Generalità

Gli impianti di climatizzazione con pompe di calore geotermiche - anche detti impianti geotermici "a bassa entalpia" - sono realizzabili praticamente in ogni zona geografica. L'energia geotermica "ad alta entalpia" e le manifestazioni geotermiche principali sono invece legate principalmente a contesti geologico-strutturali locali.

Energia geotermica dalla terra:
La Geotermia è la scienza che si occupa dello studio e dello sfruttamento del calore esistente all’interno della Terra. Il flusso di calore o flusso geotermico è la quantità di calore che giunge in superficie dall’interno del pianeta (nucleo e mantello), per poi irradiarsi verso la superficie (crosta terrestre) e quindi verso l’atmosfera. Esso è 5.000 volte inferiore al flusso solare, proveniente dalla direzione inversa. La temperatura aumenta gradualmente con la profondità, secondo un gradiente geotermico che in media è di 3.3 °C/100 m (33°C/Km). Il gradiente è l’effetto misurabile del flusso di calore proveniente dal nucleo.
Il gradiente sarebbe ovunque lo stesso senza le cosiddette anomalie geotermiche, legate a contesti geo-strutturali. La tettonica delle placche (deriva delle zolle terrestri) comporta invece la creazione di fasce instabili-disomogenee-discontinue ai margini delle stesse, con risalita di magma (e calore), o anche sua fuoriuscita (vulcanismo). In queste aree critiche “calde”,  il gradiente può essere fino a 10-15 volte maggiore di quello medio, come ad esempio nella fascia tirrenica centro-meridionale (Toscana-Lazio-Campania).
Le principali manifestazioni geotermiche note sono: fenomeni vulcanici e magmatici; fenomeni di idrotermalismo; soffioni boraciferi e geiser.
Storicamente il primo utilizzo dell’energia geotermica si è avuto nel 1904, con le prime forme di impianti per la produzione di energia elettrica a Lardarello. In queste zone le centrali elettriche sfruttano le alte entalpie provenienti dai vapori che risalgono mediante perforazioni profonde.
Anche se gli impianti geotermici a pompe di calore non sono solitamente legati alle manifestazioni geotermiche principali ed al flusso di calore geotermico è sempre importante conoscere il contesto geologico-geotermico come punto di partenza.

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Impianto geotermico a bassa entalpia

Gli impianti di climatizzazione degli edifici alimentati con sistemi geotermici si compongono di un "geoscambiatore" - fonte di calore pulita e rinnovabile - di una pompa di calore e di un impianto di distribuzione di calore interno all'edificio, generalmente a medio-basse temperature.

Impianti geotermici a pompe di calore - composizione:
Gli impianti geotermici a bassa entalpia si basano su una constatazione elementare: mentre la temperatura nell’aria varia con una periodicità giornaliera ed annuale, la temperatura nel terreno risente delle variazioni esterne solo nei primi metri superficiali. La variazione di temperatura diminuisce con la profondità ed è trascurabile al di sotto dei 15 metri. Le temperature locali del terreno dipendono dal clima, dalle coperture del terreno e nevose, dall'inclinazione e dalle proprietà del suolo. Il terreno assorbe circa la metà dell’energia incidente del sole.
Negli impianti geotermici avviene un prelievo di calore dal terreno per conduzione, mediante un fluido vettore che circola in un circuito chiuso sotto terra ad una temperatura minore rispetto al terreno circostante. La quantità di calore prelevato è funzione delle caratteristiche di conducibilità termica del terreno, della superficie totale di scambio, della differenza di temperatura tra fluido e terreno, dalla portata e della velocità del fluido di circolazione.
La modalità del circuito di scambio – detto "geoscambiatore" – può essere principalmente di tre tipi:

• Sonde Geotermiche Verticali
• Collettori orizzontali
• Pozzi di prelievo Geotermici

