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Possibilità di utilizzazione di terreni con acquifero per impianti a pompa di calore – Realizzazione di un impianto sperimentale, effettuazione delle campagne di misura, risultati

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Possibilità di utilizzazione di terreni con acquifero per impianti a pompa di calore – Realizzazione di un impianto sperimentale, effettuazione delle campagne di misura, risultati

Recently updated on Aprile 7th, 2021 at 01:23 pm

L’attività oggetto del Rapporto, rientra nella Ricerca di Sistema ELTEC/ELCITER/CLIMAMB e riguarda le possibilità di sfruttamento del terreno, in particolare di terreno con presenza di acqua di falda in scorrimento, come risorsa energetica in impianti a pompa di calore per il riscaldamento ed il condizionamento degli edifici. L’analisi svolta dal CESI in una precedente fase di lavoro della stessa Ricerca di Sistema (rapporti CESI SFR-A0/043243 [1] e CESI SFR-A1/018182 [2]), ha permesso di evidenziare e di quantificare le grandi potenzialità di sfruttamento termico diretto della falda in un’area densamente abitata del territorio regionale (bassa Pianura Padana). Alcune difficoltà che hanno ostacolato la diffusione di questa applicazione, ad esempio la necessità di disporre di un sito ove scaricare l’acqua dopo l’utilizzo e l’incertezza dei tempi per ottenere le necessarie autorizzazioni, hanno portato ad esplorare altre forme di sfruttamento energetico di terreni con presenza di acquifero ai fini della climatizzazione degli edifici, tali da evitare o almeno ridurre queste limitazioni. In uno studio1 allegato al Rapporto CESI SFR-A1/036826 [3], sono stati affrontati gli aspetti tecnologici inerenti lo sfruttamento a fini energetici del terreno, lo stato dell’arte delle applicazioni sperimentali o già diffuse su scala internazionale e le motivazioni per una diffusione delle applicazioni ritenute più idonee nel contesto nazionale. Nello studio viene posta particolare attenzione ai sistemi denominati GCHP (Ground Coupled Heat Pump), costituiti da un sistema di tubazioni (scambiatore) nelle quali circola fluido termovettore che assorbe e cede calore al terreno. Sviluppati nel corso degli anni ‘70, i sistemi GCHP sono caratterizzati dall’eliminazione dei problemi associati con la qualità e la disponibilità dell’acqua. Inoltre, richiedono normalmente, rispetto agli altri sistemi geotermici, meno energia per il pompaggio del fluido termovettore e possono essere installati, almeno in linea di principio, in qualsiasi area in cui è possibile scavare o perforare il terreno. In generale, i potenziali vantaggi sono: – sensibile risparmio di energia primaria – minori emissioni di gas serra – maggiore sicurezza degli impianti2, qualora fosse evitabile l’integrazione con sistemi convenzionali a combustione. Il flusso di calore trasferito tra lo scambiatore dei sistemi GCHP e il suolo è definito soprattutto dalla conducibilità termica di quest’ultimo e dalla presenza di acqua in scorrimento. La conoscenza di questi parametri è determinante in fase di dimensionamento e/o progettazione dei sistemi, in quanto permette di determinare la lunghezza delle tubazioni ai fini dell’ottenimento di un’adeguata potenza termica con valori del COP soddisfacenti. Infine, i sistemi GCHP massimizzano le loro prestazioni in presenza di acquiferi caratterizzati da una apprezzabile velocità di spostamento. L’interesse dello studio è infatti motivato dalla disponibilità di acquiferi a profondità non elevate, caratteristica della Pianura Padana, per la quale, con particolare riferimento alla Regione Lombardia, nel rapporto CESI SFR-A0/043243, veniva stimata una diffusa presenza ed una velocità di scorrimento compresa tra 0.4 e 4 m/h, in relazione alla località. 1 Lo Studio è stato svolto per conto del CESI, dalla SITA LCD – Società Italiana di Tecnologie Avanzate LCD Srl; responsabile del contratto: Prof. Ing. Giovanni Riva. 2 Ciò grazie alla eliminazione dei serbatoi di stoccaggio dei combustibili liquidi e soprattutto delle tubazioni di gas.

