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Il sottosuolo
 
Esecuzione del sondaggio
 
Estrazione del sottosuolo
 
Trasformazione dell'energia
 
Dimensione dell'impianto
 
 
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Il sottosuolo

Il tipo di sottosuolo gioca un ruolo importante e la conoscenza appropriata delle sue caratteristiche termiche e idrogeologiche è determinante per il dimensionamento corretto dell?impianto:


·   Non tutti i tipi di rocce e di terreni dimostrano lo stesso rendimento termico.
·  Le installazioni di pozzi necessitano della presenza di acque di falda in quantità soddisfacenti.

Le due tabelle seguenti presentano le differenze nel rendimento termico di alcuni tipi di sottosuolo per sonde geotermiche e serpentine nel terreno. Le sonde geotermiche estraggono una quantità specifica per ogni metro di lunghezza: più alta è la conducibilità termica del sottosuolo, più alta chiaramente è la quantità estratta.

Sottosuolo

Rendimento [W/m]

Sottosuolo cattivo (terreno asciutto)

20

Roccia o terreno umido

50

Roccia con alta conducibilità

70

Ghiaia, sabbia, asciutta

< 20

Ghiaia, sabbia, satura

55-65

Argilla, limo, umido

30-40

Roccia calcare

45-60

Arenaria

55-65

Granito

55-70

Gneiss

60-70

Valori approssimativi di rendimenti specifici per diversi tipi di sottosuolo per sonde geotermiche.


Le serpentine vengono messe nel terreno sciolto a 1-2 m di profondità, tipicamente durante lo scavo che si effettua al momento della costruzione di una casa. Nel caso di questo tipo d?installazione è importante la conoscenza del rendimento areale di un terreno, come specificato indicativamente nella tabella seguente.

Sottosuolo

Rendimento [W/m2]

Suolo sabbioso, asciutto

10?15

Suolo sabbioso, umido

15?20

Suolo coesivo, asciutto

20?25

Suolo coesivo, umido

25?30

Sabbia/ghiaia saturo

30?40

Valori approssimativi di rendimenti specifici per diversi tipi di terreni per l?installazione di serpentine.


La presenza d?acqua aumenta il rendimento di un impianto migliorando il contatto tra l?impianto e il sottosuolo. Se l?acqua è in movimento, ha come ulteriore effetto positivo l?asportazione di energia termica che può essere sfruttata. Nel caso di serpentine nel terreno è necessaria la presenza di un?umidità minima: questo stabilisce le condizioni climatiche di base per il buon funzionamento di una tale installazione. Ad esempio, dimostra la necessità di precipitazioni regolari.

Per i sistemi a pozzi, la presenza d?acque sotterranee è un prerequisito. Uno studio idrogeologico deve dimostrare che ci sono delle acque in quantità e qualità soddisfacenti.

Nella carta geotermica del Ticino sono presenti la carta geologica in cui è sommariamente indicato il tipo di roccia che si incontra e la carta della falda, in cui sono evidenziate le aree con presenza di una falda continua. A seconda della disponibilità dei dati, sono stati indicati anche i valori di profondità della falda.

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Esecuzione del sondaggio
L?esecuzione di sondaggi è necessaria per l?installazione di una sonda geotermica e di un sistema di pozzi. Nel caso dei pozzi si tratta di profondità minori, fino a 30 m, le sonde geotermiche invece possono raggiungere profondità superiori a 200 m.
Ogni perforazione può creare delle vie d?invasione per sostanze pericolose e disturbare le condizioni del sottosuolo preesistenti. Questo problema richiede che l?esecuzione della perforazione venga eseguita secondo lo stato dell?arte.

Una volta introdotto il circuito della sonda, il foro deve essere riempito con una sospensione di cemento e bentonite, che dopo il suo indurimento presenta un mantello di protezione tra il circuito e il sottosuolo. Se fatta secondo lo stato dell?arte, questa tecnica di sigillazione impedisce al liquido della sonda di venire in contatto con l?ambiente anche nel caso in cui il circuito presentasse dei difetti. Il secondo effetto del riempimento del foro è quello di chiudere la connessione tra diversi livelli di falda eventualmente esistenti nel sottosuolo.

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Estrazione dal sottosuolo
L?estrazione dell?energia geotermica dal sottosuolo avviene tramite l?installazione di scambiatori di calore: tubi di polietilene di un diametro di 3-4 cm. I liquidi termici usati sono normalmente una miscela d?acqua e di un antigelo, tipicamente dei glicoli, alcoli o delle soluzioni saline con l?aggiunta di inibitori di corrosione.

Nel caso di un sistema a pozzi, l?acqua sotterranea viene estratta con una pompa ad immersione, installata nel foro.


I sistemi a pozzi estraggono acqua di falda e la immettono in un secondo pozzo. Il raffreddamento non deve superare pochi °C.


In zone densamente urbanizzate, il raffreddamento della falda può essere un effetto positivo, considerando che in queste aree, la temperatura del sottosuolo è generalmente leggermente innalzata a causa delle attività antropiche.

L?effetto termico è quindi un effetto locale. Il corretto dimensionamento di un impianto evita il pericolo del gelo del terreno e le conseguenze negative per la struttura del terreno stesso.

