Capire i Sistemi di Riscaldamento e Raffreddamento Geotermici

Con una crescente enfasi sulla riduzione delle emissioni energetiche e dell'impronta di carbonio, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici sono diventati popolari tra i proprietari di case negli Stati Uniti. I sistemi geotermici sono in uso dagli anni '40, iniziando con il semplice riscaldamento dell'acqua. Col tempo, l'incorporazione di nuove tecnologie e i progressi nei sistemi di trattamento dell'aria hanno reso i sistemi geotermici un'alternativa commercialmente valida ai più convenzionali sistemi HVAC.

I sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici, chiamati anche Pompe di Calore a Fonte Terrena (GSHP), forniscono riscaldamento e raffreddamento scambiando calore con il terreno. Questi sistemi sfruttano il fatto che la temperatura del terreno rimane relativamente costante durante tutto l'anno, variando da 7 a 24°C. A seconda della stagione, il terreno può fungere da fonte di calore o da pozzo di calore.

Il principale vantaggio delle pompe di calore geotermiche è che utilizzano dal 25% al 50% in meno di elettricità rispetto ad altri sistemi di riscaldamento o raffreddamento. Inoltre, anche se i costi di installazione iniziali possono essere elevati, il periodo di recupero relativamente breve di 6-7 anni compensa l'investimento iniziale. Dopo questo periodo, avrete un sistema HVAC a bassa manutenzione ed efficiente dal punto di vista energetico per la vostra casa.

Tutti i sistemi geotermici di raffreddamento e riscaldamento hanno alcuni componenti comuni. Questi includono un meccanismo per trasferire il fluido di scambio termico al terreno e viceversa, una pompa di calore per muovere il fluido e un sistema di distribuzione.

Diamo un'occhiata a ciascuno di questi sottosistemi e ai loro ruoli.

Sistemi ad Anello Geotermico

Tutti i tipi di sistemi geotermici impiegano una rete di tubi interconnessi utilizzati come scambiatori di calore posizionati sottoterra. In inverno, quando fa freddo nell'aria ma caldo nel terreno, il refrigerante all'interno di queste serpentine assorbe il calore dal terreno e lo trasferisce nell'edificio. Lo stesso processo viene invertito in estate quando il calore viene assorbito dall'edificio e respinto nel terreno.

Questo sistema ad anello si collega alla pompa di calore geotermica. Include il compressore, la pompa e un'unità di trattamento dell'aria opzionale se il sistema riscalda l'aria. Questa aria viene poi fatta circolare in tutta la casa tramite un sistema di condotti e bocchette.

I sistemi geotermici sono classificati in base al design degli scambiatori di calore. Possono essere ad anello chiuso, ad anello aperto, verticali, orizzontali, ad anello per laghetto o a spirale (slinky). I sistemi ad anello chiuso ricircolano il refrigerante già presente nel sistema. D'altra parte, i sistemi ad anello aperto rinfrescano costantemente il refrigerante, utilizzando un lago d'acqua dolce o una falda acquifera sotterranea poiché il refrigerante in questo caso è principalmente acqua.

Sistemi Geotermici ad Anello Chiuso

I sistemi ad anello chiuso sono il tipo più comune utilizzato per i sistemi geotermici. Acqua, miscela con antigelo o altro refrigerante adatto, viene utilizzata all'interno delle serpentine dello scambiatore di calore per fungere da mezzo di scambio termico. Non c'è bisogno di reintegrare continuamente il fluido nel sistema. Questo sistema può essere ulteriormente diviso in base all'orientamento degli anelli dello scambiatore di calore nel terreno.

Anelli Verticali

Come è evidente, gli scambiatori di calore in questo tipo sono orientati verticalmente. Vengono praticati fori fino a 120 metri di profondità e vi vengono inseriti tubi a U. Più tubi a U in fori diversi vengono poi collegati per formare una rete chiusa, che viene poi collegata alla pompa e al compressore (se presente).

Il foro viene poi riempito con cemento bentonitico per fornire una migliore conduttività termica tra i tubi a U e il terreno. Il numero di fori, la loro distanza, profondità e volume di fluido nei tubi a U dipendono tutti dalle caratteristiche del suolo, dalle esigenze di riscaldamento e raffreddamento della casa, dalle variazioni di temperatura.

