Workshop 1 - Geotermia roberto spalvieri__bassa_entalpia

GEOTERMIA A BASSA ENTALPIAGEOTERMIA A BASSA ENTALPIA
APPLICAZIONI E PROSPETTIVEAPPLICAZIONI E PROSPETTIVE
Dr. Geol. ROBERTO SPALVIERI
robertospalvieri@geologilazio.it
CONSIGLIERE ORDINE GEOLOGI LAZIO
COORDINATORE COMMISSIONE GEOTERMIA

ASPETTI ENERGETICI GENERALIASPETTI ENERGETICI GENERALI
Le problematiche socio-politico-economiche connesse alla gestione della risorsa petrolio hanno innescato un
continuo parlare di ENERGIAENERGIA, di RISPARMIORISPARMIO ENERGETICOENERGETICO e soprattutto della necessità di produrre
energia da FONTIFONTI RINNOVABILIRINNOVABILI (risorse che possiedono una velocità di rigenerazione superiore alla
velocità con cui vengono consumate, per cui risulta virtualmente impossibile il loro esaurimento).
Quasi sempre parlando di energia si pensa all’energia di tipo “elettrico”, poiché l’ELETTRICITÀ è molto
familiare a tutti grazie alle sue ubiquitarie proprietà di essere facilmente trasportabile e trasformabile in
una qualsiasi quotidiana esigenza: movimento, luce, musica, calore, informazione, climatizzazione, etc.
Nonostante ciò, l’Elettricità è un prodotto secondario ottenuto da processi termodinamici di combustione o processi
meccanici di sfruttamento di energia potenziale naturale (acqua, vento) o da fenomeni di fissione/scissione nucleare.
Difficilmente ci si rende conto che il vero problema dell’energia nel mondo è l’ENERGIA TERMICA!Difficilmente ci si rende conto che il vero problema dell’energia nel mondo è l’ENERGIA TERMICA!
Circa il 40-45% dell’energia primaria (*) in Europa viene impiegata per il condizionamento di edifici!
(*) per “energia primaria” s’intende il potere energetico di quella risorsa che, presente in natura, viene utilizzata per produrre
direttamente energia elettrica, ad esempio: petrolio, carbone, gas, etc = Energia chimica da combustibile fossile).
Ma non solo, del restante 55-60% di energia primaria si può approssimare che più della metà….
…sia dispersa nell’ambiente sottoforma di calore!
Si considera che per buona parte ci siano attività di produzione di energia elettrica con rendimento elettrico di circa il 37% e
per un’altra parte processi industriali che mediamente si stima possano dare rendimenti leggermente superiori (40-45%).

25%
20%
10%
Consumo Sistemi di Illuminazione
Consumo Apparecchiature da Ufficio
Acqua Calda Sanitaria & Altri Carichi
45%
Consumo Impianti
di Climatizzazione e
Trattamento dell’Aria
Consumo Sistemi di Illuminazione

Dunque, ragionando per ordini di grandezza, possiamo dire che circa il 70% dell’energia che
preleviamo dalla natura viene trasformata in ENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA e per lo più in CALORECALORE!
(ad eccezione di una minima parte che viene tramutata in energia frigorifera)
IL VERO RISPARMIO ENERGETICO STA NELLA GESTIONE DEGLI SPRECHIIL VERO RISPARMIO ENERGETICO STA NELLA GESTIONE DEGLI SPRECHI DIDI
ENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA..
Ci sono sostanzialmente due modi, allo stato della tecnica possibile attualmente, per attingere nel
giacimento degli sprechi di energia termica:
1) RISPARMIANDO: diminuendo il fabbisogno di energia tramite isolamento, aumento dell’efficienza
energetica dei processi, etc.
1) CO-TRIGENERANDO: sostanzialmente producendo energia elettrica laddove c’è possibilità di1) CO-TRIGENERANDO: sostanzialmente producendo energia elettrica laddove c’è possibilità di
utilizzare tutta la risultante energia termica, o gran parte di essa, mediante sistemi con combustibili
fossili, impianti solari termici o termodinamici, sistemi ibridi, reti di teleriscaldamento e quant’altro.
Pertanto, si rafforza il concetto di quanto “secondaria” sia l’elettricità e quanto sia più importante dal
punto di vista energetico, quindi anche economico (*), il condizionamento degli edifici.
(*) una famiglia tipo di reddito medio, soprattutto se del Nord Italia, presenta una bolletta energetica fortemente sbilanciata sul
costo del riscaldamento rispetto a quello della “luce”!
In quest’ottica si inserisce una grande famiglia di tecnologie energetiche rinnovabili, che racchiude
varie tecniche di geoscambio, che va sotto il nome di:

CLASSIFICAZIONE GENERALECLASSIFICAZIONE GENERALE
D.LGS.D.LGS. n.22 del 11.02.2010n.22 del 11.02.2010
““Riassetto della normativa in materia di ricerca e coltivazione delle risorse geotermiche”
Ai sensi e per gli effetti del presente decreto legislativo (art.1, comma 2) valgono le
seguenti definizioni:
a) sono risorserisorse geotermichegeotermiche adad altaalta entalpiaentalpia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito superiore a 150°C;
b) sono risorserisorse geotermichegeotermiche aa mediamedia entalpiaentalpia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito compresa tra 90°C e 150 °C;del fluido reperito compresa tra 90°C e 150 °C;
c) sono risorserisorse geotermichegeotermiche aa bassabassa entalpentalpiaia quelle caratterizzate da una temperatura
del fluido reperito inferiore a 90°C.
art. 10- Piccole utilizzazioni locali di calore geotermico quelle che consentono la realizzazione di impianti di
potenza inferiore a 2 MWt, ottenibili dal fluido geotermico alla temperatura convenzionale dei reflui di 15 gradi
centigradi, mediante l'esecuzione di pozzi di profondita' fino a 400 metri. Sono altresì piccole utilizzazioni locali
di calore geotermico quelle effettuate tramite l'installazione di sonde geotermiche che scambiano calore con il
sottosuolo senza effettuare il prelievo e la reimmissione nel sottosuolo di acque calde o fluidi geotermici. Al
comma 3 è previsto che le autorita' competenti per le funzioni amministrative, comprese le funzioni di vigilanza,
riguardanti le piccole utilizzazioni locali di calore geotermico sono le Regioni o Enti da esse delegate.

