Lezione 2 - Aspetti tecnici e
procedure che interessano lo
sviluppo
di un progetto con energia
geotermica a bassa entalpia
CONTENUTI
2.1 - Classificazione dei sistemi geotermici
2.2 - Scambio
termico
nel
sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
2.3 - Integrazione degli impianti negli edifici
Classificazione dei sistemi geotermici
Si presentano i diversi tipi di sistemi geotermici a
bassa entalpia
si parla dei concetti di pompa di calore a fonte
geotermica, o geotermiche tout court (GSHP) e di
stoccaggio di energia termica nel sottosuolo (UTES).
Si accenna alle possibili opzioni per accoppiare i
sistemi al sottosuolo evidenziando I vantaggi e gli
svantaggi sia dei sistemi a circuito chiuso con sonde
geotermiche (Borehole Heat Exchangers, BHE o
GCHPS) e dei sistemi a circuito aperto con pozzi
per acqua (GWCHPS).
Classificazione dei sistemi geotermici
Le diverse tipologie per scambiare calore col terreno
comprendono:
Spire 1.2 - 2.0 m di profondità (circuti a sviluppo orizzontale)
Sonde 10 - 250 m di profondità (circuiti a sviluppo verticale)
Pali e diaframmi 5 - 45 m di profondità
Pozzi per acqua 4 - >50 m di profondità
Estrazione di acqua da gallerie e miniere.
I metodi che usano uno scambiatore di calore inserito nel terreno sono
detti ‘sistemi chiusi’ mentre quelli che estraggono acqua sotterranea
con lo scambiatore di calore (per esempio l’evaporatore) in superficie
sono chiamati ‘circuiti aperti’.
Classificazione dei sistemi geotermici
Le diverse tipologie per scambiare calore col terreno comprendono:
Spire 1.2 - 2.0 m di profondità (circuti a sviluppo orizzontale)
Classificazione dei sistemi geotermici
Le diverse tipologie per scambiare calore col terreno comprendono:
Sonde 10 - 250 m di profondità (circuiti a sviluppo verticale)
Classificazione dei sistemi geotermici
Le diverse tipologie per scambiare calore col terreno comprendono:
Pali e diaframmi 5 - 45 m di profondità
Classificazione dei sistemi geotermici
Le diverse tipologie per scambiare calore col terreno comprendono:
Pozzi per acqua 4 - >50 m di profondità
Estrazione di acqua da gallerie e miniere.
Classificazione dei sistemi geotermici
Per usare la fonte di calore a temperatrura bassa e costante nel
terreno, ci sono due opzioni:
Portare la temperatura originale
del serbatoio geotermico a un
determinato valore per mezzo
di pompe di calore (Ground
Source Heat Pumps, GSHP),
aumentandola o diminuendola.
Aumentare o diminuire la
temperatura del serbatoio
geotermico immagazzinandovi o
estrando calore (Underground
Thermal Energy Storage, UTES).
Classificazione dei sistemi geotermici
Pompa di calore geotermica (GSHP) e stoccaggio di energia termica nel
sottosuolo (UTES).
Principali vantaggi e svantaggi dei sistemi a circuito chiuso e a circuito aperto
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
La differenza principale tra impianti H&C convenzionali e impianti geotermici
consiste nell’uso del sottosuolo come fonte o magazzino di calore.
Perciò è necessaria un’adeguata conoscenza delle condizioni geologiche
del contesto in cui si realizza l’impianto geotermico e delle modalità
d’integrazione dei parametri termici del sottosuolo nel processo di
progettazione in quanto fondamentali per il successo dell’operazione.
Si presentano i concetti di base sullo scambio di calore nel sottosuolo e
si fa cenno a metodi e tecniche per la caratterizzazone del serbatoio.
I sistemi geotermici a bassa entalpia sono in maggior parte alimentati con
sonde o con pozzi, di cui si descrivono le principali caratteristiche e
tipologie.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
SCAMBIO DI CALORE NEL SOTTOSUOLO
Esistono tre modi possibili di scambiare calore:
per Conduzione
per Convezione
per Radiazione.
Ai fini pratici all’interno del terreno e delle rocce la radiazione di calore è
trascurabile. Quindi si considerano solo Conduzione e Convezione come
meccanismi di trasporto.
Spesso lo scambio di calore effettivo nel sottosuolo avviene per effetto di
entrambi i meccanismi per quote variabili dell’uno o dell’altro a seconda della
presenza e delle condizioni di moto dell’acqua nella matrice solida. Nelle rocce non
porose, ad esempio, lo scambio avviene solo per conduzione.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
STRUTTURA IDROGEOLOGICA
organizzata e descritta come Modello Concettuale secondo Direttiva 2006/118/EC su protezione
acque sotterranee dall’inquinamento e dal deterioramento, recepita con D. Lgs. 16 marzo 2009,
n. 30 (art. 1 c.1 e Allegato 1)
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA
Avere una adeguata comprensione della struttura geologica
geological è indispensabile nel percorso di progettazione di un
sistema geotermico a bassa temepratura.
