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1. COP pompa di calore 0 46 efficienza termica media stagionale del generatore di calore a metano 95 potere calorifero inferiore del gas naturale norma UNI 10389 MJ Nm energia termica da generare 64 000 kWh anno 34 54 oneri per la climatizzazione estiva geotermica 50 dell energia prodotta per l inverno oneri per la climatizzazione estiva con tecnologia tradizionale chiller split doppio di quello geotermico COP stimato per una pompa di calore aria aria 2 5 tempi di rientro dell investimento per effetto dei risparmi ottenuti dalle tecnologie pi efficienti risultano brevi e inferiori a 5 anni Costi di impianto COP invernale 4 46 EER estivo 5 Impianto centralizzato di Impianto tradizionale chiavi in produzione caldo freddo 119 000 00 mano per climatizzazione 38 000 00 con 2 pompe acqua acqua e 10 invernale e produzione ACS sonde geotermiche Con geotermia obbligo 50 Solare termico obbligo 50 ACS 20 000 00 solare non coercitivo Centri di costo complementari Centri di costo complementari Impianto centralizzato di climatizzazione estiva unit di 55 000 00 ventilazione Unit per impianto di de De umificazione non prevista umificazione per trattamento 25 000 00 perch onnicomprensiva del 0 00 aria in modalit estiva sistema di climatizzazione estiva climatizzazione fornita con al punto precedente paviment
2. gt European Seasonal Energy Efficiency Ratio ESEER la media pesata dei valori dei singoli EER a diverse condizioni operative ponderati per i relativi tempi di funzionamento in funzione della tipologia della macchina 1 b c d EER EER EER ESEER EER con a b c d tempi di funzionamento convenzionali fissati per i diversi carichi della macchina frigorifera EER EER EER EER indici di efficienza misurati alle condizioni operative 1 2 3e4 36 Tutti questi indici misurano quanto calore viene prodotto fornendo in ingresso una certa quantit di energia Questa energia in ingresso per potrebbe essere ottenuta da fonti responsabili di emissioni di anidride carbonica come le centrali termoelettriche Per questo motivo si introduce un ulteriore indice noto come indice di energia primaria Primary Energy Ratio PER il quale valuta l impatto globale della pompa di calore sull ambiente andando a considerare il combustibile che stato usato per produrre l energia elettrica richiesta dalla pompa stessa 37 3 Classificazione delle pompe di calore Le pompe di calore si suddividono principalmente in due grandi categorie in base al tipo di fluido che utilizzano dal lato della sorgente tuttavia possono essere classificate in base a diversi parametri gt per taglia di impianto pompa di calore per piccoli impianti quando la potenza installata inferiore ai 30 kW oppure per medi grandi impiant
3. Le seguenti condizioni rappresentano dei vincoli a seguire per il dimensionamento delle sonde verticali e le temperature del terreno in prossimit del pozzo non devono scendere al di sotto di O C per evitare il congelamento 63 e si devono raggiungere le potenze necessarie a coprire il fabbisogno termico e o frigorifero dell edificio compatibili con la pompa di calore e si devono stimare e controllare gli effetti termici dovuti al prelievo e smaltimento di calore nel terreno sia sul breve che sul lungo periodo e le temperature del fluido termovettore devono essere controllate in modo che la pompa di calore operi dentro l intervallo compatibile con il suo corretto funzionamento Per rispettare questi vincoli indispensabile definire i seguenti fattori o il fabbisogno energetico annuo e la potenza termica complessiva richiesta dall edificio la potenza termica in riscaldamento e raffrescamento da fornire il tipo la taglia e il numero delle pompe di calore la tipologia di collegamenti idraulici tra sonde le caratteristiche geologiche idrogeologiche e termiche locali del sottosuolo O O O oO 0 l influenza sul breve e lungo periodo dovuta alla richiesta della massima prestazione energetica picco di potenza e potenza media richiesta Il rendimento di una pompa di calore dipende dal rendimento termico degli scambiatori geotermici e viceversa per cui sar importante analizzare queste due componenti contemporane
4. acqua in semplici sistemi a gas lift e in seguito per il funzionamento di pompe e argani impiegati nelle operazioni di perforazione o nell industria dell acido borico L industria chimica di Larderello si impose tra il 1850 e il 1875 come una delle maggiori produttrici mondiali di acido borico avendo il monopolio in Europa Nella stessa area tra il 1910 e il 1940 si inizi l utilizzazione del vapore geotermico a bassa pressione per il riscaldamento di edifici residenziali industriali e di serre Allo stesso tempo anche in altri paesi si sviluppava l uso industriale dell energia geotermica nel 1892 a Boise Idaho Stati Uniti si inaugura il primo sistema di riscaldamento urbano nel 1928 l Islanda un altro paese all avanguardia in Europa nell utilizzazione di questa fonte energetica cominci a sfruttare i fluidi geotermici soprattutto l acqua calda per il riscaldamento di edifici II primo tentativo di produrre elettricit dall energia geotermica fu realizzato a Larderello nel 1903 quando Piero Ginori Conti subentrato alla famiglia Larderel nella propriet dell industria boracifera avvi una serie di attivit volte a produrre energia elettrica Il 4 luglio 1904 furono accese cinque lampade collegate ad una dinamo accoppiata ad un motore azionato dal vapore geotermico La riuscita dell esperimento segn l inizio di una importante forma di utilizzazione del calore terrestre la geotermoelettricit che si sarebbe diff
5. i TOTALE Il software calcola automaticamente i fattori di carico mensile il fabbisogno annuale in riscaldamento e la durata equivalente del carico di picco Anche in questo caso si suppone che l impianto venga dimensionato per coprire integralmente le potenze di picco massimo non vengono imputate percentuali di integrazione da parte di sistemi ausiliari Altri parametri imposti per il dimensionamento del campo sonde sono gt temperatura del terreno in condizioni indisturbate 14 C gt portata lato circuito primario 0 48 l s 10 kW gt temperatura di ingresso alla pompa di calore in riscaldamento 5 C 82 L impianto dimensionato sui parametri di funzionamento nominale ossia temperatura ingresso sonde verticali 0 C AT temperatura evaporatore 4 C temperatura mandata secondario pompa di calore 35 C temperatura ritorno secondario pompa di calore 30 C La pompa di calore geotermica caratterizzata da un SPS pari a 3 5 e il COP determinato dal software in funzione della potenza termica sviluppata dalla pompa di calore e dal fabbisogno di potenza elettrica del compressore stata scelta una pompa con potenza termica tale da coprire il picco di potenza richiesta secondo valori di catalogo Carichi Termici Sistemi Ausiliari e Potenze Aggiuntive Carichi Mensili Giorno di Progetto Valutazione Raffresc Riscald Ratfresc Integrazione Sistema Ausiliario 0 Cee ESCI eee
6. prestazioni energetiche sono migliori poich la temperatura nel sottosuolo aumenta con la profondit quindi preleva calore a temperatura pi elevata in inverno e lo cede a temperatura pi bassa durante l estate ed praticamente costante durante tutto l anno 51 Gli accorgimenti da tenere in considerazioni sono i seguenti Y bene mantenere una distanza di almeno 10 m tra le sonde in modo da ridurre l influenza termica reciproca v le condutture di raccordo tra ciascuna sonda ed i collettori le quali si trovano in prossimit della superficie sono le pi soggette a possibili formazioni di ghiaccio vanno quindi posate a profondit tali da evitare tale rischio e se necessario isolate termicamente Nel caso di pompa di calore reversibile questa rigenera il calore prelevato durante l inverno ma consigliabile limitare la quantita di calore prelevata annualmente il quale non dovrebbe superare orientativamente i 75 100 kWh per ogni metro di sonda 4 3 Piloni geotermici Questo caso ancora poco diffuso e consiste in installare le sonde geotermiche verticali in corrispondenza dei pali di fondazione della struttura da climatizzare Per questo motivo applicabile solo ad edifici ancora da realizzare che richiedono piloni di cemento interrati a grandi profondit Questi manterranno come funzione primaria quella di garantire la statica dell edificio Per questo motivo le dimensioni e l ubicazione dei pali saranno
7. questa viene definita attraverso il rendimento termico che il rapporto tra la quantit di calore sviluppata dalla caldaia e energia termica fornita dal combustibile bruciato Attualmente i rendimenti delle caldaie a gas presenti sul mercato sono Caldaie tradizionali con temperatura fumi di 150 C 0 8 0 85 Caldaie con temperature fumi di 120 C 0 9 0 93 Caldaie a condensazione con fumi di 40 C 1 06 Nel caso delle caldaie a condensazione il valore del rendimento maggiore all unit per il fatto che i rendimenti sono sempre calcolati sulla base del potere calorifico inferiore E quando si riesce a condensare il vapor d acqua l energia di condensazione sprigionata viene riutilizzata dal generatore Una pompa di calore con COP pari a 4 per ogni kW che di corrente elettrica che consuma ne produce 4 kW di calore termico che prende dal suolo e trasferisce all edificio da climatizzare Quindi il rendimento termico di una pompa di calore geotermica molto superiore a quello di una caldaia a condensazione Questo vantaggio comunque non poi cos elevato dato che in Italia l energia elettrica viene prodotta prevalentemente da centrali termoelettriche e quindi bisogna tener conto della spesa di energia primaria Il rapporto di trasformazione di energia primaria REP viene definito dall ENEL sulla rete nazionale come rapporto tra l energia termica resa disponibile e l energia primaria spesa e pari a 0 46 in
8. 0 00 0 00 0 00 Total Cooling kWh 0 00 0 00 0 00 3 11 97 71 994 03 2452 44 2085 06 759 46 0 00 0 00 0 00 Zone Heating kWh 8399 97 6328 74 3912 21 1777 67 237 98 77 96 0 00 1 76 78 88 1664 63 462923 7607 14 lech Vent Nat Vent Infiltration ac h 0 80 0 79 0 78 0 77 0 77 0 77 0 76 0 76 0 77 0 77 0 79 0 79 Figura 6 4 Temperature e fabbisogni energetici mensili per il piano terra Temperature and Heat Gains primo piano EnergyPlus Output 1 Jan 31 Dec Monthly Evaluation Month Air Temperature C 21 93 23 34 Radiant Temperature C z t 22 55 23 93 Operative Temperature C f 22 24 23 64 Outside Dry Bulb Temperature C i i 16 82 19 90 External Infiltration kWh 6928 06 2167 88 1409 05 External Vent kWh 97 27 4327 General Lighting kWh 863 i j 853 51 828 62 Computer Equip kWh t A 1 663 07 Occupancy kWh i 187 60 Solar Gains Interior Windows kWh 3 x 12 27 Solar Gains Exterior Windows kWh 7 i x 2158 13 Zone Sensible Heating kWh Zone Sensible Cooling kWh Sensible Cooling kWh Total Cooling kWh Zone Heating kWh ech Vent Nat Vent Infiltration ac h Figura 6 5 Temperature e fabbisogni energetici mensili per il primo piano 74 Quindi nel software GHC si inseriscono i carichi totali mensili per il riscaldamento Se Carichi Mensili _ a eles Riscaldamento Raffrescamento PRES Totale
9. Picco Fatt Car Totale Picco Fatt Car Mensile kWh Mensile kW Mensile Mensile kWh Mensile kW Mensile Gennaio 16793 28 89 47 0 25 0 o g Febbraio 12333 28 88 88 021 0 o 9 Marzo 6929 35 88 59 0 11 0 e La Aprie 2884 68 78 87 0 05 0 o 9 Maggo 295 64 33 72 0 01 0 o 0 Giugno 95 76 159 00 0 ol 9 Lugio 0 0 9 0 0 9 Agosto 1 83 069 0 0 o g Settembre 96 01 1466 001 0 o 9 Ottobre 2642 09 71 73 0 05 0 o 0 Novembre 8565 77 86 79 0 14 0 o gq Dicembre 1061 32 8929 023 0 o _g 65699 01 8947 02 qd Go f gq TOTALE MAX TOTALE MAX Durata Equivalente del Carico di Picco Riscaldamento ore 734 3 Raffrescamento ore 0 Cancella Chiudi Figura 6 6 Carichi mensili Il software calcola automaticamente i fattori di carico mensile il fabbisogno annuale in riscaldamento e la durata equivalente del carico di picco Essi rappresentano rispettivamente il rapporto tra il fabbisogno mensile e quello che si avrebbe se il sistema lavorasse continuativamente a pieno carico la somma di tutti i fabbisogni mensili e il numero di ore di esercizio del sistema se questo funzionasse costantemente a carico massimo Poich si suppone che l impianto venga dimensionato per coprire integralmente le potenze di picco massimo non vengono imputate percentuali di integrazione da parte di sistemi ausiliari Altri parametri imposti per il dimensionamento del campo sonde sono gt temperatura del terreno in condizioni indisturb
10. Solar kWh i t j 53 89 41 01 Figura 6 3 73 Risultati del software EnergyPlus Temperature and Heat Gains piano terra EnergyPlus Output 1 Jan 31 Dec Monthly Evaluation Month Air Temperature C 18 00 19 49 21 67 22 93 24 53 24 12 22 83 19 32 17 81 17 12 Radiant Temperature C 17 56 19 39 22 05 23 28 25 14 24 68 23 23 19 25 17 14 16 10 Operative Temperature C 17 78 19 44 21 86 23 11 24 84 24 40 23 03 19 28 17 47 16 61 Outside Dry Bulb Temperature C A 8 51 12 77 16 82 19 90 23 06 21 98 18 97 12 95 7 46 2 42 External Infiltration kWh 6973 05 3961 56 2687 58 1978 30 1192 67 607 95 872 35 1512 89 2623 47 4192 88 6264 28 External Vent kWh 452 00 240 26 123 99 76 02 26 10 26 39 19 97 39 28 134 62 239 71 348 77 General Lighting kWh 1000 32 970 06 1007 10 970 06 946 58 1030 59 970 06 976 84 1000 32 946 58 1030 59 Computer Equip kWh 697 06 678 41 698 64 67841 66134 715 71 67841 67999 697 06 661 34 715 71 Occupancy kVh 98 37 96 82 92 08 83 32 77 48 77 78 76 31 79 10 95 32 94 17 99 67 Solar Gains Exterior Windows kWh 165 03 404 77 49458 57259 562 11 59156 545 63 47934 34353 16884 135 81 Zone Sensible Heating kWh 8399 97 3912 21 1777 67 237 98 77 96 0 00 1 76 78 88 1664 63 462923 7607 14 Zone Sensible Cooling kWh 0 00 0 00 0 00 2 47 86 80 602 37 1780 71 1291 06 410 39 0 00 0 00 0 00 Sensible Cooling kWh 0 00 0 00 0 00 2 47 86 86 603 67 1784 10 1293 63 411 08
11. Svezia 12 585 Messico 7 047 Turchia 10 247 Italia 5 520 Giappone 7 139 Islanda 4597 Norvegia 7000 Nuova Zelanda 4055 Islanda 6 768 Giappone 3 064 Francia 3 592 Kenya 1 430 Germania 3 546 El Salvador 1422 Paesi Bassi 2972 Costa Rica 1131 Italia 2 762 Turchia 490 Ungheria 2713 cao Papua Nuova Guinea 450 Nuova Zelanda 2 654 2010 Lund Russia 441 Canada 2 465 aa WGC Nicaragua 310 Finlandia 2325 1000 GWh 3 6 PJ L energia termica totale consumata nel 2009 stata stimata in 438 PJ il 60 in pi rispetto al 2005 Questo significa che una notevole crescita nel mercato GSHP continua in tutto il mondo con circa 2 9 milioni di unit installate pi di 35 GWth di capacit e pi di 214 PJ di calore prodotto 1 4 La Terra come motore termico L aumento della temperatura con la profondit viene misurato con il gradiente geotermico Con le tecniche di perforazione pi moderne attualmente conosciute si raggiunge un gradiente geotermico medio di 2 5 3 C 100 m Di conseguenza pi si scende in profondit pi aumenta la temperatura e se la temperatura nei primi metri sotto la superficie corrispondente con buona approssimazione alla temperatura media annua dell aria esterna 15 C si aspetta che la temperatura a 2 000 m di profondit sia 65 75 C a 3 000 m 90 105 C e via di seguito per alcune migliaia di metri Vi sono tuttavia vaste regioni dove il valore del gradiente geotermico si allontana molto da quello m
12. con una media di 6 3 GWh MWe Inoltre quasi 440 PJ di calore diretto sono stati utilizzati con pompe di calore geotermiche GSHPs che rappresenta il pi grande contributo a circa il 50 della totale produzione di calore L energia geotermica oggi rappresenta una quota significativa della totale domanda di energia elettrica in Islanda 25 El Salvador 22 Kenya e Filippine 17 ciascuno e Costa Rica 13 In cifre assolute gli Stati Uniti sono quelli che hanno prodotto pi elettricit a partire da energia geotermica circa 16603 GWh da una potenza installata di 3 093 MWe Tabella 1 1 Oltre 70 paesi utilizzano l energia geotermica per usi non elettrici ovvero per applicazioni dirette del calore geotermico Gli utilizzi pi diffusi nel mondo sono rappresentati da pompe di calore geotermiche GSHPs per il 32 balneazione per il 30 includendo il riscaldamento di piscine e balneoterapia riscaldamento di ambienti per il 20 riscaldamento di serre e suoli coltivabili per il 7 5 processi industriali a caldo per il 4 acquacoltura per il 4 e il restante 2 5 rappresentato dal raffreddamento ed essiccazione di prodotti agricoli e decongelamento delle strade Lund et al 2005 Produzione di energia elettrica Produzione di calore da energia geotermica geotermica Tabella 1 1 Paese GWh anno Paese GWh anno Utilizzo della Stati Uniti 16 603 Cina 20 932 asia Filippine 10 311 Stati Uniti 15 710 Indonesia 9 600
13. contro hanno i costi di realizzazione pi elevati dovuti principalmente alla necessit di realizzare perforazioni profonde e numerose specie se il terreno ha scarse propriet di scambio termico Una sonda consiste in un pozzo trivellato in cui installato un tubo ad U a doppia U a tubi concentrici oppure a pozzo permanente quest ultima possibile da adottare solamente in terreni fortemente rocciosi e consolidati in quanto evitano la rifoderazione della perforazione di fatto eliminando una resistenza aggiuntiva e quindi permettendo un miglior scambio termico boiacca boiacca bentonitica bentonitica sicilia _ 32 40 80 05 46 _ A TUBO SINGOLO AD U A TUBI COASSIALI boiacca boiacca bentonitica bentonitica A DOPPIO TUBO AD U A TUBI COASSIALI COMPLESSI Figura 4 2 Sezione Trasversale delle sonde geotermiche verticali 49 a h e d O O Sarface gt rot ed gru grou stoo ens meg HDPE PVC U tebes inner pipo 3 horehole wall borehole wall Figura 4 3 Andamento del flusso d acqua all interno delle sonde in figura 4 2 tubi ad U prevedono un tubo di mandata e uno di ritorno che vengono saldati Sono in commercio anche tubi ad U continui evitando possibili rischi di rottura La profondita della trivellazione per le sonde verticali vanno dai 20 ai 180 m e spesso superano i 100 m di profondit Se previsto il funzionamento anche in raffresc
14. dall ambiente prima di essere espulsa verso l esterno o ricircolata cede parte del suo calore attraversando uno scambiatore di calore che funge appunto da sorgente fredda per la pompa di calore vantaggi dell aria viziata sono che trovandosi ad una temperatura relativamente elevata di solito ben di sopra alla temperatura esterna non richiede sbrinamento e quindi presenta prestazione energetiche buone Questa tecnica particolarmente adatta ai locali con piscina i quali richiedono la deumidificazione dell aria consentendo di recuperare una cospicua quantit di calore latente Inoltre il calore di recupero potr essere utilizzato sia per riscaldare l acqua della piscina che per l aria stessa deumidificata prima di reimmetterla nel locale Per contro la principale limitazione riguarda la quantit di aria viziata disponibile che sar determinata dal volume dell impianto 41 3 2 Pompedicalore geotermiche Gli altri tipi di sorgente che possono essere sfruttati in alternativa all aria sono rappresentati dall acqua proveniente sia da una falda o da un bacino e dal terreno Il fluido termovettore che circola nelle sonde alloggiate nel terreno o nel bacino preleva da esso calore per cederlo all evaporatore della pompa di calore Se la sorgente rappresentata da una falda il prelievo diretto comunque tuttavia consigliato l impiego di uno scambiatore di disaccoppiamento fra l acqua di falda e il fluido frigorigeno c
