Le risorse geotermiche sono presenti in quasi tutti i paesi del mondo e si prestano ad una molteplicità di impieghi, che vanno dalla generazione di elettricità all’utilizzazione diretta del calore per condizionamento di ambienti, per usi agricoli, per acquacoltura, ecc. (vedi in Scienza on line, n. 18/19 del luglio 2005, l’articolo “ Le Risorse Geotermiche”).Gli usi diretti del calore geotermico hanno avuto un grande incremento negli anni recenti in seguito alla diffusione, soprattutto negli Stati Uniti ed in Europa, delle pompe di calore, che rappresentano oggi uno dei settori di sviluppo di maggiore interesse.

Le pompe di calore sono macchine che trasferiscono calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta, per effetto dell’apporto di lavoro meccanico alla macchina, sfruttando la proprietà fisica dei fluidi di assorbire o cedere calore rispettivamente quando vaporizzano o condensano. In questo modo il calore può essere fatto fluire in senso opposto alla sua tendenza naturale, così come l’acqua può essere fatta fluire verso l’alto usando una pompa idraulica (Figura 1).

Figura 1. Rappresentazione semplificata del funzionamento di una pompa di calore. A sinistra, in blu, è la fase di evaporazione, nella quale viene assorbita energia dall’ambiente esterno; a destra, in rosso, è la fase di condensazione, nella quale è ceduto calore. Il compressore al centro, azionato da energia elettrica, “muove” il sistema. L’energia termica (calore) viene spostata da sinistra (parte fredda) a destra (parte calda).

Le pompe di calore geotermiche combinano una pompa di calore con un sistema progettato per scambiare (assorbire o cedere) calore con il terreno o con una massa d’acqua. Un importante vantaggio dell’impiego delle pompe di calore sta nel fatto che il sistema consente di fornire più energia (sotto forma di calore ceduto o assorbito) di quella elettrica necessaria al suo funzionamento.

In genere l’energia finale fornita è tre – quattro volte quella spesa per il funzionamento (Figura 2). I sistemi di condizionamento con pompe di calore non producono emissione di gas o altre sostanze nocive e la loro installazione e funzionamento hanno un impatto nullo o trascurabile sull’ambiente.

Figura 2. Esempio di sistema energetico con pompa di calore geotermica. L’energia (calore) sottratta al terreno è incrementata dalla pompa di calore, consumando una certa quantità di energia elettrica, e trasferita all’ambiente abitativo. Nel bilancio energetico totale, uno degli elementi, l’energia ceduta dal terreno, non ha costi.

Componenti principali di una pompa di calore geotermica sono un compressore, mosso da un motore elettrico, un condensatore, un organo di espansione, un evaporatore ( che formano la pompa di calore vera e propria) ed uno scambiatore di calore esterno, attraverso il quale viene assorbito (o ceduto) calore al terreno o ad una massa d’acqua (lago, bacino artificiale, corso d’acqua) (Figura 3). Questo insieme di elementi può avere configurazioni diverse dipendenti dalla fonte termica disponibile e dall’ingegneria del sistema di condizionamento.

Figura 3. Esempio di sistema di riscaldamento domestico con pompa di calore geotermica. La pompa è collegata ad uno scambiatore di calore in pozzo ed è del tipo acqua / acqua. Oltre al riscaldamento degli ambienti, il sistema comprende anche la fornitura di acqua sanitaria.

Il ciclo di funzionamento di una pompa di calore è relativamente semplice. Uno speciale fluido, detto “frigorigeno”, assorbe, nell’evaporatore, la quantità di calore Q₁, sottraendola al liquido (acqua o miscela anticongelante) proveniente dallo scambiatore esterno, ed evapora alla temperatura Te ed alla pressione pe.

Il vapore prodotto viene aspirato dal compressore e compresso alla pressione pc con la spesa del lavoro L. E’ quindi inviato al condensatore ove cede la quantità di calore Q₂ = Q₁ + L all’ambiente da riscaldare, passando allo stato liquido alla pressione pc ed alla temperatura Tc.

Il liquido viene quindi fatto espandere, attraverso l’organo di espansione, dalla pressione di condensazione pc alla pressione di evaporazione pe., in modo che la sua temperatura si abbassi da Tc a Te, ed inviato nuovamente all’evaporatore per iniziare un nuovo ciclo.

