workshop 1 - geotermia roberto spalvieri__bassa_entalpia
TRANSCRIPT
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAAPPLICAZIONI E PROSPETTIVEAPPLICAZIONI E PROSPETTIVE
Dr. Geol. ROBERTO SPALVIERI
CONSIGLIERE ORDINE GEOLOGI LAZIO
COORDINATORE COMMISSIONE GEOTERMIA
ASPETTI ENERGETICI GENERALIASPETTI ENERGETICI GENERALILe problematiche socio-politico-economiche connesse alla gestione della risorsa petrolio hanno innescato uncontinuo parlare di ENERGIAENERGIA, di RISPARMIORISPARMIO ENERGETICOENERGETICO e soprattutto della necessità di produrreenergia da FONTIFONTI RINNOVABILIRINNOVABILI (risorse che possiedono una velocità di rigenerazione superiore allavelocità con cui vengono consumate, per cui risulta virtualmente impossibile il loro esaurimento).
Quasi sempre parlando di energia si pensa all’energia di tipo “elettrico”, poiché l’ELETTRICITÀ è moltofamiliare a tutti grazie alle sue ubiquitarie proprietà di essere facilmente trasportabile e trasformabile inuna qualsiasi quotidiana esigenza: movimento, luce, musica, calore, informazione, climatizzazione, etc.
Nonostante ciò, l’Elettricità è un prodotto secondario ottenuto da processi termodinamici di combustione o processimeccanici di sfruttamento di energia potenziale naturale (acqua, vento) o da fenomeni di fissione/scissione nucleare.
Difficilmente ci si rende conto che il vero problem a dell’energia nel mondo è l’ ENERGIA TERMICA!Difficilmente ci si rende conto che il vero problem a dell’energia nel mondo è l’ ENERGIA TERMICA!
Circa il 40-45% dell’ energia primaria (*) in Europa viene impiegata per il condizionamento di edifici !
(*) per “energia primaria” s’intende il potere energetico di quella risorsa che, presente in natura, viene utilizzata per produrredirettamente energia elettrica, ad esempio: petrolio, carbone, gas, etc = Energia chimica da combustibile fossile).
Ma non solo, del restante 55-60% di energia primari a si può approssimare che più della metà….…sia dispersa nell’ambiente sottoforma di calore!
Si considera che per buona parte ci siano attività di produzione di energia elettrica con rendimento elettrico di circa il 37% eper un’altra parte processi industriali che mediamente si stima possano dare rendimenti leggermente superiori (40-45%).
ASPETTI ENERGETICI GENERALIASPETTI ENERGETICI GENERALI
25%
20%
10%
Consumo Sistemi di Illuminazione
Consumo Apparecchiature da Ufficio
Acqua Calda Sanitaria & Altri Carichi
45%
Consumo Impianti
di Climatizzazione e
Trattamento dell’Aria
Consumo Sistemi di Illuminazione
ASPETTI ENERGETICI GENERALIASPETTI ENERGETICI GENERALIDunque, ragionando per ordini di grandezza, possiamo dire che circa il 70% dell’energia che preleviamo dalla natura viene trasformata in ENERGIA TERMICA ENERGIA TERMICA e per lo più in CALORECALORE!
(ad eccezione di una minima parte che viene tramutata in energia frigorifera)
IL VERO RISPARMIO ENERGETICO STA NELLA GESTIONE DEG LI SPRECHI IL VERO RISPARMIO ENERGETICO STA NELLA GESTIONE DEG LI SPRECHI DIDIENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA..
Ci sono sostanzialmente due modi, allo stato della tecnica possibile attualmente, per attingere nelgiacimento degli sprechi di energia termica:
1) RISPARMIANDO : diminuendo il fabbisogno di energia tramite isolamento, aumento dell’efficienzaenergetica dei processi, etc.
1) CO-TRIGENERANDO: sostanzialmente producendo energia elettrica laddove c’è possibilità di1) CO-TRIGENERANDO: sostanzialmente producendo energia elettrica laddove c’è possibilità diutilizzare tutta la risultante energia termica, o gran parte di essa, mediante sistemi con combustibilifossili, impianti solari termici o termodinamici, sistemi ibridi, reti di teleriscaldamento e quant’altro.
Pertanto, si rafforza il concetto di quanto “secondaria” sia l’elettricità e quanto sia più importante dalpunto di vista energetico, quindi anche economico (*), il condizionamento degli edifici.
(*) una famiglia tipo di reddito medio, soprattutto se del Nord Italia, presenta una bolletta energetica fortemente sbilanciata sulcosto del riscaldamento rispetto a quello della “luce”!
In quest’ottica si inserisce una grande famiglia di tecnologie energetiche rinnovabili, che racchiudevarie tecniche di geoscambio, che va sotto il nome di:
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA GEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIACLASSIFICAZIONE GENERALECLASSIFICAZIONE GENERALE
D.LGS.D.LGS. n.22 del 11.02.2010n.22 del 11.02.2010““Riassetto della normativa in materia di ricerca e coltivazione delle risorse geotermiche”
Ai sensi e per gli effetti del presente decreto legislativo (art.1, comma 2) valgono le
seguenti definizioni:
a) sono risorserisorse geotermichegeotermiche adad altaalta entalpiaentalpia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito superiore a 150°C;
b) sono risorserisorse geotermichegeotermiche aa mediamedia entalpiaentalpia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito compresa tra 90°C e 150 °C;del fluido reperito compresa tra 90°C e 150 °C;
c) sono risorserisorse geotermichegeotermiche aa bassabassa entalpentalpiaia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito inferiore a 90°C.
art. 10- Piccole utilizzazioni locali di calore geotermico quelle che consentono la realizzazione di impianti di
potenza inferiore a 2 MWt, ottenibili dal fluido geotermico alla temperatura convenzionale dei reflui di 15 gradi
centigradi, mediante l'esecuzione di pozzi di profondita' fino a 400 metri. Sono altresì piccole utilizzazioni locali
di calore geotermico quelle effettuate tramite l'installazione di sonde geotermiche che scambiano calore con il
sottosuolo senza effettuare il prelievo e la reimmissione nel sottosuolo di acque calde o fluidi geotermici. Al
comma 3 è previsto che le autorita' competenti per le funzioni amministrative, comprese le funzioni di vigilanza,
riguardanti le piccole utilizzazioni locali di calore geotermico sono le Regioni o Enti da esse delegate.
