Introduzione alla fisica degli impianti geotermici

Gli impianti geotermici possono essere suddivisi in base alla sorgente termica (ad acqua di falda o a scambio con il terreno), oppure in base al metodo di scambio: con pozzi di prelievo acqua e restituzione in falda o in roggia, con sonde chiuse di solo scambio con il terreno, sia verticali che orizzontali o con sonde racchiuse in strutture portanti interrate (di solito palificazioni).

Tuttavia come impianti geotermici si intendono comunemente le sonde che scambiano direttamente con il terreno e non già quelle che utilizzano lo scambio con le acque sotterranee.

La sorgente termica è quindi il terreno il cui gradiente termico varia in base al tipo di terreno, ma che mediamente si considera intorno ai 3°C per 100 mt di profondità.

Un impianto geotermico può essere schematicamente rappresentato come segue :



Sostanzialmente un impianto geotermico è un impianto a pompa di calore acqua/acqua in cui il fluido primario mantiene una temperatura costante ed è quindi in grado di far lavorare la macchina ad un COP pressoché costante anche in caso di basse (o alte) temperature ambiente.

Tipologie di impianto geotermico

Le tipologie di impianti geotermici sono quindi riconducibili essenzialmente a 4:

1. Sonde verticali
2. Sonde orizzontali
3. Sonde a spirale
4. Pali energetici

Sonde verticali

La prima tipologia è quella classica, riportata anche nello schema, in cui diverse sonde sono inserite nel terreno ad una profondità di svariate decine di metri con una procedura che vede la trivellazione del terreno sino alla quota prevista, la calata delle sonde nella loro sede e la sigillatura del pozzo così creato con una malta adatta allo scopo, al fine di sigillare il pozzo evitando scambi accidentali tra falde acquifere poste a quote diverse e favorire lo scambio di calore con il terreno circostante.

La sonda, così bloccata, è da considerarsi irrecuperabile, tanto che la sonda è in realtà composta da un doppio circuito di mandata e ritorno, uno di scorta all’altro. Qualora si dovessero riscontrare malfunzionamenti per accidentali forature si potrà agevolmente passare all’utilizzo della sonda di scorta senza dover ripetere l’invasiva procedura di trivellazione.

La procedura di calata delle sonde è agevolata da una punta con contrappeso che ha anche il compito di bloccare le sonde nella successiva gettata di malta.

Sonde orizzontali

Le sonde geotermiche possono anche essere posate in orizzontale, sia in trincea che su ampie superfici. La differenza con le sonde verticali è che occorrono delle sonde più lunghe, in quanto il terreno a basse profondità ha un gradiente termico inferiore essendo il calore del terreno costituito quasi completamente dall’irraggiamento solare sulla superficie.

Una soluzione ideale quando sono già previsti grandi sbancamenti del terreno, tuttavia la convenienza va valutata in base alla potenzialità necessaria, che è direttamente proporzionale alla quantità di tubazioni da interrare come sonde. Le procedure autorizzative sono più semplici ma sono scarsamente realizzabili in caso di edificio esistente o di terreno superficiale roccioso.

Più facilmente realizzabili gli impianti in trincea (fig. in alto) che richiedono solo uno sbancamento con mezzo meccanico occupando una porzione di terreno relativamente piccola, di solito lungo i confini di proprietà.

Sonde a spirale

Si tratta di una soluzione che unisce la semplicità delle realizzazioni in orizzontale con la resa del terreno ad una profondità di circa 4-6 mt: a queste profondità infatti il terreno ha una grande capacità di mantenere il calore ricevuto dal riscaldamento solare ed allo stesso tempo, durante la stagione calda, mantiene una temperatura sufficientemente bassa per dare una buona resa alla pompa di calore cui è collegato.

Il costo di realizzazione è anche in questo caso legato alla presenza di un mezzo meccanico per la movimentazione della terra che poi viene riposta nello scavo una volta posizionate le sonde.

Anche in questo caso si tratta di applicazioni adatte ad interventi con una certa disponibilità di spazio circostante o in fase di realizzazione di una nuova costruzione (Vedi Speciale 21).

Pali energetici

Si tratta di sonde verticali annegate nei pali di fondazione. In pratica la tubazione utilizzata come sonda è una serpentina che corre intorno alla gabbia strutturale del palo. Sono quindi sonde scarsamente profonde, legate alla presenza dei pali strutturali che di solito hanno una misura che va da qualche metro a 15/20 mt, sino a quando cioè non si trova il terreno con la necessaria portanza.

In caso di edifici estesi i pali possono però essere numerosi e non richiedono particolari accorgimenti oltre a quelli già previsti per le palificazioni. Essendo in maggior numero vi sarà un maggior numero di tubazioni collegate ai collettori sul circuito primario.

Si tratta quindi di un sistema utilizzabile con una certa efficacia solo in presenza di palificazioni per le strutture portanti, ma diventa interessante se si pensa che le attuali NTC (norme tecniche delle costruzioni) richiedono una accurata relazione geologica sulla costituzione e la portanza del terreno.

Nelle pianure alluvionali italiane, come ad esempio la Pianura Padana, la portanza adeguata del terreno si trova quasi sempre a diversi metri di profondità (dai 6 ai 12 metri a Milano), quindi non è inusuale l’utilizzo di tali fondazioni. Oltre a ciò i risultati della relazione geologica possono individuare l’eventuale presenza di falde acquifere poste ad una certa profondità che richiedono dispendiose trivellazioni oltre ad una più complessa procedura autorizzativa.

Utilizzare i pali di fondazione diventa quindi una preziosa risorsa non dovendo aggiungere alcuna lavorazione aggiuntiva per la realizzazione di quella che, a tutti gli effetti, sarà “la caldaia” dell’edificio.

Legislazione di riferimento

La normativa nazionale di riferimento è il Dlgs 152/2006 (Testo Unico dell’Ambiente), aggiornata con il DL 22/2010, tuttavia è competenza delle Regioni legiferare in materia e quelle regioni che vi hanno provveduto hanno anche fatto seguire ai provvedimenti un Regolamento di attuazione che fissa le procedure autorizzative, le specifiche degli impianti, le caratteristiche delle pompe di calore (compreso un COP minimo), la profondità e le procedure di trivellazione, delineando anche le porzioni di territorio protette all’interno delle quali non è possibile procedere alla posa di tali impianti (di solito le parti di territorio a tutela assoluta).

Qualora la perforazione si spinga oltre i 30 metri dal piano campagna, il titolare dell’ Autorizzazione (in solido con l'impresa esecutrice dei lavori) è obbligato all'osservanza della Legge n. 464/84 e quindi, utilizzando esclusivamente l'apposita modulistica reperibile nel sito internet www.apat.gov.it, a trasmettere all'ISPRA - Servizio Geologico d'Italia - di Roma, le comunicazioni di inizio e infine indagine comprese anche eventuali sospensioni e riprese dei lavori utilizzando la modulistica dedicata; l'inosservanza della sopracitata Legge n. 464/84 è sanzionabile con ammenda.

Inoltre, mentre per i piccoli impianti il Regolamento provvede già a fornire la resa termica dei terreni, per i “grandi impianti” (>50kw) è necessario operare delle prospezioni geologiche inserendo i dati richiesti nel Registro delle Sonde Geotermiche, tuttavia per gli impianti con profondità <150mt è necessaria solo la registrazione nell’apposito Registro, mentre per le sonde con profondità >150 mt occorre attendere l’autorizzazione rilasciata dall’amministrazione provinciale.