Uffici, Centri Direzionali
Centri Commerciali
Residenziale
Condizionamento,
Climatizzazione,
Acqua sanitaria,
PRINCIPALI APPLICAZIONIPRINCIPALI APPLICAZIONI
Ospedali – Cliniche - Scuole Industria, Processi produttivi
Acqua sanitaria,
Flussi Energetici di
Processo

PRINCIPIO FONDAMENTALEPRINCIPIO FONDAMENTALE DIDI GEOSCAMBIOGEOSCAMBIO
Un impianto geotermico a bassa entalpia è costituito da tre parti fondamentali:
1)1) Sistema di scambio con il terrenoSistema di scambio con il terreno, sonde geotermiche ed altri sistemi
2)2) Una o più pompe di caloreUna o più pompe di calore ++ tutti i dispositivi atti a movimentazione dei fluidi e sicurezza dell’impianto
3)3) Sistema di distribuzione del calore all’utenzaSistema di distribuzione del calore all’utenza,, con appositi terminali d’impianto.

I TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀI TRE MOTIVI DELLA RINNOVABILITÀ
1
• il calore endogeno terrestre deriva dalle masse
magmatiche interne al nostro pianeta;

2
Già nel 1860 Lord Kelvin, dopo aver progettato nel 1852 un apparecchio con un circuito frigorifero a ciclo invertito
(prima pompa di calore), si interessò allo studio sperimentale della variazione della T con la profondità nell’arco
dell’anno: misurò che a - 8.1 metri la T media annuale variava con una dinamica di 1/20 rispetto a quella superficiale
e a -16.2 metri la dinamica di variazione non era che di 1/400 rispetto a quella di superficie.

3

EFFICIENZA ENERGETICA E RINNOVABILITÀEFFICIENZA ENERGETICA E RINNOVABILITÀ
20% ENERGIA NON RINNOVABILE
16 % ENERGIA NON RINNOVABILE
100 % ENERGIA RINNOVABILE

“Per ciascun sistema geotermico, e per ciascuna modalità di produzione, esiste un certo livello di
produzione massima di energia, al di sotto del quale è possibile mantenere costante la produzione di
energia dal sistema per un lungo periodo (100-300 anni)” (Orkustofnun Working Group, 2001).
Una “produzione sostenibile da singolo sistema geotermico”, in sostanza, deve assicurare che
l’impianto collegato a terreno, comporti il raggiungimento di un equilibrio termodinamico sul lungo
periodo, assestando il livello della temperatura del terreno su un valore accettabile e ambientalmente
compatibile; inoltre è necessario che una volta terminato il funzionamento dell’impianto il terreno
raggiunga su tutto il volume interessato dei valori di temperatura confrontabili con quelli del terreno
indisturbato prima dell’applicazione degli scambiatori.
IMPATTO AMBIENTALE E SONDE GEOTERMICHEIMPATTO AMBIENTALE E SONDE GEOTERMICHE
indisturbato prima dell’applicazione degli scambiatori.
Numerosi studi hanno dimostrato che applicazioni di sonde geotermiche correttamente dimensionate
consentono di realizzare un sistema geotermico ambientalmente sostenibile secondo la definizione
data: dopo qualche anno di funzionamento, si instaura un nuovo equilibrio stazionario, fra la tendenza
naturale del suolo a mantenere le condizioni iniziali e l’energia estratta ed immessa dallo scambiatore.
Fermo restando quanto sopra, le criticità e problematiche ambientali sono essenzialmente:
1) Comunicazione tra falde sovrapposte
2) Potenzialità inquinanti sulla falda coinvolta (termica o dovuta a perdite dei fluidi termovettori)

PRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVIPRINCIPALI SISTEMI APPLICATIVI

ApplicazioneApplicazione APERTAAPERTA: Falda: Falda Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore OrizzontaleOrizzontale
Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore VerticaleVerticale

(OLTRE LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI)(OLTRE LE SONDE GEOTERMICHE VERTICALI)
ApplicazioneApplicazione APERTAAPERTA: Falda: Falda Applicazione CHIUSAApplicazione CHIUSA
GeoscambiatoreGeoscambiatore OrizzontaleOrizzontale
GeoscambiatoreGeoscambiatore VerticaleVerticale

Il prelievo può avvenire da bacini superficiali (mare, laghi o fiumi) o da pozzo.
I sistemi per via diretta sono relativamente utilizzati in Italia da molto tempo, seppur
relativamente poco diffusi. Sono fondamentalmente costituiti da un impianto di prelievo ed uno
di scarico, collegati direttamente alla pompa di calore o tramite un circuito secondario ed uno
scambiatore (nel caso di incrostazioni, alghe, corrosione per agenti inquinanti o acque salmastre,
intasamenti dei circuiti, al fine di ridurre gli interventi sulla pompa di calore, più complicati ed
onerosi).
Per la movimentazione dell’acqua sono necessarie pompe idrauliche, il cui consumo energetico
generalmente costituisce una quota significativa del consumo complessivo dell’impianto. La
SISTEMI A CIRCUITO APERTOSISTEMI A CIRCUITO APERTO
generalmente costituisce una quota significativa del consumo complessivo dell’impianto. La
convenienza rispetto ai sistemi chiusi, dal punto di vista dei costi d’esercizio, si ha fino a prevalenze dell’ordine
dei 30 metri. Con un’analisi economica basata sui costi di ammortamento dell’impianto, invece, i vantaggi dei
sistemi aperti risultano interessanti fino anche a prevalenze di 50 metri.
I fattori limitanti lo sviluppo dei sistemi aperti sono essenzialmente tre:
1) Maggiori costi di manutenzione;
2) Costi di pompaggio per falde acquifere ad elevata profondità;
3) Difficoltà ed incertezza nell’iter autorizzativo per l’esecuzione dei pozzi, per il prelievo di
acque pubbliche e soprattutto per lo scarico di acqua trattata (anche “solo” termicamente).

