PRINCIPI DI BASE DEL CONDIZIONAMENTO DELL'ARIA
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Le pompe di calore geotermiche

Pierfrancesco Fantoni

Introduzione

Anche in Italia, ormai, si stanno diffondendo tipologie di pompe di calore che cercano di sfruttare forme di energia rinnovabile e che comportano un basso impatto ambientale per la loro produzione. Assieme all’energia del sole, anche l’energia termica contenuta nel terreno offre possibilità tecnologiche percorribili anche in impianti di piccola e media scala.

Due istanze d’attualità

La climatizzazione mediante pompa di calore risulta essere conveniente, da un punto di vista energetico, rispetto molte altre soluzioni tecnologiche, soprattutto per quanto riguarda il funzionamento in riscaldamento. Tuttavia permane la dipendenza di tale macchina dal consumo di energia elettrica che risulta necessario spendere per il funzionamento del compressore. Come visto, l’abbinamento della pompa di calore con la tecnologia a pannelli solari consente di ridurre tale dipendenza, sia perché offre la possibilità di sfruttare la sorgente fredda ad alta temperatura, sia perché mediante l’accumulo termico si può integrare in maniera complementare la produzione di energia termica da parte della pompa di calore.

La possibilità di sfruttare una sorgente di calore ad elevata temperatura e' fondamentale per ottenere COP elevati nella macchina, ossia per avere sensibili risparmi nel consumo di energia elettrica. Tale sorgente, tuttavia, deve preferibilmente essere disponibile in periodi dell’anno i più ampi possibili, soprattutto quando la necessità di riscaldamento risulta essere elevata. Nelle pompe di calore ad aria, ad esempio, i rendimenti della macchina subiscono una brusca diminuzione proprio quando la temperatura dell’ambiente scende a valori prossimi o inferiori a 0 °C, ossia proprio quando si ha la necessità di ottenere il massimo servizio dalla macchina. Il discorso, anche se in maniera meno rilevante, e' estendibile anche alle pompe di calore accoppiate a pannelli solari.

In sostanza, da tale premessa, traspare che due sono le istanze che vengono richieste ad una pompa di calore per offrire un reale vantaggio rispetto ad altre soluzioni tecnologiche: la possibilità di fornire la massima potenza riscaldante nei periodi dell’anno in cui il clima e' più rigido; la necessità di sfruttare una sorgente fredda che garantisca una temperatura la più elevata possibile per un periodo significativamente esteso dell’anno.

Non sembri strano porsi tali specificità: nei Paesi del nord Europa, dove si registrano climi ben più rigidi di quello italiano, l’impiego della pompa di calore come dispositivo per il riscaldamento domestico, di unita' commerciali o adibite ad uffici risulta essere molto più diffuso che da noi. E ben sappiamo come in tali nazioni la sensibilità verso il risparmio energetico ed il contenimento dell’impatto ambientale sia prerogativa da anteporre a qualsiasi scelta di tipo tecnologico.

In sostanza, il problema si concretizza, in maniera semplificata, nel garantire una resa energetica della macchina  la più elevata possibile: da una parte, come tra poco verrà detto, e' compito della tecnologia offrire soluzioni confacenti a tale necessità; dall’altra, e' sempre bene non dimenticarlo, spetta al tecnico frigorista garantire durante la vita lavorativa dell’impianto il mantenimento degli obiettivi che la tecnologia dichiara di rendere disponibile: infatti, più si riesce a garantire un’alta temperatura della sorgente fredda più la temperatura di evaporazione si mantiene elevata con grande guadagno sul piano della resa termica ed energetica.

L’energia proveniente dal sottosuolo

Evidentemente, per attingere calore da una sorgente fredda ad elevata temperatura per ampia parte dell’anno e' necessario fare ricorso ad un serbatoio di energia che possiede un’elevatissima inerzia termica e che risulti essere svincolata dalla variabilità delle stagioni. Poiché tale variabilità si manifesta con oscillazioni della temperatura dell’aria molto marcate, tale serbatoio non può che trovarsi in un luogo il più possibile distante dall’ambiente: il sottosuolo. Esso garantisce temperature progressivamente maggiori man-mano che si procede in profondità, con l’aggiunta che la loro variabilità risulta essere estremamente ridotta nell’arco dell’anno.

