Geotermico
La geotermia è una disciplina che studia l'insieme dei fenomeni naturali coinvolti nella produzione e nel trasferimento di calore proveniente dall'interno della Terra.
L'energia geotermica è una forma di energia sfruttabile che deriva dal calore presente negli strati più profondi della crosta terrestre,infatti penetrando in profondità nella superficie terrestre, la temperatura diventa gradualmente più elevata, un fenomeno causato dai fenomeni vulcanici o tettonici. In queste zone "calde" l'energia può essere facilmente recuperata mediante la geotermia. Ne consegue che a pochi metri di profondità dalla superficie terrestre il terreno mantiene una temperatura quasi costante tutto l'anno.
Lo sfruttamento delle risorse geotermiche ad alta temperatura è il più conosciuto e consiste nella produzione di energia elettrica attraverso turbine alimentate con fluidi ad alta temperatura e pressione. L’Italia ha un’antica tradizione in questo campo e costruisce impianti all’avanguardia
Tipologie:
A temperature più basse (media entalpia per temperature comprese tra 90° e 150°,) il calore può essere sfruttato in maniera diretta per la produzione di energia termica (riscaldamento di edifici, serre, processi industriali, etc.).
Per loro natura, questo tipo di applicazioni ad alta e media entalpia sono attuabili solamente in alcune zone specifiche dove, a causa di anomalie geotermiche, fluidi ad alta temperatura sono disponibili a profondità accessibili.
In assenza di tali anomalie è invece possibile estrarre il calore dalla terra attraverso pompe di calore geotermiche: si tratta della “geotermia a bassa entalpia al di sotto dei 90° ” la cui applicazione principale consiste nel riscaldamento e raffrescamento di edifici e nella produzione di acqua calda sanitaria ad uso residenziale o anche industriale per processi a bassa temperatura (es: serre, ittiocolture).
Diversamente dai casi precedenti, la geotermia a bassa entalpia è praticabile ovunque, a qualsiasi latitudine e su quasi tutti i tipi di terreno
Applicazioni:
La geotermia ha assunto maggior rilievo adattandosi a piccole applicazioni di riscaldamento e raffrescamento degli edifici.
Questo ci permette di estrarre calore d'inverno per riscaldare l'ambiente e di cedere calore durante l'estate per raffrescare lo stesso ambiente
La possibilità di produrre, oltre che acqua calda per il riscaldamento invernale e per gli usi sanitari, anche acqua fredda per raffrescare durante l’estate, rende gli impianti geotermici l’alternativa ideale ai tradizionali impianti.
Il grande vantaggio deriva dal fatto che un sistema geotermico racchiude in un unico impianto le stesse funzioni normalmente demandate a due diversi apparecchi, cioè caldaie e condizionatori.
E' comunque consigliato installare l’impianto in fase di ristrutturazione dell’edificio e dell’impianto termico, approfittando così dei lavori in corso per riqualificare complessivamente l’intero edificio dal punto di vista energetico.
Tenendo conto di fattori quali il luogo di installazione, l’esposizione e la natura del terreno, le caratteristiche dell’abitazione e la soluzione tecnologica scelta, la superficie esterna necessaria deve corrispondere a una percentuale tra il 100% e il 150% della superficie da scaldare.
Uno studio preliminare permette di calcolare con esattezza la superficie richiesta per ogni installazione.
Le sonde sono interrate ad una profondità di circa 60 cm, in un terreno che favorisce la trasmissione del calore e a una distanza minima di 40 cm (per aumentare la resa). In alcuni casi, quando la superficie del terreno è insufficiente per effettuare la posa orizzontale delle sonde, è possibile utilizzare sonde verticali con profondità tra i 60 e i 100 metri. Tuttavia, questa soluzione impiantistica comporta maggiori complicazioni poichè richiede una perizia geologica preliminare, nonché l’osservanza delle procedure amministrative vigenti in materia di salvaguardia del sottosuolo.
