Geotermia per la climatizzazione

Due interventi a bassa entalpia con sonde di geoscambio e con pozzi per acqua di presa e resa a bassa entalpia

Alessandro Murratzu Geologo

Idrogeo- Certaldo (FI)

Idrogeo@idrogeosrl.it

La Geotermia è senza dubbio ad oggi la fonte più stabile diffusa, sicura e pulita per produrre energia, calore e fresco per le nostre abitazioni e per tutti gli edifici in genere. L’uso più semplice, diffuso e stabile della fonte di calore geotermica è sicuramente lo scambio termico meglio indicato come geoscambio per la climatizzazione degli edifici. Lo scambio termico che sfrutta il calore naturale del terreno avviene a bassa profondità, in genere inferiore a 100 metri con piccoli fori di 20 centimetri che forniscono calore in eterno e non necessitano di manutenzione. In genere un piccolo foro interamente cementato fino a 100 metri di profondità attrezzato con sonde geotermiche consente di climatizzare sia in inverno che in estate 100 mq di abitazione. L’unica cosa di cui si necessita è la disponibilità di piccoli appezzamenti di terreno su cui realizzare il foro con una piccola macchina per pozzi e una pompa di calore elettrica che distribuirà acqua calda o fredda o aria all’interno degli edifici da climatizzare sia in inverno che in estate. Tale pompa di calore geotermica ha un bassissimo consumo elettrico che riduce di circa il 60% il normale consumo elettrico dei diffusissimi climatizzatori aria/aria, che tutti hanno in casa per la climatizzazione estiva.

Il principio fisico che è alla base di tale meccanismo per la climatizzazione è molto semplice.

Un normale climatizzatore aria/aria preleva l’aria esterna per riscaldare o raffrescare gli edifici immettendo aria calda o fredda negli edifici; aria che risente in maniera diretta della variazione climatica con 40 gradi in estate e 0 gradi o meno in inverno. Altresì la pompa di calore geotermica preleva calore dal terreno fino a 100 metri di profondità; calore che mantiene sempre 20 gradi circa alle nostre latitudini. Tenendo in considerazione che nelle nostre abitazioni la temperatura di confort è di circa 20 gradi viene facile capire come e perché la pompa di calore geotermica possa abbattere i consumi ed i costi di energia elettrica eliminando il consumo del gas e riducendo anche di 2/3 i normali consumi di un comune condizionatore. Infatti il terreno può essere considerato il più facile e diffuso frigorifero o calorifero naturale avendo una temperatura di scambio costante di 20 gradi; temperatura che è la stessa temperatura di confort degli edifici in cui noi tutti viviamo o lavoriamo.

Un ulteriore esempio semplice lo possiamo avere percependo la buona temperatura che hanno i locali interrati come le cantine o le grotte.

Sotto il profilo scientifico la capacità di un mezzo (solido, liquido o gas) di immagazzinare calore è definita come capacità termica specifica (SC). Questa è la quantità di calore racchiusa nel mezzo per ogni grado Kelvin di temperatura (misurata in J K^-1 kg^-1). Possiamo anche esprimere la capacità termica per unità di volume. In questo caso si parla di capacità termica volumetrica (SVC) e la conversione è data da: SVC=ρ ∗ SC dove ρ è la densità del materiale in questione. Per l'acqua, SVC è circa 4,2 MJ K^-1 m^-3 a 15 - 20°C, mentre la maggior parte delle rocce e sedimenti saturi presenta valori di SVC nell'intervallo 1,9 – 2,5 MJ K^-1 m^-3. Quindi, da ogni metro cubo di roccia, possiamo accumulare o rilasciare fino a 10 MJ di energia, semplicemente facendo salire o scendere la sua temperatura di circa 4 K.

Si noti che, poiché la SVC dell'acqua è particolarmente elevata, l'SVC di rocce porose, suoli e sedimenti sciolti dipende fortemente dal contenuto di umidità. Rocce e sedimenti saturi possono raggiungere capacità termiche volumetriche elevate, fino a 2,5 MJ K^-1 m^-3, se invece in condizioni anidre presentano valori molto bassi, anche inferiori a 1,5 MJ K^-1 m^-3.

In sintesi quindi la differenza di temperatura tra l’aria ed il sottosuolo rende quest’ultimo una risorsa energetica che può essere valorizzata non solo in inverno come conveniente fonte di calore, ma anche in estate come possibile serbatoio freddo per il raffrescamento degli edifici. Ai fini della climatizzazione, la pompa di calore è la macchina termica che consente il trasferimento di calore da e verso il sottosuolo. Con elevata efficienza energetica è in grado di soddisfare interamente, in ogni stagione dell’anno, i fabbisogni di riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria dell’edifico asservito.

