Nella presentazione che segue viene utilizzato il termine 'GeoExchange' (equivalente a 'geotermico') per indicare processi di scambio di calore con il sottosuolo. Si tratta di marchio di societa' registrato (SM) dal Consorzio per le pompe di calore geotermico (GHPC), ma questa nota informativa non va in alcun modo intensa come veicolo di promozione pubblicitaria. I concetti espressi sono liberamente presentati dall'autore al solo scopo di illustrare una tecnologia altamente innovativa e ancora poco conosciuta (e con tutta probabilita' mai implementata) nel nostro Paese.

Per riscaldare abitazioni, uffici e luoghi di ritrovo, l'uomo ha sempre cercato di coniugare tecnologia e disponibilita' di risorse naturali, con lo scopo di aumentare sempre piu' l'efficienza e abbassare sempre piu' i costi. Le cosidette societa' evolute dispongono di numerosi sistemi di riscaldamento. Nel confrontare per scegliere tra le diverse soluzioni, vanno pero' attentamente esaminati aspetti di sicurezza, costi di installazione, costi d'esercizio, costi di manutenzione, livello di comfort, incidenza degli inquinanti nell'ambiente.

Esistono in sostanza due principali tipi di sistemi per produrre calore: quelli a fiamma (basati dunque su processi di combustione di materia) e quelli senza fiamma. I primi, qualora non sfruttino l'energia elettrica, ricorrono ad una camera di combustione entro cui brucia il combustibile fossile o non fossile (gasolio, kerosene, metano, GPL, carbone, legna). I secondi, tecnologicamente piu' avanzati, agiscono mediante il trasferimento di calore da un luogo di eccedenza ad un altro luogo di carenza.

I sistemi a combustione sono stati largamente preferiti per i moderati cosi di installazione e di esercizio, ma si sono sottovalutati gli aspetti della sicurezza interna e della ricaduta sull'ambiente. Alcuni di questi sistemi presentano rischi di esplosione legati allo stoccaggio del combustibile e al trascurato monitoraggio dei meccanismi che governano il flussi dei combustibili stessi. Per la presenza di fiamma viva, questi sistemi richiedono che le camere di combustione siano periodicamente revisionate, che i camini di dispersione dei fumi non siano neppure parzialmente ostruiti, eccetera. La presenza di sensori elettronici di fumo e monossido di carbonio possono soltanto ridurre, senza mai azzerare, questi rischi.

Lo stesso monossido di carbonio, dovuto -come e' ben noto- alla incompleta combustione in carenza di ossigeno, rappresenta, assieme all'anidride carbonica e agli ossidi di zolfo, una delle principali sostanze inquinanti dell'aria delle nostre citta'.

I sistemi di trasporto del calore non basati sulla combustione comprendono le pompe di calore ad aria (o pompe propriamente dette) e i sistemi GeoExchange: le prime agiscono 'catturando' il calore presente all'esterno degli edifici e trasferendolo al loro interno; le seconde 'catturano' il calore presente sottoterra anziche' quello presente nell'aria.

Muovere il calore anziche' crearlo comporta un dispendio di elettricita' molto minore, e cio' sta alla base della convenienza offerta dalle pompe di calore rispetto alle resistenze elettriche dei radiatori termici. Purtroppo in tutti i climi delle fasce temperata e subartica la piena funzionalita' delle pompe di calore e' fortemente limitata dalla temperature rigide presentate in inverno dall'ambiente esterno; in tale caso si fa ricorso al riscaldamento elettrico o da combustione diretta.

In dipendenza del clima, le pompe di calore ad aria (inclusa la resistenza supplementare per sostenere la temperatura in caso di rigori esterni) rimangono piu' efficienti delle sole resistenze elettriche di un fattore compreso tra 1,5 e 3. L'efficienza operativa e' cresciuta negli ultimi vent'anni, rendendo i costi di gestione generalmente competitivi con quelli riferiti a sistemi basati sulla combustione diretta. I costi di manutenzione restano pero' maggiori, considerato che l'unita' esterna resta pur sempre soggetta agli agenti atmosferici esterni.

I sistemi GeoExchange sono anch'essi basati sul principio della pompa di calore e consentono quindi la climatizzazione degli ambienti domestici e di lavoro: riscaldamento, raffrescamento e controllo dell'umidita', oltre a permettere la generazione di acqua calda sia integrando che sostituendo i tradizionali 'sistemi a boiler'. Questo sistema a pompa di calore pero' non utilizza l'aria dell'ambiente esterno, bensi' attinge alla grande riserva di energia termica presente nel piu' superficiale strato di crosta terrestre, il quale assorbe il 47% dell'energia solare, oltre 500 volte il fabbisogno energetico annuale dell'intera umanita'. La terra (piu' esattamente: il sottosuolo fino a una profondita' di 50 metri, mediamente 20 metri) diventa cosi' fonte di calore in inverno e pozzo di calore in estate. Una serie di condotti, comunemente chiamati 'loop' contengono un liquido (fluido) usato per collegare le pompe di calore al sottosuolo. Solitamente i 'loop' contengono semplice acqua o una miscela di acqua e sostanze antigelo.

Ciascuno di questi sistemi, che funziona spostando il calore, anziche' produrlo mediante conversione chimica dell'energia contenuta nei combustibili, e' formato da tre sottosistemi principali: la pompa di calore geotermico per spostare il calore tra i vani dell'edificio e il fluido presente nella connessione sotterranea, una connessione sotterranea per trasferire il calore tra il fluido in essa circolante e il sottosuolo, e un sottosistema distributivo per immettere calore o aria fresca nell'edificio.