Uffici, Centri Direzionali
Centri Commerciali
Residenziale
Condizionamento,
Climatizzazione,
Acqua sanitaria,
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPRINCIPALI APPLICAZIONIPRINCIPALI APPLICAZIONI
Ospedali – Cliniche - Scuole Industria, Processi produttivi
Acqua sanitaria,
Flussi Energetici di
Processo
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPRINCIPIO FONDAMENTALE PRINCIPIO FONDAMENTALE DIDI GEOSCAMBIOGEOSCAMBIO
Un impianto geotermico a bassa entalpia è costituito da tre parti fondamentali:1)1) Sistema di scambio con il terrenoSistema di scambio con il terreno, sonde geotermiche ed altri sistemi
2)2) Una o più pompe di caloreUna o più pompe di calore ++ tutti i dispositivi atti a movimentazione dei fluidi e sicurezza dell’impianto
3)3) Sistema di distribuzione del calore all’utenzaSistema di distribuzione del calore all’utenza, , con appositi terminali d’impianto.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀ
1• il calore endogeno terrestre deriva dalle massemagmatiche interne al nostro pianeta;
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀ
2
Già nel 1860 Lord Kelvin, dopo aver progettato nel 1852 un apparecchio con un circuito frigorifero a ciclo invertito(prima pompa di calore), si interessò allo studio sperimentale della variazione della T con la profondità nell’arcodell’anno: misurò che a - 8.1 metri la T media annuale variava con una dinamica di 1/20 rispetto a quella superficialee a -16.2 metri la dinamica di variazione non era che di 1/400 rispetto a quella di superficie.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀ
3
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAEFFICIENZA ENERGETICA E RINNOVABILITÀEFFICIENZA ENERGETICA E RINNOVABILITÀ
20% ENERGIA NON RINNOVABILE
16 % ENERGIA NON RINNOVABILE
100 % ENERGIA RINNOVABILE
“Per ciascun sistema geotermico, e per ciascuna modalità di produzione, esiste un certo livello di
produzione massima di energia, al di sotto del quale è possibile mantenere costante la produzione di
energia dal sistema per un lungo periodo (100-300 anni)” (Orkustofnun Working Group, 2001).
Una “produzione sostenibile da singolo sistema geotermico”, in sostanza, deve assicurare che
l’impianto collegato a terreno, comporti il raggiungimento di un equilibrio termodinamico sul lungo
periodo, assestando il livello della temperatura del terreno su un valore accettabile e ambientalmente
compatibile; inoltre è necessario che una volta terminato il funzionamento dell’impianto il terreno
raggiunga su tutto il volume interessato dei valori di temperatura confrontabili con quelli del terreno
indisturbato prima dell’applicazione degli scambiatori.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAIMPATTO AMBIENTALE E SONDE GEOTERMICHEIMPATTO AMBIENTALE E SONDE GEOTERMICHE
indisturbato prima dell’applicazione degli scambiatori.
Numerosi studi hanno dimostrato che applicazioni di sonde geotermiche correttamente dimensionate
consentono di realizzare un sistema geotermico ambientalmente sostenibile secondo la definizione
data: dopo qualche anno di funzionamento, si instaura un nuovo equilibrio stazionario, fra la tendenza
naturale del suolo a mantenere le condizioni iniziali e l’energia estratta ed immessa dallo scambiatore.
Fermo restando quanto sopra, le criticità e problematiche ambientali sono essenzialmente:
1) Comunicazione tra falde sovrapposte
2) Potenzialità inquinanti sulla falda coinvolta (termica o dovuta a perdite dei fluidi termovettori)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVIPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVI
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVIPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVI
Applicazione Applicazione APERTAAPERTA: Falda: Falda Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore OrizzontaleOrizzontale
Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSAApplicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore VerticaleVerticale
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVIPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVI
(OLTRE LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI)(OLTRE LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI)
Applicazione Applicazione APERTAAPERTA: Falda: Falda Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore OrizzontaleOrizzontale
Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSAApplicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore VerticaleVerticale
Il prelievo può avvenire da bacini superficiali (mare, laghi o fiumi) o da pozzo.
I sistemi per via diretta sono relativamente utilizzati in Italia da molto tempo, seppurrelativamente poco diffusi. Sono fondamentalmente costituiti da un impianto di prelievo ed uno
di scarico, collegati direttamente alla pompa di calore o tramite un circuito secondario ed uno
scambiatore (nel caso di incrostazioni, alghe, corrosione per agenti inquinanti o acque salmastre,intasamenti dei circuiti, al fine di ridurre gli interventi sulla pompa di calore, più complicati edonerosi).
Per la movimentazione dell’acqua sono necessarie pompe idrauliche, il cui consumo energeticogeneralmente costituisce una quota significativa del consumo complessivo dell’impianto. La
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO APERTOSISTEMI A CIRCUITO APERTO
generalmente costituisce una quota significativa del consumo complessivo dell’impianto. Laconvenienza rispetto ai sistemi chiusi, dal punto di vista dei costi d’esercizio, si ha fino a prevalenze dell’ordinedei 30 metri. Con un’analisi economica basata sui costi di ammortamento dell’impianto, invece, i vantaggi deisistemi aperti risultano interessanti fino anche a prevalenze di 50 metri.
I fattori limitanti lo sviluppo dei sistemi aperti sono essenzialmente tre:1) Maggiori costi di manutenzione;2) Costi di pompaggio per falde acquifere ad elevata profondità;3) Difficoltà ed incertezza nell’iter autorizzativo per l’esecuzione dei pozzi, per il prelievo di
acque pubbliche e soprattutto per lo scarico di acqua trattata (anche “solo” termicamente).
