Analisi numerica delle prestazioni termiche di pali energetici

Sostenibilità è un termine che sentiamo molto spesso ma che raramente porta a 
delle convinte riflessioni, da tale accezione discendono concetti quali la 
salvaguardia delle risorse ambientali, il risparmio energetico e la diminuzione 
delle emissioni di gas serra ed è proprio in quest’ottica che vanno ad inserirsi le 
cosidette energie alternative o pulite. 
Dopo la crisi petrolifera degli anni settanta è aumentato sempre più l’interesse per 
le fonti energetiche alternative e di conseguenza anche la ricerca e lo svilippo di 
nuove tecnologie che sfruttino risorse sempre reperebili e dall’impatto pressochè 
nullo sull’ambiente, in questo contesto vanno ad innestarsi le energie ricavate 
sfruttando adeguatamente sole, vento, maree e terra. 
Lo squilibrio termico dovuto ad una domanda energetica sempre crescente, che 
attanaglia il nostro Pianeta ha portato tramite il protocollo di Kyoto 167 nazioni 
ad impegnarsi nella riduzione dell’uso di combustibili fossili al fine di rimediare ai 
cambiamenti climatici in atto. 
L’Italia, che ovviamente ha aderito a tale protocollo ha anche un altro problema 
non di poco conto, infatti acquista ¾ del  fabbisogno energetico da Paesi quali 
Russia e Libia e tutto ciò ci assoggetta a costi energetici elevati e a una forte 
dipendenza dalle politiche di questi Paesi. 
Una possibile mitigazione di questo problema che purtroppo non viene ancora 
sostenuta fino in fondo, sarebbe quella di produrre all’interno dei nostri confini 
 Capitolo Capitolo Capitolo Capitolo    
I I I Introduzione ntroduzione ntroduzione ntroduzione    1 1 1 1
CAPITOLO 1. Introduzione 11 
 
 
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una buona fetta del fabbisogno energetico, utilizzando in maniera sostenibile le 
risorse interne, ed è proprio in quest’ottica che diventa importante la geotermia.  
L’Italia pur essendo un paese soprattutto alla basse latitudini dal clima mite non 
si presta molto bene ad uno sfruttamento intensivo del fotovoltaico e soprattutto 
dell’eolico, quindi se si vuole puntare ad una produzione energetica che ci dia una 
sorta di indipendenza, l’unica fonte alternativa priva dell’aleatorità da prendere in 
considerazione è lo sfruttamento del sottosuolo del nostro paese, che ben si confà a 
tale scopo. 
Viste le illimitate potenzialità della geotermia in questo lavoro si parlerà dei pali 
di fondazione energetici che sono l’evoluzione naturale di altri sistemi più datati 
come le sonde verticali.  
La modellazione numerica dei pali è utile per stabilire quali configurazioni 
utilizzare e quali scelte progettuali sono importanti per ottenere delle performance 
maggiori nel rispetto dell’equilibrio biologico e geomeccanico del terreno, inoltre si 
proporrà l’utilizzo di un particolare calcestruzzo studiato proprio per massimizzare 
lo scambio termico. L’energia ricavata dal sottosuolo viene veicolata ovviamente 
agli ambienti da climatizzare e tali ambienti sono stati oggetto negli ultimi anni di 
una riqualificazione normativa che proponeva sgravi fiscali a chi avesse migliorato 
l’involucro edilizio, aumentandone l’efficienza energetica e diminuendo quindi gli 
sprechi. 
I prossimi capitoli oltre ad introdurre al mondo della geotermia, spiegheranno il 
funzionamento del sistema palo energetico-pompa di calore sia dal punto di vista 
termodinamico che prestazionale, poiché come spiegato precedentemente questa 
tecnologia ancora in via di sviluppo è la strada da perseguire per raggiungere 
un’indipendenza energetica e diminuire l’uso di combustibili fossili.
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Figura Figura Figura Figura 1 1 1 1    Lo sviluppo sostenibile Lo sviluppo sostenibile Lo sviluppo sostenibile Lo sviluppo sostenibile    [1] [1] [1] [1]
2 2 2 2 2 2 2 2. . . . . . . .1 1 1 1 1 1 1 1  L L L L L L L La a a a a a a a        g g g g g g g ge e e e e e e eo o o o o o o ot t t t t t t te e e e e e e er r r r r r r rm m m m m m m mi i i i i i i ia a a a a a a a                
Si definisce energia geotermica quella legata al calore generato internamente 
dalla Terra, tale generazione è dovuta in primo luogo al decadimento di isotopi 
radioattivi come:uranio 238, uranio 235, torio 232, potassio 40. Il secondo 
contributo alla generazione endogena di calore è dato dalla trasmissione irregolare 
di calore tra nucleo e crosta terrestre, l’irregolarità è dovuta ai diversi moti di 
circolazione dei fluidi a differenti temperature. 
 
