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L’energia geotermica è l’energia che si trova nel sottosuolo sotto forma di calore. Vicino alla superficie terrestre il flusso geotermico è molto piccolo di conseguenza la temperatura del terreno a 20 metri di profondità risulta essere di 14°C e costante.
La pompa di calore è una macchina termodinamica che opera tra due sorgenti: quella fredda, il sottosuolo, dalla quale il calore viene prelevato a bassa temperatura e quella calda, l’abitazione da scaldare, verso la quale il calore viene ceduto a temperatura più alta.
La pompa di calore ha un duplice utilizzo, può essere usata per riscaldare d’inverno e, invertendo il ciclo, per raffrescare d’estate; inoltre fornisce acqua calda sanitaria.
La pompa di calore è un sistema conveniente dal punto di vista energetico perchè consente di sfruttare molta più energia termica di quella elettrica che impiega per funzionare.
La pompa di calore in inverno assorbe calore dalla terra e lo trasferisce all’abitazione o all’acqua da scaldare, viceversa in estate assorbe calore dall’abitazione e lo trasferisce al terreno. Questo processo si realizza fornendo energia elettrica alla macchina che “pompa calore” e risulta essere conveniente dal punto di vista energetico in quanto con un kWh di energia elettrica si producono fino a 5 kWh di energia termica, quindi una quantità di energia superiore a quella che si è spesa.

Le pompe di calore funzionano grazie a diversi principi fisici, ma sono classificate in base alla loro applicazione (trasmissione di calore, fonte di calore, dispersore di calore o macchina refrigeratrice).
Cerchiamo di fornire una spiegazione semplice di come funziona una pompa di calore. Immaginiamo che all’interno di un pallone da calcio sia racchiusa una energia termica pari a 10 kW. Successivamente  quest’ultimo viene compresso fino a raggiungere le dimensioni di una pallina da golf.  A questo punto, la pallina da golf contiene le stesse 10 kW, ma l’energia termica media per unità di volume è molto maggiore. In altre parole la temperatura dell’aria all’interno della palla è aumentata.
Le pareti della pallina si riscaldano e quindi il calore inizia a trasferirsi all’esterno più velocemente. Per portare questo calore in un altro luogo, si può immaginare di muovere la pallina in una zona fredda, dove essa gradualmente regolerà la sua temperatura fino a uguagliare la temperatura dell’ambiente: in questo processo si ipotizza che essa trasferisca 7 kW di energia termica.
Dopo che la pallina si è raffreddata, la si può riportare nella zona iniziale e lasciarla espandere. Dato che ha perso parecchio calore, nel momento in cui ritorna alle dimensioni di un pallone da calcio, la sua temperatura risulta troppo bassa e quindi inizia ad assorbire energia termica e a raffreddare l’aria circostante.

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Il compressore di una pompa di calore crea proprio la differenza di pressione che permette al ciclo di ripetersi (similmente alla palla che si espande e si contrae): esso pompa il fluido refrigerante attraverso l’evaporatore dove appunto evapora a bassa pressione assorbendo calore, in seguito lo comprime e lo spinge all’interno del condensatore, dove condensa ad alta pressione rilasciando il calore precedentemente assorbito. Il fluido refrigerante cambia di stato all’interno dei due radiatori: nell’evaporatore passa da liquido a gassoso, nel condensatore passa da gassoso a liquido.
Quando si confrontano le prestazioni di una pompa di calore, è meglio evitare il termine “efficienza”, in quanto esso ha differenti significati. La resa di una pompa di calore è misurata dal coefficiente di prestazione, COP, dato dal rapporto tra energia resa (alla sorgente di interesse) ed energia consumata (di solito elettrica), usualmente indicato in fisica tecnica come coefficiente di effetto utile.  Un valore del COP pari, ad esempio, a 3 indica che per ogni kWh d’energia elettrica consumato, la pompa di calore renderà 3 kWh di calore.
In fase di raffreddamento la prestazione di una pompa di calore è descritta dall’EER(energy efficiency ratio) o dall’SEER (seasonal energy efficiency ratio), migliori quanto più elevati. Il costruttore dichiara quindi sia il COP, sia l’EER(o l’SEER).
La pompa di calore è solitamente più efficiente nel riscaldamento che nel raffreddamento, dato che la macchina spreca sempre una parte di energia in calore e questa può essere recuperata come calore di riscaldamento.
Di seguito si riportano le formule per il calcolo del COP in applicazioni per il riscaldamento e per il raffreddamento.

Immagine-COP

Per le pompe di calore che sfruttano l’aria il COP è limitato quando operano in climi molto freddi, dove c’è meno calore all’esterno da trasferire all’interno di un edificio. Tipicamente il COP scade quando fuori la temperatura scende attorno a -5° C o -10° C. Quando si compra una pompa di calore è importante prestare attenzione al COP, a quale intervallo di temperatura tale COP si riferisce, al costo di installazione della pompa, a quanto calore può trasferire, al rumore generato.
Considerata, invece, una pompa di calore che sfrutta il sottosuolo (di solito l’acqua sotterranea), che rimane a una temperatura relativamente costante durante l’anno sotto a una profondità di 2,5 m, il suo COP è maggiore rispetto alla pompa che sfrutta l’aria ed è costante durante l’anno; in compenso la sua installazione è più difficoltosa e più cara.


immagine-principio-funzionamento-geotermia

Di seguito è riportato un esempio che illustra il significato del COP
T1= Temperatura del fluido all’interno dell’abitazione
T2= Temperatura del fluido sorgente
T1= 45° C
T2 = 0° C