Le sonde geotermiche verticali sono costituite da uno (o due) circuiti chiusi formati da tubi in polietilene di diametro 32-40 mm. inseriti all’interno di una perforazione di diametro 140-152 mm. e di profondità generalmente comprese tra 50 e 200 m. L’intercapedine tra foro e tubazione è riempita mediante miscele di cemento, bentonite e sabbia silicea (che devono garantire buone caratteristiche di conducibilità termica e di impermeabilità).
La pompa di calore permette il trasferimento di calore da una sorgente “fredda” ad un ambiente più caldo (invertendo ciò che avverrebbe naturalmente). Il rendimento della pompa di calore è tanto maggiore quanto minore è l’intervallo di temperatura tra la sorgente fredda e l’impianto di distribuzione. Per questo motivo uno scambiatore geotermico (dotato di temperatura costante di 10°-12°) permette di ottimizzare la resa della p.d.c.. La pompa di calore, grazie all’elevata efficienza, permette di fornire calore ad un ambiente mediante una quota di energia elettrica ed un contributo rilevante “gratuito” del terreno. Il rapporto tra l’energia termica fornita all’impianto e l’energia elettrica assorbita è la misura dell’efficienza della pompa di calore (detto C.O.P. - Coefficiente di prestazione).
La geotermia può essere applicata in tutte le zone per la climatizzazione di ogni tipo di edificio, con alcuni pre-requisiti preferenziali:

• Assenza di situazioni geologiche sfavorevoli (es. grandi spessori di ghiaie secche, grandi sistemi carsici, zone di tutela pozzi potabili).
• Edifici con prestazioni energetiche medio-elevate, con utilizzo non saltuario. Maggiori convenienze per edifici che richiedono anche il raffrescamento.
• Impianto di distribuzione interno all’edificio a temperatura di diffusione bassa o media (T< 40-45°). Maggiore convenienza nel caso di pannelli radianti (che permettono anche il raffrescamento).

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Funzionamento degli impianti geotermici

Il comfort di un unico impianto per la climatizzazione degli edifici in ogni stagione Gli impianti di climatizzazione con pompe di calore geotermiche alimentati da sonde verticali permettono di fornire agli edifici – mediante un unico impianto - il riscaldamento ed il raffrescamento, ed eventualmente la produzione di acqua calda sanitaria.

Inverno - Riscaldamento:
In modalità riscaldamento il fluido di circolazione scende attraverso la sonda di mandata ad una temperatura inferiore a quella del terreno (per esempio a 3-4° se è costituito solo da acqua, o a 0° se è additivata con glicole) e risale ad una temperatura di 4-5° superiore, dopo avere estratto calore dal terreno per conduzione.
La pompa di calore è in grado di trasferire il calore estratto dal terreno all’impianto di distribuzione facendo uscire acqua ad una temperatura di 30-32° (nel caso dei pannelli radianti); l’acqua di ritorno dall’impianto rientra nella pompa di calore ad una temperatura di 4-5° inferiori, dopo avere ceduto calore all’ambiente.
Produzione acqua calda sanitaria:
La pompa di calore geotermica può sfruttare il calore estratto dal terreno anche per la produzione dell'acqua sanitaria. In questo caso, essendo maggiore la temperatura dell'acqua da produrre l'efficienza della pompa tende ad abbassarsi leggermente. Anche per questo è opportuno valutare sempre la possibilità di produrre l'acqua calda sanitaria con un'altra fonte energetica pulita costituita dai pannelli solari, integrata con l'impianto geotermico. 


Estate - Raffrescamento attivo:
Il raffrescamento attivo (active cooling o direct cooling) presuppone il funzionamento della pompa di calore anche in estate. Il fluido di circolazione deve scendere attraverso la sonda di mandata ad una temperatura superiore a quella del terreno (per esempio a 25-30°) e risale ad una temperatura di 4-5° inferiore, dopo avere “ceduto” calore al terreno.
Anche in questo caso la pompa di calore trasferisce il calore dal corpo più caldo (ambiente), a quello più freddo (terreno) operando l’inversione del ciclo rispetto alla modalità di funzionamento invernale. In uscita dalla pompa l’acqua può raggiungere la temperatura necessaria per il raffrescamento con pannelli radianti (16-20°) o con i fancoil (7-12°).
Il raffrescamento attivo va abbinato alla deumidificazione degli ambienti.

