Geotermia

DEFINIZIONE

È la scienza (dal greco terra e calore) che si occupa del calore accumulato nel sottosuolo: calore che ha origine principalmente dal decadimento di sostanze radioattive presenti nelle rocce. Questo calore è in grado di mantenere, all’interno della terra, temperature che mediamente crescono con la profondità di circa 30°C ogni 1.000 m e che, nel nucleo centrale, superano i 6.500°C. Le variazioni di temperatura con la profondità non sono tuttavia sempre costanti, specie se le configurazioni geologiche del terreno sono come quelle che danno origine alle acque termali, alle fumarole e ai soffioni caldi.

L’energia geotermica può essere utilizzata in vari modi ed è normalmente così classificata:

• Geotermia ad alta energia Utilizza acqua surriscaldata e vapori a più di 180°C e serve a produrre direttamente energia elettrica. Il primo impianto di questo tipo è stato realizzato a Larderello (Pisa) nel 1906.
• Geotermia a media energia Utilizza acqua surriscaldata e vapori a temperature comprese fra 100 e 180°C. Con l’aiuto di un fluido intermedio serve a produrre energia elettrica.
• Geotermia a bassa energia Utilizza calore a temperature comprese fra 30 e 100°C. Serve per il teleriscaldamento, per stabilimenti termali e per processi tecnologici.
• Geotermia a energia molto bassa Utilizza calore a temperature inferiori a 30 °C e serve soprattutto ad alimentare pompe di calore.

COLLETTORI ORIZZONTALI INTERRATI

Sono impianti che utilizzano il calore che si trova accumulato negli strati più superficiali della terra: calore che, fino ad una profondità di 5 metri, si trova disponibile a temperature variabili da 8 a 13°C (ved. diagramma). Questo calore deriva soprattutto dal sole e dalle piogge. Infatti, fino ad una profondità di 5 metri, l’energia geotermica non dà alcun contributo significativo, in quanto apporta meno di 1 caloria ogni 10 metri quadrati di terreno. Pertanto bisogna installare di questi collettori in zone dove può arrivare, senza alcun impedimento, il calore proveniente dal sole e dalle piogge. A tal fine, non si deve coprire il terreno sotto cui sono posti i collettori con costruzioni (garages, prefabbricati, porticati) e neppure con pavimenti impermeabilizzati o con terrazze. Si deve anche evitare che piante, siepi o altri arbusti possano creare significative zone d’ombra.
Questi collettori possono essere realizzati con tubi in polietilene, polipropilene o polibutilene, posti in opera ad una profondità variabile da 0,8 a 2,0 m. Nei tubi è fatto circolare un fluido composto da acqua e antigelo. Lo sviluppo dei collettori può essere del tipo a serpentini o ad anelli e deve rispettare le seguenti distanze minime:

• 2,0 m dalle zone d’ombra indotte da edifici confinanti, muri di cinta, alberi, siepi o altri impedimenti;
• 1,5 m dalle reti degli impianti interrati di tipo non idraulico: reti elettriche, del telefono e del gas;
• 2,0 m dalle reti degli impianti interrati di tipo idraulico: reti dell’acqua sanitaria, delle acque di scarico e piovane;
• 3,0 m da fondazioni, recinzioni, pozzi d’acqua, fosse settiche, pozzi di smaltimento e simili;

Nel progettare i sistemi di captazione del calore bisogna evitare non solo sottodimensionamenti, ma anche sovradimensionamenti: cioè, bisogna evitare soluzioni che possono rubare troppo calore al sottosuolo. Un raffreddamento eccessivo del terreno può infatti provocare gravi conseguenze, sia per il funzionamento della pompa di calore sia per la vegetazione, specie nel caso di congelamento delle radici.

COLLETTORI A SERPENTINI

Sono normalmente posti a profondità variabili da 0,8 a 1,2 metri. Se realizzati con tubi in PE-X, si utilizzano i diametri 20/16 e 25/20,4. Sono collettori che richiedono ampie superfici da lasciare a prato, equivalenti a circa due o tre volte la superficie da riscaldare. Per non raffreddare troppo il terreno, i serpentini vanno realizzati con ampi interassi: da 40 a 50 cm. Il dimensionamento di questi collettori si effettua in base alla resa termica del terreno, che è influenzata soprattutto dalla sua compattezza e dalla quantità d’acqua che in esso si ritrova È consigliabile considerare salti termici di 3-4°C. Inoltre è bene non superare lunghezze di 100 metri con i singoli serpentini, per evitare perdite di carico troppo alte: cioè per non ridurre troppo la resa globale dell’impianto. Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi connessi all’uso di antigelo. Con una pompa di calore che ha in dotazione il circolatore per la sorgente fredda, perdite di carico e portata dei collettori devono essere compatibili con le prestazioni di tale circolatore.