DD..LL.. 152152//0606 - art 104. “Scarichi nel sottosuolo e nelle acque sotterranee”.• c.1. È vietato lo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo.• c.2. In deroga a quanto previsto al comma 1, l'autorità competente, dopo indagine preventiva,
può autorizzare gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi geotermici, delleacque di infiltrazione di miniere o cave o delle acque pompate nel corso di determinati lavori diingegneria civile, ivi comprese quelle degli impianti di scambio termico.”
In assenza di specifiche indicazioni normative regionali (vedi Lazio) in merito ai criteri di verifica diconformità di tale scarico ed in attesa di alcune indicazioni richieste agli Uffici Legali provinciali,nell’ambito delle istruttorie in itinere si ritiene che debbano essere rispettate le seguenti indicazioni,effettuando le necessarie verifiche in fase di progetto:� Valutazione della Temperatura massima consentita per le acque di reimmissione;� Minimizzazione delle variazione chimico-batteriologica tra l’acqua prelevata e quella scaricata;
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO APERTOSISTEMI A CIRCUITO APERTO
� Minimizzazione delle variazione chimico-batteriologica tra l’acqua prelevata e quella scaricata;�Interventi atti a ridurre il carico batterico per aumenti di temperatura dell’acqua reimmessa;� Miglioramento della qualità chimica e riduzione del carico solido dell’acqua che entra nei circuiti delloscambiatore (pompa di calore geotermica) onde evitarne il danneggiamento;�Assenza di cortocircuitazione termica a breve o medio termine;� Modellazione e verifica dell’ampiezza della bolla di calore nelle condizioni di esercizio;� Modellazione e verifica delle “deformazioni” indotte localmente sulla falda e i possibili cedimenti odanni alle opere sovrastanti e/o circostanti;�monitoraggio sulle caratteristiche quali-quantitative dell’acquifero utilizzato.
Hanno uno sviluppo poco al di sotto del piano campagna (da -1.5 a -3 metri), conandamento solitamente a serpentina simile ai pavimenti radianti.
Utilizzando una provocazione, potremmo ricondurli a “collettori solari” ed analizzarlicome sottocategoria dei pannelli solari termodinamici: la ricarica delle sonde orizzontali èsolo minimamente dovuta all’energia geotermica, la gran parte proviene dall’atmosferasottoforma di irraggiamento e di precipitazioni atmosferiche.
E’ assolutamente errato porre le tubazioni sotto edifici, ma anche sotto aree asfaltate
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALISONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
E’ assolutamente errato porre le tubazioni sotto edifici, ma anche sotto aree asfaltate(impermeabilizzate); si devono evitare le zone in ombra se l’impianto è pensato per ilriscaldamento.
In genere le tubazioni sono in polietilene (analoghe a quelle utilizzate per l’acquapotabile). Per facilitare eventuali fasi manutentive è opportuno utilizzare tubazioni conlinea di marcatura assente o differente dall’azzurro (acqua potabile) e dal giallo (gas), ed èd’obbligo usare nastro monitore al di sopra delle tubazioni per evitare danneggiamentiqualora si eseguano scavi all’interno del campo geotermico.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALISONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALICONFIGURAZIONICONFIGURAZIONI
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
La sonda geotermica ha la funzione di scambiatore di calore tra ilterreno e la pompa di calore ed è composta da una o più tubazioni acircuito chiuso all’interno delle quali passa il fluido termovettore.
La sonda geotermica è pensata per non richiedere alcun tipo dimanutenzione durante la sua vita tecnica: essendo “sigillate” fino insuperficie, non è possibile intervenire sulle tubazioni in profondità.
La sonda in sé è un componente estremamente semplice dell’impianto,costituita da tre elementi fondamentali:costituita da tre elementi fondamentali:• TUBAZIONI• PIEDE• MATERIALE DI RIEMPIMENTO
e tre elementi ausiliari:• TUBO D’INIEZIONE• ZAVORRA•DISTANZIALI
Le tubazioni che costituiscono le sonde sono in polietilene ad alta densità (HDPE o PEAD),rispondenti alle norme DIN 8074 e 8075. Questo materiale plastico risulta:
• maneggevole e flessibile,
• resistente alla corrosione ad opera dei più svariati agenti chimici,
• caratterizzato da buone caratteristiche meccaniche,
• di elevata stabilità a lungo termine,
• di ridotta scabrezza interna (bassa resistenza idraulica),
• di bassa conducibilità termica (0.38-0.4 W/m),
• uno dei materiali che richiedono meno energia per la loro trasformazione e produzione.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALITUBAZIONITUBAZIONI
• uno dei materiali che richiedono meno energia per la loro trasformazione e produzione.
Le tubazioni sono identiche nell’aspetto e nei materiali a quanto abitualmente in uso perl’acquedottistica; solitamente di colore nero (trattamento al nerofumo per la difesa dai raggiultravioletti solari- exp mai superiore a due anni). Le uniche differenze di rilievo tra i tubi personde geotermiche e tubi per le altre utilities sono:
• l’assenza di banda colorata laterale, utile per identificare le tipologie di servizi;
• la maggior cura che le case produttive specializzate pongono nel controllo di produzione, visti gliingenti costi necessari alla riesecuzione di una sonda mal prodotta.
Lo spessore delle pareti delle tubazioni deve seguire un compromesso tra:
RESISTENZA MECCANICARESISTENZA MECCANICA SCAMBIO TERMICOSCAMBIO TERMICO
Sebbene esista la possibilità di usare materiale adatto a pressione nominale di 10 bar(PN10), il compromesso ottimale si ottiene con tubazioni PN16.I diametri esterni più utilizzati, per motivi idrodinamici più che termici, sono:• De 25 mm fino alla lunghezza di 80 metri;• De 32 mm fino a lunghezze di 150 metri e/o configurazione a “doppio tubo ad U”
• De 40 mm fino a 300 metri ed oltre o in configurazione a “singolo tubo ad U”
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALITUBAZIONITUBAZIONI
• De 40 mm fino a 300 metri ed oltre o in configurazione a “singolo tubo ad U”
Per dare garanzie di qualità, sulle tubazioni deve essere impresso:• costruttore• tipo e diametro di tubazione• materiale• norme costruttive di riferimento• spessore della parete• data di produzione• progressiva metrica (dal piede alla testa) o doppia
Le tubazioni non devono presentare saldature di nessun genere sulla
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALITUBAZIONITUBAZIONI
Le tubazioni non devono presentare saldature di nessun genere sullaverticale, né tanto meno devono essere giuntate in cantiere.Vengono svolte tramite sbobinatori e posate mediante rulliere.