Un vantaggio di questa disposizione è che può essere collocata in una piccola area superficiale rispetto agli anelli orizzontali. Questo la rende ideale per piccoli proprietari o scuole in aree edificate, dove lo spazio può spesso essere un bene prezioso. Ma è necessario adottare misure preventive affinché i fori siano abbastanza resistenti da non collassare. Inoltre, il sottosuolo perforato dovrebbe essere ancora in grado di sostenere gli edifici nelle vicinanze.

Anelli Orizzontali

Un sistema ad anelli orizzontali è composto da tubi posizionati in orientamento orizzontale lungo il terreno. Viene scavata una trincea poco profonda e lunga, più profonda della linea di gelo, e vi vengono posizionati i tubi a U. Generalmente, la profondità varia da 1 a 3 metri. La lunghezza può arrivare fino a 120 metri, a seconda delle specifiche esigenze.

La profondità può avere un effetto profondo sulle caratteristiche di riscaldamento e raffreddamento di un sistema ad anello orizzontale. Se troppo superficiale, gli anelli possono assorbire calore dal sole durante il passaggio dall'inverno all'estate, quando il terreno è ancora relativamente freddo. Questo aumenta la capacità di riscaldamento del sistema. Ma un effetto negativo è che durante i mesi invernali, gli anelli si raffredderanno a un ritmo maggiore a causa della loro vicinanza alla superficie.

Questo problema può essere eliminato aumentando la profondità degli anelli, con il costo di installazione maggiore compensato dal risparmio energetico. Un'altra soluzione è utilizzare uno strato superiore termicamente non conduttivo sopra gli anelli. Questo impedisce agli anelli di essere influenzati dal terreno superficiale o dai cambiamenti di temperatura atmosferica.

I sistemi ad anello orizzontale sono più adatti ad aree con una grande quantità di terreno disponibile da scavare, come grandi fattorie, tenute di campagna, ecc.

Anelli a Spirale (Slinky)

Molto simili agli anelli orizzontali, gli anelli a spirale vengono utilizzati dove si dovrebbero usare anelli orizzontali ma non c'è abbastanza spazio disponibile. Tubi a forma di spirale vengono posizionati in trincee poco profonde simili agli anelli orizzontali. Questi anelli si sovrappongono tra loro quando posizionati sul fondo della trincea. Questo fornisce la stessa quantità di percorso per il fluido all'interno dei tubi ma con una lunghezza di copertura ridotta dell'intero sistema.

Anelli per Laghetto

Questi sistemi vengono utilizzati dove c'è un corpo d'acqua adatto nelle vicinanze. Gli anelli possono essere sommersi sotto l'acqua o posizionati sul fondo del corpo idrico. Un tale sistema non ha costi di scavo o perforazione associati e, in caso di guasto o perdita, permette una facile estrazione del sistema ad anello. Il corpo idrico dovrebbe essere sufficientemente profondo affinché gli effetti superficiali della temperatura non si traducano all'interno degli anelli.

Sistemi Geotermici ad Anello Aperto

I sistemi ad anello aperto sono la forma più semplice di tutti i sistemi di riscaldamento geotermico. Un tubo a estremità aperta viene utilizzato per prelevare acqua da una falda acquifera sotterranea, una sorgente termale o un'altra fonte d'acqua adatta. Questa acqua viene poi fatta passare attraverso gli scambiatori di calore all'interno della pompa di calore. L'acqua usata viene poi scaricata nella stessa fonte d'acqua, a una distanza adeguata dal punto di prelievo. I sistemi ad anello aperto hanno però alcune sfide.

Grande attenzione deve essere posta per garantire che l'acqua in ingresso sia sufficientemente pulita e abbia una composizione minerale adatta a non danneggiare la pompa di calore o gli scambiatori di calore. Sostanze chimiche o solidi disciolti nell'acqua possono reagire con il materiale degli scambiatori di calore e fungere da acceleratore di corrosione. Il calcare può formarsi all'interno dei tubi, riducendo il flusso d'acqua.

Inoltre, le normative ambientali in alcuni luoghi richiedono che l'acqua in uscita sia trattata prima di essere scaricata. Regolamenti ancora più severi possono vietare completamente lo scarico dell'acqua, rendendo necessari i sistemi ad anello chiuso.