15. della crosta terrestre dove la temperatura varia dai 200 C ai 350 C circa ma sono prive di circolazione di fluidi Per permettere lo sfruttamento dell energia termica in esse contenuta possono essere fratturate artificialmente iniettando dell acqua da un pozzo per forzarne la circolazione Si effettua una prima perforazione in modo da creare un serbatoio termico sotterraneo allargando idraulicamente i naturali sistemi di circolazione mediante l iniezione d acqua a pressioni di parecchie centinaia di bar proveniente da un pozzo di iniezione Le rocce calde fungono da scambiatore di calore e il fluido torna in superficie verso un pozzo di produzione come Figura 1 4 13 vapore o acqua calda L energia va trasferita ad un secondo circuito mediante uno scambiatore di calore il quale alimenta un turbogeneratore che produce elettricit L intero sistema forma un circuito chiuso evitando ogni contatto tra il fluido e l ambiente esterno Le zone economicamente sfruttabili con questi sistemi sono quelle in cui il gradiente geotermico superiore a 60 C per km Ma dato che la fratturazione richiede l immissione di acqua a pressioni comparabili con il carico litostatico pu causare una sismicit indotta la produzione di energia geotermica stimolata EGS pu essere ipotizzata solo in zone in cui il rischio sismico basso 1 6 3 Sistemi geopressurizzati sistemi geopressurizati sono formati da rocce sedimentarie pe
16. determinate dalle caratteristiche del suolo e del edificio e possono non essere le migliori scelte per la pompa di calore sotto il profilo energetico piloni energetici possono essere installati con due diverse tecniche per trivellazione o per percussione Nel caso della trivellazione i pali vengono realizzati in opera e le condutture dei captatori vengono fissati a una armatura che verr riempita di calcestruzzo Nel l altro caso i pali sono prefabbricati Hanno elevati costi di realizzazione dovuti ai materiali speciali da impiegare e al sovradimensionamento delle sonde Questo necessario in quanto a differenza delle sonde verticali tradizionali non possibile intervenire in caso guasto dato che le sonde sono annegate nel calcestruzzo di fondazione dell edificio 52 Figura 4 6 Pali energetici 4 4 Classificazione delle Pompe di calore geotermiche L ente Americano dei sistemi di climatizzazione ASHRAE American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers ha definito una classificazione standard per le pompe di calore geotermiche A seconda delle caratteristiche del fluido termovettore l ASHRAE distingue tre categorie principali di sistemi GSHP Ground Source Heat Pump GCHP Ground Coupled Heat Pump pompe di calore con sonde annegate nel terreno nelle configurazioni verticali orizzontali o a spirale dove il fluido termovettore scorre in un circuito chiuso a contatto con il terren
17. di 7 2 kW e quello estivo di 7 8 kW Per poter coprire questo picco di fabbisogno energetico si sceglie una pompa di calore di potenza nominale 8 kW In funzionamento in riscaldamento questa pompa di calore eroga una potenza termica di 8 30 kW assorbendo 1 66 kW con COP di 5 In riscaldamento la pompa di calore eroga 8 01 kW e assorbe 1 74 kW con EER pari a 4 59 95 Gc Progetto Sonda Verticale Carichi Termici Carichi Mensili Giorno di Progetto Riscald Raffresc Caio di Pieco BW Fattore di Carico Mensile Durata Equivalente del 1095 1 3957 Carico di Picco h Sistemi Ausiliari e Potenze Aggiuntive Valutazione _ fini Rie Integrazione Sistema Ausiliario 9 9 que mezze N A Carico di Picco Residuo kW Potenza Agg Richiesta kW o Pompa di Calore Lato Sorgente Riscald Raffresc Terreno P Termica Fri W a 83 8 Temperatura Indisturbata C 14 Potenza Bettrica kW 17 17 1 Circuito Primario COP EER 5 46 Portata l s 0346 0 374 Portata Unitaria s 10kW 0 48 Fattore di Carico Parziale 087 Ta pena Panna Risc Raff di Calore C 3 28 SPF ESEER 4 4 Marca Sonda Terreno N Unit Cancella i Modello Caratteristiche Progetto Prog_Sonda_ Verticale Informazioni tener Cose ci Figura 7 7 Progetto sonda verticale Con il software GeoHeatCal si dimensiona l impianto a sonde verticali con i dati sopra inseriti Inoltre si considera un terreno composto da gh
18. fluido vettore nel circuito necessario dotare il sistema di una o pi elettropompe che consentono lo scambio termico tra le sonde e il terreno circostante imponendo un moto turbolento collegamenti idraulici tra le sonde possono essere in serie o parallelo La circuitazione in parallelo ha minore perdite di carico e permette di interrompere il flusso in sonde con eventuali malfunzionamenti Questi sistemi hanno il pregio di necessitare poco spazio e si possono applicare in diversi contesti idrogeologici Lo svantaggio maggiore che richiedono perforazioni di notevole profondit con elevati costi connessi 5 1 Principidi funzionamento Il dimensionamento di un sistema GCHP a sonde verticali un processo critico da cui dipende l efficienza la durabilit e la sostenibilit economica dell intero sistema di climatizzazione L obiettivo quello di dimensionare la lunghezza complessiva delle sonde che non devono essere n sovra n sottodimensionate Infatti un sottodimensionamento degli scambiatori non consentirebbe di prelevare il calore utile al fabbisogno termico richiesto dall edificio e sarebbero necessari sistemi integrativi con una diminuzione dell efficienza del sistema Inoltre nel funzionamento in riscaldamento se le sonde sono sottodimensionate si avrebbe una riduzione della temperatura del fluido termovettore con conseguente aumento della sua viscosit e quindi le pompe di circolazione richiederebbero pi energia
19. geotermica ha risparmiato 772 86 Inoltre se si considera che il prezzo in bolletta dell energia elettrica sale del 4 all anno tra 20 anni si ipotizza che i risparmi arrivino a 23 014 41 all anno 101 Actual costs for my house Total 1 3402227 11 007 86 2301441 Tabella 7 3 7 4 Valutazioni conclusive e panorama legislativo Un impianto geotermico risulta molto conveniente rispetto a un impianto tradizionale sia per i risparmi economici ottenuti dopo il ritorno dell investimento iniziale dato che i costi di esercizio sono molto bassi sia per la semplicit dell impianto dato che basta avere una unica pompa di calore reversibile per poter utilizzare la stessa macchina sia per il riscaldamento che per il raffrescamento Inoltre queste macchine hanno una elevata efficienza e una vita utile elevata circa 20 anni e le sonde geotermiche e altri componenti dell impianto possono funzionare per molte decine di anni fino a 80 anni Un altro vantaggio rappresenta l assenza di combustibili o altri materiali infiammabili come il gas metano o gpl e questo rappresenta una maggior sicurezza nessun rischio di fuoriuscita di gas o perdite di monossido di carbonio 102 L impatto estetico dell impianto nullo data l assenza di un apparato da posizionare all esterno e quindi si ha un integrazione architettonica totale Tuttavia pu essere opportuno preveder il vano pompa di calore per impianti di grandi
20. l Caratteristiche Progetto Prog_Sonda_Verticale tesi Informazioni Calcola Chiudi Figura 6 7 Progetto sonda verticale Sono stati impostati i valori di conducibilit termica 2 W mK e diffusivit termica 0 095 m giorno del terreno considerando una composizione prevalente di argille e limi umidi secondo valori tabellati 76 Relativamente alle caratteristiche degli scambiatori verticali i dati di progetto sono i seguenti campo sonde 2 circuiti in parallelo ciascuno con 4 sonde in serie materiale sonde PEX SDR 11 tipologia sonde doppia U distanziati diametro sonde Pext int 32 mm 26 mm miscela glicole propilenico al 20 conducibilit termica del Grout 1 2 W mK diametro pozzo 150 mm Si ipotizza di avere spazi a disposizione tali da consentire un distanziamento tra le sonde tale da massimizzare l efficienza del sistema riducendo al minimo le interferenze del campo sonde A tale proposito sono state effettuate diverse simulazioni con diversi valori di distanziamento tra le sonde Nella Tabella 6 1 si riportano i risultati rem Terreno Campo Sonde Tubo Fluido Periodo di Dimensionamento anni Disposizione Sonde Num Righe 2 colonne Num Colonne 4 Num Pozzi 8 Dist Pozzi m 8 4 Parallelo aio e Parallelo vel 2684 0 Resistenza Pozzo Chiudi Figura 6 8 Sonda Terreno campo sonde 77 Le caratteris
21. liquido utilizzato ed energia elettrica prodotta e siti di reiniezione disponibili a quote minori rispetto ai siti di produzione per poter smaltire per gravit e produzione di fluidi con pH quasi neutro per ridurre la velocit di corrosione nel pozzo e nell impianto e adeguata permeabilit e bassa tendenza all incrostazione nel pozzo e nelle condutture e bassa quota e terreni facili per le strade di accesso e basso rischio di attivit vulcanica ed eruzioni idrotermali e prossimit alle linee elettriche 1 7 2 Utilizzo della risorsa geotermica La produzione di energia elettrica la forma di utilizzazione principale e pi importante delle risorse geotermiche ad alta temperatura maggiore di 150 C Le risorse a temperatura medio bassa inferiori a 150 C sono adatte oltre che alla generazione di elettricit con impianti a ciclo binario a una molteplicit di altri usi che vanno dal riscaldamento di ambienti alla refrigerazione agli usi agricoli all acquacoltura all impiego nei processi industriali a caldo figura 1 5 fluidi con temperatura inferiore a 20 C sono usati raramente ed in casi particolari oppure per il funzionamento di pompe di calore possibile estendere lo sfruttamento delle risorse con progetti a cascata o combinati 17 Il principale fattore limitante per la possibile utilizzazione della risorsa geotermica la temperatura dei fluidi C 180 170 160 150 140
22. mandata all impianto comporta il fatto che l evaporazione dovr avvenire ad una temperatura sempre pi inferiore ci dipendendo dall efficienza dello scambio termico e dal limite che pone la termodinamica circa la temperatura del fluido in uscita dallo scambiatore questo quindi fa aumentare sempre pi la differenza fra le due temperature penalizzando EER Se la pompa funziona in raffrescamento sara possibile abbassare la temperatura al condensatore solamente fintantoch la temperatura dell aria esterna sara in grado di smaltire il calore questo significa che essa deve avere una temperatura minore rispetto quella di condensazione Se la temperatura esterna sale troppo conseguentemente deve salire anche la temperatura di condensazione altrimenti si rischia l arresto della pompa di calore Questo per comporta una penalizzazione sull EER dal momento che aumenta nuovamente la differenza di temperatura fra le due sorgenti Il COP e l EER dipendono quindi anche dalle caratteristiche costruttive dell impianto in relazione al fabbisogno di calore oltre al fluido di lavoro impiegato al consumo di energia da parte di apparecchiature ausiliarie e alle condizioni effettive di funzionamento Per questo motivo i costruttori dichiarano degli indici COP e EER determinati mediante prove in condizioni di funzionamento ben definito Inoltre i costruttori limitano il funzionamento delle pompe di calore entro determinate condizioni operative ev
23. non isobare perdite di carico nei circuiti di collegamento tra i vari componenti del ciclo che originano cadute di pressione rappresetante con differenza di temperatura tra l ingresso del compressore e quello del condensatore compressione non isoentropica caratterizzata da un suo rendimento isoentropico dato dal rapporto tra il lavoro necessario per la compressione ideale e quello necessario per la compressione reale A seconda della tipologia di compressore del fluido frigorifero e dalle condizioni di lavoro il rendimento tra 0 65 e 0 85 Questa la causa di irreversibilit che incide di pi nel calcolo dell efficienza della pompa di calore Quando la pompa funziona in riscaldamento l effetto utile della pompa si esplica nel condensatore e quando funziona in raffrescamento nell evaporatore In entrambi i casi l energia necessaria per il funzionamento della pompa viene richiesta per azionare il motore elettrico del compressore 24 II calore utile totale la somma del calore sottratto all ambiente e del lavoro di compressione diminuito delle inevitabili perdite di energia Il compressore solitamente azionato da un motorino elettrico e a volte da un motore a combustione che operando in modo differente permettono differenti vantaggi gt Utilizzando un motore elettrico il funzionamento della pompa di calore avr un efficienza energetica maggiore con perdite di trasformazione minime nel compressore p
24. resa PESON EA DR Fotovoltaico ideale e consigliato rinnovabili Eolico mini eolico si ma bassa resa Eolico mini eolico ideale e consigliato 105 Tempo di rientro dell investimento 4 5 anni con vita utile di 7 4 5 anni con vita utile di 20 Tabella 7 4 Confronto di caratteristiche fra un sistema di riscaldamento e raffrescamento classico aria aria e uno geotermico acqua acqua sulla base dei classici parametri di raffronto 7 6 Incentivi Esistenti Gli sgravi fiscali esistono per diverse tipologie di ristrutturazioni di edifici e non solo per l installazione di pompe di calore geotermiche Le detrazioni fiscali esistenti attualmente sono DI Legge 24 dicembre 2007 n 244 legge finanziaria del 2008 Disposizioni per la formazione del bilancio annuale a pluriennale dello Stato Detrazione fiscale del 55 applicabile alla sostituzione di impianti esistenti con impianti geotermici a bassa entalpia Questa detrazione sar scalata dalla tasse a pagare ogni anno per 10 annualit Delibera348 2007 dell Autorit per l energia elettrica e il servizio gas Condizioni economiche per l erogazione del servizio di connessione Tariffa elettrica incentivante per pompe di calore 0 14 kWhe Tuttavia la maggior parte degli impianti a pompa di calore geotermica sono di nuova installazione e quindi non godono di questi incentivi Questo a causa delle difficolt ad adattare i sistemi di distribuz
25. sonda e le caratteristiche fisiche del sottosuolo in particolare la conducibilit termica Bisogna considerare che in inverno i captatori sottraendo calore al terreno circostante possono portarlo a gelare migliorando il contatto termico al contrario d estate il terreno scaldato dai captatori perde umidit diventando un cattivo conduttore termico La tecnologia della pompa di calore geotermica dunque particolarmente indicata per zone dal clima rigido infatti essa si affermata in Austria Svizzera Germania e nei Paesi Scandinavi L impatto ambientale si riduce alle possibili fuoriuscite del fluido termovettore che circola nelle sonde Le soluzioni comunemente adottate basate su miscele d acqua e liquido antigelo non presentano rischi significativi Uno dei principali ostacoli all utilizzo delle pompe di calore geotermiche il costo d installazione Sebbene l energia prelevata sia gratuita il costo dei sistemi GSHP elevato in particolare il sistema di captazione richiede un installazione onerosa e delicata Per questi motivi gli impianti con pompa di calore geotermica vengono utilizzati in edifici di nuova costruzione o nel caso di ristrutturazioni importanti Per limitare il costo complessivo necessario un dimensionamento accurato Le pompe di calore geotermiche possono avere un desurriscaldatore il quale contribuisce a riscaldare l acqua calda domestica In estate questo dispositivo usa una parte del calore di sca
26. zone GMT 01 00 Start of Winter Oct End of Winter Mar Start of summer Apr End of summer Sep Energy Codes Legislative region ITALY Figura 6 11 Dati climatici mensili di Palermo Site Data Untitled Weather Data Monthly Month Outside Dry Bulb Temperature C 13 38 15 85 utside Dew Point Temperature C i 8 52 10 33 Wind Speed m s 5 16 5 21 Wind Direction 172 01 171 35 Solar Altitude 0 00 0 00 Solar Azimuth i 0 00 0 00 Atmospheric Pressure Pa x10 3 101 07 101 07 Direct Normal Solar kWh 83 05 123 30 Diffuse Horizontal Solar kWh 56 87 57 36 Figura 6 12 80 Risultati del software EnergyPlus Temperature and Heat Gains piano terra EnergyPlus Output 1 Jan 31 Dec Monthly Unlicensed Month Air Temperature C 18 61 18 96 19 13 20 50 22 52 24 19 25 03 25 22 24 79 Radiant Temperature C 18 34 18 86 19 10 20 68 22 82 24 68 25 63 25 85 25 35 Operative Temperature C 18 47 18 91 19 12 20 59 22 67 24 43 25 33 25 53 25 07 Outside Dry Bulb Temperature C 12 12 13 02 13 38 15 85 19 20 21 90 24 84 25 83 23 74 External Infiltration kWh 2692 26 2220 74 2379 89 1853 94 1353 72 y 83 63 235 20 409 32 External Vent kWh 155 66 132 78 126 41 93 39 64 10 gt 16 39 29 24 16 64 General Lighting kWh 1000 32 899 61 970 06 1007 10 970 06 1030 59 970 06 976 84 Computer Equip kWh 697 06 678 41 698 64 678 41 b 715 71 678 41 679 99 Occupancy kWh 97 94 a
27. 07 649 12 663 98 Occupancy kWh 207 54 i 205 46 191 32 177 57 155 39 15438 151 33 15066 171 08 Solar Gains Interior Windows kWh 4 38 8 36 9 86 12 64 13 51 13 19 11 58 8 71 5 89 Solar Gains Exterior Windows kWh 1034 36 gt 1730 79 1881 16 2101 63 2185 98 2166 95 2071 13 1827 33 1455 11 Zone Sensible Heating kWh 1250 68 i 632 36 151 00 10 39 0 00 0 00 0 00 0 00 1 54 Zone Sensible Cooling kWh 0 00 2 81 85 34 555 51 1416 75 2829 29 3172 71 1817 33 306 16 Sensible Cooling kWh 0 00 2 81 85 33 555 69 1417 21 2833 35 3178 30 1819 13 306 11 Total Cooling kWh 0 00 3 20 93 24 624 29 2217 09 4513 69 5093 21 3116 92 493 32 ZoneHeating kWh 1250 68 736 68 632 36 151 00 10 39 0 00 0 00 0 00 0 00 1 54 lech Vent Nat Vent Infiltration ac h 0 77 0 77 0 78 0 77 0 77 0 77 0 76 0 76 0 76 0 77 Figura 6 14 Temperature e fabbisogni energetici mensili per il primo piano 81 Quindi nel software GHC si inseriscono i carichi totali per il riscaldamento Totale Picco Mensile kWh Mensile kW 3463 51 38 11 2234 8 38 25 2075 43 37 25 65772 33 39 _ 6113 926 0 0 0 0 13 18 231 388 55 34 73 2540 45 38 49 11434 77 38 49 MAX TOTALE Durata Equivalente del Carico di Picco Riscaldamento ore Raffrescamento ore O Cancella Chiudi Figura 6 15 Carichi mensili O O S j O O olo o o ol ololololololo 4 4 __ 0 1 0 02 0 aL III
28. 130 120 110 100 90 80 70 60 lt lt VAPORE SATURO ACQUA gt 50 40 30 20 Evaporazione di soluzioni molto concentrate Refrigerazione con impianti ad assorbimento ad ammoniaca Lisciviazione nell industria della carta Acqua pesante con il processo dell H2S Essiccazione di diatomite Essiccazione di alimenti ittici Essiccazione di legname Allumina con il processo Bayer Essiccazione rapida di prodotti agricoli Inscatolamento di prodotti alimentari Evaporazione nella raffinazione dello zucchero Estrazione di sali per evaporazione e cristallizzazione Produzione di acqua dolce per distillazione Effetti multipli dell evaporazione concentrazione di soluzioni saline Essiccazione e stagionatura di pannelli di aggregato cementizio Essiccazione di materiali organici alghe erba verdure ecc Lavaggio ed asciugatura della lana Disidratazione dello stoccafisso Operazioni veloci di scongelamento Riscaldamento di ambienti Riscaldamento di serre riscaldamento dell aria ambiente Refrigerazione limite minimo di temperatura Allevamento di animali Riscaldamento di serre riscaldamento dell aria e del terreno Coltivazione di funghi Usi balneologici Riscaldamento del terreno Uso per piscine processi di biodegradazione e fermentazione Acqua tiepida tutto l anno in climi freddi Scongelamento Acquacoltura Figura 1 5 Diagramma di Lindal che mostra i possibili usi deo fluidi geotermi
29. 95 73 89 85 80 63 77 51 75 40 74 37 Solar Gains ExteriorWindows kWh 349 18 i 525 63 527 23 529 31 i 519 96 551 56 547 63 Zone Sensible Heating kWh 2212 85 1443 07 506 70 50 75 i 0 00 0 00 0 00 Zone Sensible Cooling kWh 0 00 0 00 6 78 208 05 gt 2044 74 2435 44 1539 71 Sensible Cooling kWh 0 00 4 0 00 6 81 208 31 2049 15 2441 51 1542 47 Total Cooling kWh 0 00 0 00 0 00 8 20 256 25 3593 79 4236 72 2818 15 ZoneHeating kWh 2212 85 1498 14 1443 07 506 70 50 75 0 00 0 00 0 00 0 00 ech Vent Nat Vent Infiltration ac h 0 77 0 77 0 77 0 76 0 77 0 76 0 75 0 76 0 76 Figura 6 13 Temperature e fabbisogni energetici mensili per il piano terra Temperature and Heat Gains primo piano EnergyPlus Output 1 Jan 31 Dec Monthly Unlicensed Month Air Temperature C 18 01 18 84 20 58 22 91 24 70 25 54 25 74 25 29 23 58 Radiant Temperature C 18 23 19 26 21 07 23 43 25 40 26 37 26 58 25 98 24 05 Operative Temperature C 18 12 19 05 20 82 23 17 25 05 25 95 26 16 25 63 23 82 Outside Dry Bulb Temperature C 12 12 13 38 15 85 19 20 21 90 24 84 25 83 23 74 19 91 External Infiltration kWh 2542 92 2349 61 1960 78 1576 26 1138 07 302 91 2063 634 69 1548 83 External Vent kWh 164 49 141 09 111 70 88 51 66 92 5 85 18 10 33 91 80 19 General Lighting kWh 863 73 853 51 849 06 85351 828 62 873 96 853 51 838 84 86373 Computer Equip kWh 668 98 663 07 655 03 663 07 64321 67489 663