Principio di funzionamento:
Tutto il sistema funziona grazie all’uso di un semplice circuito di prelievo del calore inserito nel terreno e ad una pompa di calore. Il circuito di scambio di calore fra edificio e sottosuolo avviene per mezzo di uno scambiatore immerso nel terreno. Tale scambiatore consiste in un tubo di andata ed uno di ritorno, inseriti in un foro verticale di una lunghezza generalmente compresa tra 70 e 120 m, praticato nel terreno circostante l’abitazione. La realizzazione del sistema di scambio prevede l’inserimento di tubi in polietilene collegati con un raccordo a U alla loro estremità inferiore. All’interno dei tubi, che costituiscono un circuito chiuso, viene fatto circolare un fluido termovettore che è il mezzo fisico attraverso cui avviene lo scambio di calore. Durante un ciclo di riscaldamento invernale il liquido scende a bassa temperatura (intorno allo zero) in uno dei due tubi, per risalire nell’altro riscaldato dal calore del suolo. Questo semplice sistema di captazione viene chiamato sonda geotermica.
Il solo calore estratto dal sottosuolo è insufficiente a riscaldare un edificio ed il liquido deve essere quindi convogliato ad una pompa di calore che ne innalza la temperatura per poterlo infine trasferire ai terminali: termoconvettori, piastre o pannelli radianti.
Soluzioni:
Negli impianti di geotermia domestica si hanno due possibili soluzioni per la posa delle sonde geotermiche o dei sensori necessari a prelevare il calore dal terreno: sonde verticali o sensori orizzontali.
Orizzontale:
La soluzione orizzontale è quella più economica, facile da installare e la più diffusa.
Prevede la posa di sensori geotermici composti da tubi in polietilene ad alta densità o tubi di rame con guaina in polietilene anti corrosione nei quali circola rispettivamente acqua glicolata o fluido frigorifero e che vengono interrati ad una profondità di circa 60 cm.
A titolo di esempio per una casa di 100 sono necessari circa 120m2 150m2 di superficie di captazione. La posa dei sensori geotermici non altera in alcun modo la natura del terreno del vostro giardino
Verticale:
Per coloro che desiderano installare un sistema geotermico ma non hanno a disposizione una superficie sufficiente per la posa dei sensori, esiste la soluzione verticale. Una sonda geotermica verticale è costituita da una coppia di tubi a U in polietilene nei quali circola acqua con antigelo non tossico e che vengono calati in pozzi che vanno dai 70 ai 100 m di profondità.
I componenti dell'impianto:
Un impianto geotermico è costituito da 3 elementi fondamentali:
un sistema di captazione del calore;
una pompa di calore elettrica;
un sistema di accumulo e di distribuzione del calore.
Sistema di captazione del calore:
Parte essenziale di un impianto geotermico è rappresentato dal sistema di captazione del calore. Tale elemento permette al calore di passare da uno stato di dispersione all'interno del terreno o della falda acquifera ad uno stato più concentrato, e quindi utile, all'interno dell'impianto di climatizzazione.
Le sonde di captazione geotermica sono generalmente in materiale plastico (polietilene) o in rame. Hanno diametro di pochi centimetri (3-4 cm) e sono inserite nel terreno in prossimità dell'edificio formando un circuito nel quale scorre il fluido termovettore che scambia calore con il terreno; la disposizione ed il numero di sonde variano in funzione dell'energia termica richiesta, delle caratteristiche del terreno e del fluido termovettore utilizzato.
Le tubature possono essere interrate verticalmente nel terreno fino a grandi profondità, 70-130 metri (sonde geotermiche verticali), oppure orizzontalmente a 1-3 metri di profondità (sonde o collettori orizzontali).
I tubi affondati verticalmente nel terreno possono avere varie sezioni trasversali: singolo o doppio tubo ad U, tubi coassiali semplici o complessi. La scelta degli scambiatori ad U risulta essere la scelta adottata nella maggior parte dei casi, in quanto se ben dimensionata è il sistema a più elevata affidabilità.
Nelle configurazioni a sviluppo orizzontale, si possono avere circuiti ad anello chiuso o aperto, a serpentina, a spirale. Un impianto a sonde orizzontali è di più facile posa in alcune condizioni (edificazioni e/o sbanchi terra per altri scopi), risente dell'influenza stagionale dell'apporto solare ed ha bisogno di un'area più ampia per la posa in opera delle sonde rispetto agli impianti a sonde verticali.
Il fluido termovettore che scorre all'interno delle sonde può essere costituito da acqua semplice o da glicole etilenico (miscela di acqua e anticongelante non tossico). In questo secondo caso si può far circolare il fluido a temperature inferiori a 0°C, con il vantaggio di avere un flusso termico più elevato.
In alternativa, alcune soluzioni impiantistiche (impianti ad espansione diretta) prevedono la circolazione diretta nelle sonde del fluido refrigerante della pompa di calore (gas della famiglia degli idro-fluoro-carburi utilizzati anche nei sistemi a pompa di calore tradizionali tipo split).