DD..LL.. 152152//0606 - art 104. “Scarichi nel sottosuolo e nelle acque sotterranee”.
• c.1. È vietato lo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo.
• c.2. In deroga a quanto previsto al comma 1, l'autorità competente, dopo indagine preventiva,
può autorizzare gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi geotermici, delle
acque di infiltrazione di miniere o cave o delle acque pompate nel corso di determinati lavori di
ingegneria civile, ivi comprese quelle degli impianti di scambio termico.”
In assenza di specifiche indicazioni normative regionali (vedi Lazio) in merito ai criteri di verifica di
conformità di tale scarico ed in attesa di alcune indicazioni richieste agli Uffici Legali provinciali,
nell’ambito delle istruttorie in itinere si ritiene che debbano essere rispettate le seguenti indicazioni,
effettuando le necessarie verifiche in fase di progetto:
Valutazione della Temperatura massima consentita per le acque di reimmissione;
Minimizzazione delle variazione chimico-batteriologica tra l’acqua prelevata e quella scaricata;
SISTEMI A CIRCUITO APERTOSISTEMI A CIRCUITO APERTO
Minimizzazione delle variazione chimico-batteriologica tra l’acqua prelevata e quella scaricata;
Interventi atti a ridurre il carico batterico per aumenti di temperatura dell’acqua reimmessa;
Miglioramento della qualità chimica e riduzione del carico solido dell’acqua che entra nei circuiti dello
scambiatore (pompa di calore geotermica) onde evitarne il danneggiamento;
Assenza di cortocircuitazione termica a breve o medio termine;
Modellazione e verifica dell’ampiezza della bolla di calore nelle condizioni di esercizio;
Modellazione e verifica delle “deformazioni” indotte localmente sulla falda e i possibili cedimenti o
danni alle opere sovrastanti e/o circostanti;
monitoraggio sulle caratteristiche quali-quantitative dell’acquifero utilizzato.

Hanno uno sviluppo poco al di sotto del piano campagna (da -1.5 a -3 metri), con
andamento solitamente a serpentina simile ai pavimenti radianti.
Utilizzando una provocazione, potremmo ricondurli a “collettori solari” ed analizzarli
come sottocategoria dei pannelli solari termodinamici: la ricarica delle sonde orizzontali è
solo minimamente dovuta all’energia geotermica, la gran parte proviene dall’atmosfera
sottoforma di irraggiamento e di precipitazioni atmosferiche.
E’ assolutamente errato porre le tubazioni sotto edifici, ma anche sotto aree asfaltate
SISTEMI A CIRCUITO CHIUSOSISTEMI A CIRCUITO CHIUSO
SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALISONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
E’ assolutamente errato porre le tubazioni sotto edifici, ma anche sotto aree asfaltate
(impermeabilizzate); si devono evitare le zone in ombra se l’impianto è pensato per il
riscaldamento.
In genere le tubazioni sono in polietilene (analoghe a quelle utilizzate per l’acqua
potabile). Per facilitare eventuali fasi manutentive è opportuno utilizzare tubazioni con
linea di marcatura assente o differente dall’azzurro (acqua potabile) e dal giallo (gas), ed è
d’obbligo usare nastro monitore al di sopra delle tubazioni per evitare danneggiamenti
qualora si eseguano scavi all’interno del campo geotermico.

SONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALISONDE GEOTERMICHE ORIZZONTALI
CONFIGURAZIONICONFIGURAZIONI

SONDE GEOTERMICHE VERTICALISONDE GEOTERMICHE VERTICALI
La sonda geotermica ha la funzione di scambiatore di calore tra il
terreno e la pompa di calore ed è composta da una o più tubazioni a
circuito chiuso all’interno delle quali passa il fluido termovettore.
La sonda geotermica è pensata per non richiedere alcun tipo di
manutenzione durante la sua vita tecnica: essendo “sigillate” fino in
superficie, non è possibile intervenire sulle tubazioni in profondità.
La sonda in sé è un componente estremamente semplice dell’impianto,
costituita da tre elementi fondamentali:costituita da tre elementi fondamentali:
• TUBAZIONI
• PIEDE
• MATERIALE DI RIEMPIMENTO
e tre elementi ausiliari:
• TUBO D’INIEZIONE
• ZAVORRA
•DISTANZIALI

Le tubazioni che costituiscono le sonde sono in polietilene ad alta densità (HDPE o PEAD),
rispondenti alle norme DIN 8074 e 8075. Questo materiale plastico risulta:
• maneggevole e flessibile,
• resistente alla corrosione ad opera dei più svariati agenti chimici,
• caratterizzato da buone caratteristiche meccaniche,
• di elevata stabilità a lungo termine,
• di ridotta scabrezza interna (bassa resistenza idraulica),
• di bassa conducibilità termica (0.38-0.4 W/m),
• uno dei materiali che richiedono meno energia per la loro trasformazione e produzione.
TUBAZIONITUBAZIONI
• uno dei materiali che richiedono meno energia per la loro trasformazione e produzione.
Le tubazioni sono identiche nell’aspetto e nei materiali a quanto abitualmente in uso per
l’acquedottistica; solitamente di colore nero (trattamento al nerofumo per la difesa dai raggi
ultravioletti solari- exp mai superiore a due anni). Le uniche differenze di rilievo tra i tubi per
sonde geotermiche e tubi per le altre utilities sono:
• l’assenza di banda colorata laterale, utile per identificare le tipologie di servizi;
• la maggior cura che le case produttive specializzate pongono nel controllo di produzione, visti gli
ingenti costi necessari alla riesecuzione di una sonda mal prodotta.

