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Caratteristiche tecniche - Caleffi

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Poste Italiane Sped. in A.P. – D.L. 353/2003, conv. L. 46/2004, art. 1, c. 1 – DCB Roma – Supplemento al n. 21 del 22 novembre 2011 di Ambiente&Sicurezza<br />

I S U P P L E M E N T I<br />

Quindicinale di documentazione giuridica, pratica professionale e tecnica<br />

GEOTERMIA<br />

Elementi tecnici e casi applicativi<br />

in collaborazione con<br />

n. 3 - 2011<br />

www. ambientesicurezza.ilsole24ore.com


AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

Interessante il confronto tra sistemi a sonde verticali e a sonde orizzontali<br />

Due sono le soluzioni per impianti geotermici per applicazioni residenziali: l’utilizzo o di<br />

sonde orizzontali in polietilene ad alta densità, che utilizzano il calore accumulato negli<br />

strati più superficiali della terra o di circuiti chiusi verticali che si sviluppano in profondità<br />

con lunghezze variabili da 20 a 150 m e beneficiano della temperatura pressoché costante del<br />

sottsuolo, Interessante sul punto è analizzare una ricerca nell’ambito della quale sono stati<br />

installati entrambi i sistemi al fine di poter confrontare le due tecnologie diverse sul piano<br />

dell’applicabilità e delle prestazioni con la possibilità di quantificare correttamente la quantità di<br />

energia risparmiata tramite l’utilizzo di contabilizzazione termica ed elettrica in modo da<br />

evidenziarne gli indubbi vantaggi.<br />

IL SOLE 24 ORE 50<br />

Con il bilanciamento dei circuiti<br />

funzionamento dell’impianto<br />

quantificato correttamente<br />

● di Alessia Soldarini, ricercatrice CUBOROSSO, Centro Studi e Ricerche <strong>Caleffi</strong><br />

