In aggiunta a tutte le indicazioni tecniche già incluse nel manuale di progettazione per le unità geotermiche GAHP-GS, vogliamo qui focalizzare l’attenzione sul risparmio in termini di lunghezza delle sonde raggiungibile grazie alla tecnologia ad assorbimento.
Come noto a chiunque si è occupato di geotermia, la realizzazione del sistema di scambio con il terreno costituisce la voce di spesa di gran lunga più rilevante, potendo superare già su impianti abbastanza piccoli il costo stesso della macchina necessaria per sfruttare il calore recuperato dal suolo (a livello indicativo il costo del sistema va dai 50 €/m ai 150 €/m di profondità). Questo evidenzia in maniera ovvia come un risparmio sul costo di realizzazione del sistema geotermico sia molto più interessante di qualunque sconto si possa ottenere sulla macchina.
Tale costo elevato è dovuto a numerosi motivi, tra i quali il fatto che per sfruttare al meglio il calore del suolo è necessario che la maggior parte dello scambio termico avvenga a profondità superiori ai 20 metri. La maggioranza delle installazioni vengono infatti realizzate con pozzi geotermici da circa 100 metri ciascuno. Questo valore dipende in maniera sostanziale dal tipo di terreno e può aumentare considerevolmente per terreni sabbiosi e incoerenti, o diminuire per terreni rocciosi e compatti.
Ci sono società che propongono di realizzare sistemi geotermici a sonde orizzontali, mantenendo quindi limitate profondità e quindi limitati costi di installazione. Non va dimenticato tuttavia che la fonte geotermica offre il massimo del suo potenziale quando si scende sotto i 20 metri di cui sopra (potendo sfruttare anche il flusso geotermico), mentre a profondità inferiori si manifesta in modo sempre più evidente l’influenza delle condizioni climatiche esterne, riducendo in modo drastico l’efficienza del sistema e comportando quindi la necessità di sistemi di sonde sempre più estesi.
Allo stesso modo la realizzazione di edifici con pali energetici, se può sembrare un interessante risparmio sui costi di installazione, comporta tuttavia un considerevole stress termico sulle strutture di fondazione, il cui effetto sul lungo periodo (10-20 anni) non è mai stato oggetto di approfonditi studi scientifici.
Come si può vedere dal grafico, le pompe di calore ad assorbimento per applicazioni geotermiche GAHP-GS hanno prestazioni del tutto equivalenti (quando non leggermente superiori) alle equivalenti pompe di calore elettriche geotermiche, quale è quindi il vantaggio nella scelta della soluzione ad assorbimento?
Tralasciamo per il momento la sostanziale riduzione dell’impegno elettrico (una pompa di calore GAHP-GS da oltre 40 kW termici assorbe 470 W elettrici, contro diversi kW per una pompa di calore elettrica), la maggiore affidabilità (dovuta all’assenza del compressore) e altri vantaggi tecnici, per concentrarci sul risparmio in lunghezza delle sonde, che per quanto esposto sopra riveste importanza cruciale.
La figura ci aiuta a capire come utilizzando il sistema elettrico abbiamo sì un maggiore sfruttamento dell’energia rinnovabile geotermica, ma questo comporta inevitabilmente un sistema di scambio geotermico molto più esteso, e quindi molto più costoso.
Considerando in primissima approssimazione (valutazioni di questo genere devono essere fatte da personale specializzato, attraverso le opportune verifiche del terreno in situ) uno scambio termico medio per sonde verticali pari a 50 W/m risultano per il sistema ad assorbimento (12400 / 50 = 248) metri di sonde. Per il sistema elettrico invece sono necessari ben (28500 / 50 = 570) metri di sonde. A fronte di un costo per metro di profondità dai 50 ai 150 €/metro, questo si traduce in un risparmio con il sistema ad assorbimento che va dai 16.100 ai 48.300 euro. Decisamente superiore al costo di acquisto dell’unità GAHP-GS!