I tubi delle sonde sono collegati in superficie ad un apposito collettore connesso alla pompa di calore, installata all'interno dell'edificio.
Pompa di calore
Le pompe di calore sono sistemi in grado di trasferire calore da una sorgente più fredda ad una più calda, quindi in direzione contraria a quella naturale.
Si tratta del medesimo principio di funzionamento dei condizionatori d'aria e in genere delle macchine frigorifere.
La maggior parte delle pompe di calore sono di tipo "reversibile": il loro funzionamento può essere invertito, potendo operare alternativamente come unità riscaldanti o raffreddanti.
La caratteristica peculiare delle pompe di calore geotermiche è quella di sfruttare come sorgente il terreno o l'acqua (di lago, di fiume o di falda) per riscaldare e raffrescare gli edifici, in maniera conveniente e sostenibile.
Poiché raramente si ha a disposizione un lago o un fiume (e le falde possono essere a grande profondità), il terreno è la sorgente più frequentemente utilizzata negli impianti geotermici disponibile ovunque e con una energia termica praticamente inesauribile.
L'utilizzo del terreno come sorgente presenta inoltre il vantaggio di avere una temperatura pressoché costante nel corso dell'anno, assicurando un migliore rendimento del sistema.
La differenza di temperatura tra sorgente termica e ambiente da riscaldare/raffrescare è il parametro che influisce maggiormente sui rendimenti delle pompe di calore. Per questo motivo, le pompe di calore geotermiche risultano essere mediamente più efficienti rispetto a quelle ad aria, soprattutto per impianti che captano il calore a profondità superiori ai 15-20 metri.
L'efficienza di una pompa di calore è rappresentata dal coefficiente di prestazione COP (Coefficient of Performance), inteso come rapporto tra l'energia termica resa all'ambiente da riscaldare e l'energia elettrica consumata perché possa avvenire il trasporto di calore medesimo.
Ad esempio, per una pompa di calore con COP pari a 4, spendendo 1 kWh elettrico per l'azionamento dell'impianto si ottengono almeno 4 kWh termici per l'utenza; gli altri 3 kWh, ovvero il 75% del fabbisogno termico, vengono prelevati dal sottosuolo.
Le pompe di calore geotermiche accoppiate a sonde verticali o a collettori orizzontali hanno un COP (Coefficiente di prestazione in fase di riscaldamento) variabile tra 4 e 4,9; quelle funzionanti con acqua sotterranea o a sistema aperto hanno un COP tra 3,6 e 5,2.
Sistema di accumulo e distribuzione del calore
Gli impianti geotermici sono particolarmente adatti per lavorare con terminali di riscaldamento/raffrescamento funzionanti a basse temperature (30-50°C) come ad esempio i pannelli radianti a pavimento e i ventilcovettori.
In particolare i pannelli radianti sono la situazione ideale, poiché in inverno fanno circolare acqua calda a 30-35°C e in estate acqua fredda a 18-20°C, riscaldando e raffrescando con il massimo grado di comfort e risparmio energetico.
I tradizionali radiatori risultano in genere poco efficienti per riscaldare gli ambienti e assolutamente inadatti per raffrescarli. Inoltre, la presenza di un serbatoio di accumulo per l'acqua calda risulta indispensabile per immagazzinare il calore e quindi distribuirlo all'edificio, sia per il riscaldamento che per gli usi sanitari, quando vi è richiesta.
Tutti i vantaggi di un impianto geotermico
• si tratta di energia termica gratuita (eccettuato il consumo elettrico della pompa di calore) e indipendente dalle temperature esterne, che assicura un funzionamento dell’impianto per 365 giorni l’anno
• i costi di esercizio sono inferiori di circa il 60% rispetto a un sistema di riscaldamento con caldaia a metano
• un unico sistema permette sia di riscaldare che di raffrescare l’edificio, eliminando i costi elevati per il condizionamento estivo
• contribuisce alla riduzione delle emissioni di inquinanti e di CO2 in atmosfera
• non inquina i terreni, poiché all’interno delle sonde geotermiche circolano liquidi frigoriferi antigelo completamente atossici
• la pompa di calore geotermica è una macchina estremamente silenziosa, alla pari ad esempio di un frigorifero
• l’assenza di processi di combustione e di canne fumarie riduce al minimo la necessità di interventi di manutenzione
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