I liquidi termici usati nei circuiti inseriti nel terreno e i liquidi di raffreddamento usati nelle pompe di calore possono essere dannosi nel caso in cui vengano in contatto con l?ambiente. Una sonda geotermica può contenere fino ad oltre 1000 l, le serpentine nel terreno centinaia di l. Il problema della perdita di liquidi può essere risolto con l?esecuzione di una prova di pressione subito dopo l?installazione dei circuiti, con l?installazione di spie di pressione e con l?evacuazione immediata del liquido in caso di perdita.

La carta geotermica evidenzia le zone in cui, secondo la legge, la protezione delle acque ha priorità maggiore rispetto all?installazione di impianti geotermici.

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Trasformazione dell’energia
È importante che l?energia richiesta per il riscaldamento sia tarata sulla pompa di calore e quest?ultima a sua volta tarata sull?energia prodotta dal sottosuolo. In caso contrario, cioè se viene sottratta troppa energia termica dal sottosuolo, il sistema collassa: si passa ad una temperatura d?operazione della pompa di calore troppo bassa e questo risulta in una cattiva prestazione del sistema. Un altro effetto negativo dell?abbassamento esagerato della temperatura nel sottosuolo è il suo congelamento. È quindi molto importante, che tutto il sistema sia ben bilanciato, che l?impianto d?estrazione d?energia nel sottosuolo sia leggermente sovradimensionato e la pompa di calore di conseguenza sia leggermente sottodimensionata. La conseguenza è che le temperature d?operazione per la pompa di calore sono più alte, favorendo una migliore prestazione generale del sistema.

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Dimensionamento dell’impianto
Il dimensionamento di un impianto prevede l?integrazione dei vari elementi: sottosuolo, scambiatore di calore, tubature di connessione, pompa di calore, sistema di riscaldamento e la rispettiva ottimizzazione dell?interazione e richiede competenze specifiche. Nell?interesse di un ottimo funzionamento di tutto il sistema, si consiglia di affidarlo ad uno specialista.

I vari passi da seguire per il dimensionamento di un impianto sono sommariamente descritti in:
·  
Geothermie, Exploitation de l'énergie géothermique. Guide pour concepteurs, maîtres d'ouvrages, investisseurs et décideurs. Office fédéral de l?Energie.

Il dimensionamento è invece trattato integralmente, insieme ad una panoramica approfondita, in:
·  
Per tutta la geotermia a bassa termperatura in: Grundlagen zur Nutzung der untiefen Erdwärme für Heizsysteme, SIA D0136.
· 
Per tutta la geotermia a bassa temperatura nelle norme tedesche VDI-Norm 4610 sull?utilizzo termico del sottosuolo ?Thermische Nutzung des Untergrundes?.
· 
Per i pali energetici in: Recommandations pour la réalisation d?installations avec pieux échangeurs. Ufficio federale d?Energia.

Il dimensionamento si basa sull?analisi e la conoscenza dei seguenti aspetti:
·  
La costruzione da riscaldare: qual è il fabbisogno energetico? È previsto solo il riscaldamento o anche la produzione d?acqua calda?
· 
Che sistema geotermico è quello più adatto considerando le caratteristiche del sottosuolo e le possibilità date dalla legge?
· 
Che pompa di calore è da utilizzare?
·
Che pompa idraulica serve per far girare il circuito d?estrazione? Che liquido termico viene usato?
·
Come viene eseguito l?allacciamento (distanze, caduta di pressione)?

Ci sono alcuni aiuti per determinare il dimensionamento di un impianto, considerando più o meno completamente i punti elencati in precedenza.

Calcoli semplici tramite tabelle

Gli aiuti più immediati sono presenti sotto forma di tabelle che permettono il dimensionamento d?impianti semplici. Si possono citare i seguenti esempi:
·  
La norma SIA D0136 e la norma tedesca VDI 4610 contengono le informazioni necessarie per una stima di impianti semplici.
· 
Sul sito www.engeo.ch è disponibile una tabella MS Excel che permette una stima del dimensionamento per impianti di sonde geotermiche a geometrie semplici.
· 
Sul sito della FWS (www.fws.ch) si può scaricare una tabella abbastanza semplice, che si concentra piuttosto sul dimensionamento della pompa di calore come parte di un impianto aria-acqua, salamoia-acqua, acqua-acqua.

Programmi per computer

Esiste una serie di programmi per computer per la stesura, il dimensionamento e l?ottimizzazione di impianti:
·  
EED (Earth Energy Designer, www.buildingphysics.com) è un programma per PC per la stesura e il dimensionamento di sonde geotermiche, che possono avere anche delle geometrie complesse.
· 
PILESIM è un programma per PC per dimensionare pali energetici e sonde geotermiche (www.isaac.supsi.ch).
· 
WPCalc (www.infoenergie.ch) è un programma che permette di dimensionare diversi sistemi accoppiati a pompe di calore (aria, sonde geotermiche) e che ne consente l?ottimizzazione.

Il programma EWS (www.igjzh.com) permette il calcolo del comportamento termico di una sonda geotermica.


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