R&D
Department
ESEMPIO DI SELEZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO A
SONDE ORIZZONTALI
A titolo di esempio si illustra di seguito il procedimento da
seguire nel caso di installazione di un sistema a pompa di
calore reversibile accoppiata a sonde geotermiche orizzontali
per un’unità residenziale di 150 m 2.
Le condizioni peggiori si verificano dunque in estate,
circostanza a cui ci si riferisce per il calcolo della
lunghezza totale della sonda:
l=
1 --- Si sono preventivamente calcolati i carichi termici di
progetto, riferiti alle condizioni maggiormente
penalizzanti estive ed invernali, pari a 2,8 kW in estate e
4,4 kW in inverno;
3,27 kW
7,22 W m
= 453 m
mentre per il regime di riscaldamento sarebbero
sufficienti
2 --- Si decide di utilizzare ventilconvettori [fan ---coils] quali
terminali d’impianto, funzionanti alle temperature di
40/35 °C d’inverno e 7/12 °C d’estate;
l=
3 --- Si sceglie un COP medio in regime di riscaldamento pari
a 4,43 e in regime di raffrescamento di 6,0;
3,41 kW
7,76 W m
= 440 m
Ne deriva che, per adattamento della pompa di calore
ad una superficie di scambio termico lato dissipazione
sovradimensionata si avranno prestazioni energetiche
superiori nei mesi estivi.
4 --- Le temperature di mandata alle sonde, derivanti dal
dimensionamento della pompa di calore, risultano
uguali a 3 °C nei mesi invernali e a 27 °C in quelli estivi;
7 --- Con una portata d’acqua di 2200 l/h, cui corrisponde
una velocità di deflusso di 1,63 m/s per il tubo DN 25, si
ha una perdita di carico molto elevata, per cui conviene
dividere il circuito in due secondari con configurazione
in parallelo. Ne derivano, per dimezzamento della
portata, delle perdite idrauliche di 0,54 kPa per m di
tubazione, circa 55 mm c.a. Sul totale sviluppo di ogni
circuito le perdite ammontano a 122 kPa, cioè di 12,5 m
c.a. Incrementando tali predite distribuite del 20%, per
tenere conto delle varie cadute di pressione accidentali,
si ha una totale caratteristica resistente dell’impianto
uguale a circa 147 kPa, cioè 15 m c.a. [a meno delle x
perdite che hanno luogo allo scambiatore lato
macchina].
Le due pompe dovranno pertanto avere una prevalenza
di [147 + x] kPa ciascuna, con una portata di 2200 l/h.
5 --- Si utilizzano i nomogrammi riferiti alla provincia di
Padova, con una sonda posta a profondità 2,5 m e con
passo 2 m, e per una tubazione di DN 25 [dalle
specifiche tecniche della macchina si ricava una portata
lato sonde di 2200 l/h]. La resa specifica media
invernale, in corrispondenza di un ∆T di 10 °C è pari a
7,76 W/m, mentre la resa specifica media estiva, per un
∆T di 14 °C è pari a 7,22 W/m;
6 --- Si calcolano i carichi termici lato sonde, pari a

