Comprensione dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici

Con una maggiore enfasi sulla riduzione delle emissioni di energia e dell'impronta di carbonio al centro della scena, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici sono diventati popolari tra i proprietari di case negli Stati Uniti. I sistemi geotermici sono in vigore dagli anni '40, a partire dal riscaldamento dell'acqua di base. Nel tempo, l'incorporazione di nuove tecnologie e progressi nei sistemi di trattamento dell'aria ha reso i sistemi geotermici adatti come alternativa commercialmente valida ai sistemi HVAC più convenzionali.

I sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici, chiamati anche pompe di calore geotermiche (GSHP), forniscono riscaldamento e raffreddamento scambiando calore con il terreno. Questi sistemi sfruttano il fatto che la temperatura del terreno rimane relativamente costante durante tutto l'anno, da 4 a 75 F. A seconda della stagione, il terreno può fungere da fonte di calore o dissipatore di calore.

Il principale vantaggio delle pompe di calore geotermiche è che utilizzano dal 25% al ​​50% in meno di elettricità rispetto ad altri sistemi di riscaldamento o raffreddamento. Inoltre, anche se i costi di installazione iniziali possono essere elevati, il periodo di ammortamento relativamente breve di 6-7 anni compensa l'investimento iniziale. Dopo questo periodo, è un sistema HVAC a bassa manutenzione ed efficiente dal punto di vista energetico per la tua casa.

Tutti i sistemi di raffreddamento e riscaldamento geotermici hanno alcuni componenti comuni. Questi includono un meccanismo per trasferire il fluido di scambio termico a terra e indietro, una pompa di calore per spostare il fluido e un sistema di distribuzione.

Diamo uno sguardo a ciascuno di questi sottosistemi e ai loro ruoli.

Sistemi ad anello geotermico

Tutti i tipi di sistemi geotermici utilizzano una rete di tubi interconnessi utilizzati come scambiatori di calore posti sottoterra. In inverno, quando fa freddo nell'aria ma caldo nel terreno, il refrigerante all'interno di queste batterie assorbe il calore dal terreno e lo trasferisce nell'edificio. Lo stesso processo è invertito per le estati quando il calore viene assorbito dall'edificio e convogliato nel terreno.

Questo sistema ad anello si collega alla pompa di calore geotermica. Include il compressore, la pompa e un'unità di trattamento dell'aria opzionale se il sistema riscalda l'aria. Quest'aria viene quindi fatta circolare in tutta la casa tramite un sistema di condotti e prese d'aria.

I sistemi geotermici sono classificati in base alla progettazione degli scambiatori di calore. Possono essere anelli chiusi, anelli aperti, verticali, orizzontali, anelli per laghetti o anelli slinky. I sistemi a circuito chiuso fanno ricircolare il refrigerante già presente all'interno del sistema. D'altra parte, i sistemi a circuito aperto rinfrescano costantemente il refrigerante, utilizzando un lago d'acqua dolce o una falda acquifera sotterranea poiché in questo caso il refrigerante è principalmente acqua.

Sistemi geotermici a circuito chiuso

I sistemi a circuito chiuso sono il tipo comune utilizzato per i sistemi geotermici. L'acqua, miscelata con antigelo o altro refrigerante adatto, viene utilizzata all'interno delle serpentine dello scambiatore di calore per fungere da mezzo di scambio termico. Non è necessario reintegrare continuamente il fluido nel sistema. Questo sistema può essere ulteriormente suddiviso in base all'orientamento degli anelli dello scambiatore di calore all'interno del terreno.

Cicli verticali

Come è evidente, gli scambiatori di calore in questa tipologia sono orientati verticalmente. I fori vengono praticati fino a 400 piedi di profondità e al loro interno vengono posizionati tubi a U. Più tubi a U in diversi fori vengono quindi collegati per formare una rete chiusa, che viene quindi collegata alla pompa e al compressore (se presente).

Il foro viene quindi riempito di malta per fornire una migliore conduttività termica tra i tubi a U e il terreno. Il numero di pozzi, la loro spaziatura, profondità e volume del fluido nei tubi a U dipendono dalle caratteristiche del suolo, dalle esigenze di riscaldamento e raffreddamento della casa, dalle variazioni di temperatura.

