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POMPE DI CALORE GEOTERMICHE

H. Halozan Institute of Thermal Engineering, Graz University of Technology

Il terreno è un dispersore/ fonte di calore, che è simile all’aria esterna, quasi senza limite di risorse. Le limitazioni possono essere dovute alla temperatura in regioni molto calde e alla composizione del terreno. Nelle regioni fredde con forti richieste di riscaldamento, i sistemi geotermici stanno dominando il mercato, ma al tempo stesso anche la domanda per sistemi di refrigerazione in generale sta aumentando. Un uso completamente differente del suolo si ha nel caso dei grandi impianti che richiedono sia condizionamento sia riscaldamento: non funziona più ricaricamento naturale di calore del suolo, e un’eccellente soluzione è quella di rimuovere il calore dall’operazione di raffreddamento.

Il terreno diventa un magazzino di calore, e i suoi cambiamenti di temperatura sono le conseguenze all’azione di estrazione/ iniezione di calore nel terreno durante l’arco dell’anno.

Presi tutti questi aspetti nel loro insieme, possono essere realizzati impianti ad alta efficienza.

Parole chiavi: pompe di calore geotermiche, edifici, sistemi di riscaldamento/refrigerazione

1.    Introduzione

Le prime considerazioni inerenti all’uso del terreno, come fonte di calore furono avanzate nel 1912 dallo svizzero Zölly. Tuttavia, l’utilizzo commerciale del terreno, come fonte/dispersore di calore per le pompe di calore, iniziò negli anni 70 dopo la prima crisi petrolifera. i sistemi installati in quel momento erano principalmente impianti a circuito secondario. Successivamente, furono introdotti i sistemi ad espansione-diretta.

Il sottosuolo agisce come un accumulatore stagionale. Ad una profondità di circa 10 m la temperatura indisturbata del terreno rimane costante tutto l’anno. Tra il livello della temperatura costante (come detto 10 m) e la superficie, invece la temperatura cambia per le condizioni esterne: a seconda dalla profondità, questi cambiamenti sono smorzati e ritardati. Eliminando i picchi della temperatura dell’aria esterna, il suolo risulta essere un’efficiente sorgente/dispersore di calore per il funzionamento delle pompe. Le pompe di calore geotermiche possono essere utilizzate: nelle aree con forti cambiamenti climatici e con differenti proprietà del suolo, per i piccoli e grandi sistemi, per quelli solamente a  riscaldamento, come pure per le applicazioni di riscaldamento e refrigerazione.

La caratteristica dei piccoli sistemi è quella di recuperare le risorse del terreno, principalmente attraverso la raccolta della radiazione solare raccolta dalla superficie del suolo. I piccoli sistemi vengono usati per il riscaldamento, e anche per la refrigerazione e possono anche essere sfruttati per la refrigerazione diretta (senza l’intervento di pompe di calore)  in modo particolare all’inizio della stagione in cui e’ necessario raffreddamento. Per i grandi sistemi, deve avvenire il recupero del suolo attraverso l’iniezione o l’estrazione del calore. A volte devono essere previsti dei sistemi addizionali per il ricaricamento del terreno, e devono essere progettati dei sistemi ibridi.

2. Impianti solo riscaldamento:

Sono stati sviluppati vari progetti di impianto per l’utilizzo del suolo come fonte di calore per il funzionamento in solo riscaldamento; le differenze risiedono principalmente nella capacità del sistema e nella superficie disponibile.

Gli scambiatori orizzontali a terreno sono normalmente installati ad una profondità di circa 0.3 m al di sotto della profondità in cui la temperatura ghiaccia, per esempio nelle regioni popolate dell’Austria ad una profondità di circa 0.8-1.2 m. All’inizio della stagione del riscaldamento, la temperatura della parte superiore del suolo è più alta di quella indisturbata a 10 m di profondita’ ( dai 15 ai 19°C invece che dai 10 ai 12°C); durante questa stagione la temperatura scende poi sotto gli 0°C a causa dell’estrazione di calore, ma la migrazione dell’umidità e la formazione del gelo aiutano a stabilizzare la temperatura. Alla fine della stagione del riscaldamento inizia il ricaricamento naturale, e il calore si distribuisce dalla superficie del suolo alla serpentina scambiatore di calore; se il sistema è progettato correttamente la vegetazione al di sopra della serpentina difficilmente ne rimane influenzata.

