Geotermia ed Ambiente

Qui di seguito un interessantissimo documento dell'Ing. Silvano Robur scritto per MondoElettrico. Ringraziamo vivamente l'autore per il contributo e l'autorizzazione alla pubblicazione.


Il termine geotermia richiama alla nostra memoria rimembranze scolastiche relative ai soffioni di vapore ad alta pressione e temperatura attivi in Toscana in località Lardarello e sfruttati attivamente per la produzione di energia elettrica.
Tale richiamo è limitativo rispetto al notevole spettro di utilizzazione della geotermia in campo energetico. Non dobbiamo limitarci a pensare alla risorsa geotermica a getti di vapore che fuoriescono dal sottosuolo. Il terreno è di per sé una risorsa energetica grazie alla notevole massa termica inerziale mantenuta ad una temperatura pressochè costante. A tre metri di profondità la temperatura del terreno si mantiene ad una temperatura praticamente costante di 14 gradi. E’ una temperatura già sufficiente per essere utilizzata per riscaldare acqua per sciogliere la neve che ricopre le nostre strade. Ma vi sono altre applicazioni già abbondantemente applicate nell’edilizia storica. In un’epoca in cui il frigorifero non era nemmeno nella fantasia dei filosofi dell’epoca ci si affidava alla conservazione dei cibi alle cantine ricavate nelle fondamenta degli edifici. Ampi spazi in cui venivano conservate le provvidenze a temperature non superiore a 10 gradi. Nei periodi più caldi le cantine avevano nel loro mezzo vasche riempite di acqua e sale la cui evaporazione assorbiva calore dall’ambiente circostanze, pur a discapito di un aumento dell’umidità relativa dell’aria. L’aria fresca nelle afose giornate estive veniva richiamata dalle cantine a tutta la casa attraverso l’effetto camino prodotto dal surriscaldamento delle tegole del tetto che richiamava il flusso dalle finestre poste nel sottotetto o da camini di elevata massa e sezione. A ciò era abbinato un uso intelligente dell’abitazione. Nelle assolate giornate estive le finestre investite dal sole venivano chiuse facendo filtrare dalle persiane la luce sufficiente ad illuminare gli ambienti. I nipoti che solo si azzardavano ad aprire le finestre poste sul lato più assolato della casa venivano investite da una indimenticabile scarica di scapaccioni ! Le finestre dei sottotetti ed i camini di aereazione deputati al richiamo di aria fresca dalla cantina veniva mantenuti aperti. Nelle fredde giornate invernali le finestre a sud erano tenute aperte per massimizzare l’effetto serra. Le finestre dei sottotetti ed i camini di aereazione venivano chiuse per evitare il richiamo di aria fredda dalla cantina. Di questi meccanismi a costo ambientale ed energetico nullo poco è rimasto. I nipoti, ormai dimentichi degli pedagogici scapaccioni ricevuti, avuti in eredità gli immobili hanno provveduto a trasformare le cantine in autorimesse, chiudere le condotte dell’aria, mansardare i sottotetti, installare potentissimi condizionatori d’aria. Uno scempio !!!
Ebbene, anche l’uso intelligente di cantine, è geotermia ! Sempre per rinfrescare oggi abbiamo delle ottime applicazione per il raffeddamento delle cabine contenenti apparati elettronici. Le Ferrovie del Sud Tirolo, tratta Merano – Malles, offrono un magnifico esempio. Durante i lavori di installazione delle cabine contenenti gli apparati elettronici hanno provveduto ad interrare insieme ai cavi anche due tubi vuoti direttamente comunicanti con l’esterno. Questi tubi vuoti servivano a condurre aria, a mezzo di un ventilatore, dall’esterno verso la cabina facendola raffreddare attraverso il terreno. Nei mesi più caldi la temperatura dell’aria non superava i 20 gradi. Con un ventilatore di 400 W (assorbiti dalla linea elettrica) è possibile dissipare la potenza termica prodotta dagli apparati elettronici di 4000 W. Fatevi due conti !!! Normalmente per dissipare questa potenza vengono utilizzati energivori condizionatori d’aria. Fin qui ho esposto come possiamo usare la risorsa geotermica per rinfrescare o raffreddate ambienti od apparati. Possiamo pensare sempre di utilizzare la massa termica inerziale del terreno posta a 14 gradi costante per riscaldare i nostri ambienti. I 14 gradi sono certo insufficienti. Volendo utilizzare un fluido termovettore quale l’acqua dovremmo utilizzare alcuni accorgimenti di facile e collaudata realizzazione. Invece di usare termosifoni, che utilizzano acqua di alimentazione ad 80 gradi, dobbiamo utlizzare pannelli radianti a bassa temperatura, a 30 gradi. Qualcuno, preso da terrore da ipotermia, può farmi osservare che un termosifone alimentato a 80 gradi scalda più di un pannello radiante alimentato a 30 gradi.
Faccio osservare che qui intervengono due fattori :

a) La superficie di scambio.

