Impianti a scambio diretto

Negli impianti geotermici a scambio diretto, lo scambio termico avviene con il terreno. Il refrigerante in uscita dalla pompa di calore, circolando in una tubazione inserita a diretto contatto con il terreno, scambia calore con esso e ritorna alla pompa di calore. Il nome “scambio diretto” implica quindi l'assenza di un circuito (e di un fluido) intermedio tra terreno e pompa di calore. Non vi sono però interazioni dirette tra refrigerante e terreno, se non lo scambio termico, e nel circuito di scambio con il terreno non circola acqua.

Gli impianti a scambio diretto sono molto più efficienti rispetto a quelli a circuito chiuso. Ciò è dovuto all'assenza di un circuito intermedio (ciascuno scambiatore comporta comunque delle perdite) e dall'elevata conducibilità termica dei tubi di rame utilizzati per lo scambiatore, che per contro sono molto più costosi rispetto ai tubi in HDPE utilizzati nelle sonde geotermiche. In confronto alle sonde geotermiche, la lunghezza richiesta è inferiore del 70-85% e il diametro dei tubi è circa la metà. È richiesto un maggior controllo di qualità sui tubi, perché il gas refrigerante potrebbe fuoriuscire anche da crepe molto piccole. Il rame deve essere protetto dalla corrosione in suoli acidi con una protezione catodica o con un anodo sacrificale.

Tuttavia, in diversi Paesi Europei questi impianti non sono più ammessi, a causa del rischio di fuoriuscita di lubrificante del compressore della pompa di calore.

Impianti a circuito chiuso

Questo è il sistema che viene impiegato nella maggior parte degli impianti geotermici a bassa entalpia. Il circuito di scambio con il suolo è costituito da una tubatura in polietilene ad alta densità, all'interno della quale si utilizzano miscele di acqua e antigelo come glicole propilenico, glicole etilenico, alcol denaturato, metanolo o cloruro di calcio. Il glicole etilenico è economico, ma è tossico anche a basse concentrazioni e la pur remota possibilità di un suo sversamento in falda ha indotto molte autorità di controllo a proibirne l'utilizzo. per questo motivo glicole propilenico ha generalmente sostituito quello etilenico, pur essendo più caro e meno efficiente energeticamente. Il metanolo e l'alcol denaturato sono infiammabili e pertanto il loro utilizzo è sconsigliabile. Negli ultimi anni si sta affermando l'utilizzo di soluzioni di cloruro di calcio, grazie ella maggiore economicità e alla minore viscosità, che riduce il consumo energetico per la pompa di circolazione, (mediamente è pari a circa 1/10 del consumo della pompa di calore), ma si rendono però necessarie componenti idrauliche speciali anti-corrosione.

Un impianto a circuito chiuso può essere installato orizzontalmente a profondità di 1-3 metri, oppure verticalmente, in una perforazione effettuata appositamente per l’inserimento di sonde geotermiche, o sfruttando i pali di fondazione di un edificio in costruzione.

Circuito chiuso verticale - Un circuito chiuso verticale è composto da due o più tubi installati verticalmente nel terreno, che formano un circuito chiuso nel quale scorre il fluido termovettore. La lunghezza della perforazione può essere compresa tra 20 e 200m. La perforazione può essere effettuata appositamente o impiegando gli stessi paloidi fondazione. Le sonde geotermiche possono avere configurazione a U (due tubi, mandata e ritorno, collegati al fondo), a doppia U oppure coassiale (due tubi concentrici, con la mandata nel tubo interno e il ritorno nell'anello esterno, o viceversa). All'interno del perforo, lo spazio attorno ai tubi è solitamente riempito con un “grouting” geotermico, un calcestruzzo preparato con inerti silicei e additivi ad elevata conducibilità termica.

Le perforazioni verticali sono molto utilizzate soprattutto dove non c'è spazio sufficiente per un impianto a circuito chiuso orizzontale, o una falda idrica sfruttabile per un impianto a circuito aperto. Si possono realizzare anche veri e propri campi di sonde, con una distanza tra le perforazioni compresa tra 5 e 10 metri. Indicativamente, le sonde geotermiche sono in grado di fornire una potenza compresa tra 40 e 70 W per ogni metro di perforazione.

Nei pali geotermici, invece, il circuito idraulico è inserito all'interno di un palo di fondazione e questo permette di ridurre i costi d'installazione, poiché la perforazione non viene effettuata appositamente per le sonde. Il rendimento dell'impianto è però inferiore, sia per la minore conducibilità termica dei terreni argillosi nei quali si usa questo tipo di fondazione, sia per la presenza di lunghe tubazioni orizzontali superficiali di distribuzione del fluido, che comportano perdite termiche consistenti. Le profondità dei pali termici possono variare tra 10 e 30 metri ed il rendimento è compreso tra 15 e 30 W per metro di perforazione, che è circa la metà del rendimento delle sonde geotermiche.

Circuito chiuso orizzontale - Un circuito chiuso orizzontale viene posato in una trincea, posta a profondità maggiore di quella alla quale si può verificare il congelamento del terreno. Il tubo utilizzato può essere lineare o a spirale. La potenza scambiabile dipende dalla lunghezza della tubazione e dall'area occupata: indicativamente, la potenza scambiabile con il terreno è di 15-40 W/m². Indicativamente, una casa con carico di punta di 10 kW, richiede tre tubazioni lunghe 120–180 m.

I tubi sono installati a 1–3 m di profondità: maggiore è la profondità di installazione, maggiore sarà l'inerzia termica e migliore il rendimento della pompa di calore. Rispetto alle sonde geotermiche verticali, il rendimento della pompa di calore è più basso, tuttavia i minori costi di installazione rendono comunque competitiva questa soluzione. Una variante del circuito chiuso orizzontale sono gli impianti installati in piccoli stagni, che sfruttano l'inerzia termica dell'acqua.

Impianti a circuito aperto

In un circuito aperto, lo scambio termico avviene con l'acqua di falda, oppure utilizzando quella proveniente da fiumi e laghi. L'acqua prelevata può essere reimmessa in un corpo idrico superficiale, o nello stesso falda da cui è stata estratta, tramite trincee drenanti e pozzi I due pozzi di prelievo e reimmissione devono essere installati ad una distanza sufficiente per evitare la “cortocircuitazione termica”, che può verificarsi quando l'acqua termicamente alterata dal pozzo di reimmissione raggiunge quella del pozzo di prelievo.

Rispetto agli impianti a circuito chiuso, i vantaggi sono:

• • maggiore rendimento della pompa di calore, poiché l'acqua prelevata non risente dello scambio termico, a differenza di quanto avviene nel terreno attorno ad una sonda geotermica, nel quale si forma un gradiente termico;

  • minor costo di installazione e minore spazio occupato rispetto agli impianti con sonde geotermiche a circuito chiuso orizzontale.

Lo svantaggio principale di questo tipo di impianti è costituito dal rischio di formazione di incrostazioni, che accorciano la vita utile dell'impianto. Per questo motivo, l'installazione di impianti a circuito aperto è sconsigliata in presenza di alti contenuti di sali disciolti nell’acqua.