ITRM20110025A1 - Sonda geotermica verticale a bassa entalpia. - Google Patents

Description

Sonda geotermica verticale a bassa entalpia

La presente invenzione riguarda una sonda geotermica verticale a bassa entalpia.

Più dettagliatamente, l’invenzione riguarda un dispositivo del tipo detto, ovvero uno scambiatore di calore geotermico a bassa entalpia che, in accordo con la particolare soluzione proposta secondo la presente invenzione, risulta essere particolarmente efficace nella sua funzione di estrazione di calore dal sottosuolo durante la stagione invernale e di cessione di calore dal sottosuolo durante la stagione estiva.

Com’à ̈ ben noto, nel sottosuolo, già negli strati immediatamente sottostanti rispetto alla superficie terrestre, ovvero pochi metri sotto la superficie, à ̈ possibile riscontrare condizioni di temperatura costante durante tutto l’anno, che permettono lo sfruttamento del sottosuolo come serbatoio termico dal quale estrarre calore durante la stagione invernale ed al quale cederne durante la stagione estiva.

Sfruttando questa caratteristica del sottosuolo, un impianto di geotermia a bassa entalpia à ̈ quindi in grado di sopperire totalmente al riscaldamento nel periodo invernale e alla refrigerazione nel periodo estivo, nonché consente la produzione di acqua calda sanitaria fino a 60°C, tutto per mezzo del medesimo impianto.

Secondo la tecnica nota, un impianto di geotermia risulta costituito da due circuiti idraulici separati: una sonda geotermica, posizionata in una perforazione realizzata nel suolo e in cui circola acqua glicolata; e un impianto di distribuzione del calore, del rinfrescamento e dell’acqua calda sanitaria all’interno del luogo, generalmente ma non necessariamente un’abitazione, al quale l’impianto di geotermia à ̈ destinato. Tra la sonda geotermica e l’impianto di distribuzione à ̈ disposto uno scambiatore di calore, che consente lo scambio termico tra il fluido che circola nella sonda geotermica da un lato e il fluido che scorre rispettivamente nell’impianto di distribuzione del calore e in quello di rinfrescamento e dell’acqua calda sanitaria.

Sempre secondo la tecnica nota, le sonde geotermiche verticali sono scambiatori di calore, installati verticalmente in perforazioni profonde da 50 a 250m, con fori di diametro variabile in funzione della profondità e del tipo di conformazione della sonda geotermica. La profondità delle perforazioni à ̈ determinata in base al volume dei locali da scaldare ed al tipo di terreno. All’interno della perforazione, viene inserito in profondità un tubo ad U o a spirale. Lo spazio vuoto restante à ̈ riempito con una miscela ternaria di acqua-cemento-bentonite, per assicurare un buon contatto termico tra i tubi e la parete della perforazione. Il fluido circolante nella perforazione accumula calore e fornisce energia geotermica ad una pompa di calore che à ̈ dimensionata in base alla potenza di riscaldamento necessaria ed à ̈ alimentata a corrente elettrica. L’energia elettrica per la pompa di calore va fornita esternamente, à ̈ per questo che normalmente si associa all’impianto geotermico anche un piccolo impianto fotovoltaico per far girare la pompa. Il risultato energetico à ̈ che con 1kW di energia elettrica si riescono ad ottenere 3-4 kW di energia termica.

Tuttavia, il coefficiente di prestazione dei sistemi di questo tipo non à ̈ ancora ottimale e sono ancora allo studio soluzioni in grado di migliorarne le prestazioni.

In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un perfezionato impianto geotermico, e in particolare una perfezionata sonda geotermica verticale a bassa entalpia, che presentano un’ottimale rendimento nell’estrazione di calore dal sottosuolo durante la stagione invernale e di cessione di calore dal sottosuolo durante la stagione estiva.

