Geotermia per la climatizzazione: analisi del test di risposta termica e ruolo della componente geologica per un impinanto a sonde verticali ubicato nella città di grosseto

La temperatura sulla superficie terrestre è determinata da un equilibrio tra l’energia solare radiante trasmessa dall'atmosfera, l'energia riflessa dal terreno, il flusso di calore geotermico e le eventuali interferenze tra questi fattori (Fig.6). Il flusso di calore che proviene dall’interno della terra (0,05 ÷ 0,12 W/m2 ) è molto piccolo rispetto alle radiazioni solari che apportano circa 1400 W/m2 al confine superiore dell'atmosfera. Per cui il contributo del calore terrestre all’equilibrio energetico sulla superficie è piuttosto scarso. Invece, tale contributo è importante nel sottosuolo, in quanto l'influenza dell'irraggiamento solare e delle condizioni atmosferiche diminuisce rapidamente con la profondità. Il trasporto di calore nel sottosuolo avviene attraverso la conduzione e la convezione (l’irraggiamento si può trascurare). Per esempio, se il processo è conduttivo e stazionario, il flusso termico q diretto dal basso verso la superficie determina una variazione della temperatura con la profondità (gradiente geotermico) di tipo lineare ΔT/Δz, in modo che q= k ΔT/Δz dove k è la conducibilità media del sottosuolo. Per quanto detto sopra, il contributo del flusso geotermico al bilanciamento termico complessivo del sottosuolo, varia di molto con la profondità. Sino a 10-20 metri l'andamento verticale della temperatura (geoterrma) risente dell'effetto delle condizioni climatiche, variabili durante l'anno con il ciclo delle stagioni, e delle perturbazioni meteorologiche. A profondità superiori la geoterma è invece condizionata dal flusso geotermico.

Ogni volta che lo stato termico naturale del sottosuolo viene modificato dalla sottrazione o dall’apporto di calore, il deficit o surplus termico deve essere riequilibrato con un pari apporto o sottrazione di calore per evitare sostanziali modifiche nel tempo dell'andamento della geoterma (ossia il raffreddamento o riscaldamento progressivo del sottosuolo). Nel caso di impianti geotermici vicino alla superficie ad una profondità compresa tra 10-20m, l’energia utilizzata per uguagliare il deficit o surplus termico consiste quasi esclusivamente nella radiazione solare e nella percolazione dell’acqua, così l’influenza del flusso geotermico può essere ignorata in prima approssimazione. Solo a profondità superiori a 10-20m si può osservare un importante contributo di questo flusso termico. Il sottosuolo può essere quindi paragonato ad un enorme deposito di calore, che viene lentamente rilasciato verso la superficie attraverso il flusso geotermico.

La lentezza di tale dissipazione naturale dipende dalle proprietà termiche dei sedimenti e delle rocce, come la conduttività, il calore specifico e la diffusività. Per esempio, la modesta conduttività termica del sottosuolo riesce a non far dissipare velocemente il calore immagazzinato e a permetterne il prelievo attraverso scambiatori di calore ben progettati. Ne deriva che la conoscenza delle proprietà termogeologiche fondamentali è essenziale per il dimensionamento di impianti geotermici residenziali. Se di piccole dimensioni, per la progettazione di tali impianti ci si avvale di dati noti. Invece nelle grandi installazioni oltre a dati tabellari si realizzano delle specifiche misure in sito e/o in laboratorio, perché una stima errata dei parametri termici può comportare costosi ed inutili sovradimensionamenti o sottodimensionamenti delle prestazioni dell’impianto.

Sottosuolo e proprietà termiche
Grazie alla presenza del gradiente geotermico Δt/Δz, la temperatura del sottosuolo aumenta in media di 2,5-3,0 °C ogni 100 m (Fig.7). Tuttavia il gradiente geotermico in alcune regioni della crosta terrestre si può discostare molto dal valore medio. Tale parametro infatti dipende delle caratteristiche strutturali, litologiche ed idrogeologiche del sito e può variare da meno di 1°C/100m fino a 30°C /100m nelle aree caratterizzate da grandi anomalie termiche, come le zone geotermiche della Toscana meridionale.

La parte più superficiale della crosta terrestre, grazie alla sua elevata inerzia termica (derivante dalla scarsa conduttività e dal cospicuo calore specifico), risente poco delle fluttuazioni termiche giornaliere e stagionali: l’ampiezza dell’escursione termica giornaliera, valutata in superficie, si riduce ad un decimo a circa 2,5 m di profondità mentre l’ampiezza in superficie dell’escursione termica stagionale si riduce dello stesso fattore a circa 5 m di profondità. Oltre ad un'attenuazione dell’escursione termica si assiste anche ad uno sfasamento temporale dei picchi di temperatura rispetto all’oscillazione termica superficiale. Ciò è dovuto al fatto che il calore trasferito al suolo dall'atmosfera impiega un certo intervallo di tempo per propagarsi in profondità, in base alla diffusività termica del terreno.
Come già detto, solo la parte più superficiale del sottosuolo è influenzata dalle variazioni termiche diurne e stagionali, mentre la parte più profonda è insensibile alle variazioni climatiche esterne e mantiene una temperatura costante durante tutto il corso dell’anno, che aumenta con la profondità come descritto dalla geoterma.
In condizioni indisturbate, a profondità inferiori a circa 20m la temperatura del sottosuolo non è significativamente influenzata dal gradiente geotermico e dipende dalle variazioni climatiche esterne giornaliere, stagionali ed annuali (Fig.8); a profondità maggiori di 20 m la temperatura comincia ad essere influenzata dal gradiente geotermico, che in assenza di cospicue anomalie termiche fa sentire la sua influenza soprattutto dopo i primi 100 metri di profondità. Pertanto tra 20 m e 100 m la temperatura del terreno si discosta di poco da quella media annuale dell'aria (13-15 °C alle latitudini della regione italiana).
I sistemi geotermici per la climatizzazione sfruttano proprio la stabilità della temperatura in quell'intervallo di profondità e la grande quantità di calore contenuta nel terreno, che utilizzano per il riscaldamento ed il raffrescamento degli edifici.
Per dimensionare correttamente un impianto geotermico è necessario conoscere le caratteristiche del sottosuolo e dei materiali che lo costituiscono. Nella realizzazione di un impianto geotermico, oltre alla conoscenza della temperatura del terreno indisturbato (ovvero non influenzata dall’attività dell’impianto) è necessaria inoltre la valutazione delle proprietà termiche, litologiche e tessiturali dei materiali che costituiscono il sottosuolo.