b) Il meccanismo di scambio termico.

a) Un termosifone ha una superficie di scambio molto piccola rispetto all’ambiente da riscaldare. Ecco perché ha bisogno di alte temperature per essere alimentato ! Un pannello radiante ha una superficie di scambio termico pari alla superficie dell’ambiente da riscaldare. Infatti vengono inseriti immediatamente al di sotto del rivestimento del pavimento. Il rapporto rispetto al termosifone è, come minino, da 1 a 10.

b) Il meccanisno dello scambio termico è diverso. Nel termosifone viene prima riscaldata l’aria per conduzione, poi il calore viene ceduto all’ambiente circostante per convezione. Qundi il calore passa dall’ambiente al corpo umano. Grosso modo la quantità di calore ceduta è proporzionale alla differenza della temperatura tra il termosifone e l’aria dell’ambiente. Nel pannello radiante a pavimento lo scambio termico avviene per radiazione tra la massa radiante (il pannello) ed il corpo umano. Lo scambio è più efficiente perché avviene direttamente con il corpo umano senza quei passaggi intermedi richiesti dal riscaldamento a termosifone. Lo scambio di calore è proporzionale (….. udite, udite !!!!) alla differenza tra le temperature elevate alla quarta del pannello radiante ed il corpo umano. Ecco perché è un sacco più efficiente del termosifone. Il sistema del riscaldamento a pavimento è conosciuto da almeno 3000 anni. Lo usavano i Babilonesi ed adottato dai Romani (ipocausto)[esempio di ipocausto romano nell'immagine in alto]. Le tecnica utilizzata allora consisteva nel far passare sotto il pavimento del fumo caldo prodotto dalla combustione di legna. Esistono alcuni esempi ancora funzionalti in un convento dell’alto Metauro che mi sono riproposto di visitare quanto prima.

Finita la descrizione sulla metodologia di scambio termico più idoneo mi manca di esporre come fare ad ottenere calore a 40 gradi quando il terreno mi fornisce il calore a 14 gradi. Possiamo farlo con una pompa di calore alimentata elettricamente. Se io alimento una pompa di calore con 1 kW di energia elettrica ricavo circa 3 kW di energia termica. 2 kW mi vengono regalati dal terreno !!! Se alimentassi una resistenza elettrica con 1 Kw di energia ricavo solo 1 Kw di riscaldamento. Mi sembra chiaro che il rendimento di una pompa di calore è maggiore del calore prodotto, sempre elettricamente, da una resistenza elettrica. Se abbinassimo una pompa di calore con dei pannelli fotovoltaici ecco che avremmo ottenuto una casa energeticamente indipendente. Per la cottura dei cibi possiamo utilizzare delle piastre ad induzioni facendo così anche a meno del gas metano. Mi si potrebbe obbiettare : ma se utilizzassimo la pompa di calore per alimentare i termosifoni ? Funzionerebbe ugualmente ma a discapito del rendimento che nel caso di pompe di calore si abbasserebbe notevolmente. Per fare un esempio, per produrre liquido termovettore a 45 gradi partendo da un terreno posto a 14 gradi avrei un Coefficiente di Effetto Utile superiore a 3. Significa spendendo 1 di energia ne ricavo 3. Per produrre un fluido termovettore a 80 gradi il Coefficiente di Effetto Utile mi crolla a 1.4. Spendo 1 di energia, ne ricavo solo 1.4. Ora concludo sulle modalità di captazione del calore dal sottosuolo. Principalmente vengono utilizzate sonde geotermiche verticali, formate da tubi con profilo ad U. La potenzialità geotermica di un terreno dipende dalla sua conducibilità. Più il terreno ha una conducibilità alta, maggiore è il suo potenziale geotermico. Per terreni saturi d’acqua possiamo avere potenzialità da 80 W/m fino a scendere a valori di poco superiori a 30 W/m. Se la conducibilità del terreno è bassa, invece delle sonde geotermiche verticali possono essere utlizzate sonde geotermiche orizzontali. Esse vengono diposte orizzontalmente a circa 1 o 2 metri di profondità per una superficie pari a quella da riscaldare.

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