Dime       
   Sezione Termoenergetica e Condizionamento ambientale



POMPE DI CALORE
GEOTERMICHE








 

 Indice


 

Il Corso Geotermia e Pompe di Calore organizzato da Università di Genova  

Geotermia  

La pompa di calore

Le sonde geotermiche

La ricerca

Software di calcolo per la progettazione TecGeo

L'impianto pilota

Database funzionamento impianto pilota

Dati elaborati durante i primi mesi di funzionamento dell'impianto

Diffusione delle pompe di calore geotermiche

Link


Richieste di informazioni: Marco Fossa



Geotermia

A pochi metri di profondità dalla superficie, il terreno mantiene una temperatura pressoché costante per tutto l'anno; tale peculiarità può essere favorevolmente utilizzata nell'ambito della climatizzazione degli edifici. E' infatti indubbio il vantaggio di disporre di una sorgente termica invernale relativamente calda e un pozzo termico estivo relativamente freddo.

Per poter utilizzare la sorgente termica terreno per la climatizzazione degli edifici è necessario ricorrere a impianti specificamente ideati, noti come, impianti geotermici a bassa entalpia.

Tali sistemi sono essenzialmente costituiti da una pompa di calore e da uno scambiatore di calore che prende il nome di sonda geotermica.

Gli impianti geotermici sono caratterizzati dall'avere vantaggi indubbi sintetizzabili in:

Per ottenere i migliori risultati in termini energetici è necessario impiegare tecnologie e apparecchiature di elevata qualità e affidare la progettazione a personale specificamente preparato.

Mentre per un impianto tradizionale il progettista termotecnico deve saper calcolare gli elementi di impianto a partire dal generatore di calore, per le soluzioni geotermiche è d'obbligo conoscere il comportamento della sorgente povere (terreno), e dell'influenza delle sonde geotermiche che possono essere state installate. Questa particolarità rende il compito assai delicato dal momento che l'efficienza dello scambiatore di calore incide direttamente sulle prestazioni energetiche e sui risparmi economici dell'impianto.

Lo scambiatore risulta infatti l'elemento essenziale e critico degli impianti geotermici dal momento che dal suo comportamento dipende l'efficienza di scambio termico con il sottosuolo e conseguentemente le prestazioni energetiche dell'impianto.

Fondamentale è quindi il corretto dimensionamento delle sonde geotermiche che devono garantire il mantenimento delle prestazioni iniziali per l'intera vita operativa dell'impianto.



La pompa di calore

Elemento cuore dell'impianto basa il suo principio sul ciclo inverso. Organi fondamentali della macchina sono il compressore, l'evaporatore, il condensatore e la valvola di espansione; Tali dispositivi sono collegati tra loro, nella sequenza opportuna mediante tubazioni percorse da un fluido refrigerante. Alla base del ciclo la caratteristica del fluido di cambiare di stato a pressioni e temperature relativamente basse; in particolare all'evaporatore (scambiatore di calore) il refrigerante passa dallo stato liquido a quello di vapore a pressione di poco superiore a quella atmosferica e alla temperatura di circa 0°C. Viceversa al condensatore si ha passaggio di fase partendo dal vapore surriscaldato, disponibile in uscita dal compressore, al liquido a una pressione dell'ordine di qualche decina di bar.


La conformazione e tipologia dell'evaporatore e del condensatore, che sono degli scambiatori di calore, varia a seconda della tipologia della pompa di calore.

Facendo riferimento agli impianti geotermici risulta:

Regime di funzionamento invernale

All'evaporatore il fluido refrigerante, a bassa pressione, evapora sottraendo calore al terreno attraverso la sonda geotermica (la temperatura di evaporazione del refrigerante è inferiore a quella del terreno). 

Al condensatore il fluido refrigerante, ad alta pressione, condensa cedendo calore agli ambienti riscaldati attraverso i terminali di impianto serviti dal fluido vettore caldo (la temperatura di condensazione del refrigerante è superiore a quella del fluido vettore).

Il compressore è l'organo meccanico che consente di innalzare la pressione dal valore all'evaporatore a quello al condensatore.

Il ciclo si chiude con una valvola di laminazione che garantisce una laminazione isoentalpica atta a riportare la pressione dal valore di condensazione a quello di evaporazione.

 

Regime di funzionamento estivo

 

La macchina viene messa in condizione di cedere calore del condensatore al terreno attraverso la sonda geotermica e sottrarre calore agli ambienti raffrescati attraverso i terminali di impianto serviti dal fluido vettore.

 

Le prestazioni

 

Le prestazioni di una pompa di calore sono espresse dal valore del COP (Coefficient Of Performance) definito come il rapporto tra il calore ceduto al fluido vettore e il lavoro speso (in genere corrisponde al consumo elettrico del motore che muove il compressore).

