Tecnologia

Dalle sonde ai pali energetici

Per sfruttare il calore del sottosuolo poco profondo sono disponibili diverse tecnologie:

  • Sonda geotermica

    Quando si parla di geotermia poco profonda in Svizzera, nella maggior parte dei casi si pensa alle sonde geotermiche verticali (SGV). Sono il modo più diffuso per sfruttare la geotermia. Da noi, circa 90’000 sonde sono attualmente in servizio. Sono diffuse in particolare sull’Altopiano. In generale, le sonde geotermiche sono profonde dai 120 ai 150 metri e servono ad approvvigionare soprattutto case monofamiliari. Attualmente, le sonde possono raggiungere profondità di 500 metri.

    Principio
    Una sonda geotermica è un tubo a forma di U che viene inserito in un foro di trivellazione. Nel tubo viene fatto circolare un liquido composto di acqua miscelata con un antigelo. Questo liquido estrae il calore dal sottosuolo e lo trasmette al sistema di riscaldamento per mezzo di uno scambiatore di calore e di una pompa di calore. Il liquido raffreddato torna nuovamente nel sottosuolo, dove riassorbe nuovamente calore. La lunghezza delle sonde dipende dalla potenza di riscaldamento richiesta. Ogni ottimizzazione delle sonde di calore ne aumenta l’efficienza. Per informazioni complementari, cliccare qui.

    Le sonde possono anche essere utilizzate per raffrescare, in questo caso senza dover utilizzare la pompa di calore (freecooling). Durante l’estate, il calore eccessivo presente negli edifici viene trasferito nel sottosuolo dove viene immagazzinato temporaneamente. In inverno, è possibile riutilizzare questo calore per il riscaldamento. Ciò funziona però solo fino ad una profondità di circa 200 metri. A profondità maggiori, il sottosuolo è troppo caldo per poter essere sfruttato a fini di raffreddamento.

    Se un impianto non viene utilizzato che per riscaldare, e che quindi il calore viene estratto in modo continuo dal sottosuolo, quest’ultimo si raffredda leggermente. Dopo alcuni anni viene a crearsi un equilibrio termico relativamente costante a un livello di temperatura piu basso.

    Sonda coassiale
    Delle sonde coassiali possono anche essere impiegate come sonde geotermiche. Nell’anulare esterno del tubo coassiale, il fluido termovettore scorre verso il basso e nel tubo interno risale verso la superficie. Il vantaggio di una sonda coassiale è che il tubo interno può essere isolato termicamente dallo spazio esterno.

    1 – Pompa di calore
    2 – Riscaldamento a pavimento
    3 – Tubo a «U» per lo scambio di calore (doppio)
    4 – Perforazione (< 20 cm di diametro)

    Erdwaermesonden

    Fonte: UFE

    Fonte: Geothermie.ch

    Perforazione a Frauenfeld. (Fonte: GEOTHERMIE.CH)

  • Canestro geotermico

    Se per motivi ambientali o geologici non può essere installata una sonda geotermica, i canestri geotermici rappresentano una valida alternativa. Permettono di utilizzare il calore geotermico fino ad una profondità di 4 metri circa. Possono essere utilizzati per riscaldare e/o per raffrescare. In Svizzera i canestri geotermici sono poco diffusi. Al posto delle sonde geotermiche, nel passato venivano utilizzati anche dei collettori interrati. Trattasi di sonde che vengono posizionate in orizzontale nel sottosuolo a debole profondità. I collettori non si sono mai affermati.

    Principio
    Per riscaldare una casa monofamiliare servono circa due o tre serie con tre canestri geotermici ciascuna. Il bordo superiore dei canestri geotermici si trova a circa 1.5 metri di profondità. I canestri sono collegati l’uno all’altro e raccordati ad una pompa di calore. La quantità di canestri geotermici da installare dipende dalla potenza di riscaldamento desiderata.

    I canestri geotermici possono essere utilizzati sia per case monofamiliari nuove che per edifici più grandi nuovi o rinnovati se il sottosuolo è adatto.

    1 – Pompa di calore
    2 – Riscaldamento a pavimento
    3 – Canestro geotermico

    Erwaermekoerbe

    Fonte: UFE

  • Campi di sonde geotermiche

    Per poter riscaldare e/o raffrescare edifici di grandi dimensioni, devono essere installate diverse sonde geotermiche o dei veri e propri campi di sonde geotermiche.

    Se molte sonde geotermiche vengono collegate tra di loro, viene a crearsi un grande accumulatore di calore. In estate, é possibile accumulare nel sottosuolo il calore in eccesso, che può essere riutilizzato per riscaldare in inverno. Con i campi di sonde geotermiche è possibile riscaldare e/o raffrescare gruppi di case, case plurifamiliari, edifici industriali ed amministrativi, alberghi e sale polivalenti.

    Principio
    Diverse sonde geotermiche vengono installate a profondità tra i 30 e i 250 metri, al disotto oppure intorno agli edifici da riscaldare e/o raffrescare. In superficie, le condotte delle singole sonde convergono e sono raccordate ad una o più pompe di calore. In inverno, viene estratto calore dal sottosuolo. Al contrario, in estate è possibile raffrescare gli edifici trasferendo il calore in eccesso dai locali verso il sottosuolo (freecooling). Inoltre, il calore in eccesso proveniente da impianti termici ad energia solare può essere immagazzinato durante l’estate nel sottosuolo per essere restituito in inverno.

