Cuncepimentu è efficienza di i sistemi di pompa di calore geotermica
Una pompa di calore geotermica (GSHP) hè una tecnulugia di riscaldamentu è raffreddamentu di l'edifici chì utilizza a temperatura stabile di u terrenu cum'è fonte o dissipatore di calore. In parechje regioni, a temperatura di u terrenu à una certa prufundità ferma relativamente costante durante tuttu l'annu paragunata à l'aria esterna. Questu permette à e pompe di calore geotermiche di funziunà in modu più efficiente chè i sistemi HVAC cunvenziunali, in particulare in i climi cù forti differenze stagiunali. Questu articulu discute i principii di funziunamentu, l'opzioni di cuncepimentu, i fattori di efficienza è e cunsiderazioni pratiche per assicurà un sistema veramente efficiente in termini di energia è affidabile.
U principiu di funziunamentu di una pompa di calore geotermica
Essenzialmente, una pompa di calore hè un "trasferitore" di calore, micca un "creatore". U sistema trasferisce u calore da una fonte di temperatura più bassa à una fonte di temperatura più alta utilizendu un compressore è un refrigerante. In modu di riscaldamentu, u calore hè prelevatu da a terra (via u fluidu circulante in u circuitu di terra), poi a so temperatura hè aumentata è distribuita in tuttu l'edifiziu. In modu di raffreddamentu, u trasferimentu di calore hè inversu: u calore da l'internu hè eliminatu è dissipatu in terra.
A basa di l'efficienza di u GSHP si trova in temperature di u terrenu più stabili. Quandu a temperatura di l'aria esterna hè assai fredda, u sistema aria-aria (fonte d'aria) deve estrarre u calore da l'aria fredda, furzendu u compressore à travaglià di più. À u cuntrariu, u terrenu à una prufundità di parechji metri ferma relativamente caldu, risultendu in un aumentu di a temperatura di funziunamentu più chjucu, riducendu u cunsumu d'elettricità di u compressore.
Cunfigurazione di u disignu di u sistema: circuitu di terra
L'elementu di cuncepimentu u più cruciale in una GSHP hè u scambiatore di calore basatu in terra, tipicamente un tubu di polietilene d'alta densità (HDPE) chì forma un circuitu chjusu o un sistema apertu. A scelta di a cunfigurazione hè influenzata da a superficia di u terrenu, e cundizioni geologiche, a dispunibilità di l'acqua sutterranea è a capacità di riscaldamentu è di raffreddamentu necessaria.
1) Sistema à circuitu chjusu
a. Ciclu urizzuntale
I tubi sò interrati orizzontalmente à una prufundità di circa 1-2 metri (secondu u clima è e regulazioni). I vantaghji includenu costi di perforazione più bassi, adattabilità per grandi superfici è relativa facilità di funziunamentu. I svantaghji includenu a necessità di grandi superfici è un impattu più grande nantu à e prestazioni per via di e fluttuazioni stagionali di a temperatura di u terrenu superficiale. I terreni secchi o rocciosi ponu riduce e capacità di dissipazione/assorbimentu di u calore.
b. Ciclu verticale
U tubu hè inseritu in un foru di trivellazione verticale (per esempiu, da decine à centinaie di metri), di solitu in una cunfigurazione di curvatura à U. Questu hè cumunu per i terreni limitati in e zone urbane è furnisce temperature di u terrenu più stabili. L'inconveniente hè u costu iniziale più altu per via di a necessità di perforazione è stuccatura (riempimentu cù materiale conduttivu per assicurà un bon cuntattu termicu cù a furmazione di u terrenu / roccia). Tuttavia, e prestazioni tendenu à esse consistenti è l'impronta terrestre hè minima.
c. Circuitu di stagnu/lagu
S'ellu ci hè un stagnu o un lavu di prufundità sufficiente, a serpentina di u tubu pò esse immersa. I costi ponu esse più bassi cà a perforazione, è l'eccellente trasferimentu di calore di l'acqua migliora e prestazioni. I limiti includenu a necessità di un corpu d'acqua adattatu, permessi ambientali è prutezzione contr'à danni meccanichi o cambiamenti in a qualità di l'acqua.