30. IL eb cia nol 34 Classificazione delle pompe di calore 39 3 1 Pompe di calore ad ari atenei ea 40 3 1 1 Pompe di caloreradiaria esterna asl cs tes cveve evodants tence cvedsoat ie 40 3 1 2 Pompe di calore ad aria interna recuperata i 41 3 2 Pompe di calore geotermiche ii 42 4 Pompedi Calore Geotermich ista hese cis ecsva esate i ancdovd doesent iane 45 4 1 Captatori Orizzontali inariiemaniubouiiii sek adeeb ee ee a 47 AD Captatori Verticali lare 49 4 3 Piloni geoter miCher cavecs hall alia 52 4 4 Classificazione delle Pompe di calore geotermiche i 53 4 4 1 Pompe di calore ad Acqua di Falda 55 4 4 2 Pompe di calore su acqua di superficie 59 5 Dimensionamento di sonde verticali eeeeeesseceeseceeeeeceeeeeesaeeeeaeeceeeeecaeeeeaaeeeeaeeeeeeeees 61 5 1 Principi di funzionamento iii 63 5 2 Metodo di dimensionamento ASHRAE i 65 6 Progettazione di un impianto geotermico a sonde verticali ii 71 Caso 1 Edificio collocato a MilaN0 iii 73 Caso 2 Edificio collocato a Palermo iii 80 Ja Analisi costi beNEefici ui deuenia ana a et a a Shave testes 87 7 1 Esempio di analisi finanziafia asia ani ana 90 7 1 1 Analisi geologica sst nerien dia aaa ea a e a eea a EE 91 7 1 2 Tempo
31. Indice 1 la Geotermia dii ina bre aa ide alia ee So aes 1 T 1 SEnergia ermica acilia io 1 1 2 Storia della geotermia Glenn atalanta 3 1 3 Utilizzazione attuale del energia geotermica iii 5 1 4 La L rra come motore termico iena 6 1 5 Sistemi geot MOi e aa are aana i eneee e Re ein 8 1 6 Classificazione dei sistemi geotermici iii 10 1 6 1 Sistemi geotermici idrotermali i 11 1 6 2 Rocce calde secche HDR i 13 1 6 3 Sistemi geopressurizzati 00000000 14 1 6 4 Sistemi magmatici ae Art 14 1 6 5 Sistemi a salamoia calda ariareiaeiiserasoracsaiaoa ridi tini kaiaa ii daaheiar rakasa 14 1 6 6 Sistemi a fluidi supercritici Sari 15 17 l erisorsegeotermiche pih ase eaves toes lila elia 15 1 7 1 Esplorazione geotermica iii 16 1 7 2 Utilizzo della risorsa geotermica ii 17 Pompe di Calore edi riali each 19 2 1 Funzionamento delle pompe di calore ii 20 2 2 Pompe di calore a compressione iii 21 2 3 Pompe di calore ad assorbimento ii 25 2 3 1 Pompa di calore ad assorbimento a bromuro di litio 27 2 3 2 Pompa di calore ad assorbimento ad ammoniaca ii 29 2 4 Prestazioni delle pompe di calore iii 31 2 4 1 COP ariani iii nl Aik ond deed 31 2 4 2 BER ih
32. Sistemi a vapore dominante sistemi a vapore dominante producono vapore saturo o surriscaldato a pressioni superiori a quella atmosferica 5 10 atm Sono geologicamente simili a quelli a vapore umido ma il contenuto energetico molto pi alto 12 fondamentale la presenza dello strato di roccia impermeabile data la coesistenza di acqua e vapore Nel serbatoio la pressione rimane costante andando in profondit dato che questa regolata dal vapore la pressione idrostatica dell acqua non d contributo Nel momento in cui la perforazione raggiunge il serbatoio il vapore viene estratto e si crea una depressione che porta in ebollizione il liquido circostante la bocca del pozzo rimane quindi secca e il flusso termico permette la produzione costante di vapore anche surriscaldato di oltre 200 C Il vapore prodotto contaminato da gas incondensabili come l anidride carbonica acido solfidrico ammoniaca metano ed idrogeno Questi sistemi si manifestano in superficie con sorgenti bollenti e geysers e sono piuttosto rari Nonostante questo circa la met della generazione elettrica da fonte geotermica mondiale proviene da sei siti a vapore dominante Larderello e il Monte Amiata in Italia The Geysers negli Stati Uniti Matsukawa in Giappone e Kamojang e Darajat in Indonesia 1 6 2 Rocce calde secche HDR Sono sistemi artificiali formati con la creazione di un serbatoio geotermico Le rocce calde secche sono zone
33. a rate di Cri Mete 09 LF ccoa Reco Revamp 388 9 a v e no 1 Carico di Picco h _ 297 1 q Potenza Agg Richiesta kW o 0 Pompa di Calore Lato Sorgente Riscald Raffresc Terreno Sua oo 43 1 0 Temperatura Indisturbata C 14 Potenza Bettrica kW 95 0 COP EER 454 C g Circuito Primario Portata l s 1 848 0 Portata Unitaria I s 10kW 0 48 Risc Raff Fattore di Carico Parziale 0 89 Temp ingresso Pompa ri edi oj eme i Calore C 5 2 SPF ESEER 35 4 Marca f Sonda Terreno N Unita Cancella Modello Caratteristiche Progetto Prog_Sonda_ Verticale tesi Informazioni calcola Chiudi Chiudi Figura 6 16 Progetto sonda verticale Sono stati impostati i valori di conducibilit termica 1 8 W mK e diffusivit termica 0 045 m giorno del terreno considerando una composizione prevalente di argille e limi umidi secondo valori tabellati 83 Relativamente alle caratteristiche degli scambiatori verticali i dati di progetto sono i seguenti dv campo sonde re materiale sonde lt 7 gt tipologia sonde diametro sonde lt 7 KSA miscela dv 1 dv diametro pozzo conducibilit termica del Grout 1 circuito con 4 sonde in serie PEX SDR 11 doppia U distanziati Dext int 32 mm 26 mm glicole propilenico al 10 0 75 W m K 150 mm In questo caso il numero di sonde si ipotizza meta di quello del caso precedente in mo
34. a i 0 5 e 1 5 m ma talvolta si superano i 3 m Questi scambiano calore con il terreno circostante e a queste profondit gli apporti di calore sono dovuti quasi esclusivamente alla radiazione solare e alle infiltrazioni di pioggia quindi importante che il terreno abbia una buona esposizione al sole e una buona permeabilit all acqua piovana preferendo i terreni pianeggianti captatori orizzontali sono di facile installazione e hanno costi di primo impianto pi bassi rispetto ai captatori verticali raggiungono per rendimenti minori a causa delle variazioni della temperatura Con una profondit di posa maggiore si otterrebbe una minor influenza della variazione di temperatura dovuta all aria esterna ma il costo dello scavo aumenterebbe notevolmente 48 4 2 Captatori Verticali Le sonde geotermiche scendono nel terreno andando verso temperature pi uniformi e necessita di idonei studi svolti da societ specializzate per individuare sia il numero di pozzi che la profondit delle perforazioni da realizzare a seconda del tipo di terreno Questo perch ogni terreno possiede delle caratteristiche di scambio termico proprie che possono anche variare con la profondit ed quindi necessario uno studio approfondito delle caratteristiche del suolo dove si andranno ad installare le sonde prima di realizzare le perforazioni dove alloggiare le sonde stesse Queste sonde hanno le prestazioni migliori rispetto a quelle orizzontali ma di
35. ambiato all evaporatore kJ kg Nel caso di una pompa di calore ideale reversibile e quindi per un fluido frigorigeno che evolve secondo un ciclo di Carnot inverso esattamente tra le temperature Tc e Te della sorgente calda e del serbatoio termico esterno il COP risulta essere il massimo ottenibile dato che le trasformazioni 2 isoterme e 2 adiabatiche richiedono la minore possibile quantit di lavoro e ne producono il massimo possibile el Nel te COP Se CARNOT ILcompl IQcl e Te Te Nella realta per le condizioni operative tipiche delle pompe di calore molto difficile raggiungere la meta di questo valore ideale Tuttavia per ragioni costruttive si realizzano alcune diversificazioni dal ciclo base in modo da aumentare l effetto utile della pompa gt l evaporatore viene dimensionato in modo tale da terminare la trasformazione in condizione di vapore surriscaldato in modo da non avere presenza di liquido nella miscela per evitare di comprimere la fase liquida gt prima di entrare nel condensatore la miscela viene desurriscaldata con trasformazione isobara gt si prolunga la condensazione della miscela oltre la curva di liquido saturo sottorraffreddandola Si ottiene quindi liquido sotto raffreddato che entrando nella valvola di laminazione sposta il ciclo con una diminuzione del valore di entropia 32 Comunque a seconda del tipo di impianto e delle condizioni effettive di funzionamento il va
36. amente Per quanto riguarda i criteri di dimensionamento delle sonde geotermiche in generale si usano approcci diversi in relazione alle dimensioni dell impianto e per piccoli impianti le caratteristiche termiche del sottosuolo si prendono da fonti bibliografiche tramite l utilizzo di tabelle o abachi derivati da sperimentazioni e per grandi impianti sar necessario la misurazione diretta in sito e la modellizzazione con software dedicati e calcoli analitici Esistono diversi metodi di dimensionamento disponibili in letteratura ma quasi tutti si basano sulla seguente relazione di scambio termico in regime stazionario dove nella resistenza R opportunamente modificata viene inglobato l effetto della non stazionariet dei fenomeni T w q L R 64 Dove q il flusso termico tra fluido termovettore della singola sonda e terreno in W L la lunghezza totale della sonda in m T la temperatura media del terreno prima di installare la sonda in K Ty la temperatura media del fluido nella sonda in K R la resistenza termica del terreno per unit di lunghezza della sonda in m K W Nel caso di un impianto di bassa potenza si pu impiegare il dimensionamento tabellare rispettando le seguenti condizioni di utilizzo piccoli impianti con potenza lt 30 kW e meno di 2 400 ore di funzionamento all anno solo riscaldamento con o senza produzione di acqua calda sanitaria per sonda unica con lu
37. amento con pompa di calore reversibile le trivellazioni sono tendenzialmente pi profonde questo perch il terreno ha una capacit di scambio termico inferiore rispetto al funzionamento in riscaldamento 50 Per quanto riguarda i tubi a doppia U essi sono costituiti da due tubi ad U con la possibilit del collegamento di questi a sua volta in serie o in parallelo Dopo la posa dei tubi negli scavi la perforazione deve essere omogeneamente riempita e sigillata con un getto indurente che assicuri buon contatto termico ed eviti inquinamento incrociato delle diverse falde attraversate materiali di riempimento sono solitamente costituiti da miscele bentonite cemento o bentonite calcestruzzo e rivestono un ruolo molto importante perch determinano la zona di massima concentrazione di flusso di calore Le sonde sono a loro volta collegate in serie in questo caso si ha un aumento delle perdite di carico Figura 4 3 o in parallelo Figura 4 4 in quelli che vengono chiamati collettori interrati a sua volta ma a profondit opportune per evitare rischi di danneggiamenti e congelamenti nella stagione fredda quando il fluido termovettore impiegato acqua Figura 4 4 Figura 4 5 Rispetto alla soluzione orizzontale i captatori verticali hanno costi pi elevati soprattutto a causa delle perforazioni ma richiedono una superficie di terreno pi modesta e quindi sono impiegati dove la superficie disponibile sia limitata Inoltre le
38. anti Nel caso di un impianto tradizionale si obbligati all installazione di un impianto solare termico per la produzione del 50 del fabbisogno di ACS Dati Superficie lorda da riscaldare 1 600 m categoria energetica dell edificio B energia per m lt 59 kWh m anno fabbisogno energetico invernale con ipotesi di 40 kWh m annuo 64 000 kWh anno ore di funzionamento durante il periodo invernale 1 800 h potenza media stagionale del generatore geotermico 35 5 kW con picco di richiesta di 55 KW potenza nominale della pompa di calore 57 6 kW con potenza assorbita dal compressore 12 9 kW COP pompa di calore con sonde verticali 4 46 90 L impianto geotermico comprende le sonde verticali e la pompa di calore reversibile Per il funzionamento estivo in abbinamento alla climatizzazione a pavimento radiante previsto un impianto di deumidificazione con unit dislocate Per il funzionamento in modalit estiva la pompa di calore ha una potenza nominale di 8 1 kW con una potenza assorbita dal compressore pari a 1 9 kW e un EER pari a 5 Per il progetto sono previsti i seguenti componenti Pompa di calore geotermica dotata di de surriscaldatore per la produzione di ACS a 65 C con COP 4 46 e controllo in remoto 2 serbatoi inerziali 1 per lo stoccaggio della climatizzazione caldo freddo sui pavimenti radianti e 1 per lo stoccaggio dell ACS stazione di produzione ACS istantanea co
39. anutenzione dato che la pompa di calore rimane idraulicamente isolata e protetta dall acqua di falda e questo beneficio ne giustifica l utilizzo Condensatore Evaporatore Pavimento radiante Acqua glicolata Acqua Refrigerante Pozzo di rilascio Pompa sommersa Figura 4 9 Impianto con pompa di calore ad acqua di falda con rilascio pure in falda Evaporatore Condensatore Pavimento radiante Acqua glicolata Acqua Refrigerante Specchio d acqua Pozzo di prelievo Pompa sommersa Figura 4 10 Impianto con pompa di calore ad acqua di falda con rilascio in superficie 57 Il pozzo di prelievo e quello di rilascio devono essere sufficientemente distanti luno dall altro per evitare che l acqua rilasciata raffreddi quella destinata al prelievo La distanza minima di 15 m circa in modo da evitare il raffreddamento della temperatura della sorgente e quindi il rendimento Per questo motivo inoltre necessario tener in considerazione la direzione del flusso d acqua in modo da evitare di posizionare il pozzo di restituzione a monte di quello di prelievo Sono necessarie trivellazioni di sondaggio per stabilire la permeabilit dei vari strati del terreno e la profondit della falda queste successivamente potranno essere impiegate come pozzi Di solito necessario prelevare dalla falda circa 250 I h per ogni kilowatt di potenza termica in riscaldame
40. ate 12 C gt portata lato circuito primario 0 6 l s 10 kW gt temperatura d ingresso alla pompa di calore in riscaldamento 1 C 75 L impianto dimensionato sui parametri di funzionamento nominale ossia temperatura ingresso sonde verticali 2 C AT temperatura evaporatore 3 C temperatura mandata secondario pompa di calore 35 C temperatura ritorno secondario pompa di calore 30 C x La pompa di calore geotermica caratterizzata da un SPS pari a 3 5 e il COP determinato dal software in funzione della potenza termica sviluppata dalla pompa di calore e dal fabbisogno di potenza elettrica del compressore stata scelta una pompa con potenza termica tale da coprire il picco di potenza richiesta secondo valori di catalogo Sc Progetto la Verticale fe Carichi Termici Sistemi Ausiliari e Potenze Aggiuntive Giorno di Progetto Valutazione F Riscald Raffresc Riscald Raffresc Integrazione Sistema Ausiliario g Carico di Picco kW 8947 0 Quota frtegrativa Sistema O o semina DE Carico di Picco Residuo kw 894 0 Carico di Picco h _7343 9 Potenza Agg Richiesta kW C g9 Pompa di Calore Lato Sorgente Riscald Raffresc Terreno pra Tan atea kW 933 0 Temperatura Indisturbata C 12 Potenza Bettrica kW 205 0 ae inse na a Portata 14 5 368 0 Portata Unitaria ACS 10kW 0 6 Risc Raff SPF ESEER 35 4 siii Marca A r Sonda Terreno N Unit Cancella Modello
41. ativamente come unit riscaldanti nel periodo invernale e raffreddanti nel periodo estivo Le principali fonti di calore utilizzate dalle pompe di calore possono essere sorgenti naturali appartenenti all ambiente esterno come il suolo l aria esterna o l acqua sia di falda che di superficie oppure fonti di calore artificiali come flussi di calore emessi da processi industriali e non quindi aria prelevata da ambienti chiusi come l aria viziata Una prima classificazione delle pompe di calore viene fatta in base alla natura della sorgente fredda e calda con le quali il fluido termovettore scambia calore direttamente Si hanno quindi e Pompe acqua acqua riscaldano acqua a spese di altra acqua e Pompeacqua aria riscaldano aria prendendo calore da acqua e Pompe aria aria riscaldano aria trasferendo calore da altra aria e Pompe aria acqua riscaldano acqua prelevando calore da aria II calore prodotto dalla pompa di calore pu essere ceduto all ambiente attraverso ventilconvettori costituiti da armadietti in cui l aria viene fatta circolare sopra corpi scaldanti serpentine inserite nel pavimento nelle quali circola acqua calda oppure canalizzazioni che trasferiscono direttamente il calore ai diversi locali Le pompe di calore richiedono energia elettrica per funzionare ma in condizioni climatiche adatte e con un buon progetto il bilancio energetico positivo fornendo fino a cinque volte l energia consumata 2 1 Funzi
42. calda in fase liquida ed caratterizzato dall assenza di copertura in roccia impermeabile in modo da evitare che l acqua presente possa essere in pressione sistemi ad acqua calda si manifestano con la presenza di sorgenti calde in superficie e si trovano in aree caratterizzate da flussi termici normali Per poter essere considerati sfruttabili devono avere una profondit minore di 2 km un contenuto salino inferiore a 60 g kg e portate superiori a 150 t h Generalmente sono usati per utilizzi diretti come il riscaldamento delle abitazioni serre e impianti industriali Sistemi a vapore umido sono sistemi dove l acquifero contiene acqua pressurizzata a temperature superiori a 100 C e modeste quantit di vapore nella zona pi superficiale e quindi a minor pressione Il liquido la fase dominante ed pertanto la fase che regola la pressione all interno del serbatoio Per mantenere la pressione necessaria la presenza di uno strato di roccia impermeabile anche se a volte sufficiente la pressione idrostatica dell acqua stessa Quando il fluido portato in superficie la pressione decresce e una parte del liquido diventa vapore Questo vapore si pu usare per la produzione di energia elettrica Di fatto il 90 dei siti sfruttati ad oggi di questo genere Bisogna comunque tener presente che l acqua di questo sistema contiene sali in quantit fino a 100 g kg che possono creare problemi alle condutture 1 6 1 2
43. caldaia a condensazione pi un gruppo frigo per il raffrescamento estivo con l obbligo di installare pannelli solari per coprire il 50 del fabbisogno di Acqua Calda Sanitaria Investimento caldaia a gas 24 kW split per il raffrescamento estivo pannelli solari collegamenti vari Totale 2 500 3 500 4 500 3 000 13 500 Per poter stabilire i consumi si deve considerare e potere calorifico e rendimento della caldaia a condensazione inferiore e costo del gas metano e COP degli split Consumi e costi di eserc consumo di gas KS costi riscaldamento consumo raffrescamento izio 7885 16 9 6 x 0 95 864 60 m 864 60 x0 85 734 91 3091 11 2 1545 55 kWhe 9 6 kWh m 95 0 85 m 2 costi raffrescamento 309 11 costo manutenzione 170 Totale 1 214 Caldaia Pompa di calore refrigeratore Differenza solare Investimento 21 300 13 500 7 800 Costo annuale 486 14 1 214 727 90 Tabella 7 2 Nella pagina seguente si riporta il cash flow differenziale dove si vede che il tempo di ritorno dell investimento sarebbe tra 11 12 anni 99 8 000 6 000 4 000 0 PEGE O 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 000 i i 6 000 8 000 10 000 Grafico 7 1 Cash flow differenziale dell investi
44. ci a diverse temperature Lindal 1973 18 2 Pompe di Calore In natura il calore fluisce spontaneamente da un corpo a temperatura elevata verso altri che si trovano a temperatura inferiore Le pompe di calore sono macchine che lavorano in direzione opposta alla tendenza naturale del calore trasferendolo da una sorgente a temperatura pi bassa verso un utilizzatore a temperatura pi alta grazie all apporto di lavoro meccanico oppure elettrico Questo lavoro deve essere pari alla differenza fra il calore ceduto al serbatoio caldo e quello sottratto alla sorgente Quindi una pompa di calore prende energia da un mezzo naturale chiamato sorgente fredda acqua aria oppure suolo e lo trasferisce ad un fluido vettore per consentire il riscaldamento della sorgente calda ovvero locali ed eventualmente la preparazione di acqua calda sanitaria e altri processi che richiedono calore a bassa temperatura come gli essiccatori industriali Dal punto di vista del principio operativo non ci sono differenze tra un installazione frigorifera ed una pompa di calore la differenza sostanziale star nell effetto utile dell installazione desiderando il riscaldamento invece del raffrescamento La figura 2 1 rappresenta lo schema di funzionamento di una pompa di calore T gt T Figura 2 1 19 La maggior parte delle pompe di calore sono reversibili e possono funzionare come condizionatori in questo modo possono operare altern