Oltre all’HDPE, alcuni costruttori propongono tubazioni in materialialternativi:� polietilene reticolato (PEAX) indicato per termalismi anomali;� PE-RC (resistant to crack).
Per piede di sonda si intende la U di raccordo tra le tubazioni di mandatae di ritorno al fondo della sonda geotermica, anch’esse solitamente inHDPE PN16.Elemento fondamentale è la saldatura con le tubazioni (punto piùdelicato dell’intero circuito idraulico) meglio se eseguita in fabbrica:sonda già assemblata e trasportata in cantiere su pallet adeguatamenteimballata e certificata.Ulteriore aspetto di cui tener conto è la sezione di passaggio dei fluidi:
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALIPIEDE PIEDE DIDI SONDASONDA
Ulteriore aspetto di cui tener conto è la sezione di passaggio dei fluidi:devono essere ridotte al minimo le perdite di carico (no curve a 90°)come nel sistema a collettore (piccola camera ricavata nel piede), conpreferenza dei piedi a U tagliati testa a testa. La forma del piede devefavorire lo svolgimento nella perforazione, evitando spigoli vivi, egarantire adeguato fissaggio della zavorra (peso medio 30-40 Kg).
All’interno della sonda geotermica scorre un fluido incaricato dello scambio termicoterreno-pompa di calore. A seconda delle temperature che si raggiungono in faseinvernale, il fluido può essere semplicemente acqua o può essere costituito da unamiscela di acqua e antigelo (proporzione variabile in funzione del punto dicongelamento voluto). Quelli di uso più comune sono i glicole etilenico e propilenico.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALIFLUIDIFLUIDI TERMOVETTORITERMOVETTORI
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
Solitamente la perforazione per geotermia è sempre aa distruzionedistruzione didi nucleonucleo con uso diaria o acqua, realizzabile con metodo a rotazionerotazione (triconi, trilama o frese) o arotopercussionerotopercussione (martello fondo foro).A seconda del tipo di sottosuolo si utilizzano tecniche di avanzamento diverse,
raggruppabili in tre categorie in funzione del fluido di raffreddamento delle punte edel tipo di circolazione:1) Ad aria compressa e martello fondo foro (in roccia o in caso di foro
autosostenuto);
LA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
autosostenuto);
2) A circolazione diretta di fanghi (per tutti i tipi di terreno);
3) A circolazione inversa di fanghi (in caso di terreni sciolti, sabbiosi, con
rivestimento).
Di seguito si riporta l’analisi delle tecniche distinte sulla base del tipo di sostegno dellepareti del perforo:a) Perforazione con fanghi bentonitici o polimeri
b) Perforazione con camicie di rivestimento
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALILA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
PERFORAZIONE CON FANGHI BENTONITICIPERFORAZIONE CON FANGHI BENTONITICI
1) Unità impiegata specifica per pozzi 2) Perforazione generalmente a sola rotazione con frese o triconi3) Impiego di polimeri o fanghi bentonitici, con adeguata densità, per
stabilizzare e sostenere il foro e con funzione di fluido di espurgo4) Recupero della batteria di perforazione5) Posa della sonda geotermica mediante aggancio alla batteria di5) Posa della sonda geotermica mediante aggancio alla batteria di
perforazione e “spinta” fino a fondo foro6) Per l’infissione bisogna vincere la sottospinta derivante dalla densità dei
fanghi bentonitici7) Recupero della batteria usata per l’inserimento della sonda8) Generalmente nessuna cementazione della SGV ma si considera
sufficiente per la sigillatura il solo fango bentonitico9) Soluzione ottimale sostituire con miscela cemento-bentonite
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALILA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
TECNICA DI PERFORAZIONE A DISTRUZIONE DI NUCLEO CON IMPIEGO DI BENTONITE
PERFORAZIONE CON CAMICIE PERFORAZIONE CON CAMICIE DIDI RIVESTIMENTORIVESTIMENTO
1) Unità impiegata tipica di perforazioni generiche (singola batteria) ospecifica per sola geotermia (doppia batteria)
2) Perforazione a rotazione o rotopercussione
3) Impiego del rivestimento provvisorio con il compito prevalente di sostenere e stabilizzare le pareti del foro.
4) Asta di perforazione interna per portare l’utensile di perforazione
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALILA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
4) Asta di perforazione interna per portare l’utensile di perforazione
5) Fluidi di perforazione impiegati: aria, acqua, misti aria – acqua, fanghi bentonitici (solo per stabilizzare acquiferi in pressione)
6) Recupero della batteria interna di perforazione
7) Posa per gravità della sonda geotermica completa di tubo di iniezione
8) Iniezione di miscela cementante
9) Recupero del rivestimento provvisorio
10) Rabbocco di miscela cementante in fase di recupero del rivestimento
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALILA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
SISTEMA SISTEMA DIDI PERFORAZIONE “A DOPPIA TESTA”PERFORAZIONE “A DOPPIA TESTA”((B.A.T.B.A.T. Best Best AvailableAvailable TechnologyTechnology))
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALILA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
Perforazione a fanghi bentonitici
• Facilità di perforazione su terreni agrana fine
• Difficoltà dell’utilizzo della bentonitein termini ambientali
• Difficoltà nell’inserimento delle SGV
Perforazione con “doppia batteria”
• Facilità di perforazione su terrenigranulari anche in presenza ditrovanti
• Nessun impiego di fanghi bentoniticise non in presenza di acquiferi in
DIFFERENZE TRA I METODIDIFFERENZE TRA I METODI
• Difficoltà nell’inserimento delle SGVcon possibile danneggiamento infase di posa
• Difficoltà di sostituzione dei fanghibentonitici con una miscelacementante
• Smaltimento dei fanghi bentoniticiin discarica a fine cantiere
se non in presenza di acquiferi inpressione
• Nessuna difficoltà nell’inserimentodelle sonde
• Facilità di cementazione delle SGVcon apposite miscele
• Nessun problema di smaltimentodei detriti di perforazione
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
COLLAUDICOLLAUDI SONDASONDA
Una volta terminata la posa delle sonde, prima di procedere allacementazione, si dovrà provvedere:
1) Al riempimento con acqua delle sonde stesse e messa inpressione (ca 5-6 bar) per il test di tenuta con sistemi adacqua o aria. Durata minima della prova: 1-2 h. Variazione dipressione tollerata da 0.2 a 0.5 bar.