Un vantaggio di questa disposizione è che può essere posizionato all'interno di una piccola superficie rispetto agli anelli orizzontali. Questo lo rende ideale per piccoli proprietari di case o scuole all'interno di aree edificate, dove gli immobili possono spesso essere un premio. Ma è necessario adottare misure preventive in modo che i pozzi siano abbastanza forti da non crollare. Inoltre, il sottosuolo perforato dovrebbe essere ancora in grado di contenere gli edifici nelle vicinanze.

Cicli orizzontali

Un sistema ad anelli orizzontali è composto da tubi che sono disposti orizzontalmente lungo il terreno. Viene scavata una trincea poco profonda e lunga, più profonda della linea del gelo, e al loro interno vengono posti dei tubi a U. Generalmente, la profondità è compresa tra 1 e 3 metri. La lunghezza può arrivare fino a 400 piedi, a seconda delle esigenze specifiche.

La profondità può avere un profondo effetto sulle caratteristiche di riscaldamento e raffreddamento di un sistema ad anello orizzontale. Se troppo poco profonde, le anse possono assorbire il calore del sole durante il passaggio dall'inverno all'estate, quando il terreno è ancora relativamente freddo. Ciò aumenta la capacità di riscaldamento del sistema. Ma un effetto negativo è che durante i mesi invernali, i loop si raffredderanno a una velocità maggiore a causa della loro vicinanza alla superficie.

Questo problema può essere eliminato aumentando la profondità degli anelli, con l'aumento del costo di installazione compensato dal risparmio energetico. Un'altra soluzione consiste nell'utilizzare uno strato superiore termicamente non conduttivo sopra gli anelli. In questo modo si evita che gli anelli vengano influenzati dal terriccio o dagli sbalzi di temperatura atmosferici.

I sistemi ad anello orizzontale sono più adatti ad aree con una grande quantità di terreno disponibile da scavare, come grandi casali, tenute di campagna, ecc.

Cicli veloci

Proprio come i loop orizzontali, i loop slinky vengono utilizzati dove devono essere utilizzati loop orizzontali, ma non c'è abbastanza spazio disponibile. I tubi a spirale sono posti in trincee poco profonde simili ad anelli orizzontali. Questi anelli si sovrappongono tra loro quando vengono posizionati sul fondo della trincea. Ciò fornisce la stessa quantità di distanza per il passaggio del fluido all'interno dei tubi, ma con una lunghezza di copertura ridotta dell'intero sistema.

Anse dello stagno

Questi sistemi sono utilizzati dove c'è uno specchio d'acqua adatto nelle vicinanze. Le anse possono essere sommerse sott'acqua o posizionate sul letto del corpo idrico. Un tale sistema non ha costi di scavo o perforazione ad esso associati e, in caso di guasto o perdita, prevede una facile estrazione del sistema ad anello. Il corpo idrico dovrebbe essere sufficientemente profondo in modo che gli effetti superficiali della temperatura non si traducano all'interno dei circuiti.

Sistemi geotermici ad anello aperto

I sistemi a circuito aperto sono la più semplice di tutte le forme di sistemi di riscaldamento geotermico. Un tubo aperto viene utilizzato per attingere acqua da una falda acquifera sotterranea, da una sorgente termale o da un'altra fonte d'acqua adatta. Quest'acqua viene quindi fatta passare attraverso gli scambiatori di calore all'interno della pompa di calore. L'acqua esausta viene quindi scaricata all'interno della stessa fonte d'acqua, ad una distanza adeguata dalla presa d'acqua. Tuttavia, i sistemi ad anello aperto presentano alcune sfide.

Occorre prestare molta attenzione affinché l'acqua in ingresso sia sufficientemente pulita e abbia una composizione minerale idonea a non danneggiare la pompa di calore o gli scambiatori di calore. Le sostanze chimiche o i solidi disciolti nell'acqua possono reagire con il materiale degli scambiatori di calore e fungere da acceleratore di corrosione. Il calcare può formarsi all'interno dei tubi, riducendo così il flusso d'acqua.

Inoltre, le normative ambientali in alcuni luoghi richiedono il trattamento dell'acqua in uscita prima di essere scaricata. Anche normative più severe possono vietare completamente lo scarico dell'acqua, rendendo quindi necessari sistemi a circuito chiuso.