Gli impianti geotermici per uso domestico<br />

rappresentano una delle più promettenti<br />

tecnologie in un’ottica di riduzione dei consumi<br />

energetici e di lotta ai cambiamenti<br />

climatici, che, sfruttando l’enorme serbatoio<br />

termico costituito dal sottosuolo, fonte di<br />

energia pulita, naturale e rinnovabile, consentono<br />

di ottenere l’energia necessaria per<br />

la climatizzazione estiva e invernale di<br />

un’abitazione e per la produzione di acqua<br />

calda sanitaria. Si tratta, quindi, di una tecnologia<br />

in grado di soddisfare l’intero fabbisogno<br />

termico di una casa, sostituendo completamente<br />

i tradizionali impianti basati sull’utilizzo<br />

di combustibili fossili.<br />

Questi sistemi stanno cominciando a diffondersi<br />

anche in Italia, pur non senza ostacoli.<br />

Con le altre soluzioni per lo sfruttamento delle<br />

fonti rinnovabili, infatti, la geotermia condivide<br />

vantaggi e problemi:<br />

● i primi consistono in cospicui risparmi in<br />

termini di consumo di combustibili fossili e<br />

di riduzione delle emissioni di CO 2;<br />

● i secondi riguardano gli iter autorizzativi<br />

per l’installazione degli impianti, anche di<br />

piccole dimensioni, che in alcuni casi rappresentano<br />

dei percorsi a ostacoli.<br />

La situazione è aggravata dalla sovrapposizione<br />

di competenze tra enti diversi e dalla<br />

mancanza di un quadro autorizzativo ben<br />

definito in tutti i suoi aspetti. A questo proposito<br />

è al vaglio dell’UNI la proposta di<br />

norma tecnica del CTI (comitato termotecnico<br />

italiano) che conterrà il recepimento<br />

della UNI 11300-4 «Utilizzo di energie rinnovabili<br />

e di altri metodi di generazione per la<br />

climatizzazione invernale e per la produzione<br />

di acqua calda sanitaria».<br />

Il principio di funzionamento di un impianto<br />

geotermico a bassa temperatura o, più cor-<br />

www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com Ottobre 2011


Figura 1<br />

● Impianto geotermico<br />

a sonde orizzontali<br />

rettamente, a bassa entalpia, consiste nell’estrarre<br />

il calore dal sottosuolo per mezzo<br />

di apposite sonde interrate. Questo calore<br />

viene poi innalzato di livello termico attraverso<br />

una pompa di calore e utilizzato per il<br />

riscaldamento e la produzione di acqua calda,<br />

in inverno, o per il raffreddamento, in<br />

estate, grazie a un procedimento di inversione<br />

dei cicli. Negli impianti per applicazioni<br />

residenziali si hanno due possibili soluzioni<br />

per la posa delle sonde geotermiche (tubi in<br />

materiale plastico o metallico) necessari a<br />

prelevare il calore dal terreno:<br />

● la prima prevede l’utilizzo di sonde orizzontali,<br />

tubi in polietilene (o polietilene<br />

reticolato in base alla tipologia di terreno),<br />

all’interno delle quali scorre dell’acqua<br />

glicolata o un fluido frigorifero. Vengono<br />

installate orizzontalmente nel terreno<br />

in uno scavo da 1 a 3 metri di<br />

profondità con interasse 50 ÷ 80 cm.<br />

Utilizzando il calore accumulato negli<br />

strati più superficiali della terra, fornito<br />

essenzialmente dal sole e dalle pioggie,<br />

risentono maggiormente delle fluttuazioni<br />

stagionali della temperatura. A parte<br />

alcuni casi, questa tecnologia non necessita<br />

di autorizzazione, in quanto il collettore<br />

viene interrato ad una profondità<br />

generalmente non superiore ai due metri,<br />

quindi senza opere di scavo invasive;<br />

AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

● diversa la situazione per gli impianti che prevedono<br />

l’utilizzo di sonde verticali, dove il<br />

cicuito chiuso, una coppia di tubazioni in PE<br />

ad alta resistenza nei quali scorre il fluido<br />

termovettore, viene installato a una profondità<br />

variabile tra 20 e 150 metri. Questi<br />

sistemi sfruttano il fatto che, già oltre i 20<br />

metri di profondità, la temperatura del sottosuolo<br />

è costante e non dipende più dalle<br />

escursioni termiche né giornaliere né stagionali.<br />

La mancanza di una norma nazionale<br />

di riferimento fa sì che questo tipo di applicazioni<br />

venga regolato solo da provvedimenti<br />

