Impianti geotermici a bassa entalpia, cosa sono e come funzionano

02/04/2025 - In questo articolo, parliamo di impianti geotermici a bassa entalpia, dei loro vantaggi e svantaggi rispetto ad altre tipologie di impianti e di alcuni elementi essenziali da tenere in considerazione nella progettazione. Ricordiamo che gli impianti geotermici con pompa di calore, in sostituzione a impianti di climatizzazione invernale esistenti, sono incentivati anche dal nuovo Conto Termico 3.0.
 

Che cosa sono gli impianti geotermici a bassa entalpia

Gli impianti geotermici a bassa entalpia sono degli impianti che sfruttano l’energia termica del terreno al fine di climatizzare gli edifici o produrre acqua calda sanitaria. Il termine “geotermia”, infatti, deriva dal greco e dall’unione di due parole: “geos” che significa “terra” e “thermos” che significa “calore”.
 
Gli impianti geotermici a bassa entalpia sono caratterizzati da:

• temperature del terreno e fonti di calore che non superano i 30 °C;
• sonde a profondità relativamente bassa;
• utilizzo di pompe di calore per estrarre energia termica dal terreno;
• applicazioni negli edifici;
• installazione possibile in varie zone del territorio.

 
Gli impianti geotermici ad alta entalpia, invece:

• lavorano con fonti di calore anche superiori a 100 °C;
• hanno sonde a grande profondità (diverse centinaia di metri);
• sono utilizzati in centrali geotermiche per la produzione di energia elettrica;
• la loro installazione è possibile solo in specifiche zone del territorio con caratteristiche particolari (attualmente in Italia questi impianti sono localizzati in Toscana, nella zona di Larderello-Travale-Radicondoli e in quella del Monte Amiata). 

 

Perché gli impianti geotermici a bassa entalpia sono interessanti

L’interesse per gli impianti geotermici a bassa entalpia risiede nelle caratteristiche del sottosuolo come fonte di energia termica. Il terreno, infatti, può essere considerato come una fonte quasi inesauribile di energia termica. Vi è quindi un altissimo potenziale che può essere sfruttato.
 
Inoltre, è opportuno considerare che al di sotto di una certa profondità (indicativamente 10-15 metri) la temperatura del terreno rimane pressoché costante per tutto l’anno. E anche già al di sotto dei 5 metri di profondità, l’escursione tra estate e inverno è minima, tale da renderla un’ottima fonte di energia termica sia per il riscaldamento, sia per il raffrescamento.
 

Tipologie di impianti geotermici

Esistono essenzialmente quattro tipologie di impianti geotermici a bassa entalpia:
 
1. impianti con sonde verticali;
2. impianti con sonde orizzontali;
3. impianti che sfruttano l’acqua di falda;
4. impianti a pali energetici.
 

1. Gli impianti geotermici con sonde verticali

I primi, cioè gli impianti con sonde verticali, sono probabilmente i più diffusi. Sono caratterizzati da sonde che generalmente scendono ad una profondità di 80-150 metri, laddove la temperatura tende a stabilizzarsi (nel sottosuolo italiano, in un range tra i 12 e i 15 gradi). Esistono vari tipi di sonde. Le più semplici sono quelle costituite da una coppia di tubi che formano una “U”.
 
Vi è quindi un tubo di mandata e un tubo di ritorno. Tali tubi sono, di solito, in polietilene ad alta densità (PEAD) o polietilene reticolato (PE-Xa), cioè materiali plastici resistenti e durevoli. Il fluido termo-vettore che circola in tali circuiti è acqua e antigelo (solitamente glicole propilenico). I tubi sono calati in fori, da realizzarsi tramite apposite trivelle, dal diametro di circa 12-15 centimetri. Il materiale di riempimento dei fori, che ha anche la funzione di proteggere le tubazioni, è una miscela di cemento e materiali specifici.
 
Gli impianti con sonde verticali hanno quindi il vantaggio di sfruttare pienamente il potenziale geotermico grazie alla profondità delle sonde. Di contro, hanno lo svantaggio di essere tra quelli con costi di investimento maggiori.
 

2. Gli impianti geotermici a sonde orizzontali

Gli impianti geotermici a sonde orizzontali, invece, sono caratterizzati da serpentine che vengono stese ad una profondità di qualche metro (generalmente non più di 1 o 2 metri). Necessitano quindi di uno scavo e anche di una certa estensione di terreno a disposizione, ma possono avere costi inferiori rispetto a quelli verticali. Hanno però lo svantaggio che la temperatura a quelle profondità non è costante, ma è soggetta a variazioni stagionali (anche se, ovviamente, in misura inferiore rispetto alla variazione di temperatura dell’aria esterna).
 

3. Gli impianti che sfruttano acqua di falda

Citiamo, per completezza, anche gli impianti che sfruttano l’acqua di falda, anche se tali impianti non sono veri e propri impianti geotermici, in quanto il calore è prelevato dall’acqua di falda, che viene estratta e poi smaltita. Il vantaggio di utilizzare l’acqua è che generalmente la perforazione non raggiunge le profondità delle sonde verticali. Questo chiaramente varia da zona a zona, ma normalmente si possono intercettare le falde a poche decine di metri di profondità.
 
Il principale vantaggio negli impianti con acqua di falda è la sua semplicità. Tuttavia, la disponibilità della fonte energetica è legata alla disponibilità della falda, con il rischio che questa si esaurisca. Inoltre, occorre prevedere lo smaltimento dell’acqua “fredda” una volta estratto il calore da utilizzarsi per il riscaldamento. Ricordiamo, inoltre, che il prelievo e la re-immissione dell'acqua di falda possono richiedere specifiche autorizzazioni da parte delle autorità competenti.
 