I pozzi verticali sono richiesti se la superficie disponibile è insufficiente per i sistemi orizzontali. Nel caso dei pozzi-scambiatori verticali, sono disponibili due progetti: uno per i pozzi poco profondi con una profondità di 20 m., e l’altro per quelli con una profondità maggiore dei 100 m. o più (250 m.). La profondità dipende dalle condizioni del terreno e dalle attrezzature di scavatura disponibili. Gli scambiatori di calore possono essere dei tubi di tipo ad U, dei tubi doppi ad U, oppure di tipo coassiale. Altre versioni di scambiatori di calore con il terreno possono essere i raccoglitori aderenti o per fossi, oppure vengono utilizzati gli scambiatori di calore a spirale per buchi con ampi diametri, come quelli progettati da O.Svec. in Canada.

La maggior parte dei sistemi installati nel mondo, sono impianti a circuito secondario, che dominano a livello globale le applicazioni delle pompe di calore geotermiche, ma sono anche cresciuti i sistemi ad espansione diretta, come in Austria dove una grande parte di pompe di calore geotermiche solo riscaldamento usano questa tecnologia.

Nel caso dei sistemi a circuito secondario l’unità a pompa di calore e i sistemi di estrazione del calore sono separati. In questo caso la pompa di calore viene progettata come un’unità compatta salamoia/acqua, nella quale il contenuto del refrigerante può essere minimizzato e l’unità prodotta e testata in azienda, per adempiere alle richieste di tenuta alle perdite.

Il problema di questo concetto è l’impianto a circuito secondario: il portatore di calore, per lo più una miscela di glicole/acqua, deve essere fatta circolare attraverso la serpentina nel sottosuolo per mezzo di una pompa a circolazione ideata appositamente per le temperature più basse. Ogni abbassamento di temperatura svolge un’influenza negativa sul COP, quindi si alza la richiesta di potenza elettrica e aumentano le emissioni indirette di gas a effetto serra causate dall’ impianto produttore di energia elettrica.

I sistemi ad espansione diretta hanno alcuni vantaggi se paragonati a quelli a circuito secondario: l’evaporatore dell’unità della pompa di calore è installato direttamente nel sottosuolo, ciò significa che il trasferimento di calore dal sottosuolo al refrigerante avviene direttamente. L’energia necessaria alla circolazione del refrigerante nell’evaporatore, proviene rispettivamente dal compressore e dalla perdita di pressione; questo significa che non vi è alcun bisogno di pompe di circolazione e di potenza addizionale.  Nel caso in cui vi sia un progetto adatto, i sistemi a espansione diretta risultano più efficienti dei sistemi a circuito secondario. L’SPF (dall’inglese Seasonal Performance Factor: indicatore di efficienza media stagionale) dei sistemi a evaporazione diretta negli edifici nuovi e ben isolati con carichi di calore al di sotto dei 60 W/m², con sistemi di riscaldamento a pavimento a bassa-tempertatura, si inseriscono in una scala da 4 a 5, 2 sistemi monitorati hanno superato i 6.

Ci sono però anche degli svantaggi nei sistemi a evaporazione diretta: la saldatura in sito è (ed era) necessaria per collegare il collettore al sottosuolo e all’unità a pompa di calore: inoltre si potrebbero verificare delle perdite del refrigerante e inquinamento dell’acqua del sottosuolo. La serpentina dell’evaporatore del sottosuolo diventa molto più grande rispetto all’evaporatore di una unità compatta a pompa di calore, in questo modo si aumenta la carica del refrigerante. Questi svantaggi sono stati risolti dai produttori e installatori dei sistemi ad espansione diretta. (Halozan e Rieberer 2002).

Un interessante progresso è stato realizzato da K. Mittermayr della M-tec Company, che ha ideato un tubo di calore basato su una sonda nel sottosuolo con CO₂ funzionante come fluido di scambio con il terreno e con i pozzi verticali profondi circa 100 m. Questo sistema di auto-circolazione è a livello ambientale pienamente compatibile - il fluido attivo è CO₂ e la sonda funziona senza olio e ha il vantaggio di non  richiedere pompe di circolazione. Il ciclo della pompa di calore è  fisicamente disaccoppiato dal ciclo di estrazione del calore, e dal ciclo di CO_2. (Fig.1)

Figura 1: Principio di funzionamento di un tubo di calore (termosifone a due fasi) e schema del sistema della pompa di calore