COLLETTORI AD ANELLI

Sono posti su più piani e a profondità variabili da 0,6 a 2,0 metri. Se realizzati con tubi in PE-X, si utilizzano i diametri 20/16 e 25/20,4. Rispetto ai collettori con serpentini, occupano minor superficie di terreno e richiedono minor movimenti di terra. Gli anelli possono essere chiusi o aperti. Mentre i fossi possono svilupparsi con geometrie molto varie, in relazione al tipo e all’estensione del terreno disponibile. Con fossi del tipo sotto rappresentato, i collettori ad anelli devono svilupparsi su piani (in genere 2, 3 o 4) fra loro distanti non meno di 40 cm e il il calore asportabile da ogni metro di tubo può considerarsi uguale a quello riportato nella tabella relativa ai collettori con serpentini. Anche il dimensionamento degli anelli è in pratica uguale a quello dei serpentini. Va tuttavia considerato che la lunghezza degli anelli è correlata a quella dei fossi e quindi può superare anche i 100 m. In tali casi si devono adottare tubi con diametri in grado di mantenere le perdite di carico entro limiti accettabili: vale a dire entro limiti non troppo penalizzanti per la resa globale dell’impianto.

SONDE GEOTERMICHE

Sono impianti che utilizzano il calore disponibile nel sottosuolo fino ad una profondità di 200 metri e anche oltre. Tale calore, fino a 15 metri, è fornito essenzialmente dal sole e dalle piogge. Poi, dai 15 ai 20 metri, questi apporti si riducono fino quasi ad annullarsi, ed inizia a dare un significativo contributo l’energia geotermica. Infine, oltre i 20 metri, è in pratica solo quest’ultima forma di energia a rifornire di calore il sottosuolo, facendone aumentare la temperatura di circa 3°C ogni 100 metri di profondità. Il disegno sotto riportato serve ad evidenziare i contributi delle varie forme di energia. Le sonde geotermiche (cioè le sonde che derivano dal sottosuolo calore di natura essenzialmente geotermica) sono realizzate con perforazioni il cui diametro varia da 100 a 150 mm. Nei fori, vengono poi inseriti uno o due circuiti ad U, realizzati con tubi in PE ad alta resistenza (in genere con diametri DN 32 e DN 40) specifici per applicazioni geotermiche. Per facilitare il loro inserimento nei fori, questi circuiti sono zavorrati con appositi pesi a perdere di 15-20 Kg. Dopo la posa dei circuiti, il vuoto che sussiste tra le pareti dei fori e i tubi dei circuiti è riempito con una sospensione a base di cemento e sostanze inerti. Per poter ottenere un riempimento in grado di assicurare un buon contatto, e quindi un buon scambio termico, fra il sottosuolo e i tubi delle sonde in genere si ricorre ad una soluzione di cemento e bentonite. La soluzione è iniettata dal basso verso l’alto con l’aiuto di un tubo supplementare inserito nel foro della sonda (ved. relativo disegno). Nei circuiti è infine fatto circolare un fluido composto da acqua e antigelo. Le sonde devono essere realizzate ad una distanza minima dall’edificio di 4-5 m (eventualmente da far verificare ad un Geologo) per evitare danni alle fondazioni. Se si realizzano più sonde bisogna prevedere fra loro una distanza di almeno 8 m, per evitare interferenze termiche: cioè per evitare che le sonde si rubino vicendevolmente calore, diminuendo così la loro resa termica globale.
Per realizzare queste sonde vanno comunque adottate tecniche e precauzioni che esigono l’intervento di imprese specializzate. Bisogna inoltre attenersi alle prescrizioni che riguardano il rispetto del sottosuolo. Il dimensionamento delle sonde si effettua in base alla resa termica del sottosuolo (ved. tabella). In genere si può considerare una resa termica media di 50 W per ogni metro di sonda. È consigliabile prevedere salti termici di 3-4°C e scegliere diametri dei circuiti interni che non comportano perdite di carico troppo elevate. Nel determinare le perdite di carico va considerata sia la temperatura di lavoro del fluido sia gli incrementi connessi all’uso di antigelo. Con una pompa di calore che ha in dotazione il circolatore per la sorgente fredda, perdite di carico e portata delle sonde devono essere compatibili con le prestazioni di tale circolatore.

