Impianti ad alta efficienza

fotovoltaico, pannelli solari, geotermia, impianti zero emissioniLa necessità di ridurre i consumi energetici negli edifici parallelamente alla questione ambientale impone l’utilizzo di tecnologie innovative e configurazioni impiantistiche che integrino sistemi di generazione tradizionali con sistemi alimentati da energie rinnovabili.
Vogliamo innanzitutto sottolineare che non esiste un sistema impiantistico migliore di un altro, ma in accordo ad una progettazione interdisciplinare, esistono soluzioni impiantistiche che garantiscono una maggiore efficienza energetica correlata a un periodo di ammortamento dei costi sostanzialmente breve. Detto questo la nostra esperienza ci insegna che esistono numerosi fattori di carattere tecnico, economico e non ultimo legato alle esigenze degli utenti che determinano le scelte impiantistiche più appropriate del caso.
Gli impianti di climatizzazione hanno lo scopo di creare le condizioni idonee per il normale svolgimento dell’attività umana all’interno di un ambiente. La condizione di benessere viene correlata al valore di fattori quali:

  • temperatura dell’aria
  • temperatura media radiante
  • umidità relativa
  • velocità dell’aria
  • rinnovo dell’aria ambiente e filtrazione

In funzione dei parametri controllati gli impianti si distinguono in:

  • impianto riscaldamento
  • impianto di raffrescamento
  • impianto di ventilazione
  • impianto di temoventilazione (invernale,estiva)
  • impianti di condizionamento (invernale,estiva)

La scelta della tipologia dell’impianto di riscaldamento rappresenta un passo importante verso il traguardo di realizzare edifici a zero emissioni di CO2 . E’ opportuno qui fare alcune precisazioni su cosa si intende per edifici a zero emissioni di CO2. La produzione di materiali edilizi comporta il consumo di energia,di risorse naturali e spesso di acqua. Ridurre il consumo di energia grigia utilizzata durante i vari processi produttivi (collegamento LCA) significa limitare l’emissione di CO2.
Il legno per esempio è caratterizzato da processi di lavorazione piuttosto semplici, mentre l’acciaio richiede lavorazioni più complesse sia durante l’estrazione della materia prima sia in fase di trattamento. Tutti questi processi hanno un peso in termini energetici e di impatto ambientale.
L’energia tuttavia deve essere distinta a seconda che questa provenga o no da fonti rinnovabili. (collegamento materiali ecologici).

 

Vettore energeticotipologiaFattore emissioni CO2 equivalenti (kg/kWhfin)
Combustibile gas naturale 0,25
GPL 0,27
gasolio 0,31
legna 0,05
corrente elettrica rete nazionale 0,68
da fotovoltaico 0,25
impianto cogenerazione gas efficienza cog. 70% - 0,07

DIN V 4701 – 10

 

L’energia solare rappresenta la fonte rinnovabile che in assoluto ha il minor impatto ambientale. È importante sottolineare che non basta utilizzare le energie rinnovabili per costruire un edificio a zero emissioni di CO2 infatti un impianto fotovoltaico per funzionare ha bisogno, seppur di piccole quantità, di energia per funzionare così come un impianto geotermico necessità di energia per far funzionare le pompe di calore. Tuttavia se l’energia richiesta dalle pompe viene prodotta dall’impianto fotovoltaico realizzo un sistema a zero emissioni CO2.
I pannelli solari costituiscono ad oggi la tecnologia più semplice ed economica da installare per la produzione di acqua calda sanitaria e come contributo al riscaldamento. Anche la scelta di installare un impianto fotovoltaico rappresenta un buon investimento soprattutto alla luce della riduzione dei tempi di ammortamento dei costi iniziali e alle differenti forme di incentivazione fiscale.
Tralasciando i dettagli di quelle tecnologie che sono ormai entrate in maniera più o meno diffusa nella pratica edilizia voglio soffermarmi su alcune tipologie impiantistiche che ad oggi trovano uno scarso interesse sul mercato.

 

Geotermia. La terra come fonte di calore

L’utilizzo dell’energia termica contenuta nel sottosuolo è una pratica antica, già i romani costruivano le loro terme in aree dove era possibile sfruttare le proprietà terapeutiche delle sorgenti naturali di acqua calda.
L’energia geotermica è una fonte rinnovabile, dove la temperatura interna della crosta terrestre aumenta di circa 3 °C ogni cento metri di profondità (gradiente geotermico). Oltre lo sfruttamento diretto dei giacimenti di calore sotterranei (geotermia ad alta entalpia, temperature superiori a 100 C°), si intende comunemente anche l’insieme di tecnologie che utilizzano il terreno quale serbatoio termico per la climatizzazione degli edifici (geotermia a bassa entalpia, temperature < 100 C°).
I parametri che influenzano il dimensionamento di un impianto geotermico riguardano il tipo di terreno, in particolare la temperatura indisturbata e le caratteristiche termofisiche del sottosuolo (coduttività termica, diffusività…), la tipologia dello scambiatore di calore.

