Con il termine geotermia, si intende comunemente la tecnologia che utilizza il calore presente nel sottosuolo quale serbatoio termico per riscaldare e raffrescare gli edifici e per la produzione di acqua calda sanitaria.

Letteralmente geotermia significa calore dalla terra, ossia l’energia rilasciata in processi di decadimento nucleare naturale di elementi radioattivi quali l'uranio, il torio e il potassio, contenuti naturalmente all'interno della terra.

E’ quindi una fonte di energia inesauribile - costantemente disponibile – pulita - rinnovabile.
La caratteristica più importante del terreno come sorgente di calore è la stabilità della temperatura durante tutto l’anno. A circa 100mt di profondità possiamo trovare temperature che si aggirano intorno ai 10-12°C costanti tutto l’anno e questo ci permette di estrarre calore d’inverno per riscaldare un ambiente e di cedere calore durante l’estate per rinfrescare lo stesso ambiente. Questo sistema viene definito "geotermia a bassa entalpia", ed è un sistema composto da:

1. sonda geotermica o pozzo (lato sorgente di calore)
2. pompa di calore geotermica
3. sistema di distribuzione domestico/accumuli per recupero calore

Sfruttando questo principio, lo scambio di calore viene realizzato con pompe di calore abbinate a sonde geotermiche che permettono di riscaldare e rinfrescare gli edifici con un unico impianto assicurando un alto grado di rendimento sull’arco dell’intera stagione, con un fabbisogno di energia elettrica contenuto rispetto alle prestazioni Non solo, la pompa di calore, cuore del sistema geotermico, è in grado di fornire anche acqua calda sanitaria per il fabbisogno della casa : sfruttando la temperatura costante del terreno, che mediamente varia dai 10°C ai 14°C, la pompa di calore produce acqua calda alla temperatura di 35-65°C, a seconda del set point fissato in ambiente.

Prinicipio di funzionamento del sistema geotermico a bassa entalpia

I tre elementi fondamentali di un impianto geotermico sono:

1. Un sistema di captazione del calore

Esistono diverse tecnologie per l’utilizzo l’energia del sottosuolo, tra le più comuni :

1. sistema chiuso : sonde geotermiche verticali od orizzontali
2. sistema aperto : acqua di falda, pozzo,

Sistema chiuso

Di norma si tratta di tubature in polietilene che fungono da scambiatori di calore, sfruttando l’energia termica presente nel sottosuolo o nell’acqua. Le tubature possono essere interrate verticalmente nel terreno a grandi profondità (sonde geotermiche verticali), oppure orizzontalmente a 1-2 metri di profondità (sonde o collettori orizzontali).

sonde verticali
sono degli scambiatori di calore verticali con lunghezze tipiche da 50 a oltre 200 m , a seconda della potenza termica necessaria e della tipologia di terreno, indubbiamente la soluzione più costosa ma di fatto la più applicata e diffusa in tutto il mondo. L’esecuzione consiste nell’effettuare una trivellazione nel sottosuolo fino alla profondità designata, vengono calati : tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido (acqua glicolata) che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo. Mediamente presentano una resa pari a 48-50 watt/mt

sonde orizzontali
sono degli scambiatori di calore messi orizzontalmente a 1-2 m di profondità in terreni sufficientemente piani, la realizzazione è economicamente vantaggiosa rispetto ad altri sistemi ma necessità di aree di grande estensione per la messa in opera. Mediamente presentano una resa pari a 10-15 watt/mt

Sistema aperto

gli impianti geotermici acqua/acqua o a circuito aperto (open loop) prelevano acqua direttamente da un pozzo, o da un altro idoneo corpo idrico.
L'acqua viene avviata alla pompa di calore, che scambia calore con quest’ultima e quindi restituita alla sorgente, in un pozzo a valle della direzione di falda.

Il sottosuolo

Il tipo di sottosuolo gioca un ruolo importante e la conoscenza delle sue caratteristiche termiche e idrogeologiche è determinante per il corretto dimensionamento dell’impianto:
- Non tutti i tipi di rocce e di terreni dimostrano lo stesso rendimento termico.
- Le installazioni di impianti a circuito aperto necessitano della presenza di acque di falda in quantità soddisfacenti.

La tabella seguente presenta le differenze nel rendimento termico di alcuni tipi di sottosuolo per le sonde geotermiche verticali. In prima approssimazione si può considerare che le sonde geotermiche estraggono una quantità specifica per ogni metro di lunghezza: più alta è la conducibilità termica del sottosuolo, più alta è la quantità estratta

Sottosuolo	rendimento [W/m]
Sottosuolo cattivo (terreno asciutto)	20
Roccia o terreno umido	50
Roccia con alta conducibilità	70
Ghiaia, sabbia, asciutta	< 20
Ghiaia, sabbia, satura	55-65
Argilla, limo, umido	30-40
Roccia calcare	45-60
Arenaria	55-65
Granito	55-70
Gneiss	60-70

Valori approssimativi di rendimenti specifici per diversi tipi di sottosuolo per sonde geotermiche.

2. La pompa di calore geotermica

La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Il suo funzionamento è esattamente quello di un frigorifero, si presenta quindi come un circuito chiuso all’interno del quale circola gas frigorigeno che permette lo scambio di calore tra due “zone” (una cedente l’altra ricevente) per mezzo del suo cambiamento di stato. Il motore di questo sistema è il compressore.
Il vantaggio dell’uso della pompa di calore deriva dalla sua capacità di fornire più energia (calore) di quella elettrica impiegata per il suo funzionamento in quanto estrae calore dall’ambiente esterno.
Nel caso specifico di un sistema di geotermia a bassa entalpia, mediamente :

La pompa di calore per ogni Kw di energia elettrica consumato fornisce 4 kW termici

1kW elettrico = 4 kW termici

L’efficienza della pompa di calore è quindi molto elevata, tale efficienza viene misurata dal coefficiente di prestazione detto C.O.P. che è appunto il rapporto tra energia fornita ed energia elettrica consumata, in questo caso alle condizioni medie descritte sopra il COP di una pompa di calore geotermica è 4:1 = 4.

Il COP sarà tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura a cui il calore viene ceduto e quanto più alta è quella della sorgente da cui viene assorbito.

Efficienza del sistema geotermico a bassa entalpia:

3. Un sistema di accumulo e distribuzione del calore

Gli impianti geotermici sono particolarmente adatti per lavorare con terminali di riscaldamento/raffrescamento funzionanti a basse temperature 30/35°C per i pannelli radianti e 40/45°C per i ventilcovettori.

I pannelli radianti rappresentano la migliore soluzione impiantistica: in inverno fanno circolare acqua calda a 30-35 °C e in estate acqua fredda a 18-20 °C, riscaldando e raffrescando con il massimo grado di comfort e risparmio energetico. I tradizionali radiatori, pur essendo in qualche caso utilizzabili per lavorare con una pompa di calore, risultano però assolutamente inadatti per raffrescare gli ambienti ed inoltre lavorano con temperature molto più alte 60°C, con conseguente riduzione dell’efficienza.

La presenza di un serbatoio di accumulo per l’acqua calda risulta indispensabile per immagazzinare il calore e quindi distribuirlo all’edificio –per il riscaldamento e per gli usi sanitari- quando vi è richiesta. L’integrazione tra geotermia e impianti solari termici o caldaie a condensazione avviene proprio grazie al serbatoio d’accumulo, all’interno del quale l’acqua viene riscaldata tramite serpentine collegate ai diversi generatori di calore.