Caratteristiche tecniche - Caleffi

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
I S U P P L E M E N T I
Quindicinale di documentazione giuridica, pratica professionale e tecnica
GEOTERMIA
Elementi tecnici e casi applicativi
in collaborazione con
n. 3 - 2011
www. ambientesicurezza.ilsole24ore.com

AMBIENTE E RISORSE
Articolo
Interessante il confronto tra sistemi a sonde verticali e a sonde orizzontali
Due sono le soluzioni per impianti geotermici per applicazioni residenziali: l’utilizzo o di
sonde orizzontali in polietilene ad alta densità, che utilizzano il calore accumulato negli
strati più superficiali della terra o di circuiti chiusi verticali che si sviluppano in profondità
con lunghezze variabili da 20 a 150 m e beneficiano della temperatura pressoché costante del
sottsuolo, Interessante sul punto è analizzare una ricerca nell’ambito della quale sono stati
installati entrambi i sistemi al fine di poter confrontare le due tecnologie diverse sul piano
dell’applicabilità e delle prestazioni con la possibilità di quantificare correttamente la quantità di
energia risparmiata tramite l’utilizzo di contabilizzazione termica ed elettrica in modo da
evidenziarne gli indubbi vantaggi.
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Con il bilanciamento dei circuiti
funzionamento dell’impianto
quantificato correttamente
● di Alessia Soldarini, ricercatrice CUBOROSSO, Centro Studi e Ricerche Caleffi
Gli impianti geotermici per uso domestico
rappresentano una delle più promettenti
tecnologie in un’ottica di riduzione dei consumi
energetici e di lotta ai cambiamenti
climatici, che, sfruttando l’enorme serbatoio
termico costituito dal sottosuolo, fonte di
energia pulita, naturale e rinnovabile, consentono
di ottenere l’energia necessaria per
la climatizzazione estiva e invernale di
un’abitazione e per la produzione di acqua
calda sanitaria. Si tratta, quindi, di una tecnologia
in grado di soddisfare l’intero fabbisogno
termico di una casa, sostituendo completamente
i tradizionali impianti basati sull’utilizzo
di combustibili fossili.
Questi sistemi stanno cominciando a diffondersi
anche in Italia, pur non senza ostacoli.
Con le altre soluzioni per lo sfruttamento delle
fonti rinnovabili, infatti, la geotermia condivide
vantaggi e problemi:
● i primi consistono in cospicui risparmi in
termini di consumo di combustibili fossili e
di riduzione delle emissioni di CO 2;
● i secondi riguardano gli iter autorizzativi
per l’installazione degli impianti, anche di
piccole dimensioni, che in alcuni casi rappresentano
dei percorsi a ostacoli.
La situazione è aggravata dalla sovrapposizione
di competenze tra enti diversi e dalla
mancanza di un quadro autorizzativo ben
definito in tutti i suoi aspetti. A questo proposito
è al vaglio dell’UNI la proposta di
norma tecnica del CTI (comitato termotecnico
italiano) che conterrà il recepimento
della UNI 11300-4 «Utilizzo di energie rinnovabili
e di altri metodi di generazione per la
climatizzazione invernale e per la produzione
di acqua calda sanitaria».
Il principio di funzionamento di un impianto
geotermico a bassa temperatura o, più cor-
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Figura 1
● Impianto geotermico
a sonde orizzontali
rettamente, a bassa entalpia, consiste nell’estrarre
il calore dal sottosuolo per mezzo
di apposite sonde interrate. Questo calore
viene poi innalzato di livello termico attraverso
una pompa di calore e utilizzato per il
riscaldamento e la produzione di acqua calda,
in inverno, o per il raffreddamento, in
estate, grazie a un procedimento di inversione
dei cicli. Negli impianti per applicazioni
residenziali si hanno due possibili soluzioni
per la posa delle sonde geotermiche (tubi in
materiale plastico o metallico) necessari a
prelevare il calore dal terreno:
● la prima prevede l’utilizzo di sonde orizzontali,
tubi in polietilene (o polietilene
reticolato in base alla tipologia di terreno),
all’interno delle quali scorre dell’acqua
glicolata o un fluido frigorifero. Vengono
installate orizzontalmente nel terreno
in uno scavo da 1 a 3 metri di
profondità con interasse 50 ÷ 80 cm.
