La pompa di calore è un sistema termodinamico in grado di trasferire calore da un ambiente freddo a uno più caldo in inverno, e viceversa in estate. Un dispositivo sempre più utilizzato anche in ottica di un’edilizia più sostenibile.
Tipologie di Pompe di Calore
Le pompe di calore si suddividono in 2 principali categorie: quelle che utilizzano l’aria come fluido termovettore (aria/aria o aria/acqua), quelle che sfruttano l’acqua (acqua/acqua o acqua/aria). La tipologia più comune prevede l’uso dell’aria come fluido termovettore. Queste pompe di calore, dette aria/aria o aria/acqua, sono molto diffuse perché economiche e versatili.
Tuttavia, presentano dei limiti: l’efficienza delle pompe di calore è massima quando la differenza di temperatura tra l’aria esterna (sorgente fredda) e l’ambiente da riscaldare (pozzo caldo) è ridotta. Quando invece il divario termico aumenta, soprattutto nelle giornate più fredde, l’efficienza diminuisce.
Esistono però altre tipologie di pompe di calore che sfruttano l’acqua come fluido termovettore (acqua/acqua o acqua/aria). Questi sistemi sono generalmente più stabili ed efficienti rispetto a quelli ad aria, perché l’acqua mantiene in natura un range di temperatura molto più ristretto e, in inverno, non scende mai sotto gli 0°C. Questa caratteristica garantisce prestazioni elevate e costanti, riducendo il consumo di energia elettrica e, di conseguenza, i costi operativi.
Un’altra tipologia di pompa di calore acqua/acqua o acqua/aria è quella che sfrutta l’energia termica del terreno, una soluzione particolarmente vantaggiosa dal punto di vista dell’efficienza energetica. La temperatura sotto terra, a una certa profondità, rimane costante tutto l’anno e non è influenzata dalle variazioni stagionali. Questo consente alla pompa di calore di mantenere prestazioni elevate in modo costante, con conseguenti risparmi energetici ed economici. In questo caso si parla di pompa di calore geotermica.
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Pompa di Calore Geotermica: Cos'è e Come Funziona
La pompa di calore geotermica è un sistema capace di generare calore attraverso l’utilizzo del calore naturalmente presente nel terreno o nelle acque di falda nelle vicinanze di un’abitazione. Un impianto geotermico è un sistema progettato per sfruttare l’energia termica naturalmente presente nel terreno. Questo sistema consente un riscaldamento efficiente durante l’inverno, un raffrescamento efficace durante l’estate e la produzione di acqua calda per uso sanitario.
Uno dei componenti che costituiscono l’impianto geotermico è la pompa di calore geotermica. Il principio di funzionamento di una pompa di calore geotermica è essenzialmente analogo a quello di una qualsiasi pompa di calore. Una pompa di calore estrae calore da una sorgente esterna all’edificio e lo ottimizza per il riscaldamento interno. Nel caso specifico della pompa di calore geotermica, la fonte di calore proviene dalle acque sotterranee o direttamente dal terreno ad una certa profondità.
Questo processo avviene attraverso un sistema di tubazioni speciali, note come sonde geotermiche, che raggiungono profondità considerevoli. All’interno di queste tubazioni, una miscela di acqua e antigelo scorre con l’obiettivo di assorbire il calore ambientale. In sostanza, l’acqua scende nelle tubazioni fredda e ritorna in superficie riscaldata.
Una volta raggiunta una temperatura sufficientemente elevata, l’acqua innesca il cambio di stato da liquido a gassoso di un liquido refrigerante speciale. Il vapore generato viene quindi compresso da un compressore alimentato ad energia elettrica o a gas con l’obiettivo di aumentare la pressione e provocare un repentino aumento della temperatura.
La temperatura risultante risulta sufficientemente alta da poter essere utilizzata per riscaldare l’acqua necessaria all’impianto di riscaldamento e per la produzione di acqua calda sanitaria.