2) Dopo il test di tenuta si procede ad iniettare acqua dalla2) Dopo il test di tenuta si procede ad iniettare acqua dallasuperficie nelle sonde e verificarne la fuoriuscita nellostesso quantitativo (test di circolazione idrica).
3) In caso di esito positivo, i quattro tubi costituenti la sondaverranno segnati rispettivamente con del nastro colorato alfine di identificare l'andata ed il ritorno.
4) La sonda che non dovesse superare il test con esito positivodovrà essere colmata con miscele impermeabilizzanti eabbandonata.
È l’elemento costitutivo su cui si riscontra maggiore differenziazione sul mercato.La classificazione dei riempimenti vede una distinzione in due macrocategorie:� materiali sciolti (generalmente sabbie quarzifere)� malte cementizie
Nel caso dei materiali sciolti la posa può avvenire a secco, per caduta, o tramite pompaggioin miscela acquosa, scongiurando la formazione di cavità durante la posa.L’uso di riempimento con sabbia fornisce i migliori risultati in presenza di falda,consentendo il diretto contatto dell’acquifero con le tubazioni (trasmissione del caloreanche a carattere convettivo a vantaggio dello scambio termico); è solitamente limitato ad
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
LA CEMENTAZIONELA CEMENTAZIONE
MATERIALI MATERIALI DIDI RIEMPIMENTORIEMPIMENTO
anche a carattere convettivo a vantaggio dello scambio termico); è solitamente limitato adistallazioni in roccia sana o in sistemi monofalda. In tutte le altre situazioni è preferibile farricorso a miscele cementizie.Le principali malte cementizie usate sono composti premiscelati termicamente migliorati- enon- contenenti cemento Portland+ bentonite + acqua (con eventuali additivi).L’impasto viene solitamente fatto in cantiere controllando la corretta proporzione tra acquae polvere. Una miscela molto utilizzata prevede, per un metro cubo di malta:
450 Kg di cemento + 50 Kg di bentonite + 900 litri di acqua
Le attività di cementazione devono essere dettagliatamente descritte in apposito verbale.
Le principali caratteristiche delle malte cementizie sono:� conduttività termica (cemento-bentonite da 0.6 a 1.2 W/mk, premiscelati termicamentemigliorati da 1.6 a 2.2 W/mk);� densità (assume in genere valori di poco inferiori a 1.5 t/mc);� reologia (viscosità valutata con cono di Marsh, elevata viscosità = buona cementazione);� permeabilità (buona malta per basse permeabilità- nell’ordine di 10-10 cm/s);� andamento della maturazione (variabile da mezza giornata a qualche giorno, maggiore per letratte di cementazione sotto falda). Una buona malta per sonde non deve presentare fenomenidi variazione volumetrica durante la maturazione;
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
MATERIALI MATERIALI DIDI RIEMPIMENTORIEMPIMENTO
di variazione volumetrica durante la maturazione;� calore di maturazione (si parla di incrementi termici nell’ordine dei 15-20°C, il tempo diritorno a regime delle T dipende oltre che dalla malta anche dal terreno, di solito varia da 3 a 4settimane);� resistenza al gelo (in inverno il fluido convettore può trovarsi a temperature negative,determinando aumento di volume e fratturazione del getto).
La cementazione avviene da fondo foro tramite tubo d’iniezione normalmente a perdere,economico ma al contempo in grado di resistere alle pressioni di iniezione (ca 20 bar). In talunicasi, durante la cementazione è necessario procedere all’adozione del packer.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
COLLAUDO SONDE: IL GRT
“Thermal Response Test” o “Ground Response Test” (GRT): uno scambiatore pilota installato nel suolo(che sarà parte di un pozzo poi appartenente al loop dell’impianto che si realizzerà) sollecitato da unimpulso termico a potenza costante. Attraverso il test vengono misurati i seguenti tre parametri:� To : temperatura media del terreno indisturbato
� λλλλ : conducibilità termica media del suolo
�Rb : resistenza termica media della sonda (resistenza equivalente di pozzo)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
IL GRT
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
I DIAGRAMMI DEL GRT
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
I DIAGRAMMI DEL GRT
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
La pompa di calore assorbe calore attraverso il fluido refrigerante in un evaporatore, nealza la temperatura attraverso il compressore, cede calore all'ambiente circostanteattraverso il condensatore; durante questo processo viene consumata energia elettrica(coefficiente di prestazione “C.O.P.”).
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
SCHEMA IMPIANTO PER CLIMATIZZAZIONE AMBIENTE + ACQUA SANITARIA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
Classificazione per effetto utile:
• Macchina frigorifera (o chiller, frigo, refrigeratore)
• Pompa di calore
• pompa di calore reversibile
Classificazione per refrigerante:• R22 (in abbandono per impatto ozono)
• R134a
• R410A
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALIPOMPA POMPA DIDI CALORECALORE
CLASSIFICAZIONICLASSIFICAZIONI
• R410A
• R407C (in abbandono per motivi di mercato)
• Ammoniaca, anidride carbonica come R744, propano come R290 (poco usati in geotermia)
Classificazione ASHRAE (tipologia di sorgente di scambio):
• SWHP (Surface Water Heat Pump): quelle che utilizzano acque superficiali. Sono di tipo diretto seavviene prelievo ed immissione nello stesso sistema idrico.