Al confronto con un impianto HC tradizionale l’elemento in
più da considerare per produrre energia termica è il
sottosuolo.
Per questo motivo quando si progetta un impianto
geotermico, per decidere quanti scambiatori o quanti pozzi
realizzare, come disporli, che dimensioni dargli bisogna
conoscere le caratteristiche del sottosuolo, soprattutto nei
progetti di impianti geotermici di medie e grandi dimensioni.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
CARATTERISTICHE TERMICHE DEL TERRENO
La capacità del terreno di ricevere e cedere calore dipende da alcuni fattori principali:
la presenza di quarzo nel terreno, in quanto incrementa la sua conducibilità termica
la densità del terreno: tanto più è denso quanto meno è interrssato da vuoti e dalla presenza di
aria, il che migliora conducibilità e diffusività termica
il contenuto di acqua, che migliora la trasmissione di calore anche in assenza di moto in quanto
colma almeno parzialmente I vuoti ed aumenta la conducibilità termica.
Pertanto bisogna conoscere
•
temperatura indisturbata del terreno e sue oscillazioni
•
capacità termica volumetrica e umidità del terreno
•
conducibilità termica del terreno interessato dallo scambio
•
risposta che il terreno dà sotto sollecitazione termica
•
presenza e consistenza di una falda idrica sotterranea.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA - FORO PILOTA
Nel caso dei sistemi geotermici con sonde a sviluppo verticale, per
avere una buona caratterizzazione termica di un sito è bene eseguire
un foro pilota.
La sua esecuzione sotto adeguata supervisione geologica dà tutte le
informazioni utili alla progettazione:
Stratigrafia del terreno
Parametri di tessitura, granulometria, contenuto d’acqua
Presenza di aquiferi
Caratteri quantitativi e qualitativi delle falde
etc.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
FORO PILOTA
Diametri
Necessità rivestimento foro
Velocità perforazione
Costi perforazione
Sonda per Thermal Response Test (TRT)
Indagini geognostiche accessorie in relazione alla complessità del
caso.
Va detto che spesso l’esperienza dei professionisti e degli operatori
specializzati può coprire l’esigenza di alcuni approfondimenti.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
SONDE GEOTERMICHE
La configurazione delle sonde geotermiche può essere classificata in base al modo in
cui avviene lo scambio di calore osservandone la geometria in sezione.
I due tipi principali sono a forma di U (singola o doppia) e coassiale.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
POZZI PER ACQUA (NORMA CTI E0206D120)
I pozzi per acqua sono destinati appunto a prelevare
acqua dal sottosuolo per trasferirla alll scambiatore a
servizio della PdC e, nel caso di restituzione alla falda,
per reimmetterla a pressione o a gravità nel terreno.
I pozzi possono essere di diverse dimensioni
(profondità, diametri di perforazione, diametri di
colonna, etc.), usando diversi materiali (metallo, PVC,
HDPE).
La perforazione può essere fatta con diverse modalità.
Di norma si raggiungono le prime falde utili disponibili
per non interferire con le risorse più protette e più
pregiate situate a maggiori profondità, destinate ad
alimentare gli acquedotti.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
Thermal Response Test
Il thermal response test è necessario nei casi di impianti di medie e grandi
dimensioni:
1.
Obiettivo: stima in situ delle proprietà termiche del terreno e del
borehole (foro di perforazione).
2.
Proprietà valutate: temperature indisturbata del terreno, conduttività
termica effettiva del terreno e restistenza termica del foro di
perforazione.
3.
Perchè queste proprietà? Necessità di valutare la lunghezza della sonda
geotermica in una particolare applicazione della ground coupled heat
pump
La principale componente di costo associata ad un impianto con pompa di
calore geotermica è il costo della sonda geotermica.
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
Benefici associati alla realizzazione del Thermal Response Test:
Una valutazione accurara delle proprietà termiche produce un impatto
diretto sull’efficienza e il costo di un impianto con pompa di calore
geotermica.
Ottimizzazione tecnica ed economica dell’impianto di geoscambio
La conduttività termica misurata di solito è al di sopra dei valori dei
database
I parametri misurati sono gli input più importanti per software di
simulazione e progettazione (EED, TRNSYS, …)
L’obiettivo finale di questo test è la corretta progettazione del campo di
perforazione ( profondità, numero dei pozzi e la loro distanza)
Scambio termico nel sottosuolo,
caratterizzazione geologica e perforazione
Iniezione (25-60 W/m) o estrazione
(15–35 W/m) di energia termica
dal terreno.