emanati dagli enti locali. L’autorizzazione<br />

per questi impianti geotermici, infatti, rientra<br />

nella materia relativa alla difesa del suolo e<br />

alla tutela delle acque ed è di competenza<br />

delle regioni, tuttavia, solo alcune di esse<br />

hanno previsto precise regole in merito, lasciando<br />

così un vuoto legislativo.<br />

Case study<br />

A differenza di paesi come Svizzera, Germania,<br />

Francia e paesi Scandinavi ove è presente<br />

e diffuso in tutte le sue varianti, il geotermico<br />

ha cominciato a diffondersi da pochi<br />

anni. Nell’ambito di una ricerca sono stati<br />

installati entrambi i sistemi di cui sopra per<br />

poter confrontare le due tecnologie diverse<br />

sul piano dell’applicabilità e delle prestazioni<br />

con la possibilità di quantificare correttamente<br />

la quantità di energia risparmiata tramite<br />

l’utilizzo di contabilizzazione termica<br />

ed elettrica in modo da evidenziarne gli<br />

indubbi vantaggi.<br />

Gli impianti sono stati realizzati per simulare<br />

un’installazione residenziale con fabbisogno<br />

termico di circa 8 kWh e il carico termico<br />

è stato modulato per ricalcare il fabbisogno<br />

stagionale.<br />

L’impianto di collegamento tra il collettore<br />

geotermico e la pompa di calore deve prevedere<br />

una serie di componenti finalizzati al<br />

controllo e alla protezione della macchina,<br />

componenti molte volte richiesti per una<br />

corretta installazione della macchina stessa.<br />

Essendo un circuito chiuso è necessaria l’installazione<br />

di:<br />

● valvola di sicurezza (per controllare la pressione<br />

massima dell’impianto);<br />

● vaso d’espansione per contenere le dilatazioni<br />

del fluido;<br />

● pressostato e flussostato per preservare la<br />

Ottobre 2011 www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com<br />

51<br />

IL SOLE 24 ORE


IL SOLE 24 ORE 52<br />

AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

Tabella 1<br />

• <strong>Caratteristiche</strong> <strong>tecniche</strong><br />

Sonde orizzontali Sonde verticali<br />

N. sonde 3 N. sonde 2<br />

Estensione 200 m2 Profondità media 90 m<br />

Profondità di posa 1 m Interasse 20 m<br />

Potenza specifica del terreno 45 W/m2 Potenza specifica del terreno 45 W/m<br />

Potenza totale 8.000 W Potenza totale 7.650 W<br />

Tubazione Pe-HD 32 � 2,9 Tubazione Pe-HD 25 � 2,3<br />

Portata singola sonda 530 l/h Portata singola sonda 800 l/h<br />

Fluido termovettore Soluzione acquosa con<br />

50% di glicole<br />

pompa di calore da possibili malfunzionamenti<br />

causati da portata o pressione troppo<br />

bassa all’interno del circuito;<br />

● defangatore che garantisce il corretto funzionamento<br />

dello scambiatore della macchina<br />

con la pulizia del fluido all’interno<br />

delle tubazioni.<br />

Non meno importante è il bilanciamento<br />

dei circuiti. Come ogni rete di distribuzione,<br />

anche i circuiti delle sonde geotermiche<br />

hanno portate che devono essere ben definite<br />

in sede di progetto e che devono poi<br />

corrispondere ai valori calcolati durante<br />

l’esercizio. Il progettista, infatti, definisce la<br />

portata ottimale in funzione della velocità di<br />

scorrimento del fluido e della grandezza<br />

della tubazione per ottenere il migliore<br />

scambio termico possibile con il terreno.<br />

È evidente che in un sistema squilibrato i circuiti<br />

più vicini alla pompa di calore ricevono una<br />

portata eccessiva, mentre quelli più lontani risultano<br />

più sfavoriti; queste differenze comportano,<br />

in generale, un aumento dei consumi e<br />

nel lungo periodo possono inficiare il corretto<br />

funzionamento del campo sonde.<br />

Per garantire una portata pressoché costante<br />

su ciascun circuito si possono utilizzare<br />

valvole di bilanciamento oppure si può dimensionare<br />

il circuito con il sistema “a ritorno<br />

inverso”. Questo metodo consiste nel<br />

progettare e realizzare tutti i circuiti con la<br />

stessa lunghezza dei tubi, assicurando pressioni<br />

differenziali pressoché uguali.<br />

Fluido termovettore Soluzione acquosa con<br />

50% di glicole<br />

Portata media del fluido termovettore 1600 l/h Portata media del fluido termovettore 1600 l/h<br />