 

La resa di una pompa di calore è influenzata dai valori delle temperature al condensatore e all'evaporatore; in particolare aumenta quando la differenza di temperatura tra condensatore ed evaporatore diminuisce. Appare quindi fondamentale, in regime invernale, disporre di una sorgente povera più calda possibile e di terminali di impianto capaci di lavorare alla minor temperatura (soluzioni a pannelli radianti).

Nella pratica la tipologia dei terminali di impianto è imposta da altri vincoli (necessità di bassa inerzia, possibilità di condizionamento estivo,...) e pertanto la temperatura al condensatore risulta praticamente imposta risultando strettamente connessa alla tipologia di impianto da installare.

 

Per quanto riguarda le sorgenti povere è evidente che risultano vantaggiose quelle che presentano temperature maggiori e poco influenzate dalle variazioni climatiche. Per questa ragione sono preferibili sorgenti termiche quali il terreno o l'acqua rispetto all'aria. A questo va aggiunto il vantaggio di non incorrere mai in situazioni critiche di funzionamento quali la brinatura dell'evaporatore.

Per le pompe di calore geotermiche i costruttori dichiarano valori di COP dell'ordine di  4.

Ciò corrisponde a dire che per produrre 4 kWh termici si consuma 1 kWh di energia elettrica.

 



Le sonde geotermiche

 

Sono preposte allo scambio termico tra il terreno e il fluido vettore (acqua o miscela acqua-glicole) che cede calore alla scambiatore interno alla macchina. In pratica cioè permettono lo scambio termico tra il il refrigerante che evolve nella pompa di calore e il terreno.

Lo scambio termico con il terreno avviene per mezzo di una serie di tubazioni la cui disposizione può essere orizzontale a una profondità di 1-2 metri (collettori geotermici) o verticale con profondità da 70 a 150 metri (sonde geotermiche).

 

Le tubazioni sono realizzate con condutture che garantiscano buona resistenza alla corrosione e costo contenuto. A tal proposito i materiali maggiormente impiegati per realizzare i campi di scambio geotermico sono il polietilene reticolato PE-Xa e il polietilene PE 100.

 

Collettori geotermici

 

Le tubazioni risultano installate parallele al terreno ad una profondità limitata (1-2 metri), risentendo maggiormente delle variazioni climatiche e richiedendo superfici di installazione particolarmente ampie (circa 65 m2 per ogni kW termico utile); a favore risulta invece la semplicità d installazione per la quale possono essere impiegate le normali macchine per la movimentazione della terra.

 

L'installazione di un collettore geotermico comporta inevitabili alterazione delle temperature del terreno e pertanto deve essere posta particolare attenzione nella fase di dimensionamento e nella posa in opera avendo cura di distanziare le sonde da alberi e arbusti sensibili e dalle fondazioni dell'edificio.

 

E' inoltre opportuno ricordare che alla base delle prestazioni dell'impianto vi è la carica dovuta all'apporto solare e pertanto è necessario installare il campo geotermico in zone a verde.

 

Mediamente possono scambiare con il terreno valori specifici pari a 30 [W/m].

 

     


Sonde geotermiche

 

Le sonde geotermiche verticali vengono posate in opera nel senso perpendicolare alla superficie terrestre e pertanto necessitano di posa in opera mediante perforazione.

 

Le singole sonde raggiungono in genere profondità di circa 100-150 m per cui la temperatura del terreno risente poco delle fluttuazioni stagionali. Da notare che il limite in profondità e strettamente legato alla massima pressione di esercizio alla quale si ritiene far lavorare la sonda.

 

All'interno delle perforazioni si introducono le tubazioni (in genere a U o a doppia U) munite di contrappeso e il vuoto viene costipato con miscele bentonite-cemento che consentono di assicurare un buon contatto termico tra i tubi e la parete di perforazione.

 

Le diverse sonde sono idraulicamente raccordate in superficie mediante appositi collettori.

 

Per il dimensionamento degli impianti di grosse dimensioni è opportuno preventivamente realizzare una perforazione di prova per individuare con esattezza le caratteristiche del terreno e condurre la fase di progettazione conoscendo esattamente le caratteristiche del terreno evitando surdimensionamenti cautelativi che penalizzano i costi di primo impianto.

 

Per evitare interferenze con le fondazioni dell'edificio è necessario posizionare le sonde ad almeno 5 metri.

 

La quantità di calore che si possono estrarre per unità di lunghezza di perforazione può raggiungere i 50 [W/m].

                

                      

                                  

 

Pilastri di fondazione con sonde integrate

I pilastri di fondazione vengono impiegate ogni qualvolta sia necessario costruire edifici in terreni poco portanti.