A questo punto bisogna convertire le due temperature in gradi Kelvin.
0°C = 273 K
T1=45+273=318 K
T2= 0+273= 273K



Il calcolo del COP ideale sarà:

formula

Il valore del  COP reale, di norma è minore del 50% del valore teorico, quindi nel nostro caso

COP reale ≈ 2,8 ÷ 3,4

Questo scostamento tra valore ideale e reale è da imputare a molteplici fattori, tra cui:
• Effettiva distribuzione del fluido operante nei diversi componenti
• Differenza di pressione e temperatura
• Esistenza di volumi morti
• Perdite per limitazione di scambi termici
• Inefficienza dei componenti
• Attrito fluidodinamico
• Attrito tra i diversi organi in moto
• Perdite di adiabaticità

Abbiamo già affermato che il rendimento di una macchina geotermica si misura con il COP, che è un numero che generalmente varia da 3,5 – 5.
Di seguito viene riportato un esempio che esprime  il COP in rendimento percentuale:
COP ipotizzata = 4

η = 4 x 0,36 = 1,44

dove 0,36 è il rendimento del sistema elettrico nazionale riferito all’energia primaria.
Come si può notare il rendimento di una macchina a pompa di calore supera di gran lunga le più avanzate caldaie a condensazione.

Le pompe di calore si distinguono a seconda dei tipi di sonda che utilizzano



Sonde verticali geotermiche
Immagine-sonde-geotermiche-verticaliNel sistema chiuso il calore è intercettato dal terreno per mezzo di una tubazione continua sotterrata, con al suo interno un fluido refrigerante (per le pompe a espansione diretta) o liquido antigelo mantenuto a bassa temperatura e pressurizzato.
Le sonde geotermiche hanno una profondità tipica che va da 50 a 350 m a seconda dell’utenza da servire. Nella perforazione viene introdotto un circuito in cui circola un fluido termovettore che serve da scambiatore di calore. In un sottosuolo roccioso, le sonde geotermiche sono spesso il modo migliore per sfruttare l’energia geotermica.
Quando gli spazi sono ristretti, la tubazione è posta verticalmente, in fori di 150 mm (più stretti invece per il sistema a espansione diretta), a una profondità tra i 18 e i 60 m. Di solito sono necessari tra gli 80 e i 110 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
Quando gli spazi sono maggiori, la tubazione è posta orizzontalmente a una profondità compresa tra 1 e 1,8 m. Di solito sono necessari tra i 120 e i 180 m di tubazione ogni 3,5 kW di capacità della pompa.
La tubazione, a parte nel caso dell’espansione diretta in cui è di rame, conviene sia di polietilene o polibutilene, con i giunti saldati termicamente, così che la durata possa essere tra i 25 e i 75 anni; sempre che il contatto col terreno sia accurato, questi materiali assicurano una buona conduzione termica.
Di seguito si illustra il rendimento di un impianto con sonde geotermiche verticali a seconda del tipo di sottosuolo.

tabella-energia-geotermica



Sistemi ad acqua di falda
Immagine-sonde-geotermiche-pozzoNel sistema aperto si estrae l’acqua da una falda sotterranea, la si porta fino allo scambiatore di calore e quindi la si scarica in un corso d’acqua, di nuovo nella medesima falda o in un bacino appositamente costruito (e che permetta la rifiltrazione verso il terreno).
La condizione più importante è quella della presenza di un flusso d’acqua sufficiente. La necessità di acqua dal terreno per una pompa di 10 kW è tra 0,45 l/s e 0,75 l/s.





Sonde orizzontali

Immagine-sonde-geotermiche-orizzontaliLe sonde orizzontali nel terreno sono delle vere applicazioni della geotermia, ma sfruttano piuttosto l’energia solare che riscalda il terreno in superficie fino a pochi metri di profondità. Le sonde vengono installate ad una profondità di pochi metri e sono disposte orizzontalmente nel terreno secondo diverse forme.
Le pompe di calore geotermiche funzionanti con acqua sotterranea o a sistema aperto hanno un COP variabile da 3,6 a 5,2 e un EER tra 3,4 e 5,0; quelle con circuito chiuso hanno un COP tra 3,1 e 4,9, mentre EER tra 2,9 e 4,5.
A differenza delle pompe di calore ad aria, quelle geotermiche possono funzionare in raffreddamento anche in modalità passiva: esse estraggono calore dall’edificio pompando nel sistema l’acqua fredda o il liquido antigelo, senza l’azione della pompa di calore vera e propria.



Incentivi economici
Fino al 31 dicembre del 2010 detrazione fiscale del 55% per la sostituzione di impianti di climatizzazione invernale con pompe di calore ad alta efficienza e con impianti geotermici a bassa entalpia.



Unità di misura utilizzate
BTU/h -> British Termal Unit, unità di misura della potenza termica di origine anglosassone;
W -> Watt (frigoriferi o caloriferi), unità di misura della potenza nel sistema SI (sistema internazionale delle unità di misura);
frig/h (e kcal/h) -> frigorie (e chilocalorie), unità di misura del calore appartenente al Sistema Pratico, una frigoria equivale ad una chilocaloria e indica il calore sottratto ad un corpo; come convenzione si attribuisce alla frigoria un segno negativo:

1 frigoria = – 1 kcal;
1Watt = 3,413BTU = 0,860 Kcal/h.