Controbilanciare i circuiti delle sonde geotermiche<br />

con apposite valvole corrisponde a creare<br />

un’ulteriore “resistenza” sui circuiti a minor<br />

perdita di carico (cioè quelli più vicini alla macchina)<br />

in modo da correggere i valori di pressione<br />

differenziale tra un circuito e l’altro e assicurare<br />

il passaggio della portata richiesta.<br />

Le valvole di bilanciamento, come tutte le<br />

resistenze passive di un circuito, provocano<br />

una perdita di carico che modifica la portata<br />

secondo la seguente relazione:<br />

q<br />

Kv =<br />

���<br />

dove:<br />

- Kv= coefficiente volumico di portata;<br />

- q = portata in m 3 /h;<br />

- �P = perdita di carico della resistenza in bar.<br />

Il coefficiente Kv di una valvola dipende<br />

essenzialmente dalla sezione di passaggio<br />

disponibile fra sede e otturatore. Come noto,<br />

il massimo valore di Kv, denominato Kvs,<br />

corrisponde alla portata in m 3 /h fluente attraverso<br />

la valvola, sottoposta a una pressione<br />

differenziale di 1 bar.<br />

Il bilanciamento può essere fatto attraverso una<br />

valvola di bilanciamento con flussometro oppure<br />

con un flussometro a galleggiante. Entrambi i<br />

dispositivi idraulici permettono la lettura diretta<br />

istante per istante della portata passante nel<br />

circuito senza l’ausilio di manometri differenziali<br />

o grafici di riferimento. Inoltre, questo fa sì<br />

che non sia più necessario effettuare il calcolo<br />

www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com Ottobre 2011


● Componenti di un impianto geotermico<br />

di preregolazione delle valvole in sede di progetto.<br />

I vantaggi che questo comporta sono traducibili<br />

in notevoli risparmi economici e di tempo<br />

poiché la procedura di pretaratura dei dispositivi<br />

di bilanciamento tradizionali, con l’ausilio<br />

di personale tecnico qualificato, risulta particolarmente<br />

onerosa e di difficile realizzazione.<br />

In riferimento alla figura 5, la regolazione<br />

avviene mediante una valvola a sfera (1)<br />

comandata da un’asta di comando (2).<br />

Agendo sull’asta si aumenta o riduce la<br />

sezione di passaggio con conseguente aumento<br />

o diminuzione della portata.<br />

Il flussometro, tipologia base di bilanciamento,<br />

è composto da un galleggiante (7), sempre immerso<br />

nel fluido, che indica la portata su una<br />

scala esterna graduata (8) e può essere installato<br />

solo in posizione verticale; il fluido entrando<br />

AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

verticalmente dal basso verso l’alto esercita una<br />

pressione sul galleggiante, sospingendolo verso<br />

l’alto fino al raggiungimento dell’equilibrio.<br />

Nella valvola di bilanciamento, invece, il dispositivo<br />

per la lettura della portata è ricavato<br />

in by-pass sul corpo valvola ed escludibile durante<br />

il normale funzionamento. Questa soluzione<br />

permette di preservare il sistema di lettura<br />

dal continuo passaggio del fluido, evitando<br />

sporcizia e incrostazioni che potrebbero<br />

compromettere il corretto funzionamento del<br />

sistema. Solo tirando l’anellino posto nella parte<br />

inferiore si mette in comunicazione il flussometro<br />

in by-pass (3) con la valvola; il valore<br />

della portata viene indicato da una sfera metallica<br />

(4) che scorre all’interno di una guida<br />

trasparente (5) a lato della quale è riportata<br />

una scala graduata (6). �<br />

Figura 3<br />

● Operazione di bilanciamento dei circuiti Figura 5<br />

Ottobre 2011 www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com<br />

53<br />

IL SOLE 24 ORE


IL SOLE 24 ORE 54<br />

AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

Box 1<br />

● Prestazione della pompa di calore e dell’impianto geotermico<br />

La prestazione istantanea di una pompa di calore viene individuata con il coefficiente “�” relativo all’efficienza del solo<br />

compressore e con il coefficiente COP, l’acronimo dell’inglese “coefficient of performance”, ossia “coefficiente di<br />

prestazione” relativo al rendimento del compressore e dei mezzi ausiliari.<br />

Nonostante la netta differenza tra COP ed “�” spesso i due concetti vengono confusi.<br />

Il concetto di efficienza o rendimento è abbastanza chiaro e intuibile. Ogni dispositivo ha un input eunoutput, vale a dire<br />

un ingresso e una uscita; per esempio, in un motore elettrico si immette un input di energia elettrica e in uscita si ha un<br />

output di energia meccanica. Il rapporto tra le due energie fornisce, appunto, l’efficienza del motore. L’efficienza di un<br />

qualunque dispositivo può essere, dunque, definita come l’energia utile totale all’uscita del dispositivo, diviso l’energia<br />

totale fornita all’ingresso.<br />

Nel caso di una pompa di calore il coefficiente “�” dato dal rapporto tra il calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta<br />

dal compressore.<br />

Per spiegare il COP c’è bisogno del concetto di ambiente, cioè<br />

dello spazio fisico attorno al dispositivo, poiché il coefficiente di<br />

prestazione fornisce, appunto, la misura dell’efficienza energetica<br />

in rapporto all’ambiente.<br />

Considerando una pompa di calore, è evidente che il suo funzionamento<br />

risente moltissimo della differenza di temperatura alla<br />

quale si trovano i due ambienti tra i quali il calore deve essere<br />

trasportato, perché il lavoro da fare sarà diverso se attorno al<br />

dispositivo ci sono 10 o 40° centigradi. Il COP è definito infatti<br />

come: «L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal suo<br />

Coefficiente di Prestazione (COP), definito come rapporto tra il<br />

calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta sia dal compressore<br />

sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore».<br />

Hanno un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni<br />

e disattivazioni del compressore. Nella fase di attivazione, infatti,<br />

la pompa di calore si comporta come un motore che deve scaldarsi.<br />

Pertanto, in queste fasi, i suoi COP sono assai inferiori a<br />

quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio svolte a<br />

regime e in condizione ideali.<br />

I valori di “�” e “COP” devono essere forniti dai produttori delle<br />

pompe di calore, ma anche ricavati mediante le due grandezze<br />

che li determinano indirettamente, vale a dire l’energia utile e<br />

quella richiesta. Il diagramma sotto riportato rappresenta i valori<br />

del COP relativi a una pompa di calore acqua-acqua.<br />

Per evitare forme di concorrenza sleale, diversi produttori europei<br />

hanno adottato sistemi di prova comuni e affidato le relative<br />

misure a laboratori indipendenti.<br />

Per ottenere, invece, un valore di prestazione annuale dell’impianto bisogna prendere in considerazione il coefficiente<br />