Le pompe di calore geotermiche sono già una realtà consolidata da alcuni decenni in diversi Paesi Europei, primi tra tutti la Svizzera, la Svezia (prevalentemente climatizzata a geotermia), l’Austria e la Germania. Solo recentemente in Italia si è destato un certo interesse, che appare crescente, verso tale soluzione tecnica. L’interesse è strettamente legato ad una maggior conoscenza della tecnologia sia da parte dei tecnici che del pubblico, a forme di incentivazione che la rendono economicamente attraente, a normative per la progettazione energetica degli edifici nuovi o sottoposti a ristrutturazioni rilevanti che ne premiano la sostenibilità. Il problema principale dello sviluppo in Italia della geotermia per la climatizzazione è la mancanza di conoscenza di questi sistemi da parte dei tecnici installatori e di un mercato ancora non pronto al cambio di sistema di produzione di climatizzazione. Ultimamente comunque con l’amplificarsi della crisi energetica tale sistema è quindi sempre più diffuso anche in Italia dove abbiamo bisogno sia di calore in inverno che di fresco in estate.

Un impianto che si avvale degli scambi termici con il sottosuolo per la climatizzazione di edifici è detto sistema di geoscambio ed è sostanzialmente composto da: 

-          scambiatore di calore con il terreno, oppure pozzo per le acque sotterranee;

-          pompa di calore che scambia calore con il fluido termovettore lato sorgente e lato utenza;

-          accumulo termico per sopperire all’impossibilità di poter produrre istantaneamente tramite-pompa di calore il fabbisogno termico richiesto;

-          sistema di distribuzione ed erogazione del calore o del freddo, comprendente i terminali di impianto (ventilconvettori, pavimenti radianti, ed anche termosifoni con le ultime innovazioni tecnologiche). 

Tali sistemi possono essere realizzati in tutti i terreni in ogni luogo dove ci siano a disposizione almeno 30 mq di giardino o terreno vicino agli edifici da climatizzare, ma per i nuovi edifici si possono realizzare anche sotto le fondazioni con pali di fondazioni energetici o sonde geotermiche a perdere.

I migliori campi di applicazione sono sicuramente le ville o le case singole con terreno libero sia in campagna che in città ma sempre più diffusi sono gli interventi anche per edifici pubblici come ospedali, biblioteche, carceri, palestre ed anche per interi condomini, edifici commerciali ed industriali.

La distanza tra piu sonde geotermiche se gli edifici sono grandi è di circa 10 metri l’una dall’altra. Questo per garantire un corretto scambio termico che duri in eterno senza modificare le caratteristiche termiche del suolo che conserva il calore.  

Il costo di ogni singola sonda che necessita sempre comunque di uno studio di un geologo e di un termotecnico o ingegnere è di circa 6.000 euro in Italia. Una sonda con il costo suddetto riesce a climatizzare circa 100 mq di edificio sia in estate che in inverno.

Oltre al vantaggio economico sopra evidenziato abbiamo grandi vantaggi ambientali con annullamento di emissioni in atmosfera prevalentemente di CO₂ di circa 5 tonnellate/anno per ogni singola famiglia che vive in un normale appartamento di 100 m².

Questo tipo di sistema geotermico a bassa entalpia, dove abbiamo disponibilità di prelievo di acqua fredda da pozzi in buone quantità, ha una resa termica addirittura migliore delle sonde geotermiche e costi inferiori, se vengono usati pozzi di prelievo e resa.

Possiamo infatti utilizzare pozzi irrigui esistenti o realizzare nuovi pozzi in sostituzione delle sonde geotermiche. Occorrono prelievi di circa 40 litri al minuto per 100 mq di edificio da climatizzare. Il sistema è ambientalmente virtuoso senza sprechi di acqua in quanto possiamo fare due pozzi uno che preleva acqua da cui si estrae il calore necessario ed un altro per reiniettare le acque nel sottosuolo più calde in estate e più fredde in inverno, senza alcun spreco di acqua o dissesto idrogeologico.

Molti per fortuna sono gli esempi da citare anche in Italia che utilizzano tali sistemi geotermici.

Società straniere come IKEA climatizzano tutti i propri edifici commerciali a zero emissioni in tutta Italia con geotermia ma abbiamo una grande diffusione anche in città come Milano dove il prelievo di acque da sottosuolo climatizza sempre più edifici anche pubblici come la nuova sede della Regione Lombardia o Ospedali come il San Raffaele o a Padova o Aosta o anche a Firenze dove da oltre 30 anni tutti gli edifici di Via Tornabuoni sono climatizzati con sistemi geotermici con pozzi di presa e resa utilizzando la falda del Fiume Arno senza sprechi di acqua di falda.

La nostra società Idrogeo Service studia ed applica tali sistemi da molti anni con interventi per centri commerciali come Unicoop a Certaldo o ospedali come il Santa Fina a San Gimignano, edifici pubblici come la Media library a Prato, il museo dell’Opera di Santa Croce a (Fi) a circa 30 metri dalla tomba di Dante Alighieri o ville private in tutta Italia.

Abbiamo applicato alcuni interventi in ville private come per la Fattoria di Sticciano nella campagna toscana che sono in esercizio da oltre 20 anni senza problemi di sorta e senza interventi di manutenzione significativi.

In estrema sintesi la geotermia a bassa entalpia per la climatizzazione degli edifici può far risparmiare anche 500 euro all’anno per ogni singola famiglia italiana per una normale abitazione di 100 m^₂ e garantire il benessere climatico dentro gli edifici a tutte le latitudini utilizzando il solo calore della terra e riducendo le emissioni di gas climalteranti in atmosfera come CO₂ e NO_x per milioni di tonnellate se applicata in maniera diffusa per singoli edifici e per intere città come vedremo nel prossimo contributo.