GEOTERMIA
La crescente esigenza di raffrescare gli ambienti nel periodo estivo, oltre che riscaldarli nella stagione invernale, ha portato negli ultimi anni alla diffusione delle pompe di calore reversibili, ossia di macchine termodinamiche in grado di estrarre calore dal terreno per cederlo all’edificio in inverno, e viceversa d’estate. Queste tipologie di impianti hanno bassissimo impatto ambientale (addirittura nullo se l’energia elettrica usata dalla pompa di calore fosse prodotta in maniera pulita, ad esempio con un impianto fotovoltaico) e comportano la più bassa emissione di gas serra rispetto a alle altre tecnologie attualmente in uso, avendo considerato anche il contributo al global warming dato dalla perdita di fluidi refrigeranti. Il terreno si presta particolarmente bene a costituire la sorgente termica dalla quale estrarre o alla quale cedere il calore necessario per far funzionare una macchina a ciclo inverso operante rispettivamente come pompa di calore o come refrigeratore. Tale azione può essere realizzata sia utilizzando l’acqua di falda, tecnica ben nota e oggi meno diffusa a causa della ridotta disponibilità di acqua e delle normative vigenti in merito, sia estraendo e immettendo calore direttamente al terreno. La pompa di calore A? in grado di trasferire il calore da un corpo a temperatura più bassa ad un corpo a temperatura più alta. Tale processo, inverso rispetto a ciò che si verifica spontaneamente in natura, avviene grazie all’energia elettrica fornita all’impianto, necessaria ad aumentarne la temperatura. La tecnica di estrazione di calore, consiste nel praticare un foro verticale nel terreno per circa 80-150 metri e inserire dei circuiti chiusi a forma di forcelle (U) impiegati come scambiatori termici e attraversati da fluidi termovettori. Questo sistema viene definito sonda geotermica verticale SGV o BHE (borehole heat exchanger); la soluzione antigelo si trova a -3º C e, a contatto con il terreno, più caldo, si riscalda fino a 0º C per poi essere trasferita alla pompa di calore che la utilizza come sorgente fredda. Grazie al fatto che il terreno mantiene durante l’anno una temperatura quasi costante, questo sistema mantiene un’efficienza di lavoro considerevole. I SGV scambiatori di calore possono essere utilizzati in due tipologie di circuito:
- a circuito chiuso dove il calore viene estratto dal terreno o da rocce attraverso un fluido termovettore (BTES borehole thermal Energy storage).
- a circuito aperto, dove la sorgente di calore nel sottosuolo è rappresentata direttamente dall’acqua di un acquifero (ATES acquifer thermal Energy storage);
Fig. 1 Esempi di ATES (a) e BTES (b)
La maggior parte degli impianti BHE presenta un tubo singolo ad U e una miscela di acqua e glicol etilene (al 20%) come fluido termovettore. Aspetti tecnici per la progettazione di scambiatori geotermici verticali Nella realizzazione di un impianto geotermico a pompa di calore intervengono diversi aspetti tecnici e normativi: l’analisi dell’impianto di climatizzazione, il dimensionamento della pompa di calore e il sistema geologico-geotermico. E’ fondamentale, per la scelta del sistema a pompa di calore, valutare sia i vincoli ambientali e normativi esistenti, sia il locale contesto geologico e idrogeologico. I vincoli normativi e ambientali si impongono sulla gestione e la tutela delle acque superficiali e sotterranee, impedendo la scelta di determinati tipi di impianti geotermici; le indagini geologiche e idrogeologiche invece sono relative all’acquisizione della temperatura del sottosuolo, della conducibilità, della diffusività termica, del livello piezometrico e delle caratteristiche del flusso sotterraneo. Prove termiche in situ Le prove termiche in situ sono di fondamentale importanza per il corretto dimensionamento dell’impianto geotermico. Fattori importanti per la progettazione di sistemi SGV sono:
- Temperatura indisturbata del terreno: log termico
- Proprietà termo-fisiche del terreno: TRT
Temperatura indisturbata del terreno La temperatura indisturbata del terreno A? un importante parametro per il dimensionamento degli impianti geotermici. La temperatura del terreno dipende dalla disponibilità di energia solare e dagli scambi di calore con l’atmosfera. Le variazioni annuali di temperatura riguardano il terreno sino ad una profondità di 10-15 metri. All’aumentare della profondità il gradiente geotermico che ne determina la temperatura.