COPA, che significa COP annuale, il cui valore è dato dal rapporto fra il calore ceduto al fluido caldo in un anno e l’energia<br />

totale richiesta per far funzionare l’impianto.<br />

COPA =<br />

Q utile (annuale)<br />

W totale consumata (annuale)<br />

● Coefficiente ��� relativo al<br />

compressore e ai mezzi ausiliari<br />

COP =<br />

Figura 7<br />

È, quindi, un coefficiente che dipende non solo dalle prestazioni della pompa di calore, ma anche dalle specifiche<br />

caratteristiche dei vari sistemi di regolazione e di distribuzione dell’energia termica; ed è solamente questo il coefficiente<br />

che va considerato nel calcolare i costi di gestione di un impianto a pompa di calore nonché i relativi tempi di<br />

ammortamento.<br />

www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com Ottobre 2011<br />

Qc<br />

W compressore + W mezzi ausiliari


Figura 8<br />

● Andamento COP<br />

AMBIENTE E RISORSE<br />

Articolo<br />

Non è facile, comunque, determinare i valori del coefficiente<br />

COPA in quanto dipendono da diverse variabili spesso assai<br />

indefinite, quali ad esempio:<br />

● le variazioni di temperatura della sorgente fredda;<br />

● il sistema di distribuzione e i terminali utilizzati;<br />

● il tipo di regolazione che gestisce l’impianto;<br />

● il tipo di regolazione che gestisce la pompa di calore.<br />

Ha un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni e<br />

disattivazioni del compressore. Nelle fasi di attivazione, infatti,<br />

la pompa di calore si comporta come un motore che deve<br />

scaldarsi; pertanto, in queste fasi, i suoi COP sono assai inferiori<br />

a quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio<br />

svolte a regime e in condizione ideali.<br />

Sulla base dei dati raccolti nel primo semestre del 2011 dall’impianto<br />

a sonde orizzontali oggetto della ricerca emerge questa<br />

sostanziale differenza tra il valore di COP riferito alla macchina<br />

e il valore di COPA riferito al sistema geotermico complessivo; in particolare, la macchina oggetto di indagine ha un COP di<br />

targa pari a 3,79.<br />

In figura 9 si riporta l’andamento del COP calcolato nei primi sei mesi dell’anno 2011 affiancato all’andamento della<br />

temperatura del terreno rilevata ad 80 cm di profondità.<br />

Il valore del COP aumenta in corrispondenza dell’aumento della temperatura del terreno, stabilizzandosi intorno a un valore<br />

pari a 3 nel mese di maggio e di giugno.<br />

Figura 9<br />

● Andamento sperimentale COP impianto sito <strong>Caleffi</strong><br />

Gradi [°C]<br />

23<br />

22<br />

21<br />

20<br />

19<br />

18<br />

17<br />

16<br />

15<br />

14<br />

13<br />

12<br />

11<br />

10<br />

9<br />

8<br />

7<br />

6<br />

5<br />

4<br />

3<br />

2<br />

1<br />

0<br />

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180<br />

Giorni<br />

Gennaio<br />

Febbraio<br />

Ottobre 2011 www.ambientesicurezza.ilsole24ore.com<br />

55<br />

IL SOLE 24 ORE<br />

Marzo<br />

Aprile<br />

Maggio<br />

Giugno<br />

Grande attenzione deve essere quindi rivolta non solo al dimensionamento dell’impianto ma anche ad una verifica in campo<br />

per evitare malfunzionamenti e basse rese del sistema e per costruire un bagaglio di conoscenze per la progettazione<br />

futura.<br />

3,00<br />

2,50<br />

2,00<br />

COP<br />

1,50<br />

1,00<br />

0,50<br />

0,00

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