Come funzionano gli scambiatori di calore geotermici

Come
funzionano
scambiatori
di
geotermici verticali
gli
calore
Gli scambiatori di calore geotermici verticali hanno
scambiatori di calore che si sviluppano in profondità nel
terreno. Ecco come funzionano
Gli scambiatori di calore geotermici verticali sono, tra i
sistemi geotermici a bassa temperatura, un interessante
sistema che utilizza come sorgente di energia il terreno,
fonte in grado di rinnovarsi e ricaricarsi, con i dovuti
accorgimenti.
Gli scambiatori di calore geotermici verticali hanno
scambiatori di calore che si sviluppano in profondità nel
terreno.
Rispetto agli scambiatori geotermici orizzontali offrono rese
superiori ma hanno anche costi maggiori.
Gli elementi possono raggiungere lunghezze variabili tra 10 e
20 m, nel caso dei pali energetici, e tra 100 e 120 m, nel
caso delle sonde geotermiche. Vediamo più nel dettaglio.
Le sonde geotermiche
Le sonde geotermiche sono costituite da tubazioni, calate in
una perforazione verticale, nelle quali scorre un fluido
termovettore che consente il trasferimento dell’energia dal
terreno alle pompe di calore dell’impianto.
Nella singola perforazione, lo scambiatore può essere
costituito da una sola tubazione sagomata a U oppure anche a
doppia U.
Parte terminale di una sonda geotermica a doppia U verticale
in polietilene
Talvolta vengono utilizzati scambiatori di calore geotermici
realizzati con tubi concentrici, dove il flusso del fluido
termovettore in mandata alle sonde avviene nel tubo centrale,
mentre il flusso di ritorno avviene nella corona circolare
esterna al tubo centrale. Generalmente questa tipologia di
sonda geotermica viene realizzata con tubazioni esterne aventi
un diametro di 50 mm e tubazioni interne aventi diametro di 32
mm.
Solitamente le tubazioni utilizzate sono in materiale
plastico, polietilene PEAD oppure anche in PE-X. Il PE-X è
consigliato soprattutto quando sono necessarie prestazioni di
elevata resistenza alle alte pressioni e temperature (oltre i
40÷45 °C).
Il diametro dei condotti varia tra 32 mm e 40 mm ed è scelto
considerando l’esigenza di mantenere un flusso turbolento
all’interno dei condotti per massimizzare la capacità di
scambio termico della sonda.
I pali energetici
Dove sono previsti, possono essere utilizzati anche i pali di
fondazione delle strutture edili per realizzare scambiatori di
calore geotermici. In questo caso lo scambiatore di calore
geotermico prende il nome di palo energetico.
Le tipologie di pali energetici realizzabili sono in sintesi
due:
pali prefabbricati detti anche pali battuti
pali colati sul posto
Palo energetico colato sul posto
L’impiego di pali prefabbricati poi infissi nel terreno
presuppone che essi siano di tipo cavo, tali cioè da
permettere il posizionamento di tubazioni in materiale
plastico dopo l’inserimento del palo stesso nel terreno. Le
tubazioni inserite nei pali prefabbricati devono possibilmente
essere poste a contatto con la parete interna del palo ed
essere equamente distribuite sulla superficie dello stesso. Il
palo prefabbricato viene poi completato con un riempimento di
ghiaia satura al fine di migliorare il trasferimento del
calore nel terreno.
I pali colati sul posto invece sono realizzati mediante la
sistemazione delle tubazioni dello scambiatore di calore
direttamente sull’armatura metallica del palo prima
dell’inserimento dell’armatura stessa nella perforazione. I
tubi vengono distribuiti uniformemente sulla superficie
interna dell’armatura metallica e fissati in modo opportuno.
Dopo l’inserimento nel terreno viene inserito il calcestruzzo
nel perforo, per il completamento del palo. Le tubazioni
utilizzate sono generalmente in polietilene PEAD di diametro
20÷25 mm. Generalmente non devono essere previsti eccessivi
sovraccarichi termici del palo e devono essere evitati sia il
gelo che l’eccessivo surriscaldamento: in inverno non si deve
immettere il fluido termovettore a temperature inferiori a 0
°C, mentre in estate non si devono superare i valori di 40÷50
°C.
Sinergia nel sistema: pali energetici e sonde
I limiti, sia inferiori che superiori, sulle temperature
condizionano la capacità di prelievo o di immissione
dell’energia termica nel terreno diminuendola e, in molti
casi, provocano l’insufficienza del sistema rispetto al
fabbisogno energetico dell’edificio.
I pali energetici possono considerarsi quindi come ottimi
sistemi di integrazione alle sonde geotermiche verticali,
utili per contenere i costi di realizzazione del sistema
geotermico.