Attrezzatura basata su un fluido
di riscaldamento con resistenze.
Attrezzatura basata su un fluido
di riscaldamento o
raffreddamento con una pompa
di calore.
Integrazione degli impianti negli edifici
Max. temp. Max. temp.
aria
fiume
Max. temp.
fada
25
20
Aria
15
10
Falda
5
0
-5
Fiume
Aria
Fiume
-10
Aria
-15
-20
-25
D J
F M A M J
J
A S O N D
2004
Fonti rinnovabili: perchè il terreno è avvantaggiato
Integrazione degli impianti negli edifici
Obiettivo: efficienza energetica
Zona climatica
A
B
C
D
E
F
Gradi-giorno
comuni con GG ≤ 600
600 < comuni con GG ≤ 900
900 < comuni con GG ≤ 1.400
1.400 < comuni con GG ≤ 2.100
2.100 < comuni con GG ≤ 3.000
comuni con GG > 3.000
Periodo
1° dicembre - 15 marzo
1° dicembre - 31 marzo
15 novembre - 31 marzo
1° novembre - 15 aprile
15 ottobre - 15 aprile
tutto l'anno
600
850
1100
1400
1700
1800
Integrazione degli impianti negli edifici
Dati climatici
ANDAMENTO DELLE TEMPERATURE MINIME
BASE LOAD
35
PEAK HEAT
30
PEAK COOL
25
20
15
10
5
NOV
PEAK COOL
BASE LOAD
DEC
SEP
OCT
JUL
AUG
MAY
MESI
JUN
MAR
APR
JAN
0
-5
FEB
Mese
gen
feb
mar
apr
ago
set
ott
nov
dic
media inv
media est
T aria
°C
3,2
7,3
10,5
13,6
23,4
20,6
14,6
7,5
2,9
8,5
21,8
TEMPERATURA DEL
FLUIDO
Anno tipo Milano
Profilo del fabbisogno di energia
Integrazione degli impianti negli edifici
CARICO ENERGETICO
I parametri che è utile e necessario conoscere per la progettazione e lo sviluppo
dello scambio di calore nel terreno sono:
condizioni climatiche
tipo di edificio e relativo profilo di fabbisogno energetico
caratteristiche geologiche e parametri termici del sottosuolo
modalità di esecuzione e di riempimento del foro o dello scavo
proprietà idrauliche, tipo dello scambiatore di calore, dimensioni (resistenza
al trasporto di calore, perdite di carico, potenza del pompaggio)
proprietà idrogeologiche, influenza sui sistemi verticali e orizzontali
(variazioni naturali e/o indotte dei livelli di falda, zone a saturazione parziale,
etc.).
Integrazione degli impianti negli edifici
CARICO ENERGETICO
É necessario seguire due fasi per impostare un sistema HC:
Calcolo del carico energetico
Analisi del fabbisogno di energia.
Si tratta di due aspetti basilari nel dimensionamento di una sistema geotermico a bassa
entalpia perchè influenzano il comportnao del terreno (sorgente) q euindi le’fficienza del
sistema.
Per determinare il carico energetico bisogna definire:
- le caratteristiche della costruzione (materiali, dimensioni, forma e colore esterno) e
conoscere I dati climatici locali
- le condizioni di progetto per gli interni (temperatura, umidità e ventilazione)
- le caratteristiche del sito (necessità di illuminazione, attività degli occupanti, macchinari
presenti)
- giorno e momento in cui viene definito il carico massimo e minimo.
Integrazione degli impianti negli edifici
POMPE DI CALORE
La pompa di calore è una macchina termica molto efficiente.
Questa condizione migliora ulteriormente se si fa un uso integrato di
energie rinnovabili (solare + geotermica).
POMPA DI CALORE: IL CONCETTO
Di regola l’energia termica passa da un oggetto caldo a uno freddo.
Le Pompe di Calore si servono di lavoro fornito da energia elettrica
per invertire la direzione naturale del flusso di energia termica.
Integrazione degli impianti negli edifici
POMPA DI CALORE: DEFINIZIONE
Nello standard Europeo per provare e misurare la performance di una
PdC (EN 14511 – Part 1), la PdC è definita come segue:
“[una] pompa di calore [è un] assemblaggio di diverse componenti
progettato come un’unità destinata a fornire un trasferimento di
calore. Comprende un sistema di refrigerazione azionato
elettricamente per dare calore. Può essere dotata di accessori per
raffrescare, far circolare, pulire e deumidificare l’aria. Il raffrescamento
avviene invertendo il ciclo di refrigerazione”.