In sintesi, durante il funzionamento della pompa di calore si ha un assorbimento di calore dall’ambiente esterno nell’evaporatore (Q₁), una cessione di calore all’ambiente da riscaldare nel condensatore (Q₂) ed un consumo di energia elettrica nel compressore (L) (Figura 4a).

L’effetto utile della pompa è il calore Q₂ = Q₁ + L, che può essere utilizzato per riscaldare un ambiente o altro.

Il rendimento (COP, Coefficient of Performance) teorico di una pompa di calore è dato dal rapporto

Esso è tanto più elevato, a parità di T_c, quanto minore è la differenza T_c – T_e. Per determinare il rendimento effettivo, è necessario tener conto, nel calcolo di L, oltre che dell’energia elettrica consumata dal compressore, anche di quella utilizzata da tutti gli altri organi accessori (ventilatore, pompe, ecc.).

Le pompe di calore sono reversibili e possono essere usate sia per fornire che per sottrarre calore ad un ambiente, svolgendo una funzione riscaldante nel periodo invernale e refrigerante in quello estivo.

Nelle due configurazioni, di riscaldamento e di raffreddamento, la macchina ed il ciclo termodinamico restano gli stessi. Il cambiamento dell’effetto della pompa è ottenuto invertendo, con un’apposita valvola, il flusso del fluido frigorigeno tra i due scambiatori di calore in modo che quelli che operano come evaporatore e condensatore, operino come condensatore ed evaporatore (Figura 4b).

Figura 4. Schemi di pompe di calore (del tipo acqua/aria) in configurazione di riscaldamento (a) e di raffreddamento (b). A destra, in basso, è l’ingresso – uscita dell’acqua proveniente da uno scambiatore di calore esterno collocato nel terreno o in una massa idrica; a destra, in alto, è lo scambiatore (condensatore o evaporatore), con ventilatore, che immette aria calda o fresca nell’ambiente da condizionare. I due schemi sono uguali, ma il fluido frigorigeno, in (a) e (b), scorre in direzione opposta, e condensatore ed evaporatore invertono le loro funzioni. Gli impianti rappresentati comprendono uno scambiatore di calore, visibile sul lato sinistro, che ha lo scopo di fornire acqua calda sanitaria.

In configurazione di raffreddamento, lo scambiatore di calore esterno cede calore al terreno o ad una massa d’acqua. Il rendimento, in configurazione di raffreddamento, è dato dal rapporto

Le pompe di calore descritte ed illustrate nella Figura 4 sono pompe di calore acqua/aria, in cui lo scambio di calore con l’ambiente condizionato avviene tramite uno scambiatore frigorigeno/aria. Questo tipo di macchine, usate in genere per riscaldamento domestico, è il più diffuso nel mercato americano.

In altri paesi, come in Europa, sono più diffuse le pompe di calore acqua/acqua, in cui lo scambio di calore avviene in uno scambiatore frigorigeno/acqua, che poi è fatta circolare in termosifoni, pannelli radianti o sotto i p avimenti per condizionare gli ambienti (Figura 3).

Le pompe di calore sono fabbricate con una gamma di potenze che va dai circa 10 kilowatt per le macchine per residenze singole ad alcuni megawatt per i grandi edifici o complessi residenziali.

Le pompe di calore geotermiche possono avere due configurazioni principali:

1. con connessione al terreno. In questa configurazione, l’acqua (o una miscela anticongelante), che scambia (assorbe o cede) calore con il terreno, circola in tubi di plastica che formano un circuito chiuso. I tubi possono essere disposti verticalmente, in uno o più pozzi profondi di solito 50 – 100 m (Figure 3 e 5a), od orizzontalmente, alla profondità di 100 – 150 cm (Figura 5b). Le diverse soluzioni dipendono dal tipo di terreno che si trova nel luogo dell’installazione, dallo spazio disponibile, dalla possibilità di perforare uno o più pozzi, ecc.Una variante è costituita dal cosiddetto “sistema di pali energetici”con il quale lo scambio termico con il terreno è realizzato attraverso i pali di fondazione di un edificio (Figura 6). In questa particolare configurazione la pompa di calore è collegata ad un sistema di tubi ad U posti all’interno dei pali di fondazione che formano la base portante dell’edificio.
   Figura 5. Esempi di sistemi di pompe di calore collegate a scambiatori di calore inseriti nel terreno. Nella figura (a) i tubi scambiatori di calore formano un circuito chiuso che si sviluppa in pozzi verticali, nella figura (b) i tubi si sviluppano orizzontalmente.

