Studio del comportamento termico di sonde geotermiche verticali nel terreno





La geotermia infatti Ł una delle possibili risorse, forse la piø interessante, per garantire uno 
sviluppo sostenibile in quanto rappresenta una energia alternativa, pulita, gratuita, 
rinnovabile e disponibile ovunque. I motivi che inducono ad uno sfruttamento razionale 
della geotermia sono dunque parecchi; a questi si deve inoltre aggiungere il fatto che gli 
attuali sistemi di riscaldamento e di raffrescamento geotermici costituiscono l opzione 
tecnologica che massimizza il rapporto investimento/costi di gestione. 
L’energia geotermica Ł a tutti gli effetti ritenuta un’energia rinnovabile e pulita. Essa 
rispetta quindi le necessit  di uno sviluppo sosten ibile essendo in grado di soddisfare le 
esigenze delle generazioni odierne senza compromettere il futuro di quelle che seguiranno. 
Risulta pertanto interessante analizzare queste tecnologie e valutarne effettive potenzialit  
e limiti. 
Obiettivo del presente lavoro Ł quindi analizzare un impianto geotermico, dal punto di 
vista tecnico e della fattibilit , in un Paese come  l Italia che presenta una realt  climatica 
particolarmente adatta a questa soluzione tecnologica. In particolare, nel caso in esame, ci 
si Ł occupati di un impianto con pompa di calore a sonde geotermiche verticali e si Ł 
calcolato, una volta note le caratteristiche geometriche, le propriet  termofisiche del 
terreno e le condizioni climatiche, il numero e la lunghezza delle sonde necessarie alla 
pompa di calore, dimensionata secondo la condizione di picco del carico termico richiesto 
dell edificio in esame. 

















 




2. CENNI SULLA GEOTERMIA 
 
 
Il termine geotermia indica una serie di tecnologie che hanno in comune lo sfruttamento 
del sottosuolo e delle sue risorse per fini energetici. L espressione  energia geotermica  Ł 
generalmente impiegata, nell uso comune, per indicare quella parte del calore terrestre, che 
pu , o potrebbe essere, estratta dal sottosuolo e s fruttata dall uomo. 
In passato i vulcani, le sorgenti termali, le fumarole ed altri fenomeni superficiali di questo 
genere hanno certamente fatto immaginare ai nostri progenitori che alcune parti 
dell interno della Terra sono calde. Soltanto tra il sedicesimo ed il diciassettesimo secolo, 
tuttavia, quando furono scavate le prime miniere profonde qualche centinaio di metri, ci si 
rese conto, da semplici sensazioni fisiche, che la temperatura del sottosuolo aumenta con la 
profondit .  
Inizialmente, verso la met  del  700, furono esegui te solo semplici misurazioni con 
termometri, ma gi  dal 1870 il regime termico della  terra Ł stato studiato con metodi 
scientifici moderni. Soltanto nel ventesimo secolo, dopo la scoperta del ruolo svolto dal 
calore radiogenico, Ł stato possibile comprendere pienamente fenomeni come il bilancio 
termico della Terra e ricostruire la storia termica del nostro pianeta. Tutti i moderni 
modelli termici della Terra, infatti, devono tener conto del calore prodotto in continuazione 
dal decadimento degli isotopi radioattivi a lunga vita dell uranio (U238, U235), del torio 
(Th232) e del potassio (K40), presenti nell interno del globo terrestre.  
Altre fonti di calore si aggiungono in proporzioni non esattamente definite a quella 
radiogenica, come il calore primordiale del pianeta. Comunque, teorie e modelli termici 
realistici non sono stati disponibili sino agli anni  80, quando Ł stato dimostrato che il 
nostro pianeta si sta lentamente raffreddando dal momento che non c Ł equilibrio tra il 
calore prodotto dal decadimento degli isotopi radioattivi presenti nell interno della Terra 
ed il calore disperso dalla sua superficie verso lo spazio. 
Per dare un idea della grandezza dei fenomeni di cui si parla, si pu  fare riferimento al 
Bilancio termico di Stacey e Loper (1988), nel quale il flusso di calore totale dalla 
superficie terrestre Ł valutato 42x1012 W (considerando conduzione, convezione e 
radiazione). Di questa grandezza, 8x1012 W provengono dalla crosta terrestre, che 
rappresenta soltanto il 2% del volume totale della Terra, ma Ł ricca di isotopi radioattivi, 







32,3x1012 W derivano dal mantello, che Ł l 82% del volume totale della Terra, e 1,7x1012 
W provengono dal nucleo, che costituisce il 16% del volume totale del pianeta e non 
contiene isotopi radioattivi (schema in Figura 1). PoichØ il calore radiogenico del mantello 
Ł stimato in 22x1012 W, il flusso netto di questa parte della Terra Ł 10,3x1012 W. 
Il raffreddamento del pianeta, comunque, Ł molto lento. La temperatura del mantello 
(Figura 1) Ł scesa, al piø, di 300-350 C in tre miliardi di anni e, alla sua base, Ł di circa 
4000 C. ¨ stato stimato che il calore totale conten uto nella Terra, assumendo una 
temperatura superficiale media di 15 C, sia dell or dine di 12,6x1024 MJ e che quello 
contenuto nella crosta sia dell ordine di 5,4 x 1021 MJ. 
 
 
Figura 1 Schema della struttura interna della Terra: crosta, mantello e nucleo. 
 