Nella modalita' 'riscaldamento ambientale', il calore viene estratto dal fluido presente nel condotto posto nel sottosuolo grazie alla pompa e quindi distribuito all'edificio mediante un tipico sistema di condotte d'aria. L'aria piu' fredda presente nell'edificio viene restituita alla pompa geotermica dove essa raffredda il fluido che scorre nella condotta sotterranea. Tale fluido viene quindi riscaldato durante il suo tragitto sottoterra. Nella modalita' 'raffrescamento ambientale' il processo e' rovesciato: il fluido relativamente freddo proveniente dal sottosuolo assorbe il calore dall'edificio e lo trasferisce al suo esterno.

La pompa di calore e' assemblata in un singolo blocco che include il compressore, lo scambiatore di calore condotto/fluido-refrigerante, i controlli. I sistemi che distribuiscono il calore mediante condotte d'aria presentano anche le ventole, i filtri, lo scambiatore di calore refrigerante/aria, il deumidificatore operativo in fase di condizionamento estivo. Le installazioni domestiche prevedono la dislocazione della centrale in cantina, nell'attico oppure in una piccola stanza riservata. Le installazioni in locali piu' vasti (uffici, capannoni, grandi sale) prevedono la collocazione nel controsoffitto oppure su apposite mensole mascherate.

Molti sistemi residenziali sono forniti di generatori di acqua calda per gli usi domestici. I generatori in questione sono piccoli scambiatori di calore ausiliari collocati all'uscita del compressore atti a trasferire il calore in eccesso proveniente dal gas compresso all'acqua contenuta in un circuito che viene posto a largo contatto con l'acqua presente nel serbatoio (boiler) per gli usi domestici. In estate, quando e' in funzione l'attivita' di raffrescamento, questo scambiatore e' in grado di fornire tutta l'acqua calda necessaria: da 12 a 30 litri di acqua a 80°C all'ora. Poiche' nella stagione invernale lo scambiatore fornisce minori quantitativi di acqua calda, e nelle mezze stagioni il sistema non e' naturalmente in grado di operare, e' possibile abbinarlo ad altri sistemi ausiliari (ad esempio, pannelli solari) che assicurano la completa autosufficienza durante l'intero arco dell'anno.

Pressoche' tutti i sistemi GeoExchange sono in grado di produrre acqua calda per gli usi domestici, assicurando una efficienza fino a quattro volte maggiore dei sistemi basati sull'impiego di resistenze elettriche. Da non dimenticare l'assenza di inquinamento sia all'interno dei locali climatizzati (non ci sono processi di combustione), sia all'esterno (niente fumi, scarichi, rumori, ...).

Poiche' la temperatura nel sottosuolo resta relativamente costante durante tutto l'anno, i sistemi GeoExchange funzionano con maggiore efficienza rispetto alle pompe di calore con l'aria e senza bisogno di ricorrere a resistenze elettriche di supporto. Il ricorso alla fonte di calore terrestre evita inoltre di dovere reintegrare l'umidita' ambientale in inverno o di rimuoverne l'eccesso in estate.

Benche' i costi di installazione siano maggiori dei sistemi tradizionali, a causa della necessita' di perforare il terreno per alloggiarvi la condotta di trasferimento del calore, i sistemi GeoExchange consentono un deciso abbattimento dei costi di esercizio e di manutenzione, oltre a fornire un comfort nettamente superiore.

In sintesi:

Sistema	sicurezza	costi di installazione	costi di esercizio	costi di manutenzione	costi di life-cycle
con combustibile	rischio	moderati	alti	moderati	alti
senza combustibile (pompa aria)	eccellente	moderati	moderati	moderati	moderati
senza combustibile (pompa geotermica)	eccellente	alti	bassi	bassi	bassi

In un recente studio commissionato dall'Agenzia americana per la protezione dell'ambiente (EPA), e' stato mostrato che i sistemi GeoExchange presentano generalmente i piu' bassi costi di life-cycle (cioe' l'ammontare delle spese medie sostenute dal consumatore/utente durante tutto l'arco di esistenza del prodotto). La stessa indagine ha anche evidenziato che i sistemi GeoExchange presentano un minimo impatto ambientale, essenzialmente confinato nella fase di messa in esercizio, a fronte di livelli di soddifacimento e comfort molto alti (>95%) e di una maggiore efficienza rispetto ai termogeneratori a combustione (dal 48% per le caldaie a metano al 75% per quelle a gasolio).

Negli Stati Uniti il programma del Consorzio per le pompe di calore geotermico (GHPC), prefiggendosi l'obiettivo di 400mila installazioni entro il 2001, consentira' di ridurre le emissioni di anidride carbonica di oltre un milione di tonnellate all'anno, equivalenti a forestare circa 500mila ettari di terreno. L'inquinamento atmosferico da carbonio si ridurra' ulteriormente negli anni successivi di quote stimabili in 500mila tonnellate per anno.

"Le pompe di calore GeoExchange per il condizionamento degli edifici sono le piu' efficienti in termini energetici, le piu' pulite in termini di rispetto ambientale, le piu' indicate in termini di rapporto costi/benefici."
EPA - Environmental Protection Agency (Agenzia americana per la protezione dell'ambiente)

Parziale copyright © Geothermal Heat Pump Consortium, Inc. Per ulteriori informazioni, consultate il sito web http://www.geoexchange.org/