In realtà come sappiamo (sempre dal manuale di progettazione), la progettazione di un sistema geotermico viene fatta sullo scambio energetico e non solo sul bilancio di potenza. Questo perché il terreno non risponde in maniera istantanea alla richiesta termica, ma è caratterizzato da notevole inerzia, quindi anche il dimensionamento ragiona sull’energia e non sulla potenza.
E se l’impianto non deve funzionare solo in inverno ma anche in estate? In tal caso leggendo semplicemente i dati tecnici sembra che il sistema ad assorbimento debba smaltire una potenza maggiore di quello elettrico e risulti quindi più penalizzato. Per evitare questo errore è fondamentale, come descritto sopra, considerare che il sistema geotermico va dimensionato sull’energia scambiata e non sulla potenza. Quindi normalmente alle latitudini italiane l’energia scambiata nella stagione invernale, a causa di un periodo di funzionamento dell’impianto molto maggiore, è decisamente superiore rispetto a quella scambiata nella stagione estiva, in cui il tempo di funzionamento è limitato ai tre mesi estivi, consentendo di progettare correttamente (salvo casi particolari) il sistema per il funzionamento invernale anche quando è richiesto anche il raffrescamento estivo, sfruttando pienamente i vantaggi del sistema ad assorbimento già descritti.
NOTE:
- Attenersi sempre alle normative locali o nazionali in vigore per lo specifico caso in esame.
- Nell’ottica del miglioramento continuo che da sempre guida la filosofia aziendale ogni contributo o suggerimento volto al miglioramento di questo documento è benvenuto e può essere indirizzato ai nostri specialisti.
- Tutte le parole che figurano sottolineate sono collegamenti ad altri contenuti, che non saranno quindi disponibili qualora il documento venga stampato.
- I presenti contenuti hanno carattere di indicazione tecnica. Non sono quindi da intendersi quali indicazioni esecutive e in nessun caso Robur S.p.A. potrà essere responsabile qualora queste indicazioni siano adottate senza il previo parere favorevole di un progettista abilitato, su cui ricade per legge la responsabilità delle scelte progettuali.
Profondità per lo scambio termico
La figura mostra come le differenze stagionali di temperatura si annullino sostanzialmente sotto i 18 m di profondità, e già sotto i 10 metri siano sostanzialmente contenute entro 1°C di escursione termica stagionale.
In aggiunta a questo non va dimenticato che scendendo in profondità il flusso geotermico, ovvero il calore trasmesso per conduzione dal nucleo terrestre (o da altri centri caldi presenti in profondità) attraverso gli strati geologici, diventa più intenso e contribuisce quindi in maniera “attiva” a scaldare il sistema di scambio geotermico.
Quindi in aggiunta alla stabilità stagionale della temperatura una sonda a profondità maggiore viene “scaldata” dal suolo in ragione di un gradiente che varia, a seconda del tipo di terreno, da 0,1 K/m a 0,017 K/m.
Flusso geotermico
In ogni punto della superficie terrestre è presente un flusso di calore che, proveniente dal mantello terrestre (strato semifluido di roccia ad elevate temperature), si trasmette per conduzione attraverso le formazioni rocciose della crosta terrestre. L’intensità del flusso geotermico è legata alla profondità alla quale nel punto considerato si trova il mantello terrestre e determina un gradiente di temperatura che varia generalmente da 0,10 K/m a 0,0167 K/m. Il fenomeno fisico brevemente descritto consente di ottenere migliori prestazioni di scambio termico in profondità nelle sonde geotermiche, in ultima istanza quindi ottimizza l’efficienza dei sistemi in pompa di calore. Tale fenomeno è chiaramente sfruttabile solo se il sistema geotermico utilizzato prevede l’adozione di sonde geotermiche verticali di idonea profondità, mentre è assolutamente trascurabile nel caso di sonde geotermiche orizzontali o pali energetici.
