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Sistemi geotermici a bassa temperatura: caratteristiche e opportunita’

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Con i sistemi geotermici a bassa temperatura, l’utilizzo del terreno come sorgente termica, tramite una moderna pompa di calore, costituisce un’ottima opportunità di sfruttamento di una tra le più interessanti fonti energetiche rinnovabili.

L’elevata capacità di accumulo termico del terreno e la presenza del flusso geotermico consentono il mantenimento nel sottosuolo di temperature pressoché costanti nel tempo, sufficientemente elevate in inverno e basse in estate.

Tali peculiarità del terreno rendono gli impianti a pompa di calore geotermica molto interessanti dal punto di vista energetico, in quanto generalmente caratterizzati da elevati coefficienti di prestazione delle macchine e dei sistemi termoenergetici a esse collegati.

Dal punto di vista termico, il sottosuolo sfruttabile a fini energetici per mezzo di impianti a pompa di calore è suddiviso in due strati principali:

• strato climaticamente perturbato sfruttato con sistemi di scambio geotermico orizzontali;

• strato climaticamente non perturbato, sfruttato con sistemi di scambio geotermico verticali.

Lo strato climaticamente perturbato è la porzione di terreno più vicina alla superficie, la cui temperatura è influenzata dalle fluttuazioni climatiche atmosferiche. Nello strato perturbato l’effetto del flusso geotermico, comunque presente, è generalmente trascurabile rispetto a quello dovuto agli apporti esterni solari e meteorici.

Lo strato climaticamente non perturbato è la porzione di terreno profonda, la cui temperatura è influenzata principalmente dal flusso geotermico. Nello strato climaticamente non perturbato le fluttuazioni climatiche perdono ogni capacità d’influenza sullo stato termico delle rocce.

In entrambi gli strati le condizioni termiche del terreno sono alterate dalla presenza di acqua di falda, la quale in funzione della sua velocità di scorrimento nel terreno, generalmente aumenta la capacità di scambio del campo geotermico e ne diminuisce la capacità di accumulo interstagionale dell’energia.

La superficie limite che separa le due porzioni di terreno si definisce superficie di discontinuità geotermica o più comunemente superficie dello strato neutro, e generalmente è rilevabile nell’intorno dei 10 m di profondità.

Apporti energetici rinnovabili nello strato climaticamente disturbato

Negli strati di terreno superficiali le variazioni di temperatura si verificano in intervalli di tempo di poche ore o di diverse settimane o mesi a seconda della profondità e delle caratteristiche del suolo considerato.

Il calore assorbito attraverso la radiazione solare dai primi strati della crosta terrestre va a costituire la ricarica del terreno ottenuta attraverso energia rinnovabile di origine solare. Le fluttuazioni di temperatura sono indotte da una serie di fattori, come lo scambio convettivo con l’aria, l’irraggiamento notturno, le percolazioni degli elementi meteorici…

Il terreno superficiale funge da isolante rispetto all’esterno e ritarda gli effetti delle trasmissioni del calore che lo coinvolgono. Nella stagione invernale il terreno mantiene temperature nettamente superiori alla media della temperatura dell’aria esterna, anche se in progressivo raffreddamento. 

Andamento della temperatura (in °C) del suolo superficiale nei mesi invernali in funzione della profondità (in m) nel Nord Italia

Nella stagione estiva il terreno mantiene invece temperature inferiori rispetto alla media della temperatura dell’aria esterna, anche se in progressivo aumento.

Andamento della temperatura (in °C) del suolo superficiale nei mesi estivi in funzione della profondità (in m) nel Nord Italia


La temperatura nel suolo superficiale è funzione, dunque, della profondità e del tempo.

Andamento della temperatura (in °C) del suolo superficiale a diverse profondità in funzione del tempo nel Nord Italia


Ciò che viene sfruttato direttamente è sempre la capacità del terreno di rimanere a livelli termici pressoché costanti in determinati intervalli di tempo, in quanto l’intensità degli elementi esterni di ricarica è esigua rispetto all’intensità dello sfruttamento a fini energetici del terreno.

Ai fini dei calcoli di dimensionamento dei sistemi di scambio geotermico orizzontali si può considerare che, alla profondità a cui si effettua la posa delle tubazioni (1÷2 m), la temperatura del suolo può ritenersi costante a livello mensile. L’intervallo di calcolo per questi sistemi sarà quindi sempre il mese.

Il dato di progetto che necessiterà nei calcoli degli impianti geotermici orizzontali è costituito dalla temperatura, calcolata per il mese più freddo e per il mese più caldo dell’anno.


Apporti energetici rinnovabili nello strato climaticamente indisturbato

Penetrando all’interno della Terra si verifica un costante aumento della temperatura, che dimostra l’esistenza del flusso geotermico.

I sistemi geotermici che utilizzano il calore presente nel sottosuolo per mezzo di una pompa di calore non sfruttano direttamente il flusso geotermico. Le pompe di calore utilizzano per il loro funzionamento il terreno come sorgente fredda a temperatura pressoché costante e mantenuta allo stesso stato termico grazie alla presenza del flusso geotermico e alla capacità di accumulo del calore caratteristica del sottosuolo.

L’individuazione, ove possibile, del flusso geotermico sarà quindi funzionale alla sola definizione della temperatura media del terreno attraversato e non della potenza termica sfruttabile a fini impiantistici.

Per inciso, il flusso geotermico in Italia va da un valore minimo di circa 30 (mW)/m2 nella zona centrale della Pianura Padana e in alcune aree meridionali (principalmente in Campania e Puglia), a un valore massimo superiore ai 400 (mW)/m2 presenti nell’area del Monte Amiata (zona dell’Arderello). Tutta l’area alpina e prealpina è caratterizzata da valori di flusso geotermico variabili da un minimo di 50 (mW)/m2 a un massimo di 90 (mW)/m2.

Qualora non fosse noto il dato relativo al flusso geotermico del luogo di perforazione, il valore di temperatura dello strato climaticamente non perturbato viene ritenuto costante e pari al valore della temperatura della superficie di discontinuità geotermica.

Attraverso i sistemi di scambio termico con il terreno, raggruppabili in scambiatori geotermici verticali, scambiatori geotermici orizzontali, sistemi di scambio con l’acqua di falda, vengono realizzati gli impianti.

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


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Autore:   •   Editore: Wolters Kluwer Italia   •   Anno:

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