In questa situazione può risultare conveniente inserire i cosiddetti pilastri di fondazione con sonde integrate. Tali elementi risultano costituiti da pali di perforazione dotati di tubazioni che consentono di sfruttare il calore in impianti geotermici.

 

Nella fase di posa in opera va portata particolare attenzione all'isolamento delle tubazioni nel tratto potenzialmente soggetto a fenomeni di congelamento dell'umidità presente nel terreno per scongiurare danneggiamenti alle strutture.

 

In genere il dimensionamento di questi pali è riferito alle esigenze statiche e il campo geotermico viene eventualmente integrato con sonde o collettori geotermici.

 

 


 

La ricerca

 

Il Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici dell'Università degli Studi di Genova, nel quale è confluito nel 2005 il Ditec, è stato selezionato nel 2004 per la realizzazione del Progetto bandito dal Parco Scientifico e Tecnologico della Regione Liguria a titolo "Studio fattibilità tecnico-finanziaria relativo all'utilizzo delle pompe di calore geotermiche e asservite a geostrutture per la riduzione dell'inquinamento atmosferico".

Nei due anni di ricerca, tra gli altri, sono stati trattati i seguenti temi:

  • analisi dello stato dell'arte della tecnologia;
  • rassegna delle soluzioni impiantistiche ricavabili in letteratura;
  • muovendo dalla esistente mappatura geologica della Liguria, stima delle proprietà termofisiche del suolo e calcolo degli andamenti di temperatura stagionale e giornaliera durante il funzionamento al variare dell'energia estratta;
  • dimensionamento del circuito secondario, scelta del layout ottimale e tecniche di posa in opera con criteri di scelta dei materiali utilizzati per le condotte del circuito secondario;
  • rassegna dei metodi di calcolo per il dimensionamento dello scambiatore terreno - fluido secondario e sviluppo di software di calcolo per la progettazione;
  • progettazione e realizzazione dell'impianto sperimentale;
  • messa a punto della strumentazione e sistema di acquisizione dati;
  • risultati sperimentali di funzionamento relativi al funzionamento estivo e a quello invernale;
  • analisi delle modalità organizzative con particolare attenzione alle forme contrattuali e societarie di aggregazione;
  • analisi delle modalità finanziarie, indici di sostenibilità e bancabilità del progetto;
  • sviluppo di modello di business plan quantitativo e computerizzato.

Di particolare interesse per le Piccole e Medie Imprese Liguri risultano essere:

  • il software per la progettazione delle sonde geotermiche;
  • il software per lo sviluppo di business plan;
  • la mappatura geologica della Liguria, con stima delle proprietà termofisiche del suolo e calcolo degli andamenti di temperatura stagionale e giornaliera durante il funzionamento al variare dell'energia estratta;
  • i risultati energetici dimostrati dall'impianto sperimentale monitorato.

 


 

 

Software di calcolo per la progettazione TecGeo

 

Tec Geo è un codice di calcolo sviluppato inizialmente nell'ambito di un progetto finanziato dal Parco Scientifico e Tecnologico della Liguria da parte di D. Dalla Pieta' e M.Fossa. Il codice, tuttora in fase di sviluppo, consente il dimensionamento delle sonde geotermiche verticali interrate per applicazioni a pompa di calore. Il codice di calcolo è stato sviluppato per consentire l'analisi del complesso processo di scambio termico tra il fluido vettore che percorre un sistema di sonde interrate (fenomeno di conduzione tempovariante).

 

 

 

La presenza delle sonde geotermiche comporta la progressiva variazione della temperatura del terreno nel volume circostante.

E' fondamentale, ai fini del corretto sfruttamento della risorsa geotermica, del buon funzionamento del sistema a pompa di calore ad esso asservito e della riduzione dei costi di perforazione ed installazione delle sonde interrate, poter simulare il funzionamento delle sonde geotermiche, e dell'impianto nel suo complesso, lungo tutto il periodo di attività del sistema.

Il codice calcola l'andamento tempovariante della temperatura del fluido vettore di ritorno dalle sonde in funzione della configurazione (sonde singole, coppie, serie di sonde ad interdistanza assegnata), delle proprietà del terreno e dei carichi termici stagionali richiesti all'impianto di climatizzazione.

 

Gli algoritmi di calcolo si basano sull'approccio delle g-functions introdotto da P. Eskilson.

Le g-functions, calcolate per via numerica, esprimono analiticamente la risposta del terreno ad un carico termico unitario.

Per determinare la risposta del terreno ad un carico generico a partire dalla sua temperatura indisturbata si sovrappongono gli effetti dei carichi nel tempo e si ottiene in tal modo la temperatura della parete della perforazione.