Estate - Raffrescamento naturale:
Il raffrescamento naturale (natural cooling, free cooling o geocooling) è una particolare applicazione, che permette un effetto di climatizzazione estiva semplicemente facendo circolare all’interno dei pannelli radianti l’acqua di ritorno dalle sonde geotermiche verticali.
E’ necessaria la predisposizione specifica della pompa di calore. Anche in questo caso il raffrescamento naturale va abbinato alla deumidificazione degli ambienti.
Il natural cooling è il sistema di condizionamento più economico ed ecologico.

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Dimensionamento degli impianti geotermici

Elemento fondamentale per il successo della geotermia è la corretta progettazione. Gli impianti geotermici sono sistemi semplici e basati su concetti elementari. Tuttavia, un impianto non correttamente progettato e dimensionato può diminuire la sua resa termica nel tempo.

Studio di fattibilità:
Preliminarmente a ogni progetto complesso di impianto geotermico, è bene eseguire uno studio di fattibilità dell'opera, che evidenzi i seguenti aspetti:

• La reale fattibilità dell'installazione dei geoscambiatori, in relazione al contesto territoriale e geologico presente.
• Le criticità ambientali dii tale intervento sul territorio e gli accorgimenti necessari per mitigarle.
• La scelta del tipo di geo-scambiatore ottimale, sulla base degli elementi caratteristici del sito e dalle indicazioni fornite dalle indagini preliminari.

Tali studi di fattibilità tecnico-geologici sono tanto più importanti quanto più sono numerosi gli elementi di criticità ambientale e territoriale del sito. Un corretto ed esaustivo studio di fattibilità agevola la progettazione e rende più spedite tutte le operazioni di cantiere, in particolare per quanto riguarda l'attività di perforazione e di posa dei geo-scambiatori. Un altro risultato chiave dello studio è l'individuazione delle caratteristiche geo-energetiche del sottosuolo, finalizzate alla scelta del geo-scambiatore con la maggiore efficienza di scambio, in termini di costi-benefici.
Nel caso sussista la possibilità di un sistema a circuito aperto, con prelievo di acqua falda, lo studio preliminare interessa anche caratteri idrogeologici e geotecnici, ed è fondamentale ai fini dell'accettazione del sistema da parte delle autorità locali.


Dimensionamento di primo livello:
Per impianti di piccole dimensioni (residenze mono-bifamigliari) si procede in genere ad una progettazione con dimensionamento preliminare – utile anche per una stima di costi di perforazione di impianti maggiori.
L’indicazioni più diffusa è quella che prevede una resa termica delle sonde di 50 W/ml. E’ utile precisare che questa stima deriva dalla media di impianti realizzati in Nord Europa e Nord Italia, spesso in edifici ben coibentati (che richiedono meno ore di funzionamento) e in zone con substrati geologici rocciosi (con conducibilità termiche elevate).
Le Norme VDI 4060 Tedesche forniscono una tabella delle potenze termiche estraibili in funzione delle proprietà del terreno e delle ore di funzionamento previste.
Sulla base di pochi elementi relativi all’edificio ed all’impianto di distribuzione del calore è possibile fornire una stima dei costi dell’impianto e del tempo di ritorno dell’investimento iniziale.

Dimensionamento di secondo livello:
Per il dimensionamento esecutivo di impianti medio-grandi si procede ad una simulazione mediante l’utilizzo di modelli matematici che tengono conto degli aspetti reali dell’impianto.
Dati di input:

• Caratteristiche geologiche ed idrogeologiche del sito (situazioni di anomalie termiche, caratteristiche di temperatura e velocità dell’acqua di falda, stratigrafia presunta del terreno e stima della conducibilità media del terreno nell’intorno della sonda).
• Caratteristiche dell’impianto geotermico (stima del numero delle sonde e profondità presunta, schema di disposizione delle sonde, distanza tra le sonde, scelta del tipo di circuito - singolo o doppio, conducibilità termica del riempimento, caratteristiche del fluido di circolazione).
• Caratteristiche dell’impianto di distribuzione (potenza di picco - riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria - fabbisogno termico e frigorifero, ore di funzionamento dell’impianto, modalità di raffrescamento - natural o active, temperature di esercizio).
• Caratteristiche della pompa di calore (temperature di evaporatore e condensatore - fondamentali per determinare i limiti di temperatura del fluido di circolazione - coefficiente di prestazione nominale medio).

