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 />
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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 />
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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