Geotermia a bassa entalpia
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La geotermia a bassa entalpia si riferisce al calore presente nel terreno che può essere estratto e utilizzato grazie a sistemi basati su pompe di calore
La geotermia a bassa entalpia si riferisce all’utilizzo del calore che si trova nel primo strato del sottosuolo, attraverso un fluido vettore, grazie ad una pompa di calore con le funzioni di impianto di climatizzazione degli edifici. La geotermia a bassa entalpia viene classificata come fonte di energia rinnovabile, in quanto il calore proviene direttamente dalla Terra. In questo approfondimento ci soffermeremo sulla definizione di “entalpia” per poi analizzare gli impianti geotermici a bassa entalpia, il dimensionamento ed il metodo ASHRAE.
Geotermia a bassa entalpia definizione
La radice etimologica della parola “entalpia” deriva dal greco “enthalpos” (ἔνθαλπος), il quale è composto dal prefisso “ἐν-” (en-), che significa “dentro”, e dal verbo “θάλπειν” (thalpein) “riscaldare”. In sostanza, l’entalpia si riferisce al calore interno. Nel contesto della termodinamica, il termine “entalpia” rappresenta la misura complessiva dell’energia contenuta in un sistema termodinamico. Essa è espressa come la somma dell’energia interna (U) e del prodotto tra la pressione (p) e il volume (V), cioè H = U + pV.
Grazie all’utilizzo di una pompa di calore, un impianto geotermico a bassa entalpia è in grado di condizionare gli edifici, effettuando uno scambio di calore con il sottosuolo situato a una profondità compresa tra 10 e 20 metri, e talvolta fino a 100 o 200 metri. In condizioni normali, il sottosuolo mantiene una temperatura praticamente costante. La geotermia a bassa entalpia o a bassa temperatura è considerata una fonte di energia rinnovabile, anche se la pompa di calore richiede l’impiego di energia elettrica, solitamente ottenuta da altre fonti di energia, come ad esempio i combustibili fossili.
Energia geotermica a bassa entalpia: una fonte rinnovabile
La geotermia a bassa entalpia rappresenta una tecnologia consolidata ed altamente efficiente quando si tratta di risparmiare energia per il riscaldamento ed il raffreddamento degli edifici durante le stagioni invernali ed estive, la produzione di acqua calda per uso sanitario, le applicazioni termali, gli utilizzi agricoli (come il riscaldamento delle serre, la pastorizzazione dei prodotti lattieri, l’essiccazione e la fermentazione di prodotti alimentari), l’acquacoltura e le applicazioni industriali.
Questo sistema sfrutta una fonte di energia immagazzinata sotto forma di calore nella crosta terrestre, un’energia facilmente accessibile e diffusa ovunque. Questa risorsa può essere considerata virtualmente inesauribile ed è quindi considerata una fonte energetica rinnovabile.
Tuttavia la progettazione, la realizzazione e la gestione di un sistema geotermico richiedono una comprensione approfondita di vari fattori al fine di superare i costi iniziali più elevati rispetto ad alternative tradizionali (come impianti a combustibili fossili, gas metano, GPL o gasolio) e moderne (come la tecnologia dell’aerotermia con sistemi idronici o sistemi di circolazione del refrigerante). Gran parte di questi costi iniziali è associata alla realizzazione dei cosiddetti “geoscambiatori” che costituiscono il cuore del sistema.
Impianti geotermici a bassa entalpia
Un impianto geotermico è un sistema finalizzato allo sfruttamento dell’energia termica naturalmente presente nel terreno. I sistemi a bassa entalpia sono caratterizzati da serbatoi geotermici con temperature inferiori a 90°C. Questi sistemi possono essere impiegati in gran parte del territorio italiano, sfruttando il gradiente geotermico presente già a profondità inferiori a 15 metri dal piano della superficie terrestre. La temperatura aumenta gradualmente con la profondità, secondo il gradiente geotermico medio, con un incremento di circa 30 °C ogni chilometro di profondità. La trasmissione del calore dalla terra verso la superficie avviene attraverso un fluido termovettore, tramite processi di conduzione e convezione termica.
Esistono diversi schemi di impianto per sfruttare il calore terrestre a bassa entalpia:
- impianti con uno scambiatore di calore: trasferiscono il calore dal fluido geotermico a un circuito secondario collegato all’utente (singole unità o reti di teleriscaldamento);
- impianti che utilizzano direttamente il fluido geotermico;
- impianti a pompa di calore geotermica (PDC): utilizzano una pompa di calore per trasferire il calore geotermico al circuito termico dell’utente (singole unità o reti di teleriscaldamento).
Questi impianti possono essere suddivisi a loro volta in base al tipo di geoscambio utilizzato per il collegamento con il terreno, che può essere a circuito aperto (open loop) o a circuito chiuso (closed loop). I sistemi a circuito aperto utilizzano acque superficiali (come mari, laghi e fiumi) o acque sotterranee (falde acquifere) come fonte termica per la pompa di calore. In questi casi è necessario prevedere un pozzo di reiniezione oltre al pozzo di estrazione per evitare il deterioramento della risorsa idrica. Il fluido reiniettato nel sottosuolo deve rispettare le normative ambientali per lo scarico delle acque. Gli impianti a circuito chiuso, invece, possono essere: con sonde verticali quando utilizzano tubi a forma di “U” alloggiati in pozzi, in cui scorre il fluido termovettore, generalmente acqua; con sonde orizzontali quando utilizzano serpentine di tubi configurate in vario modo e alloggiate in trincee nel suolo a una profondità da 1 a 5 metri oppure con geostrutture e pali di fondazione, le sonde vengono inserite direttamente nei pali di fondazione degli edifici.