Lo spessore delle pareti delle tubazioni deve seguire un compromesso tra:
RESISTENZA MECCANICARESISTENZA MECCANICA SCAMBIO TERMICOSCAMBIO TERMICO
Sebbene esista la possibilità di usare materiale adatto a pressione nominale di 10 bar
(PN10), il compromesso ottimale si ottiene con tubazioni PN16.
I diametri esterni più utilizzati, per motivi idrodinamici più che termici, sono:
• De 25 mm fino alla lunghezza di 80 metri;
• De 32 mm fino a lunghezze di 150 metri e/o configurazione a “doppio tubo ad U”
• De 40 mm fino a 300 metri ed oltre o in configurazione a “singolo tubo ad U”
TUBAZIONITUBAZIONI
• De 40 mm fino a 300 metri ed oltre o in configurazione a “singolo tubo ad U”

Per dare garanzie di qualità, sulle tubazioni deve essere impresso:
• costruttore
• tipo e diametro di tubazione
• materiale
• norme costruttive di riferimento
• spessore della parete
• data di produzione
• progressiva metrica (dal piede alla testa) o doppia
Le tubazioni non devono presentare saldature di nessun genere sulla
TUBAZIONITUBAZIONI
Le tubazioni non devono presentare saldature di nessun genere sulla
verticale, né tanto meno devono essere giuntate in cantiere.
Vengono svolte tramite sbobinatori e posate mediante rulliere.
Oltre all’HDPE, alcuni costruttori propongono tubazioni in materiali
alternativi:
polietilene reticolato (PEAX) indicato per termalismi anomali;
PE-RC (resistant to crack).

Per piede di sonda si intende la U di raccordo tra le tubazioni di mandata
e di ritorno al fondo della sonda geotermica, anch’esse solitamente in
HDPE PN16.
Elemento fondamentale è la saldatura con le tubazioni (punto più
delicato dell’intero circuito idraulico) meglio se eseguita in fabbrica:
sonda già assemblata e trasportata in cantiere su pallet adeguatamente
imballata e certificata.
Ulteriore aspetto di cui tener conto è la sezione di passaggio dei fluidi:
PIEDEPIEDE DIDI SONDASONDA
Ulteriore aspetto di cui tener conto è la sezione di passaggio dei fluidi:
devono essere ridotte al minimo le perdite di carico (no curve a 90°)
come nel sistema a collettore (piccola camera ricavata nel piede), con
preferenza dei piedi a U tagliati testa a testa. La forma del piede deve
favorire lo svolgimento nella perforazione, evitando spigoli vivi, e
garantire adeguato fissaggio della zavorra (peso medio 30-40 Kg).

All’interno della sonda geotermica scorre un fluido incaricato dello scambio termico
terreno-pompa di calore. A seconda delle temperature che si raggiungono in fase
invernale, il fluido può essere semplicemente acqua o può essere costituito da una
miscela di acqua e antigelo (proporzione variabile in funzione del punto di
congelamento voluto). Quelli di uso più comune sono i glicole etilenico e propilenico.
FLUIDIFLUIDI TERMOVETTORITERMOVETTORI

Solitamente la perforazione per geotermia è sempre aa distruzionedistruzione didi nucleonucleo con uso di
aria o acqua, realizzabile con metodo a rotazionerotazione (triconi, trilama o frese) o a
rotopercussionerotopercussione (martello fondo foro).
A seconda del tipo di sottosuolo si utilizzano tecniche di avanzamento diverse,
raggruppabili in tre categorie in funzione del fluido di raffreddamento delle punte e
del tipo di circolazione:
1) Ad aria compressa e martello fondo foro (in roccia o in caso di foro
autosostenuto);
LA PERFORAZIONELA PERFORAZIONE
autosostenuto);
2) A circolazione diretta di fanghi (per tutti i tipi di terreno);
3) A circolazione inversa di fanghi (in caso di terreni sciolti, sabbiosi, con
rivestimento).
Di seguito si riporta l’analisi delle tecniche distinte sulla base del tipo di sostegno delle
pareti del perforo:
a) Perforazione con fanghi bentonitici o polimeri
b) Perforazione con camicie di rivestimento

PERFORAZIONE CON FANGHI BENTONITICIPERFORAZIONE CON FANGHI BENTONITICI
1) Unità impiegata specifica per pozzi
2) Perforazione generalmente a sola rotazione con frese o triconi
3) Impiego di polimeri o fanghi bentonitici, con adeguata densità, per
stabilizzare e sostenere il foro e con funzione di fluido di espurgo
4) Recupero della batteria di perforazione
5) Posa della sonda geotermica mediante aggancio alla batteria di5) Posa della sonda geotermica mediante aggancio alla batteria di
perforazione e “spinta” fino a fondo foro
6) Per l’infissione bisogna vincere la sottospinta derivante dalla densità dei
fanghi bentonitici
7) Recupero della batteria usata per l’inserimento della sonda
8) Generalmente nessuna cementazione della SGV ma si considera
sufficiente per la sigillatura il solo fango bentonitico
9) Soluzione ottimale sostituire con miscela cemento-bentonite

TECNICA DI PERFORAZIONE A DISTRUZIONE DI NUCLEO CON IMPIEGO DI BENTONITE

PERFORAZIONE CON CAMICIEPERFORAZIONE CON CAMICIE DIDI RIVESTIMENTORIVESTIMENTO
1) Unità impiegata tipica di perforazioni generiche (singola batteria) o
specifica per sola geotermia (doppia batteria)
2) Perforazione a rotazione o rotopercussione
3) Impiego del rivestimento provvisorio con il compito prevalente di
sostenere e stabilizzare le pareti del foro.
4) Asta di perforazione interna per portare l’utensile di perforazione
4) Asta di perforazione interna per portare l’utensile di perforazione
5) Fluidi di perforazione impiegati: aria, acqua, misti aria – acqua, fanghi
bentonitici (solo per stabilizzare acquiferi in pressione)
6) Recupero della batteria interna di perforazione
7) Posa per gravità della sonda geotermica completa di tubo di iniezione
8) Iniezione di miscela cementante
9) Recupero del rivestimento provvisorio
10) Rabbocco di miscela cementante in fase di recupero del rivestimento

