Uno dei sistemi di riscaldamento da fonti rinnovabili meno conosciuti è sicuramente rappresentato dagli impianti basati sullo sfruttamento dell’energia geotermica. Questo genere di impianto sfrutta la costante temperatura del terreno per riscaldare o raffreddare, attraverso una pompa di calore, il liquido contenuto nel circuito dell’impianto di riscaldamento e condizionamento.
Che cos’è un impianto geotermico:
Iniziamo con il concetto base: il terreno infatti contiene una inesauribile sorgente di calore: la temperatura, man mano che si scende sotto terra, aumenta grazie all’energia geotermica che dal nucleo terrestre si dirige verso la superficie. Il terreno, inoltre, si riscalda grazie al sole ed è in grado di assorbire circa la metà dell’energia che riceve. Tecnicamente possiamo dire che le temperature del globo sono crescenti man mano che si scende in profondità, in media ogni 100 metri la temperatura delle rocce aumenta di +3 °C (quindi 30 °C al Km e 300 °C a 10 Km). Questo è valido però solo per quanto riguarda la crosta terrestre, nel resto del globo l’aumento di temperatura con la profondità (detto gradiente geotermico) è sensibilmente minore e varia tra 0.3 °C/km e 0.8 °C/km.
Parlando di “geotermia” dobbiamo anche fare una distinzione tra quella classica che sfrutta anomalie geologiche e vulcanologiche per produrre energia elettrica tramite il vapore estratto dal sottosuolo (come nel caso di Lardarello in Toscana) oppure che sfruttano l’acqua calda sempre estratta dal terreno come avviene in alcune zone italiane. Questa non è però la forma di geotermia che interessa i nostri scopi. Noi prendiamo in considerazione quella che viene definita “geotermia a bassa entalpia”, termine tecnico che indica lo sfruttamento del sottosuolo come serbatoio termico dal quale estrarre calore in inverno ed al quale cederne in estate. In base a questo concetto è facile capire le ragioni per le quali il sistema è utilizzabile in qualsiasi zona, dal mare alla montagna passando per le pianure e le città: basta avere la possibilità di poter accedere al terreno.
Lo scambio di calore con il terreno avviene sfruttando un sistema costituito dalle cosiddette “sonde geotermiche” che non sono altro che una serie di tubazioni inserite nel terreno. Da quanto dichiarato dai produttori ed installatori di impianti geotermici, il solo calore del terreno (in abbinamento alla pompa di calore che funziona elettricamente e comunque assorbe energia) è sufficiente per un completo riscaldamento e raffrescamento di ambienti di svariate dimensioni, senza alcun limite e senza l’utilizzo di caldaie per un apporto termico aggiuntivo durante i periodi più freddi. E’ sufficiente disporre di un numero di sonde geotermiche adeguate alle dimensioni degli ambienti da riscaldare.
Le pompe di calore sono disponibili da circa 50 anni e la tecnologia ha raggiunto una maturità tale da garantire efficienza ed affidabilità. Questo tipo di macchine ha il vantaggio di fornire più energia (calore) di quanta ne viene richiesta per funzionare in quanto il sistema assorbe calore da un mezzo esterno. Gli elementi principali di un impianto di riscaldamento/raffrescamento sono quindi costituiti dalle sonde geotermiche inserite nel terreno, dalla pompa di calore installata all’interno dell’edificio e dal sistema di distribuzione del calore agli ambienti attraverso i cosiddetti “terminali a bassa temperatura”.
I terminali di un impianto di riscaldamento possono essere costituiti dai classici radiatori (i caloriferi), da ventilconvettori o da impianti radianti a pavimento e parete. Solitamente i radiatori classici lavorano con temperature elevate (in media tra i 65 ed i 70° C) mentre gli impianti a pannelli radianti a pavimento, parete o soffitto lavorano a temperature di 30-35° C. Per questo motivo sono definiti “terminali a bassa temperatura”. Questa è una distinzione importante in quanto, sebbene gli impianti geotermici possano funzionare anche con terminali classici, il riscaldamento del liquido a temperature elevate richiede un quantitativo di energia che vanifica i vantaggi offerti dall’impianto geotermico.
Sonde e tubazioni:
Abbiamo parlato di sonde geotermiche per lo scambio di calore con il terreno. In realtà anche su questo componente dell’impianto sono necessarie alcune distinzioni. Le sonde sono costitute da una coppia di tubi uniti tra loro (uno di andata ed uno di ritorno) per formare un circuito chiuso all’interno del quale circola un apposito fluido (miscela di acqua ed anticongelante). Le sonde geotermiche vengono inserite nel terreno attraverso perforazioni verticali di profondità variabile tra i 50 ed i 150 metri in funzione dell’energia termica richiesta. Le sonde sono poi collegate ad un apposito collettore collegato alla pompa di calore. Il vantaggio di questo sistema è rappresentato dal ridotto ingombro (le sonde possono essere inserite sotto l’edificio prima della costruzione) e dalla possibilità di generare il raffreddamento estivo.
In alternativa alle sonde è possibile utilizzare un impianto a pozzo costituiti da due pozzetti, uno di prelievo con al proprio interno una pompa sommersa, ed uno di rimando. Il fluido caldo prelevato viene inviato alla pompa di calore che ne estrae il calore attraverso un apposito scambiatore e quindi rimandato nel terreno dove torna a scaldarsi. Questo tipo di soluzione è molto economica ed offre una resa maggiore in confronto alle sonde o ai sistemi orizzontali e sono molto validi su impianti di potenza medio-alta.