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Tipologie di Pompe di Calore Geotermiche
Le pompe di calore geotermiche si suddividono in due principali tipologie, a seconda della fonte primaria di energia utilizzata:
- Pompe di calore geotermiche terra-acqua: Questo tipo di pompe di calore trae la sua fonte di energia primaria dal calore presente nel terreno
- Pompe di calore geotermiche acqua-acqua: Queste pompe di calore utilizzano come fonte di energia principale il calore contenuto nell'acqua di falda
Le pompe di calore geotermiche possono essere di due tipi diversi a seconda di qual è la fonte di energia primaria del calore:
- pompa di calore acqua-acqua: se la fonte è il calore dell’acqua di falda;
- pompa di calore terra-acqua: se la fonte è il calore della terra.
Se la fonte primaria di energia è l’acqua, si ha un sistema aperto, con un pozzo di presa dell’acqua calda e uno per la resa dell’acqua fredda. Nel caso in cui la fonte è il terreno, il sistema è detto chiuso e lo scambio si ha tra i tubi interrati e il fluido contenuto nelle sonde geotermiche.
Pompa di Calore Geotermica Acqua-Acqua
La pompa di calore geotermica acqua-acqua è un sistema che sfrutta le risorse idriche delle falde acquifere sotterranee come fluido termovettore. Per realizzare ciò, è essenziale condurre analisi sull’acqua estratta per individuare eventuali sostanze dannose a lungo termine per l’impianto, come sali o contaminanti.
Il funzionamento di una pompa di calore acqua-acqua avviene nel seguente modo. L’acqua di falda viene estratta da un pozzo mediante una pompa di pesca e convogliata verso la pompa di calore. Se è presente un fluido termovettore diverso dall’acqua stessa, questo assorbe il calore e passa dalla fase liquida a quella di vapore. Il vapore attraversa il compressore, il quale, mediante compressione, incrementa la sua temperatura.
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L’alta temperatura generata viene impiegata per la produzione di acqua calda sanitaria o per alimentare il sistema di riscaldamento dell’edificio. Una volta utilizzato, il fluido termovettore, ormai raffreddato, ritorna al suo stato liquido originario. L’acqua, ora fredda, viene reinserita nei pozzi di assorbimento o iniezione e ritorna nel sottosuolo. Questo ciclo si ripete continuamente finché la pompa di calore rimane attiva e operativa.
Pompa di Calore Geotermica Terra-Acqua
La pompa di calore terra acqua sfrutta il calore del terreno attraverso sonde geotermiche, utilizzando un liquido termovettore composto da acqua e anticongelante. Questo liquido assorbe il calore ambientale, vaporizza un liquido refrigerante e il vapore risultante viene compresso per aumentare ulteriormente la temperatura.
Il calore così generato viene trasferito all’interno dell’edificio, dove può essere utilizzato per riscaldamento o produzione di acqua calda sanitaria. Il sistema, che comprende pompa di calore, accumulo e bollitore, costituisce una centrale termica.
Configurazioni di un Sistema Chiuso
Nel caso in cui la fonte primaria sia il terreno, si parla di sistema chiuso. In un sistema chiuso, non vi è prelievo diretto, ma solo uno scambio termico per conduzione tra le pareti delle tubazioni interrate e il fluido termoconvettore presente all'interno delle sonde.
Un sistema chiuso può assumere diverse configurazioni:
- Sonde verticali: In questa configurazione, vengono creati pozzi di diametro ridotto e profondità variabile, all'interno dei quali sono inserite sonde in polietilene ad alta densità (HDPE). Le sonde geotermiche verticali effettuano lo scambio termico lungo tutta la lunghezza della perforazione con il sottosuolo
- Sonde orizzontali: Le tubazioni in polietilene ad alta densità (HDPE) sono collocate in scavi o trincee, scavate a una profondità massima di 2 metri. Questa tipologia di sistema richiede ampie superfici prive di costruzioni
- Geostrutture: Questo sistema è impiegato quando è necessario aumentare la portanza strutturale del terreno.
Il sistema prevede l’installazione di una serpentina a contatto con il terreno, opportunamente dimensionata per estrarre calore sufficiente per il riscaldamento geotermico gli ambienti interni.
Sonde Orizzontali
Questa soluzione è più economica e semplice da realizzare, con la serpentina disposta a una profondità compresa tra 1 e 5 metri.