    Se si vuole utilizzare un campo di sonde geotermiche anche a fini di raffreddamento, le perforazioni non devono raggiungere più di 250 metri di profondità, per evitare una temperatura troppo elevata del sottosuolo.

    1 – Pompa di calore
    2 – Riscaldamento a pavimento
    3 – Collettore geotermico
    4 – Campo di sonde geotermiche

    Erdwaermefelder

    Fonte: UFE

    Erdwearmesondenfeld-Dolder2-1000

    Fonte: Ernst Basler + Partner AG

    Campo di sonde geotermiche presso l’hotel Dolder a Zurigo. (Fonte: Ernst Basler + Partner AG)

  • Acque sotterranee

     

    Se il livello dell’acqua sotterranea non é troppo profondo, il calore ivi contenuto può essere utilizzato a fini di riscaldamento e/o di raffrescamento.

    In Svizzera, le grandi riserve d’acque sotterranee si trovano sull’Altopiano e nelle vallate alpine, come ad esempio nella valle del Rodano o nella valle del Reno anteriore. Il sottosuolo di queste vallate é composto in gran parte di sedimenti permeabili come ghiaie e sabbie, dove si accumulano le acque piovane. Tali strati d’acqua sotterranea sfruttabile possono raggiungere uno spessore di diverse decine di metri.

    Principio
    Sull’Altopiano, le temperature delle acque sotterranee variano dai 10 ai 12°C, mentre nelle valli alpine sono più fredde di circa 2°C. Queste temperature rimangono costanti per tutto l’anno. Con una perforazione si raggiunge l’acqua sotterranea e si installa un pozzo. Una pompa sommersa invia l’acqua fino al sistema di riscaldamento. Uno scambiatore di calore e la pompa di calore estraggono il calore dall’acqua e assicurano al sistema di riscaldamento la necessaria temperatura di partenza.
    L’acqua sotterranea raffreddata ritorna nuovamente nel sottosuolo grazie ad un secondo pozzo d’infiltrazione.

    Normalmente, l’acqua sotterranea può anche venir utilizzata per raffrescare, in questo caso senza dover utilizzare la pompa di calore (freecooling). Bisogna tuttavia assicurarsi che non si riscaldino in modo eccessivo le acque sotterranee del sottosuolo.

    Negli impianti di sfruttamento termico dell’acqua sotterranea, la protezione dell’acqua potabile riveste la massima priorità. L’acqua sotterranea non deve essere contaminata non solo dalle perforazioni, ma anche dall’impianto. Se in un settore si trovano diversi impianti di pompaggio e infiltrazione, questi non devono interferire tra di loro. Per principio, lo sfruttamento termico non deve modificare la temperatura naturale dell’acqua sotterranea in media stagionale di più di 3°C.

    Le autorizzazioni necessarie per l’utilizzo del calore dell’acqua sotterranea vengono rilasciate dalle rispettive autorità cantonali.

    Inverno
    1 – Pompa di calore
    2 – Pavimento riscaldante
    3 – Pozzo «caldo»
    4 – Pozzo «fredda»

    Grundwasser-Winter

    Estate
    1 – Pompa di calore
    2 – Pavimento raffrescante
    3 – Pozzo «caldo»
    4 – Pozzo «fredda»

    Grundwasser-Sommer

    Fonte: UFE

    Installazione di un pozzo filtrante (nella falda freatica)

    Installazione di un pozzo filtrante (nella falda freatica). (Fonte: Elektrizitätswerke Kanton Zürich)

  • Geostrutture

    I pali, le pareti di seminterrati e le solette in calcestruzzo assicurano la capacità portante di edifici di grandi dimensioni e la stabilità del sottosuolo. Se degli scambiatori di calore vengono integrati in questi pali, pareti o solette, si parla di geostrutture energetiche, che permettono di riscaldare gli edifici in inverno e di raffrescarli in estate.

    Principio
    La conduttività termica e la capacità di accumulare il calore fanno del calcestruzzo un materiale ideale per l’assorbimento di calore. Le costruzioni in calcestruzzo necessarie per le fondamenta degli edifici di ogni dimensione possono venir equipaggiate di scambiatori di calore. In questo caso, i pali, le pareti e le solette in calcestruzzo a contatto con il sottosuolo vengono muniti di tubi di plastica nei quali circola un fluido termo-vettore che permette lo scambio di calore o freddo con il sottosuolo. Questi tubi vengono legati a fasci e condotti alle pompe di calore. La potenza termica installata varia da qualche Kilowatt (kW) a circa 1’000 kW.

    1 – Pompa di calore
    2 – Riscaldamento a pavimento
    3 – Pali di fondazione con scambiatore di calore integrato

    Geostrukturen

    Fonte: UFE

    © Flughafen Zürich AG

    Terminal E dell’ aeroporto di Zurigo: riscaldato e raffreddato con la geotermia. (Fonte: Flughafen Zürich AG)