Pali energetici
Dove sono previsti e dove è possibile, possono essere utilizzati anche i pali di fondazione delle strutture edili per realizzare degli scambiatori di calore geotermici. La struttura metallica del palo di fondazione viene armata con tubazioni di polietilene prima che questa venga annegata nel calcestruzzo che realizzerà le fondazioni dell’edificio. Tali scambiatori di calore vengono definiti in gergo tecnico “pali energetici”, e risultano economicamente vantaggiosi (a livello di costo di installazione del sistema geotermico) ove questi siano già previsti. Spesso tuttavia non sono sufficienti per il fabbisogno del sistema geotermico e vanno quindi integrati con sonde geotermiche tradizionali orizzontali o verticali.
Confronto efficienza
Nel grafico è evidenziato come l’efficienza all’energia primaria delle pompe di calore elettriche geotermiche (riferite alla condizione di esercizio B0W50, COP nominale pari a 4,0) sia di poco inferiore a quella delle pompe di calore ad assorbimento equivalenti GAHP-GS. Ai fini energetici quindi i due sistemi possono essere considerati paritetici.
Energia primaria
Una fonte di energia è definita primaria quando è presente in natura e non deriva quindi dalla trasformazione di nessuna altra fonte di energia. Quindi secondo questa definizione il gas è fonte di energia primaria, mentre l'energia elettrica non è considerata fonte di energia primaria (in quanto derivante da trasformazione di altre fonti di energia).
Per confrontare quindi tra loro macchine che utilizzano fonti di energia diverse è quindi necessario fare riferimento all'efficienza all'energia primaria, ovvero al consumo energetico originale che è stato necessario per produrre l'energia utilizzata direttamente dalla macchina.
Per le unità a gas ovviamente questa conversione non si applica, in quanto usano direttamente energia primaria, mentre per le unità elettriche bisogna applicare un fattore di conversione.
Tale fattore (indicato con la lettera η nelle formule) è stato recentemente normato dalla Comunità Europea (attraverso il lavoro della Commissione) attraverso la Direttiva 2009/28/CE "RES - Renewable Energy Sorces", recepita dallo Stato Italiano con la legge 96/10 del 4 giugno 2010 e con il DL 28 del 03/03/2011.
Il valore da utilizzare per il coefficiente η secondo la Direttiva è definito da Eurostat e attualmente è pari a 0,4 per la conversione da energia elettrica a energia primaria, e 2,5 per la conversione opposta.
Per le unità a gas (metano o GPL) il valore del coefficiente η è posto per convenzione pari a 1.
Quindi per passare da COP a GUE o viceversa queste sono le formule da applicare:
COPGAHP = GUEGAHP x 2,5 conversione da energia primaria (gas) a energia elettrica
GUEelettrico = COPelettrico x 0,4 conversione all'energia primaria da energia elettrica
La seconda formula è quella usualmente impiegata per confrontare le caratteristiche delle unità elettriche con quelle delle unità equivalenti a gas.
Riduzione sonde
Dalla figura si evince come la maggior parte (65%) dell’input energetico per la pompa di calore a gas ed energia rinnovabile geotermica GAHP-GS derivi dalla combustione del gas, e la restante quota parte (35%) derivi dal recupero di calore dal terreno. Quindi a fronte di una potenza termica resa di 37,7 kW avremo 12,4 kW di potenza da recuperare dal terreno.
Per una pompa di calore elettrica con COP 4 e potenza resa 38 kW, ad esempio, l’input energetico sarà di (38/4 = 9,5 kW) di energia elettrica e (38 – 9,5 = 28,5 kW) di energia rinnovabile derivante da recupero di calore dal terreno.
Se addirittura il COP fosse pari a 5 avremmo, sempre a fronte di 38 kW di potenza resa, (38/5 = 7,6 kW) di energia elettrica e (38 – 7,6 = 30,4 kW) da energia rinnovabile geotermica.
Quindi a fronte di un aumento del COP bisogna allestire un sistema di scambio geotermico sempre più performante.
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