   Figura 6. Edificio con sistema di pali termici per il condizionamento invernale ed estivo. La pompa di calore posta all’interno è collegata ad un sistema di tubi ad U collocati entro i pali di fondazione affondati nel terreno. Nella rete di tubi circola l’acqua che assorbe o cede calore al terreno rispettivamente in inverno o estate.

2. con connessione ad una massa d’acqua: acquifero subsuperficiale o bacino superficiale (lago, bacino artificiale, ecc.). Nel primo caso (connessione ad un acquifero), viene generalmente utilizzato un sistema aperto. L’acqua è estratta dall’acquifero con un pozzo e, dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore della pompa, è reiniettata nel sottosuolo con un altro pozzo oppure scaricata all’esterno (Figura 7a).Nel caso della connessione ad una massa d’acqua superficiale, può essere usato un sistema aperto o chiuso. Con il sistema aperto (Figura 7b), l’acqua è pompata dalla massa idrica e, dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore della pompa, ritorna nel bacino di provenienza. Con il sistema chiuso (Figura 7c) la pompa di calore è connessa ad un circuito sommerso di tubi di plastica in cui circola l’acqua che effettua lo scambio termico con la massa idrica. Le pompe di calore geotermiche sono utilizzate in molti paesi. Il maggior numero di installazioni, tuttavia, si trovano in Europa e negli Stati Uniti. La potenza totale installata nel mondo in questo tipo di impianti è stata valutata, in difetto, in 10.000 MWt e l’energia totale utilizzata in circa 16.470 GWh/anno (2005). La Tabella 1 riporta i principali paesi utilizzatori, indicando potenza installata, energia utilizzata e numero di impianti.

Figura 7. Esempi di installazioni di pompe di calore connesse a corpi idrici. Nella figura (a), l’acqua che cede o assorbe calore dallo scambiatore della pompa è estratta da un pozzo e reiniettata nel sottosuolo; nella figura (b), l’ acqua è pompata da un bacino superficiale e scaricata nello stesso bacino dopo l’utilizzazione; nella figura (c) la pompa di calore nell’edificio è connessa ad un circuito chiuso di tubi immerso in una massa d’acqua con cui avviene lo scambio termico.

In Italia il settore delle pompe di calore geotermiche è in fase di rapida espansione e numerose aziende producono ed installano impianti di vario tipo e dimensione. Un esempio di sistema con pompa di calore di dimensioni abbastanza ragguardevoli è l’impianto di teleriscaldamento per il centro di Bergamo. Il sistema è dotato di una pompa di calore della potenza di 3000 kW_t connessa ad acque correnti superficiali della temperatura di 13°C.

L’elettricità per il funzionamento della pompa e degli equipaggiamenti ausiliari è fornita da un motore a gas (Figura 8). I sistemi di condizionamento geotermico di dimensioni minori, che ora si stanno diffondendo in Italia, richiedono pompe di calore di potenza proporzionalmente inferiore.

Figura 8. Pompa di calore da 3 MWt (fotografata prima di essere installata) dell’impianto di teleriscaldamento di Bergamo. La macchina è connessa ad acque correnti superficiali e l’elettricità per il suo funzionamento è fornita da un motore a gas.

Macchine da qualche diecina di kilowatt sono usate in complessi industriali o residenziali, mentre macchine da alcuni kilowatt (tipicamente circa 10 kW) sono impiegate in residenze familiari (Figura 9) e si dimostrano particolarmente adatte ad essere installate in aree non servite dalla rete di distribuzione del gas naturale.

Figura 9. Piccolo edificio nei pressi di Biella (foto a destra) con sistema di condizionamento (riscaldamento e raffreddamento) alimentato da una pompa di calore connessa al terreno (foto a sinistra).

In Italia, nel 2005, vi erano pompe di calore installate per una potenza totale di circa 120 MW_t.

Alleghiamo un documento tecnico nel quale viene fatto un confronto fra pompa di calore e caldaia tradizionale.

Alleghiamo anche un documento che specifica i vantaggi dei termoconvettori per uso domestico.

Per incrementare l’ efficienza della pompa di calore (PdC) e quindi ridurre i consumi elettrici della stessa è possibile abbinare uno scambiatore geotermico, di fatto un “tubo” che viene collocato nel terreno.