Integrazione degli impianti negli edifici
POMPA DI CALORE: COME FUNZIONA
Il mezzo refrigerante, allo stato gassoso, viene messo in pressione da un compressore per
circolare attraverso il sistema.
All’uscita dal compressore il gas caldo e pressurizzato viene raffreddato in uno scambiatore di
calore chiamato condensatore finchè raggiunge lo stato di un liquido a temperatura moderata.
Il refrigerante condensato passa quindi attraverso un sistema di depressurizzaione come un
vaso di espansione o un tubo capillare.
Da qui il fluido a bassa pressione (quasi) liquido passa a un altro scambiatore di calore,
l’evaporatore, dove appunto evapora per effetto di assorbimento di calore.
Infine ritorna al compressore e il ciclo riprende.
Integrazione degli impianti negli edifici
MODALITÀ RISCALDAMENTO E RAFFRESCAMENTO
Il riscaldamento o il raffrescamento prodotto dalle PdC avvengono ‘spostando’ calore da un
luogo verso un altro.
Nella modalità ‘freddo’ funziona esattamente come un ‘condizionatore d’aria’ spostando il
calore dall’interno all’esterno di un ambiente.
Nella modalità ‘caldo’ il fluido termovettore compie il percorso inverso e quindi prende il
calore a bassa temperatura dalla sorgente e lo concentra meccanicamente (col compressore,
consumando energia elettrica) per produrre calore ad alta temperatura che viene ceduto
all’interno dell’ambiente.
Integrazione degli impianti negli edifici
EFFICIENZA
Ci sono diversi modi di definire l’efficienza di una PdC e dipendono
tutti da:
efficienza della pompa di calore determinata soprattutto dalla
qualità dei suoi componenti
temperatura dell’acqua o dell’aria prodotta dalla PdC in caldo o in
freddo
temperatura del fluido termovettore (miscela acqua/antigelo) dallo
scambiatore a terreno (nel caso di pompa di calore geotermica) o
dell’aria esterna (nel caso di pompa di calore ad aria).
Integrazione degli impianti negli edifici
COP (coefficiente di performance)
Il coefficiente di performance (COP) è una misura dell’efficienza della
pompa di calore. Si calcola dividendo l’energia termica prodotta dalla pompa
di calore per l’energia elettrica necessaria per il suo funzionamento, per una
data temperature.
Maggiore è il COP, più la Pompa di Calore è efficiente. Questo numero è
simile a quello dell’efficienza in condizioni stazionarie delle caldaie a gas o a
gasolio.
Il COP di una PdC in modalità H/C in condizioni stazionarie è:
Integrazione degli impianti negli edifici
SEASONAL PERFORMANCE FACTOR (SPF)
L’SPF è riferito alla performance lungo una intera stagione. Il rapporto è tra tutta
l’energia prodotta in una stagione e tutta l’energia consumata nello stesso periodo:
SPF= Energia prodotta (kWht) / Energia consumata (kWhe)
L’SPF è il metodo migliore per valutare la performance di una PdC perché stima in modo
più accurato i costi gestionali sostenuti nel corso di un’intera stagione.
L’ENERGY EFFICIENCY RATIO (EER)
L’EER misura l’efficienza in raffrescamento in condizioni stazionarie di una PdC.
Si definisce dividendo la capacità di raffrescamento della PdC espressa in BTU/h per
l’energia elettrica espressa in Watt a una data temperatura. Maggiore è l’EER, più la PdC
è efficiente:
EER= COP*3,412 (BTU/Wh)
Le PdC sono più efficienti nel riscaldare che nel raffrescare per una stessa variazione di
temperatura.
Integrazione degli impianti negli edifici
POMPE DI CALORE A RISORSA RINNOVABILE
La Direttiva 2009/28/EC definisce gli standard minimi di efficienza e la quantità di
energia da fonte rinnovabile prodotta delle PdC.
La quantità di energia aerotermica, geotermica o idrotermica catturata dalle PdC da
considerare energia proveniente dalla risorsa rinnovabile per gli scopi della Direttiva
(E Res), shall be calculated in accordance with the following formula:
E Res = Qusable*(1-1/SPF)
in cui:
Qusable = stima di tutto il calore utilizzabile fornito dalla PdC che soddisfa I criteri
contenuti nell’Article 5(4): sono considerate solo le PdC con SPF > 1.15*1/η
SPF = stima del fattore di performance stagionale per una data PdC
η = rapporto tra produzione lorda di elettricità e consumo di energia primaria per la
produzione di energia elettrica, da calcolare come media basata su dati Eurostat.
Grazie per l’attenzione!
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