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Geotermia

Opzioni impiantistiche

Nessuna soluzione impiantistica deve essere considerata a priori migliore delle altre. Le diverse opzioni tecniche adottabili per gli impianti geotermici devono tener conto delle caratteristiche climatiche, geologiche e impiantistiche del luogo scelto per l’installazione.

Qui di seguito vengono fornite alcune indicazioni generali, individuandone anche i principali aspetti positivi e negativi, relative alle tre soluzioni più comuni:

1. Con sonde geotermiche verticali

2. Con collettori orizzontali

3. Ad acqua di falda e di superficie

1. Con sonde geotermiche verticali

Si tratta dell'unica soluzione tecnica che può essere propriamente definita "geotermica". Sfrutta il calore endogeno della terra, che al di sotto dei 15-20 metri di profondità non risente in nessun modo delle variazioni climatiche esterne e che a profondità di 100-200 metri presenta temperature fisse di 10-15 °C. Le sonde geotermiche verticali, quindi, utilizzano temperature del terreno costanti per tutto l'anno e che sono tanto più alte quanto più si scende in profondità.

Questo aumento progressivo e costante della temperatura del terreno all'aumentare della profondità -il cosiddetto "gradiente geotermico"- è mediamente pari a 2,5-3°C ogni 100 metri. Sulla terra, però, non mancano zone caratterizzate da "anomalie geotermiche", in cui il gradiente può essere pari anche a 30 °C ogni 100 metri di profondità. Queste zone, caratterizzate spesso da manifestazioni visibili dell'energia geotermica (vulcani, geysers, sorgenti calde), sono ideali per l'installazione di centrali geotermoelettriche.

Le sonde geotermiche verticali sono delle tubature in polietilene, dalla forma a “U”, che vengono installate nel suolo con l'ausilio di macchine trivellatrici. Le sonde possono essere installate a profondità variabili, anche a seconde delle caratteristiche geologiche del terreno,  con valori normalmente compresi tra i 70 e 130 metri (ma in alcuni casi anche superiori). Necessitano di una perforazione nel terreno di circa 10-15 cm di diametro, che una volta completata risulterà completamente invisibile.

Dopo che le tubazioni sono state inserite, lo spazio tra le sonde e il foro di perforazione viene riempito con una miscela composta normalmente di cemento e bentonite. La miscela, una volta solidificata, svolge delle funzioni fondamentali: aumenta lo scambio termico con il terreno, garantisce solidità strutturale alla colonna verticale e inoltre impermeabilizza il foro, impedendo così il passaggio di acqua tra due eventuali falde acquifere sovrapposte e scongiurando in questo modo possibili fenomeni di inquinamento idrico.

Schema impiantistico di un impianto geotermico con sonde verticali (fonte:www.ideaenergetica.it)

All’interno della sonda geotermica circola, a circuito chiuso, una soluzione di acqua e antigelo (conosciuta anche come “salamoia”), che in inverno assorbe il calore del terreno e lo cede alla pompa di calore geotermica, che provvede poi a distribuirlo all'edificio. In fase di raffrescamento estivo, avviene il processo opposto: il calore viene sottratto all'ambiente interno e, sempre tramite la pompa di calore, ceduto al terreno.

Tra tutte le opzioni impiantistiche, questa con sonde verticali offre le migliori prestazioni in fase sia di riscaldamento che di raffrescamento degli edifici. Le pompe di calore geotermiche più comunemente utilizzate in questi impianti sono le pompe acqua-acqua e salamoia-acqua.

La profondità a cui è installata la sonda dipende sia dalle caratteristiche specifiche del terreno, sia dalla potenza termica richiesta dall’edificio. Indicativamente, per riscaldare e raffrescare -con pannelli radianti- un edificio di 100 m², occorrono sonde geotermiche installate a circa 100 metri di profondità.

Vantaggi

• sorgente termica a temperatura costante e indipendente dalle condizioni esterne

• elevata efficienza in tutte le stagioni

• spazio ridotto per l’installazione

• impatto ambientale e visivo pari a zero

Svantaggi

• costi elevati per la trivellazione e la posa delle sonde

• spesso necessaria un’analisi geologica preventiva

2. Con collettori orizzontali

Si tratta di una soluzione che sfrutta il calore presente a bassa profondità nel terreno. Anche se spesso vengono definiti come “sonde geotermiche” orizzontali, in realtà si deve parlare più propriamente di “collettori” orizzontali.

Questa tecnologia infatti sfrutta una fonte di calore che in realtà non è propriamente geotermica, poiché dipende più dall’irraggiamento solare accumulato negli strati superficiali del terreno che dal calore endogeno del sottosuolo.


Schema impiantistico di un impianto geotermico con collettori orizzontali

I collettori, che sono degli scambiatori di calore in materiale plastico, sono interrati orizzontalmente a circa 1-2 metri di profondità, al di sotto del limite di congelamento. Già a queste basse profondità, la temperatura del terreno nel corso dell’anno è relativamente stabile, essendo compresa mediamente tra gli estremi 5-20 °C.