45. dalla sua temperatura e pressione Questo fluido spesso trascina con s sostanze chimiche e gas come CO H2S e altri La sorgente di calore l unico dei tre elementi di un sistema geotermico che deve essere naturale gli altri due elementi invece con le condizioni adatte possono essere artificiali II meccanismo di riscaldamento del fluido geotermico segue le leggi che regolano la convezione dei fluidi quindi il riscaldamento ed espansione dei fluidi in un campo gravitazionale La figura 1 3 descrive questo meccanismo prendendo come esempio un sistema idrotermale a media temperatura Il flusso di calore fornito alla base del sistema di circolazione l energia che alimenta e muove tutto il sistema Il fluido caldo e di minor densit tende a salire e ad essere sostituito dal fluido pi freddo e di densit maggiore proveniente dai margini del sistema La convezione quindi tende a far aumentare la temperatura delle parti alte del sistema mentre diminuisce la temperatura delle parti inferiori Temperatura C Delo ha 200 400 600 hen gt a A 5 sorgente nld ay D E o Sf 1 T m Profondit km da w T a Sn Figura 1 3 A sinistra meccanismo di riscaldamento del fluido geotermico dal punto di ingresso A a quello di uscita E A destra modello di sistema geotermico 1 6 Classificazione dei sistemi geotermici sistemi geotermici si possono classificare in base alle sorgenti Sistemi i
46. de risulta basso considerando un periodo di dimensionamento di 10 anni tempo in cui si prevede che la temperatura attorno alle sonde si stabilizzi So Risultati Lungh Totale m 1299 4 Resa Termica Sonde W m Lungh Sing Sonda m 162 4 Temp Penaliz Terreno C Numero Sonde Temp Congelamento C Temperatura ingresso Pompa di Calore C Temperatura Uscita Pompa di Calore C AT Ingresso Uscita Pompa di Calore C Carico di Picco kW Potenza Sistema Ausiliario kW Percentuale Sistema Ausiliario Potenza Term Bfettiva Pompa di Calore kW Potenza Term Nominale Pompa di Calore kW Fattore di Carico Parziale Potenza Term Prelevata Riversata Termeno kW Potenza Elett Effettiva Pompa di CalorelkW Potenza Bett Nominale Pompa di Calore kW COP EER Nominale Pompa di Calore SPF ESEER Pompa di Calore Potenze Elettriche Addizionali kW COP EER Sistema Portata Circuito Primario l s Portata per Sonda l s Regime di Ausso Figura 6 10 Risultati Distanziamento m Lunghezza campo sonde m Temperatura di penalizzazione C 6 168 4 0 83 8 162 4 0 4 10 159 8 0 19 Tabella 6 1 79 Caso 2 Edificio collocato a Palermo Dati geoclimatici Country ITALY 2 Source ASHRAE IG WMO 164050 Climatic region 4A Koppen classification Cfa Latitude 38 18 Longitude 13 10 Elevation rm 34 0 Standard pressure kPa 100 9 Time and Daylight Saving gy Time
47. di ritorno dell investimento i 91 7 2 Studio di un impianto di piccola taglia i 93 7 2 1 Ipotesi 1 pompa di calore geotermica con sonde verticali 95 7 2 2 Ipotesi 2 Caldaia a condensazione gruppo frigo 99 73 Esempio lrland rana alal 100 7 4 Valutazioni conclusive e panorama legislatiVO i 102 7 5 Confronto generale sistemi geotermici VS sistemi tradizionali di climatizzazione 104 7 06 INCERtiviESIStenitisoa la iaia teri nane lean iranica 106 Bibliografia ah La eel A aa 107 1 La Geotermia Nella sua pi ampia definizione la Geotermia il calore naturale della Terra Questa contiene un enorme quantit di calore interno che si dissipa con regolarit verso la sua superficie e viene emesso nell atmosfera Il flusso di calore che si registra in superficie la conseguenza del fatto che per ristabilire l equilibrio termico in un corpo il calore si sposta da zone ad alta temperatura a quelle a bassa temperatura in diversi modi calore trasferito dall interno verso la superficie per conduzione nelle rocce compatte e per convezione in quelle permeabili e fratturate determinando un aumento di temperatura dall esterno verso l interno della Terra di 25 30 C al km in media In alcune particolari zone questa caratteristica naturale del pianeta si accentua con temperature nel sottosuolo piu alte della media queste possono prese
48. di vapore principali componenti di una pompa di calore a compressione sono il compressore la valvola di espansione e i due scambiatori di calore di cui uno funge da evaporatore e l altro da condensatore vari componenti sono connessi in un circuito chiuso all interno del quale scorre un liquido volatile detto fluido frigorigeno o refrigerante Sono macchine operatrici a fluido dove il refrigerante compie trasformazioni termodinamiche all interno di un ciclo bitermico Il ciclo viene definito bitermico perch deve operare percorrendo un circuito idraulico a due distinti livelli di temperatura tra una sorgente fredda ed una sorgente calda 21 bassa pressione alta pressione compressore Utilizzo evaporatore condensatore del calore valvola di espansione Figura 2 2 Schema semplificato di una pompa di calore a compressione meccanica Nell evaporatore avviene il prelievo di calore a bassa temperatura qui la temperatura del refrigerante mantenuta leggermente inferiore rispetto a quella della sorgente fredda in modo che la differenza di temperatura possa creare lo scambio termico necessario affinch il fluido liquido evapori Una volta evaporato il refrigerante ha immagazzinato del calore ma non in grado di cederlo All interno di un compressore il fluido sottoforma di vapore viene aspirato e compresso aumentandone la pressione e temperatura fino a raggiungere una temperatura leggerment
49. difficolt nell ottenere le autorizzazioni per l impianto 55 Figura 4 8 Pompa di calore ad acqua di falda sistemi a una sola perforazione dove l acqua prelevata viene poi rilasciata in un fiume in uno specchio d acqua oppure in una rete pluviale sono pi economici nei costi ma possono presentare delle difficolt se i volumi necessari sono elevati sistemi a due perforazioni sono pi diffusi anche se hanno costi pi elevati questo perch la seconda perforazione ha la funzione di iniettare l acqua nel terreno evitando il rilascio in superficie dell acqua prelevata Dato che l acqua di falda entra direttamente nella pompa di calore bisogna fare attenzione alla sua qualit poich le eventuali impurit possono causare corrosioni incrostazioni e intasamenti Sar quindi opportuno eseguire un analisi chimica e controllare che l acqua di falda rispetti i seguenti valori limiti v temperatura compresa tra 7 e 20 C pH non inferiore a 7 concentrazione di manganese non superiore a 0 1 mg l SSS concentrazione di ferro non superiore a 0 15 mg l Comunque la prassi pi comune per le installazioni di sistemi GWHP quella di isolare l acqua dal sistema nell edificio mediante scambiatori di calore di disaccoppiamento anche se questo aumenta leggermente i costi di investimento oltre a quelli di esercizio 56 Tuttavia l inserimento dello scambiatore di solito a piastre comporta minori esigenze di m
50. dimensioni a causa del rumore L impatto sull ambiente praticamente zero infatti se l impianto alimentato da un impianto fotovoltaico le emissioni sono nulle e invece se viene alimentato dalla rete elettrica le emissioni risultano ridotte del 60 70 Si stima un risparmio di 26 1 milioni di tonnellate di petrolio ogni anno e 16 milioni di tonnellate di anidride carbonica non immessa nell atmosfera Inoltre l energia geotermica una fonte rinnovabile pi versatile rispetto al solare ed eolico infatti questa indipendente dalle condizioni climatiche e meteorologiche e costituisce una sorgente energetica continua Gli impianti geotermici godono di una incentivazione alta con una detrazione fiscale del 55 per la riqualificazione energetica e che cresce del 30 se in abbinamento con il fotovoltaico che offre ulteriori vantaggi con il Piano Casa Per gli impianti domestici di medie dimensioni L investimento recuperabile in 5 7 anni con minori consumi di energia elettrica e azzeramento della spesa per il combustibile fossile e dopo questo periodo il risparmio annuo ammonta circa a 1 500 2 000 rispetto ai sistemi tradizionali con caldaia a gas Tuttavia una progettazione sbagliata potrebbe portare alla non fattibilit economica dell investimento In ogni caso meglio sovrabbondare con i costi iniziali piuttosto che ridurre il numero di metri di pozzo per risparmiare Infatti questo potrebbe portare ad un aumento comp
51. do tale da avere una lunghezza della sonda pi o meno della stessa grandezza Si ipotizza inoltre di avere spazi a disposizione tali da consentire un distanziamento tra le sonde tale da massimizzare l efficienza del sistema riducendo al minimo le interferenze del campo sonde Sono state effettuate diverse simulazioni con diversi valori di distanziamento tra le sonde nella Tabella 6 2 si riportano i risultati Sc Sonda Terreno fo Ed Terreno Campo Sonde Tubo Fluido Periodo di Dimensionamento anni 10 Disposizione Sonde Num Righe colonne T aeres 2 2 Num Pozzi 4 Dist Pozzi m 8 Portata per Circuito 7 7 7 Parallelo l s 1848 0 Resistenza Pozzo Chiudi Figura 6 17 Progetto sonda terreno 84 Le caratteristiche della tubazione e del fluido costituente lo scambiatore verticale sono state definite in base alle valutazioni fatte in precedenza Terreno Campo Sonde Tubo Fluido Tipo PEXSDRI Diametro Nominale 22 del Tubo schio Diam Esterno mm Diam interno mm Tabelle Tubi Fluido Riscald Raffres Temp Ingresso Pompa C Sl Soluzione glicole propilenico x 10 Tabelle Fluidi Pozzo Diametro del Pozzo mm 150 parere distanziati Termica pd 0 75 Grout W mK Tabelle Grout Resistenza Pozzo j Chiudi Figura 6 18 Sonda Terreno tubo fluido Infine il software GHC restituisce i
52. drotermali in cui la sorgente si trova a profondit non eccessive 1000 2000 m e in base alla pressione a cui si trovano possono essere o Ad acqua dominante e Ad acqua calda e A vapore umido o A vapore dominante Rocce calde secche hot dry rock sono sistemi con permeabilit naturale quasi nulla dove l acqua contenuta nella sorgente a pressioni elevate 1000 atm e ad una temperatura di circa 160 C sufficiente a scaldare acqua superficialmente iniettata Sistemi geopressurizzati dv Sistemi magmatici Sistemi a salamoia calda kS Sistemi a fluidi supercritici 10 sistemi HDR EGS sistemi pressurizzati sistemi magmatici a salamoia calda e a fluidi supercritici sono chiamati sistemi non convenzionali 1 6 1 Sistemi geotermici idrotermali I sistemi idrotermali sono costituiti dalla fonte di calore dall acquifero dall area di ricarica e dai passaggi che connettono la superficie all acquifero La fonte di calore pu essere concentrata se il gradiente geotermico molto superiore a quello medio oppure dispersa quando il valore del gradiente geotermico circa il doppio di quello medio terrestre L acquifero uno strato o raggruppamento di materiale poroso e permeabile saturo di acqua che costituisce il serbatoio geotermico questo ha la capacit di trattenere i fluidi caldi e non cederli L area di ricarica quella attraverso la quale il sistema viene ricaricato
53. e geotermico in Italia e in vari paesi del mondo come la Cina ma in forma molto ridotta e con semplici tipologie Bisogner aspettare fino al Rinascimento affinch iltermalismo venga trattato in maniera scientifica con la stampa del De Thermis scritto da Andrea Bacci Venezia 1571 Da questo momento tra il XVII e il XVIII secolo numerosi stabilimenti termali sono costruiti in Europa con la funzione di centri terapeutici per la cura del corpo e dello spirito E affinch prenda avvio un vero e proprio sfruttamento dell energia geotermica su scala industriale si dovr attendere il XIX secolo Nei primi anni dell Ottocento nell area che poi ha preso il nome di Larderello Toscana Italia era stata avviata una piccola industria chimica per estrarre l acido borico dalle acque calde che sgorgavano naturalmente dal suolo o che erano estratte da pozzi poco profondi L acido borico era ottenuto facendo evaporare in bollitori metallici le acque calde ricche di boro usando come combustibile il legname ricavato dai boschi vicini Nel 1827 Frangois Jacques de Larderel che nel 1818 aveva assunto la direzione dell industria ide un programma industriale per sfruttare il calore degli stessi fluidi borici nel processo di estrazione invece di bruciare il legname dei boschi che si andavano esaurendo rapidamente Nello stesso periodo si cominci anche a utilizzare l energia meccanica del vapore naturale che venne usato per sollevare l
54. e pi elevata di quella della sorgente calda A questo punto il refrigerante pu sfruttare questa differenza di temperatura per cedere calore alla sorgente calda Attraverso un condensatore il fluido cede il calore utile e torna allo stato liquido 22 Per completare il ciclo il fluido deve tornare alle condizioni iniziali Il refrigerante passa attraverso una valvola di laminazione che ne abbassa la pressione e la temperatura A questo punto il refrigerante pu ricominciare il ciclo Idealmente il ciclo termodinamico di riferimento il ciclo inverso di Carnot il quale lavora tra temperature costanti T1 calda e T2 fredda e origina la pi elevata efficienza energetica In Figura 2 3 rappresentato schematicamente il ciclo inverso di Carnot evidenziando le quattro trasformazioni termodinamiche avendo trascurato l energia cinetica e l energia potenziale Trasformazione A B espansione adiabatica scambio nullo di calore con l esterno e reversibile entropia costante il fluido passa da un punto sulla curva di liquido saturo a un punto nella zona a tenore costante di vapore Si produce lavoro grazie alla variazione di entalpia originata dal abbassamento di pressione con riduzione della temperatura Lesp ha hg trasformazione B C evaporazione a pressione e temperatura costante Il fluido assorbe calore dall esterno Qg hc hg trasformazione C D compressione adiabatica e reversibile il fluido viene co
55. edio Nei grandi bacini sedimentari geologicamente giovani il gradiente geotermico pu essere inferiore a 1 C 100 m e al contrario pu essere maggiore della media in aree di sollevamento recente addirittura in aree geotermiche particolarmente privilegiate il gradiente pu raggiungere valori dieci volte superiori rispetto a quelli normali La differenza di temperatura tra le zone profonde pi calde e quelle superficiali pi fredde d origine a un flusso di calore dall interno verso l esterno della Terra che tende a ristabilire il proprio equilibrio termico Il flusso di calore terrestre medio 65 mW m nelle aree continentali e 101 mW m nelle aree oceaniche con una media sull intera superficie terrestre di 87 mW m Pollack et al 1993 Questi valori sono basati su delle misurazioni eseguite in diversi siti che coprono all incirca il 62 della superficie terrestre nelle aree non coperte da misurazioni il flusso di calore stato stimato tenendo conto della distribuzione delle unit geologiche L aumento della temperatura con la profondit i vulcani i geyser le fumarole e le sorgenti calde sono manifestazioni tangibili e visibili del calore interno del pianeta questa energia termica all origine di fenomeni meno percettibili e tuttavia di tale grandezza che la Terra stata paragonata a un enorme motore termico Questi fenomeni rientrano nella teoria della tettonica delle placche che ha rivoluzionato le conosc
56. ell evaporatore si ha vapore d acqua a bassa pressione trasformazione interna all assorbitore nell assorbitore confluiscono il vapore d acqua proveniente dall evaporatore e la soluzione povera d acqua con il bromuro di litio precedentemente separata e portata al livello di pressione del vapor d acqua attraverso una valvola di laminazione All interno dell assorbitore il vapore d acqua si dissolve nella soluzione ricca di bromuro di litio trasformazione 5 6 7 la soluzione debole viene riportata al generatore per mezzo di una elettropompa Durante il percorso viene effettuato un recupero di calore in uno scambiatore rigenerativo dove la miscela forte ricca di bromuro di litio in arrivo dal generatore cede calore alla miscela ricomposta debole 28 Si ha un grande risparmio di energia dato che all uscita dell evaporatore il vapore viene assorbito in una soluzione liquida che successivamente viene pompata alla pressione di lavoro del generatore In ogni caso si deve comunque fornire energia termica in un secondo tempo all interno del generatore per poter separare i fluidi solvente e soluto Per cui queste macchine sono di particolare interesse dove siano disponibili scarti energetici acqua oppure vapore a temperatura superiore ai 110 C o in associazione a impianti di cogenerazione Inoltre nel funzionamento in raffrescamento le caratteristiche chimico fisiche dei componenti di questo tipo di pompa son
57. ello e il 4 rimanente proviene dal nucleo Pi recentemente avendo a disposizione un numero maggiore di dati si attribuito un valore del flusso di calore totale dalla superficie del 6 pi alto di quello utilizzato da Stacey e Loper Questo significa che il raffreddamento del mantello leggermente maggiore di quello che avevano valutato questi ultimi ma comunque il raffreddamento del pianeta molto lento AI centro della Terra si suppone che le temperature siano nell intervallo di 3500 4000 C con una diminuzione di 300 350 C in tre miliardi di anni al massimo L energia termica totale contenuta all interno della Terra stimata di essere circa 12 6 x 10 MJ considerando una temperatura superficiale media di 15 C mentre quella contenuta nella crosta terrestre stimata sui 5 4 x 107 MJ Armstead 1983 La quantit totale di calore contenuto nel nostro pianeta ha quindi un valore enorme cento milioni di volte la generazione mondiale di elettricit nel 2005 ma solo una parte di essa pu essere sfruttata Infatti l utilizzazione di questa energia stata limitata a quelle aree dove le condizioni geologiche permettono ad un fluido vettore acqua in fase liquida o vapore di trasportare il calore dalle formazioni calde profonde alla superficie o vicino ad essa formando quelle che chiamiamo risorse geotermiche hot spot Oggi con l utilizzo di nuovi sviluppi tecnologici si sta ampliando enormemente la potenzia
58. enze geologiche del pianeta e risultano connessi con le risorse geotermiche Secondo la teoria della tettonica a zolle la crosta terrestre si divide in una ventina di macroaree zolle che ogni anno si spostano di pochi centimetri Le risorse geotermiche ad alta temperatura sono generalmente ubicate in corrispondenza dei margini di rottura o di collisione delle placche dimostrando quindi che esiste una stretta relazione tra la tettonica delle placche e la distribuzione delle risorse geotermiche nel mondo La rottura di una zolla determina lunghe fessure nella crosta terrestre da cui il magma sale in superficie il Rift islandese il Sistema Mar Rosso Rift Valley il Lago Baikal Invece la collisione di due zolle provoca la compressione e il corrugamento dei margini nel caso di zolle oceaniche si formano archi insulari come le Antille o l arcipelago Giapponese nel caso di una zolla oceanica e una continentale si formano cordigliere continentali come le Ande Se le zolle sono entrambe continentali il corrugamento dei margini porta alla formazione di catene montuose come le Alpi e l Himalaya Importanti aree geotermiche sono anche i hot spots come le Hawaii le Galapagos le Canarie e il cosiddetto bombamento etrusco tra la Toscana e l Alto Lazio Nelle zolle continentali invece sono racchiusi grandi bacini sedimentari con risorse geotermiche a bassa temperatura come quelli di Francia Ungheria e Cina L Italia il Paese geot