Sonde Verticali
In questo caso, le sonde geotermiche vengono posizionate verticalmente, richiedendo macchinari specifici per gli scavi, il che comporta costi maggiori.
Per il trasferimento di calore, si utilizza spesso l’acqua come fluido termovettore, poiché ha un impatto ambientale nullo. Tuttavia, l’acqua presenta dei limiti: in inverno, la temperatura del terreno non deve scendere sotto gli 0°C, per evitare il congelamento.
Vantaggi delle Pompe di Calore Geotermiche
Le pompe di calore geotermiche offrono una serie di vantaggi:
- sfruttano il calore presente nel terreno o nelle falde acquifere nelle vicinanze dell’edificio per la produzione di calore;
- garantiscono una prestazione costante durante tutto l’anno, poiché attingono da fonti di calore il cui livello di temperatura è sostanzialmente invariato indipendentemente dalle condizioni atmosferiche;
- presentano un elevato coefficiente di prestazione che riduce significativamente il consumo energetico;
- se integrata con un impianto fotovoltaico, la pompa di calore può diventare particolarmente vantaggiosa in quanto integra l’energia elettrica necessaria per il suo funzionamento che può essere autoprodotta attraverso la produzione di energia solare.
- Gli aspetti che solleticano molto interesse inoltre sono, la maggior indipendenza dalle risorse non rinnovabili e dall'altalena dei loro prezzi; nessun rischio d'incendi e di emissioni nocive e quindi zero emissioni di anidride carbonica; impianti silenziosi che non creano disturbo.
- Un grande vantaggio delle pompe di calore geotermiche è il free cooling. Nelle stagioni intermedie, come primavera e autunno, è possibile sfruttare direttamente la temperatura del terreno per raffreddare l’ambiente interno, bypassando il funzionamento della pompa di calore stessa, un po’ come accade nei sistemi di ventilazione meccanica.
- Oltre alla longevità, tra gli altri vantaggi troviamo il fatto che è silenziosa e poco impattante sul paesaggio.
- Inoltre, non ci sono prodotti di scarto, in quanto il vapore viene trasformato in acqua pulita che può tranquillamente essere reimmessa nel terreno per un nuovo ciclo. Tutto ciò assicura efficienza e vantaggi economici interessanti.
- E' doveroso ammettere che l'impianto geotermico è in grado di contenere i costi anche dell'80% rispetto ad un impianto tradizionale.
- Inoltre, hanno un livello di efficienza molto elevato e a parità di livello di comfort interno, la quantità di energia consumata per raggiungerlo è davvero ridotta rispetto ad altre soluzioni. Questi impianti lavorano in modo ottimale durante tutto l’anno, assicurando riscaldamento, raffrescamento e acqua calda sanitaria.
Svantaggi delle Pompe di Calore Geotermiche
Tuttavia, esistono anche degli svantaggi.
- Il primo è il costo di installazione, che può arrivare a essere il doppio rispetto a una pompa di calore aria/aria. Nonostante ciò, i tempi di ritorno dell’investimento tendono a non essere troppo lunghi grazie all’elevata efficienza della tecnologia.
- Un altro problema riguarda la manutenzione: in caso di guasti, la sostituzione di una sonda geotermica posta a diverse decine di metri di profondità può risultare molto costosa.
- Infine, c’è la questione legislativa. A livello europeo, manca una normativa unificata per l’installazione delle pompe di calore geotermiche, e in molti paesi non esistono standard o linee guida per i progettisti.
- Il principale svantaggio di una pompa di calore è legato alla complessità dell’installazione, la quale contribuisce in modo significativo ad aumentare i costi complessivi del sistema.
- L’installazione delle sonde geotermiche richiede la perforazione del terreno e la realizzazione di pozzi profondi, spesso raggiungendo anche i 150 metri e raramente meno di 50 metri. Questo processo può richiedere l’ottenimento di autorizzazioni specifiche dal Comune, soprattutto se l’edificio è situato in un’area soggetta a vincoli urbanistici.
- Un primo svantaggio delle pompe geotermiche sono gli alti costi di realizzazione, dovuti soprattutto alla necessità di realizzare pozzi e scavi molto gravosi per la loro messa in funzione.