Dimensionamento impianto geotermico a bassa entalpia
La progettazione e il dimensionamento dei sistemi geotermici a bassa entalpia si basano sull’impiego di macchine termiche chiamate Pompe di Calore (PdC). Queste PdC effettuano un trasferimento termico invertendo il flusso naturale di energia termica, spostando il calore dal serbatoio a bassa temperatura al serbatoio a temperatura più elevata.
Il dimensionamento delle PDC è strettamente legato alle caratteristiche degli geoscambiatori. Essi, come abbiamo accennato prima, costituiscono una parte fondamentale dell’impianto geotermico, poiché la loro funzione è estrarre l’energia geotermica dai pozzi a bassa temperatura e consegnarla alle PdC, che la elevano di temperatura prima di distribuirla negli ambienti da condizionare (nella fase di riscaldamento). Il geoscambiatore è generalmente una delle componenti più costose dell’intero impianto. Per questo motivo, è essenziale che i progettisti che si occupano della sezione di geoscambio comprendano appieno i criteri e le modalità fondamentali per una progettazione corretta, sia dal punto di vista energetico che economico.
Allo stesso modo, è fondamentale comprendere gli approcci di calcolo per il dimensionamento (come quelli empirici, analitici e numerici), il loro campo di applicazione e i criteri che ne guidano le procedure. In particolare, per impianti di piccole e medie dimensioni, come quelli residenziali, gli approcci empirici e analitici rappresentano un buon compromesso tra facilità di applicazione, costi di calcolo e affidabilità dei risultati.
Negli anni, sono stati sviluppati vari metodi di calcolo per simulare le prestazioni degli scambiatori geotermici, alcuni dei quali sono ancora in fase di perfezionamento. Tra i più noti, possiamo menzionare le normative tedesche ed il metodo ASHRAE.
Dimensionamento impianto geotermico a bassa entalpia GeoTerMus
Normative tedesche VDI 4640:2001
Queste normative propongono una metodologia rapida e semplificata per il dimensionamento delle sonde geotermiche. Consentono di calcolare le dimensioni delle sonde utilizzando valori tabulati o ricavati da grafici. Il calcolo si basa sulla stima della potenza media che può essere estratta dal terreno, espressa in W/m, con valori convenzionali validi per terreni sciolti e consolidati. Questo metodo semplificato è adatto per impianti di potenza limitata, fino a 30 kW, e solo per riscaldamento.
Metodo ASHRAE raffrescamento e riscaldamento, le formule
Questo metodo è descritto nel manuale ASHRAE 2007 Handbook – HVAC Applications ed è stato sviluppato negli Stati Uniti basandosi sulle ricerche di Kavanaugh. Esso si basa su ipotesi più complesse che considerano un flusso termico annuale e le resistenze termiche efficaci tra il terreno e la sonda. Successivamente, utilizzando le trasformate di Fourier, calcola l’impulso di scambio termico annuale, mensile e giornaliero, tenendo conto delle caratteristiche geometriche dello scambiatore di calore e delle proprietà del terreno. Per il dimensionamento delle sonde geotermiche verticali viene utilizzato il metodo ASHRAE. Questo metodo propone 2 espressioni per ottenere la lunghezza complessiva delle sonde (BHEs): una valida se il dimensionamento è eseguito sul fabbisogno per il raffrescamento (cooling), una valida se il dimensionamento è eseguito sul fabbisogno per il riscaldamento (heating).
Raffrescamento:
Lc = Qa Rga + (Qc – Wc) (Rb + PLFmRgm+RgdFsc) / Tg – Tm – Tp
Riscaldamento:
Lh = Qa Rga + (Qh – Wh) (Rb + PLFmRgm+RgdFsc) / Tg – Tm – Tp
Dove:
Qa = potenza media annua scambiata con il terreno (+ heating – cooling) [W];
Qc = carico termico di progetto per il raffrescamento (negativo) [W];
Qh = carico termico di progetto per il riscaldamento (positivo) [W];
Wc (Wh ) = potenza elettrica assorbita, al carico Qc (Qh ) [W];
PLFm = fattore di carico parziale del mese di progetto;
Fsc = fattore di penalizzazione per scambi termici interni (≈1.05);
Rb = resistenza termica della sonda [mK/W];
Rga = resistenza termica del terreno per impulsi annuali;
Rgm = resistenza termica del terreno per impulsi mensili;
Rgd = resistenza termica del terreno per impulsi giornalieri;
Tg = temperatura del terreno indisturbato;
Tm = temperatura media del fluido;
Tp = fattore di penalizzazione (in °C) per l’interferenza fra sonde (+ heating – cooling).
Grazie al software calcolo dimensionamento sonde geotermiche puoi calcolare facilmente il dimensionamento seguendo il metodo ASHRAE.
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