59. ermicamente pi caldo d Europa anche se finora lo sfruttamento delle sue risorse geotermiche si sviluppato solo nell area centro settentrionale 1 5 Sistemi geotermici La definizione di sistema geotermico stata data da Hochstein nel 1990 come un sistema acqueo convettivo che in uno spazio confinato dalla parte superiore della crosta terrestre trasporta il calore da una sorgente termica al luogo generalmente la superficie libera dove il calore stesso assorbito disperso o utilizzato Figura 1 2 Rappresentazione schematica di un sistema geotermico 8 Generalmente i sistemi geotermici sono costituiti da tre elementi la sorgente di calore il serbatoio ed il fluido vettore mezzo che trasporta il calore gt Sorgente di calore pu essere una intrusione magmatica a temperatura superiore ai 600 C che si posizionata a profondit relativamente piccola 5 10 km oppure il calore normale della Terra a bassa temperatura gt Serbatoio un complesso di rocce calde permeabili nel quale i fluidi posso circolare assorbendo calore di solito ricoperto da rocce impermeabili e connesso a zone di ricarica superficiali dalle quali le acque meteoriche possono sostituire i fluidi perduti attraverso vie naturali per esempio sorgenti o fumarole o che sono estratti mediante pozzi in forma totale o parziale gt Fluido geotermico si tratta generalmente di acqua meteorica in fase liquida o vapore dipendendo
60. erticale a doppia U 61 diametri esterni dei singoli steli ad U sono compresi tra 20 40 mm mentre quelli coassiali sono generalmente di 50mm Le sonde a doppia U offrono minore resistenza allo scambio termico con conseguente migliore efficienza energetica inoltre in caso di occlusione di una coppia di steli possibile la circolazione lungo la coppia rimanente per questi motivi le sonde a doppia U sono le pi usate Rispetto alle altre le sonde coassiali sono pi soggette ai fenomeni di cortocircuito termico Le tubazioni sono normalmente costituite da polietilene ad alta densit chiamato PEAD oppure da polietilene reticolato chiamo PEX Il PEAD mostra elevata resistenza alla rottura e alle sostanze chimiche lunga durata basse perdite di carico e rapporto prezzo prestazioni vantaggioso e per tutto ci quello pi comunemente usato Ma le temperature massime consigliate sono di 35 C invece il PEX pu avere temperature massime d esecizio di 95 C avendo maggiore resistenza termica e meccanica ma pi costoso Altri elementi che integrativi delle sonde sono i piedi di sonda che servono come raccordo delle tubazioni e per facilitare la discesa delle sonde nelle perforazioni e i distanziatori che sono elementi che devono assicurare la separazione degli steli e si mettono ogni circa 10 m La cementazione del pozzo chiamata grouting deve essere tale da garantire un perfetto isolamento idraulico tra dive
61. escamento ceda molto pi calore di quello assorbito durante il periodo invernale Per rimuovere questo calore in eccesso occorre una seconda pompa di calore che lo trasferisce ad esempio all acqua di una piscina ottenendo un duplice beneficio 4 1 Captatori Orizzontali I collettori orizzontali sono serpentine generalmente in polietilene oppure in rame rivestito di materiale sintetico interrate orizzontalmente sul terreno in prossimit del edificio da climatizzare a profondit non eccessiva all interno di queste serpentine viene operata una circolazione forzata di una soluzione di acqua glicolata tubi all interno del terreno possono essere disposti a serpentina o a spirale La superficie di terreno necessaria varia approssimativamente tra 1 5 e 3 volte la superficie dell edificio da climatizzare in modo da riuscire ad estrarre dal terreno il calore necessario a coprire l intero fabbisogno energetico dell edificio Si pu ridurre la superficie se le tubature di scambio termico vengono installate sulle pareti laterali di una trincea profonda uno o due metri Gli installatori si attengono generalmente ad alcune raccomandazioni di posa fatte salve eventuali eccezioni i captatori devono distare almeno 47 2mdaglialberi 15mdalle reti interrate non idrauliche 3mdalle fondazioni dai pozzi dalle fosse settiche Figura 4 1 Pompa di calore con captatori orizzontali captatori vengono interrati di solito tr
62. feribile scegliere intervalli di temperature all ingresso della pompa di calore di circa 5 11 C inferiore e di circa 68 11 17 C superiore alla temperatura indisturbata del terreno rispettivamente per le modalit in riscaldamento e raffrescamento Se il calore estratto dal terreno in inverno viene compensato con il calore immesso durante l estate allora la temperatura media di riferimento attorno la sonda cambier di poco e l efficienza del sistema delle sonde non decadra durante l esercizio prolungato negli anni Se invece questo bilanciamento non avviene si avr un abbassamento delle temperature attorno alla sonda con la formazione di un imbuto termico La forma del cono termico dipende dalla conducibilit termica del terreno Se questa bassa il cono sar ristretto ma con un abbassamento di temperatura importante x m Figura 5 2 Rappresentazione delle variazioni di temperatura nel terreno circostante una sorgente di calore verticale per diversi intervalli di tempo Se lo sbilanciamento termico permane l imbuto tende a crescere nel tempo fino a stabilizzarsi dopo generalmente 10 anni o pi a seconda della profondit dei pozzi Sbilanciamenti termici prolungati maggiori di 2 C sono da evitare per preservare l efficienza dello scambiatore Un fattore che incide molto sulla penalizzazione della temperatura la distanza tra le sonde per distanze inferiori a 5 m si verificano interferenze termiche nega
63. grazie alle acque meteoriche oppure attraverso reiniezione dei fluidi geotermici Inoltre ci sono le roccia di copertura impermeabile di natura argillosa che hanno la duplice funzione di mantenere il fluido ad alte pressioni e di impedire all esterno di contaminarlo Attualmente solo i sistemi idrotermali sono sfruttati nel mondo su scala industriale Tuttavia l esistenza di un sistema idrotermale non sufficiente a garantire lo sfruttamento della sua energia a livelli industriali Di fatti solo una parte delle roccia pu essere permeabile e quindi capace di costruire un acquifero di conseguenza solo questa parte pu essere sfruttata Tale porzione detta sito geotermico sistemi idrotermali come gi accennato sono classificati in due gruppi e ad acqua dominante e a vapore dominante 1 6 1 1 Sistemi ad acqua dominante Questi sistemi sono i pi diffusi nel mondo in cui l acqua liquida la fase continua che controlla la pressione nel serbatoio geotermico e pu essere presente vapore in forma di bolle 11 La temperatura nei sistemi ad acqua dominante pu andare da meno 125 C a 225 C e possono produrre acqua calda una miscela di acqua e vapore vapore umido e in alcuni casi vapore secco a seconda della loro temperatura e pressione Sistemi ad acqua calda sono sistemi con la capacit di produrre acqua calda in superficie a temperature non superiori a 100 C In questi sistemi il serbatoio contiene acqua
64. i quando la potenza installata superiore ai 30 kW gt tipo di servizio la normativa UNI TS 11300 4 considera tre possibili servizi che pu rendere disponibile la pompa di calore questi sono il riscaldamento la produzione di acqua calda sanitaria o la contemporanea copertura di entrambi Essendo tale normativa adibita a regolamentare il fabbisogno di riscaldamento fra i servizi elencati non viene citata la climatizzazione estiva facilmente ottenibile con una pompa di calore reversibile gt vettori energetici e tipologie di generatori la normativa TS 11300 4 classifica gli impianti alimentati da pompa di calore come gt monovalenti quando la pompa di calore che copre l intero fabbisogno energetico stagionale gt bivalenti monoenergetici quando la pompa di calore copre una parte del fabbisogno termico stagionale e la quota rimanente coperta da un generatore ausiliario sfruttante lo stesso vettore energetico della pompa di calore gt bivalenti e bienergetici quando il vettore del sistema integrativo diverso da quello della pompa di calore 39 La specifica tecnica per vettore energetico distingue l energia elettrica impiegata per le pompe di calore a compressione di vapore dai combustibili liquidi e gassosi impiegati nelle pompe di calore ad assorbimento a fuoco diretto gt fluido impiegato dal lato dell utenza calore possono essere ad espansione diretta con evaporazione o condensazione direttamente co
65. i acqua calda sanitaria 40 L aria una sorgente di calore facilmente sfruttabile disponibile ovunque e senza limiti non richiede captatori particolarmente costosi e non soggetta a particolari autorizzazioni Tuttavia rispetto all acqua possiede una densit molto inferiore rendendo necessario mettere in movimento elevati volumi d aria Un altro svantaggio dell aria esterna come sorgente di calore la forte oscillazione di temperatura e umidit che fluttuano sia durante le giornate che nell anno Questo fattore porta ad avere una prestazione energetica poco soddisfacente dato che questa tanto migliore quanto minore la differenza tra la temperatura della sorgente fredda e quella dell ambiente riscaldato e la temperatura esterna tende a diventare molto bassa proprio quando si desidera una temperatura elevata nell ambiente da riscaldare Inoltre quando la temperatura esterna bassa l evaporatore pu ghiacciare trovandosi a diretto contato con l aria esterna questo fattore limita ulteriormente il rendimento della pompa riducendo le sezioni di passaggio dell aria e peggiorando lo scambio termico Per questo motivo le pompe ad aria sono spesso dotate di dispositivi di sbrinamento 3 1 2 Pompe di calore ad aria interna recuperata In questo caso necessaria la presenza di un impianto per il ricambio dell aria e si usa l aria viziata come sorgente fredda per una pompa di calore L aria viziata prelevata
66. iaie e sabbie umide con conducibilit termica pari a 1 7 W mK e diffusivit termica 0 056 m giorno secondo valori tabellati Si considera un campo sonde composto da 2 pozzi distanziati 8 m con tubi di 25 mm di diametro nominale tipo PEX SDR11 a doppia U e con un fluido composto da una soluzione al glicole propilenico al 20 Ogni pozzo avr un diametro di 100 m e saranno distanziati con degli distanziatori Si considera una conducibilit termica del grout di 0 8 W mK risultati ottenuti con questo software vengono riportati nella seguente pagina 96 Temperatura Ingresso Pompa di Calore C Temperatura Uscita Pompa di Calore C AT Ingresso Uscita Pompa di Calore C Carico di Picco kW Potenza Sistema Ausiliario kW Percentuale Sistema Ausiliario Potenza Term Effettiva Pompa di Calore kW Potenza Term Nominale Pompa di Calore kW Fattore di Carico Parziale Potenza Term Prelevata Riversata Termeno kW Potenza Bett Effettiva Pompa di CalorekW Potenza Hett Nominale Pompa di Calore kW COP EER Nominale Pompa di Calore SPF ESEER Pompa di Calore Potenze Hettriche Addizionali kW COP EER Sistema Portata Circuito Primario l s Portata per Sonda l s Regime di Flusso Figura 7 8 Risultati Il campo sonde sar quindi composto da due pozzi di profondit 80 m distanziati 8 m per considerare una eventuale maggior richiesta del fabbisogno energetico negli anni succesivi Inve
67. ici e frigorifegni dei giorni di progetto e ore annue equivalenti a pieno carico Per poter ricavare le lunghezze complessive delle sonde per il riscaldamento e per il raffrescamento vengono definite le seguenti equazioni daRa dpe W Rp FCPnc Rm Rg Foc L k T Trin Trout T Ss 2 p 1 gakat Gp W Rp FCPing Rm Rg Foc f Te Trin Trout _ T 2 p dove Lc e Lf lunghezze totali di perforazione necessarie per il riscaldamento invernale e il raffrescamento estivo in m da flusso termico medio annuale scambiato dalle sonde con il terreno in W Apc Ipf carichi necessari per riscaldare e raffrescare in W FCP FCPmg fattore di carico parziale mensile in riscaldamento e in raffreddamento 66 W e Wp potenze elettriche assorbite dal compressore della pompa di calore in corrispondenza del carico di progetto in W T temperatura del sottosuolo indisturbata Tp temperatura di penalizzazione determinata dal disturbo termico reciproco di scambiatori presenti in un campo sonde Trin Tfout temperature del fluido in ingresso e in uscita dalla pompa di calore dal lato sonde Ra resistenza termica del terreno dovuta ad un impulso termico annuale in m K W Rm resistenza termica del terreno dovuta ad un impulso termico mensile in m K W Rg resistenza termica del terreno dovuta ad un impulso termico giornaliero in m K W Ry resistenza termica del po
68. ile Impianto tradizionale ARIA ARIA Alta Frequente pulizia filtri sostituzione o rabbocco liquido refrigerante manutenzioni elettriche eventuali ecc medio basso 2535 104 Pompa di calore geotermica con pannelli radianti sistema acqua acqua Alto 120 150 Bassa nulla Praticamente inesistente per tutta la durata della vita utile dell impianto Molte Nessuna Necessaria disponibilit di giardino o comunque di terra per generare lo Opere necessarie i sistemi pi innovativi non scambio termico necessit di terminali hanno bisogno di unit per la diffusione del calore in ambiente esterna con molto fluido e a bassa temperatura di lavoro riscaldamento a pavimento o capillare Alti rischi Rischi alla salute derivanti dal degrado del liquido Rischi e sicurezza refrigerante ma soprattutto rischi soprattutto connessi alla sicurezza dalla non pulizia dei filtri del terreno della falda con cui si dell aria diffusa nell ambiente scambia calore legionella batteri polvere pollini ecc Rischi ridotti o nulli Si si are i Possibilit di avere anche acqua calda ma con bassissime efficienze e Ta PARSO con altissime efficienze e poco consumo sanitaria molti costi aggiuntivi per AR in pi rispetto al riscaldamento adeguare l impianto Solare termico pressoch impossibile Lote Integrazioni con gt 5 Solare termico ideale e consigliato altre fonti Fotovoltaico si ma bassa
69. ione interna del calore gi esistenti e la mancanza dello spazio per l installazione dei geoscambiatori 106 Bibliografia 1 BAIETTO M POCHETTINO E SALVATICI Progettazione di Impianti Geotermici sonde verticali e pozzi d acqua D Flaccovio Palermo 2010 2 G DELL OLIO Geotermia e Pompe di Calore l ambiente come fonte di energia sostenibile Delfino Milano 2009 3 F TINTI Geotermia per la climatizzazione D Flaccovio Palermo 2008 4 M TORNAGHI Geotermia manuale tecnico pratico per la realizzazione di un impianto geotermico Esselibri Simone Napoli 2010 5 ARMSTEAD H C H Geothermal Energy E amp F N Spon London 2003 6 M MORINI appunti di Sistemi per la produzione di energia da fonti rinnovabili Geotermia 2013 7 LINDAL B Industrial and other applications of geothermal energy in Armstead H C H ed Geothermal Energy UNESCO Paris 1973 8 STACEY F D and LOPER D E Thermal history of the Earth Phys Earth Planet Inter 1988 9 Lund J W et al Direct application of geothermal energy 2005 worldwide review Geothermics 2005 10 POLLACK H N HURTER S J and JOHNSON J R Heat flow from the Earth s interior Analysis of the global data set Rev Geophys 31 1993 11 Renewable energy essentials Geothermal Publication IEA 2010 12 P ROMAGOLI Rinnovabili produzione geotermica Enel Palermo 2006 13 A SIMONETTI Tecnologia e impiantis
70. ircolante nella pompe di calore per evitare sporcamenti eccessivi all evaporatore Nella Tabella 3 1 riportata la classificazione della UNI TS 11300 4 circa le tipologie di fonti dalle quali possono estrarre energia le pompe di calore Fonte di energia Tipologia fonte di energia sfruttata Modalit di estrazione Aria esterna Rinnovabile aerotermica Raffreddamento e deumidificazione dell aria esterna Aria interna Non rinnovabile se proveniente da Raffreddamento e deumidificazione dell aria sistemi impieganti energie fossili ad interna di espulsione in sistemi di recupero esclusione dell aria di espulsione Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Terreno Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Acqua di falda Rinnovabile geotermica Raffreddamento del sottosuolo Acqua di lago Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali Acqua di fiume Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali Acque di risulta e liquami di Non rinnovabile Raffreddamento acque e o liquami di processo processi tecnologici Liquami urbani Assimilabile a rinnovabile Raffreddamento liquami urbani Tabella 3 1 Acqua di mare Rinnovabile idrotermica Raffreddamento acque superficiali 42 Nelle Figure 3 1 e 3 2 sono rappresentate rispettivamente una pompa di calore aria acqua e una aria aria ricordando come con il primo termine si faccia riferimento al fluido im
71. itando troppo aumento della temperatura di condensazione o abbassamento della temperatura di evaporazione in modo da evitare sia la sconvenienza dell uso della macchina a causa dell elevato prelievo di energia elettrica dalla rete sia instabilit nel funzionamento della pompa di calore 35 Il clima della localit in cui si installa una pompa di calore riveste quindi un ruolo fondamentale nella scelta della sorgente con la quale essa deve lavorare L efficienza reale di una pompa di calore in un dato periodo di reale funzionamento viene espressa dalla cifra di lavoro definita come rapporto tra il calore utile prodotto e l energia consumata durante il periodo stesso Questa a differenza del COP tiene in considerazione il funzionamento effettivo del sistema descrivendone le prestazioni Per questo motivo si introducono i coefficienti SPS e ESEER definiti come gt Seasonal Performance Factor SPF il rapporto tra l energia complessivamente fornita dalla pompa di calore e l energia elettrica consumata compresi i consumi per i sistemi ausiliari a servizio del funzionamento della pompa stessa SPF Qout g h F Qout g DHW e eda g Eing Wg con Qout g n energia termica in riscaldamento J Qout g pHw energia termica per la produzione di Acqua Calda Sanitaria J Eim g energia elettrica assorbita dalla pompa di calore J W energia elettrica assorbita dagli ausiliari a servizio della pompa di calore J
72. l efficienza di scambio termico della resistenza e del diametro delle sonde geotermiche varia anche il loro prezzo Comunque all aumentare della lunghezza del tubo diminuisce il prezzo al metro 87 Di solito per una sonda tipica da 100 m i prezzi variano tra 9 e 29 m a cui si aggiunge il costo di inserimento della sonda nel pozzo che varia da 114 a 144 m Il prezzo della pompa di calore geotermica non si discosta molto da quello di una caldaia a condensazione e varia a seconda della potenza nominale della macchina costi di gestione annuali di un impianto geotermico sono in media inferiori di circa il 60 rispetto ai moderni impianti di riscaldamento tradizionali A fronte di un investimento iniziale superiore gli impianti geotermici permettono di avere un risparmio annuale costante Inoltre il sistema impiantistico e della pompa di calore semplice e questo garantisce la solidit ed efficienza dell impianto 100 000 80 000 60 000 40 000 Sommatoria delle spese di gestione 20 000 geotermia gas naturale GPL Gasolio Tipologia di riscaldamento Figura 7 1 Stima dei costi di esercizio consumo e manutenzione per il riscaldamento di un edificio di 200 mq nell orizzonte temporale di 20 anni Costi operativi per alcune tipologie di riscaldamento Figura 7 2 88 Andando a considerare la prestazione energetica di un generatore di calore termico a combustione
73. lessivo dei costi Quindi sar necessario fare una progettazione adeguata dell impianto Il principale svantaggio della pompa di calore geotermica dipende dagli elevati costi di installazione soprattutto per la perforazione nel caso delle sonde verticali Inoltre la temperatura dell acqua prodotta non molto elevata e questo rende necessario l utilizzo di sistemi di distribuzione quali di pannelli radianti 35 40 C oppure di fancoils idronici 50 C Un altro svantaggio rappresentato degli ostacoli burocratici dati gli iter procedurali richiesti per l autorizzazione all installazione degli impianti geotermici vantaggi sono superiori agli svantaggi per bisogna fare una valutazione tecnica approfondita di tutti gli aspetti in gioco potenzialit dell impianto abbinamento con 103 altre tecnologie e installazione di un secondo contatore per poter usufruire di una tariffazione elettrica dedicata in base alla delibera n 56 2010 dell Autorita per l Energia dell aprile 2010 7 5 Confronto generale sistemi geotermici VS sistemi tradizionali di climatizzazione In seguito si elencano in una tabella le maggiori differenze fra un sistema tradizionale aria aria e un sistema a pompa di calore geotermico cos come oggi appare alla luce della tecnologia pi recente e considerando una caldaia a gas metano Caratteristiche Costo medio dell impianto alm 2 Manutenzione COP massimo raggiungib