Utilizzando il calore accumulato negli
strati più superficiali della terra, fornito
essenzialmente dal sole e dalle pioggie,
risentono maggiormente delle fluttuazioni
stagionali della temperatura. A parte
alcuni casi, questa tecnologia non necessita
di autorizzazione, in quanto il collettore
viene interrato ad una profondità
generalmente non superiore ai due metri,
quindi senza opere di scavo invasive;
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Articolo
● diversa la situazione per gli impianti che prevedono
l’utilizzo di sonde verticali, dove il
cicuito chiuso, una coppia di tubazioni in PE
ad alta resistenza nei quali scorre il fluido
termovettore, viene installato a una profondità
variabile tra 20 e 150 metri. Questi
sistemi sfruttano il fatto che, già oltre i 20
metri di profondità, la temperatura del sottosuolo
è costante e non dipende più dalle
escursioni termiche né giornaliere né stagionali.
La mancanza di una norma nazionale
di riferimento fa sì che questo tipo di applicazioni
venga regolato solo da provvedimenti
emanati dagli enti locali. L’autorizzazione
per questi impianti geotermici, infatti, rientra
nella materia relativa alla difesa del suolo e
alla tutela delle acque ed è di competenza
delle regioni, tuttavia, solo alcune di esse
hanno previsto precise regole in merito, lasciando
così un vuoto legislativo.
Case study
A differenza di paesi come Svizzera, Germania,
Francia e paesi Scandinavi ove è presente
e diffuso in tutte le sue varianti, il geotermico
ha cominciato a diffondersi da pochi
anni. Nell’ambito di una ricerca sono stati
installati entrambi i sistemi di cui sopra per
poter confrontare le due tecnologie diverse
sul piano dell’applicabilità e delle prestazioni
con la possibilità di quantificare correttamente
la quantità di energia risparmiata tramite
l’utilizzo di contabilizzazione termica
ed elettrica in modo da evidenziarne gli
indubbi vantaggi.
Gli impianti sono stati realizzati per simulare
un’installazione residenziale con fabbisogno
termico di circa 8 kWh e il carico termico
è stato modulato per ricalcare il fabbisogno
stagionale.
L’impianto di collegamento tra il collettore
geotermico e la pompa di calore deve prevedere
una serie di componenti finalizzati al
controllo e alla protezione della macchina,
componenti molte volte richiesti per una
corretta installazione della macchina stessa.
Essendo un circuito chiuso è necessaria l’installazione
di:
● valvola di sicurezza (per controllare la pressione
massima dell’impianto);
● vaso d’espansione per contenere le dilatazioni
del fluido;
● pressostato e flussostato per preservare la
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IL SOLE 24 ORE

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Tabella 1
• Caratteristiche tecniche
Sonde orizzontali Sonde verticali
N. sonde 3 N. sonde 2
Estensione 200 m2 Profondità media 90 m
Profondità di posa 1 m Interasse 20 m
Potenza specifica del terreno 45 W/m2 Potenza specifica del terreno 45 W/m
Potenza totale 8.000 W Potenza totale 7.650 W
Tubazione Pe-HD 32 � 2,9 Tubazione Pe-HD 25 � 2,3
Portata singola sonda 530 l/h Portata singola sonda 800 l/h
Fluido termovettore Soluzione acquosa con
50% di glicole
pompa di calore da possibili malfunzionamenti
causati da portata o pressione troppo
bassa all’interno del circuito;
● defangatore che garantisce il corretto funzionamento
dello scambiatore della macchina
con la pulizia del fluido all’interno
delle tubazioni.
Non meno importante è il bilanciamento
dei circuiti. Come ogni rete di distribuzione,
anche i circuiti delle sonde geotermiche
hanno portate che devono essere ben definite
in sede di progetto e che devono poi
corrispondere ai valori calcolati durante
l’esercizio. Il progettista, infatti, definisce la
portata ottimale in funzione della velocità di
scorrimento del fluido e della grandezza
della tubazione per ottenere il migliore
scambio termico possibile con il terreno.
È evidente che in un sistema squilibrato i circuiti
più vicini alla pompa di calore ricevono una
portata eccessiva, mentre quelli più lontani risultano
più sfavoriti; queste differenze comportano,
in generale, un aumento dei consumi e
nel lungo periodo possono inficiare il corretto
funzionamento del campo sonde.
Per garantire una portata pressoché costante
su ciascun circuito si possono utilizzare
valvole di bilanciamento oppure si può dimensionare
il circuito con il sistema “a ritorno
inverso”. Questo metodo consiste nel
progettare e realizzare tutti i circuiti con la
stessa lunghezza dei tubi, assicurando pressioni
differenziali pressoché uguali.