In generale le nuove costruzioni possiedono un isolamento termico migliore e i carichi termici sono ridotti in modo significativo. Un ulteriore passo è stato realizzato in quelle case chiamate passive, case che richiedono quantita’ di energia ultra-bassa: le perdite di trasmissione nel rivestimento degli edifici sono nella scala da 10 a 15 W/m². Alcuni edifici possono essere riscaldati usando un sistema di ventilazione controllata, che consiste in un collettore d’aria nel terreno, in uno scambiatore di calore e in una pompa di calore. L’aria fresca è preriscaldata nel collettore d’aria nel sottosuolo e nello scambiatore di calore per poi finire il suo riscaldamento nelle pompe di calore. L’aria di scarico è raffreddata nello scambiatore di calore e nell’evaporatore delle pompe di calore. Un ulteriore miglioramento può essere raggiunto usando una serpentina nel sottosuolo per evitare le perdite di congelazione/scongelazione della pompa di calore. L’SPF raggiungibile con questi sistemi che usano pompa di calore a CO₂ come fluido attivo e’ di circa 6. Questa sembra essere la soluzione per gli edifici a basso consumo energetico. (Rieberer e Halozan, 1997).

3. Sistemi di riscaldamento e raffrescamento

Il bisogno del condizionamento d’aria non dipende soltanto dal clima, dipende anche dalla grandezza e dall’utilizzo degli edifici; un punto addizionale è l’architettura, il vetro è moderno, e i guadagni solari possono diventare dei carichi termici molto veloci, che devono essere rimossi.

Ci sono tre tipi di clima che richiedono il condizionamento dell’aria, climi che hanno una temperatura media quotidiana maggiore di 24 gradi, climi con un tasso di umidita’ superiore al 65%, e climi, dove si combinano entrambe le tipologie. Nei grandi edifici commerciali i carichi termici interni dipendono dalle persone, dalle luci, dall’utilizzo di computer, etc. e può succedere che questi carichi termici debbano essere rimossi.

Le pompe di calore geotermiche accoppiate con un sistema a circuito secondario offrono la possibilità di riscaldare e refrigerare, per questa operazione il terreno è usato come magazzino reso accessibile dalle perforazioni verticali, da cavita’ verticali se  sono richieste per la fondazione degli edifici (Fig 2) o dalle falde (Fig.3).

Il calore iniettato, durante l’estate, aumenta la temperatura del suolo, e l’estrazione di calore durante tutto l’inverno offre la possibilità di refrigerazione diretta, senza l’operazione delle pompe di calore, usando solamente il portatore di calore, almeno all’inizio della stagione estiva. Dopo quindi la deumidificazione può essere realizzata con la pompa di calore. Questo significa che l’energia di riscaldamento e refrigerazione può essere immagazzinata all’inizio delle stagioni.

L’uso di sistemi a bassa exergia possono migliorare ulteriormente l’efficienza di questo sistema. Sistemi a bassa exergia, che sono i sistemi di distribuzione di calore con basse temperature durante le stagioni di riscaldamento, come i sistemi di riscaldamento a pavimento, e relativamente alta temperatura per le stagioni più fredde come i soffitti a raffreddamento, oppure le strutture di cemento attivo, possono aumentare notevolmente l’efficienza globale degli edifici. Per rendere efficienti i sistemi, la temperatura dell’acqua fredda deve essere mantenuta la più alta possibile e quella dell’acqua calda la più bassa possibile.

Per la deumidificazione sono necessari dai 6°C agli 8°C; la rimozione della carica di refrigerazione puo’ avvenire a 16°C o temperature superiori. Nel caso in cui si debbano usare due pompe di calore, una produrrà acqua fredda con una temperatura che va dai 6°C agli 8°C per la deumidificazione, mentre la seconda produrrà acqua fredda dai 16°C ai 20°C per la rimozione della carica di refrigerazione, entrambe combinandosi con le riserve termiche presenti nel terreno.

Un altro approccio è quello di usare un sistema DEC per la deumidificazione, dove la rigenerazione del disessicante (tipo il SilcaGel) è portata a termine dall’eccesso di calore prodotto dalle pompe di calore, che forniscono acqua fredda per la carica di refrigerazione. Con un simile progetto possono essere realizzati dei sistemi altamente efficienti.

4. Sommario

Le pompe di calore geotermico accoppiate hanno guadagnato un’importanza mondiale per quanto riguarda l’efficienza energetica nelle operazioni di riscaldamento e refrigerazione. Il suolo agisce come riserva e offre la possibilità di smorzare gli effetti delle oscillazioni della temperatura esterna, nei climi più freddi permette l’operazione monovalente di riscaldamento della pompa di calore.

I nuovi sviluppi, come il miglioramento delle unità a pompe di calore, delle pompe di calore a espansione diretta o delle pompe di calore unite a tubi di calore basate su sonde verticali, mostrano come ci sia ancora spazio per nuove idee,  necessarie per trovare soluzioni competitive e di successo nel futuro.