Dati di output:

• Dimensionamento: verifica del numero di sonde e della profondità necessarie per mantenere le temperature del fluido nelle sonde nell’intervallo di temperature imposto; calcolo della potenza termica estratta e reimmessa per ogni metro di sonda.
• Temperature di esercizio: temperature mensili del fluido nelle sonde (vengono forniti i valori medi ed i picchi - sia in riscaldamento che in raffrescamento).
• Verifica dell’equilibrio nel tempo: il grafico delle temperature nel tempo di simulazione (solitamente 25 anni) permette di verificare che l’impianto geotermico non determini un prelievo di calore tale da alterare l’equilibrio termico del terreno.

Nel caso di impianti medio-grandi è opportuno realizzare il test di resa termica, ovvero una prova di simulazione dello scambio termico tra il terreno ed il fluido che circola nelle sonde.

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I vantaggi della geotermia

Risparmio economico e rispetto dell'ambiente sono solo alcuni benefit dalla geotermia. Gli impianti geotermici rappresentano una tecnologia innovativa ad un livello eccellente in termini di comfort e sicurezza, oltre che di risparmio economico ed energetico e di compatibilità ambientale.

I principali vantaggi della geotermia:

• Impianto ecologico: non ci sono emissioni dirette nell'aria; gli unici impatti “indiretti” sono legati ai consumi elettrici; notevole riduzione di emissione di CO2‏; l'Ente Americano per la Protezione dell'Ambiente ha dichiarato che la Geotermia è la tecnica di climatizzazione più efficiente ed ecologica possibile.
• Risparmio sui consumi: il costo di gestione degli impianti geotermici è più economico di circa il 50% rispetto ai costi di gestione di impianti alimentati con il gas metano; in assenza di agevolazioni ed incentivi i tempi di ritorno del maggior investimento iniziale variano da un minimo di 6 anni ad un massimo di 12 anni.
• Sicurezza: non ci sono rischi di perdite di monossido di carbonio o di fuoriuscita di gas; con l'utilizzo delle “cucine a piastra” è possibile eliminare totalmente l'impianto a gas dell'edificio.
• Comfort: una volta realizzato, la gestione della climatizzazione richiede solamente rari interventi di manutenzione sulla pompa di calore; gli ingombri sono inferiori a quelli degli impianti tradizionali (sommando macchine per caldo e freddo); non è necessario un locale tecnico dedicato (suggerito in impianti importanti).
• Altri vantaggi: indipendenza dalle reti dei gestori di servizi; investimento sicuro e duraturo (gli impianti sono costruiti per durare oltre 20 anni), nel caso del Natural Cooling i carichi elettrici di picco per il condizionamento sono molto ridotti.

Incentivi e detrazioni:

• La Legge Finanziaria 2008 inserisce gli impianti geotermici tra gli interventi per il risparmio energetico e lo sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili. Pertanto, i costi sostenuti per la realizzazione di impianti geotermici relativi a fabbricati esistenti sono detraibili fiscalmente al 55%, in un intervallo di tempo compreso tra 3 e 10 anni.
• Alcune Regioni e Comuni hanno predisposto forme di incentivi e agevolazioni per la realizzazione di impianti che sfruttano fonti energetiche rinnovabili. Puoi richiedere informazioni agli organi predisposti della tua zona: Settore Ambiente e Energia della Provincia e Sportello Unico per l'Edilizia del Comune di appartenenza.
• Numerosi istituti bancari ed altri enti finanziari propongono Eco-Mutui o finanziamenti in partnership per l'abbattimento del costo di investimento iniziale richiesto per la realizzazione di impianti a fonti energetiche rinnovabili.