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  • marcotrevisan72

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

GNRG è una giovane impresa innovativa italiana nata nel 2013 come spin-off del centro ricerche e trasferimento tecnologico privato HTE con l’obiettivo di sviluppare nuove soluzioni tecnologiche nel settore della geotermia di bassa entalpia. Dopo 5 anni di ricerca GNRG ha ottenuto nel maggio 2018 il brevetto relativo alle prime vere e proprie “pile solari termiche”.

Durante i primi due anni di attività di ricerca, tutti gli sforzi si sono concentrati nel tentativo di sviluppare la geometria e l’architettura delle sonde geotermiche con l’intento di incrementarne le capacità di scambio col terreno, al fine di ridurne le dimensioni necessarie rispetto alle sonde classiche e di conseguenza i costi di perforazione ed installazione.

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

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

1. Il terreno non è un buon conduttore di calore, pertanto agisce da collo di bottiglia obbligando ad avere ampie superfici di scambio con le sonde per poter minimizzare l’effetto di deriva termica locale;

2. Il coefficiente di conduzione del calore del terreno cambia considerevolmente in presenza o meno di acqua, ma i livelli degli acquiferi mutano nel tempo, il che comporta il rischio che un campo geotermico ben progettato oggi, si riveli in seguito insufficiente a causa di un abbassamento degli acquiferi.

3. Le sonde geotermiche, indipendentemente da architettura e geometria, sono elementi del tutto passivi, ciò significa che la loro performance dipende esclusivamente dallo stato termodinamico del terreno e non consentono in alcun modo all’impianto di interagire attivamente su di esso.

Per ovviare a tali problematiche la nuova tecnologia doveva pertanto:

1. sfruttare il terreno non come pozzo termico o mezzo dissipativo ma, proprio in virtù della scarsa conducibilità termica, come serbatoio di stoccaggio;

2. consentire una progettazione sostanzialmente indipendente dalle caratteristiche del terreno;

3. implementare un circuito ausiliario indipendente che permettesse di utilizzare fonti termiche esterne possibilmente rinnovabili e sostenibili, come strumento per permettere all’impianto (pompa di calore) di modificare le condizioni termodinamiche del campo in funzione delle sue necessità al fine di mantenere costante la resa durante tutto il periodo dell’anno.


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

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

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


In fig.2 viene riportato il modello termodinamico di una sezione di terreno scaldata da maggio ad ottobre. Ciascuna pila ha una capacità di storage di circa 8 MWh termici e scalda il terreno circostante fino ad una temperatura di circa 30°C (la sezione riportata non ritrae la parte di terreno inferiore all’altezza della sonda coinvolta anch’essa nella fase di riscaldamento).


In fig.3 è riportato il modello di recupero del calore durante i mesi invernali da novembre ad aprile. Tale modello, cautelativamente, non tiene tuttavia conto del funzionamento invernale dei pannelli solari il cui apporto è stato invece dimostrato essere significativo dalle prime installazioni pilota; infatti rispetto all’utilizzo del solare termico per la produzione di acqua sanitaria, nel caso di utilizzo con pile solari, la temperatura di esercizio dei pannelli può essere molto inferiore e agevola le condizioni di lavoro della pompa di calore anche nei mesi invernali fino a temperature di esercizio di 15°C.



Nell’estate del 2018 sono stati realizzati i primi due campi di geo-pile:

· il primo, già operativo, nella zona di Castel d’Azzano (VR) per una casa privata di 350 mq con impianto a termo-ventilanti; il campo comprende tre pile con altrettanti moduli solari termici, una pompa di calore acqua/acqua Kronoterm da 21KW e un accumulo tecnico da 400L ed un bollitore per l’acqua sanitaria da 200L .

· il secondo nella zona Ponti sul Mincio (MN), per una casa privata di 450mq; il campo comprende quattro pile con altrettanti moduli di solari termici, una pompa di calore acqua/acqua da 21KW. In questo caso, trattandosi di un impianto di riscaldamento a pavimento, lo schema prevede un unico accumulo tecnico da 800L con produzione di acqua sanitaria istantanea mediante scambiatore a piastre.

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