Questi ed altri risultati sono ottenuti secondo la presente invenzione proponendo una sonda geotermica verticale a bassa entalpia e un impianto che consentono il massimo dell’efficienza e quindi del coefficiente di prestazione con il minor costo possibile.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi quello di realizzare una sonda geotermica verticale a bassa entalpia e un impianto geotermico che permettano di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ che detta sonda geotermica e detto impianto possano essere realizzati con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di installazione che per quanto concerne i costi di gestione e manutenzione.

Non ultimo scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare una sonda geotermica verticale a bassa entalpia e un impianto geotermico che siano sostanzialmente semplici, sicuri ed affidabili.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione una sonda geotermica verticale a bassa entalpia, comprendente un tubo, con una porzione di mandata e una porzione di ritorno, al cui interno scorre un fluido di scambio termico, detto tubo essendo inserito in un mantello tubolare, a sua volta inseribile in una perforazione realizzata nel terreno, al cui interno à ̈ presente un liquido, detto mantello tubolare essendo aperto all’estremità superiore, su cui à ̈ applicato un elemento di chiusura, inserito a tenuta sulle pareti di detto mantello tubolare e dotato di un’apertura per il passaggio a tenuta della porzione di mandata di detto tubo e di un’apertura per il passaggio a tenuta della porzione di ritorno di detto tubo.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detto tubo ha una porzione di mandata elicoidale e una porzione di ritorno rettilinea.

In particolare, secondo la presente invenzione detto fluido di scambio termico che scorre all’interno di detto tubo à ̈ un gas refrigerante e detta sonda à ̈ collegata direttamente ad un compressore frigorifero.

Inoltre, sempre secondo l’invenzione, detto liquido presente all’interno di detto mantello tubolare à ̈ una soluzione di acqua e di un additivo anticongelamento, preferibilmente una soluzione di acqua e glicol etilenico al 40% in peso.

Ancora secondo l’invenzione, detto mantello tubolare e detto elemento di chiusura sono realizzati con uno stesso materiale isolante termico e galvanico, mentre detto tubo à ̈ realizzato in materiale conduttore termico, detta porzione di ritorno di detto tubo essendo preferibilmente rivestita con uno strato di materiale isolante.

Infine, sempre secondo l’invenzione detto elemento di chiusura à ̈ dotato di un alloggiamento tubolare per l’inserimento con interferenza dell’estremità superiore delle pareti di detto mantello tubolare, di mezzi di bloccaggio a detto mantello tubolare e di un’ulteriore apertura, dotata di un tappo rimovibile.

Risulta evidente l’efficacia della sonda geotermica verticale a bassa entalpia della presente invenzione, che consente, nei casi di installazione su impianti anch’essi realizzati secondo la presente invenzione, di eliminare lo scambiatore di calore e il circolatore di mandata del fluido di scambio termico, dal momento che il fluido che consente di assorbire o cedere calore, rispettivamente nella stagione invernale e nella stagione estiva, à ̈ direttamente il gas del compressore frigorifero, riducendo i consumi di energia elettrica ed aumentando così il coefficiente di prestazione dell’impianto, oltre a ridurne ilcosto di produzione. Tale soluzione tecnica consente di ottenere delle temperature molto superiori (in inverno) o molto inferiori (in estate), in virtù dell’eliminazione dello scambiatore di calore e delle corrispondenti perdite dovute allo scambio termico tra fluidi al suo interno.

Risulta altresì evidente l’efficacia della sonda geotermica verticale a bassa entalpia della presente invenzione nei casi in cui, ad esempio per integrare la sonda in un impianto preesistente senza effettuare troppe modifiche dello stesso, si scelga di inviare nel tubo della sonda un fluido di scambio termico e, conseguentemente, utilizzare lo scambiatore e il circolatore preesistenti nell’impianto.