1 
PINV ,t = 4,41 −
 = 3,41kW
 4,43 
in inverno e

1 
PEST ,t = 2,81 +
 = 3,27kW
 6,0 
in estate.
27
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- PADOVA
DN 25
DN 32
18
17
16
15
14
Resa specifica [W/m]
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
--1
5
10
∆T [˚C]
15
20
Nomogramma INVERNO --- PADOVA
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
∆T [˚C]
15
20
Fig. 24 --- Selezione della resa specifica stagionale per una sonda geotermica orizzontale installata a Padova
28
R&D
Department
ESEMPIO DI SELEZIONE DI UN IMPIANTO GEOTERMICO A
SONDE VERTICALI
Si adottano due sonde a doppia U da 72 m ciascuna.
Tale lunghezza è stata calcolata con lo scopo di
bilanciare i metri di sonda nel caso estivo ed invernale, al
fine di minimizzare le spese di installazione
dell’impianto geotermico. Nel caso in cui si fosse
operato senza tenere conto di tale procedura, una delle
due lunghezze sarebbe stata predominante e
vincolante per il dimensionamento
della sonda
verticale: ne sarebbe derivato che, per adattamento
della pompa di calore ad una superficie di scambio
termico lato dissipazione sovradimensionata, in una
stagione si sarebbero riscontrate prestazioni
energetiche superiori per la pompa di calore stessa.
Di seguito viene descritto il procedimento di calcolo di un
sistema a sonde geotermiche verticali accoppiato a una
pompa di calore reversibile per un’unità residenziale di 150 m 2
1 --- Si considerano i precedenti valori dei carichi termici di
progetto, riferiti alle condizioni maggiormente
penalizzanti estive ed invernali, pari a 2,8 kW in estate e
4,4 kW in inverno;
2 --- Si riconsidera l’ipotesi di utilizzare ventilconvettori
[fan ---coils] quali terminali d’impianto, funzionanti alle
temperature di 40/35 °C d’inverno e 7/12 °C d’estate;
3 --- Si sceglie un COP medio in regime di riscaldamento pari
a 3,9 e in regime di raffrescamento di 6,0;
4 --- Le temperature di mandata alle sonde, derivanti dal
dimensionamento della pompa di calore, risultano
uguali a ---1 °C nei mesi invernali e a 27 °C in quelli estivi;
7 --- Prevedendo l’esecuzione a quattro circuiti in parallelo
[due per sonda], la portata d’acqua per ogni circuito
risulta di 550 l/h. Si ha una perdita di carico di 0,54 kPa
per m di tubazione, circa 55 mm c.a./m. Sul totale
sviluppo calcolato [quattro circuiti da 72 m ciascuno] le
perdite sono di 39 kPa, cioè di 4 m c.a. Incrementando
tali predite distribuite del 20%, per tenere conto delle
varie cadute di pressione accidentali, si ha una totale
caratteristica resistente dell’impianto uguale a circa 47
kPa, cioè 4,8 m c.a. [a meno delle x perdite che hanno
luogo allo scambiatore lato macchina].
La pompa dovrà pertanto avere una prevalenza di [47 +
x] kPa, garantendo una portata di 2200 l/h.
5 --- Si utilizzano i nomogrammi per le sonde geotermiche
verticali, riferiti alla provincia di Padova, per una sonda
verticale a doppia U con tubazione di DN 25 [dalle
specifiche tecniche della macchina si ricava una portata
lato sonde di 2200 l/h]. La resa specifica media
stagionale, in corrispondenza di un ∆T di 14 °C è pari a
22,7 W/m sia in inverno, che in estate;
6 --- Si calcolano i carichi termici lato sonde, pari a
1 