Figura Figura Figura Figura 2 2 2 2    Schemat Schemat Schemat Schematizzazione della struttura terrestre izzazione della struttura terrestre izzazione della struttura terrestre izzazione della struttura terrestre    
 Capitolo Capitolo Capitolo Capitolo    
La geotermia La geotermia La geotermia La geotermia    2 2 2 2
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Come evidenziato dalla Figura 2 la crosta terrestre ha uno spessore medio di di 
circa 30 km, le perforazioni per la ricerca di idrocarburi che arrivano sino a 11 km 
di profondità massima hanno permesso di risalire ad un incremento di 
temperatura media nel terreno ovvero ad un gradiente geotermico di 
°   con 
valori molto diversi a seconda della zona della crosta e dei terreni attraversati. 
Un valore molto importante è il flusso geotermico che raggiunge la superficie e si 
disperde nello spazio che si attesta attorno ai 0.03 
   , conoscendo il raggio della 
Terra ed approssimando la sua forma ad una sfera, si ottiene facilmente una 
potenza generabile di 15000 miliardi di Watt, che potrebbe tranquillamente 
soddisfare per un tempo quasi illimitato il fabbisogno mondiale di 11300
  . 
Svelate le potenzialità della geotermia ora bisogna sottolineare la principale 
difficoltà nello sfruttamento di questa risorsa, infatti quest’energia arriva in 
superficie ad una temperatura praticamente identica a quella ambiente e quindi è 
necessario prelevarla in profondità dove il livello termico che si instaura permette 
l’utilizzo di  macchine termiche. 
L’energia geotermica può essere classificata sulla base dei settori di impiego e con 
riferimento alle caratteristiche termodinamiche dei fluidi: 
 
 Settore ad alta entalpia, riguardante la produzione di  energia elettrica ed 
alcuni usi industriali. I fluidi sono a temperature maggiori di 150 °C; 
 Settori a media e bassa entalpia, riguardanti gli usi diretti in campo civile, 
agricoo e industriale. I fluidi sono a  150 °C <T< 100°C nel primo caso e a 
T< 90°C nel secondo caso. 
 
La temperatura di produzione dipende dal gradiente geotermico locale e dalla 
profondità di estrazione, e proprio con riferimento a tale profondità si può fare 
un’ulteriore classificazione riguardante la geotermia a bassa entalpia: 
 
 Geotermia superfciale, per appliacazioni che utilizzano lo scambio termico 
con il terreno per ottenere un fluido caldo a temperature miti (40 °C) in 
virtù del contributo di una pompa di calore, tali applicazioni sono impiegate
CAPITOLO 2. La geotermia 15 
 
 
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soprattutto per riscaldare piccole e medie utenze e le profondità raggiunte 
sono entro i 1000 m; 
 Geotermia profonda, per applicazioni con sonde geotermiche profonde 
anche fino a 2500 m, che consentono di ottenere fluidi a temperatura 
elevata per un impego diretto, oppure con pompa di calore o caldaia di 
integrazione; tali applicazioni risultano addatte per grandi utenze; 
 Geotermia termale, per usi diretti o con pompe di calore per piccole 
utenze;le profondità raggiunte sono poche centinaia di metri e le 
temperature del fluido possono arrivare sino a 90 °C. 
 