Fonte: rivista idraulica - Caleffi

Pompe di calore

BREVE STORIA

La storia delle pompe di calore, in pratica, ha inizio solo con la crisi petrolifera del 1973 che portò i costi dei combustibili a livelli molto elevati. Fu questa crisi a ben evidenziare che, in certi casi, può convenire derivare calore da una sorgente fredda piuttosto che produrlo direttamente, cioè che può convenire usare una pompa di calore piuttosto che una caldaia. Le pompe di calore si diffondono tuttavia in modo significativo solo dopo i primi anni del 2000, vale a dire solo quando, oltre al problema del costo dei combustibili, cominciano ad entrare in gioco anche i problemi ambientali cioè problemi connessi al fatto che bruciando i combustibili si immettono nell’atmosfera polveri sottili e sostanze tossiche pericolose per la nostra salute e quella del nostro pianeta. È tutto ciò ha indotto, e sta inducendo, diversi paesi ad incentivare l’uso di impianti (per climatizzare ambienti e produrre acqua calda) alternativi a quelli con combustibili.

FUNZIONAMENTO

Le pompe di calore sono essenzialmente costituite da un circuito chiuso entro cui viene continuamente compresso e fatto espandere un apposito fluido, chiamato intermedio o frigorigeno. Ad ogni compressione ed ad ogni espansione (cioè ad ogni ciclo di lavoro) il fluido intermedio ruba un pò di calore al fluido freddo e lo cede a quello caldo. Quale fluido intermedio non si usa l’aria perché, pur essendo un fluido sicuro dal punto di vista ambientale e a costo nullo, comporta cicli di lavoro con resa termica molto bassa. Si usano, invece, fluidi che evaporano quando il calore viene assorbito e che condensano quando il calore viene ceduto. Tali passaggi di stato fanno infatti aumentare notevolmente la quantità di calore che ogni ciclo di lavoro è in grado di assorbire e di cedere. Invertendo i cicli di lavoro, queste macchine, possono essere utilizzate sia per riscaldare sia per raffreddare. Nel primo caso sono chiamate pompe di calore, nel secondo macchine frigorifere. Tuttavia si tratta di una differenza solo nominale. Il disegno sotto riportato evidenzia i principali componenti di una pompa di calore e la loro funzione.

SORGENTI DI CALORE UTILIZZABILI

Per alimentare il lato freddo delle pompe di calore si possono utilizzare diversi tipi di sorgente. La scelta dipende essenzialmente dai seguenti aspetti e fattori:

• le caratteristiche dell’ambiente esterno,
• le possibili limitazioni d’ordine normativo,
• le prestazioni richieste,
• il costo dell’impianto,
• i tempi di ritorno del maggior investimento.

Di seguito sono esaminate le sorgenti normalmente utilizzate e le loro caratteristiche principali.

Aria

Come sorgente di calore può essere utilizzata sia l’aria esterna sia l’aria interna di ricambio. L’aria esterna è sempre disponibile, non richiede mezzi di captazione costosi e per il suo uso non servono autorizzazioni. Tuttavia con temperature al di sotto dei 5-6°C, le prestazioni delle pompe di calore si abbassano molto e può essere necessario adottare sistemi integrativi del calore. Per l’aria di ricambio (normalmente disponibile a circa 20°C) non esistono gli inconvenienti di cui sopra, è però disponibile solo in quantità limitate.

Acque di superficie

Anche le acque del mare, dei laghi, dei corsi d’acqua e degli stagni possono essere utilizzate come sorgenti di calore. Va però considerato che, nei mesi più freddi, queste acque possono trovarsi a temperature molto basse e anche gelare. Pertanto, come nel caso dell’aria esterna, il loro uso può richiedere sistemi integrativi del calore.