- Un secondo aspetto riguarda il loro utilizzo: la pompa di calore geotermica andrebbe infatti usata sia per riscaldare d’inverno che per raffrescare d’estate. Se viene sfruttata solo per il riscaldamento è facile che con gli anni venga impoverito il terreno e questo si geli, portando la pompa di calore a funzionare male o addirittura a non funzionare del tutto.
- L'odore sgradevole che si erge dalle centrali geotermiche, dovuto in primis dall idrogeno solforato; altro problema è l'impatto che le centrali geotermiche possono avere sul paesaggio, dal momento che ogni centrale fa uso di una serie di importanti tubature non molto belle da vedere, ma ciò potrebbe essere ovviato da bravi ingegneri ambientali.
Quindi, gli svantaggi principali di una pompa di calore geotermica possono essere così riassunti:
- installazione complessa: la procedura di installazione è complessa e richiede interventi invasivi nel terreno;
- costo elevato: i costi complessivi sono significativamente più alti a causa della complessità dell’installazione;
- pratiche burocratiche: spesso sono necessarie autorizzazioni e pratiche burocratiche, specialmente in aree soggette a regolamentazioni specifiche.
Costi di un Impianto Geotermico con Pompa di Calore
Una pompa di calore geotermica può avere costi importanti. Come detto in precedenza, ciò che incide notevolmente non è tanto l’acquisto e l’installazione del macchinario principale, ma piuttosto la realizzazione degli scavi e la posa delle sonde nel terreno. Inoltre, come per tutte le altre tipologie di pompe di calore il costo dipende sempre dalla qualità dei componenti utilizzati, dal fornitore e dal suo COP (coefficiente di prestazione) da cui dipende la resa energetica.
Il costo dipende dalla dimensione dell’edificio, dalla potenza richiesta e dalla tipologia di terreno. In media, per una casa di circa 100 m², un impianto geotermico può costare tra i 15.000 e i 25.000 euro. La voce di spesa più rilevante non è la pompa di calore in sé, ma la perforazione e la posa delle sonde. A queste cifre possono aggiungersi eventuali oneri autorizzativi e pratiche burocratiche.
Incentivi e Agevolazioni Fiscali
Favorire l’efficientamento energetico degli edifici e la diffusione dell’energia rinnovabile è una priorità per il Governo, anche per garantire il raggiungimento dei target di sostenibilità fissati a livello europeo. Inoltre, agevolare gli investimenti privati rimane senza dubbio una strategia valida per favorire un reale cambiamento.
Per questi motivi, ancor prima delle più stringenti e recenti normative, si era già iniziato a incentivare tutte quelle soluzioni che permettessero il recupero degli edifici esistenti. Ciò vale anche per le pompe di calore geotermiche, se installate in occasione di un intervento di riqualificazione energetica.
Fino alla fine del 2024, l’Ecobonus prevede una detrazione pari al 65% della spesa sostenuta per l’installazione dell’impianto, restituita sottoforma di detrazioni IRPEF in dieci quote annuali di uguale importo.
Un’alternativa, poi, è il Conto Termico 2.0, gestito dal GSE, che incentiva interventi di riqualificazione energetica sostenuti da PA e privati. Tra le spese ammesse c’è anche la sostituzione dell’impianto di climatizzazione esistente con una pompa di calore, anche geotermica. In questo caso l’incentivo varia e viene calcolato tramite apposita formula, che considera la potenzialità dell’intervento e l’energia termica annua prodotta.
Nel primo caso si ottiene un vero e proprio contributo economico per l’acquisto e l’installazione, nel secondo caso di beneficia dell’agevolazione mediante le detrazioni fiscali.
Tabella riassuntiva: Vantaggi e Svantaggi delle Pompe di Calore Geotermiche
| Vantaggi | Svantaggi |
|---|---|
| Elevata efficienza energetica | Costi di installazione elevati |
| Basse emissioni di CO2 | Complessità dell'installazione |
| Costi operativi ridotti | Necessità di permessi e autorizzazioni |
| Fonte rinnovabile e gratuita | Manutenzione potenzialmente costosa |
| Lunga durata |
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