74. lit di utilizzo in alcuni casi in modo indipendente dal territorio geografico soprattutto per sistemi di riscaldamento degli edifici pompe di calore geotermiche 1 2 Storia della geotermia In passato spesso la pratica ha preceduto la teoria Infatti molte risorse sono state sfruttate senza conoscere esattamente la loro natura e solo dopo sono state studiate scientificamente e ne stata sviluppata la tecnologia anche questo il caso dell energia geotermica L utilizzazione del calore della Terra per scopi semplici come la cottura del cibo si trova nel passato sin dal Neolitico dove le acque calde naturali erano usate per scopi curativi e magici Numerose testimonianze archeologiche dimostrano che gli etruschi facevano un uso dell energia geotermica ampiamente diffuso questo grazie al fatto che l area dei suoi insediamenti si trovava in una delle regioni pi privilegiata per le manifestazioni geotermiche In seguito quando la civilt romana si espanse conquistando quella etrusca i fluidi geotermici furono usati oltre che nelle terme per il riscaldamento di edifici termali e di abitazioni in tutte le regioni dell Impero Ungheria Germania Francia Spagna Gran Bretagna Turchia e Paesi Arabi dal Ill secolo a C sino alla decadenza dell Impero Quando questo accade l uso della balneologia termale e i sottoprodotti geotermici ebbero un declino Nei secoli seguenti sono comunque presenti esempi di utilizzazione del calor
75. lore del COP si colloca generalmente tra 2 e 4 per le pompe a compressione e tra 1 1 e 1 6 per le pompe ad assorbimento Questi valori sono referenziali e sono tanto pi alti quanto pi bassa la temperatura a cui il calore viene ceduto dalla macchina per fornire effetto utile alta la temperatura della sorgente da cui viene assorbito il calore tale temperatura uno dei parametri fondamentali da cui dipende la potenza termica resa dalla pompa di calore Queste osservazione derivano dalla formulazione del COP del ciclo di Carnot che dimostra analiticamente come le migliori prestazioni si ottengono quanto pi vicine sono le temperature delle due sorgenti Da qui l importanza di questo coefficiente che permette di identificare la misura quantitativa del salto di temperatura che il sistema produce ovvero la differenza tra la temperatura della sorgente di calore e la temperatura di uscita del calore dal dispositivo stesso In base a questo sta la scelta insieme alla tipologia di pompa di calore dei terminali di impianto come i sistemi radianti dato che questi consentono di abbassare la temperatura al condensatore avendo la possibilit di essere alimentati ad una temperatura relativamente bassa Nella Figura 2 7 a pagina seguente sono mostrati alcuni valori dei COP conseguibili da alcune pompe di calore esistenti nel mercato si osserva come questi valori si discostano dal valore teorico conseguibile dal ciclo di Carnot non
76. mento che rappresentano il numero di ore di esercizio del sistema se questo funzionasse costantemente a carico massimo 8 760 sono le ore in un anno EER 1 COP 1 Cr e C2 EER COP Questo approccio ha il vantaggio di limitare il numero di dati necessari per il calcolo di qa E per il calcolo della resistenza termica di pozzo R esistono diverse metodologie di calcolo tra le quali il modello quasi tri dimensionale Zent et al 2003 che pu essere applicato in integrazione al modello di dimensionamento ASHRAE Questo modello stima in maniera rigorosa l effetto di cortocircuito termico tra sonde sulla base delle caratteristiche geometriche e fisiche effettive del complesso pozza sonda permettendo di definire il numero di tubi nel pozzo il distanziamento tra tubi all interno del pozzo la conducibilit termica del materiale di riempimento e di calcolare la resistenza di pozzo correlata Per il metodo ASHRAE la temperatura del fluido in ingresso e in uscita alla pompa di calore un parametro molto importante Infatti la scelta all ingresso della pompa di calore di un valore prossimo a quello del terreno indisturbato comporterebbe un elevata efficienza del sistema ma una lunghezza eccessiva della sonda E al contrario un valore di temperatura molto diverso da quello del terreno indisturbato potrebbe portare a scambiatori di minima lunghezza ma con una ridotta capacit in riscaldamento e raffrescamento Come regola generale pre
77. mento relativo all impianto geotermico rispetto alla soluzione caldaia a condensazione split 7 3 Esempio Irlanda Anno di installazione aprile 2012 localit Wexford Irlanda superficie da riscaldare 208 m su due piani pozzo geotermico di 150 m di profondit con 137 m di sonda geotermica attiva distribuzione del calore attraverso pannelli radianti richiesta di energia per m 40 4 kWh m anno pompa di calore con potenza nominale di 8 kW e COP di 4 5 lavori per il miglioramento dell isolamento termico dell edificio su tutte le pareti sia esterne che interne pavimenti e soffitto e finestre Costo totale dell investimento 19 900 100 Il costo totale per i consumi della pompa geotermica in un anno calcolati dal 27 5 12 al 24 5 13 ammontano a 369 66 La pompa di calore in questo periodo ha utilizzato un totale di 2 758 kW e si considera il costo del kWh uguale a 0 15 consumi dal 25 5 13 al 24 5 14 della pompa di calore geotermica sono stati di 2 164 kW Si riportano nel Grafico 7 2 i costi mensili dovuti all utilizzo della HP in un anno Grafico 7 2 Considerando in alternativa alla pompa di calore geotermica una caldaia a gasolio con un rendimento di 85 e una richiesta di fabbisogno energetico pari a 13 441 5 kWh anno e un costo del litro di gasolio pari a 0 85 In un anno la spesa in bolletta per l energia elettrica sarebbe stata di 1 142 53 per cui con la pompa di calore
78. modo da poter fare un confronto fra le diverse tecnologie Qi Rira L 0 46 COP 0 46 Avendo introdotto questo indice possibile fare un confronto fra le rese energetiche della pompa di calore geotermica e delle caldaie tradizionali a gas Nella seguente tabella si mostra quali sono i valori di equivalenza energetica tra COP e rendimenti della caldaia a combustione 89 Tipologia di caldaia Rendimento caldaia COP equivalente con pompa di calore Caldaia tradizionale 0 75 0 85 1 63 1 85 Caldaia alta efficienza 0 9 0 95 1 96 2 07 Caldaia a condensazione 0 95 1 06 2 07 2 30 Tabella 7 1 Da questa tabella risulta evidente che dal punto di vista energetico qualsiasi impianto geotermico che garantisca un COP medio stagionale superiore a 2 30 pi efficiente di qualsiasi impianto tradizionale 7 1 Esempiodianalisi finanziaria In questo paragrafo si riporta un esempio in cui vengono comparati i costi realizzativi di un impianto geotermico reversibile e di un impianto tradizionale alternativo comprendente un impianto a combustione centralizzato e uno di climatizzazione estiva dotato di sistemi di distribuzione a ventilconvettori L impianto geotermico prevede un sistema centralizzato di climatizzazione in inverno ed estate e la produzione di acqua calda sanitaria con sonde geotermiche verticali Le ipotesi di costo di riferiscono ad attivit di campo fino al collaudo impi
79. mpresso grazie all apporto di energia elettrica dall esterno con innalzamento della pressione e temperatura Lcomp hp hc trasformazione D A condensazione a pressione e temperatura costante Il fluido condensa erogando calore all esterno Qc hp ha 23 gt gt w Sottoraffreddamento p neem ETE g E 5 Condensazione i i F i Pry 5 A t jf if 4 2 2D pa lp E D o AJ A 19 5 bar q Ey a jo g8 60 C 2 fe h f 3 Lif o A g lt E J y PH deri ga A f Ay fp x A A j j K c 9 98 se TEDL ZA i rl B B B 63ban fic jci is ire dae R i ip IB IB 2c VT Effetto frigorifero i PIL I LI L p i LI sees 1 i 1 i rg i H gt Entalpia kJ kg Entropia kJ kgK a Diagramma Pressione Entalpia b Diagramma Temperatura Entropia Figura 2 3 Nella realt le trasformazioni termodinamiche non sono reversibili e per la natura dei processi stessi sono ineliminabili Quindi causano una riduzione dell efficienza energetica Le seguenti irreversibilit assumono importanza rilevante DI espansione nella valvola di laminazione che determina una trasformazione adiabatica isoentalpica senza produzione di lavoro verso l esterno e irreversibile non isoentropica perdite per attrito nel deflusso del fluido lungo gli scambiatori nell evaporatore e nel condensatore che danno origine a trasformazioni
80. n l aria ambiente oppure che possono utilizzare un fluido secondario come l acqua per soddisfare le esigenze di riscaldamento o raffrescamento gt fluido impiegato dal lato della sorgente gt pompe di calore che utilizzano come sorgente l aria sia esterna che quella interna recuperata gt pompe di calore geotermiche 3 1 Pompe di calore ad aria 3 1 1 Pompe di calore ad aria esterna Le pompe di calore pi diffuse sono quelle che impiegano l aria come sorgente esterna secondo alcune stime oltre il 90 delle pompe di calore installate in Italia utilizza come sorgente fredda l aria A sua volta possono essere di tipo aria aria qualora vadano direttamente a riscaldare o raffrescare l aria ambiente oppure aria acqua se il calore o il freddo vengono ceduti ad un fluido termovettore l acqua che a sua volta circola nei terminali d impianto per soddisfare il fabbisogno termico dell edificio Nel primo caso si possono avere unit mono o multisplit invece per le pompe di calore aria acqua avremo il circuito idraulico di distribuzione per la circolazione del fluido secondario ne deriva quindi una maggiore complessit impiantistica e conseguentemente un costo che pu essere 2 3 volte superiore rispetto le pompe di calore aria aria che viene per ripagato dalla pi alta efficienza risultante dall impiego dell acqua Questo senza tener conto di una pi facile gestione anche per quanto riguarda la possibilit di produzione d
81. n portata nominale di 100 l min sistema di captazione dell energia geotermica con sonde verticali ad acqua glicolata dispositivo per il controllo della temperatura e umidit degli ambienti dispositivo per la gestione programmazione e controllo in remoto della pompa di calore 7 1 1 Analisi geologica Il sottosuolo sabbioso e ghiaioso con presenza di falda a partire da 10 m dal piano campagna La potenza frigorifera della pompa di calore da scambiare in sonda pari a 45 4 kW Data la geologia dei luoghi si stima a priori una resa termica unitaria di una sonda geotermica di lunghezza 100 m pari a 4 5 kW Prendendo in considerazione queste ipotesi si realizzeranno 10 sonde geotermiche verticali di 100 m di profondit In corso d opera dopo la prima perforazione verr condotto uno specifico GRT Ground Response Test prova condotta a potenza termica costante e di durata di almeno 50 ore in grado di definire esattamente la resa termica unitaria di ogni sonda verticale 7 1 2 Tempo di ritorno dell investimento In seguito si riportano le stime economiche preliminari di confronto tra un impianto geotermico e uno di tipo tradizionale 91 Come dato di riferimento si tiene in considerazione che l energia da produrre in un anno di 64 000 kWh termici 40 kWh m anno x 1 600 m Inoltre i considera costo Nm di metano 0 80 costo energia elettrica con contatore ENEL dedicato tipo altri usi 0 14
82. ng 1 File Go View Tools Help View rotation Bled ley 32 ok ik er Navigate Site Untitled Building 1 PERLA Ei Untitled B Building 1 n cucina2 hall Detail O Show shadows Show North Arrow Show ground plane View 50 O Antialiasing Dynamics 1 Render Figura 6 1 Schermata del software DesignBuilder con disegno della costruzione Caratteristiche Costruttive Edificio Total Building Area 1998 85 Net Conditioned Building Area 1340 44 Unconditioned Building Area 72 Caso 1 Edificio collocato a Milano Dati geoclimatici Em ITALY Source ASHRAEN WMO 160800 Climatic region 4C Koppen classification Cla Latitude 45 43 Longitude 9 28 Elevation m 103 0 Standard pressure kPa 1001 Time and Daylight Saving gaTime zone GMT 01 0 Start of Winter Oct End of Winter Mar Start of summer Apr End of summer Sep Energy Codes Legislative region ITALY Figura 6 2 Dati climatici mensili di Milano Site Data Untitled Weather Dats Monthly Month Outside Dry Bulb Temperature C 18 97 12 95 utside Dew Point Temperature C y 16 51 11 67 Wind Speed m s j 0 83 0 74 Wind Direction 167 78 171 82 Solar Altitude i y 1 0 00 0 00 Solar Azimuth i x X X 0 00 0 00 Atmospheric Pressure Pa x10 3 100 09 100 09 Direct Normal Solar kWh x 69 26 33 26 Diffuse Horizontal
83. nghezza compresa tra 40 e 100 m in condizioni di pianura bassa densit di sonde geotermiche nei dintorni tubi a doppia U con diametri fino a 32 mm oppure coassiali con diametri di almeno 60 mm 5 2 Metododi dimensionamento ASHRAE Il software usato per il dimensionamento di sonde verticali GeoHeatCal basato sul metodo ASHRAE modificato con l inserimento di un algoritmo basato sul metodo quasi tri dimensionale di Zeng et al 2003 il metodo proposto dall ASHRAE e implementato da Kavanaugh e Rafferty 1997 uno dei metodi analitici pi affidabili le cui equazioni di riferimento sono basate sul modello a sorgente cilindrica Carslaw e Jaeger 1947 e adeguate all impiego di sonde geotermiche tramite l introduzione di una serie di parametri aggiuntivi che tengono conto della geometria della disposizione e dei parametri costruttivi degli scambiatori 65 Il metodo ASHRAE considera i seguenti parametri progettuali e temperature del terreno indisturbato e del fluido di ingresso alla pompa di calore sul lato sorgente e portata e propriet del fluido tipo densit viscosit regime di flusso conducibilit e diffusivit termica e propriet del suolo conducibilit e diffusivit termica e propriet dei tubi scambiatori numero per pozzo diametro disposizione caratteristiche termiche del grout e caratteristiche del campo sonde numero distanza disposizione e tipo di circuitazione e carichi term
84. ntare gradiente geotermico di 90 120 C ogni km Tali zone si localizzano in regioni dove le placche tettoniche confinano tra di loro e dove le forze geologiche spostano in superficie le masse magmatiche con la manifestazione di vulcani geyser fumarole hot spot ed altri fenomeni 1 1 Energia Termica L energia geotermica quella parte del calore terrestre naturale che potrebbe essere estratta dal sottosuolo e sfruttata dall uomo Questa energia proviene dalla formazione originaria del pianeta dal decadimento radioattivo di minerali uranio torio e potassio contenuti all interno della Terra e dall energia solare assorbita in superficie x L energia termica accumulata nel sottosuolo resa disponibile tramite fluidi vettori naturali o iniettati che fluiscono dal serbatoio geotermico alla superficie spontaneamente geyser soffioni sorgenti termali o che vengono erogati artificialmente tramite perforazione meccanica pozzo geotermico 42x101 W 12 Figura 1 1 Bilancio termico di Fog Ww Stacey e Loper 1988 _ 32 3x10 W 1 7x10 2 W All interno del nostro pianeta contenuta un immensa quantita di calore Facendo riferimento al bilancio termico di Stacey e Loper 1988 si deduce che il flusso totale di calore conduzione convezione e radiazione dalla superficie terrestre valutato in 42x10 W Di questa grandezza circa il 19 proviene dalla crosta terrestre ricca di isotopi radioattivi il 77 deriva dal mant
85. nti con pozzo di filtrazione In questo caso l acqua che costituisce la sorgente fredda della pompa di calore viene prima raccolta in un pozzo realizzato in prossimit dello specchio d acqua e poi pompata fino a uno scambiatore di calore Questi impianti hanno come vantaggio il fatto che l acqua essendo filtrata perde quasi tutte le impurit che potrebbero danneggiare lo scambiatore 60 5 Dimensionamento di sonde verticali Le sonde geotermiche sono perforazioni verticali costituite da un circuito chiuso di tubi in cui scorre un fluido termovettore che ha il compito di trasferire il calore dal al terreno Lo spazio tra i tubi viene riempito con grout che un materiale cementizio A seconda delle condizioni geologiche idrogeologiche e dei vincoli normativi le perforazioni variano mediamente tra gli 80 e 150 m ma si possono trovare perforazioni pi o meno profonde in un range che va dai 40 ai 250 m diametri delle perforazioni sono compresi tra i 100 e i 200 mm e le tubazioni possono come gi visto essere inserite nelle perforazioni secondo diverse configurazioni e a singola U simplex costituite da una mandata e un ritorno e a doppia U duplex costituite da due tubi collegati a due a due in parallelo tra loro e concentrici tubo esterno per la mandata e tubo interno per il ritorno Zavorra per i l introduzione Ji delle sonde Figura 5 1 Schema delle component tecniche di una sonda v
86. nto I pozzi di prelievo e reimmissione richiedono una regolare manutenzione per monitorare la temperatura e portata dell acqua e accertarsi di non sovrasfruttarlo principali vantaggi nell utilizzo di questi sistemi sono v efficienza energetica pi elevata rispetto ai sistemi a sonde verticali a parit di fabbisogno termico Y impiegano un fluido naturale e quindi non c bisogno di soluzioni anti congelanti v l acqua estratta pu essere successivamente sfruttata per altri impieghi Per contro richiedono condizioni idrologiche particolari una progettazione complessa e monitoraggio costante quindi sono onerosi da mantenere e hanno costi d esercizio elevati 58 4 4 2 Pompe di calore su acqua di superficie Figura 4 11 Pompa di calore su acqua di superficie Le pompe di calore su acqua superficiale possono essere a scambio diretto o indiretto Nel primo caso le sonde prelevano e scaricano direttamente l acqua del bacino nel secondo le sonde vengono alloggiate all interno del bacino che funge da serbatoio riscaldante In questi sistemi la radiazione solare ha una grande influenza dal momento che la profondit di posa modesta Per questo motivo le oscillazioni di temperatura possono essere piuttosto ampie e quindi si preferiscono i sistemi a circuito chiuso e quelli con pozzo di filtrazione Indipendentemente dalla soluzione adottata si deve fare attenzione allo sfruttamento delle acque superficiali dat
87. nza termica nei quali passa un liquido generalmente una soluzione acqua glicole per evitare il congelamento in presenza di basse temperature che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo nel caso di funzionamento estivo Le sonde vengono collegate a due collettori uno di mandata e uno di ritorno dove vengono installati dispositivi di regolazione che garantiscono l equilibrio idraulico tra i vari captatori Le sonde possono essere di tre tipi verticali orizzontali piloni geotermici Il termine pompa di calore geotermica ormai diffuso e impiegato a livello internazionale anche se soltanto in pochi casi si ha un contributo significativo del calore 45 emanato direttamente dalle rocce sotterranee Infatti alle profondit considerate il calore proviene principalmente dell irraggiamento solare e dalle precipitazioni Un sistema GSHP pu fornire molta pi energia termica di quella elettrica che esso consuma grazie alla maggiore efficienza rispetto alle pompe di calore ad aria La quantit di calore utilizzabile da una sonda geotermica dipende da diverse fattori il principale la temperatura del sottosuolo che dipende a sua volta dalla profondit raggiunta dai captatori Questa intorno ai 10 m di profondit si mantiene prossima ai 13 C durante tutto l anno A profondit maggiori la temperatura si innalza di 2 3 C ogni 100 m circa Altri fattori importanti sono il tipo costruttivo della