Inoltre, la sonda geotermica verticale a bassa entalpia secondo la presente invenzione può essere installata in qualsiasi punto sia all’interno che all’esterno di un locale, e la sua profondità di installazione, variabile da pochi metri fino a cento metri, ma anche oltre, permette di effettuare le perforazioni necessarie per l’installazione senza bisogno di effettuare specifiche indagini geologiche preliminari.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra una vista laterale in sezione trasversale di una sonda geotermica verticale a bassa entalpia secondo la presente invenzione,

- la figura 2 mostra una vista laterale in sezione trasversale del mantello tubolare della sonda geotermica della figura 1,

- la figura 3 mostra una vista laterale in sezione trasversale dell’elemento di chiusura della sonda geotermica della figura 1, e

- la figura 4 mostra una vista in pianta in sezione dell’elemento di chiusura lungo la linea A-A della figura 3.

Facendo riferimento alle figure, una sonda geotermica verticale a bassa entalpia secondo la presente invenzione, indicata complessivamente con il riferimento numerico 10, à ̈ costituita da un tubo a serpentino 11, da un mantello tubolare 12, aperto all’estremità superiore e dotato di un fondo chiuso 12’, disposto a protezione di detto tubo a serpentino 11, e da un elemento di chiusura superiore 13, che si impegna a tenuta con detto mantello tubolare 12, più precisamente in corrispondenza della sua estremità superiore aperta, e che à ̈ dotato di aperture 14, 15 di passaggio del tubo a serpentino 11 e opzionalmente di un’ulteriore apertura 16 di ispezione e di inserimento o prelievo di materiale (in particolare di un liquido che preferibilmente sarà una soluzione di acqua e glicol etilenico) all’interno della sonda 10. Tutte dette aperture sono dotate di tappi di chiusura 17.

Più in particolare, detto tubo a serpentino 11 à ̈ preferibilmente realizzato in rame e si compone di una porzione elicoidale 11’ attraversata dal fluido che scorre al suo interno in senso discendente e da una porzione rettilinea 11†, disposta all’interno delle spire di detta porzione elicoidale 11’, attraversata dal fluido che scorre al suo interno in senso ascendente. Il fluido che scorre all’interno del tubo a serpentino 11 à ̈, in una forma particolarmente preferita della presente invenzione, un gas refrigerante, anche se à ̈ possibile inviare all’interno di questo tubo anche un fluido di scambio termico, come già specificato in precedenza per quei casi in cui si desidera utilizzare la sonda geotermica verticale secondo la presente invenzione in un impianto geotermico precedentemente installato secondo la tecnica nota e apportando modifiche minime a detto impianto.

La porzione rettilinea 11†del tubo a serpentino 11 à ̈ rivestito con un tubo 18 di materiale isolante, in particolare polietilene, per impedire, nel corso della stagione estiva, un riassorbimento anche solo parziale del calore precedentemente ceduto e, quindi, mantenere un elevato differenziale tra la temperatura di ingresso e la temperatura di uscita del gas nella sonda 10.

Il mantello tubolare 12 à ̈ realizzato in materiale isolante, sia dal punto di vista termico che dal punto di vista galvanico, ed à ̈ preferibilmente polietilene ad alta densità (PHED). Strutturalmente, il mantello tubolare à ̈ costituito, a seconda del luogo di installazione e del diametro, da un pezzo unico, oppure da una pluralità di porzioni cilindriche saldate testa a testa e a cui à ̈ saldato il fondo 12’.

L’elemento di chiusura 13 à ̈ realizzato con lo stesso materiale del mantello tubolare 12 ed à ̈ fissato al mantello tubolare 12 stesso tramite viti di serraggio o innesto a baionetta.

Le estremità delle due porzioni 11’ e 11†del tubo a serpentino 11 vengono fatte passare rispettivamente nelle aperture 14, 15 di passaggio del tubo a serpentino 11 e vengono serrate per esempio tramite raccordi a bicono (non mostrati). Come già detto in precedenza, l’ulteriore apertura 16 opzionale potrà essere utilizzata in seguito per eventuali future ispezioni o per l’inserimento o la rimozione di ulteriori quantità di soluzione acqua – glicol etilenico. Nel corso del normale utilizzo, quindi, tale ulteriore apertura 16 risulterà chiusa dal corrispondente tappo 17, come mostrato in particolare con riferimento alla figura 1.

