Climatizzazione di edifici con pompe di calore geotermiche. Analisi termodinamica ed economica
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Anteprima del libro
Climatizzazione di edifici con pompe di calore geotermiche. Analisi termodinamica ed economica - Marcello Macrì
Marcello Macrì
CLIMATIZZAZIONE DI EDIFICI CON POMPE DI CALORE GEOTERMICHE
Tutti i diritti riservati
Autore: Marcello Macrì
Copyright © 2011 Edizioni Savine surl
Strada Provinciale 1 del Tronto
64010 — Ancarano (TE)
ISBN 978-88-96365-10-6
I edizione digitale: dicembre 2012
www.edizionisavine.it
A mia madre,
alla quale devo le mie prime nozioni sul risparmio energetico
SOMMARIO
Cover
Colophon
Frontespizio
Dedica
Introduzione
Cap.1 – La Geotermia a bassa entalpia
1.1 La geotermia
1.1.1 La geotermia ad alta entalpia
1.1.2 La geotermia a bassa entalpia
1.2 La pompa di calore geotermica 23
1.2.1 La macchina pompa di calore
1.2.2 Classificazione sorgente fredda/pozzo caldo
1.3 Impianti di climatizzazione a pompa di calore geotermica
1.3.1 Generalità
1.3.2 Descrizione impianto
1.4 L’efficienza energetica degli edifici
1.4.1 Riferimenti normativi
1.4.2 Cenni sulla certificazione energetica degli edifici
1.4.3 Calcolo del fabbisogno termico di energia per il riscaldamento
1.4.4 Calcolo del fabbisogno termico di energia per il raffrescamento
1.5 La politica degli incentivi italiana
1.6 La normativa vigente
1.6.1 Normative locali
1.6.2 Normativa nazionale
Cap.2 – Dimensionamento delle sonde geotermiche e trasmissione del calore
2.1 Metodi di dimensionamento delle sonde geotermiche verticali
2.1.1 Metodo semplificato relativo alle normative tedesche VDI 4640 (valido per P.ze termiche < 30kW )
2.1.2 Metodo IGSHPA
2.1.3 Metodo ASHRAE
2.2 Trasmissione del calore
2.2.1 La conduzione
2.3 Trasmissione del calore nel terreno
2.3.1 Determinazione proprietà termofisiche del terreno
2.3.2 Profilo della temperatura indisturbata del sottosuolo
2.3.3 Modello per il calcolo dello scambio termico tra il fluido termovettore ed il sottosuolo
Cap.3 – Modello per il calcolo delle prestazioni delle pompe di calore geotermiche
3.1 Descrizione del modello
3.2 Analisi termodinamica
3.3 Analisi economica
3.4 Analisi di sostenibilità ambientale
Cap.4 – Caso studio
4.1 L’edificio considerato: carichi termici
4.2 Dimensionamento delle sonde (Metodo ASHRAE)
4.3 Scelta della macchina
4.4 Simulazione e risultati
4.4.1 Risultati analisi termodinamica
4.4.2 Risultati analisi economica
4.4.3 Valutazione finanziarie
4.4.4 Risultati analisi di sostenibilità ambientale
Cap.5 - Conclusioni
RINGRAZIAMENTI
BIBLIOGRAFIA
SITOGRAFIA
INTRODUZIONE
Il tema delle energie rinnovabili è un argomento sempre più di attualità, l’opinione pubblica giorno dopo giorno diventa sempre più sensibile a questo tema e ciò porta anche ad una diffusione sempre più vasta degli impianti alimentati da fonti non convenzionali. Se da un lato si parla sempre più di produzione di energia da fonti rinnovabili, si parla poco di risparmio energetico e di corretto utilizzo dell’energia. L’adozione di un impianto geotermico a pompa di calore per la climatizzazione degli edifici, è una perfetta simbiosi tra produzione di energia da fonte rinnovabile ed efficienza energetica.
Negli ultimi anni il fabbisogno energetico per il raffrescamento degli edifici è cresciuto in maniera vertiginosa, sorpassando, almeno nel nostro paese, il fabbisogno per il riscaldamento, e portando ogni anno ad un aumento della richiesta di energia elettrica per l’alimentazione dei condizionatori d’aria. Questo lavoro, vuole essere un contributo allo studio per la riduzione dei consumi di energia elettrica ai fini del condizionamento, portando al vaglio soluzioni alternative alle tradizionali.
Di notevole interesse è il confronto proposto nel presente elaborato, tra le prestazioni di due differenti impianti per la climatizzazione degli edifici, l’uno a pompa di calore geotermica e l’altro a pompa di calore condensata ad aria.