Le normative possono anche variare a livello locale, quindi è fondamentale informarsi presso gli uffici competenti del proprio territorio. Qualora sia possibile la re-immissione in falda dell’acqua fredda, occorre accertarsi che l’acqua rispetti determinati parametri di qualità per evitare contaminazioni. A tal proposito possono essere richiesti trattamenti specifici prima della re-immissione.
 

4. Gli impianti con pali energetici

Gli impianti geotermici con pali energetici prevedono la realizzazione di strutture, tipicamente in calcestruzzo o calcestruzzo armato, che hanno la funzione di essere le fondamenta dell’edificio e anche contenere scambiatori di calore. Sicuramente rappresentano progetti di una certa complessità e, per la natura della realizzazione, sono necessariamente da associarsi ad un edificio di nuova costruzione. Per tale motivo l’applicazione è limitata a pochi casi e per edifici particolari.
 

Il ruolo della pompa di calore

Come abbiamo avuto modo di comprendere, gli impianti geotermici a bassa entalpia sono essenzialmente composti dalle sonde e da una pompa di calore. La pompa di calore è, infatti, in grado di portare la temperatura dai 10-12 °C della sorgente geotermica fino al livello desiderato per la climatizzazione invernale (in caso di pannelli radianti, generalmente intorno ai 35 °C) oppure anche per la produzione di acqua calda sanitaria (intorno ai 55 °C). Occorre sottolineare che, dato che la pompa di calore è una macchina reversibile, con idonea progettazione dell’impianto è possibile sfruttare la geotermia anche per il raffrescamento estivo.
 
In inverno, quindi, il terreno costituirà la sorgente fredda da cui estrarre calore. In estate, invertendo il ciclo di compressione ed evaporazione, il terreno sarà il pozzo caldo in cui rilasciare il calore estratto dall’edificio. Così facendo, vi è anche un effetto “ricarica” del terreno nella stagione estiva per la stagione invernale (tenendo presente l’enorme capacità termica del sottosuolo).
 

Aspetti progettuali degli impianti geotermici

Nella progettazione di un impianto geotermico a bassa entalpia, così come per tutti gli altri impianti, occorre partire e tener conto innanzitutto delle esigenze delle utenze in termini di fabbisogni energetici dell’edificio e relativi carichi termici per i servizi che si vuole soddisfare con questo impianto.
 
In seconda battuta, occorre scegliere e dimensionare sia il campo di sonde, sia la pompa di calore. Chiaramente, rispetto ad un impianto in pompa di calore con sorgente fredda aria esterna, in questo caso la difficoltà aggiuntiva è proprio nel dimensionamento del campo di sonde.
 
Infatti, ad esempio, pensando ad un impianto con sonde verticali, occorrerà determinare:
- numero di sonde;
- profondità di perforazione;
- distanza tra le sonde.
 
Tali scelte dipendono da vari fattori, ma essenzialmente occorre raggiungere un punto ottimale tra sfruttamento del potenziale geotermico e costi di investimento. Avere un campo di sonde sovradimensionato, infatti, comporta costi iniziali maggiori senza un significativo aumento dell’efficienza energetica dell’impianto.
 
Per determinare il numero delle sonde e la profondità di perforazione, essenzialmente è necessario sapere quanta energia termica è possibile estrarre dal terreno. Per calcolare questo dato esistono dei metodi semplificati e dei metodi più analitici. La discriminante nell’utilizzo degli uni o degli altri è data dal tipo e dalla taglia dell’impianto.
 
Per impianti di piccole dimensioni (poche decine di kW di potenza) è accettato il ricorso a tabelle, che in genere forniscono direttamente una potenza specifica (espressa in W/m) che è possibile estrarre per ogni metro di sonda. Per impianti di grandi dimensioni e progetti di una certa complessità è, invece, altamente consigliato l’utilizzo di appositi programmi di simulazione.
 
È anche possibile eseguire dei test di risposta termica del terreno per valutare le proprietà termofisiche del terreno e lo scambio termico tra terreno e sonda. Tali test sono effettuati attraverso l’installazione di una sonda pilota dove il flusso termico viene monitorato per un periodo di tempo significativo (diversi giorni).
 
Nella progettazione del campo di sonde, un aspetto da non sottovalutare è la distanza tra le sonde. Infatti, se da un lato il sottosuolo ha globalmente un’enorme capacità termica, dall’altro lato occorre considerare che localmente e su brevi periodi di tempo, l’estrazione di energia termica provoca la “scarica” del terreno nell’intorno della sonda. Di conseguenza, l’installazione di sonde a distanza troppo ravvicinata porta ad una diminuzione del potenziale (la temperatura del terreno localmente può essere più bassa).
 

Conclusioni

In conclusione, gli impianti geotermici a bassa entalpia rappresentano una valida alternativa per la climatizzazione invernale, la climatizzazione estiva e la produzione di acqua calda sanitaria negli edifici. Il principale vantaggio rispetto ad altre tipologie di impianti è dato dalla maggiore efficienza energetica, ottenibile grazie al fatto che il terreno ha una temperatura costante durante l’anno o comunque meno variabile rispetto all’aria esterna. Questo consente ad una pompa di calore, a parità di tutte le altre condizioni, di avere una efficienza stagionale media più elevata.
 
Gli svantaggi degli impianti geotermici risiedono invece nel fatto che sono impianti più complessi e più costosi, in termini di investimento iniziale, rispetto ad altri impianti. Tali caratteristiche li rendono maggiormente idonei sui nuovi edifici e sulle ristrutturazioni profonde e in quei contesti dove si intende sfruttare la sorgente geotermica sia per la climatizzazione invernale che per la climatizzazione estiva.