L’elemento di chiusura 13 à ̈ realizzato nello stesso materiale con cui à ̈ realizzato il mantello tubolare 12. La forma dell’elemento di chiusura 13 à ̈ tale da garantire la chiusura a tenuta sulle pareti del mantello tubolare 12. In particolare, facendo riferimento alle figure 3 e 4, l’elemento di chiusura 13 à ̈ dotato di un alloggiamento tubolare 19, conformato in modo da consentire l’alloggiamento al suo interno dell’estremità superiore delle pareti del mantello tubolare 12, in particolare con un certo grado di interferenza tra la superficie interna dell’alloggiamento tubolare 19 e la superficie interna dell’estremità superiore delle pareti del mantello tubolare 12. La tenuta in corrispondenza di queste superfici à ̈ ulteriormente garantita dalla presenza di due anelli di tenuta (o-ring 20), alloggiati in appositi alloggiamenti ricavati sulla superficie interna dell’alloggiamento tubolare 19. La tenuta tra l’elemento di chiusura 13 e il mantello tubolare 12 serve ad impedire fuoriuscite indesiderate della soluzione contenuta nella sonda 10, e in particolare ad impedire che parte della soluzione possa disperdersi per evaporazione, soprattutto nella stagione estiva. Un’ulteriore utilità della tenuta detta à ̈ quella di impedire eventuali infiltrazioni dal terreno sovrastante la sonda, anche se ovvie ragioni di buona progettazione della sonda consiglierebbero di realizzare un pozzetto di ispezione per eventuali lavori futuri di manutenzione ordinaria e straordinaria.

L’elemento di chiusura 13 à ̈ ulteriormente provvisto di una pluralità di viti di serraggio 21, che garantiscono il bloccaggio meccanico dell’elemento di chiusura 13 sul mantello tubolare 12.

Con riferimento alla procedura di installazione della sonda geotermica verticale a bassa entalpia secondo la presente invenzione, si procede nel modo seguente: dopo aver realizzato la perforazione per l’inserimento della sonda 10, il mantello tubolare 12 viene inserito nella perforazione, aggiungendo progressivamente al suo interno acqua o un altro liquido idoneo, per facilitarne l’inserimento per effetto del peso e quindi sfruttando la forza di gravità, senza però la necessità di ricorrere all’utilizzo di zavorre, che sono comunque sempre applicabili in particolari casi in cui sia richiesto, ad esempio quando all’interno della perforazione sia presente dell’acqua.

Quando il mantello tubolare 12 à ̈ stato inserito per tutta la sua lunghezza, la sua posizione viene bloccata inserendo nell’interspazio tra la parete della perforazione e la superficie esterna del mantello tubolare 12 sabbia o cemento mischiato con bentonite.

Quando il mantello tubolare 12 à ̈ stato opportunamente fissato nella sua posizione di utilizzo, al suo interno viene inserito il tubo a serpentino 11 e quindi all’aggiunta nell’acqua precedentemente versata nel mantello tubolare di un antigelo, in particolare glicol etilenico, ed eventualmente di altra acqua. La percentuale preferita di glicole etilenico in soluzione nell’acqua à ̈ pari al 40% in peso. La funzione di questa aggiunta à ̈ quella di impedire che l’acqua possa congelarsi nella stagione invernale.

Il livello 22 ottimale della soluzione di acqua e glicol etilenico all’interno della sonda 10 non à ̈ quello di completo riempimento del mantello tubolare 12, ma piuttosto à ̈ preferibile mantenere tale livello 22 circa 20 o 30 cm al disotto dell’estremità superiore del mantello tubolare 12, ovvero al disotto dell’elemento di chiusura 13 della sonda 10 che verrà successivamente applicato. In questo modo, l’aria che rimane sopra al pelo del liquido 22 permette una coibentazione migliore verso l’esterno e consente di assorbire le dilatazioni del liquido nel funzionamento alle variazioni della temperatura all’interno della sonda 10.