• GWHP (Ground Water Heat Pump): la sorgente è l’acqua di falda che viene prelevata e poireimmessa all’interno della stessa o – più diffusamente in Italia- in corpo idrico superficiale.
• GCHP (Ground-Coupled Heat Pump) sfruttano il terreno attraverso le sonde geotermiche.
Classificazione GSP (Gruppo promoz. Svizzero per le PdC) basata su una sigla del tipo:
L1N1/L2N2
La prima parte (L1N1) si riferisce all’evaporatore, la seconda (L2N2) al condensatore.Le lettere L1 e L2 rimandano al tipo di fluido utilizzato, rispettivamente, come sorgente perl’evaporatore e pozzo caldo per il condensatore, e possono essere:• A per l’aria• B per l’acqua glicolata (brine)• W per l’acqua
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORECLASSIFICAZIONICLASSIFICAZIONI
• W per l’acquaSi indica rispettivamente con:• N1 la temperatura del fluido all’ingresso dell’evaporatore;• N2 la temperatura del fluido all’ingresso del condensatore.
L’efficienza di funzionamento della pompa di calore si identifica con l’acronimo COP(coefficient of performance) pari i al rapporto tra energia fornita e energia consumataper produrre il lavoro.L’efficienza è inversamente proporzionale alla differenza tra la temperatura dellasorgente e la temperatura dell’utilizzatore o viceversa.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
IL “COP”IL “COP”
Il ciclo di Carnot suggerisce che di norma si ha:Valore COPreale < 50% del valore COPteorico.
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
IL “COP”IL “COP”
CURVE CURVE DIDI RENDIMENTO DELLE RENDIMENTO DELLE PdCPdC
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
TERMINALI TERMINALI D’UTENZAD’UTENZA
RISCALDAMENTO: T° mandata H2O = 20-30°C
Nelle condizioni di scambio lato utenza giocano un ruolo determinanti i terminaliterminali d’impiantod’impianto. Talicondizioni impongono un salto termico che deve sussistere tra il fluido termovettore e l’aria ambiente.Mentre questa è un dato di progetto imposto dalle condizioni di comfort, la T del fluido termovettore èdeterminata dall’efficienza dello scambio termico e, pertanto, dalla configurazione del terminale.
RISCALDAMENTO: T° mandata H2O = 20-30°CRAFFRESCAMENTO: T° mandata H2O = 15-20°C
RISCALDAMENTO: T° mandata H2O = 45-50°CRAFFRESCAMENTO: T° mandata H2O = 6-8°C
RISCALDAMENTO: T° mandata H2O = 55-60°C
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
POMPA POMPA DIDI CALORECALORE
I TERMINALI I TERMINALI D’UTENZAD’UTENZA
La progettazione a regola d’arte richiede competenze multidisciplinari:
- il progettista GEOLOGO nella ricostruzione del modello geologico e idrogeologico del sito;- il progettista GEOTERMICO (GEOLOGO o INGEGNERE) nella definizione-gestione-controllodelle fasi operative di perforazione, di posa e collaudo delle sonde (direzione lavori congiornali di cantiere, verbali di cementazione, certificati di collaudo), solitamente arriva sinoalla pompa di calore;- il progettista TERMOTECNICO (tecnico abilitato) che si occupa della distribuzione aiterminali d’impianto;- il progettista ELETTRICO (tecnico abilitato) che si occupa dell’alimentazione delle
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
- il progettista ELETTRICO (tecnico abilitato) che si occupa dell’alimentazione dellemacchine e dei sistemi di controllo (riceve dal progettista geotermico i carichi elettrici e lelogiche di controllo per il funzionamento di pompa di calore, valvole servocomandate ecircolatori).
ADEGUATA DIVISIONE ADEGUATA DIVISIONE DIDI RESPONSABILITÀ E COMPETENZE = LAVORO RESPONSABILITÀ E COMPETENZE = LAVORO DIDI SUCCESSOSUCCESSO
I problemi più frequenti sono dati dall’eccessivo utilizzo del terreno (serbatoio geotermico),con conseguente perdita prestazionale (nei casi migliori) o danneggiamento irreparabiledelle sonde geotermiche (costi per la sostituzione realmente gravosi).
PROCEDURA PROGETTUALE
1) Verifica della fattibilità tecnica;
2) Individuazione di vincoli autorizzativi;
3) Caratterizzazione dell’utenza;
4) Caratterizzazione geologica e termogeologica del sito;
5) Definizione delle condizioni di scambio sonda-terreno;
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
5) Definizione delle condizioni di scambio sonda-terreno;
6) Scelta dello schema di centrale termica e della pompa di calore;
7) Dimensionamento delle sonde geotermiche (profondità, numero, posizione)
8) Dimensionamento della distribuzione orizzontale alle sonde;
9) Definizione delle componenti di centrale termica;
10)Dimensionamento di staffaggi e finiture.
PROCEDURA PROGETTUALE
1) STUDIO DI FATTIBILITÀ
a) Caratteristiche utenza (temperature fluidi, spazi in centrale termica, continuità d’uso,
sviluppo nel tempo, bilancio d’utilizzo estate-inverno)
b) Aspetti cantieristici (accessibilità, utilities di cantiere, pendenze del terreno, etc.)
c) Aspetti geologici (movimenti franosi e carsismo: pericolosi; variabilità geologica vert.,
elevato indice vuoti, fratture e rocce abrasive: costi aggiuntivi)
d) Aspetti idrogeologici (presenza di falda/e, acquiferi in pressione)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
d) Aspetti idrogeologici (presenza di falda/e, acquiferi in pressione)
e) Aspetti ambientali (presenza pozzi idropotabili in vicinanza, interessamento di acquiferi
potabili o sistemi multifalda, presenza di carico microbiologico o sostanze pericolose disciolte)
f) Aspetti autorizzativi (legislazione vigente sul territorio)
2) VINCOLI AUTORIZZATIVINormative regionali in rapido sviluppo, dove esistente l’attuazione può variare da provincia aprovincia. Solitamente tre tipi di prescrizioni: divieto per aree di salvaguardia risorse idropotabili,imposizione di monitoraggio ambientale continuo, limitazioni nella profondità di posa.