2) Sistema à circuitu apertu
Stu sistema pompa l'acqua sottuterranea o superficiale, estrae/aghjunghje calore per mezu di un scambiatore di calore, è dopu scarica l'acqua in un pozzu di ricarica o in un corpu d'acqua. L'efficienza pò esse alta per via di u scambiu di calore direttu cù l'acqua, ma u cuncepimentu hè più cumplessu per via di i requisiti di permessi, a putenziale incrustazione/corrosione, i risichi di contaminazione è a dispunibilità di un flussu d'acqua stabile. Micca tutti i lochi sò adatti per sta opzione.
Cumponenti chjave è decisioni di cuncepimentu
In più di u circuitu di terra, u GSHP hè custituitu da una unità di pompa di calore (compressore, evaporatore-condensatore, valvula di espansione), una pompa di circulazione di fluidi in circuitu di terra, un sistema di distribuzione in l'edifiziu è cuntrolli.
1. Fluidu di circuitu di terra
L'acqua è l'antigelu (glicole propilenicu o etanolu) sò generalmente mischiati in e zone à risicu di congelamentu. A scelta di a cuncentrazione di l'antigelu influenza a viscosità, i requisiti di putenza di a pompa è a capacità di trasferimentu di calore.
2. Pompa di circulazione è cuncepimentu idraulicu
U cuncepimentu di e tubazioni è di u cullettore determina a perdita di carica. Sè e tubazioni sò troppu chjuche o u percorsu hè intricatu, a putenza di a pompa serà alta, riducendu l'efficienza generale di u sistema. Dunque, i cuncettori devenu equilibrà u costu di e tubazioni cù u cunsumu energeticu di a pompa durante a so vita.
3. Sistema di distribuzione di calore/freddu in l'edifiziu
I GSHP funzionanu megliu in sistemi à bassa temperatura di l'acqua, cum'è pavimenti radianti o ventilconvettori cù temperature di mandata moderate. Per u riscaldamentu di l'acqua à alta temperatura (per esempiu, radiatori più vechji), e pompe di calore ponu funziunà à una temperatura di salita elevata, riducendu u COP. L'aghjustamentu di u disignu di distribuzione hè spessu chjave per u risparmiu energeticu.
4. Cuntrollu operativu è strategia
Un bon cuntrollu impedisce i cicli corti (frequenti accensioni è spegnimenti) è ottimizza a curva di u puntu di riferimentu. I termostati multistadio, i serbatoi tampone (per i sistemi idronici) è l'impostazioni di velocità variabile nantu à i compressori o e pompe ponu aumentà l'efficienza è u cunfortu.
Capisce l'efficienza: COP, EER è SPF
L'efficienza di a pompa di calore hè spessu espressa cum'è:
– COP (Coefficiente di Prestazione) per u modu di riscaldamentu: u rapportu trà l'energia termica prodotta è l'elettricità aduprata. Un COP di 4 significa chì ogni 1 kWh d'elettricità produce 4 kWh di calore.
– EER (Rapportu di Efficienza Energetica) per a modalità di raffreddamentu.
– SPF/SCOP (Fattore di Prestazione Stagionale): efficienza stagionale chì tene contu di e variazioni di carica, temperatura è funziunamentu reale. Questu indicatore hè spessu più pertinente chè u COP di laburatoriu.
In i GSHP, u COP hè tipicamente altu perchè a temperatura di a fonte (u terrenu) hè stabile. Tuttavia, l'esperienza finale di l'utente dipende assai da u disignu di u circuitu, a qualità di l'installazione è a cumpatibilità cù i carichi di l'edifiziu.
U fattore più determinante per l'efficienza
1. Cundizioni termiche di u terrenu è geologia
A cunduttività termica di u terrenu/roccia, l'umidità è a presenza di l'acqua sutterranea influenzanu significativamente u trasferimentu di calore. U terrenu umitu hè generalmente megliu cà u terrenu seccu. Certe furmazioni rocciose ponu esse assai cunduttive, beneficendu i disinni verticali.
2. Dimensione curretta di u circuitu di terra (dimensionamentu)
Un circuitu troppu chjucu pò purtà à fluttuazioni estreme di a temperatura di u fluidu, una diminuzione di u COP, è u risicu chì u sistema ùn righjunghji micca a capacità massima. Un circuitu troppu grande aumenta i costi iniziali. U dimensionamentu deve esse basatu annantu à u caricu di piccu annuale è i calculi energetichi, micca stime approssimative.