Pompe di Calore Geotermiche

Quasi ogni tipo di sistema geotermico ha una pompa di calore. Di solito è installata in un armadio, da qualche parte fuori vista. Una pompa di calore geotermica consiste di un compressore, scambiatore di calore e altri sistemi di controllo alleati. Se il sistema di riscaldamento e raffreddamento utilizza l'aria per condizionare gli spazi interni, un'unità di trattamento dell'aria fa parte del pacchetto.

Le pompe di calore funzionano scambiando calore tra il refrigerante (solitamente acqua) negli anelli a terra e il mezzo all'interno dei condotti. Durante i mesi invernali, l'acqua assorbe calore dal terreno e viaggia verso lo scambiatore di calore nella pompa di calore. Il refrigerante viene poi compresso, innalzandone la temperatura e trasformandolo in gas. Il calore all'interno del refrigerante viene poi estratto usando scambiatori di calore e fatto passare attraverso un sistema di condotti o tubi in tutta la casa. L'ultimo passo viene solitamente eseguito con unità di trattamento dell'aria se l'aria viene usata per distribuire il calore.

Questo processo viene invertito nei mesi estivi. Con il raffreddamento geotermico, il refrigerante assorbe calore dall'interno e lo respinge al terreno attraverso gli anelli sotterranei.

Sistema di Distribuzione Geotermico

Come per i sistemi di condizionamento canalizzati, anche i sistemi geotermici impiegano un sistema di condotti. Questo rende i sistemi geotermici particolarmente adatti per progetti di ristrutturazione in case con condotti già installati. I condotti esistenti possono allora essere utilizzati per questo scopo.

Questo vale per i sistemi che trasferiscono calore in tutto l'edificio usando l'aria, chiamati sistemi liquido-aria. Le unità di trattamento dell'aria, che sono grandi ventole, muovono grandi volumi d'aria attraverso i condotti. Ma in alcuni sistemi, l'acqua viene pompata direttamente in tutta la casa usando tubi incorporati nella struttura di base della casa o attraverso radiatori – un tale arrangiamento è chiamato acqua-acqua.

I sistemi acqua-acqua possono anche essere usati come scaldabagno per uso domestico. Una pompa di calore geotermica può mantenere l'acqua corrente a una confortevole 49°C (120°F), che è meno dei 65-93°C richiesti dalle caldaie. Ma il preriscaldamento dell'acqua attraverso un sistema geotermico comporta un risparmio energetico con la caldaia.

Gli arrangiamenti acqua-acqua sono un'opzione popolare per i sistemi di distribuzione dell'acqua per riscaldamento e raffreddamento. Gli anelli sono incorporati sotto il pavimento o all'interno delle pareti. Questi anelli rimangono fuori vista e non fanno rumore pur fornendo riscaldamento e raffreddamento. Un'altra scelta è usare sistemi di riscaldamento a battiscopa in combinazione con sistemi geotermici. Ma fate attenzione con questa opzione e consultate un professionista per il corretto dimensionamento della vostra casa e dei requisiti di riscaldamento.

Costi di Installazione per Riscaldamento e Raffreddamento Geotermico

I sistemi geotermici presentano un investimento iniziale più alto rispetto ai contemporanei sistemi di riscaldamento e raffreddamento domestico, sebbene questi costi stiano gradualmente diminuendo. Con un tasso di crescita di circa il 12% annuo nel mercato dei sistemi geotermici, sempre più produttori aumentano la concorrenza e abbassano i prezzi.

In media, i sistemi geotermici domestici possono costare da 10.000 a 30.000 dollari. L'importo esatto dipende dalle caratteristiche del suolo, dall'area da scavare, se è un sistema ad anello verticale o orizzontale, dall'area da condizionare all'interno della casa, dai condotti preesistenti e dalla qualità dell'installazione. Versioni di fascia alta possono costare anche di più.

Inoltre, la scelta tra acqua-aria e acqua-acqua può influire sul costo. Le pompe di calore acqua-aria sono la scelta più economica tra le due.