Era stata inoltre sviluppata una sintetica analisi degli aspetti normativi (con riferimento alla Provincia di Milano), in quanto l’utilizzazione energetica del terreno e degli acquiferi trova ancora delle difficoltà sul piano normativo non essendo ancora in essere dei provvedimenti specifici che ne favoriscano l’applicazione. Veniva infine esposto un quadro di esempi applicativi a livello internazionale sui sistemi GCHP, mentre per la situazione nazionale si riscontra una forte carenza di applicazioni e di iniziative sperimentali. Il numero di impianti per uso residenziale varia da paese a paese ma è comunque da ritenere ancora molto piccolo su scala generale; tuttavia, si osserva la crescita costante della diffusione di questi sistemi. In Svizzera, a esempio, circa un quarto delle nuove abitazioni mono o bifamiliari è servita da un impianto GCHP (tra i quali sono in forte espansione i sistemi a “sonda geotermica”). Si tratta di impianti che sfruttano il terreno sostanzialmente per la sua capacità di diffusione conduttiva attraverso i vari strati, scendendo a profondità significative (sino a 150/200 m) e sono caratterizzati da due/quattro tubi ad U collocati in un foro nel terreno di circa 150 mm. Da letteratura si rileva che un’unica sonda, profonda sino a 100/150 metri, può essere sufficiente a fornire il flusso termico per una pompa di calore dimensionata per un appartamento di oltre 100 m2, in presenza di clima tipico della pianura della Svizzera. Le notizie relative alla applicazione e alla sperimentazione di sistemi GCHP nel territorio nazionale sono molto scarse. La loro diffusione, comunque, risulta presumibilmente ostacolata da una serie di fattori, quali: – scarsa conoscenza della tecnologia e delle relative prestazioni da parte dei progettisti e installatori di impianti termici; – elevati costi degli impianti, soprattutto quelli relativi agli scavi/perforazioni; – normativa inesistente per il caso specifico, con la conseguenza che le procedure per ottenere le autorizzazioni, potrebbero doversi rapportare alle procedure non certo agevoli, richieste per lo scavo di pozzi per l’estrazione di acqua. In questo quadro era stato quindi ritenuto opportuno procedere a sperimentazioni che possano mettere in evidenza, sul piano dimostrativo: – le problematiche impiantistiche, – le problematiche normative (anche al fine di favorire una forte semplificazione delle procedure da parte degli Enti preposti), – le reali prestazioni energetiche dei sistemi GCHP in relazione al regime termico del terreno, – l’effetto indotto sull’eventuale acquifero, in modo da poter stimare il relativo impatto ambientale. Nel rapporto del 2001 (CESI SFR-A1/018182) veniva quindi illustrato il progetto dell’impianto sperimentale di piccola taglia, del tipo GCHP, che il CESI ha realizzato presso la propria sede nel 2003. L’impianto può essere considerato del tipo GCHP e si basa sulla realizzazione di uno scambiatore di calore di tipo verticale collocato in terreno con acqua di falda in scorrimento; lo scambiatore è percorso da acqua non trattata ed è collegato ad una pompa di calore acqua-acqua che alimenta un’utenza termica costituita da un prefabbricato di piccole dimensioni (circa 60 m2) con sistema di distribuzione interno a ventilconvettori. Nell’impianto è installata una pompa di calore di potenzialità termica e frigorifera di 5/6 kW sufficiente a far fronte all’utenza termica allacciata (circa 4 kW). Assumendo che l’acqua di falda scorra con il minimo dei valori stimati nello studio del 2001 (0.4 m/h), lo scambiatore realizzato, per consentire il funzionamento della pompa di calore, avrebbe dovuto raggiungere una capacità di scambio di circa 140 W per metro di profondità in riscaldamento invernale (calore sottratto da terreno-acqua di falda e ceduto all’evaporatore della pompa di calore) e circa 200 W/m in condizionamento estivo (calore sottratto dal condensatore della pompa di calore e smaltito nel terreno-acqua di falda). L’attività svolta nel 2001, per quanto riguarda l’impianto sperimentale, è stata la seguente:

– progettazione dell’impianto, ad eccezione dello scambiatore di calore interrato, per il quale nel 2002 sono stati eseguiti studio di fattibilità e disegno costruttivo – acquisizione dei componenti di impianto per i quali erano già state definite le caratteristiche tecniche e dimensionali (pompa di calore, accessori di impianto) – progettazione del sistema di monitoraggio da installare sull’impianto (sensori, sistema di acquisizione dati) – acquisizione dei componenti del sistema di monitoraggio. Nel corso del 2002 sono stati affrontati gli aspetti normativi. La mancanza di disposizioni legislative specifiche per impianti di questa natura, ha richiesto una serie di contatti informali con le istituzioni interessate. Poiché si profilava un iter di autorizzazione che sarebbe comunque stato inadeguato nel caso una eventuale diffusione di questa applicazione nel territorio, è stata coinvolta direttamente la Regione Lombardia (Direzione Generale delle Risorse Idriche e Servizi di pubblica utilità) che ha autorizzato l’effettuazione della sperimentazione nell’agosto 2002. Ottenuta l’autorizzazione alla sperimentazione da parte della Regione Lombardia, nel 2002 è stata completata la progettazione dello scambiatore di calore interrato, che costituisce il componente più significativo del sistema. La progettazione costruttiva è stata preceduta da uno studio di fattibilità3 che ha permesso di individuare la soluzione ritenuta complessivamente più idonea in relazione sia all’obiettivo di ottimizzare anche gli eventuali scambi di tipo convettivo con la falda, sia in relazione ad altre considerazioni di carattere tecnico ed economico che verranno successivamente esposte. Nel 2002 è stato inoltre sviluppato dal CESI in LabVIEW® 6.1, il software denominato SIFA-v14.vi per la gestione del sistema di acquisizione dati installato sull’impianto sperimentale. La realizzazione dell’impianto sperimentale è stata effettuata all’inizio di febbraio 2003 ed è consistita in: – perforazione del terreno per la posa dello scambiatore, dei pozzetti per i sensori di temperatura del terreno, del pozzo piezometrico per il prelievo di campioni di acqua di falda (richiesto dalla Regione Lombardia), – posa dello scambiatore e dei sensori di temperatura – scavo dei cunicoli per l’alloggiamento dell’impianto idraulico esterno e per il passaggio dei cavi dei sensori di temperatura del terreno, – realizzazione dell’impianto idraulico esterno ed interno (per la sola parte pompa di calore – scambiatore) – impianto elettrico di alimentazione e controllo – installazione del sistema di acquisizione dati e collegamenti elettrici con i sensori in campo. La parte più critica della realizzazione dell’impianto, costituita dalla perforazione del terreno e dalla posa dello scambiatore, è avvenuta regolarmente, senza inconvenienti e nei tempi previsti4. Per dare un ordine di grandezza dei costi relativi alle parti di impianto connesse al sistema di scambio con il terreno (perforazione terreno, realizzazione e posa dello scambiatore di calore, impianto idraulico esterno) si può assumere un valore attorno ai 10,000 €. Nel mese di marzo sono state avviate le prime prove dell’impianto. Come verrà illustrato in seguito, con l’esecuzione di alcuni test preliminari si è constatato che l’obiettivo principale, costituito dal mantenere in funzione per un periodo di tempo significativo l’impianto alle condizioni di progetto, non era raggiungibile a causa, presumibilmente, di una velocità di scorrimento dell’acqua di falda sensibilmente inferiore rispetto a quella ipotizzata. 3 “Studio di fattibilità di uno scambiatore di calore in falda” eseguito dalla Casinghini Heatex di Palazzolo S/O (Brescia) su incarico CESI. 4 Le perforazioni del terreno ed i lavori connessi sono stati eseguiti dalla Ronchi s.r.l. di Cologno Monzese (Milano).

