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Pompe di calore geotermiche, come funzionano?

di Rosa di Gregorio

A sistema aperto o chiuso, sfruttando il calore del terreno e dell’acqua di falda, le pompe di calore geotermiche sono una soluzione green energy

Vedi Aggiornamento del 08/04/2021
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Foto: Slavomír Valigurský©123RF.com
22/03/2021 - Dal 2015, a seguito dell’accordo universale di Parigi, gli stati firmatari si sono impegnati a concretizzare il processo di transizione energetica (abbandonare l’uso delle fonti fossili e ridurre le emissioni dei gas serra) come contrasto al cambiamento climatico.
 
Per quanto riguarda l’Italia, il patrimonio edilizio esistente riveste un ruolo centrale nel consumo di energia, in particolare per quanto riguarda la climatizzazione degli ambienti. Incentivi come il Conto Energia 2.0 o detrazioni fiscali come il Superbonus 110% sono alcune tra le soluzioni che l’Italia ha adottato per concretizzare la riqualificazione energetica dell’abitato.
 
Uno degli interventi trainanti del Superbonus è proprio la sostituzione degli impianti di climatizzazione invernale (in condominio e nelle singole unità immobiliari) con impianti maggiormente efficienti, tra cui anche le pompe di calore.
 
Il principio di funzionamento di una pompa di calore è quello di scambiare calore con una sorgente esterna. A seconda della sorgente le pompe di calore si possono dividere in due macro-famiglie:
- pompe di calore aerotermiche, in cui la sorgente esterna è l’aria;
- pompe di calore geotermiche, in cui la sorgente esterna è il suolo.
 
Nonostante la geotermia abbia una maggiore efficienza rispetto all’ aerotermia, anche se l’Italia ha ottime caratteristiche geotermiche, l’utilizzo delle pompe di calore geotermiche rispetto a quelle ad aria rimane tutt’ora molto limitato. A dirlo sono i dati raccolti all’interno del rapporto statistico 2017 FER elaborato dal GSE (gestione servizi energetici).
 
Foto: Consumi diretti di fonti rinnovabili nel settore Termico nel 2017 per fonte, rapporto statistico 2017 FER
 

Pompe di calore geotermiche, come funzionano

La pompa di calore geotermica scambia il calore con un sistema di accumulo per il riscaldamento/raffrescamento e anche con un bollitore se è prevista la produzione di acqua calda sanitaria. Pompa di calore, accumulo e bollitore formano quella che è definita centrale termica.
 
La temperatura dell’aria esterna varia nelle stagioni ma anche nell’arco della giornata (passaggio dal giorno alla notte). Il sottosuolo è interessato da questa variabilità solo nei primi metri di profondità. La variazione di temperatura si riduce all’aumentare della profondità fino ad annullarsi e la temperatura diventa costante, con valori più alti in inverno e valori più bassi in estate rispetto all’esterno.
 
In inverno, la pompa di calore geotermica, “prende” il calore del suolo e lo usa per il riscaldamento ed eventualmente anche per la produzione di acqua calda.
In estate, la pompa di calore geotermica, “rende” il calore al terreno e sfrutta invece la bassa temperatura del sottosuolo per raffrescare gli ambienti.
 

 Foto: funzionamento della pompa di calore geotermica ©VIESSMANN

Il tutto avviene attraverso due circuiti:
Il primo circuito è quello dell'impianto di distribuzione all'interno dell’edificio in cui l'acqua contenuta nell'accumulo viene spinta nei sistemi di diffusione come, per esempio, i radianti a parete, pavimento o soffitto o nei ventilconvettori.

Il secondo circuito è quello che si sviluppa nel sottosuolo, quindi all’esterno dell’edificio, e trasporta il calore dal sottosuolo alla pompa di calore.


Pompe di calore geotermiche, tipologie

Le pompe di calore geotermiche possono essere:
- terra – acqua, utilizzano come fonte di energia primaria il calore della terra;
- acqua – acqua, utilizzano come fonte di energia primaria il calore dell’acqua di falda.
 
Nel caso di utilizzo di acqua come fonte primaria di energia si parla di sistema aperto, formato da un pozzo di presa per il prelievo dell’acqua calda ed un pozzo di resa per una re-immissione dell’acqua fredda.
 
Quando la fonte primaria è il terreno si parla di sistema chiuso. In un sistema chiuso non avviene alcun prelievo, ma solo lo scambio termico per conduzione tra pareti delle tubazioni sottoterra e il fluido termoconvettore all’interno delle sonde.
 
 Foto: esempio indicativo di impianto di riscaldamento geotermico a sistema chiuso con sonde verticali e sistema aperto ©ROBUR

Un sistema chiuso può essere:
- A sonde verticali, vengono creati dei pozzi di diametro ridotto e di profondità variabile al cui interno sono inserite delle sonde in polietilene ad alta densità HDPE. La sonda geotermica verticale scambia su tutta la lunghezza della perforazione il calore con il sottosuolo.
- A sonde orizzontali, le tubazioni polietilene ad alta densità HDPE sono installate in sbancamenti o trincee scavate fino ad una profondità di 2 mt. Questa tipologia di sistema richiede grandi superfici liberi da costruzioni.
- A Geostrutture, è un sistema utilizzato quando è necessario aumentare la portanza strutturale del terreno, si tratta di pali di fondazione equipaggiati con uno scambiatore di calore.
 
 

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