PINV ,t = 4,41 −
 = 3,27kW
 3,9 
in inverno e
1 

PEST ,t = 2,81 +
 = 3,27kW
6
,0 

in estate.
Il calcolo della lunghezza totale della sonda fornisce:
l =
3,27 kW
22,7 W m
= 144 m
29
R&D
Department
Nomogramma PADOVA
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
5
10
∆T [˚C]
15
20
Fig. 25 --- Selezione della resa specifica stagionale per una sonda geotermica verticale installata a Padova
30
R&D
Department
APPENDICE ---A--Vengono riportati di seguito i nomogrammi di selezione delle
sonde geotermiche orizzontali relativi alle seguenti località di
riferimento:
Le proprietà termofisiche del terreno sono state valutate sulla
base dei valori medi ricavati da una serie di misure
stratigrafiche effettuate in varie zone delle località specificate.
• Bari
Le temperature del terreno indisturbato derivano invece dalla
media aritmetica calcolata sulle 8760 temperature del T.R.Y.
[Test Reference Year].
• Milano
• Padova
Si sottolinea, alla luce dei risultati ottenuti e riportati nei
nomogrammi, la non convenienza nell’adottare una soluzione
geotermica nelle province di Bari e Milano [o in zone con
terreno simile], a patto di non incorrere in particolari tipologie
di sottosuolo particolarmente conduttivi.
• Palermo
• Roma
Tab. 3 --- Proprietà termofisiche medie delle stratigrafie relative alle località in esame
Densità “ρ“
[kg/m3]
Conducibilità termica “λ“
[W/mK]
Sabbie fini marine secche
1755
0.4
25.0
Depositi sabbiosi e ghiaiosi con abbondante frazione
limosa secca
1700
0.4
Città
Spessore
[m]
BARI
13.0
MILANO
PADOVA
(*)
Litotipo
8.0
Argilla e sabbia sature d’acqua da 2,5 m
1920
1.9
PALERMO
12.0
Calcarenite
2000
2.1
ROMA
14.0
Depositi fluvio---lacustri
1570
2.0
Tab. 4 --- Temperature indisturbate del
terreno per le località in esame
Città
TIND
[°C]
BARI
16.0
MILANO
12.5
PADOVA Z.I.
13.0
PALERMO
18.5
ROMA
15.0
(*) Per la località di Padova si è fatto riferimento alle stratigrafie disponibili per la Zona Industriale, tenendo conto della presenza della falda
acquifera posta mediamente a 2,5 m di profondità.
31
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- BARI
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma INVERNO --- BARI
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
∆T [˚C]
32
20
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- MILANO
DN 25
DN 32
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
--1
5
10
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma INVERNO --- MILANO
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
20
∆T [˚C]
33
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- PADOVA
DN 25
DN 32
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
--1
5
10
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma INVERNO --- PADOVA
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
∆T [˚C]
34
20
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- PALERMO
DN 25
DN 32
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
--1
5
10
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma INVERNO --- PALERMO
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
20
∆T [˚C]
35
R&D
Department
Nomogramma ESTATE --- ROMA
DN 25
DN 32
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
--1
5
10
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma INVERNO --- ROMA
DN 25
DN 32
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
5
10
15
∆T [˚C]
36
20
R&D
Department
APPENDICE ---B--Vengono riportati di seguito i nomogrammi di selezione delle
sonde geotermiche verticali relativi alle seguenti località di
riferimento:
Le proprietà termofisiche del terreno sono state valutate sulla
base dei valori medi ricavati da una serie di misure
stratigrafiche effettuate in varie zone delle località specificate.
Le temperature del terreno indisturbato derivano invece dalla
media aritmetica calcolata sulle 8760 temperature del T.R.Y.
[Test Reference Year].
• Bari
• Milano
• Padova
• Palermo
• Roma
Tab. 5 --- Proprietà termofisiche medie delle stratigrafie relative alle località in esame
Densità ρ
[kg/m3]
Conducibilità
termica “λ“
[W/mK]
Capacità
termica media
“λ“ [W/mK]
Sabbie fini marine secche
Calcarenite
Calcari e dolomie
1755
2000
2000
0.4
2.1
2.8
2.07
25.0
20.0
35.0
20.0
Depositi sabbiosi e ghiaiosi con abbondante frazione limosa secca
Ghiaie e sabbia in matrice limosa
Ghiaie e ciottoli in matrice sabbioso---limosa
Conglomerati alternati ad arenarie
1700
1800
1800
1900
0.4
2.0
2.1
2.0
1.88
PADOVA (*)
8.0
7.0
10.0
15.0
38.0
42.0
Argilla e sabbia sature d’acqua da 2,5 m
Sabbia satura d’acqua
Argilla e sabbia sature d’acqua
Argilla umida
Ghiaia e sabbie acquifere
Limo e argilla umidi
1920
1.9
2.1
1.9
1.9
2.1
1.7
2.35
PALERMO
12.0
30.0
58.0
Calcarenite
Sabbie e argille
Flysch Numidico marnoso
2000
1800
2000
2.1
1.7
1.9
2.04
ROMA
14.0
30.0
15.0
41.0
Depositi fluvio---lacustri
Tufo
Sabbie gialle
Argille azzurre
1570
1550
1670
1850
2.0
1.8
2.0
1.7
1.78
Città
Spessore
[m]
BARI
13.0
10.0
77.0
MILANO
Litotipo
Tab. 6 --- Temperature indisturbate del
terreno per le località in esame
Città
TIND
[°C]
BARI
16.0
MILANO
12.5
PADOVA Z.I.
13.0
PALERMO
18.5
ROMA
15.0
(*) Per la località di Padova si è fatto riferimento alle stratigrafie disponibili per la Zona Industriale, tenendo conto della presenza della falda
acquifera posta mediamente a 2,5 m di profondità.
37
R&D
Department
Nomogramma BARI
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
10
5
∆T [˚C]
15
20
Nomogramma MILANO
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
5
10
15
∆T [˚C]
38
20
R&D
Department
Nomogramma PADOVA
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
10
5
15
20
∆T [˚C]
Nomogramma PALERMO
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
5
10
15
20
∆T [˚C]
39
R&D
Department
Nomogramma ROMA
DN 25
DN 32
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
5
10
15
∆T [˚C]
40
20
HiRef S.p.A Via Umbria, 5/C --- 35043 Monselice (PD) – Italy
Tel. +39 0429 784683 --- Fax +39 0429 701447
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