Geo-Pile: riscaldamento invernale con pompa di calore sfruttando l’energia solare estiva

Le Geo-Pile abbinate alla Pompa di Calore

Negli ultimi anni ci sono state evoluzioni tecnologiche per lo sfruttamento della terra come fonte di energia. 

Tutti gli sforzi si sono concentrati nel tentativo di sviluppare la geometria e l’architettura delle sonde geotermiche con l’intento di incrementarne le capacità di scambio col terreno, al fine di ridurne le dimensioni necessarie rispetto alle sonde classiche e di conseguenza i costi di perforazione ed installazione. L’hanno scorso ho collaborato con GNRG, uno spin-off del centro ricerche che ha sviluppato il concetto di Geo-Pile abbinate alla Pompa di Calore.

Nonostante gli ottimi risultati ottenuti in materia di incremento della capacità di scambio termico col terreno attraverso lo sviluppo delle prime sonde composite con camicia in acciaio (circa 200 W/m contro i 50W/m delle sonde geotermiche tradizionali), i primi impianti pilota realizzati con schema standard con pompa di calore acqua/acqua evidenziarono da subito dei limiti tecnici indipendenti dalla tecnologia impiegata per le sonde e dovuti perlopiù ad un difetto metodologico di base del modello geotermico a sonda chiusa di bassa entalpia abbinati ad una Pompa di Calore. Ci sono voluti altri tre anni di ricerca prima di concretizzare un nuovo modello, semplice ma rivoluzionario, per la geotermia a sonda chiusa, non più basato sul modello dissipativo ma, al contrario, sul modello del geo-accumulo.

La geotermia a sonda chiusa basata sul modello del geo-accumulo

Il principiò è semplice e capovolge il punto di vista della geotermia a sonda chiusa classica nella quale il terreno viene modellizzato sostanzialmente come un pozzo termico a T costante. Tale impostazione ha tre difetti tecnici sostanziali:

1. Il terreno non è un buon conduttore di calore, pertanto agisce da collo di bottiglia obbligando ad avere ampie superfici di scambio con le sonde per poter minimizzare l’effetto di deriva termica locale;
2. Il coefficiente di conduzione del calore del terreno cambia considerevolmente in presenza o meno di acqua, ma i livelli degli acquiferi mutano nel tempo, il che comporta il rischio che un campo geotermico ben progettato oggi, si riveli in seguito insufficiente a causa di un abbassamento degli acquiferi.
3. Le sonde geotermiche, indipendentemente da architettura e geometria, sono elementi del tutto passivi, ciò significa che la loro performance dipende esclusivamente dallo stato termodinamico del terreno e non consentono in alcun modo all’impianto di interagire attivamente su di esso.

Per ovviare a tali problematiche la nuova tecnologia doveva pertanto:

1. sfruttare il terreno non come pozzo termico o mezzo dissipativo ma, proprio in virtù della scarsa conducibilità termica, come serbatoio di stoccaggio;
2. consentire una progettazione sostanzialmente indipendente dalle caratteristiche del terreno;
3. implementare un circuito ausiliario indipendente che permettesse di utilizzare fonti termiche esterne possibilmente rinnovabili e sostenibili, come strumento per permettere all’impianto (pompa di calore) di modificare le condizioni termodinamiche del campo in funzione delle sue necessità al fine di mantenere costante la resa durante tutto il periodo dell’anno.

Il terreno diventa luogo di stoccaggio dell'energia termica solare

Nasce così il concetto di pila solare, in cui la tecnologia geotermica viene intimamente fusa col solare termico e pompa di calore acqua/acqua al fine di utilizzare il terreno come un mezzo per lo stoccaggio di energia termica solare, prodotta in eccesso durante il periodo estivo, per poterla poi utilizzare per mantenere elevate le performance della pompa di calore durante il periodo invernale.

Come funzionano le Geo Pile

Le geo-pile sono realizzate con due sonde coassiali a circuiti indipendenti di cui una più esterna chiusa sul circuito della pompa di calore ed una interna chiusa sul circuito dei pannelli solari termici mediante scambiatore di calore a piastre. Ciascuna pila ha una lunghezza complessiva di 30 metri ed è realizzata interamente in acciaio inox AISI 304. La tecnica di installazione è del tutto simile a quella per la realizzazione di piccoli pozzi artesiani e può essere facilmente realizzata da qualsiasi impresa del settore in un paio di giorni, inoltre la lunghezza complessiva di 30 metri evita di incorrere nella classificazione di scavo profondo.  

Durante il periodo estivo ciascuna pila viene scaldata sia attraverso il circuito della pompa di calore durante la produzione di aria condizionata, sia dai pannelli solari termici (un pannello da 2 mq per ciascuna pila). 

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