88. o GWHP Ground Water Heat Pump pompe di calore collegate a bacini idrici a sistema aperto dove acqua di falda costituisce il fluido termovettore che viene catturato e rilasciato una volta terminato il ciclo SWHP Superficial Water Heat Pump pompe di calore ad acqua superficiale con possibilit di scambio diretto o indiretto 53 POMPE DI CALORE COLLEGATE AL TERRENO SISTEMA A CIRCUITO CHIUSO collettore collettore orizzontale elicoidale collettore verticale POMPE DI CALORE COLLEGATE A BACINI IDRICI SISTEMA A CIRCUITO APERTO Pozzo singolo con scarico in corso d acqua Due pozzi POMPE DI CALORE COLLEGATE A BACINI IDRICI Sistema aperto Sistema chiuso Figura 4 7 Classificazione delle pompe geotermiche In Italia si usa distinguere i sistemi GSHP in circuiti aperti e circuiti chiusi primi sfruttano direttamente l acqua prelevata per lo scambio termico con la pompa di calore nei circuiti chiusi invece lo scambio avviene attraverso un fluido termovettore che circola nelle sonde interrate nella sorgente 54 Un altra categoria di sistemi geotermici quello definito nella nomenclatura anglosassone come UTES Underground Thermal Energy Storage che usa lo stoccaggio di calore in profondit Questi sistemi utilizzano lo stoccaggio stagionale di caldo o freddo per il loro sfruttamento nelle stagioni successive Con questi sistemi la climatizzazione pu avvenire anche senza p
89. o che si pu causare l inquinamento delle acque potabili Per questo motivo cos come per le pompe di calore ad acqua di falda le pompe di calore ad acqua superficiale trovano spesso difficolt di diffusione a causa dei severissimi vincoli circa la temperatura di reimmissione dopo lo scambio termico inoltre devono essere effettuati dei monitoraggi spesso costosi e onerosi per dimostrare l inalterabilit delle condizioni idrogeologiche del bacino rispetto alla situazione indisturbata 59 4 4 2 1 Impianti a circuito chiuso In questo tipo di impianto il prelievo di calore avviene attraverso uno scambiatore o sistema di scambiatori immerso nella corrente d acqua Il calore viene prelevato senza abbassare troppo la temperatura dell acqua stessa grazie all ingente portata d acqua Inoltre la velocit di efflusso dell acqua impedisce la formazione di ghiaccio Questi due fattori rappresentano un enorme vantaggio Per contro non hanno un buon rendimento poich la temperatura di evaporazione piuttosto bassa e la corrente dell acqua trascina dei materiali che possono danneggiare lo scambiatore per questo motivo deve essere periodicamente pulito rappresentando un ulteriore onere Evaporatore Condensatore Pavimento radiante Acqua Acqua glicolata Specchio Refrigerante d acqua Figura 4 11 Impianto con pompa di calore ad acqua di superficie in circuito chiuso 4 4 2 2 Impia
90. o radiante gi in opera Camini e canne fumarie 4 000 00 Edificio gas free cucina con Allaccio gas e rete gas 5 000 00 piastre ad induzione 144 000 00 122 000 00 92 Costi di funzionamento anno Onere per energia elettrica per Onere per gas metano in funzionamento pompa di 2 008 92 riscaldamento complessivo 5 617 00 calore in riscaldamento edificio edificio e produzione ACS 50 KW anno solare Onere per energia elettrica per Onere per energia elettrica per funzionamento climatizzazione 1 004 49 funzionamento climatizzazione 2 008 97 estiva Manutenzione 250 00 Manutenzione centrale 500 00 certificazione fumi e climatizzazione 3 263 46 8 125 97 Ammortamento costi impianto Differenza consumi anno 4 862 52 Differenza costo impianto 22 000 00 Anni ammortamento 4 5 Fonte Thermogea 7 2 Figura 7 3 93 Studio di un impianto di piccola taglia 7885 16 kWh fabbisogno 3091 11 kWh posizione Bologna dimensione 148 15 m fabbisogno energetico in riscaldamento in un anno energetico in raffrescamento in un anno I dati della richiesta energetica sono stati trovati mediante la modellizazione con il software DesignBuilder e il software EnergyPlus che da come risultati gli ipotetici consumi energetici annuali e mensili riassunti nelle seguenti figure Energy Plus Ostp
91. o tali da richiedere la presenza di una torre evaporativa per l asportazione di calore prodotto nel ciclo non essendo compatibile un raffreddamento tramite scambio diretto con aria ambiente per problemi di cristallizzazione della miscela Tuttavia esistono soluzioni costruttive come le macchine ad assorbimento a doppio stadio che hanno la necessit di smaltire meno calore 2 3 2 Pompa di calore ad assorbimento ad ammoniaca Nelle pompe di calore che utilizzano NH3 come soluto e H2O come solvente il principio di funzionamento analogo a quello precedente ma con parametri tecniche costruttive e prestazioni notevolmente diverse Per l ammoniaca e l acqua miscelate tra di loro il cambiamento di fase avviene ad una temperatura compresa tra quella delle due sostanze pure In Figura 2 6 rappresentato lo schema semplificato di queste macchine e i singoli processi termodinamiche sono elencati a pagina seguente 29 a NH NH q liquida umida ij NH A y Wy ae DK cu A TA V pe vapori A i NH 1 e E vapori LL pr Fi ee soluzione y y A povera 40 j z RE FIST ara z soluzione 9 TRIN TR A gt l povera 8 LOKA nn A cessa ey MINI ee 5_ 7 MN V VV g lt T sa soluzione ricca Ss P i q G Generatore di calore P Elettropompa soluzione y C Condensatore ricca E Evaporatore A Assorbitore S Scambiatore rigenerativo Figu
92. oich l efficienza di conversione dell energia elettrica compressore sempre superiore al 90 gt Il funzionamento di un impianto con un motore a combustione interna invece permette di sfruttare il calore dei gas di scarico aggiungendolo a quello generato nel condensatore In questo caso per l efficienza energetica legata alla conversione dell energia risulta molto inferiore rispetto a quella caratteristica di un motore elettrico In alcuni ambiti industriali il fluido refrigerante quello derivante dal processo industriale stesso Queste pompe di calore funzionano a ciclo aperto attraverso la ricompressione meccanica del vapore Mechanical Vapour Recompression MVR La potenza richiesta dal motore che aziona il compressore comporta l esigenza di un adeguamento della potenza elettrica impegnata e quindi pu essere necessaria l installazione di un nuovo contatore e per potenze medio elevate la costruzione di una nuova cabina elettrica Inoltre avendo parti in movimento il compressore sede di perdite di energia e alcune volte fuoriuscite di fluido frigorigeno sar quindi necessario provvedere periodicamente alla manutenzione e reintegro del fluido 2 3 Pompe di calore ad assorbimento Le pompe di calore ad assorbimento basano il proprio funzionamento sulla disponibilit di energia termica sotto forma di calore e non sullo sfruttamento dell energia meccanica Questo calore si pu ottenere dalla combustione di gas di
93. ompa di calore se i livelli termici lo permettono Nei sistemi UTES in cui il fluido termovettore costituito da acqua di falda si parla di stoccaggio acquifero ATES Aquifer Thermal Energy System mentre si parla di stoccaggio in pozzo BTES Borehole Thermal Energy System quando il trasporto avviene indirettamente attraverso sonde verticali 4 4 1 Pompe di calore ad Acqua di Falda sistemi GWHP sfruttano il calore contenuto nell acqua di falde acquifere poco profonde meno di 100 m captata mediante trivellazione Nel sottosuolo l acqua fluisce e si accumula a pochi metri o decine di metri di profondit grazie alla presenza di materiali porosi e fratture Quest acqua costituisce un ottima sorgente fredda per una pompa di calore dato che presenta una temperatura relativamente costante tra i 8 e 12 C Le falde poco profonde sono meno favorevoli per l efficienza della pompa di calore ma comunque presentano temperatura media annua dell acqua superiore a quella dell aria esterna Le falde pi profonde presentano una temperatura dell acqua che meno influenzata da fattori climatici esterni quindi meno variabile nel trascorso dell anno e tendenzialmente pi elevata In questi casi per necessaria la realizzazione di un pozzo di prelievo ed eventualmente uno di reimmissione che pu essere piuttosto costoso Inoltre ci sono dei limiti stabiliti sulla temperatura di restituzione dell acqua e quindi si possono avere
94. onamento delle pompe di calore Le pompe di calore sono costituite da un circuito chiuso percorso da uno speciale fluido frigorifero il quale dipendendo dalle condizioni di temperatura e pressione in cui si trova assume lo stato liquido o gassoso Il fluido frigorifero compie una serie di trasformazioni termodinamiche che vanno a caratterizzare la tipologia della pompa di calore 20 L impianto della pompa di calore costituito da e organi di captazione del calore i quali estraggono il calore dalla sorgente e viceversa cedono il calore prelevato durante il funzionamento in raffreddamento quando la pompa reversibile e la pompa di calore propriamente detta e il circuito di distribuzione il quale trasporta il calore verso le utenze termiche In base al ciclo termodinamico e dunque al principio di funzionamento le pompe di calore appartengono a due grandi classi Queste si distinguono per il modo in cui viene fornita l energia per l innalzamento della pressione e della temperatura del fluido refrigerante e ciclo a compressione necessita di energia meccanica per funzionare e ciclo ad assorbimento richiede energia termica Quindi i 2 tipi pi diffusi e utilizzati sono pompe di calore a compressione di vapore in cui viene fornita energia meccanica e pompe di calore ad assorbimento che richiedono energia termica 2 2 Pompedi calore a compressione La maggior parte delle pompe di calore opera con il ciclo a compressione
95. ostante i continui miglioramenti nella tecnologia 33 Coefficiente di prestazione COP Unit commerciali residenziali ad alta efficienza Grandi pompe di calore elettriche moderne v lt 2 10 N Teorico massimo Carnot o Temperatura di 2 serbatoio caldo T 60 C E ia E o a lt a o a conseguibili nella pratica a I 20 30 40 50 60 Innalzamento di temperatura C sorgente fredda serbatoio caldo Figura 2 6 2 4 2 EER Quando la pompa di calore impiegata anche per raffrescare allora si parla di pompa di calore reversibile e il parametro che viene assunto per stimare il rendimento del processo assume il nome di EER Energy Efficiency Ratio La sua formulazione analoga al quella COP con l unica differenza che EER pone l attenzione sul calore asportato dalla sorgente fredda Esso quindi dato dall effetto refrigerante prodotto dalla pompa diviso fra l energia in ingresso alla pompa stessa Qc Qe Tr EER er amp SESSO Ilme WOel Un Te 7 34 Qc Qe EER _T neate Jicovel lO Ox Anche in questo caso l EER cos come il COP diminuisce rapidamente al aumentare della differenza di temperatura tra le due sorgenti per questo gli sforzi per cercare di aumentare la temperatura all evaporatore in modo da avvicinarla per quanto pi possibile a quella del condensatore sono sempre pi consistenti Garantire una temperatura sempre pi fredda di
96. ottraendo calore alla sorgente fredda In seguito questo vapore di fluido frigorigeno a bassa pressione viene trasferito all assorbitore dove torna allo stato liquido sciogliendosi nel fluido assorbente Affinch il ciclo possa proseguire necessario separare nuovamente il fluido assorbente da quello frigorigeno Questo avviene nel separatore dove la soluzione dei due fluidi viene scaldata in modo che refrigerante avendo tensione di vapore pi bassa passi nuovamente allo stato gassoso come vapore ad alta pressione separandosi cos dal fluido assorbente Questo torna nell assorbitore chiudendo il proprio ciclo A questo punto il refrigerante inviato nel condensatore dove passa alla fase liquida tramite cessione di calore verso l esterno Uscito dal condensatore tramite una valvola di laminazione torner nell evaporatore ad una pressione pi bassa dove pu ricominciare un nuovo ciclo Nel condensatore ha luogo la cessione di calore alla sorgente calda e quindi l effetto utile della pompa Invece l energia necessaria per il funzionamento della pompa viene richiesta nel separatore sotto forma di calore Le pompe di calore ad assorbimento sono macchine di tipo statico questo garantisce un rendimento pressoch costante nel tempo e limita le esigenze di manutenzione Inoltre generalmente vengono saldati tutti i componenti del circuito durante la costruzione evitando cos perdite di fluido e il sovradimensionamento per tene
97. piegato lato sorgente esterna e col secondo il fluido impiegato lato utenza Figura 3 1 Pompa di calore aria acqua Ana npreso dopi omtuent Ania immesso negli ambio malian rene Verminten di mar Figura 3 2 Pompa di calore aria aria 43 4 Pompe di Calore Geotermiche Le pompe di calore geotermiche in anglosassone GSHP sono quelle che sfruttano il suolo come sorgente dalla quale prelevare calore per la climatizzazione estiva ed invernale degli edifici la produzione di acqua calda sanitaria e la produzione di caldo e o freddo nei cicli di processi industriale e alimentare Il sottosuolo costituisce una sorgente per l estrazione del calore e un ottimo serbatoio per il suo stoccaggio dato che questo non viene influenzato in modo significativo dalla variabilit delle condizioni atmosferiche la sua temperatura risulta quindi poco variabile discostandosi raramente dai 10 15 C rendendolo adatto a fungere sia da sorgente fredda che da sorgente calda per le pompe di calore geotermiche Per le applicazioni geotermiche si impiegano generalmente pompe di calore a compressione connesse con uno scambiatore a circuito chiuso come le sonde verticali oppure aperto come l acqua di falda o da bacino superficiale Questi particolari scambiatori di calore detti sonde geotermiche o captatori servono a trasferire il calore dal terreno agli edifici da riscaldare e sono tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmitta
98. ra 2 5 Schema semplificato di una macchina frigorifera ad assorbimento acqua ammoniaca trasformazione interna al generatore viene ceduto calore alla miscela acqua ammoniaca ricca di acqua Questo apporto energetico avviene a temperature di circa 110 130 C e quindi determina la separazione del componente pi volatile della miscela in questo caso ammoniaca che evapora In corrispondenza del generatore sono presenti anche un rettificatore e un deflammatore per condensare i residui dell acqua trasformazione 1 2 attraverso il condensatore il vapore di ammoniaca cede calore all esterno condensando trasformazione 2 3 la soluzione condensata passa attraverso una valvola di laminazione in modo da raggiungere lo stadio a bassa pressione trasformazione 3 4 qui si ha l effetto utile della pompa dove la soluzione evapora sottraendo calore all ambiente all uscita dell evaporatore si ha vapore di ammoniaca a bassa pressione trasformazione interna all assorbitore nell assorbitore confluiscono il vapore di ammoniaca a bassa pressione proveniente dall evaporatore e la soluzione povera d ammoniaca con alto contenuto d acqua previamente separata e portata al livello di pressione del vapor di ammoniaca attraverso una valvola di laminazione All interno dell assorbitore il vapore di ammoniaca si dissolve 30 nella soluzione ricca d acqua con un processo esotermico e quindi si deve asportare tale calore e trasforma
99. rmeabili rinchiuse all interno di strati impermeabili a bassa conducibilit Esse contengono acqua calda pressurizzata la cui pressione vicina a quella litostatica superando largamente la pressione idrostatica e a temperature maggiore rispetto ai sistemi idrotermali Sono quindi sistemi a elevata temperatura e pressione Le sorgenti geopressurizzate possono contenere anche quantit significative di gas metano per cui questi sistemi potrebbero produrre energia termica e idraulica acqua calda ad alta pressione e gas metano ma sino a oggi ancora non hanno dato luogo a uno sfruttamento industriale 1 6 4 Sistemi magmatici Sono sistemi connessi ad apparati vulcanici attivi che hanno una camera magmatica a profondit inferiore ai 5 6 km Questi sistemi sono formati da rocce fuse di origine magmatica con temperature dai 600 C ai 1 400 C che presentano per problemi tecnici molto difficili per il loro utilizzo 1 6 5 Sistemi a salamoia calda Sono particolari sistemi idrotermali nei quali l acqua ha subito un lungo processo di concentrazione salino raggiungendo i valori di una vera e propria salamoia fluidi contenuti in questi sistemi richiedono elaborati e costosi trattamenti chimici per poter 14 essere utilizzati nella produzione di energia elettrica e inoltre impianti di generazione particolari Hanno tuttavia il vantaggio di poter produrre composti minerali pregiati 1 6 6 Sistemi a fluidi supercritici Q
100. rne conto A livello industriale possibile sfruttare il calore di scarto utilizzando un tipo particolare di pompa di calore ad assorbimento chiamata trasformatore di calore Questa in grado di rendere disponibile energia termica in quantit inferiore a quella ricevuta ma a temperatura pi elevata senza richiedere la presenza di una fonte di calore esterna 2 3 1 Pompa di calore ad assorbimento a bromuro di litio Considerando la miscela H 0 LiBr e facendo riferimento allo schema di Figura 2 5 si descrivono le trasformazioni termodinamiche 27 i a i G Generatore di calore G E C Condensatore p 4 f A N A NANNI AR E Evaporatre c p y 8 P Elettropompa i l A Assorbitore 2 S Scambiatore rigenerativo XY S S A p 9 16 y a pre E I r A 5 P ANN ba a do 14 Figura 2 4 Schema macchina ad assorbimento ad uno stadio trasformazione interna al generatore viene ceduto calore alla miscela acqua bromuro di litio ricca di acqua Grazie a questo apporto di potenza termica il componente pi volatile della miscela l acqua evapora e i due fluidi si separano trasformazione 1 2 attraverso il condensatore il vapore cede calore all esterno condensando trasformazione 2 3 il fluido frigorigeno liquido viene laminato raggiungendo lo stadio a bassa pressione trasformazione 3 4 la soluzione evapora sottraendo calore all ambiente all uscita d
101. rsi acquiferi e un buon contatto termico tra le sonde e il terreno circostante Il grouting viene fatto iniettando una sospensione di cemento acqua e bentonite Quest ultima ha la funzione di elasticizzante evitando contrazioni del grout ma aumenta la resistenza del pozzo a scapito dell efficienza del sistema Il fluido termovettore che circola nelle sonde pu essere acqua o una soluzione di acqua e fluido antigelo Nel caso di usare acqua necessario che le sonde siano dimensionate in modo da fare che la temperatura media dell acqua non scenda al di sotto dei 4 C Gli additivi antigelo comunemente adotati sono il glicole etilenico C2Hs02 il glicole propileni C3Hg0O il cloruro di calcio CaCl e l alcool etilico C2H50H Il pi usato di questi il glicole propilenico preferito per le migliori propriet termo fisiche e per una maggior sicurezza dal punto di vista ambientale 62 A seconda delle temperature minime previste le soluzioni vengono preparate al 10 30 e hanno caratteristiche termiche che dipendono dalle concentrazioni del soluto e dalla temperatura A minore temperatura e maggiore concentrazione corrispondono una maggiore conducibilit termica negativa per lo scambio di calore e una maggiore densit del fluido negativa per la pompa di circolazione tubi delle diverse sonde vengono collegati in superficie ad un collettore che va collegato a sua volta ad una o pi pompe di calore Per distribuire il
102. rto derivante dal raffrescamento per riscaldare l acqua con evidente risparmio sui costi d esercizio In inverno invece una parte della potenza della pompa di calore deve essere usata per questa finalit Le prestazioni di un impianto con pompa di calore geotermica influenzata in modo determinante dalla qualit dell installazione tra cui la scelta della pompa per la 46 circolazione del fluido termovettore nei captatori la cui potenza va scelta in base alla lunghezza e alla forma dei captatori queste ultime determinano le perdite di carico nei captatori stessi A sua volta la lunghezza dei captatori si sceglie considerando il fabbisogno di riscaldamento dell edificio ed eventualmente anche quello di raffrescamento Talvolta esiste il pericolo di prelevare troppo calore con la conseguenza che il terreno pu subire un lento raffreddamento riducendo l efficienza della pompa di calore a causa della temperatura sempre pi bassa della sorgente fredda Se ci accade bisogna provvedere a rigenerare periodicamente il terreno restituendo durante la stagione calda almeno una parte del calore prelevato in inverno Sotto questo profilo sono ideali le pompe di calore reversibili anche se non sempre consentono una rigenerazione adeguata Nelle zone con clima rigido la stagione calda potrebbe essere troppo breve invece nelle zone con elevate temperature medie potrebbe accadere che la pompa di calore durante il funzionamento in raffr