La perforazione e lo scavo possono ammontare a più della metà del costo totale di installazione di un sistema geotermico. L'installazione della pompa di calore geotermica per l'intero sistema può anche essere costosa. I costi di riscaldamento e raffreddamento geotermico si aggirano in media a 2.500$ per tonnellata, secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Vantaggi dei Sistemi di Riscaldamento e Raffreddamento Geotermici

I vantaggi offerti dai sistemi geotermici sono numerosi. Vediamone alcuni:

• Efficienza Energetica

Per quanto riguarda l'efficienza, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici superano di gran lunga il condizionamento d'aria convenzionale. La ragione principale è che un sistema a pompa di calore geotermica non espelle calore in un ambiente esterno caldo, ma lo trasferisce in un ambiente fresco.

Come discusso prima, un sistema geotermico può fornire risparmi energetici fino a un sorprendente 50%. Questo può sembrare una manna dal cielo nei caldi mesi estivi. Ciò è in parte dovuto agli alti Energy Efficiency Ratio (EER) dei sistemi geotermici, che raggiungono fino a 25, rispetto a 15 per i sistemi convenzionali. Il raffreddamento geotermico può quindi avere un impatto significativo sulle vostre bollette estive.

• Comodità

Un sistema geotermico non ha molte parti di cui prendersi cura, come un sistema HVAC convenzionale. Non ci sono condotti; non ci sono serrande o persiane; nessun carburante deve essere tenuto sotto controllo. Non dovete mantenere una fornace in inverno e una pompa di calore in estate. I due componenti principali dei sistemi geotermici sono gli anelli a terra e la pompa di calore. Gli anelli a terra vengono installati all'inizio e raramente hanno bisogno di essere curati di nuovo.

• Manutenzione Ridotta

La durata media di un condizionatore convenzionale è di circa 10-15 anni. Ma questo solo dopo cura e manutenzione adeguate. Se trascurate la corretta manutenzione HVAC, la durata può accorciarsi.

Un sistema di riscaldamento o raffreddamento geotermico, d'altra parte, può durare da 20 a 50 anni. È richiesta una manutenzione minima. Gli anelli a terra non devono essere controllati periodicamente e il sistema può continuare a funzionare a lungo. Questo perché un sistema geotermico non è esposto a elementi aggressivi tutto l'anno. Un sistema HVAC convenzionale è esposto a vento e variazioni di temperatura, insieme agli inquinanti nocivi presenti nell'aria.

Risparmi con il Sistema di Riscaldamento e Raffreddamento Geotermico

Abbastanza sui costi, parliamo dei risparmi! Al momento, le case con sistemi geotermici installati hanno diritto a un credito d'imposta federale del 30%. Inoltre, la maggior parte degli stati o delle utility elettriche offrono sconti o sovvenzioni alle case che utilizzano sistemi energetici geotermici. Questo può ridurre significativamente i costi della pompa di calore geotermica. Per scoprire se siete idonei allo sconto, consultate il Database per gli Incentivi Statali per Rinnovabili ed Efficienza (DSIRE).

Anche le vostre bollette elettriche crolleranno. Si stima che il 42% del consumo energetico domestico sia per esigenze di riscaldamento. L'uso di sistemi geotermici può ridurre questo consumo del 50%, a seconda delle specificità del sito. Lo stesso vale per le emissioni di gas serra.

Con una vita media di 20-25 anni, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici possono portare a risparmi energetici fino a 75.000 dollari durante la loro vita. Il periodo di recupero è molto più breve, variando da 5-8 anni in media. Come potete vedere, anche se i costi di riscaldamento e raffreddamento geotermico possono essere alti inizialmente, si ripagano nel lungo periodo.

Dovreste Considerare i Sistemi Geotermici?

Assolutamente sì. I risparmi energetici e i tagli alle emissioni ottenuti attraverso i sistemi geotermici li rendono una proposta attraente. Anche se i sistemi geotermici non forniscono il pacchetto completo, possono essere usati come sistemi supplementari.

La scelta finale dipende dalla vostra situazione specifica: se è una casa nuova o vecchia, le capacità di riscaldamento e raffreddamento richieste e molto altro. Anche le finanze devono essere prese in considerazione. I costi della pompa di calore geotermica possono sembrare proibitivi. Ma, come sempre, con i sistemi HVAC, assicuratevi di consultare un professionista esperto prima di spendere i vostri soldi!