SISTEMASISTEMA DIDI PERFORAZIONE “A DOPPIA TESTA”PERFORAZIONE “A DOPPIA TESTA”
((B.A.T.B.A.T. BestBest AvailableAvailable TechnologyTechnology))

Perforazione a fanghi bentonitici
• Facilità di perforazione su terreni a
grana fine
• Difficoltà dell’utilizzo della bentonite
in termini ambientali
• Difficoltà nell’inserimento delle SGV
Perforazione con “doppia batteria”
• Facilità di perforazione su terreni
granulari anche in presenza di
trovanti
• Nessun impiego di fanghi bentonitici
se non in presenza di acquiferi in
DIFFERENZE TRA I METODIDIFFERENZE TRA I METODI
• Difficoltà nell’inserimento delle SGV
con possibile danneggiamento in
fase di posa
• Difficoltà di sostituzione dei fanghi
bentonitici con una miscela
cementante
• Smaltimento dei fanghi bentonitici
in discarica a fine cantiere
se non in presenza di acquiferi in
pressione
• Nessuna difficoltà nell’inserimento
delle sonde
• Facilità di cementazione delle SGV
con apposite miscele
• Nessun problema di smaltimento
dei detriti di perforazione

COLLAUDICOLLAUDI SONDASONDA
Una volta terminata la posa delle sonde, prima di procedere alla
cementazione, si dovrà provvedere:
1) Al riempimento con acqua delle sonde stesse e messa in
pressione (ca 5-6 bar) per il test di tenuta con sistemi ad
acqua o aria. Durata minima della prova: 1-2 h. Variazione di
pressione tollerata da 0.2 a 0.5 bar.
2) Dopo il test di tenuta si procede ad iniettare acqua dalla2) Dopo il test di tenuta si procede ad iniettare acqua dalla
superficie nelle sonde e verificarne la fuoriuscita nello
stesso quantitativo (test di circolazione idrica).
3) In caso di esito positivo, i quattro tubi costituenti la sonda
verranno segnati rispettivamente con del nastro colorato al
fine di identificare l'andata ed il ritorno.
4) La sonda che non dovesse superare il test con esito positivo
dovrà essere colmata con miscele impermeabilizzanti e
abbandonata.

È l’elemento costitutivo su cui si riscontra maggiore differenziazione sul mercato.
La classificazione dei riempimenti vede una distinzione in due macrocategorie:
materiali sciolti (generalmente sabbie quarzifere)
malte cementizie
Nel caso dei materiali sciolti la posa può avvenire a secco, per caduta, o tramite pompaggio
in miscela acquosa, scongiurando la formazione di cavità durante la posa.
L’uso di riempimento con sabbia fornisce i migliori risultati in presenza di falda,
consentendo il diretto contatto dell’acquifero con le tubazioni (trasmissione del calore
anche a carattere convettivo a vantaggio dello scambio termico); è solitamente limitato ad
LA CEMENTAZIONELA CEMENTAZIONE
MATERIALIMATERIALI DIDI RIEMPIMENTORIEMPIMENTO
anche a carattere convettivo a vantaggio dello scambio termico); è solitamente limitato ad
istallazioni in roccia sana o in sistemi monofalda. In tutte le altre situazioni è preferibile far
ricorso a miscele cementizie.
Le principali malte cementizie usate sono composti premiscelati termicamente migliorati- e
non- contenenti cemento Portland+ bentonite + acqua (con eventuali additivi).
L’impasto viene solitamente fatto in cantiere controllando la corretta proporzione tra acqua
e polvere. Una miscela molto utilizzata prevede, per un metro cubo di malta:
450 Kg di cemento + 50 Kg di bentonite + 900 litri di acqua
Le attività di cementazione devono essere dettagliatamente descritte in apposito verbale.

Le principali caratteristiche delle malte cementizie sono:
conduttività termica (cemento-bentonite da 0.6 a 1.2 W/mk, premiscelati termicamente
migliorati da 1.6 a 2.2 W/mk);
densità (assume in genere valori di poco inferiori a 1.5 t/mc);
reologia (viscosità valutata con cono di Marsh, elevata viscosità = buona cementazione);
permeabilità (buona malta per basse permeabilità- nell’ordine di 10-10 cm/s);
andamento della maturazione (variabile da mezza giornata a qualche giorno, maggiore per le
tratte di cementazione sotto falda). Una buona malta per sonde non deve presentare fenomeni
di variazione volumetrica durante la maturazione;
MATERIALIMATERIALI DIDI RIEMPIMENTORIEMPIMENTO
di variazione volumetrica durante la maturazione;
calore di maturazione (si parla di incrementi termici nell’ordine dei 15-20°C, il tempo di
ritorno a regime delle T dipende oltre che dalla malta anche dal terreno, di solito varia da 3 a 4
settimane);
resistenza al gelo (in inverno il fluido convettore può trovarsi a temperature negative,
determinando aumento di volume e fratturazione del getto).
La cementazione avviene da fondo foro tramite tubo d’iniezione normalmente a perdere,
economico ma al contempo in grado di resistere alle pressioni di iniezione (ca 20 bar). In taluni
casi, durante la cementazione è necessario procedere all’adozione del packer.

COLLAUDO SONDE: IL GRT
“Thermal Response Test” o “Ground Response Test” (GRT): uno scambiatore pilota installato nel suolo
(che sarà parte di un pozzo poi appartenente al loop dell’impianto che si realizzerà) sollecitato da un
impulso termico a potenza costante. Attraverso il test vengono misurati i seguenti tre parametri:
To : temperatura media del terreno indisturbato
λλλλ : conducibilità termica media del suolo
Rb : resistenza termica media della sonda (resistenza equivalente di pozzo)

IL GRT

I DIAGRAMMI DEL GRT

POMPAPOMPA DIDI CALORECALORE
La pompa di calore assorbe calore attraverso il fluido refrigerante in un evaporatore, ne
alza la temperatura attraverso il compressore, cede calore all'ambiente circostante
attraverso il condensatore; durante questo processo viene consumata energia elettrica
(coefficiente di prestazione “C.O.P.”).