103. sogna stabilire quali sono gli sgravi fiscali previsti dalla legge finanziaria per questo tipo di interventi ad alto risparmio energetico Tra i costi di installazione ci sono i costi dei ventilconvettori dei pannelli radianti della pompa di calore geotermica e degli scambiatori verticali orizzontali oppure acqua di falda Invece per i costi di esercizio si devono considerare i kWh elettrici consumati dalla pompa di calore geotermica e da quelle di circolazione e la manutenzione ordinaria e straordinaria L investimento iniziale di un installazione geotermica molto superiore rispetto ai sistemi tradizionali a gas in media 1 5 volte a parit di superficie Tuttavia gli impianti a pompa di calore geotermica consentono un risparmio nei costi di riscaldamento e negli oneri di manutenzione Inoltre se la pompa di calore reversibile un impianto geotermico effettua sia il riscaldamento nel periodo invernale sia il raffrescamento durante la stagione estiva In genere ammortamento della spesa iniziale sostenuta di circa 5 7 anni dopo i quali con una minima spesa in termini di elettricit sar possibile avere riscaldamento raffreddamento e acqua calda in ogni momento La spesa per la perforazione dipende in genere dai metri complessivi perforati a prescindere dal numero di perforazioni A seconda della difficolt del terreno da perforare in linea di massima i costi di perforazione variano tra i 50 e 60 m A seconda del
104. solito metano o GPL oppure di olio combustibile altrimenti pu trattarsi di calore residuo o calore ambiente 25 Nel ciclo a compressione meccanica prima descritto per produrre calore si sfrutta la diversa temperatura tra la fase di evaporazione e quella di condensazione del fluido alle diverse pressioni e per chiudere il ciclo necessaria la presenza di un dispositivo che provveda a riportare il fluido alla pressione pi alta del ciclo compito svolto dal compressore Nel caso di un ciclo ad assorbimento figura 2 4 il passaggio effettuato da un sistema composto da un assorbitore una elettropompa e un separatore in serie Il lavoro di compressione del fluido quindi ottenuto in questi 3 organi In queste macchine operano due sostanze in miscela binaria definite soluto fluido a pi alta tensione di vapore e solvente fluido a tensione di vapore pi bassa Questi fluidi devono essere completamente miscibili Beeur a gt Figura 2 3 Schema semplificato di una pompa di calore ad assorbimento sistemi ad assorbimento utilizzano dunque la capacit di liquidi e sali di assorbire il vapore del fluido operativo che scorre fra la zona di alta e la zona di bassa pressione Le sostanze maggiormente utilizzate in questi impianti sono e acqua come soluto o fluido frigorigeno e bromuro di litio come assorbente e ammoniaca fluido frigorigeno e acqua assorbente 26 Nell evaporatore il fluido frigorigeno evapora s
105. stimento pompa di calore 5 500 impianto sonde 11 500 collegamenti vari 3 300 deumidificatori 1 000 Totale 21 300 97 Per quanto riguarda i costi d esercizio per un impianto geotermico si considera l energia elettrica assorbita e il costo dell elettricit pari a 0 2 kWh Consumi e costi di esercizio consumi in riscaldamento 7885 16 5 1 557 3 kWhe costi riscaldamento 1557 3 x 0 2 311 46 consumi in raffrescamento 3091 11 4 59 673 44 kWhe costi raffrescamento 673 44 x 02 134 68 manutenzione 40 Totale 486 14 Questo totale risulta coerente con quello ipotizzato dal software GeoHeatCal Carico di Picco WI 7a lo ak Fabbisogno Energetico kWh 30861 COP EER Sistema 4 4 Fabbisogno Bice Rh Tonnellate Equiv Petrolio Fattore di Conversione dell Energia Hettrica 0 46 Fabb Energ Primario kWh 42852 Tonnellate Equiv di Petrolio Costi Costo dell Energia 6 kWh 0 2 Costi Stimati EPI Superficie Volume Utile Netta o m 2 m 3 100 Indice Prestaz Energ involucro icio e Fabbi i Caco e Fabbio ACS Emissioni Fattore di Emissione di CO2 kg KWh 0 531 Emissioni di C02 M Fattore di Emissione di NOx kg kWh 0 000321 Emissioni di NOx a Chiudi Figura 7 9 Consumi energetic ed emissioni 98 7 2 2 Ipotesi 2 Caldaia a condensazione gruppo frigo In alternativa alla pompa di calore geotermica si ipotizza di usare una
106. tali da soddisfare l intero fabbisogno termico dell abitazione produzione di acqua calda sanitaria fino ad una temperatura massima di 50 C per mezzo della medesima pompa di calore ottimizzazione dei consumi energetici mediante elettropompe di tipo elettroniche sul circuito di distribuzione lato impianto Questo comporta un aumento della potenza elettrica assorbita e quindi il COP del sistema si discoster dai valori nominali Mediante l utilizzo del software DesignBuilder si costruito un modello dell edificio per realizzare la simulazione energetica dinamica con il software EnergyPlus Quest ultimo calcola le dispersioni termiche determinando il fabbisogno energetico totale mensile e il valore di potenza di picco mensile richiesta per la climatizzazione da inserire nel programma GeoHeatCal utilizzato per il dimensionamento dei sistemi di sonde verticali 71 Si ipotizza che il fabbisogno d acqua calda sanitaria determini un incremento delle ore di funzionamento dell impianto come durata equivalente del carico di picco Questa assunzione non consente di considerare i differenti rendimenti della pompa di calore e per questo motivo si considera un valore di SPF inferiore a quello caratteristico per il tipo di pompa L edificio caratterizzato da una struttura portante in muratura in mattoni 25 9 cm con isolante interposto e copertura in latero cemento DesignBuilder casa2 dsb Layout Untitled Buildi
107. te l utilizzazione pu essere sostenuta per un periodo di tempo indefinito purch la risorsa si rigeneri ad una velocit maggiore di quanto non venga consumata 1 7 1 Esplorazione geotermica Per trovare le aree pi adatte allo sfruttamento delle risorse geotermiche si fanno delle indagini condotte sia in superficie sia nel sottosuolo Con questi si esaminano le condizioni termiche del sottosuolo in modo da localizzare i fenomeni geotermici identificando le loro caratteristiche geologiche idrogeologiche termiche e la capacit produttiva del sistema geotermico Una misura importante quella del gradiente geotermico in vari punti dell area cercando manifestazioni evidenti come fumarole e sorgenti termali La parte pi complessa dell esplorazione la localizzazione di un serbatoio in quanto richiede l integrazione dei risultati di tutte le indagini realizzate in precedenza geologiche vulcanologiche geochimiche e geofisiche L indagine del sottosuolo viene condotta poi realizzando un pozzo esplorativo che il l unico metodo capace di definire con certezza le caratteristiche di un serbatoio geotermico e di valutarne il potenziale 16 requisiti pi importanti per una buona risorsa geotermica possono essere riassunti nei seguenti punti e alta temperatura per una buona efficienza di conversione elettrica e grandi quantit di calore stoccato per garantire la longevit della risorsa e un basso rapporto tra quantit di
108. tica della pompa di calore REHAU Milano 2013 14 Brochure pompe geotermiche Una nuova generazione di pompe di calore NIBE Svezia 2009 107 15 AICARRJOURNAL N 15 Pompe di calore geotermiche prestazioni energetiche e costi 2012 16 H YANG P CUI Z FANG Vertical borehole ground coupled heat pumps a review of models and system Appl Energy 2010 17 Guida al geotermico Enel Green Power 2013 Siti Web 18 www cantiereverde net 19 www geotherm it 20 www iea org 21 www enea it 22 www unionegeotermica it 23 www thermogea it 108
109. tiche della tubazione e del fluido costituente lo scambiatore verticale sono state definite in base alle seguenti valutazioni diametri tali da determinare moto turbolento per massimizzare lo scambio termico doppia U in modo da consentire la continuit di esercizio in caso di occlusione di un ramo Tale tipologia di sonda ha minori diametri dei tubi con conseguente maggiore scambio termico per maggiore velocit e da maggiore superficie di scambio termico Si assume una disposizione distanziata delle sonde all interno del perforo attraverso l uso di distanziali miscela di glicole propilenico al 20 utilizzo di sonde PEX con temperature del fluido rientranti nel campo di applicazione Terreno Campo Sonde Tubo Fluido Tubo Diametro Nominale 32 del Tubo SRH Diam Estemo mm 32 Diam intemo mm 26 Tabelle Tubi Riscald Raffres Temp eso Ponpa rci 2 Soluzione glicole propilenico 20 Tabelle Fluidi gt Tipo PEXSDRII v Fluido Tabelle Grout _ Resistenza Pozzo Chiudi Figura 6 9 Sonda Terreno tubo fluido 78 Infine il software GHC restituisce i valori relativi al dimensionamento delle sonde e alle prestazione dell impianto considerato ottenendo 162 4 m di lunghezza per ogni sonda e COP del sistema pari a 3 5 Il valore di temperatura di penalizzazione che rappresenta il degrado medio della temperatura indisturbata del terreno dovuto al campo son
110. tive per l efficienza dell intero sistema invece per una 69 spaziatura tra sonde superiore a 15 m non si verificano effetti percettibili un distanziamento accettabile di 7 8 m In generale le lunghezze di dimensionamento delle sonde possono essere diminuite nei seguenti modi v alzando le temperature del fluido in ingresso alla pompa di calore in raffrescamento o abbassandole in riscaldamento v installando un sistema ibrido che compensi la differenza tra dimensionamento in riscaldamento e in raffrescamento v aumentando la distanza tra sonde e quindi riducendo l interferenza termica tra le sonde v variando i parametri che hanno effetto sulla resistenza termica del pozzo 70 6 Progettazione di un impianto geotermico a sonde verticali In questo capitolo si effettua il dimensionamento di un impianto geotermico a sonde verticali ad uso riscaldamento invernale a servizio di una unit immobiliare costituita da un edificio a due piani fuori terra a destinazione d uso di civile abitazione II dimensionamento dell impianto geotermico viene realizzato per lo stesso edificio ipotizzando due diverse localit una situata nel Nord d Italia e l altra nel Sud In particolare gli impianti saranno caratterizzati da DI produzione d acqua calda a temperatura massima di 35 C ad uso di riscaldamento per mezzo di pompa di calore a compressore di vapore con scambio evaporativo mediante scambiatori verticali geotermici
111. tura Viene quindi usata per esprimere il contenuto termico dei fluidi fornendo un idea approssimativa del loro valore per la futura potenziale utilizzazione e altaentalpia gt temperature superiori ai 150 C limite superiore per produrre elettricit con impianti tradizionali e mediaentalpia gt temperature comprese tra 90 e 150 C e bassaentalpia gt temperature al di sotto dei 90 C questo il limite per produrre elettricit con impianti a ciclo binario 15 L energia geotermica definita come rinnovabile e sostenibile Il termine rinnovabile riferito ad una propriet della sorgente di energia mentre sostenibile per l utilizzazione della risorsa Per poter classificare l energia geotermica come risorsa energetica rinnovabile necessario che la ricarica energetica avvenga attraverso la reiniezione di fluidi caldi al sistema contemporaneamente allo sfruttamento La ricarica di energia il fattore critico della rinnovabilit di una fonte energetica Nel caso delle rocce calde secche e di certi acquiferi caldi in bacini sedimentari la ricarica energetica avviene solo per conduzione termica a causa della lentezza di questo fenomeno le rocce calde secche ed alcuni serbatoi sedimentari dovrebbero essere considerati risorse energetiche limitate L utilizzazione sostenibile di una risorsa dipende dalla sua quantit iniziale dalla velocit con cui si rigenera e dalla velocit con cui si consuma Ovviamen
112. uesti sistemi presentano il serbatoio ubicato a grande profondit e sigillato da una copertura in questo sono contenuti fluidi formati in condizioni di pressioni e temperature molto elevate Per questo posseggono una densit energetica molto superiore a quella dei fluidi presenti nei sistemi idrotermali probabile che i sistemi idrotermali di temperature elevate sfumino in profondit verso serbatoi contenenti fluidi supercritici 1 7 Lerisorse geotermiche Risorse geotermiche sono genericamente chiamate quelle che pi precisamente dovrebbero essere chiamate risorse di base accessibili utili e cio quella parte delle risorse che potrebbe essere estratta economicamente in accordo con la legislazione locale in un periodo di tempo definito minore di 100 anni Esiste una parte delle risorse che stata individuata in una determinata area mediante esplorazioni geologiche geochimiche geofisiche o perforazioni queste risorse possono essere estratte legalmente ad un costo competitivo rispetto alle altre fonti commerciali di energia queste sono chiamate risorse economiche individuate riserve Le risorse geotermiche vengono in genere classificate in funzione dell entalpia dei fluidi che trasferiscono l energia termica dalle rocce calde profonde alla superficie L entalpia una grandezza fisica che misura la quantit di energia che un sistema pu scambiare con l ambiente ed tanto pi elevata quanto maggiore la tempera
113. usa in tutto il mondo La produzione di elettricit a Larderello fu oltre a un successo tecnico un successo commerciale Nel 1913 entr in servizio la prima vera centrale geotermoelettrica al mondo Larderello 1 con un gruppo a turbina da 250 kW che aliment tutti gli impianti chimici della regione e alcuni centri abitati Nel 1916 la potenza geotermoelettrica installata era gi pari a 12 MWe e nel 1943 prima delle distruzioni dovute agli eventi bellici aveva raggiunto 127 65 MWe Il successo italiano fu seguito da numerosi altri paesi che cominciarono a sfruttare l energia geotermica Cosi nel 1919 fu perforato il primo pozzo geotermico a Beppu in Giappone mentre nel 1921 negli Stati Uniti The Geysers in California Nel 1958 entr in esercizio un primo impianto geotermoelettrico in Nuova Zelanda in Messico nel 1959 negli Stati Uniti nel 1960 e negli anni seguenti in molti altri paesi 1 3 Utilizzazione attuale dell energia geotermica Dopo la Seconda Guerra Mondiale molti paesi considerarono competitiva l energia geotermica per la produzione di energia elettrica energia geotermoelettrica e cominciarono a preferirla rispetto ad altre forme di energia Alla fine del 2009 la capacit mondiale di energia geotermica installata stata di circa 10 7 GWe per la generazione di elettricit e 50 6 GWth per uso diretto Con la produzione di circa 67 2 TWh di energia elettrica di base con i fattori tipici di capacit del 75 e
114. ut 1 Jan 31 Dec Ansual Evaluation Room Electricity kWh Radiant Temperature C Operative Temperature FC Outside Dry Bulb Temperature C External Infiltration kWh General Lighting kWh Computer Equip kWh Occupancy kWh Solar Gains Exterior Windows kWh Zone Sensible Heating kWh Zone Sensible Cooling kWh Sensible Cooling kWh Total Cooling kWh Zane Heating kWh ich Yent Nat Vent Infiltration ach Figura 7 4 Fabbisogni energetic annuali mapsa m TES Ose aN Oyy VLURUTPSU Usd DUSUER 3 en 3 Dec Morthty Figura 7 5 Temperature e fabbisogni energetici mensili 94 7 2 1 Ipotesi 1 pompa di calore geotermica con sonde verticali Riscaldamento Raffrescamento Mese Totale Picco Fatt Car Totale Picco Fatt Car Mensile kWh Mensile kW Mensile Mensile kWh Mensile kW Mensile Gennaio 2078 6 72 Di o gq Febbraio 1510 9 7 15 0 o 0 Marzo 829 38 67 0 a Aprile 161 78 59 M case Maggo 14 07 53 0 004 1334 345 Giugno 0 o g 661 47 73 Luglio 0 9 10795 76 Agosto 0 a 26 78 Settembre 287 0 25 26881 57 Ottobre 1894 62 0041 0 16 001 Novembre 1160 67 i ea ia I fi us Dicembre 1937 13 0 o _0 78848 aa _3086 08 a TOTALE TOTALE Durata Equivalente del Carico di Picco Riscaldamento ore 1095 1 Raffrescamento ore 395 65 Figura 7 6 Finestra carichi mensili inseriti nel GHC Il picco di richiesta di riscaldamento durante la stagione invernale
115. valori relativi al dimensionamento delle sonde e alle prestazione dell impianto considerato ottenendo 137 1 m di lunghezza per ogni sonda e COP del sistema pari a 3 5 Il valore di temperatura di penalizzazione risulta molto inferiore rispetto al caso precedente considerando sempre un periodo di dimensionamento di 10 anni 85 Lungh Totale m Lungh Sing Sonda m Numero Sonde Temperatura Ingresso Pompa di Calore C Temperatura Uscita Pompa di Calore C AT Ingresso Uscita Pompa di Calore C Carico di Picco kW Potenza Sistema Ausiliario kW Percentuale Sistema Ausiliario Potenza Term Effettiva Pompa di Calore kW Potenza Term Nominale Pompa di Calore kW Fattore di Carico Parziale Potenza Term Prelevata Riversata Tereno kW Potenza Hett Effettiva Pompa di Calore kW Potenza Bett Nominale Pompa di Calore kW COP EER Nominale Pompa di Calore SPF ESEER Pompa di Calore Potenze Hettriche Addizionali kW COP EER Sistema Portata Circuito Primario l s Portata per Sonda l s Regime di Ausso Figura 6 19 Risultati Distanziamento m Lunghezza campo sonde m Temperatura di penalizzazione C 6 138 5 0 2 8 137 1 0 09 10 136 4 0 04 Tabella 6 2 86 7 Analisi costi benefici Il costo complessivo di un impianto geotermico per la climatizzazione di edifici quantificabile stabilendo quali sono i costi d installazione e di esercizio e inoltre bi
116. zione 5 6 7 la soluzione arricchita di ammoniaca viene riportata verso il generatore per mezzo di una elettropompa Durante il percorso verso il generatore viene effettuato il recupero di calore attraverso uno scambiatore rigenerativo che provvede a rialzare la pressione della soluzione ricca di ammoniaca Con la pompa di calore ad assorbimento ad ammoniaca possibile scendere sotto lo zero centigrado all interno dell ambiente da raffreddare a spese di una maggiore complessit della macchina rispetto ad un assorbitore a bromuro di litio Inoltre pu utilizzare come bacino termico l aria esterna consentendo di evitare le torri evaporative nel funzionamento in raffrescamento necessarie per le macchine a bromuro di litio 2 4 Prestazioni delle pompe di calore 2 4 1 COP L efficienza energetica delle pompe di calore quando funzionano in riscaldamento si esprime con il coefficiente di prestazione COP Coefficient Of Performance definito come rapporto tra la potenza termica fornita dalla pompa e la potenza spesa per farla funzionare Per una pompa a compressione meccanica il COP identifica il rapporto fra il calore fornito dalla pompa di calore stessa kW e il lavoro fornito dal compressore grazie alla potenza elettrica che esso assorbe kW IQcl_ __1 cl COP SS M nee leone Oad Og 31 Dove Qc il calore scambiato al condensatore kJ kg Lcomp il lavoro elettrico esterno di compressione Q il calore sc
117. zzo dovuta ad un impulso termico annuale in m K W Egg fattore di cortocircuito dovuto all interferenza termica tra lo stelo in andata e in ritorno In queste equazioni il processo di trasferimento del calore viene analizzato in due regioni separate Una regione di terreno attorno al pozzo processo transitorio e l altra regione dentro al pozzo che contiene il materiale di riempimento le sonde verticali e il fluido termovettore processo stazionario Per questo si calcolano due tipi di resistenze termiche una resistenza del terreno associata agli impulsi temporali di calore nel terreno e una resistenza di pozzo riferita alla resistenza cumulativa del fluido vettore dei tubi e del materiale di riempimento del pozzo La resistenza termica del terreno per unit di lunghezza viene calcolata in funzione del periodo di tempo in cui un impulso di calore viene applicato Si considerano tre diversi impulsi di calore relativi ai flussi termici annuali netti qa ai flussi termici mensili durante il mese di progetto qp FCP e ai flussi massimi di calore durante brevi periodi 67 di tempo qp Il calcolo di questi impulsi permette di ricavare le resistenze termiche associate rappresentate da Ra Rm e Rg Il carico termico medio annuo assorbito o ceduto dal terreno si calcola qpe Ce OEC dpf Cy OEC de 8760 dove OEC e OEC sono le ore equivalenti del carico di picco per il riscaldamento e il raffredda

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