Venendo a conoscenza dei vantaggi offerti dall’energia presente sotto i loro piedi, i tecnici possono aprire un nuovo mondo di efficienza ai consumatori.

Le pompe di calore ad aria sono da molto tempo una componente importante dei sistemi di raffreddamento e di riscaldamento convenzionali ad uso domestico. Per i proprietari che vivono in climi che presuppongono un fabbisogno di raffreddamento e di riscaldamento moderato, le pompe di calore offrono un’alternativa efficiente dal punto di vista energetico alle caldaie e ai condizionatori, in inverno utilizzando un compressore, un condensatore e la serpentina di un evaporatore per rimuovere il calore dall’ambiente freddo esterno e portarlo all’interno.

Il processo si inverte in estate, in quanto la pompa di calore trasferisce il calore dall’interno della casa verso l’esterno.

Le pompe di calore a terreno utilizzano la stessa tecnologia e gli stessi componenti delle pompe ad aria, ma hanno un rendimento maggiore del 45%.

Entrambi i sistemi spostano, piuttosto che creare, il calore per assicurare un ambiente confortevole, le pompe di calore geotermici assorbono o dissipano l’energia del calore da o verso il terreno.

L’AVVIO

Come dice il nome stesso, una ASHP (pompa di calore ad aria) basa il suo fabbisogno di caldo o di freddo sulla temperatura esterna dell’aria, che può variare in modo significativo durante l’anno. Invece, una GSHP (pompa di calore geotermica) si basa sulla temperatura relativamente costante del terreno (13°C- 18°C) o dell’acqua sotterranea per trasferire l’energia del calore da e verso l’abitazione.

Secondo il DOE (Department Of Energy - USA), ciò permette al sistema geotermico di raggiungere un’efficienza che va dal 300% al 600% in caso di inverni molto freddi, contrapposto a quello delle pompe ad aria che va dal 175% al 250% nei giorni freddi. (Nota dell’editore: il DOE nota che il consumo minore del 25-50% di energia elettrica della GSHP rispetto al consumo dei sistemi di raffreddamento e di riscaldamento convenzionali, significa che le GSHP utilizzano un’unità di elettricità per spostare tre unità di calore. L’EPA (Environmental Protection Agency) afferma che le GSHP possono ridurre il consumo energetico, e le relative emissioni, fino al 44% se raffrontate alle ASHP e fino al 72% se raffrontate ad un sistema di riscaldamento a resistenza elettrica con un’unità standard di aria condizionata). Inoltre, una pompa di calore geotermica può essere utilizzata in condizioni climatiche più estreme rispetto a quelle delle pompe di calore ad aria.  (Nota dell’editore: Per esempio, le GSHP mantengono un’umidità relativa di circa il 50%, fatto che le rende molto efficienti nelle zone a clima umido).

Un sistema geotermico trae vantaggio dal fatto che le temperature del terreno sono più calde (in inverno) o più fresche (in estate) rispetto a quelle dell’aria circostante. Durante il ciclo di riscaldamento, il sistema assorbe il calore dal terreno utilizzando una tubatura continua sotto terra. Una GSHP, poi, trasferisce, il calore dal tubo sotto terra in un circuito refrigerante, che, poi, lo trasferisce all’interno dell’abitazione sotto forma di aria forzata o di acqua calda (trasferita attraverso una conduttura convenzionale o un sistema radiante a pavimento).

Nella funzione di raffreddamento, il processo si inverte. La GSHP trasferisce il calore dall’abitazione alla tubatura sotto terra e lo restituisce al terreno. Una volta che il calore viene rimosso, l’aria viene fatta circolare fredda e condizionata.

I PRO E I CONTRO

Nella maggior parte dei casi, una GSHP è un’unità indipendente, con un compressore, un condensatore, un evaporatore a serpentina e un diffusore (blower) combinati in una singola unità, in genere, installata all’interno. Tuttavia, vi sono anche i sistemi split, che presuppongono l’aggiunta di una serpentina ad una fornace ad aria forzata utilizzando lo stesso ventilatore.

I sistemi split sono caratteristici delle pompe di calore ad aria, con una batteria collocata all’interno del locale e un’altra all’esterno.

Le tubature dell’aria in ingresso e in uscita sono collegate ad un ventilatore centrale, che è generalmente collocato all’interno.

Come nel caso delle pompe di calore ad aria, i produttori di GSHP offrono diversi modelli a seconda delle varie applicazioni. Oltre a differenze nel design (sistemi monoblocco o split), le GSHP differiscono a seconda del loro utilizzo finale. Alcuni, come i sistemi a circuito aperto, possono essere utilizzati solo con acqua a terreno che abbia una temperatura elevata. Altri, funzionano a temperature dell’acqua in entrata di -4°C, come i sistemi a circuito chiuso. Le unità destinate ad un uso residenziale, tuttavia, operano ad una temperatura che va da -6 °C a 43°C, rendendole adatte a svariate applicazioni.

E’, dunque, possibile scegliere GSHP acqua-aria o acqua-acqua. Molte GSHP sono unità acqua aria che utilizzano un sistema convenzionale ad aria per distribuire l’aria raffreddata o riscaldata attraverso le condutture dell’abitazione.   Tuttavia sono disponibili anche le unità acqua-acqua. Queste pompe di calore forniscono soluzioni di riscaldamento/raffreddamento per applicazioni come il riscaldamento radiante a pavimento o il riscaldamento di una piscina; lo scioglimento della neve o del ghiaccio e applicazioni di acqua calda ad uso domestico.