Pompe di calore geotermiche

Quasi ogni tipo di impianto geotermico è dotato di una pompa di calore. Di solito è installato in un armadio, da qualche parte fuori dalla vista. Una pompa di calore geotermica è costituita da un compressore, uno scambiatore di calore e altri sistemi di controllo alleati. Se l'impianto di riscaldamento e raffrescamento utilizza l'aria per condizionare gli spazi interni, fa parte del pacchetto anche un'unità di trattamento dell'aria.

Le pompe di calore funzionano scambiando calore tra il refrigerante (solitamente acqua) negli anelli di terra e il fluido all'interno delle tubazioni. Durante i mesi invernali, l'acqua assorbe calore dal suolo e viaggia verso lo scambiatore di calore nella pompa di calore. Il refrigerante viene quindi compresso, aumentandone la temperatura e trasformandolo in gas. Il calore all'interno del refrigerante viene quindi estratto mediante scambiatori di calore e fatto passare attraverso un sistema di condotti o tubazioni in tutta la casa. L'ultimo passaggio viene solitamente eseguito con le unità di trattamento aria se l'aria viene utilizzata per distribuire il calore.

Questo processo è invertito nei mesi estivi. Con il raffreddamento geotermico, il refrigerante assorbe il calore dall'interno e lo respinge a terra attraverso i circuiti sotterranei.

Sistema di distribuzione geotermica

Come per i sistemi di condizionamento canalizzati, anche i sistemi geotermici utilizzano un sistema di canalizzazioni. Ciò rende i sistemi geotermici particolarmente adatti per progetti di ristrutturazione in abitazioni con canalizzazioni già installate. I condotti esistenti possono quindi essere utilizzati per questo scopo.

Ciò vale per i sistemi che trasferiscono il calore in tutto l'edificio utilizzando l'aria, chiamati sistemi liquido-aria. Le unità di trattamento dell'aria, che sono grandi ventilatori, spostano grandi volumi d'aria attraverso i condotti. Ma in alcuni sistemi, l'acqua viene pompata direttamente attraverso le case utilizzando tubi incorporati nella struttura di base della casa o attraverso stufe a radiatori:tale disposizione è chiamata acqua-acqua.

I sistemi acqua/acqua possono essere utilizzati anche come scaldabagni per uso domestico. Una pompa di calore geotermica può mantenere l'acqua corrente a una temperatura accogliente di 120 F, che è inferiore ai 150-200 F richiesti raggiunti dalle caldaie. Ma il preriscaldamento dell'acqua attraverso un sistema geotermico comporta un risparmio energetico con la caldaia.

Le disposizioni acqua-acqua sono un'opzione popolare per i sistemi di distribuzione dell'acqua per il riscaldamento e il raffreddamento. Gli anelli sono incorporati sotto il pavimento o all'interno delle pareti. Questi circuiti rimangono nascosti e non emettono alcun rumore pur fornendo riscaldamento e raffreddamento. Un'altra scelta è quella di utilizzare i sistemi di riscaldamento a battiscopa in combinazione con i sistemi geotermici. Ma fai attenzione con questa opzione e consulta un professionista per il corretto dimensionamento della tua casa e il fabbisogno di riscaldamento.

Costi di installazione per il riscaldamento e il raffreddamento geotermico

I sistemi geotermici presentano un investimento iniziale più elevato rispetto ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento domestici contemporanei, sebbene questi costi stiano gradualmente diminuendo. Con un tasso di crescita di circa il 12% annuo nel mercato dei sistemi geotermici, sempre più produttori aumentano la concorrenza e abbassano i prezzi.

In media, i sistemi geotermici domestici possono costare da $ 10.000 a $ 30.000. La quantità esatta dipende dalle caratteristiche del suolo, dall'area da scavare, che si tratti di un sistema ad anello verticale o orizzontale, dall'area di condizionamento all'interno della casa, dalle precedenti canalizzazioni e dalla qualità dell'installazione. Le versioni di fascia alta possono costare anche di più.

Inoltre, anche la scelta tra acqua-aria e acqua-acqua può incidere sui costi. Le pompe di calore acqua-aria sono la scelta più economica tra le due.