 

Tipologia terrenoConduttività (W/mK)Potenza specifica assorbita (W/m)Lunghezza sonda per unità di potenza termica resa da PdC con COP 3,5 (W/m)
roccia mobile secca < 1,5 20 36
roccia dura 1,5-1,3 50 14
ghiaia, sabbia asciutta <0,4 <20 >36
argilla, limo (umidi) <1,7 <30-40 >18-24
granito <3,4 <55-70 >10-13
calcare <2,8 <45-60 >12-16

 

Caratteristiche di un impianto geotermico

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Funzionamento pompa di calore geotermica durante il periodo invernale (tratto catalogo caleffi)

Un impianto geotermico è costituito da 3 elementi fondamentali:

  • un sistema di captazione del calore;
  • una pompa di calore elettrica;
  • un sistema di accumulo e di distribuzione del calore.

Lo scambio di calore nel sottosuolo avviene attraverso delle sonde di captazione che vengono immerse nel terreno a differenti profondità in funzione della quantità di energia che si vuole prelevare (periodo invernale) e cedere (periodo estivo). Ogni sonda generalmente è costituita da 2 tubi a forma di U in polietilene di diametro 20-40 mm all’interno dei quali scorre un fluido glicolato. Durante il periodo invernale, il terreno che ha una temperatura costante di 8-12 °C (maggiore alla temperatura dell’aria esterna), cede calore al fluido contenuto nei tubi e mediante una pompa di calore viene utilizzata per riscaldare gli ambienti interni. Tanto maggiore è la temperatura prelevata dal sottosuolo mediante le sonde tanto minore sarà il Δt a cui lavorerà la pompa di calore con conseguente miglioramento dell’efficienza energetica.
Durante il periodo estivo il ciclo viene invertito per creare un vero e proprio raffrescamento naturale: il calore accumulato all’interno dell’edificio viene così estratto e ceduto al terreno.

 

impianto geotermico, geotermia a sonde orizzontali

Impianto geotermico a sonde orizzontali

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Impianto geotermico a sonde verticali

In figura si possono vedere due configurazioni tipiche utilizzate per lo scambio termico con il terreno: a sonde termiche orizzontali e verticali. Quest’ultime si utilizzano in presenza di una richiesta di fabbisogno energetico elevato associato a spazi limitati (esempio in agglomerati urbani). Grazie alle maggiori profondità che si raggiungono, fino a 100 m è possibile ottenere uno scambio termico dell’ordine di 3 kW per ogni 100 metri lineare di sonda. Il sistema a sonde orizzontali consiste invece nella posa di uno o più tubi disposti parallelamente in trincee profonde 1 o 2 metri. È una soluzione relativamente più economica rispetto alle sonde verticali rispetto alle quali richiedono una maggiore superficie occupata e quindi più adatte per interventi in zone rurali.

 

Le pompe di calore sono delle macchine in grado di estrarre calore da sorgenti che si trovano a temperatura più bassa e trasferirlo a una sorgente a temperatura più alta e viceversa. Le pompe di calore sono alimentate a energia elettrica ed hanno un COP di 3÷4 ovvero per ogni kWh di energia elettrica consumata la pompa ne fornisce 3÷4 kWh di calore termico. L’impianto geotermico lavorando a certe temperature impone all’interno dell’unità abitativa un sistema di distribuzione del calore a bassa temperatura, come per esempio i pannelli radianti a pavimento (collegamento) o bocchette di ventilazione. Un sistema tipo radiante avendo una temperatura di mandata di circa 30-36°C richiede un impianto di potenza inferiore rispetto al tradizionale impianto con termosifoni e non necessita di alcun allacciamento alla rete del gas e di alcuna canna fumaria.

 

Il solo impianto geotermico è sufficiente per il riscaldamento di una casa?

Punto di partenza è realizzare involucro con buone prestazioni energetiche. In questo caso l’impianto geotermico generalmente è in grado di soddisfare la domanda energetica relativa al riscaldamento, raffrescamento e produzione di acs per edifici residenziali. Il nostro consiglio è rivolgersi sempre a dei professionisti del settore poiché una valutazione corretta dei fabbisogni energetici legati ad un corretto dimensionamento del sistema sono elementi fondamentali per assicurare la migliore resa di un impianto geotermico in termini economici e prestazionali.

 

Impianto geotermico a sonde orizzontali o verticali?