Terminate le precedenti operazioni, si procede all’inserimento dell’elemento di chiusura 13 sul mantello tubolare 12 e al suo bloccaggio mediante le viti di serraggio 21 oppure mediante altri meccanismi di bloccaggio idonei (ad esempio un innesto a baionetta).

L’operazione di installazione appena descritta viene ripetuta per il numero di sonde geotermiche 10 necessarie alle esigenze dell’impianto, dopodiché si procede al collegamento tra le diverse sonde 10 e tra le sonde e il resto dell’impianto geotermico (un compressore frigorifero o una pompa di calore o scambiatore di calore a seconda che le sonde 10 siano collegate ad un impianto appositamente realizzato o ad un impianto preesistente non modificato se non con la sostituzione delle sonde). Il sistema preferito di collegamento delle sonde 10 à ̈ in parallelo, poiché consente una distribuzione più omogenea ad ogni singola sonda 10 senza dover intervenire con valvole di regolazione del gas. Infatti, collegando le sonde 10 in parallelo tra loro, ogni sonda 10 oppone la stessa resistenza al fluido che scorre all’interno dei rispettivi tubi a serpentino 11, consentendo una distribuzione perfettamente identica e consentendo il funzionamento ottimale di tutte le sonde 10.

I vantaggi della sonda geotermica verticale a bassa entalpia secondo la presente invenzione risulteranno immediatamente chiari per un tecnico del settore. In particolare, la soluzione proposta consente di realizzare un impianto che permette il massimo dell’efficienza con il minor costo possibile. Oltretutto, la realizzazione dell’impianto secondo la soluzione proposta evita eventuali inconvenienti dovuti a perdite di gas e conseguentemente la necessità di interventi di manutenzione o di sostituzione di componenti dell’impianto.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia, comprendente un tubo (11), con una porzione di mandata (11') e una porzione di ritorno (11"), al cui interno scorre un fluido di scambio termico, detto tubo (11) essendo inserito in un mantello tubolare (12), a sua volta inseribile in una perforazione realizzata nel terreno, al cui interno à ̈ presente un liquido, detto mantello tubolare essendo aperto all'estremità superiore, su cui à ̈ applicato un elemento di chiusura (13), inserito a tenuta sulle pareti di detto mantello tubolare (12) e dotato di un'apertura (14) per il passaggio a tenuta della porzione di mandata (11') di detto tubo (11)—e di un'apertura (15) per il passaggio a tenuta della porzione di ritorno (11") di detto tubo (11) e di un'ulteriore apertura (16), dotata di un tappo (17) rimovibile.
2. 2) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto tubo (11) ha una porzione di mandata (11') elicoidale e una porzione di ritorno (11") rettilinea.
3. 3) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto fluido di scambio termico che scorre all'interno di detto tubo (11) Ã ̈ un gas refrigerante.
4. 4) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto di essere collegata direttamente ad un compressore frigorifero.
5. 5) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto liquido presente all'interno di detto mantello tubolare (12) Ã ̈ una soluzione di acqua e di un additivo anticongelamento .
6. 6) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo la rivendicazione 5, caratterizzata dal fatto che detto liquido presente all'interno di detto mantello tubolare (12) Ã ̈ una soluzione di acqua e glicol etilenico al 40% in peso.
7. 7) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto mantello tubolare (12) e detto elemento di chiusura (13) sono realizzati con uno stesso materiale isolante termico e galvanico .
8. 8) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto tubo (11) Ã ̈ realizzato in materiale conduttore termico.
9. 9) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta porzione di ritorno (11") di detto tubo (11) Ã ̈ rivestita con uno strato (18) di materiale isolante.
10. 10) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento di chiusura (13) à ̈ dotato di un alloggiamento tubolare (19) per l'inserimento con interferenza dell'estremità superiore delle pareti di detto mantello tubolare (12).
11. 11) Sonda geotermica verticale (10) a bassa entalpia secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto elemento di chiusura (13) Ã ̈ dotato di mezzi di bloccaggio (21) a detto mantello tubolare (12).