Impianti geotermici: gli scambiatori di calore geotermici classici

Scambiatori orizzontali a bassa profondità a serpentino, chiocciola e anello

Sono scambiatori di calore geotermici caratterizzati da tubazioni in polietilene, polibutilene o rame, posati a una quota generalmente compresa tra 1,2 – 1,5 m. Data la ridotta profondità di interramento, è opportuno eseguire opportune considerazioni sull’influenza dello scambio di calore dovuto all’effetto diretto della radiazione solare, la pioggia o altri eventi meteorologici che portano alla modificazione delle caratteristiche del terreno.

Le sonde vengono posate nel terreno provvedendo a sbancare l’area necessaria per l’installazione degli scambiatori, oppure provvedendo a realizzare trincee di area limitata. Il vantaggio di questi scambiatori è legato al fatto che non è necessario procedere con trivellazioni, pertanto i costi installativi si riducono.

Di contro, le sonde orizzontali richiedono ampie aree disponibili nelle vicinanze del fabbricato. Le tubazioni in polietilene vengono solitamente utilizzate per impianti dove la pompa di calore è del tipo acqua-acqua, pertanto all’interno della tubazione viene fatta circolare acqua glicolata, mentre l’adozione di altri materiali avviene per la circolazione diretta del fluido frigorigeno della pompa di calore.

Purtroppo l’elevato sviluppo delle sonde orizzontali comporta inevitabili quantitativi elevati di glicole, rispetto a soluzioni con sonde verticali.

A seconda del terreno e dell’esposizione dell’area interessata dall’installazione degli scambiatori orizzontali, la resa delle sonde varia tra i 10 e i 40 W/m².

In prima approssimazione, possono essere ipotizzati i rapporti di estrazione riportati nella tabella seguente. È però opportuno analizzare in modo approfondito le singole situazioni installative al fine di evitare problemi relativi alla resa delle pompe di calore.
 

Rapporti di estrazione sonde orizzontali in base al tipo di terreno
Terreno sabbioso secco	10 – 15 W/m2
Terreno sabbioso umido	15 – 20 W/m2
Terreno argilloso secco	20 – 25 W/m2
Terreno argilloso umido	25 – 30 W/m2
Terreno saturo d’acqua	30 – 40 W/m2

 

Scambiatori orizzontali a spirale Slinky

Gli scambiatori SLINKY sono scambiatori realizzati con tubazioni in polietilene disposte nel terreno a formare dei cerchi sovrapposti. Sono scambiatori non particolarmente diffusi in Europa, mentre hanno trovato una discreta diffusione nel Nord America, dove sembra stiano dando buoni risultati.

Lo sviluppo a spirale permette di ridurre la superficie complessiva di sviluppo del sistema di scambio con il terreno. Le spirali possono essere compatte, con passo delle spire D pari a Ø/4, oppure estesi con passo pari a Ø.

Le tubazioni vengono interrate a una quota compresa tra 1,0 – 1,5 m nel caso di scavo a sbancamento, per arrivare fino a 1,0 – 2,5 m nel caso di scavo in trincea. Nel caso di collocamento all’interno dello scavo in trincea, gli scambiatori a spirale possono essere adagiati sia in posizione orizzontale che in posizione verticale.

Nel caso di posa di diversi scambiatori, è consigliabile mantenere un interasse tra i gruppi di spirali pari a 2,5 m per evitare interferenze, ma soprattutto per evitare surriscaldamenti o sottoraffreddamenti del terreno ospitante.
 

Rapporti di estrazione sonde orizzontali in base al tipo di terreno
Spirali con passo S = Ø	Terreno sabbioso secco	7 – 10 W/m2
	Terreno sabbioso umido	10 – 13 W/m2
	Terreno argilloso secco	13 – 16 W/m2
	Terreno argilloso umido	16 – 20 W/m2
	Terreno saturo d’acqua	20 – 26 W/m2
Spirali con passo S = Ø/2	Terreno sabbioso secco	9 – 13 W/m2
	Terreno sabbioso umido	13 – 17 W/m2
	Terreno argilloso secco	17 – 21 W/m2
	Terreno argilloso umido	21 – 26 W/m2
	Terreno saturo d’acqua	26 – 34 W/m2
Spirali con passo S = Ø	Terreno sabbioso secco	10 – 15 W/m2
	Terreno sabbioso umido	15 – 20 W/m2
	Terreno argilloso secco	20 – 25 W/m2
	Terreno argilloso umido	25 – 30 W/m2
	Terreno saturo d’acqua	30 – 40 W/m2

 

Scambiatori a canestro

Gli scambiatori a canestro sono realizzati con tubi in polietilene fissati ad armature in ferro o in plastica.
Vengono collocati ad una profondità di circa 1,5 metri e sono scambiatori utilizzati solo recentemente in Germania e Svizzera, ma si stanno diffondendo anche in molti altri paesi europei, in quanto sono in grado di garantire un notevole risparmio della superficie di scambio, che varia dal 30% al 50% rispetto agli altri scambiatori.

Sono scambiatori compatti che garantiscono un'efficace integrazione di impianti esistenti sottodimensionati, o in caso di ristrutturazioni dove la superficie esterna è limitata e magari il tipo di intervento comporta un maggiore fabbisogno termico.

Gli scambiatori a canestro possono avere forma cilindrica o conica e possono essere preassemblati o realizzati direttamente in cantiere. I canestri sono generalmente sviluppati in tre modelli, come nella tabella sotto riportata.

 

Scambiatori coassiali

Gli scambiatori coassiali sono sonde realizzate con tubazioni in materiale polimerico o materiale metallico, che vengono installate verticalmente fino a una profondità di 25 – 30 m. Il vantaggio ottenibile dall’utilizzo di tali sonde è particolarmente apprezzabile in tutti i contesti nei quali la superficie esterna perimetrale di pertinenza del fabbricato è ridotta. Le sonde coassiali hanno visto la luce negli anni '90 nell’Europa Centrale, e hanno segnato lo standard nelle installazioni geotermiche.

Nelle sonde coassiali lo scambio di calore avviene sulla superficie esterna, in un solo verso. Questo tipo di scambiatore ha il grande vantaggio di garantire un alto livello di omogeneità nell’accumulo, senza possibili cortocircuitazioni tra il fluido entrante ed il fluido uscente.

Le sonde più evolute sono caratterizzate da un tubo esterno in materiale metallico, come ad esempio l'acciaio inox, e tubo interno in materiale polimerico, come ad esempio il polietilene ad alta densità. L’adozione dell’acciaio inox per la tubazione esterna garantisce un'elevata resistenza nel tempo della sonda, in quanto questo materiale non è soggetto a corrosione e non teme le correnti vaganti.