Pompa di calore acqua/acqua e geotermica: guida tecnica.
Per pompe di calore acqua/acqua si intendono quelle che non hanno una unità esterna per lo scambio con l’aria. Lo scambio avviene con l’energia della terra o la temperatura di una falda di acqua freatica.
La geotermia rappresenta una soluzione sempre più diffusa per il riscaldamento e il raffrescamento degli edifici. Tra le varie tipologie, quelle ad acqua/acqua con sonde geotermiche e le pompe di calore ad acqua freatica emergono come opzioni molto efficienti e sostenibili.
In questo articolo, esploreremo i vantaggi della pompa di calore acqua/acqua e geotermica rispetto alle più comuni pompe di calore aria/acqua e le indicazioni tecniche per la realizzazione delle sonde geotermiche e dei pozzi.
Indice
Introduzione alle pompe di calore acqua/acqua
Le pompe di calore acqua/acqua sono dispositivi termici che sfruttano l’energia termica come ad esempio la terra o l’acqua sotterranea o di un lago, per riscaldare un fluido di lavoro (solitamente una miscela di acqua e glicole) che viene poi utilizzato per il riscaldamento di ambienti o la produzione di acqua calda sanitaria. Questo tipo di pompe di calore appartiene alla categoria delle pompe di calore geotermiche, poiché attingono calore dalla terra o da fonti d’acqua.
Principio di funzionamento pompa di calore acqua acqua
Le pompe di calore acqua/acqua sfruttano il principio della termodinamica per trasferire calore da una sorgente a temperatura costante (come l’acqua sotterranea o la temperatura del sottosuolo) a un fluido di lavoro a una temperatura più bassa. Questo processo avviene attraverso l’evaporazione e la condensazione di un refrigerante (tramite un compressore) all’interno del ciclo termodinamico della pompa di calore.
Ecco una breve introduzione ai principali sistemi delle pompe di calore acqua/acqua:
Pompa di calore acqua acqua, fonte di calore: TERRENO - sonde geotermiche verticali
Sonde geotermiche verticali - a circuito chiuso
Gli impianti con pompa di calore acqua/acqua con sonde geotermiche verticali hanno una grande efficienza costante a qualsiasi temperatura esterna.
Le sonde geotermiche sono utilizzabili per molti anni, perciò anche nel caso si volesse sostituire una vecchia pompa di calore le sonde rimangono le stesse.
Con le sonde geotermiche verticali è possibile utilizzare il sistema “natural cooling” che permette di raffrescare gli ambienti con la sola temperatura della terra senza attivare il compressore con un minimo spreco di energia.
Qui sotto un’immagine schematica di un edificio e del posizionamento delle sonde geotermiche e della centrale termica:
Studio preliminare del sito:
Prima di iniziare la perforazione, è fondamentale condurre uno studio preliminare del sito per valutare la fattibilità e determinare la profondità necessaria per raggiungere la temperatura geotermica desiderata.
Perforazione per le sonde geotermiche - indicazioni
- Profondità consigliata: 120 m (80 – 150m)
- Distanza minima tra le perforazioni: minimo 5 m
- La profondità di perforazione e la lunghezza delle sonde si calcola secondo il fabbisogno termico dell‘edificio e non secondo la potenza della pdc
- Secondo le norme si calcola una resa massima di 50W/m
- Regola empirica: per 5kW resa termica ca. 100m lunghezza sonde
ATTENZIONE!
In casi particolari la distanza fra le sonde va aumentata ed anche la lunghezza.
Se si sbaglia il dimensionamento delle sonde geotermiche e il fluido si ghiaccia, le sonde sono da rifare nuove!
Tipi di sonde geotermiche
Le sonde verticali a scambio termico, spesso chiamate anche sonde geotermiche verticali, esistono di vari tipi:
- U singola
- U doppia
- Sonda coassiale singola
- Complesso di sonde coassiali
La sonda geotermica più utilizzata è quella a U singola in quanto gli altri tipi hanno un costo decisamente superiore che non sempre è giustificato per il maggior rendimento che hanno.
Quanti Watt rende un terreno per un impianto geotermico?
Energia geotermica secondo norma VDI 4640:
Tipo di terreno | Resa termica in W/m delle sonde geotermiche |
Ghiaia/Sabbia secca | 20 W/m |
Ghiaia/Sabbia umida | 65 W/m |
Argilla – umida | 30 – 40 W/m |
Pietra calcarea | 45 – 60 W/m |
Sedimenti massicci | 55 – 65 W/m |
Granito | 60 – 75 W/m |
Sonde geotermiche verticali - esempi
Casa a basso consumo di energia 120mq con fabbisogno di 6kW.
Sonda geotermica verticale di 120m (1 perforazione).
Casa a basso consumo di energia 150mq con fabbisogno di 11kW.
2 sonde geotermiche verticale di 85m (2 perforazioni).
Sonde geotermiche - foto
Qui alcune foto della perforazione per le sonde geotermiche su un cantiere.