Lo scambiatore è costituito da un insieme di sonde geotermiche (tubi interrati) che consentono lo scambio termico tra un fluido termovettore (solitamente acqua o acqua con aggiunta di un anticongelante non tossico) e il terreno. Gli stessi possono essere disposti orizzontalmente o verticalmente (SGV). La lunghezza dei tubi, la profondità a cui arrivare ed il numero di loop da utilizzare vengono calcolati in base alla latitudine del luogo, al tipo di sottosuolo ed ai carichi termici dell’edificio.

In taluni casi, a causa delle eccellenti proprietà termiche dell’acqua, se accanto all’edificio è presente un piccolo lago, i tubi possono essere posizionati sul suo fondale e scambiare calore in maniera ugualmente efficace, oppure è possibile utilizzare direttamente l’acqua presente nel sottosuolo attraverso i cosiddetti sistemi a circuito aperto.

Un’ulteriore configurazione impiantistica prevede che il geoscambio avvenga attraverso la struttura di fondazione dell’edificio da climatizzare. Si parla in tal caso di geostrutture o di pali energetici. La conduttività termica e la capacità di stoccaggio fanno del calcestruzzo un materiale da costruzione ideale per accumulatori d’energia termica.

I pali e le pareti in calcestruzzo a contatto con il terreno contengono condotti in materiale sintetico, per scambiare calore o freddo con il terreno.

I pali in calcestruzzo armato hanno, generalmente, un diametro di 0.4-1.5 m ed una lunghezza che può variare da qualche metro fino a più di 30 m. All’interno di questi pali è installato un tubo o un fascio di tubi in polietilene, spesso si tratta di U doppi o quadrupli, in base al diametro dei pali (in analogia alle SGV). Questi tubi sono poi immersi nel calcestruzzo per assicurare un buon contatto termico. Tutti i pali necessari alle fondamenta di un edificio, o solamente una parte di essi, possono essere equipaggiati con un sistema energetico.

Questa semplice e razionale tecnologia non comporta sovracosti eccessivi, ma necessita, da una parte, la propria integrazione nel progetto fin dall’inizio e, dall’altra, una considerazione globale per quelli che sono gli aspetti costruttivi e di consumo energetico.

Attualmente esistono più di 350 geostrutture energetiche in Austria ed in Germania, la cui potenza installata varia da qualche decina di kW per piccoli immobili, fino a 800 kW per grandi edifici industriali. 

Ciemmeti Energy S.r.l. è una società ESCo che fornisce serrvizi di ingegneria e di gestione dell’energia. Progetta, installa, gestisce e finanzia impianti che sfruttano fonti di energia rinnovabile. Il nostro obiettivo è fornire la tecnologia adeguata ai nostri clienti per produrre energia con efficienza, al minor costo e con la massima consapevolezza ambientale. Grazie alla sua esperienza nella programmazione energetica-ambientale ed ai capitali di investitori privati, è in grado di finanziare progetti di risparmio energetico anche per gli enti e le amministrazioni pubbliche.

 
Cosa è
Dall’acronimo inglese di Energy Service Companies, ovvero Società di Servizi Energetici. La qualifica di società ESCo viene rilasciata dall’Autorità dell’Energia Elettrica e del Gas in base ai requisiti previsti dalla delibera 103/03.
A cosa serve
Porre in essere interventi concreti di risparmio energetico che si coniugano in un servizio Chiavi in mano per il cliente, il quale, alla fine dell’intervento, ha ridotto la bolletta energetica di una percentuale che varia dal 10% al 50%.
Come funziona
Attraverso un contratto tra le parti che impegna:
• La Energy Service Company ad assumere l’onere di effettuare specifici interventi che abbattano i consumi di una percentuale che va dal 10% al 50%, operando attraverso strumenti di efficienza energetica e ammodernamento dell’impianto; in questo modo il cliente è esentato da ogni forma di investimento e rischio finanziario.
• L’utilizzatore-cliente non deve pagare al gestore di rete locale la sua vecchia bolletta, ma girare tale importo alla ESCo, per un tempo determinato in contratto, come costo del servizio e questa provvederà , inoltre, a pagare anche i consumi della bolletta.
• Alla scadenza il consumatore energetico sarà proprietario di un impianto nuovo ed altamente efficiente che gli permetterà di beneficiare, direttamente in bolletta, dei risparmi fissati e conseguiti attraverso l’intervento. A questo punto, il cliente, potrà decidere se affidare alla ESCo la gestione o curarla in proprio.