Sottosuolo

Nel sottosuolo si trova accumulata una notevole quantità di energia, di origine soprattutto solare e geotermica. L’energia solare è accumulata a bassa profondità, mentre l’energia geotermica è prevalentemente accumulata nelle zone più profonde. L’energia del sottosuolo può essere utilizzata con l’aiuto dei seguenti mezzi:

• Acque di falda
• Collettori orizzontali - sono realizzati con tubi in materiale plastico e derivano calore da bassa profondità.
• Sonde verticali - sono realizzate inserendo tubi in materiale plastico in fori profondi 100-200 m.
• Pali energetici - sono realizzati inserendo tubi in materiale plastico nei pali di cemento delle fondazioni.

IMPIANTI DI RISCALDAMENTO UTILIZZABILI CON POMPE DI CALORE

Le prestazioni delle pompe di calore aumentano col diminuire della differenza di temperatura fra la sorgente fredda e il fluido caldo. Pertanto è bene riscaldare con basse temperature. In relazione a tale aspetto, i normali impianti di riscaldamento presentano i seguenti vantaggi e svantaggi:

• Impianti a pannelli radianti. Sono impianti che consentono un buon utilizzo delle pompe di calore in quanto funzionano a basse temperature. È bene comunque abbassare il più possibile tali temperature. Il che si può ottenere adottando pannelli con piccoli interassi (10-15 cm).
• Impianti a radiatori. Sono impianti adottabili dove non è possibile utilizzare i pannelli. Può essere, ad esempio, il caso di ristrutturazioni o di interventi di tipo conservativo. Il principale limite degli impianti a radiatori è dovuto al fatto che per poter funzionarea basse temperature richiedono soluzioni molto ingombranti. Ad esempio, se un radiatore a 80°C (temperatura media) emette 1.000 kcal/h, a 45°C ne emette solo 320, il che porta a notevoli sovradimensionamenti. Un altro limite è dovuto all’impossibilità di raffrescare coi radiatori.
• Impianti a ventilconvettori. Questi impianti sono normalmente utilizzati per climatizzare uffici, negozi, alberghi, case di cura. I ventilconvettori usati con pompe di calore devono essere comunque in grado di poter funzionare a basse temperature (40-45°C). Inoltre, se installati in camere, vanno adottati modelli con ventilatori a bassa rumorosità.
• Impianti ad aria. Sono impianti che possono essere realizzati con pompe di calore aria-aria o aria-acqua. Nel primo caso la pompa di calore alimenta direttamente i canali di distribuzione interna dell’aria. Nel secondo caso, invece, la pompa di calore fornisce l’acqua calda che serve ad alimentare una centrale di trattamento aria.

Fonte: rivista Idraulica - Caleffi

Impianto radiante

BREVE STORIA

Periodo antico

Già molti anni prima della nascita di Cristo, Cinesi, Egiziani e Romani utilizzarono il riscaldamento a pavimento nelle loro abitazioni e nei locali pubblici. La tecnica di base era molto semplice: si costruivano focolari interrati e si facevano passare i fumi in condotti ricavati sotto i pavimenti.

Periodo 1900-1945

È questo il periodo in cui furono realizzati i primi impianti di riscaldamento con tubi annegati sotto il pavimento: vale a dire con una tecnica sostanzialmente analoga a quella attuale. Tuttavia, fino alla fine della seconda guerra mondiale furono pochi gli interventi così realizzati: qualche grande salone e alcune chiese; decisamente troppo poco per stabilire la validità o meno di questi nuovi impianti.

Periodo 1945-1950

In questi primi anni del dopoguerra, nei paesi europei furono realizzati più di 100.000 alloggi con impianti a pannelli. I tubi erano in acciaio e venivano annegati direttamente nelle solette senza alcuna interposizione di materiale isolante. Erano impianti che costavano decisamente meno di quelli a radiatori, inoltre richiedevano minor assistenza muraria, non intralciavano le opere di finitura ed evitavano qualsiasi operazione di verniciatura. Erano, però, anche impianti su cui non era mai stata condotta alcuna seria analisi per verificare se erano capaci o meno di offrire prestazioni accettabili. E questa carenza fu pagata a caro prezzo. Ben presto, infatti, chi prese possesso di queste case cominciò a lamentare mal di testa, gonfiore di gambe ed eccessiva sudorazione: stati di disagio e di malessere che Commissioni, appositamente istituite, attribuirono a 3 cause:

1. temperature troppo alte a pavimento, dovute allo scarso isolamento degli alloggi;
2. inerzia termica dei pavimenti troppo elevata, dovuta al fatto che i pannelli (senza isolamento sotto) scaldavano l’intera soletta;
3. inadeguatezza della regolazione, che in pratica si effettuava solo manualmente.