Per calcolare la temperatura media del fluido vettore a partire da quella di parete gli algoritmi tengono conto della resistenza termica complessiva opposta dal materiale di riempimento, dalle tubazioni e dal fluido vettore (le cui caratteristiche devono essere fornite come input). La temperatura del fluido in ingresso alla macchina viene poi calcolata a partire dalla differenza di temperatura tra ramo ascendente e discendente della sonda.

Il software permette inoltre di calcolare la risposta delle sonde ai carichi di picco.

L'algoritmo risulta particolarmente utile per verificare che negli anni di funzionamento dell'impianto le temperature del fluido vettore non scendano mai al di sotto della temperatura di congelamento (o al di sotto di una temperatura imposta dall'utente) e, viceversa, non raggiungano valori troppo alti durante il raffrescamento estivo.
Il codice consente inoltre, nella versione attuale, il calcolo della lunghezza ottimale delle sonde previo il calcolo del VAN del sistema geotermico, al fine di ottimizzare dal punto di vista economico finanziario il dimensionamento delle sonde geotermiche.

Durante lo sviluppo del codice di calcolo sono stati condotti specifici test per verificare l'efficacia nei possibili scenari.
Informazioni ulteriori sono disponibili nella presentazione qui scaricabile, tratta dal Convegno Climamed 2007.

 

Sviluppi futuri

 

È intenzione degli autori continuare lo sviluppo del codice TecGeo, anche dopo la conclusione della attività di ricerca in collaborazione con PSTL.

 

Le implementazioni che sono state individuate riguardano il calcolo della lunghezza ottimale delle sonde assegnata la temperatura minima di ritorno nel periodo, l'influenza della temperatura di ritorno dell'acqua sul COP della macchina (COP variabile da dati di targa della pompa di calore), lo sviluppo di ulteriori g-functions per simulare configurazioni di sonde diverse, un nuovo calcolo della resistenza complessiva della perforazione (riempimento, tubazione, fluido), la definizione di una sezione di calcolo orario, per la simulazione dei transitori di funzionamento su base giornaliera e settimanale.

 

 


 

L'impianto pilota

 

L'impianto geotermico sperimentale è stato installato all'interno dell'ospedale del San Martino di Genova al servizio di alcuni locali destinati all'asilo nido aziendale della struttura. In particolare l'unità permette il riscaldamento invernale ed il raffrescamento estivo di cinque locali mediante l'utilizzo di una rete a ventilconvettori.

La costruzione dell'edificio risale al 1930, e presenta quindi le soluzioni edilizie dell'epoca: struttura portante verticale e orizzontale in calcestruzzo armato, tamponamenti in laterizio privi d'isolamento termico, infissi in legno con vetro semplice. Recentemente i locali adibiti a asilo aziendale sono stati ristrutturati e gli infissi esterni sono stati sostituiti con altri a bassa dispersione termica; all'impianto di riscaldamento a radiatori è stato affiancato un impianto a ventilconvettori a due tubi, per il riscaldamento invernale e la climatizzazione estiva.

L'impianto installato utilizza una pompa di calore di tipo acqua-acqua, la cui sorgente povera è costituita dal terreno. Sono state pertanto poste in opera due sonde geotermiche di tipo verticale installate ad una profondità massima di  90 [m].

Il sistema e' monitorato in tempo reale tramite un acquisizione dati modello CEC webDAQ/100, che consente di visualizzare e registrare i parametri di funzionamento  (temperature, portate, potenze elettriche) per il calcolo delle prestazioni energetiche dell'impianto.

Il sistema di monitoraggio e' al momento NON accessibile, causa ristrutturazione connessione




                           

 

 

 

Le sonde geotermiche

 

Le sonde sono state installate nel terreno costituito da uno strato superficiale di spessore pari a circa 20 metri di Argille di Ortovero poggianti su uno strato di ben maggiore potenza di Calcari di Monte Antola. Tale composizione si traduce in una conducibilità termica del terreno pari a 1,6 [W/mK]. 

Le sonde geotermiche impiegate sono del tipo a doppia U e il foro è stato costipato con bentonite appositamente iniettata nella fase di messa in opera in modo da garantire un buon scambio termico.

Tali sonde sono di tipo preassemblato realizzate in PE 100 HD, con brevetto europeo, a doppia U invertitore UL32-25, della lunghezza di 90 m con ritorni ad U presaldati ad alta resistenza, a norma HR 3.26 SKZ (Suddeutsche Kunststoff Zentrum) e VDI, conformi alle esigenze relative alla perdita di carico secondo la norma VDI; è presente la stampigliatura obbligatoria del logo SKZ su tutta la lunghezza della sonda e sono certificate dall'ente di qualità svizzero "Fordergemeinschaf Warmepumpen Schweiz". Sull'estremità inferiore della sonda sono presenti gli attacchi per il fissaggio dei pesi guida. L'inserimento della sonda è stato realizzato in fori da circa 4".