La possibilità di disporre di una sorgente fredda ad elevata temperatura garantisce migliori rendimenti da un punto di vista termodinamico, il che si traduce in risparmi di energia elettrica per il funzionamento della macchina. Inoltre, l’indipendenza di tale temperatura dalla ciclicità stagionale consente di disporre di un dispositivo in grado di garantire la necessaria potenza riscaldante proprio quando il clima risulta essere più rigido. In questo modo si riesce a prelevare il calore da una fonte, quale il terreno, che si trova a temperatura sensibilmente costante, indipendentemente dal fatto che durante la giornata sia presente l’irraggiamento del sole o meno.

Principio di funzionamento: componenti principali

Come mostra la figura 1, il fluido che scorre all’interno delle sonde geotermiche e' in grado di prelevare calore dal terreno e di veicolarlo, tramite l’apposito circuito, all’impianto di riscaldamento di cui la pompa di calore fa parte. Solitamente in tale tipo di impianti non si utilizza l’espansione diretta, data la notevole lunghezza delle tubazioni. Al loro interno scorre invece acqua glicolata. Poiché la sorgente fredda normalmente si trova ad una temperatura superiore a 0 °C anche l’acqua glicolata che alimenta l’evaporatore della pompa di calore si trova a temperatura positiva, per cui e' ragionevole supporre che la temperatura di evaporazione risulti maggiore di 0 °C. Tale particolarità evita tutte le problematiche legate al brinamento e conseguente procedura di sbrinamento dello scambiatore, consentendo una notevole semplificazione impiantistica della macchina.

La funzione delle sonde e' di incamerare il calore proveniente dal sottosuolo. Per una buona efficienza del dispositivo occorre sincerarsi della natura del terreno: terreni rocciosi presentano una migliore conducibilità termica, dato che la loro struttura compatta consente una buona propagazione del calore proveniente dagli strati più profondi. Così anche quelli ricchi di umidità o acqua risultano essere favorevoli allo scambio termico, dato che anche l’acqua, grazie ai suo moti convettivi, e' in grado di convogliare verso gli strati più superficiali il calore presente negli strati più profondi.

Il calore prelevato dalle sonde permette l’evaporazione del refrigerante  che a sua volta rigetta il calore nel condensatore della pompa di calore. Da qui, un secondo sistema ad acqua permette di trasportare il calore nel luogo desiderato. Ad esempio, utilizzando un impianto di riscaldamento a pavimento, poiché si ha un’ampia superficie di scambio, e' possibile far funzionare l’impianto a bassa temperatura, con un vantaggio dal punto di vista energetico piuttosto considerevole.

Assieme alla produzione di energia termica da utilizzare per il riscaldamento dell’ambiente, la pompa di calore e' in grado di produrre acqua calda sanitaria. Essa  viene accumulata in un apposito serbatoio e può venire utilizzata all’occorrenza. In tale modo e' possibile riscaldare anche un’intera abitazione, purché la sonda geotermica sia collocata ad una congrua profondità.

Così come la soluzione combinata pannello solare-pompa di calore, la pompa di calore geotermica risulta essere reversibile e quindi offre la possibilità di funzionare in raffreddamento durante i periodi caldi. In tale situazione il calore viene rigettato nel terreno che, grazie alla sua elevata inerzia termica, consente all’impianto di lavorare con temperature di condensazione sensibilmente costanti, indipendentemente dalle condizioni climatiche ambientali. Grazie a tale condizioni si ottiene, ancora una volta, una stabilità di funzionamento dell’impianto dal punto di vista termodinamico (pressioni, temperature, scambi di calore, ecc.) ed un sicuro miglioramento della sua efficienza energetica.