Alcune GSHP sono in grado di soddisfare l’intero fabbisogno di acqua calda di un’abitazione. E’ possibile aggiungere un dispositivo per l’acqua calda e un dispositivo di desurriscaldamento alla maggior parte delle pompe di calore geotermiche; esso riscalda l’acqua prima che entri nel serbatoio dell’abitazione permettendo di risparmiare ulteriormente energia.

D’estate questo dispositivo utilizza il calore in eccesso, che altrimenti sarebbe trasferito al terreno, per riscaldare la maggior parte se non tutta l’ acqua di un’abitazione. In inverno e primavera, quando il dispositivo non produce altrettanto calore in eccesso, la casa può utilizzare la riserva o un boiler per riscaldare l’acqua. Secondo molti produttori, un sistema con una pompa di calore  geotermica è in grado di fornire dal 50 al 60% del fabbisogno annuale di acqua calda di una famiglia media. 

I modelli GSHP differiscono anche per i dati relativi alla loro efficienza, noti come COP e EER. Come caso degli ASHP (pompe di calore ad aria), l’efficienza delle GSHP è influenzata dalle componenti dell’unità e dal modo in cui viene controllata.

I compressori ad uno stadio, per esempio, sono progettati per operare ad una fase e ad una singola capacità di riscaldamento ( e raffreddamento). I compressori a più fasi, invece, operano a fasi e capacità multiple che aumentano o diminuiscono la velocità del compressore a seconda della richiesta di raffreddamento o di riscaldamento migliorando, durante questo processo, il rendimento a tutti i livelli.

Gli ECM influenzano anche l’efficienza della pompa di calore mantenendo una specifica velocità di rotazione, indipendentemente da ciò che succede all’interno della conduttura canalizzazione aria. In questo modo è possibile conservare energia, produrre poco rumore ed assicurare avvii lenti che permettono all’unità di durare più a lungo.

Uno dei fattori più importanti che influenzano l’efficienza dell’unità è la temperatura del terreno, inoltre, come per molte applicazioni HVAC, il corretto dimensionamento è fondamentale.

UN CORRETTO DIMENSIONAMENTO

Se una GSHP non è dimensionata correttamente non sarà energeticamente efficiente, silenziosa e duratura quanto dovrebbe. Se sovradimensionata, il ciclo di avvierà e si spegnerà con maggiore frequenza, riducendo il rendimento del sistema ed offrendo un benessere limitato. Invece, se sottodimensionata sarà in funzione più a lungo del necessario perché non è abbastanza grande da fornire la quantità necessaria di aria condizionata.

Un corretto dimensionamento inizia con il calcolo relativo al calcolo del carico termico (da una parte carichi termici interni, irraggiamento etc..  e dall’altra le dispersioni termiche) in una struttura al fine di prendere in considerazione tutti quei fattori che li influenzano. Il processo di dimensionamento non differisce da quello della pompa di calore ad aria, che include il calcolo del carico termico residenziale. Anche le condutture devono avere le giuste dimensioni basandosi sulla portata del sistema. La gamma delle canalizzazioni aria per un sistema geotermico va da 360 cfm a  400 cfm per una potenza di 3,6 kW (TON).. Infatti, la differenza maggiore tra l’ASHP e la GSHP non sta nell’impianto o nei passi richiesti per un dimensionamento corretto, ma nella tubatura sotto terra che permette al sistema di attingere all’energia rinnovabile gratuita immagazzinata sotto terra.

In questo sistema dal diametro ridotto, è possibile installare orizzontalmente o verticalmente  tubature sotterranee di polietilene nel terreno o in uno stagno. Queste tubature hanno una soluzione di alcool che non danneggia l’ambiente e che ha la funzione di trasferire l’energia del calore da o verso la struttura. La dimensione della tubatura dipende dal carico termico/ apporti di calore, dal tipo di impianto, dal tipo di terreno e di clima in cui viene installato il sistema. Molti produttori in questo settore offrono corsi di formazione e un software che aiuta ad effettuare i calcoli.

DIVERSE OPPORTUNITA’

Non deve essere difficile vendere e installare sistemi geotermici.   Se si trae vantaggio da questo aiuto e si lavora con un produttore che offre formazione e assistenza, è possibile passare dai sistemi ASHP (ad aria) tradizionali ai sistemi geotermici ad uso abitativo che utilizzano GSHP. Ciò permette ai gestori e ai tecnici di avere una posizione di rilievo in un mercato di proprietari eco consapevoli alla ricerca di sistemi altamente efficienti e poco inquinanti e di ottenere incentivi sotto forma di detrazione d’imposta e di piani di investimento che incoraggiano i sistemi geotermici.

FRASI RIEPILOGATIVE 

 Le pompe di calore geotermiche utilizzano la stessa tecnologia e le stesse componenti di quelle ad aria con un rendimento maggiorato del 45%.

La maggiore differenza tra una ASHP e una GSHP non sta nell’impianto o nei passi da seguire per dimensionare correttamente il sistema, ma nella tubatura sotto terra che permette al sistema di attingere all’energia rinnovabile gratuita immagazzinata sotto terra.