Fluido termovettore Soluzione acquosa con
50% di glicole
Portata media del fluido termovettore 1600 l/h Portata media del fluido termovettore 1600 l/h
Controbilanciare i circuiti delle sonde geotermiche
con apposite valvole corrisponde a creare
un’ulteriore “resistenza” sui circuiti a minor
perdita di carico (cioè quelli più vicini alla macchina)
in modo da correggere i valori di pressione
differenziale tra un circuito e l’altro e assicurare
il passaggio della portata richiesta.
Le valvole di bilanciamento, come tutte le
resistenze passive di un circuito, provocano
una perdita di carico che modifica la portata
secondo la seguente relazione:
q
Kv =
���
dove:
- Kv= coefficiente volumico di portata;
- q = portata in m 3 /h;
- �P = perdita di carico della resistenza in bar.
Il coefficiente Kv di una valvola dipende
essenzialmente dalla sezione di passaggio
disponibile fra sede e otturatore. Come noto,
il massimo valore di Kv, denominato Kvs,
corrisponde alla portata in m 3 /h fluente attraverso
la valvola, sottoposta a una pressione
differenziale di 1 bar.
Il bilanciamento può essere fatto attraverso una
valvola di bilanciamento con flussometro oppure
con un flussometro a galleggiante. Entrambi i
dispositivi idraulici permettono la lettura diretta
istante per istante della portata passante nel
circuito senza l’ausilio di manometri differenziali
o grafici di riferimento. Inoltre, questo fa sì
che non sia più necessario effettuare il calcolo
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● Componenti di un impianto geotermico
di preregolazione delle valvole in sede di progetto.
I vantaggi che questo comporta sono traducibili
in notevoli risparmi economici e di tempo
poiché la procedura di pretaratura dei dispositivi
di bilanciamento tradizionali, con l’ausilio
di personale tecnico qualificato, risulta particolarmente
onerosa e di difficile realizzazione.
In riferimento alla figura 5, la regolazione
avviene mediante una valvola a sfera (1)
comandata da un’asta di comando (2).
Agendo sull’asta si aumenta o riduce la
sezione di passaggio con conseguente aumento
o diminuzione della portata.
Il flussometro, tipologia base di bilanciamento,
è composto da un galleggiante (7), sempre immerso
nel fluido, che indica la portata su una
scala esterna graduata (8) e può essere installato
solo in posizione verticale; il fluido entrando
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verticalmente dal basso verso l’alto esercita una
pressione sul galleggiante, sospingendolo verso
l’alto fino al raggiungimento dell’equilibrio.
Nella valvola di bilanciamento, invece, il dispositivo
per la lettura della portata è ricavato
in by-pass sul corpo valvola ed escludibile durante
il normale funzionamento. Questa soluzione
permette di preservare il sistema di lettura
dal continuo passaggio del fluido, evitando
sporcizia e incrostazioni che potrebbero
compromettere il corretto funzionamento del
sistema. Solo tirando l’anellino posto nella parte
inferiore si mette in comunicazione il flussometro
in by-pass (3) con la valvola; il valore
della portata viene indicato da una sfera metallica
(4) che scorre all’interno di una guida
trasparente (5) a lato della quale è riportata
una scala graduata (6). �
Figura 3
● Operazione di bilanciamento dei circuiti Figura 5
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IL SOLE 24 ORE 54
AMBIENTE E RISORSE
Articolo
Box 1
● Prestazione della pompa di calore e dell’impianto geotermico
La prestazione istantanea di una pompa di calore viene individuata con il coefficiente “�” relativo all’efficienza del solo
compressore e con il coefficiente COP, l’acronimo dell’inglese “coefficient of performance”, ossia “coefficiente di
prestazione” relativo al rendimento del compressore e dei mezzi ausiliari.
Nonostante la netta differenza tra COP ed “�” spesso i due concetti vengono confusi.
Il concetto di efficienza o rendimento è abbastanza chiaro e intuibile. Ogni dispositivo ha un input eunoutput, vale a dire
un ingresso e una uscita; per esempio, in un motore elettrico si immette un input di energia elettrica e in uscita si ha un
output di energia meccanica. Il rapporto tra le due energie fornisce, appunto, l’efficienza del motore. L’efficienza di un
qualunque dispositivo può essere, dunque, definita come l’energia utile totale all’uscita del dispositivo, diviso l’energia
totale fornita all’ingresso.
Nel caso di una pompa di calore il coefficiente “�” dato dal rapporto tra il calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta
dal compressore.