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Il decreto ministeriale del 19 febbraio 2007 rappresenta una svolta significativa per l’incentivazione ad installare impianti fotovoltaici in Italia. In sintesi lo Stato paga tramite il GSE (Gestore Servizi Elettrici), al proprietario dell’impianto, una somma in denaro per ogni kWh prodotto dal generatore fotovoltaico, che varia a seconda della tipologia dello stesso. E’ importante notare che lo stato già da diversi anni sta raccogliendo fonti dedicati all’incentivazione delle energie rinnovabili, attraverso una percentuale sulla bolletta dell’energia elettrica, con la voce componente A3.
Gli importi sono erogati per un periodo di 20 anni, a decorrere dalla data di entrata in esercizio dell’impianto, sul numero effettivo di kWh prodotti.

Ma facciamo ora un passo indietro e chiediamoci: “Ma che cosa è un impianto fotovoltaico?”.
Esso è composto essenzialmente da:
• Moduli o pannelli fotovoltaici
• Inverter, che trasforma la corrente continua in corrente alternata
• Quadri elettrici e cavi di collegamento.
I moduli sono costituiti da celle in materiale semiconduttore, il più utilizzato dei quali è il silicio cristallino. Essi rappresentano la parte attiva del sistema perché convertono la radiazione solare in energia elettrica.

Gli impianti fotovoltaici sono generalmente connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid-connected) .

 I vantaggi possono riassumersi in:
• Assenza di qualsiasi tipo di emissione inquinante
• Risparmio di combustibili fossili
• Costi di esercizio e manutenzione ridotti al minimo
• Modularità del sistema (per aumentare la potenza dell’impianto è sufficiente aumentare il numero dei moduli).

In aggiunta all’incentivo (somma pagati per ogni kWh prodotto), un’ulteriore fonte di ricavo è il risparmio sulla bolletta derivante dall’utilizzo dell’energia prodotta dall’impianto. Sicuramente vi chiederete: “E se l’impianto non producesse?” (esempio nelle ore notturne); non vi preoccupate, non rimarrete al buio ma tramite il sistema di “scambio sul posto” viene mantenuta la connessione con il distributore di energia elettrica locale, in questo modo finchè c’è sufficiente energia solare, si utilizza l’energia prodotta dall’impianto ma quando non ci sono più le condizioni per far funzionare l’impianto, si utilizza la corrente elettrica fornita dal gestore locale. Se l’energia elettrica prodotta dall’impianto fotovoltaico viene utilizzata solo in parte, la rimanente frazione viene pagata, immessa in “rete” e utilizzata da altri utenti.
In conclusione se avete in tetto esposto in una direzione tra sud-est e sud-ovest e ci batte il sole tutto il giorno, con un impianto fotovoltaico potete aiutare l’ambiente anche con un piccolo guadagno.

Benefici e impatto ambientale
I benefici ambientali ottenibili dall’adozione di sistemi fotovoltaici sono riconducibili all’eliminazione delle emissioni di atmosfere derivanti, invece, dall’uso delle fonti convenzionali fossili.
L’impatto ambientale è rappresentato dall’occupazione di superficie e dal possibile impatto visivo. Entrambi gli effetti possono essere fortemente attenuati mediante l’integrazione dei moduli nelle strutture edilizie, opzione per la quale la tecnologia fotovoltaica è particolarmente adatta.

Una pompa di calore è un dispositivo elettro-meccanico che sostituisce la vecchia caldaia a gas. Per il suo funzionamento  utilizza la corrente elettrica.

E’ possibile installare delle pompe di calore reversibili che permettono di fare caldo d’inverno e freddo d’ estate.

Con una pompa di calore otteniamo dei risparmi in bolletta che possono essere anche superiori al 40 % della spesa a cui eravamo abituati.

La pompa di calore è:

Compatta, sicura e silenziosa

Fa caldo e fa freddo

Dura tantissimo e senza costi di manutenzione

Fa risparmiare

Non inquina

Grazie a Caldoverde possiamo realizzare impianti di climatizzazione caldo e freddo funzionanti con pompa di calore per edifici da ristrutturare o per edifici nuovi.

Caldoverde segue direttamente il cliente in tutte le fasi della scelta e della realizzazione degli impianti:

sopralluogo presso il cliente

studio della soluzione ottimale

stesura di un preventivo di fornitura

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