SCHEMA IMPIANTO PER CLIMATIZZAZIONE AMBIENTE + ACQUA SANITARIA

Classificazione per effetto utile:
• Macchina frigorifera (o chiller, frigo, refrigeratore)
• Pompa di calore
• pompa di calore reversibile
Classificazione per refrigerante:
• R22 (in abbandono per impatto ozono)
• R134a
• R410A
CLASSIFICAZIONICLASSIFICAZIONI
• R410A
• R407C (in abbandono per motivi di mercato)
• Ammoniaca, anidride carbonica come R744, propano come R290 (poco usati in geotermia)
Classificazione ASHRAE (tipologia di sorgente di scambio):
• SWHP (Surface Water Heat Pump): quelle che utilizzano acque superficiali. Sono di tipo diretto se
avviene prelievo ed immissione nello stesso sistema idrico.
• GWHP (Ground Water Heat Pump): la sorgente è l’acqua di falda che viene prelevata e poi
reimmessa all’interno della stessa o – più diffusamente in Italia- in corpo idrico superficiale.
• GCHP (Ground-Coupled Heat Pump) sfruttano il terreno attraverso le sonde geotermiche.

Classificazione GSP (Gruppo promoz. Svizzero per le PdC) basata su una sigla del tipo:
L1N1/L2N2
La prima parte (L1N1) si riferisce all’evaporatore, la seconda (L2N2) al condensatore.
Le lettere L1 e L2 rimandano al tipo di fluido utilizzato, rispettivamente, come sorgente per
l’evaporatore e pozzo caldo per il condensatore, e possono essere:
• A per l’aria
• B per l’acqua glicolata (brine)
• W per l’acqua
CLASSIFICAZIONICLASSIFICAZIONI
• W per l’acqua
Si indica rispettivamente con:
• N1 la temperatura del fluido all’ingresso dell’evaporatore;
• N2 la temperatura del fluido all’ingresso del condensatore.

L’efficienza di funzionamento della pompa di calore si identifica con l’acronimo COP
(coefficient of performance) pari i al rapporto tra energia fornita e energia consumata
per produrre il lavoro.
L’efficienza è inversamente proporzionale alla differenza tra la temperatura della
sorgente e la temperatura dell’utilizzatore o viceversa.
IL “COP”IL “COP”
Il ciclo di Carnot suggerisce che di norma si ha:
Valore COPreale < 50% del valore COPteorico.

IL “COP”IL “COP”
CURVECURVE DIDI RENDIMENTO DELLERENDIMENTO DELLE PdCPdC

TERMINALITERMINALI D’UTENZAD’UTENZA
RISCALDAMENTO: T° mandata H2O = 20-30°C
Nelle condizioni di scambio lato utenza giocano un ruolo determinanti i terminaliterminali d’impiantod’impianto. Tali
condizioni impongono un salto termico che deve sussistere tra il fluido termovettore e l’aria ambiente.
Mentre questa è un dato di progetto imposto dalle condizioni di comfort, la T del fluido termovettore è
determinata dall’efficienza dello scambio termico e, pertanto, dalla configurazione del terminale.
RAFFRESCAMENTO: T° mandata H2O = 15-20°C
RAFFRESCAMENTO: T° mandata H2O = 6-8°C

I TERMINALII TERMINALI D’UTENZAD’UTENZA

La progettazione a regola d’arte richiede competenze multidisciplinari:
- il progettista GEOLOGO nella ricostruzione del modello geologico e idrogeologico del sito;
- il progettista GEOTERMICO (GEOLOGO o INGEGNERE) nella definizione-gestione-controllo
delle fasi operative di perforazione, di posa e collaudo delle sonde (direzione lavori con
giornali di cantiere, verbali di cementazione, certificati di collaudo), solitamente arriva sino
alla pompa di calore;
- il progettista TERMOTECNICO (tecnico abilitato) che si occupa della distribuzione ai
terminali d’impianto;
- il progettista ELETTRICO (tecnico abilitato) che si occupa dell’alimentazione delle
LA PROGETTAZIONELA PROGETTAZIONE DIDI IMPIANTI GEOTERMICIIMPIANTI GEOTERMICI
- il progettista ELETTRICO (tecnico abilitato) che si occupa dell’alimentazione delle
macchine e dei sistemi di controllo (riceve dal progettista geotermico i carichi elettrici e le
logiche di controllo per il funzionamento di pompa di calore, valvole servocomandate e
circolatori).
ADEGUATA DIVISIONEADEGUATA DIVISIONE DIDI RESPONSABILITÀ E COMPETENZE = LAVORORESPONSABILITÀ E COMPETENZE = LAVORO DIDI SUCCESSOSUCCESSO
I problemi più frequenti sono dati dall’eccessivo utilizzo del terreno (serbatoio geotermico),
con conseguente perdita prestazionale (nei casi migliori) o danneggiamento irreparabile
delle sonde geotermiche (costi per la sostituzione realmente gravosi).

PROCEDURA PROGETTUALE
1) Verifica della fattibilità tecnica;
2) Individuazione di vincoli autorizzativi;
3) Caratterizzazione dell’utenza;
4) Caratterizzazione geologica e termogeologica del sito;
5) Definizione delle condizioni di scambio sonda-terreno;
5) Definizione delle condizioni di scambio sonda-terreno;
6) Scelta dello schema di centrale termica e della pompa di calore;
7) Dimensionamento delle sonde geotermiche (profondità, numero, posizione)
8) Dimensionamento della distribuzione orizzontale alle sonde;
9) Definizione delle componenti di centrale termica;
10)Dimensionamento di staffaggi e finiture.