Il sigillante utilizzato è di produzione tedesca ed è specificamente impiegato in questo settore. L'impiego di tale materiale grazie alle granulometria e agli additivi naturali impiegati permette di avere una conducibilità certificata dall'ente CGA pari a 2 W/m°C. La granulometria vale al massimo 0,8 mm e tra i componenti è presente quarzo additivato oltrechè cemento.

 

La pompa di calore

 

La scelta della pompa di calore è ricaduta su di un prodotto nazionale di marca HiRef, modello MCW 010 HL GEO.

L'unità dispone di compressore ermetico scroll a spirale orbitante completo di protezione del motore contro le sovratemperature, le sovracorrenti e contro le temperature eccessive del gas in mandata.

Gli scambiatori interni sono del tipo a piastre saldobrasate realizzati in acciaio austenitico AISI 304 con connessioni in AISI 304 L caratterizzate da un ridotto tenore di carbonio.

E' presente inoltre un organo di laminazione ETV (valvola di laminazione elettrica a controllo elettronico) che consente di far funzionare la macchina con ridotti salti di pressione tra l'evaporatore e il condensatore, innalzando il valore del COP. Tale organo è installato in luogo alla comune valvola termostatica che ha dimostrato limiti circa la capacità di adattarsi al carico. La valvola installata presenta invece un otturatore gestito elettronicamente che, scorrendo verticalmente, consente un'ampia escursione cui corrisponde grande capacità di modulazione.

La macchina dispone di organi per l'inversione del ciclo di funzionamento sia sul lato del refrigerante che sul circuito idraulico. Questo consente mantenere il flusso all'interno degli scambiatori in controcorrente in modo da non penalizzare l'efficienza di scambio. L'inversione idraulica avviene per mezzo di apposite valvole motorizzate.

La pompa di calore è dotata di unità di controllo a microprocessore.

Le principali caratteristiche dichiarate dal costruttore sono le seguenti:

  • Refrigerante R407C
  • Potenza frigorifera resa 10,6 kW
  • Potenza termica resa 10,53 kW
  • Potenza elettrica assorbita in raffrescamento 1,68 kW
  • Corrente elettrica assorbita in raffrescamento 3,8 A
  • Potenza elettrica assorbita in riscaldamento 2,24 kW
  • Corrente elettrica assorbita in riscaldamento 4,4 A
  • COP in raffrescamento 6,36
  • COP in riscaldamento 4,7
  • Alimentazione elettrica Tensione/Fase/ Frequenza 380 V/ 3 f/ 50 Hz
  • Portata d'acqua lato impianto di distribuzione 1814 kg/h
  • Perdite di carico utilizzatore in raffreddamento 39 kPa
  • Perdite di carico utilizzatore in riscaldamento 32,3 kPa
  • Portata d'acqua lato sonde geotermiche 1823 kg/h
  • Perdite di carico sonde geotermiche in raffreddamento 32,7 kPa
  • Perdite di carico sonde geotermiche in riscaldamento 39,9 kPa
  • Livello di potenza sonora Lw 57 dB-A
  • Dimensioni (LxPxH) 705 x 453 x 830

La circolazione del fluidi vettori e garantita da apposite pompe gemellari installate sui due circuiti, controllate dall'avvio del compressore della pompa di calore.

 

Quest'ultima modalità di funzionamento è attiva da agosto 2008, grazie alla gentile collaborazione con

 

Strumentazione dell'impianto

 

L'impianto è completato dal sistema di acquisizione dati che ha lo scopo di monitorare il funzionamento storicizzando le principali grandezze misurate. E' essenzialmente costituito da:

  • una centralina di acquisizione dati a 32 canali, 12 Bits con 8 uscite digitali/analogiche caratterizzata da una frequenza di campionamento pari a 500 kHz.
  • 11 trasduttori per la misurazione di temperatura (6 termoresistenze al platino), di portata (2 misuratori volumetrici a turbina), di potenza elettrica assorbita (1 wattmetro) e di stato di funzionamento (2 contatti puliti).

Il sistema di monitoraggio ha il duplice scopo di:

 

  • registrare con continuità, con cadenza di tempo prefissata, i valori di tutte le grandezze impiantistiche ritenute rilevanti al fine di effettuare successive elaborazioni e costituire un archivio storico finalizzato alla costituzione di una banca dati per sistemi energetici alimentati da pompe di calore acqua-acqua;
  • valutare le prestazioni energetiche del sistema;
  • valutare la prestazione energetica della pompa di calore in termini di COP, calcolato come rapporto fra l'energia utile fornita all'utenza e l'energia elettrica assorbita dalla pompa di calore e dagli ausiliari a essa attinenti (pompe di circolazione lato sonde geotermiche);
  • valutazione dell'energia prelevata dal terreno in fase di riscaldamento invernale e il calore smaltito nel terreno in fase di condizionamento estivo.