Un terzo sistema è rappresentato dai cosiddetti “collettori orizzontali” costituiti da tubi di plastica costituenti una serpentina interrata orizzontalmente ad una profondità di circa 1,5 metri. Il sistema a collettore orizzontale ha il vantaggio di offrire costi di realizzazione contenuti ma presenta il lato negativo derivante dalla grande superficie utilizzata che diventa non più edificabile.
funzionamento dell’impianto:
Per i nostri scopi prendiamo in considerazione un sistema basato sull’utilizzo di sonde che funziona quindi nel seguente modo: durante l’inverno il terreno ha una temperatura generalmente superiore a quella esterna, il fluido scende in profondità attraverso le sonde, sottrae calore al terreno e torna in superficie ad una temperatura maggiore provocando l’evaporazione del refrigerante che circola nel sistema della pompa di calore, il liquido quindi si espande assorbendo calore dalla sorgente esterna All’uscita dell’evaporatore il fluido, ora allo stato gassoso, viene aspirato all’interno del compressore azionato da un motore elettrico. Questo fornisce energia meccanica che viene usata per comprimere il fluido che, in conseguenza dell’aumento di pressione, si riscalda venendosi così a trovare nelle condizioni ottimali per passare attraverso un condensatore (scambiatore). In questa fase si ha un nuovo cambiamento di stato del fluido, che passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all’acqua (o all’aria) utilizzata come fluido vettore per il riscaldamento degli ambienti o per la produzione di acqua sanitaria. Il ciclo termina con la sua ultima fase dove il liquido passa attraverso una valvola di espansione trasformandosi parzialmente in vapore e raffreddandosi, riportandosi così alle condizioni iniziali del ciclo.
Lo stesso sistema, con opportuni accorgimenti impiantistici atti ad invertire il ciclo, può essere usato per il raffrescamento estivo sottraendo calore dagli ambienti per cederlo al terreno. In generale per il condizionamento estivo. Con le pompe di calore si ha quindi il vantaggio di sfruttare una sola macchina reversibile in grado di invertire le funzioni dell’evaporatore e del condensatore, fornendo così caldo in inverno e fresco in estate. Da quanto dichiarato da diversi produttori di sistemi, una pompa di calore collegata ad una sonda geotermica inserita a circa 100 metri di profondità, è in grado di estrarre dal terreno una potenza sufficiente per riscaldare una abitazione unifamiliare standard. Sembrerebbe quindi che dopo l’installazione un impianto geotermico sia sufficiente per garantire la completa indipendenza di una normale abitazione. Niente più caldaie e quindi niente consumi di metano o GPL. Da quanto dichiarato sembrerebbe proprio così. E’ però necessario considerare anche l’energia elettrica assorbita dalla pompa di calore. Vediamo la descrizione tratta dal sito di un produttore del settore.
Efficienza di una pompa di calore:
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 al corpo da riscaldare e l’energia elettrica consumata perché possa avvenire il trasporto di calore medesimo. Un valore di COP tipico di un sistema piuttosto efficiente, può essere considerato pari a 3 (valori normali sono compresi tra 2,5 e 3,5): ciò significa che per ogni kWh di energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh d’energia termica all’ambiente da riscaldare. La termodinamica ci insegna, ma ce lo suggerisce anche il buon senso, che il lavoro necessario per portare l’energia termica da un livello di temperatura più basso ad uno più alto è proporzionale a tale dislivello o salto di temperatura. Da ciò consegue la prima buona regola energetica di utilizzare per il riscaldamento di ambienti abitati, che vanno mantenuti a temperatura di comfort intorno ai 20º, temperature per i fluidi di riscaldamento degli impianti non superiori ai 35º sufficienti allo scopo. Con acqua disponibile a 10º-15º, il salto di temperatura è conseguentemente di solo 20º-25º e, in queste condizioni, il rapporto tra calore reso all’impianto di riscaldamento e la potenza richiesta dalla pompa di calore nelle buone macchine moderne si aggira intorno a 4, potendo giungere anche a 5. Ciò significa che, spendendo 1 kW elettrico per l’azionamento dell’impianto si ottengono almeno 4 kW termici per l’utenza; gli altri 3 KW, ovvero il 75% del fabbisogno termico, vengono prelevati dall’ambiente e, più precisamente, nel caso da noi ipotizzato, dal sottosuolo; di conseguenza si può propriamente parlare di fonte “geotermica”.
Vantaggi:
I vantaggi di un impianto geotermico completo (riscaldamento + raffrescamento) sono molteplici:
- l’energia geotermica è una fonte di energia pulita e rinnovabile
- le sonde geotermiche non inquinano
- non necessitano di manutenzione
- un impianto geotermico dura più di 100 anni
- si ha un risparmio fino all’ 80% dei costi di esercizio
- è possibile generare riscaldamento e raffreddamento con lo stesso impianto.
Costi di realizzazione:
I costi variano in funzione della superficie da riscaldare\raffrescare;
sono naturalmente maggiori di un 20\30% in più rispetto ad un impianto tradizionale