Progettazione dell’impianto e bilanciamento dei flussi
Vista l’esiguità del flusso geotermico rispetto alle esigenze
degli impianti di climatizzazione, sorgono alcune questioni di
tipo energetico e ambientale che vanno affrontate dai
progettisti.
L’eccessivo
raffreddamento
(in
inverno)
o
l’eccessivo
riscaldamento (in estate) del terreno in cui è installato
l’impianto geotermico portano all’impoverimento termico del
terreno stesso e quindi alla diminuzione delle prestazioni
dell’impianto, producendo anche un impatto ambientale
negativo.
Innanzitutto è utile − e in certi casi anche necessario −
realizzare impianti a doppia funzione, ovvero in grado di
riscaldare l’edificio in inverno e condizionarlo in estate.
Tale doppio servizio consente di utilizzare il terreno come
sorgente fredda in inverno impoverendolo progressivamente dal
punto di vista termico, mentre nella stagione estiva
l’impianto di scambio geotermico verrà utilizzato come sistema
di smaltimento del calore sottratto agli ambienti
climatizzati, ripristinando così lo stato termico originario
degli strati di roccia e terreno. A livello progettuale si
dovrà bilanciare il flusso estrattivo invernale con quello di
reimmissione dell’energia in estate, onde evitare che uno dei
due prevalga sull’altro.
Il bilanciamento tra i due flussi può essere ottenuto anche
adottando sistemi integrativi per le condizioni di picco,
installando quindi caldaie oppure refrigeratori aria-acqua,
così da alleggerire il flusso che risulta prevalente.
È utile notare che l’energia immessa in estate nel terreno non
è computabile come rinnovabile, quindi può essere molto utile
adottare refrigeratori aria-acqua per coprire una parte del
fabbisogno frigorifero dell’edificio e bilanciare così i
flussi energetici entranti nel terreno con quelli estratti in
inverno.
Altro accorgimento è la scelta opportuna della profondità
degli scambiatori di calore geotermici, allo scopo di ridurre
l’impoverimento invernale del sottosuolo o l’eccessivo
surriscaldamento estivo dello stesso.
In ultimo occorre considerare anche la densità di scambiatori
di calore geotermici nell’impianto o la vicinanza a impianti
attigui. L’eccessiva vicinanza provoca interferenze tra i
diversi pozzi e un’accelerazione dell’impoverimento o del
surriscaldamento del sottosuolo.
Infine, durante la fase di realizzazione degli scambiatori di
calore verticali, sovente capita di attraversare delle falde
acquifere. Tale evenienza porta con sé la necessità di
realizzare i perfori in modo opportuno e affidandosi a
personale altamente qualificato, allo scopo di garantire
impatti ambientali neutri. Il rischio principale deriva dalla
possibilità che differenti falde intercettate dal perforo si
vedano messe in comunicazione tra loro e i rispettivi flussi
d’acqua vengano a mescolarsi. A questo scopo esistono e devono
essere utilizzate tecniche di perforazione progettate ad hoc e
si deve terminare la realizzazione della sonda geotermica
mediante sigillatura del perforo al termine dell’inserimento
dei condotti dello scambiatore di calore stesso.
Relativamente alle falde acquifere, si fa presente che un
interessante approfondimento sui sistemi geotermici a bassa
temperatura riguarda i sistemi di scambio con acqua di falda.
Gli scambiatori di calore geotermici verticali possono inoltre
associarsi a sistemi con scambiatori orizzontali in modo da
trovare una reciproca compensazione.
L’autore
Massimo Ghisleni
Diplomato in termotecnica, ha frequentato il corso ufficiali
del Genio Navale presso l’Accademia Navale di Livorno nel
1990. Dal 2004 collabora con Robur S.p.A. come esperto di
applicazioni impiantistiche basate sull’impiego di pompe di
calore. Dal 2007 è responsabile dell’ufficio tecnico
commerciale e coordina l’attività di cinque ingegneri.
Collabora alla stesura di importanti norme tecniche operando
attivamente presso il Comitato Termotecnico Italiano. Fa parte
di diversi comitati scientifici di riviste o per
l’organizzazione di conferenze; collabora con continuità con
la rivista “RCI” dell’editore Tecniche Nuove. Collabora in
qualità di docente con il Dipartimento di Energetica
dell’Università di Genova, per seminari e corsi di formazione
post-laurea.
Riferimenti Editoriali
Edifici a elevate prestazioni energetiche
e acustiche. Energy management
Un’opera che vuole dare risposte pratiche a professionisti,
tecnici e manager d’azienda e tecnici delle pubbliche
amministrazioni sul tema dell’aggiornamento tecnologico al
servizio di un’edilizia sempre più efficiente.
Autore: Carotti Attilio
•
Anno: 2014
•
Editore: Wolters Kluwer Italia
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