I trasduttori di misura sono stati scelti prediligendo le seguenti caratteristiche:

 

  • idoneità all'impiego specifico in termini di affidabilità e robustezza meccanica;
  • scarsa necessità di interventi manutentivi;
  • costo contenuto.

Per i trasduttori di temperatura sull'impianto sono state utilizzate termoresistenze di platino Pt100 della Delta Strumenti, complete di guaina realizzata in acciaio inox del diametro di 5 mm lunga 100 mm, prolunga di connessione e collegamento a quattro fili realizzato con cavo schermato a doppio isolamento. Detto sensore è caratterizzato da elevata stabilità nel tempo, dimensioni ridotte, buona precisione e costo contenuto.

I misuratori di portata sono costituiti da trasduttori volumetrici della B.I.O.-Tech mod. DFM-Ms dotati di turbina e di filtro per evitare che particelle solide in sospensione trasportate dall'acqua possano falsare la misura. Questi trasduttori associano alla velocità di rotazione della turbina, cui corrisponde un valore della portata di fluido, ad un segnale elettrico in corrente (4 20 mA). Gli strumenti installati possono funzionare in un campo di portate compreso tra 0,048 a 4,8 l/min.

Per quanto riguarda la misura della potenza elettrica attiva assorbita dalla pompa di calore, si è fatto ricorso all'inserzione di un trasformatore di corrente, posto su una fase, sulla linea di alimentazione interessata, mentre il valore della tensione concatenata è stato prelevato direttamente dalla linea, senza interposizione di trasformatore di tensione. Il trasduttore di potenza attiva utilizzato è di fabbricazione SOCOMEC ELETTROTECNICA S.r.l., modello DIRIS 96x96 110/400 VCA 120/350 VCC. Il modello del trasformatore, della medesima marca, è TCA 21.50/5 A. Per interfacciare lo strumento con la centralina di acquisizione dati è stato inserito un modulo a 2 uscite analogiche 0/4 20 mA.

 

Il sistema di monitoraggio impiegato adotta la centralina di acquisizione dati prodotta dalla CEC modello webDAQ/100.

Questo dispositivo permette l'acquisizione di dati provenienti dalle sonde installate sull'impianto con acquisizione diretta su memoria buffer che va da un minimo di 4MB ad un massimo di 64 MB.

Il dispositivo dispone di propria alimentazione elettrica mediante alimentatore funzionante a una tensione compresa tra i 90 V e i 264 V, frequenza compresa tra i 47 e i 63 Hz e assorbe una potenza di circa 18 W.

Il dispositivo non necessita di alcun calcolatore, di driver o di programmi ma funziona come sistema autonomo. Può essere interfacciato direttamente ad un calcolatore mediante cavo di rete di tipo cross o in alternativa mediante porta seriale RS232. attraverso la connessione di rete può inoltre essere collegato ad un modem per trasmettere i dati alle postazioni remote. Il trasferimento dei dati dal buffer interno al calcolatore remoto avviene mediante rete internet e può essere gestito in diversi modi quali: l'invio di una mail di rapporto ad un indirizzo di posta elettronica programmato, l'invio di dati numerici secondo la richiesta di un computer remoto.

L'apparecchiatura dispone sia di ingressi analogici che digitali.

 

Gli ingressi analogici, nel numero di 32 canali singoli (16 canali differenziali) hanno una risoluzione di 12 bit e una frequenza di campionamento pari a 500 kHz. La tensione in ingresso deve essere compresa tra 10 V. Il guadagno può essere pari a 1, 4, 10, 100 e 400. La velocità di scaricamento dati verso un calcolatore connesso con il dispositivo è pari a 5 - 10 ksamples/sec a seconda del formato utilizzato.

 

Gli ingressi digitali, nella misura di 8 hanno una risoluzione di 10 bit e una frequenza di campionamento di 33 kHz. La tensione di uscita deve essere compresa tra 10 V. La massima corrente è pari a 5 mA.

 

Sono inoltre disponibili canali di ingresso/uscita digitali a 4 bits. In entrambi i casi seguono i livelli di tensione standard TTL.

La connessione ethernet è del tipo 10-baseT con connettore RJ45.

La connessione seriale è del tipo RS232 e può avvenire mediante connettore a 9 piedini secondo i seguenti parametri: 38400 baud, 8 bits, nessun controllo di parità, 1 bit di stop.

 

La RAM utilizzata è del tipo a 72 piedini in moduli SIMM, con tempo di latenza pari a 70 nsec o inferiore.

 

L'unità può funzionare in ambiente con temperatura compresa tra i 20 e i 40°C, e umidità relativa tra lo 0% e il 90%.

