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Come funzionano gli scambiatori di calore geotermici verticali

Gli scambiatori di calore geotermici verticali hanno scambiatori di calore che si sviluppano in profondità nel terreno. Ecco come funzionano

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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   •   Editore: Wolters Kluwer Italia   •   Anno: 2014

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