La temperatura del terreno superficiale nel corso dell’anno è più stabile rispetto a quella dell’aria (la sorgente utilizzata dalle pompe di calore ad aria), consentendo buoni rendimenti, anche se inferiori –specie d’inverno- rispetto agli impianti che utilizzano sonde geotermiche verticali.

All’interno dei collettori circola, a circuito chiuso, una soluzione di acqua e antigelo (conosciuta anche come “salamoia”), che assorbe il calore del terreno e lo cede alla pompa di calore geotermica. Le pompe di calore geotermiche più comunemente utilizzate in questi impianti sono le pompe acqua-acqua e salamoia-acqua.

La posa di collettori orizzontali richiede grandi superfici, che a seconda dei casi corrispondono dalle due alle tre volte la superficie interna da riscaldare/raffrescare. E’ fondamentale che i collettori vengano interrati in superfici erbose drenanti, non piantumate né  occupate da edifici o altri manufatti.

Vantaggi

• notevole semplicità impiantistica

• nessuna necessità di trivellazioni e verifiche geologiche

• costi contenuti

Svantaggi

• notevoli superfici richieste

• ridotta efficienza in fase di riscaldamento


3. L'acqua come sorgente termica

L’utilizzo dell’acqua come sorgente termica, in alternativa al terreno, merita alcune considerazioni preliminari.

In primo luogo la presenza di acqua deve essere vicina all’edificio in cui è installata la pompa di calore. Inoltre, diversamente dai sistemi con sonde verticali o con collettori orizzontali, al cui interno circola a circuito chiuso salamoia oppure acqua, negli impianti che utilizzano acqua di falda o di superficie, è l’acqua stessa che può fare sia da fluido termovettore che da sorgente termica.

In pratica, è possibile optare tra:

Sistemi a circuito chiuso: attraverso delle tubature immerse nell’acqua di falda o di superficie, il fluido termovettore –salamoia oppure acqua- assorbe calore che viene poi trasmesso alla pompa di calore, in modo analogo a quanto visto per le sonde verticali e i collettori orizzontali.

Sistemi a circuito aperto: il fluido termovettore è l’acqua stessa di falda o di superficie, che viene prelevata e successivamente, dopo essersi raffreddata scambiando con la pompa di calore, restituita alla falda oppure al bacino da cui è stata prelevata.

I sistemi a circuito aperto necessitano di attente valutazioni e analisi, in primis sulla qualità dell’acqua. Esistono infatti concreti rischi di danneggiamento dell’impianto, dovuti a fenomeni di corrosione e alla presenza di detriti.

Vediamo quindi le due principali soluzioni impiantistiche.

Ad acqua di falda

L'utilizzo geotermico dell’acqua di falda risulta particolarmente interessante quando questa risorsa si trova a profondità di 20-30 metri. In queste condizioni l’acqua presenta temperature medie di 9-12 °C, che sono quindi normalmente più alte rispetto alle temperature medie annuali esterne e assicurano buoni rendimenti alla pompa di calore.

Poiché la configurazione impiantistica più comune prevede l’utilizzo dell’acqua di falda a circuito aperto, è indispensabile verificare, tramite analisi preventive di laboratorio, oltre alla qualità anche la quantità d’acqua disponibile, al fine di evitare impatti negativi sulla falda acquifera.

Normalmente è prevista per legge la reimmissione in falda dell’acqua prelevata: per questo motivo, vanno realizzati due pozzetti, uno di estrazione e l’altro di iniezione dell’acqua di falda.

Schema impiantistico di un impianto geotermico ad acqua di falda dotato di due pozzetti e a circuito aperto
 
Gli impianti geotermici ad acqua di falda sono particolarmente validi per edifici di medie e grandi dimensioni, anche in considerazione del fatto che oltre al consumo imputabile alla pompa di calore, occorre prevedere una pompa elettrica per l’estrazione dell’acqua. Il costo di realizzazione di questi impianti è mediamente più alto rispetto a quelli con sonde verticali.


Ad acqua di superficie

L’utilizzo geotermico dell’acqua di superficie, seppur poco frequente, può essere un’opzione praticabile per tutti gli edifici situati nei pressi di fiumi, laghi o stagni. Anche se presenta variazioni maggiori rispetto all’acqua di falda, tuttavia anche l’acqua di superficie mantiene temperature relativamente costanti nel corso dell’anno, assicurando buoni rendimenti.

La presenza di detriti –e il conseguente obbligo di installazione di filtri- costituisce uno dei problemi più frequenti per gli impianti di questo tipo realizzati a circuito aperto, cioè con il pescaggio e la reiniezione dell’acqua. L’adozione di circuiti chiusi, con le tubazioni immerse all’interno del bacino idrico, può risolvere i problemi legati alla scarsa purezza della risorsa idrica.

La figura sottostante rappresenta in maniera semplificata la differenza tra la soluzione a circuto aperto e quella a circuito chiuso.


Le due possibili soluzioni adottabili in presenza di acque di superficie
(fonte:www.impiantigeotermici.it)
 
Il costo di questi impianti è molto variabile, poiché dipende da una serie di fattori specifici, difficilmente stimabili a priori. In condizioni favorevoli, vista anche l’assenza di complesse opere di scavo, il costo di realizzazione può essere anche molto vantaggioso.
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