L’adozione di un impianto di climatizzazione a pompa di calore geotermica è una soluzione che permette di sfruttare il suolo come serbatoio termico con il quale scambiare calore durante l’arco dell’anno, risentendo in maniera molto meno accentuata rispetto all’aria esterna, delle variazioni di temperatura stagionali.
Allo studio è un edificio commerciale idealmente posto in tre differenti regioni climatiche italiane, e in particolare si vogliono evidenziare le peculiarità dell’impianto a pompa di calore geotermica ai fini di una climatizzazione estiva per climi relativamente più caldi rispetto a quelli tradizionali dove è nata è si è sviluppata questa tecnologia, impiegata prevalentemente per il riscaldamento invernale.
In questo conto l’Unione Europea sta promuovendo la diffusione di tecnologie che non prevedono l’utilizzo di gas, petrolio o carbone, soprattutto per il settore dell’edilizia in cui una corretta progettazione e l’impiego di tecnologie non convenzionali possono portare alla riduzione anche dell’80% dei consumi di energia, con il conseguente abbattimento delle emissioni.
In particolare, in linea con gli obiettivi sanciti dal protocollo di Kyoto per la riduzione delle emissioni di gas serra (di almeno il 20% rispetto ai livelli del 1990 entro il 2020), negli ultimi anni, a Bruxelles, si sta focalizzando l’attenzione sul legame clima – energia – innovazione da tradurre in scelte accorte di politica pubblica sullo sviluppo e sulla diffusione di nuove tecnologie. Il perno della politica energetica è individuato nel concetto di sostenibilità come chiave per la competitività e la sicurezza.
Il documento strategico del 10 gennaio 2007 Una politica energetica per l’Europa
auspica una nuova rivoluzione industriale che acceleri la transizione verso una crescita a basse emissioni di carbonio e producendo, nel corso degli anni, un aumento spettacolare della quantità di energia locale a basse emissioni prodotta e utilizzata. La sfida consiste nel farlo in un modo che ottimizzi gli incrementi di competitività potenziali per l’Europa e limiti i potenziali costi (Tinti, 2008).
Cap. 1 – La Geotermia a bassa entalpia
1.1 La geotermia
L’energia geotermica è quella particolare forma di energia della Terra dovuta al calore immagazzinato all’interno della crosta. Tale calore è presente in quantità enorme e pressoché inesauribile. Esso arriva in superficie propagandosi attraverso le rocce o tramite fluidi vettori come l’acqua e i gas. In particolare, la geotermia si occupa dello studio, della ricerca e dello sfruttamento del calore della Terra, avvalendosi degli strumenti scientifici offerti dalla geologia, dalla chimica, dalla fisica, e dall’ingegneria.
Il calore terrestre è quindi l’essenza della geotermia; secondo teorie più accreditate, è prevalentemente di origine radiogenica e secondariamente di origine planetaria e chimica. Una parte del calore terrestre, che si propaga attraverso le rocce, arriva in superficie e prende il nome di flusso di calore o flusso geotermico, per poi dissiparsi con regolarità verso lo spazio (la Terra emana verso lo spazio una corrente termica di 0,065 Watt/m², di origine endogena (Basta, 2007)). L‘intensità del flusso geotermico è circa 2′500 volte più piccola di quella riversata sulla Terra dalla radiazione solare. La media terrestre di tale flusso è di 63 kW/m².
Attraverso le rocce del sottosuolo il calore si propaga per conduzione (senza trasporto di materia) e per convezione (con trasporto di materia), mentre la propagazione per irradiamento è praticamente trascurabile. Procedendo verso l’interno della crosta terrestre, a partire circa dai 100 m di profondità, la temperatura aumenta secondo un gradiente geotermico¹ che mediamente è di 3°C ogni 100 m. Tale gradiente non è sempre costante in tutti i punti del globo, lì dove si riscontrano valori variabili entro distanze anche limitate, si parla di anomalie termiche, positive o negative, a seconda che il gradiente sia più alto o più basso di quello medio (Sommaruga, 1995).
Figura.1 Temperature all'interno della Terra (fonte A.R.P.A.V.)
Lo sfruttamento dell’energia geotermica avviene da tempi immemori, nei luoghi in cui le condizioni geo-litologiche lo consentono. Per la sua estrema versatilità può trovare impiego nell’infinita gamma delle attività umane in cui sia richiesto uso del calore: dalle applicazioni terapeutiche a quelle civili, agricole e industriali.
Dal punto di vista dell’utilizzazione dell’energia geotermica, s’individuano tre settori differenti:
settore degli usi ad alta entalpia, caratterizzato dalla produzione di energia elettrica