La perforazione e lo scavo possono ammontare a più della metà del costo totale di installazione di un sistema geotermico. Anche l'installazione della pompa di calore geotermica per l'intero sistema può essere costosa. I costi di riscaldamento e raffreddamento geotermici sono in media di $ 2.500 per tonnellata, secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Vantaggi dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici

I vantaggi offerti dai sistemi geotermici sono numerosi. Vediamone alcuni:

• Efficienza energetica

Per quanto riguarda l'efficienza, i sistemi di riscaldamento e raffrescamento geotermici superano di gran lunga la climatizzazione convenzionale. Il motivo principale è che un sistema a pompa di calore geotermica non espelle calore in un ambiente esterno caldo, ma lo trasferisce in un ambiente fresco.

Come discusso in precedenza, un sistema geotermico può fornire risparmi energetici fino all'incredibile cifra del 50%. Questo può sembrare una manna dal cielo nei caldi mesi estivi. Ciò è in parte dovuto agli elevati rapporti di efficienza energetica dei sistemi geotermici, che raggiungono fino a 25, rispetto ai 15 dei sistemi convenzionali. Il raffreddamento geotermico può quindi avere un forte impatto sulle bollette estive.

• Convenienza

Un sistema geotermico non ha molte parti di cui prendersi cura, come un sistema HVAC convenzionale. Non ci sono condotti; non ci sono serrande o feritoie; nessun carburante deve essere tenuto sotto controllo. Non è necessario mantenere un forno in inverno e una pompa di calore in estate. I due componenti principali dei sistemi geotermici sono i circuiti di terra e la pompa di calore. I loop di terra vengono installati all'inizio e raramente devono essere curati di nuovo.

• Manutenzione ridotta

La vita media di un condizionatore d'aria convenzionale è di circa 10-15 anni. Ma questo è solo dopo la dovuta cura e manutenzione. Se trascuri un'adeguata cura HVAC, la durata della vita può ridursi.

Un sistema di riscaldamento o raffrescamento geotermico, invece, può durare dai 20 ai 50 anni. È richiesta una manutenzione minima. Non è necessario controllare periodicamente i loop di massa e il sistema può continuare a funzionare per molto tempo. Questo perché un sistema geotermico non è esposto a elementi aggressivi tutto l'anno. Un sistema HVAC convenzionale è esposto al vento e alle variazioni di temperatura, insieme agli inquinanti nocivi presenti nell'aria.

Risparmio grazie al sistema di riscaldamento e raffreddamento geotermico

Basta con i costi, parliamo di risparmio! Al momento, le case installate su impianti geotermici sono qualificate per un credito d'imposta federale del 30%. Oltre a ciò, la maggior parte degli stati o delle società elettriche fornisce sconti o sovvenzioni alle case che utilizzano sistemi di energia geotermica. Ciò può anche ridurre notevolmente i costi della pompa di calore geotermica. Per scoprire se sei idoneo per lo sconto, vai alla Banca dati degli incentivi statali per le energie rinnovabili e l'efficienza.

Anche le bollette dell'elettricità subiranno un calo. Si stima che il 42% del consumo energetico domestico sia destinato al fabbisogno di riscaldamento. L'uso di sistemi geotermici può ridurre questo utilizzo del 50%, a seconda delle specifiche del sito. Lo stesso vale per le emissioni di gas serra.

Con una vita media di 20-25 anni, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento geotermici possono comportare risparmi energetici fino a $ 75.000 durante la loro vita. Il periodo di guadagno è molto più breve di quello, variando in media da 5-8 anni. Come puoi vedere, anche se inizialmente i costi di riscaldamento e raffreddamento geotermico possono essere elevati, a lungo termine si ripagheranno.

Dovresti considerare i sistemi geotermici?

Assolutamente si. I risparmi energetici e la riduzione delle emissioni ottenuti attraverso i sistemi geotermici li rendono una proposta interessante. Anche se i sistemi geotermici non forniscono il pacchetto completo, possono essere utilizzati come sistemi supplementari.

La scelta finale dipende dalla tua situazione specifica:se è una casa nuova o vecchia, le capacità di riscaldamento e raffrescamento richieste e molto altro. Anche le finanze devono essere prese in considerazione. I costi della pompa di calore geotermica possono sembrare proibitivi. Ma, come sempre, con i sistemi HVAC, assicurati di consultare un professionista esperto prima di spendere i tuoi soldi!