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Articolo pubblicato il 17-11-2006
Mario Fanelli Liù Bellucci
Istituto di Geoscienze e Georisorse
Area della Ricerca CNR
Pisa - Italy
Numero 33-34 - Anno 3
17 Novembre 2006
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Utilizzazione delle risorse geotermiche: le pompe di calore
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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
r = Q2 / L = Q2 / (Q2 – Q1) = Tc / (Tc – Te)
Esso è tanto più elevato, a parità di Tc, quanto minore è la differenza
Tc – Te.
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
r = Q1 / L = Q1 / (Q2 – Q1) = Te / (Tc - Te)
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:
- 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.
- 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.
| Tabella 1. Principali paesi che utilizzano pompe di calore geotermiche. |
| Paese |
MWt |
GWh/a |
Numero di installazioni |
| Austria |
275 |
370 |
23.000 |
| Canada |
435 |
300 |
36.000 |
| Svezia |
2000 |
8000 |
200.000 |
| Svizzera |
440 |
660 |
25 |
| Usa |
6.300 |
6.300 |
600.000 |
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 kWt 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 MWt.
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Autore: Mario Fanelli Liù Bellucci
Istituto di Geoscienze e Georisorse
Area della Ricerca CNR
Pisa - Italy
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