Le linee provenienti dalla strumentazione in campo si collegano, direttamente alle morsettiere del sistema di acquisizione dati che è connesso alla rete internet mediante cavo ethernet e modem ADSL.

 

Connettendosi all'indirizzo statico IP 88.48.115.203  è possibile rintracciare il server sulla rete pubblica accendendo alla home page del sistema e visualizzare, in tempo reale, le grandezze misurate; la centralina inoltre provvede a scaricare quotidianamente i dati rilevati su di un server attraverso cartella pubblica FTP.

I dati raccolti in entrambi i regimi di funzionamento sono stati successivamente elaborati e i risultati sono stati archiviati su un foglio Excel, appositamente redatto, con la seguente logica:

 

  • per ciascun giorno sono riportati i valori medi orari e il valore medio giornaliero;
  • per l'intera stagione (estiva o invernale) è riportata la sintesi dei valori medi giornalieri e il valore medio stagionale;
  • a sintesi della stagione (estiva o invernale) sono inoltre riportati in grafico:
  1. gli andamenti medi giornalieri dei dati climatici dell'aria esterna e della temperatura del terreno a macchina spenta e alle profondità di 40 [m] e di 70 [m];
  2. l'andamento del COP medio orario;
  3. l'andamento dell'energia elettrica consumata dall'impianto (pompa di calore e circolatore lato sonde geotermiche);
  4. l'andamento dell'energia termica sottratta o fornita all'edificio (regime estivo o invernale);
  5. L'andamento orario del COP di alcuni giorni caratteristici.

Nella seguente sezione è possibile scaricare tutti i dati acquisiti nel periodo di funzionamento nonchè i risultati delle elaborazioni effetuate in Dipartimento.

 


Database funzionamento impianto pilota

I dati così come sono memorizzati nel database sono raggruppati mensilmente con i seguenti files compressi. All'interno di ogni cartella compressa sono memorizzati i files di solo testo nella misura di uno per ogni giorno archiviato (estensione .txt). Tali valori non hanno subito alcuna successiva elaborazione.

agosto 2006 (Geo-agosto-06.zip)

novembre 2006 (Geo-novembre-06.zip)

dicembre 2006 (Geo-dicembre-06.zip)



Dati elaborati durante i primi mesi di funzionamento dell'impianto

Dai dati raccolti nel databese si sono condotte analisi secondo quanto indicato nelle sezioni relative alla strumentazione dell'impianto.

E' possibile di seguito scaricare i file in formato pdf relativi alle due campagne dati:

campagna-estate-06.pdf

campagna-inverno-06.pdf



Diffusione delle pompe di calore geotermiche

Situazione attuale del mercato

Nonostante sia che da oltre 30 anni si conosce la possibilità di utilizzare pompe di calore geotermiche per la climatizzazione degli edifici, solo nell'ultimo decennio si è davvero diffusa tale tecnologia. Negli ultimi dieci anni ultimi questi impianti hanno incontrato un notevole sviluppo: il tasso annuo di installazione risulta pari al 23.8%, passando dai 1.854 MWt del 1995 ai 5.275 MWt nel 2000, ai 15.723 del 2005.

La maggior quantità di installazioni sono state realizzate nell'America del Nord e in Europa, con circa 1.3 milioni di unità 12 kWt, con più del doppio delle installazioni realizzato dopo il 2000.

E' da osservare che, negli Stati Uniti, le unità sono dimensionate per la potenza massima in raffrescamento e risultano così sovradimensionate per il riscaldamento; in Europa invece la maggior parte delle unità è progettata per il riscaldamento e a volte sono integrate da caldaie (le pompe di calore forniscono il carico di base e la caldaia fa fronte ai picchi).

Nella seguente figura si riportano gli andamenti dell'uso delle pompe termiche geotermiche nei diversi paesi (Lund 2005, EurObserv'ER 2006).

 


I paesi europei, con la potenza installata di 5.379 MWt, rappresentano un terzo della potenza installata in tutto il mondo. L'obiettivo del "Libro Bianco" pari a 2.500 MWt prodotti mediante pompe termiche geotermiche è stato abbondantemente superato. La maggior potenza installata è quella della Svezia, con più di 220.000 unità, seguita dalla Francia (quasi 68.000 unità) e dalla Germania (circa 62.000 unità).

Situazione attuale del mercato

Lo sviluppo europeo corrente del mercato (19% fra 2004 e 2005), potrebbe condurre ad una capacità installata di 11.400 MWt entro il 2010.

Questa proiezione deriva dai favorevoli tassi di installazione (in particolare di Francia ed Germania), dovuti all'aumento del prezzo dei combustibili fossili nonché agli incentivi statali per l'impiego di impianti geotermici (soprattutto in Francia).