L’attività è stata quindi indirizzata verso la determinazione della massima potenzialità di scambio termico ottenibile in condizioni di raffreddamento (inverno) e di riscaldamento (estate) dell’acquifero. A tale scopo, nel circuito idraulico chiuso pompa di calore – scambiatore interrato, è stata inserita una batteria di resistenze elettriche alimentata da variatore di tensione; l’accorgimento ha permesso di variare l’entità dello scambio termico con il terreno per il tempo sufficiente a raggiungere condizioni di regime termico sufficientemente stazionario per quanto riguarda i flussi termici tra pompa di calore / scambiatore interrato / sistema terreno – acquifero. La prova per la determinazione della massima potenzialità di estrazione di calore (prova invernale) è stata effettuata tra i mesi di marzo ed aprile 2003, per una durata complessiva di circa 30 giorni; la prova di dispersione di calore (prova estiva) è avvenuta tra maggio e giugno, per una durata di circa 35 giorni. Nella prova denominata invernale, è stata estratta una quantità di calore pari a 1700 W medi, corrispondenti a 57 W per metro lineare di scambiatore (contro un’aspettativa di 140 W/m); nella prova “estiva”, è stata dispersa nell’acquifero una quantità di calore pari a circa 2000 W, corrispondenti a 67 W/m (contro 210 W/m previsti). I risultati sono molto inferiori alle aspettative e sembrano confermare le prestazioni di sistemi di analoghe caratteristiche, tipo sonde geotermiche, che normalmente non sono progettati per ottimizzare gli scambi con terreni acquiferi. In conclusione, per ottenere la potenzialità di scambio necessaria al funzionamento della pompa di calore installata (5/6 kW di potenza termica e frigorifera), sarebbero stati necessari 3 scambiatori di analoghe caratteristiche. Considerando che la pompa di calore impiegata, applicata ad una utenza monofamiliare, consentirebbe risparmi economici relativamente contenuti rispetto a sistemi convenzionali concorrenti (caldaia + chiller), la soluzione sperimentata sembra poco proponibile in primo luogo dal punto di vista economico, anche considerando che si tratta di un impianto sperimentale e che i costi sostenuti non sono un riferimento adeguato; in secondo luogo, l’impegno di spazio richiesto per la collocazione di tre scambiatori, che debbono essere posizionati ad una certa distanza tra loro, potrebbe risultare difficilmente praticabile per una piccola utenza. I risultati ottenuti sembrano confermare peraltro le prestazioni di scambiatori interrati a sviluppo verticale, quali le sonde geotermiche, progettate e dimensionate per ottimizzare lo sfruttamento termico del sottosuolo con perforazioni più profonde (sino 150/200 metri di profondità). Queste soluzioni hanno il vantaggio di richiedere un’unica perforazione per alimentare una singola utenza di taglia domestica; per il contesto nazionale andrebbe peraltro valutata con attenzione la presenza di terreni con caratteristiche idonee e l’impatto con le normative legislative vigenti nella prospettiva di una diffusione sul territorio. Sembra perciò auspicabile prevedere un programma di attività finalizzato ad approfondimenti tecnici sui reali vantaggi di questa tecnologia, all’esame delle problematiche della sua diffusione in Italia, e, in caso di esito positivo, alla realizzazione ed il monitoraggio di un impianto dimostrativo.

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