 
2 2 2 2 2 2 2 2. . . . . . . .2 2 2 2 2 2 2 2  G G G G G G G Ge e e e e e e eo o o o o o o ot t t t t t t te e e e e e e er r r r r r r rm m m m m m m mi i i i i i i ia a a a a a a a        e e e e e e e e        p p p p p p p po o o o o o o om m m m m m m mp p p p p p p pe e e e e e e e        d d d d d d d di i i i i i i i        c c c c c c c ca a a a a a a al l l l l l l lo o o o o o o or r r r r r r re e e e e e e e        
Il primo impatto con i sistemi geotermici lascia qualche dubbio soprattutto nei 
meno esperti poiché tutti sanno che la trasmissione del calore che sia per 
convezione, conduzione o irraggiamento è un fenomeno che avviene 
spontaneamente da un corpo caldo ad uno freddo. Risulta più difficile comprendere 
che sia possibile l’operazione inversa, purché si accetti di spendere energia in una 
qualsiasi delle sue forme. 
Un’analogia che chiarisce le idee è quella con la quota piezometrica infatti, l’acqua 
scorre naturalmente sotto l’azione della gravità verso il basso ma è facile 
riportarla ad un quota desiderata tramite l’utilizzo di un pompa, dunque se 
paragoniamo l’entalpia all’energia potenziale si può intuire la funzionalità della 
pompa di calore che trasferisce il calore in maniera opposta all’andamento 
naturale. 
Un impianto geotermico a bassa entalpia è costituito da tre parti fondamentali: 
 
 Sistema di scambio con il terreno: nella fattispecie verranno analizzati in 
seguito i pali energetici; 
 Una o più pompe di calore, accessoriate con tutti i dispositivi necessari alla 
movimentazione dei fluidi e alla sicurezza dell’impianto;
CAPITOLO 2. La geotermia 16 
 
 
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 Sistema di distribuzione del calore all’utenza, dotato di appositi terminali 
di impianto. 
 
Gli scambiatori estraggono calore dal terreno attraverso di solito meccanismi di 
conduzione e convezione, tale energia è veicolata attraverso il fluido circolante 
nella sonda alla pompa di calore, che sfruttando il metodo della refrigerazione 
inversa fornisce energia per il riscaldamento all’unità secondaria interna 
all’edificio (funzionamento heating). 
Nel funzionamento cooling, invece il calore viene estratto dall’edificio e veicolato 
verso il terreno, il tutto mentre viene invertito il ciclo della pompa di calore, quindi 
in estate il terreno è utilizzato come un dissipatore in inverno come serbatoio di 
calore. Un problema che può sorgere con l’utilizzo dei pali geotermici e con 
qualsiasi altro tipo di scambiatore a terreno è quello dello squilibrio dei carichi 
termici che verrà discusso nelle sezioni successive. 
Bisogna sottolineare che i sistemi geotermici non sono completamente 
autosufficienti, infatti la pompa di calore ha bisogno di energia elettrica per essere 
azionata. 
 
 
2 2 2 2 2 2 2 2. . . . . . . .3 3 3 3 3 3 3 3          C C C C C C C Cl l l l l l l la a a a a a a as s s s s s s ss s s s s s s si i i i i i i if f f f f f f fi i i i i i i ic c c c c c c ca a a a a a a az z z z z z z zi i i i i i i io o o o o o o on n n n n n n ne e e e e e e e        d d d d d d d de e e e e e e ei i i i i i i i        s s s s s s s si i i i i i i is s s s s s s st t t t t t t te e e e e e e em m m m m m m mi i i i i i i i        
Le pompe di calore geotermiche costituiscono una forma di uso diretto dell’energia 
geotermica, applicata nell’ambito delle cosiddette risorse geotermiche a bassa 
entalpia (< 90 °C). Per identificare la varietà di sistemi a pompe di calore 
geotermiche che utilizzano il terreno o l’acqua (di falda o di superficie), come 
sorgenti di energia termica o serbatoi in cui stoccare l’energia sottratta ad altro 
ambiente, sono utilizzate diverse terminologie. L’ASHRAE (American Society of 
Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers), l’ente americano dei 
sistemi di climatizzazione, ha stabilito una classificazione standard che 
costituisce, ad oggi, il riferimento a livello mondiale. Lo standard ASHRAE 
definisce la famiglia delle Ground-Source Heat Pumps (GSHP) per identificare in 
maniera generale le pompe di calore geotermiche.