E a queste cause si deve non solo il cattivo funzionamento degli impianti a pannelli negli anni Cinquanta, ma anche la cattiva fama che per molti anni ha ostacolato la loro diffusione.

La riscoperta degli anni settanta

Agli inizi degli anni Settanta le cause di cui sopra furono rimosse, grazie:

1. norme sul contenimento dei consumi energetici,
2. all’uso di materiale isolante sotto i tubi,
3. all’utilizzo di validi sistemi di regolazione.

Si ebbe, quindi, una riscoperta degli impianti a pannelli, anche se ancora “frenata” dalle paure legate agli insuccessi del periodo precedente.

Anni 2000

Quelli che stiamo vivendo sono probabilmente gli anni della definitiva affermazione degli impianti a pannelli. Ormai non servono più lunghi discorsi per convincere un committente ad adottarli. Anzi, spesso è il committente stesso a richiederli: cosa del tutto improbabile fino a qualche anno fa. Inoltre, più che gli scritti e i convegni (che pur hanno avuto e hanno la loro importanza) il mezzo più efficace, per la loro diffusione, è ora rappresentato dai numerosi interventi realizzati. Questi interventi, infatti, con l’indubbia rilevanza dei risultati direttamente verificabili sul campo, possono validamente allontanare dubbi e paure e, nello stesso tempo, dar testimonianza delle elevate prestazioni e dei vantaggi ottenibili.

BENEFICI GENERALI

Sono essenzialmente i benefici connessi a due fattori: il benessere termico e il risparmio energetico.

Benessere termico

Nei diagrammi sottoriportati è indicata la curva ideale temperatura/altezza del benessere termico. Tale curva, ricavata sperimentalmente, ci dice che per avere condizioni termiche ideali si deve mantenere un pò più calda l’aria a pavimento e un pò più fredda quella a soffitto. Sempre dai diagrammi è possibile dedurre che sono proprio gli impianti a pannelli quelli più idonei ad offrire simili condizioni. E i motivi sono essenzialmente due:

1. la specifica posizione dei pannelli, che consente di mantenere l’aria più calda in prossimità del pavimento;
2. il fatto che il calore è ceduto soprattutto per irraggiamento: cosa che evita il formarsi di correnti d’aria calda a soffitto e fredda a pavimento.

Risparmio energetico

Rispetto ai sistemi di riscaldamento tradizionali, gli impianti a pannelli (a pari sensazione di caldo) consentono di mantenere l’aria ambiente ad una temperatura più bassa di circa 1÷2°C. E questo comporta sensibili risparmi energetici. Inoltre gli impianti a pannelli, dato che funzionano a bassa temperatura, consentono di ottenere elevati rendimenti quando si utilizzano pannelli solari, pompe di calore e caldaie a condensazione.

Fonte: rivista Idraulica - Caleffi

Energia Rinnovabile

L'efficienza energetica di una abitazione è il frutto di una giusta alchimia fra la performance dell'involucro edilizio e il giusto bilanciamento dell'impiantistica. Lo staff di Abitazioni Ecologiche è particolarmente sensibile alle problematiche ambientali e prediligie l'uso delle energie alternative senza perdere d'occhio il giusto rapporto costi/benefici.

L'impianto di riscaldamento e raffrescamento è normalmente costituito da elementi radianti a pavimento e/o soffitto alimentati a bassa temperatura dalle seguenti possibili opzioni:

• Caldaia a condensazione integrabile con vasca di accumolo per l'acqua calda sanitaria e per il riscaldamento collegata a sua volta a pannelli solari termici - impianto fotovoltaico opzionale
• Pompa di calore (tradizionale o geotermica) alimentata da panneli fotovoltaici e integrata con vasca di accumolo per l'acqua calda sanitaria e per il riscaldamento collegata a sua volta a pannelli solari termici - allacciamento gas non necessario.

In entrambi i casi è possibile prevedere l'installazione di un impianto di ventilazione forzata centralizzato con controllo dell'umidità interna.

In entrambi i casi l'impianto è integrabile con fonti di calore a biomassa tipo camino, stube, stufa a legna o a pellets.