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Andamento della temperatura del suolo in funzione della profondità (Tratto da Robur)

I parametri che influenzano il dimensionamento di un impianto geotermico riguardano il tipo di terreno, in particolare la temperatura indisturbata e le caratteristiche termofisiche del sottosuolo (coducibilità termica, diffusività…), la tipologia dello scambiatore di calore.
Lo strato superficiale della crosta terrestre risente delle variazioni atmosferiche (radiazione solare, precipitazioni…) e di conseguenza, come evidenziato dal grafico, anche la sua temperatura. Tali scostamenti tuttavia si annullano a una profondità superiori a 20 metri dove la temperatura è considerata costante e il calore presente oltre questo strato è strettamente legato alle proprietà termiche delle rocce.
La maggioranza delle installazioni vengono pertanto realizzate con pozzi geotermici profondi circa 100 metri. Diversamente le sonde geotermiche disposte orizzontalmente richiedono uno scavo a circa 1–2 m di profondità quindi minor costo rispetto alle opere di trivellazione tuttavia necessitano di una vasta area superficiale dedicata. Questa tipologia di installazione risentendo delle fluttuazioni climatiche esterne è consigliata per soddisfare piccoli fabbisogni di energia.

 

Quanto costa installare un impianto geotermico?

La progettazione di un impianto geotermico implica la valutazione di numerose variabili che possono incidere non poco sul costo finale. Per una abitazione civile con un involucro ben isolato si stima un costo del 20-25% in più rispetto a un impianto tradizionale (caldaia e termosifoni).
Per un’abitazione di 100 m2, il costo dell’impianto a sonde geotermiche verticali (sviluppo 100 m) con pompa di calore reversibile idonea per la produzione di acqua calda sanitaria è di circa 20.000- 25.000 €. A questo si aggiunge il costo di un impianto a pannelli radianti a pavimento di circa 5000 €.

 

Quanto dura un impianto geotermico?

Gli impianti geotermici utilizza componenti che richiedono una bassa manutenzione. La vita utile stimata delle pompe di calore si aggira sui 20anni mentre le sonde geotermiche arriva fino a 80-100 anni. I pannelli radianti hanno un vita stimata in circa 20-30 anni.

 

Quali sono i vantaggi di un impianto geotermico?

La scelta di installare un impianto geotermico porta molteplici benefici sia dal punto di vista ambientale ed economico sia sul benessere degli individui.

 

AmbientaleEconomico
l’ energia geotermica è totalmente gratuita e indipendente dalle condizioni climatiche esterne l’energia geotermica non comporta alcun processo di combustione che si traduce in costi di esercizio inferiori del il 50-60% rispetto a un sistema di riscaldamento tradizionale
riduce le emissioni di inquinanti e di CO2 in atmosfera. Le uniche emissioni sono quelle derivate dal consumo di energia elettrica per il funzionamento della pompa di calore che in presenza di un impianto fotovoltaico si annullano. non inquina Con un unico impianto è possibile riscaldare d’inverno e raffrescare d’estate
  il raffrescamento d’estate è quasi gratuito

 

Ci sono forme di incentivazione fiscale?

Il recente DL n. 63/2013 che ha modificato la percentuale detraibile dal 55% al 65% ha escluso dalle detrazioni fiscali“… le spese per gli interventi di sostituzione di impianti di riscaldamento con pompe di calore ad alta efficienza ed impianti geotermici a bassa entalpia nonché le spese per la sostituzione di scaldacqua tradizionali con scaldacqua a pompa di calore dedicati alla produzione di acqua calda sanitaria”. Tuttavia un recente emendamento presentato al Senato a reinserito le pompe di calore e la geotermia tra gli interventi agevolabili al 65%.
Da ricordare che per accedere a tale agevolazione l’intervento deve configurarsi come sostituzione totale del vecchio impianto termico e non come nuova installazione e le pompe di calore oggetto di installazione devono garantire un coefficiente di prestazione (COP) e un indice di efficienza energetica (EER) nel caso l’apparecchio fornisca anche il servizio di climatizzazione estiva, secondo i valori minimi fissati nell’allegato I al DM 06.08.09.

 

Autorizzazioni necessarie per l’installazione

La competenza per questi impianti è regionale tuttavia le autorizzazioni necessarie all’installazione di sonde geotermiche è demandata in alcuni casi direttamente alle Province o ai Comuni. Per installazioni geotermiche che sfruttano come sorgente termica l’acqua di falda, la normativa che in Italia regola il settore prende a riferimento la legge nazionale in materia di acque e tutela del sottosuolo (testo unico ambientale D.lgs 152/2006).