3. Adattà a capacità di l'unità à u caricu di l'edifiziu
L'unità sovradimensionate tendenu à avè cicli corti, riducendu l'efficienza è accelerendu l'usura. L'unità sottodimensionate spessu funzionanu à carichi elevati o necessitanu riscaldamentu ausiliariu, aumentendu i costi operativi.
4. Putenza di a pompa di circulazione (putenza parassita)
Spessu trascuratu, u cunsumu d'elettricità di e pompe di fluidu è di i soffiatori pò riduce l'efficienza generale di u sistema. Una bona cuncepzione idraulica, tubazioni adatte è pompe ad alta efficienza sò essenziali per mantene SPF.
5. Qualità di l'installazione è di a stuccatura (per verticale)
Un bon cuntattu termicu trà u tubu è a terra hè essenziale. A malta conduttiva riduce a resistenza termica. Una stallazione incorretta, perdite o cunnessione scadenti comprometteranu e prestazioni è aumenteranu u risicu di guastu.
6. Integrazione cù i sistemi d'acqua calda sanitaria (ACS)
Certi GSHP ponu riscaldà l'acqua domestica per mezu di un desurriscaldatore o di una modalità dedicata. Questu migliora l'utilizzazione di l'energia, in particulare quandu u sistema di raffreddamentu spreca calore chì puderia esse "raccoltu" per l'acqua calda.
Cunsiderazioni ecunomiche è di sustenibilità
U costu iniziale di una GSHP hè generalmente più altu ch'è quellu di un climatizzatore o di una caldaia cunvinziunale per via di i travagli di terra/perforazione implicati. Tuttavia, i costi operativi ponu esse più bassi è più stabili. Una bona analisi di fattibilità tene contu di:
– i prezzi di l'elettricità è di i carburanti alternativi,
– ore di funziunamentu annuali (profilu di carica),
– incentivi o crediti fiscali (s'ellu ci n'hè),
- i costi di mantenimentu è a durata di vita di l'attrezzatura,
– valore di cunfortu è riduzione di l'emissioni.
Da un puntu di vista ambientale, i GSHP ponu riduce significativamente l'emissioni, soprattuttu s'è l'elettricità hè ottenuta da fonti à bassu carbone. Inoltre, ùn ci hè micca combustione in situ, ciò chì riduce l'inquinamentu atmosfericu lucale è i risichi per a sicurezza ligati à u gasu.
E migliori pratiche di cuncepimentu
Per chì u sistema sia efficace, alcune pratiche cumunimenti raccomandate sò:
1. realizà un audit energeticu di l'edifiziu è migliurà l'involucru di l'edifiziu (isolamentu, perdite d'aria) prima di determinà a capacità,
2. Aduprate i calculi curretti di carica di riscaldamentu-raffreddamentu, micca solu a superficia di l'edifiziu,
3. Selezziunate a cunfigurazione di u circuitu secondu u terrenu è a geologia, è eseguite testi di risposta termica (per i grandi prughjetti),
4. dà priorità à a distribuzione di bassa temperatura (pavimentu radiante/serpentina adattatu),
5. ottimizà l'idraulica per minimizà a putenza di a pompa,
6. aduprà cuntrolli chì impediscenu i cicli corti è supportanu u funziunamentu variabile.
Penutup
A cuncepzione è l'efficienza di un sistema di pompa di calore geotermica sò largamente determinate da l'adeguatezza di trè fattori: e caratteristiche di u terrenu, i requisiti di carica di l'edifiziu è a qualità di l'ingegneria di u circuitu è di a distribuzione in l'edifiziu. Quandu sò cuncepite currettamente, e pompe di calore geotermiche offrenu una alta efficienza, un cunfortu stabile è u putenziale di risparmiu energeticu à longu andà. In mezu à a necessità di riduzioni di l'emissioni è di l'elettrificazione di u riscaldamentu, e pompe di calore geotermiche stanu diventendu una di l'opzioni più attrattive per l'edifizii muderni - residenziali, cummerciali o istituzionali - basta chì a so cuncepzione sia rigorosa è basata nantu à i dati.