La differenza di temperatura tra le zone profonde, piø calde, e quelle superficiali, piø 
fredde, d  origine ad un flusso di calore dall inte rno verso l esterno della Terra. Il calore 
interno si dissipa con regolarit  verso la superfic ie della terra, la quale emana calore nello 
spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 W per metro quadrato nelle 
superfici continentali e di 0,101 W per metro quadro in quelle oceaniche. 
In senso stretto quando si parla di geotermia, ci si riferisce a sottosuoli  caldi  ovvero 
situazioni in cui la temperatura del suolo Ł superiore ai 40 C. Si Ł visto che l origine di 
questo calore Ł in relazione con la natura interna del nostro pianeta e con i processi fisici 
che in esso hanno luogo. Tale calore Ł dunque presente in quantit  enorme, praticamente 
inesauribile, e soltanto una parte di esso pu  esse re sfruttata. 




Le applicazioni termiche per lo sfruttamento di questi fenomeni naturali sono 
innumerevoli. Dalle piø antiche in cui i fluidi caldi venivano e vengono tuttora utilizzati 
per fini termali, ai moderni impianti di teleriscaldamento cittadini, ad applicazioni in 
serricolture, pescicolture, o usi industriali. 
Tuttavia le applicazioni piø interessanti e tecnologicamente sviluppate sono la produzione 
di energia elettrica, il teleriscaldamento e la geotermia a  bassa entalpia . 
 
2.1. La produzione di energia elettrica 
 
Le tecnologie utilizzate in questo campo sono diverse; dipendono sostanzialmente dalla 
profondit  d esercizio del sistema e dalla quantit  di calore estraibile dal terreno. 
Le prime centrali geotermiche (Larderello, Toscana, 1904) vengono definite  a vapore 
dominante : si sfrutta la pressione esercitata dal vapore contenuto negli acquiferi 
sotterranei per azionare una turbina Rankine accoppiata ad un generatore. L’enorme 
pressione del sottosuolo spinge i vapori degli acquiferi fino a un’altezza che varia dai 20 ai 
70 metri. Questi soffioni di vapore vengono incanalati per alimentare direttamente turbine 
per la produzione di energia elettrica. 
Nel caso in cui un acquifero sottoposto a pressioni e temperature elevate, produca acqua 
calda e non vapore, si parla di acquifero "ad acqua dominante". 
Tali acquiferi vengono sfruttati per alimentare centrali elettriche cos  dette a flash o a 
separazione. In queste centrali, l’acqua, la cui temperatura varia da circa 200 C a 350 C, 
arriva in superficie tramite dei pozzi e, poichØ passa rapidamente dalle elevatissime 
pressioni del sottosuolo alla pressione atmosferica, genera una quota di vapore, utilizzato 
direttamente in centrale, e una quota di liquido che Ł reiniettato in profondit . 
Per serbatoi di acqua sotterranea che producono acqua a temperature piø moderate (tra i 
110 C e i 200 C), si utilizza una tecnologia detta "ciclo binario". 
In questi sistemi il fluido caldo viene utilizzato per vaporizzare, attraverso uno scambiatore 
di calore, un secondo fluido, con temperatura di evaporazione inferiore a 100 C. Il fluido 
secondario si espande in turbina, condensa e viene riavviato allo scambiatore in un circuito 
chiuso, senza scambi con l’esterno. L’acqua calda, dopo aver attraversato lo scambiatore di 
calore, torna al pozzo di restituzione per essere reimmessa nell’acquifero. 







Per la massimizzazione della resa energetica degli acquiferi Ł preferibile il sistema che 
prevede la reimmissione dei liquidi nel serbatoio geotermico una volta sfruttato il loro 
potere calorifico. Ecco cos  che nasce una tecnologia definita HDR (Hard Dry Rock). 
Dopo aver effettuato una prima perforazione a grande profondit  si crea un serbatoio 
geotermico sotterraneo, allargando idraulicamente i sistemi di fratture naturali. Nel 
serbatoio geotermico cos  creato, l’acqua si riscalda per poi salire in superficie tramite una 
o piø perforazioni di produzione. Uno scambiatore di calore trasferisce l’energia ad un 
secondo circuito alimentante un turbogeneratore per produrre elettricit . Gran parte del 
calore residuo, pu  essere iniettato in una rete di  riscaldamento a distanza come utilizzo 
secondario. Un pozzo d’iniezione completa il circuito chiuso e restituisce l’acqua 
raffreddata al serbatoio. 
 
2.2. Il teleriscaldamento 
 
Il teleriscaldamento Ł uno dei modi piø interessanti per usare direttamente i fluidi 
geotermici a bassa temperatura (80-100 C). 
Consiste nell’utilizzare acqua calda che sgorga direttamente dal sottosuolo per scaldare, 
tramite opportuni scambiatori di calore, l’acqua circolante nei terminali (radiatori, 
ventilconvettori o pannelli radianti) dell’impianto di riscaldamento delle abitazioni. 
Il maggiore impianto di teleriscaldamento funzionante in Italia si trova a Ferrara.  
 
2.3. La bassa entalpia 
 
Non tutti i sottosuoli presentano caratteristiche tali da poter essere sfruttati per mezzo delle 
tecnologie precedentemente menzionate. Nella maggioranza dei casi il sottosuolo ha una 
temperatura pressochØ costante che in Italia oscilla fra i 12 C ed 14 C, escludendo quelle 
zone interessate da situazioni riconducibili a fenomeni di anomalie idrogeologiche. In 
generale, questa temperatura si mantiene costante a partire da 10 metri fino a 100 metri di 
profondit . Fino a 10 metri di profondit  il terren o invece risente delle escursioni termiche 
giorno/notte ed estate/inverno e la sua temperatura varia come mostrato in Figura 2.