PROCEDURA PROGETTUALE
4) CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E TERMOGEOLOGICA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
Lo studio geologico e le relative prospezioni devono essere estesi alla parte di sottosuolointeressata, direttamente o indirettamente, dalla realizzazione dell’opera o che influenzail comportamento dell’opera stessa.A seguito della ricostruzione del modello geologico ed idrogeologico vengono trasferiteagli steps progettuali successivi le seguenti nozioni: temperatura, capacità e conduttivitàtermica medie, informazioni sulla variabilità della stratigrafica e delle condizioniidrogeologiche, informativa circa il rischio di inquinamento della falda.
PROCEDURA PROGETTUALE
5) CONDIZIONI DI SCAMBIO SONDE-TERRENO
Si possono dire note quando sono determinate le seguenti grandezze:
a)a) CampoCampo didi variabilitàvariabilità accettabileaccettabile perper lala temperaturatemperatura deldel fluidofluido termovettoretermovettore: unimpianto geotermico si può ritenere vantaggioso quando la T del fluido è vantaggiosarispetto alla T dell’aria ambientale. Alle nostre latitudini ciò si verifica quando latemperatura del fluido non scende sotto gli 0° C in inverno (4° se si usa solo acqua
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
temperatura del fluido non scende sotto gli 0° C in inverno (4° se si usa solo acquasenza antigelo) e non sale sopra i 35° C in estate. Tale quadro termico garantisce oltreche vantaggi economici anche problemi tecnici, sia agli impianti che di naturageologica.
b)b) CaratteristicheCaratteristiche didi conduzioneconduzione deldel calorecalore deldel sistemasistema sondasonda, risolto con la definizionedella resistenza termica apparente di pozzo: per utenze > 30 KW (GRT e software dimodellazione matematica), non influente per impianti < 30KW (dati tabellari).
PROCEDURA PROGETTUALE
7) DIMENSIONAMENTO DELLE SONDE
Segue criteri diversi a seconda della potenza e del funzionamento dell’impianto:
CASO “A”: IMPIANTI MEDIOCASO “A”: IMPIANTI MEDIO--PICCOLI (potenza invernale all’utenza <30KW)PICCOLI (potenza invernale all’utenza <30KW)
1. Impianti per produzione di riscaldamento + ACS + condizionamento ridotto2. Funzionamento annuo standard (circa 1800 h)3. Geologia “standard”: roccia o terreni alluvionali in generale umidi
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
3. Geologia “standard”: roccia o terreni alluvionali in generale umidi4. Temperatura limite alle sonde geotermiche (0°C)5. Temperatura del terreno indisturbata non inferiore a 10 °C6. Sonda a doppia U o singola U cementata con prodotti termicamente migliorati
La lunghezza L complessiva da perforare può essere stimata con la seguente relazione:
L = Pi,t / q (t)
dove Pi,t è la potenza termica (invernale) estratta dal suolo (< potenza resa all’utenza infunzione del COP) e q (t) è la resa termica lineare della sonda (mediamente 50 W/m).
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIASISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
LA PROGETTAZIONELA PROGETTAZIONE
PROCEDURA PROGETTUALE7) DIMENSIONAMENTO DELLE SONDE
CALORE SPECIFICO DI ESTRAZIONE
(FONTE VDI 4640)
PROCEDURA PROGETTUALE
7) DIMENSIONAMENTO DELLE SONDE
CASO “B”: IMPIANTI MEDIOCASO “B”: IMPIANTI MEDIO--GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)
Il dimensionamento avviene tramite test termici e/o software di calcolo basati sumodellazioni teoriche. I datidati principaliprincipali didi ingressoingresso sono:
1. Caratterizzazione termica del terreno: conducibilità e capacità termica;2. Massa volumica del terreno e flusso geotermico naturale;3. Temperatura del terreno indisturbato;
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
3. Temperatura del terreno indisturbato;4. Geometria della sonda (diametro perforazione, disposizione e diametro tubi,
resistenza termica sonda, conducibilità termica materiali di riempimento);5. Caratteristiche del fluido termovettore (portata e tipo)6. Geometria del campo sonde (numero, profondità, interasse, distribuzione);7. Fabbisogni energetici annui e loro distribuzione stagionale;8. COP estivo ed invernale della pompa di calore;9. Fabbisogni di picco (potenza max impianto) e durata rispettiva.