Per spiegare il COP c’è bisogno del concetto di ambiente, cioè
dello spazio fisico attorno al dispositivo, poiché il coefficiente di
prestazione fornisce, appunto, la misura dell’efficienza energetica
in rapporto all’ambiente.
Considerando una pompa di calore, è evidente che il suo funzionamento
risente moltissimo della differenza di temperatura alla
quale si trovano i due ambienti tra i quali il calore deve essere
trasportato, perché il lavoro da fare sarà diverso se attorno al
dispositivo ci sono 10 o 40° centigradi. Il COP è definito infatti
come: «L’efficienza di una pompa di calore è misurata dal suo
Coefficiente di Prestazione (COP), definito come rapporto tra il
calore ceduto al fluido caldo e l’energia richiesta sia dal compressore
sia dai mezzi ausiliari integrati nella pompa di calore».
Hanno un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni
e disattivazioni del compressore. Nella fase di attivazione, infatti,
la pompa di calore si comporta come un motore che deve scaldarsi.
Pertanto, in queste fasi, i suoi COP sono assai inferiori a
quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio svolte a
regime e in condizione ideali.
I valori di “�” e “COP” devono essere forniti dai produttori delle
pompe di calore, ma anche ricavati mediante le due grandezze
che li determinano indirettamente, vale a dire l’energia utile e
quella richiesta. Il diagramma sotto riportato rappresenta i valori
del COP relativi a una pompa di calore acqua-acqua.
Per evitare forme di concorrenza sleale, diversi produttori europei
hanno adottato sistemi di prova comuni e affidato le relative
misure a laboratori indipendenti.
Per ottenere, invece, un valore di prestazione annuale dell’impianto bisogna prendere in considerazione il coefficiente
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
totale richiesta per far funzionare l’impianto.
COPA =
Q utile (annuale)
W totale consumata (annuale)
● Coefficiente ��� relativo al
compressore e ai mezzi ausiliari
COP =
Figura 7
È, quindi, un coefficiente che dipende non solo dalle prestazioni della pompa di calore, ma anche dalle specifiche
caratteristiche dei vari sistemi di regolazione e di distribuzione dell’energia termica; ed è solamente questo il coefficiente
che va considerato nel calcolare i costi di gestione di un impianto a pompa di calore nonché i relativi tempi di
ammortamento.
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Qc
W compressore + W mezzi ausiliari

Figura 8
● Andamento COP
AMBIENTE E RISORSE
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Non è facile, comunque, determinare i valori del coefficiente
COPA in quanto dipendono da diverse variabili spesso assai
indefinite, quali ad esempio:
● le variazioni di temperatura della sorgente fredda;
● il sistema di distribuzione e i terminali utilizzati;
● il tipo di regolazione che gestisce l’impianto;
● il tipo di regolazione che gestisce la pompa di calore.
Ha un ruolo molto importante anche il numero di attivazioni e
disattivazioni del compressore. Nelle fasi di attivazione, infatti,
la pompa di calore si comporta come un motore che deve
scaldarsi; pertanto, in queste fasi, i suoi COP sono assai inferiori
a quelli di riferimento, ottenuti con prove di laboratorio
svolte a regime e in condizione ideali.
Sulla base dei dati raccolti nel primo semestre del 2011 dall’impianto
a sonde orizzontali oggetto della ricerca emerge questa
sostanziale differenza tra il valore di COP riferito alla macchina
e il valore di COPA riferito al sistema geotermico complessivo; in particolare, la macchina oggetto di indagine ha un COP di
targa pari a 3,79.
In figura 9 si riporta l’andamento del COP calcolato nei primi sei mesi dell’anno 2011 affiancato all’andamento della
temperatura del terreno rilevata ad 80 cm di profondità.
Il valore del COP aumenta in corrispondenza dell’aumento della temperatura del terreno, stabilizzandosi intorno a un valore
pari a 3 nel mese di maggio e di giugno.
Figura 9
● Andamento sperimentale COP impianto sito Caleffi
Gradi [°C]
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Giorni
Gennaio
Febbraio
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IL SOLE 24 ORE
Marzo
Aprile
Maggio
Giugno
Grande attenzione deve essere quindi rivolta non solo al dimensionamento dell’impianto ma anche ad una verifica in campo
per evitare malfunzionamenti e basse rese del sistema e per costruire un bagaglio di conoscenze per la progettazione
futura.
3,00
2,50
2,00
COP
1,50
1,00
0,50
0,00