Sonda geotermica finita.
ATTENZIONE: tappare sempre le sonde geotermiche prima del collegamento!
Se cadesse accidentalmente qualcosa dentro il pozzo sarebbe da rifare! 100m = 6.000€-8.000€.
Installazione con tubo di protezione: la tubazione della sonda geotermica va sempre protetta con un tubo esterno.
Attenzione: le sonde hanno acqua glicolata al loro interno che raggiunge temperature inferiori a 0C°.
Nell’attraversare i muri e solai dell’edificio, è importante isolare le tubazioni che portano alle sonde geotermiche.
Qui sotto due esempi dei danni provocati per la mancanza di isolamento:
Pompa di calore acqua acqua, fonte di calore: TERRENO - sonde geotermiche orizzontali
Collettore superficiale - a circuito chiuso
Per gli impianti a pompa di calore geotermica a bassa entalpia, si possono utilizzare al posto delle sonde verticali le sonde orizzontali che hanno un costo inferiore.
Qui di seguito un immagine e le indicazioni per la realizzazione del campo del collettore orizzontale geotermico.
Collettore superficiale orizzontale - indicazioni
- Ideali sono terreni umidi, argillosi
- Terreni ghiaiosi è indicato di „insabbiarli“ così che risulti una migliore trasmissione di calore e un maggior accumulo di umidità
- Profondità di posa 1,0 – 1,2 m
- Distanza minima tra i tubi del collettore 50 – 80 cm
- Distanza minima di 1 m da tubazioni di acqua e dalle fondamenta
- La piantumazione può avvenire normalmente, ad eccezione degli alberi a radici profonde
- La superficie sopra il collettore non dev‘essere asfaltata, in inverno non liberata dalla neve e generalmente non essere edificata
- Il collettore superficiale dev‘essere posato in modo il più possibile orizzontale
(il collettore di collegamento dev‘essere al punto più alto per poter sfiatare)
Collettore superficiale orizzontale - spazio richiesto
Qualità del terreno: Resa termica specifica [W/m²]
Terreno secco 10
Terreno umido 20-30
Terreno bagnato, Sabbia/Ghiaia 40
Valore indicativo 25 W/m²
Esempio: per 8kW fabbisogno termico ca. 350m²
(8000W : 25W/m² = 320 m²)
Regola empirica: superficie netta da riscaldare x 3 = superficie collettore
Temperature collettore superficiale a 1,20m di profondità
Collettore geotermico superficiale (orizzontale) - foto
Alcune immagini dello sbancamento e della stesura del campo di collettori geotermici orizzontali in un cantiere:
Pompa di calore acqua acqua, fonte di calore: ACQUA FREATICA - circuito aperto
Acqua freatica – circuito aperto
Per realizzare un impianto a pompa di calore acqua/acqua utilizzando come fonte di energia una falda di acqua freatica, servono 2 pozzi. Un pozzo a monte per l’aspirazione dell’acqua e uno a valle per l’espulsione.
Gli impianti con pompa di calore acqua/acqua che utilizzano acqua freatica sono quelli con i rendimenti più alti (circa COP 6).
E’ bene che la profondità della falda non sia eccessiva altrimenti il pompaggio dell’acqua influisce negativamente sui consumi elettrici.
Utilizzo diretto dell‘acqua freatica - indicazioni
- Falda acquifera: ca. 170 l/h per kW di fabbisogno termico
- Temperatura minima acqua freatica: + 8 ° C
- Raffreddamento acqua freatica : 4 K
- Distanza minima tra il pozzo di prelievo e il pozzo di ricezione: 15 m in direzione flusso
- Scambiatore in acciaio inox (analisi della qualità dell‘acqua consigliata: valore pH, contenuto metallico, conducibilità elettrica ecc.)
- Consiglio: prova di pompaggio di 48 h verso la fine di febbraio e analisi dell‘acqua
Lo scambiatore di sicurezza
Nello schema che segue si possono notare tutte le parti necessarie in un impianto a pompa di calore alimentato da acqua freatica:
- Circuito geotermico intermedio
- Gruppo di sicurezza
- Scambiatore a piastre di sicurezza
- Flussostato con galleggiante
- Filtro che va periodicamente pulito
- Tubo di bypass per il lavaggio del pozzo
- Pozzo di ricezione
- Pozzo di prelievo
Pompa di calore acqua acqua, fonte di calore fiumi o laghi - collettore a immersione a circuito chiuso
Un sistema molto valido nell’ambito delle pompe di calore acqua/acqua è quello di immergere una matassa di sonda geotermica in un fiume o lago. L’importante è che in ogni stagione sia garantito il flusso minimo di acqua.
Qui di seguito alcune immagini della matassa della sonda geotermica a circuito chiuso:
I vantaggi del sistema con la matassa di sonda geotermica a immersione per fiumi e laghi:
Bassi costi
Semplice montaggio
Flusso necessario 0,5 – 1,5 litri al secondo