OUTPUT = ANDAMENTO TEMPERATURE DEL FLUIDO TERMOVETTORE NEL TEMPOOUTPUT = ANDAMENTO TEMPERATURE DEL FLUIDO TERMOVETTORE NEL TEMPO
OCEDURA PROGETTUALE
7) DIMENSIONAMENTO DELLE SONDE
CASO “B”: IMPIANTI MEDIOCASO “B”: IMPIANTI MEDIO--GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)
Utilizzando il modello teorico della sorgente cilindrica, secondo un approccio analitico proposto daASHRAE, il dimensionamento può essere condotto adottando le seguenti formule:
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIALA PROGETTAZIONE LA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
dove:ΦΦΦΦ sono i flussi termici
R sono le resistenze termiche lineari equivalenti
W sono le potenze elettriche assorbite dalla Pdc
PLF è il fattore di carico parziale per il mese di picco e F è il fattore di perdita per cortocircuito
T sono le temperature (del terreno indisturbato, di ingresso e uscita dalla pompa, e di penalizzazione
per interferenza tra sonde)
CASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARECASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARE
Supponiamo di applicare l’analisi dei costi ad un’abitazione di 200 mq, ubicata in zona climatica E conindice di prestazione energetica per la climatizzazione ambientale di 90 KWh/mq annui(soddisfacente i requisiti del D.L. 311/06 applicabili dal 01.01.2010). Si ipotizzano i seguentirendimenti:-Pompa di calore con COP = 4- Gruppo refrigerante (chiller) = 2.5- Caldaia a metano con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)- Caldaia a gasolio con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIABENEFICI ECONOMICIBENEFICI ECONOMICI
- Caldaia a gasolio con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
L’analisi viene condotta basandosi sui seguenti costi dell’energia elettrica e dei combustibili fossili:-Energia elettrica (tariffa D3 residente, potenza 10 KW, consumo annuale tot. 12 MWh): 0.23 €/kWh- Metano (valore medio AEEG per il 2007, incrementato dell’8%): 0.697 €/mc – 0.075 €/KWh- Gasolio (valore medio Eurostat per il 2007, incrementato dell’8%): 1,45 €/l – 0,13 €/kWh
Di seguito si riportano i confronti di costo tra l’impianto geotermico e le alternative tradizionalirispettivamente per riscaldamento, condizionamento e produzione di acqua calda sanitaria:
CASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARECASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARE
Fabbisogno di energia termica in riscaldamentoriscaldamento: 18000 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 1.035Consumi impianto a metano € 1.595Consumi caldaia a gasolio € 2.722
Fabbisogno di energia termica in raffrescamentoraffrescamento: 7200 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 414Consumi impianto di condizionamento aria-aria € 662
Fabbisogno di energia termica per produzioneproduzione ACSACS: 4200 kWh
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIABENEFICI ECONOMICIBENEFICI ECONOMICI
Fabbisogno di energia termica per produzioneproduzione ACSACS: 4200 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 240Consumi impianto a metano € 370Consumi caldaia a gasolio € 631
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO GEOTERMICO A POMPA DI CALORE € 1.689COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A METANO € 2.627COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A GASOLIO € 4.015RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU METANOMETANO 3636 %%RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU GASOLIOGASOLIO 5858 %%
CASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALECASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALE
Supponiamo di applicare l’analisi dei costi ad un capannone industriale di 1000 mq, ubicato in zonaclimatica E con indice di prestazione energetica per la climatizzazione ambientale di 15 KWh/mcannui. Si ipotizzano i medesimi rendimenti visti per il caso residenziale:-Pompa di calore con COP = 4- Gruppo refrigerante (chiller) = 2.5- Caldaia a metano con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)- Caldaia a gasolio con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIABENEFICI ECONOMICIBENEFICI ECONOMICI
L’analisi viene condotta basandosi sui seguenti costi dell’energia elettrica e dei combustibili fossili:-Energia elettrica (tariffa fornitura in BT per altri usi, potenza 50 KW, consumo annuale tot. 100MWh): 0.14 €/kWh- Metano (Eurostat 2007, incrementato dell’8%, consumo di 418 GJ/anno): 0.05 €/KWh- Gasolio (valore medio Eurostat per il 2007, incrementato dell’8%): 0,12 €/kWh
Di seguito si riportano i confronti di costo tra l’impianto geotermico e le alternative tradizionalirispettivamente per riscaldamento, condizionamento e produzione di acqua calda sanitaria:
CASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALECASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALE
Fabbisogno di energia termica in riscaldamentoriscaldamento: 90000 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 3.150Consumi impianto a metano € 5.396Consumi caldaia a gasolio € 13.608
Fabbisogno di energia termica in raffrescamentoraffrescamento: 36000 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 1.260Consumi impianto di condizionamento aria-aria € 2.016
Fabbisogno di energia termica per produzioneproduzione ACSACS: 17600 kWh
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIABENEFICI ECONOMICIBENEFICI ECONOMICI
Fabbisogno di energia termica per produzioneproduzione ACSACS: 17600 kWhConsumi impianto geotermico a pompa di calore € 618Consumi impianto a metano € 1.058Consumi caldaia a gasolio € 2.667
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO GEOTERMICO A POMPA DI CALORE € 5.027COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A METANO € 8.469COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A GASOLIO € 18.291RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU METANOMETANO 4141 %%RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU GASOLIOGASOLIO 7373 %%
MERCATO EUROPEO POMPE MERCATO EUROPEO POMPE DIDI CALORECALORE
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPROSPETTIVEPROSPETTIVE
MERCATO EUROPEO POMPE MERCATO EUROPEO POMPE DIDI CALORECALORERIPARTIZIONE PER TIPOLOGIARIPARTIZIONE PER TIPOLOGIA
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPROSPETTIVEPROSPETTIVE
QUADRO NORMATIVO ENERGETICO EUROPEOQUADRO NORMATIVO ENERGETICO EUROPEO
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPROSPETTIVEPROSPETTIVE
LO SCENARIO ITALIANOLO SCENARIO ITALIANOFONTE: LIBRO BIANCO DELLE POMPE DI CALORE- EDIZIONE 2010
Dati ISTAT riferiscono che in Italia ci sono circa 26 milioni di unità abitative residenziali, dei quali ca19 milioni sono dotati di impianti di climatizzazione (prevalentemente riscaldamento) e utilizzati inmodo continuo come prima abitazione. Riferendoci al 2005 come anno medio (in termini climatici)dell’ultimo decennio, si ha:
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPROSPETTIVEPROSPETTIVE
Ipotizzando che il 30 % della domanda sia soddisfatta da Pdc è plausibile prevedere una riduzione dica 4.6 Mtep (-23 % dei consumi residenziali complessivi).
LO SCENARIO ITALIANOLO SCENARIO ITALIANOFONTE: LIBRO BIANCO DELLE POMPE DI CALORE- EDIZIONE 2010
GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIAPROSPETTIVEPROSPETTIVE
--6.2 6.2 MtepMtep = = --18% consumi energia primaria = 18% consumi energia primaria = --14.2 Milioni tonnellate CO14.2 Milioni tonnellate CO22
GRAZIE PER L’ATTENZIONE“Fa più rumore un albero che cade di una foresta che cresce” (Lao “Fa più rumore un albero che cade di una foresta che cresce” (Lao TsuTsu))
Dr. Geol. ROBERTO [email protected]