In Italia le applicazioni delle pompe di calore geotermiche si limitano, ad alcune centinaia di impianti. Tale risultato sorprende dal momento che l'Italia è uno dei paesi che ha la maggior disponibilità delle risorse geotermiche, sia ad alta che a bassa temperatura (Carella, 1999).

Un ostacolo alla diffusione degli impianti geotermici è dovuto alla scarsa conoscenza  di metodi di  progettazione delle sonde volti all'analisi tecnico economica a breve e a lungo termine.  Un altro ostacolo alla diffusione di questi impianti in Italia è dovuto alla mancanza di incentivi economici per l'uso di energia geotermica poco profonda, che impedisce l'interesse nello sfruttamento delle risorse a bassa temperatura.



Links

Nella presente sezione sono disponibili i link ad alcuni articoli o pubblicazioni, in formato pdf, rintracciati sul web.


Il Manifesto della Geotermia      

Il documento dell'Unione Geotermica Italiana

 

 

Il questionario sugli impianti geotermici italiani del Dipartimento di Energetica di Pisa


Analisi prestazioni

 

Analyse in situ d'installations de pompes à chaleur anis 1996-2003 - Suisse energie

 

Misure di un impianto di riscaldamento con sonde geotermiche a Lugano (TI)

 

 

Tecnologia pompa di calore geotermica

Geothermal (ground-source) heat pumps a world overview. - J. Lund, B. Sanner, L. Rybach, R. Curtis, G. Hellström

Ground-source heat pump systems the european experience. L. Rybach and B. Sanner

Geothermal Heat Pumps in K-12 Schools. A Case Study of the Lincoln, Nebraska, Schools

Geothermal response test: the design and engineering of geothermal energy systems

Pompes à chaleur : de nouvelles découvertes pour des installations plus performantes

Bridge deck deicing using geothermal heat pumps. - J. D. Spitler - Oklahoma state university - Stillwater, OK, U.S.A.

Current status of ground source heat pumps in Europe

Il sistema pompa di calore geotermica

Sviluppi nelle pompe di calore: Il terreno come sorgente termica. - M. De Carli - R. Del Bianco - F. Fellin - M. Manente - M. Tonon - R. Zecchin

Les pompes à chaleur remplacent toujours plus de chaudières et de chauffages électriques!

Fonti rinnovabili di energia - la geotermia. Potenzialità ed applicazioni in Provincia di Verona.

 
Certificazione pompe di calore/sonde geotermiche


Liste des pompes à chaleur certifiées

Certificat de qualité pour entreprises de forages de sondes géothermiques verticales


Legislazione


Direttive per la posa in opera di sonde geotermiche - provincia autonoma di Bolzano - Alto Adige

Direttiva sull'autorizzazione di pompe termiche in Svizzera.


 

Pali energetici


Enercret - Thermo-active foundations. Installation description.

Enercret - Thermo-active foundations. Planning aspect.

Enercret - Thermo-active foundations. System description.


 

Perforazioni


The geothermal industry beckons - part 1 - Drillers capitalize on direct-exchange geothermal systems.

The geothermal industry beckons - part 2 - Drilling for geothermal projects offers a solid opportunity.

The geothermal industry beckons - Part 3



Caratteristiche termiche del terreno

In situ thermal conductivity testing: the dutch perspective (and an english case study).

 

Tesi


Advances in modeling of ground-source heat pump systems. A. D. Chiasson


Di seguito sono disponibili alcuni link suddivisi per argomenti.


Software

 

http://www.buildingphysics.com

http://www.geothermie.de

http://www.tess-inc.com


Costruttori

http://www.climatemaster.com
http://www.galletti.it

http://www.geotherm.it
http://www.hiref.it

http://www.satagthermotechnik.ch
http://www.termogamma.ch


Geotermia

http://ec.europa.eu/research/energy/index_en.htm

http://oee.nrcan.gc.ca/publications/infosource/pub/home/heating-heat-pump/gsheatpumps.cfm

http://www.aceee.org/consumerguide/topcashp.htm

http://www.ehpa.org

http://www.energoclub.it/doceboCms

http://www.energystar.gov

http://www.geoexchange.org

http://www.geoklima.com/home.html

http://www.geothermal-energy.ch/it/links/links.htm

http://www.geothermie.ch/

http://www.geothermie.de/egec_geothernet/menu/frameset.htm

http://www.geothermie.de/egec-geothernet/igd2k1/geothermal_heat_pumps.htm

www.hvac.okstate.edu

http://www.leee.supsi.ch/isaac/geotermia

http://www.pac.ch/index.html

 


Hanno collaborato alla realizzazione della pagina web l'Ing. E. Bronzino e l'Ing. R. Martini

Richieste di informazioni: marco.fossa@unige.it


Last change: 11/04/2012 17:01:13