Pompe di calore geotermiche: che cosa sono e come funzionano

Scopriamo cosa sono e come funzionano le pompe di calore geotermiche. Si può semplificare il concetto dicendo che la pompa di calore geotermica è l’equivalente di un frigorifero alla rovescia: cioè è una macchina capace di trasferire calore da un ambiente freddo come il sottosuolo o l’acqua di falda, ad un ambiente da riscaldare; utilizzando un processo inverso a quello che avviene spontaneamente in natura.

Sorgenti di calore: aria, acqua e sottosuolo

L’aria, l’acqua e il sottosuolo sono sorgenti di calore, anche se a bassa temperatura, per una pompa di calore che genera sia caldo che freddo. Le pompe di calore geotermiche sfruttano il terreno per raggiungere il loro scopo dato che utilizzano l’energia geotermica che deriva dal calore presente negli strati della crosta terrestre. Non è necessario scendere molto in profondità nel terreno per poter trovare una temperatura sufficientemente costante e indipendente dall’andamento stagionale e, per questo motivo, si possono utilizzare le falde come sorgente termica il cui calore, amplificato dalla compressione, verrà rigettato in un ambiente interno. Gli scavi necessari per questo scopo, accoglieranno quei tubi al cui interno scorre un fluido termovettore che fa da “vettore” tra terreno e pompa. Durante l’estate il terreno si caricherà del calore di condensazione mentre in inverno scambierà il calore di evaporazione.

La pompa di calore è una macchina termica in grado di estrarre e trasferire energia termica utilizzando differenti forme di energia. Queste sono considerate da vari esperti come una delle soluzioni più appetibili, nel breve periodo, per ridurre le emissioni derivanti da consumi domestici-abitativi. La prerogativa principale di queste apparecchiature consiste nello sfruttare come mezzo di scambio termico il sottosuolo che, com’è noto, possiede una temperatura abbastanza costante per tutto l’arco dell’anno, mentre l’aria esterna è, purtroppo, soggetta al mutare delle stagioni; questa tecnica già nota sin dal 1940, può anche sfruttare sorgenti d’acqua sotterranee.

Quindi se con le pompe di calore geotermiche usiamo come elemento di scambio termico il sottosuolo o l’acqua che si trova al di sopra di una falda impermeabile, riusciremo con un sistema a pompa di calore a riscaldare o a rinfrescare un ambiente con efficienza e con una maggiore silenziosità anche se il costo dello scavo non è sempre ben accetto dal cliente finale dato che ha un tempo di ammortamento dell’investimento che va da un minimo di 5 anni fino ad un massimo di 10. Le pompe di calore così realizzate hanno un tempo di vita non superiore ai 24 anni mentre per gli elementi posti sotto terra può arrivare fino ai 50 anni. Le pompe di calore geotermiche si possono realizzare in vari modi e tra quelli maggiormente usati possiamo ricordare i seguenti:

·      circuito chiuso orizzontale

·      circuito chiuso verticale

·      circuito chiuso stagno / lago

·      circuito aperto

La scelta di utilizzare questa o quella soluzione dipende dal clima, dalla natura del terreno, i costi locali di perforazione o scavo, ecc. Tutte queste prerogative sono valide sia per abitazioni che per immobili commerciali. Tre delle quattro soluzioni esposte si riferiscono a circuiti chiusi dove una soluzione di acqua e antigelo circola all’interno di una o più tubazioni in plastica immerse nel terreno o nell’acqua con tecniche di posa diverse. Il liquido che circola nei tubi, entra infine in uno scambiatore di calore che cede o preleva calore dal fluido frigorigeno.

Circuito chiuso orizzontale

Questa soluzione viene adottata per soluzioni residenziali e, più precisamente, per nuove costruzioni dove esiste una porzione di terreno sufficiente da adibire a questo scopo. La profondità di scavo non supera mai i due metri e i tubi vengono adagiati sul terreno. Esistono anche altre soluzioni dove un primo strato di tubo è posato a tre metri di profondità e ricoperto con 1,50 m di terreno; al di sopra di questo viene posato un secondo strato che sarà ricoperto con terra. La posa con tubo avvolto secondo la tecnica chiamata “Slinky™” consente di svolgere più tubi in una trincea più corta, riducendo i costi di installazione e rendendo possibile l’installazione orizzontale in aree in cui non sarebbe possibile con le applicazioni orizzontali convenzionali.

Circuito chiuso verticale

Quando non c’è possibilità di svilupparsi con le tubazioni in orizzontale, allora si ricorre alla soluzione delle sonde poste in verticale la cui installazione si rivolge principalmente grandi edifici commerciali scuole e centri direzionali dove i circuiti vengono utilizzati verticalmente e anche dove è necessario ridurre al minimo il degrado al paesaggio esistente. Per fare ciò si praticano dei fori, di diametro compreso tra 100 mm e 150 mm, nel terreno ponendoli a una distanza di circa 6,00 m tra di loro e, infine, scendendo con la perforazione fino a una profondità variabile tra 35 m e 140 m, ovvero fin quando non si riesce a trovare uno strato ideale come, ad esempio, dei terreni alluvionali, sabbiosi e saturi di acqua, Anche la temperatura del sottosuolo gioca un ruolo importante poiché non deve essere troppo bassa, ma neanche troppo alta. Dentro ai fori viene calato un tubo ripiegato ad “U” e sigillato al terreno tramite malte termoconduttive. Tutti questi tubi che sporgono verticalmente dal terreno, vengono collegati tra di loro alcuni in serie mentre altri in parallelo servendosi di appositi collettori; la figura 2 fornisce un chiaro esempio.

Circuito chiuso immerso in un lago o in uno stagno

Se il sito dispone di un adeguato specchio d’acqua, questa potrebbe essere l’opzione a più basso costo. Il tubo di alimentazione del fluido incongelabile viene posto sottoterra nel tratto che separa l’edificio dall’acqua e, quindi posato sul fondo dello specchio d’acqua parzialmente srotolato e avvolto in cerchi ad almeno 2,00m sotto la superficie.

Sistema a circuito aperto

Questo sistema utilizza l’acqua esistente nelle falde più profonde del terreno come fluido di scambio termico che circola direttamente dentro alla pompa di calore. L’acqua che ne esce viene nuovamente immessa alla stessa profondità a cui è stata prelevata attraverso un secondo pozzo. Per chiarezza diremo che in questo caso i pozzi sono due: uno assegnato al prelievo dell’acqua in profondità, un altro per reimmettere l’acqua da dove è stata prelevata. Questa opzione è ovviamente pratica solo dove esiste una fornitura adeguata di acqua relativamente pulita e vengono rispettate tutte le norme e i regolamenti locali relativi allo scarico delle acque sotterranee.