Figura.2 Profilo di temperatura in base alla profondità in diversi mesi dell’anno. (Supsi 2002) La temperatura indisturbata puA? essere misurata in due modi. Un metodo molto affidabile consiste nel calare un sensore termico all’interno della sonda riempita d’acqua e misurare la temperatura ad intervalli regolari di profondità (log termico). Le temperature registrate sono quindi usate per calcolare la temperatura media del terreno attraversato dal foro, eventualmente scartando i primi metri. Un altro metodo usato comunemente A? di far circolare un fluido attraverso la sonda per circa mezzora prima di accendere un riscaldatore o raffreddatore per il test; i dati di temperatura raccolti sono usati per stabilire la temperatura media del foro. Un problema di questo metodo A? che la pompa di circolazione immetterà comunque del calore nel sistema, che così induce un incremento di temperatura maggiore. Proprietà termo fisiche del terreno resistenza termica Un importante fattore per la progettazione del pozzo A? la resistenza termica tra il flusso di calore trasportato nel foro e le pareti del foro stesso. La resistenza termica del foro Rt dipende dalla differenza di temperatura nella sonda rispetto alla temperatura tra le pareti del pozzo. Tf è Tb = Rb *q La resistenza termica è strettamente correlata alla posizione delle sonde e alle proprietà termiche dei materiali. La differente temperatura tra il fluido trasportato fuori e le pareti del foro è direttamente proporzionale al tasso di trasferimento di calore. Esistono diverse formule in letteratura per la determinazione di una resistenza termica effettiva che include gli effetti delle variazioni di temperatura del fluido e gli scambi di calore all’interno del pozzo. Queste sono state determinate da Hellstrom nel 1991 per i casi di flusso di calore uniforme e temperatura uniforme lungo il pozzo. Remund nel 1999 tratta la resistenza termica dei BHE relazionando la resistenza termica del pozzo alla conducibilità termica del materiale di riempimento e al fattore forma del pozzo. conducibilità termica La conducibilità termica è la più importante tra le proprietà termiche ed A? definita dalla legge di Fourier. La conducibilità termica di una roccia dipende dalla conducibilità dei minerali che la costituiscono; le proprietà termiche dei minerali dipendono a loro volta dalle dimensioni dei cristalli e dai possibili difetti dei reticoli cristallini. In generale, la conducibilità, k, viene espressa come un tensore a nove componenti, mentre nei sistemi cristallini e nei materiali stratificati il numero delle componenti A? minore di sei. In natura, in un materiale anisotropo (come le rocce stratificate, scistose e fratturate) la k varia da punto a punto, in questi casi, A? sufficiente determinare la conducibilitàin due direzioni: parallela e ortogonale al piano di scistosità ( o alla stratificazione). Anche la porosità e contenuto d’acqua influenzano la stima della conducibilità termica; l’effetto del contenuto di acqua sulla conducibilità A? mostrato nella figura 1 dove A? possibile notare come la conducibilità aumenta con il contenuto d’acqua mentre diminuisce al crescere della porosità nei diversi tipi di rocce. Risposta termica del terreno o TRT Mogensen (1983) presentò per primo il test di risposta termica come metodo per determinare i valori in sito della conducibilità termica e resistenza termica nei sistemi di sonde geotermiche. Egli propose di far circolare un fluido termovettore refrigerante nelle sonde ad estrazione di calore costante (o raffreddamento), mentre la temperatura del fluido in uscita dalle sonde veniva continuamente registrato. I dati di temperatura misurati possono poi essere utilizzati per determinare la conducibilità termica e la resistenza termica del pozzo. Il metodo di Mogensen fu utilizzato per il dimensionamento di diversi impianti geotermici esistenti (Mogensen, 1985; Eskilson, 1987; Nordell, 1994; Hellstrom, 1994). Esecuzione della prova ai sensi NORME UNI 11466/2012 (E02.06.C02.0 appendice I) Il Test di Risposta Termica (TRT) del terreno A? una metodologia sperimentale finalizzata alla determinazione in situ delle proprietà termofisiche fondamentali del terreno e dello scambiatore a terreno, necessarie per un accurato dimensionamento degli stessi. La misura del TRT A? un dispositivo di progettazione che tiene conto di un dato aggregato che tiene conto dell’eventuale presenza di acqua di falda in movimento, qualora la velocità della falda non determini fenomeni convettivi rilevanti. I risultati del TRT devono essere utilizzati per verificare la resa termica dello scambiatore di calore ai fini della verifica del progetto. La procedura tipica del nostro TRT prevede:
- L’installazione di uno scambiatore geotermico verticale pilota e di un circuito idraulico chiuso, comprensivo di un generatore a doppia funzione termico o frigorifero e di un circolatore;
- La circolazione forzata del fluido termovettore a carico termico nullo volto alla determinazione della temperatura indisturbata del terreno fino al raggiungimento dell’equilibrio termico con il terreno circostante;
- L’immissione nel terreno di una potenza termica/frigorifera e costante nel tempo tramite circolazione nel geoscambiatore di un fluido termovettore riscaldato/raffreddato dal generatore;
- La misura dell’andamento temporale delle temperature di mandata e ritorno del fluido termovettore alla scambiatore a terreno;
- La misura delle temperature ambientali per tutta la durata del test;
- L’interpretazione dei profili termici rilevato con opportuno modelleo fisico.
L’esecuzione del TRT A? consigliata qualora le caratteristiche termofisiche del terreno e le particolari condizioni di utilizzo dello stesso siano tali da suggerire indagini approfondite. Il dispositivo di misura A? provvisto di sensori per l’acquisizione delle seguenti grandezze:
- temperatura di ingresso e uscita del fluido termovettore nella sonda;
- portata di fluido circolante;
- potenza elettrica assorbita dalle eventuali resistenze termiche utilizzate come sistema di generazione del calore e della pompa di circolazione.
Fig.3 Schema di funzionamento del TRT