 

La cogenerazione

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La cogenerazione è la produzione combinata di elettricità e energia termica a partire da un unico combustibile. Un impianto convenzionale termoelettrico solo un terzo si trasforma in energia elettrica (35%), mentre il resto (65%) viene ceduto al condensatore o disperso sotto forma di calore che, normalmente non viene utilizzato. Con la cogenerazione questa energia sprecata viene recuperata. In termini di risparmio energetico, il vantaggio della cogenerazione rispetto alla produzione separata di energia elettrica e termica, è stimato nell’ordine del 35 %.
Molto spesso la produzione di energia attraverso la cogenerazione viene abbinata al teleriscaldamento dove l’energia elettrica viene direttamente immessa nella rete di distribuzione e il calore attraverso una rete di distribuzione viene trasportato alle utenze localizzate in determinate aree. Differentemente nella cogenerazione diffusa, il calore viene prodotto e utilizzato direttamente presso l’utenza, che in genere consuma anche tutta l’energia elettrica autoprodotta.
componenti principali di un sistema di cogenerazione sono: il motore, il recuperatore, il sistema di generazione di energia elettrica, i sistemi ausiliari e di controllo.
Tra i sistemi cogenerativi possiamo distinguere 2 categorie:

  • il topping cycle (sistema superiore) – la produzione elettrica è effettuata con un ciclo termodinamico ad alta temperatura, dove l’energia primaria (il combustibile) viene convertita in lavoro meccanico e successivamente in energia elettrica. La frazione di energia non trasformata viene convertita in energia termica (calore utile)
  • bottoming cycle - prevede la generazione di lavoro (o energia elettrica) a valle e non dell’utilizzatore termico. Si parla di processi industriali che richiedono quantità di energia termica ad elevate temperature (laterizi, cementifici, vetrerie, ecc…)

I sistemi di cogenerazione sono classificati anche in funzione della tipologia del motore utilizzato per la generazione di energia elettrica. Si distinguono:

  • sistemi di cogenerazione con turbina a vapore (con un rendimento globale, energia elettrica più energia termica, di circa 80÷90%)
  • sistemi di cogenerazione con ciclo combinato (75%)
  • sistemi di cogenerazione con turbina di gas (75÷85%)
  • sistemi di cogenerazione con motore a combustione interna a cui si aggiungono i più recenti sistemi di cogenerazione a celle combustibili (80%)

Impianti di cogenerazione sono installati per lo più in grandi strutture quali alberghi, condomini, ospedali. In ambito residenziale la cogenerazione è possibile utilizzarla sia per utenze che richiedono grandi quantità di energia, per esempio condomini, sia per soddisfare i fabbisogni energetici del singolo edificio. In quest’ultimo caso si parla di microcogenerazione..
Con “piccola cogenerazione” il GSE definisce le unità di cogenerazione con capacità di generazione installata inferiore a 1MWe, mentre con “microcogenerazione” indica le unità di cogenerazione con capacità di generazione installata inferiore a 50 kWe. I microcogeneratori sono impianti che sfruttano varie tecnologie: motori a combustione interna, motori Stirling, celle a combustibile e turbine a gas.
La scelta di un impianto di microcogenerazione passa attraverso un attenta valutazione dei fabbisogni energetici dell’utenza poichè solo in presenza di una costante richiesta di energia elettrica e termica durante tutto l’anno (utilizzo 3000÷5000 ore) giustifica il ricorso a un impianto del genere. In pratica più l’impianto lavora sulla soglia della massima potenza (tutta l’energia viene sfruttata) maggiore sarà il rendimento del processo e minore il tempo di ritorno dell’investimento. Il dimensionamento di un impianto di microcogenerazione si basa sulla richiesta di energia termica dell’utenza in quanto non può essere convenientemente accumulata a differenza dell’energia elettrica dove un eventuale surplus può essere immesso nella rete nazionale.

 

Vantaggi

  • risparmio energia primaria, nell’ordine del 35-40%
  • difesa dell’ambiente (diminuzione delle emissioni climalteranti)
  • ridotte perdite di distribuzione calore (utilizzato in loco)
  • ridotte perdite di distribuzione nell’energia elettrica
  • limitazione delle cadute di tensione sulle linee finali di utenza

 

Svantaggi

  • le fonti rinnovabili sono penalizzate in quanto non programmabili, ad eccezione delle biomasse
  • il settore residenziale ha una richiesta di energia elettrica caratterizzata da vari picchi di breve durata, che possono comportare una riduzione di efficienza delle prestazioni del sistema (il miglior rendimento si ottiene con un funzionamento continuo della macchina)
  • il dimensionamento di un impianto di microcogenerazione è funzione della tipologia di edificio e utenza
  • le procedure autorizzative attualmente in vigore penalizzano i piccoli impianti