1) STUDIO DI FATTIBILITÀ
a) Caratteristiche utenza (temperature fluidi, spazi in centrale termica, continuità d’uso,
sviluppo nel tempo, bilancio d’utilizzo estate-inverno)
b) Aspetti cantieristici (accessibilità, utilities di cantiere, pendenze del terreno, etc.)
c) Aspetti geologici (movimenti franosi e carsismo: pericolosi; variabilità geologica vert.,
elevato indice vuoti, fratture e rocce abrasive: costi aggiuntivi)
d) Aspetti idrogeologici (presenza di falda/e, acquiferi in pressione)
d) Aspetti idrogeologici (presenza di falda/e, acquiferi in pressione)
e) Aspetti ambientali (presenza pozzi idropotabili in vicinanza, interessamento di acquiferi
potabili o sistemi multifalda, presenza di carico microbiologico o sostanze pericolose disciolte)
f) Aspetti autorizzativi (legislazione vigente sul territorio)
2) VINCOLI AUTORIZZATIVI
Normative regionali in rapido sviluppo, dove esistente l’attuazione può variare da provincia a
provincia. Solitamente tre tipi di prescrizioni: divieto per aree di salvaguardia risorse idropotabili,
imposizione di monitoraggio ambientale continuo, limitazioni nella profondità di posa.

4) CARATTERIZZAZIONE GEOLOGICA E TERMOGEOLOGICA
Lo studio geologico e le relative prospezioni devono essere estesi alla parte di sottosuolo
interessata, direttamente o indirettamente, dalla realizzazione dell’opera o che influenza
il comportamento dell’opera stessa.
A seguito della ricostruzione del modello geologico ed idrogeologico vengono trasferite
agli steps progettuali successivi le seguenti nozioni: temperatura, capacità e conduttività
termica medie, informazioni sulla variabilità della stratigrafica e delle condizioni
idrogeologiche, informativa circa il rischio di inquinamento della falda.

5) CONDIZIONI DI SCAMBIO SONDE-TERRENO
Si possono dire note quando sono determinate le seguenti grandezze:
a)a) CampoCampo didi variabilitàvariabilità accettabileaccettabile perper lala temperaturatemperatura deldel fluidofluido termovettoretermovettore: un
impianto geotermico si può ritenere vantaggioso quando la T del fluido è vantaggiosa
rispetto alla T dell’aria ambientale. Alle nostre latitudini ciò si verifica quando la
temperatura del fluido non scende sotto gli 0° C in inverno (4° se si usa solo acqua
temperatura del fluido non scende sotto gli 0° C in inverno (4° se si usa solo acqua
senza antigelo) e non sale sopra i 35° C in estate. Tale quadro termico garantisce oltre
che vantaggi economici anche problemi tecnici, sia agli impianti che di natura
geologica.
b)b) CaratteristicheCaratteristiche didi conduzioneconduzione deldel calorecalore deldel sistemasistema sondasonda, risolto con la definizione
della resistenza termica apparente di pozzo: per utenze > 30 KW (GRT e software di
modellazione matematica), non influente per impianti < 30KW (dati tabellari).

7) DIMENSIONAMENTO DELLE SONDE
Segue criteri diversi a seconda della potenza e del funzionamento dell’impianto:
CASO “A”: IMPIANTI MEDIOCASO “A”: IMPIANTI MEDIO--PICCOLI (potenza invernale all’utenza <30KW)PICCOLI (potenza invernale all’utenza <30KW)
1. Impianti per produzione di riscaldamento + ACS + condizionamento ridotto
2. Funzionamento annuo standard (circa 1800 h)
3. Geologia “standard”: roccia o terreni alluvionali in generale umidi
3. Geologia “standard”: roccia o terreni alluvionali in generale umidi
4. Temperatura limite alle sonde geotermiche (0°C)
5. Temperatura del terreno indisturbata non inferiore a 10 °C
6. Sonda a doppia U o singola U cementata con prodotti termicamente migliorati
La lunghezza L complessiva da perforare può essere stimata con la seguente relazione:
L = Pi,t / q (t)
dove Pi,t è la potenza termica (invernale) estratta dal suolo (< potenza resa all’utenza in
funzione del COP) e q (t) è la resa termica lineare della sonda (mediamente 50 W/m).

LA PROGETTAZIONELA PROGETTAZIONE
CALORE SPECIFICO DI ESTRAZIONE
(FONTE VDI 4640)

CASO “B”: IMPIANTI MEDIOCASO “B”: IMPIANTI MEDIO--GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)
Il dimensionamento avviene tramite test termici e/o software di calcolo basati su
modellazioni teoriche. I datidati principaliprincipali didi ingressoingresso sono:
1. Caratterizzazione termica del terreno: conducibilità e capacità termica;
2. Massa volumica del terreno e flusso geotermico naturale;
3. Temperatura del terreno indisturbato;
3. Temperatura del terreno indisturbato;
4. Geometria della sonda (diametro perforazione, disposizione e diametro tubi,
resistenza termica sonda, conducibilità termica materiali di riempimento);
5. Caratteristiche del fluido termovettore (portata e tipo)
6. Geometria del campo sonde (numero, profondità, interasse, distribuzione);
7. Fabbisogni energetici annui e loro distribuzione stagionale;
8. COP estivo ed invernale della pompa di calore;
9. Fabbisogni di picco (potenza max impianto) e durata rispettiva.
OUTPUT = ANDAMENTO TEMPERATURE DEL FLUIDO TERMOVETTORE NEL TEMPOOUTPUT = ANDAMENTO TEMPERATURE DEL FLUIDO TERMOVETTORE NEL TEMPO

OCEDURA PROGETTUALE
CASO “B”: IMPIANTI MEDIOCASO “B”: IMPIANTI MEDIO--GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)GRANDI (potenza invernale all’utenza >30KW)
Utilizzando il modello teorico della sorgente cilindrica, secondo un approccio analitico proposto da
ASHRAE, il dimensionamento può essere condotto adottando le seguenti formule:
dove:
ΦΦΦΦ sono i flussi termici
R sono le resistenze termiche lineari equivalenti
W sono le potenze elettriche assorbite dalla Pdc
PLF è il fattore di carico parziale per il mese di picco e F è il fattore di perdita per cortocircuito
T sono le temperature (del terreno indisturbato, di ingresso e uscita dalla pompa, e di penalizzazione
per interferenza tra sonde)

CASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARECASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARE
Supponiamo di applicare l’analisi dei costi ad un’abitazione di 200 mq, ubicata in zona climatica E con
indice di prestazione energetica per la climatizzazione ambientale di 90 KWh/mq annui
(soddisfacente i requisiti del D.L. 311/06 applicabili dal 01.01.2010). Si ipotizzano i seguenti
rendimenti:
-Pompa di calore con COP = 4
- Gruppo refrigerante (chiller) = 2.5
- Caldaia a metano con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
- Caldaia a gasolio con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
BENEFICI ECONOMICIBENEFICI ECONOMICI
L’analisi viene condotta basandosi sui seguenti costi dell’energia elettrica e dei combustibili fossili:
-Energia elettrica (tariffa D3 residente, potenza 10 KW, consumo annuale tot. 12 MWh): 0.23 €/kWh
- Metano (valore medio AEEG per il 2007, incrementato dell’8%): 0.697 €/mc – 0.075 €/KWh
- Gasolio (valore medio Eurostat per il 2007, incrementato dell’8%): 1,45 €/l – 0,13 €/kWh
Di seguito si riportano i confronti di costo tra l’impianto geotermico e le alternative tradizionali
rispettivamente per riscaldamento, condizionamento e produzione di acqua calda sanitaria:

CASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARECASO “A”: ABITAZIONE MONOFAMILIARE
Fabbisogno di energia termica in riscaldamentoriscaldamento: 18000 kWh
Consumi impianto geotermico a pompa di calore € 1.035
Consumi impianto a metano € 1.595
Consumi caldaia a gasolio € 2.722
Fabbisogno di energia termica in raffrescamentoraffrescamento: 7200 kWh
Consumi impianto geotermico a pompa di calore € 414
Consumi impianto di condizionamento aria-aria € 662
Fabbisogno di energia termica per produzioneproduzione ACSACS: 4200 kWh
Consumi impianto a metano € 370
Consumi caldaia a gasolio € 631
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO GEOTERMICO A POMPA DI CALORE € 1.689
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A METANO € 2.627
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A GASOLIO € 4.015
RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU METANOMETANO 3636 %%
RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU GASOLIOGASOLIO 5858 %%

CASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALECASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALE
Supponiamo di applicare l’analisi dei costi ad un capannone industriale di 1000 mq, ubicato in zona
climatica E con indice di prestazione energetica per la climatizzazione ambientale di 15 KWh/mc
annui. Si ipotizzano i medesimi rendimenti visti per il caso residenziale:
-Pompa di calore con COP = 4
- Gruppo refrigerante (chiller) = 2.5
- Caldaia a metano con rendimento = 0.85 (versioni di ultima generazione)
L’analisi viene condotta basandosi sui seguenti costi dell’energia elettrica e dei combustibili fossili:
-Energia elettrica (tariffa fornitura in BT per altri usi, potenza 50 KW, consumo annuale tot. 100
MWh): 0.14 €/kWh
- Metano (Eurostat 2007, incrementato dell’8%, consumo di 418 GJ/anno): 0.05 €/KWh
- Gasolio (valore medio Eurostat per il 2007, incrementato dell’8%): 0,12 €/kWh
Di seguito si riportano i confronti di costo tra l’impianto geotermico e le alternative tradizionali
rispettivamente per riscaldamento, condizionamento e produzione di acqua calda sanitaria:

CASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALECASO “B”: FABBRICATO INDUSTRIALE
Fabbisogno di energia termica in riscaldamentoriscaldamento: 90000 kWh
Fabbisogno di energia termica in raffrescamentoraffrescamento: 36000 kWh
Consumi impianto di condizionamento aria-aria € 2.016
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO GEOTERMICO A POMPA DI CALORE € 5.027
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A METANO € 8.469
COSTI DI GESTIONE IMPIANTO A GASOLIO € 18.291
RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU METANOMETANO 4141 %%
RISPARMIORISPARMIO GEOTERMICOGEOTERMICO SUSU GASOLIOGASOLIO 7373 %%

BENEFICI AMBIENTALIBENEFICI AMBIENTALI

MERCATO EUROPEO POMPEMERCATO EUROPEO POMPE DIDI CALORECALORE
PROSPETTIVEPROSPETTIVE

MERCATO EUROPEO POMPEMERCATO EUROPEO POMPE DIDI CALORECALORE
RIPARTIZIONE PER TIPOLOGIARIPARTIZIONE PER TIPOLOGIA

QUADRO NORMATIVO ENERGETICO EUROPEOQUADRO NORMATIVO ENERGETICO EUROPEO

LO SCENARIO ITALIANOLO SCENARIO ITALIANO
FONTE: LIBRO BIANCO DELLE POMPE DI CALORE- EDIZIONE 2010
Dati ISTAT riferiscono che in Italia ci sono circa 26 milioni di unità abitative residenziali, dei quali ca
19 milioni sono dotati di impianti di climatizzazione (prevalentemente riscaldamento) e utilizzati in
modo continuo come prima abitazione. Riferendoci al 2005 come anno medio (in termini climatici)
dell’ultimo decennio, si ha:
Ipotizzando che il 30 % della domanda sia soddisfatta da Pdc è plausibile prevedere una riduzione di
ca 4.6 Mtep (-23 % dei consumi residenziali complessivi).

LO SCENARIO ITALIANOLO SCENARIO ITALIANO
FONTE: LIBRO BIANCO DELLE POMPE DI CALORE- EDIZIONE 2010
--6.26.2 MtepMtep == --18% consumi energia primaria =18% consumi energia primaria = --14.2 Milioni tonnellate CO14.2 Milioni tonnellate CO22

GRAZIE PER L’ATTENZIONE
“Fa più rumore un albero che cade di una foresta che cresce” (Lao“Fa più rumore un albero che cade di una foresta che cresce” (Lao TsuTsu))
Dr. Geol. ROBERTO SPALVIERI
robertospalvieri@geologilazio.it

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