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Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 2011 memoria n. IMPIANTO SPERIMENTALE GEOTERMICO A BASSA ENTALPIA PER RISCALDAMENTO SERRICOLO. PRIME VALUTAZIONI. 1 G. Scarascia Mugnozza, S. Pascuzzi, A. Anifantis Dipartimento di Scienze Agro – Ambientali e Territoriali, Università degli Studi di Bari – Aldo Moro SOMMARIO E’ stata avviata una ricerca mirata ad approfondire le tematiche connesse all’impiego di pompe di calore geotermiche per il riscaldamento di serre dedicate alle colture orticole, cercando di analizzarne i principali e multiformi parametri costruttivi, operativi e funzionali. A tale scopo sono state predisposte due serre gemelle e una di esse è stata riscaldata da un impianto geotermico a bassa entalpia, appositamente ideato e realizzato, costituito principalmente da una pompa di calore equipaggiata con sonda geotermica verticale e da un sistema di accumulo dell’acqua calda composto da un Boiler dotato all’interno di uno scambiatore di calore. L’altra serra gemella, non riscaldata, è servita per confronto. I risultati ottenuti, sebbene di natura introduttiva, evidenziano in modo chiaro che un impianto di questa tipologia consente di risparmiare, rispetto ad una convenzionale caldaia alimentata a gasolio, circa il 75% dell’energia spesa per il riscaldamento, con un conseguente risparmio economico sul consumo energetico di circa il 40%, senza considerare i costi di ammortamento delle attrezzature. Parole chiave: serricoltura, riscaldamento, geotermia. 1 INTRODUZIONE Il comparto serricolo è il settore più energivoro dell’agricoltura in virtù dell’elevato livello tecnologico che lo caratterizza: gli input energetici (combustibili ed energia elettrica) per il soddisfacimento dei fabbisogni termici delle serre incidono fortemente sul costo e la sostenibilità ambientale delle produzioni orto – floro – vivaistiche. L’innovazione tecnologica nel campo delle energie rinnovabili diventa pertanto essenziale per la conversione ecologica ed economica degli impianti di riscaldamento delle serre a tutto vantaggio della sostenibilità del processo di coltivazione e dei prodotti (Scarascia Mugnozza et al., 2009). Una tecnica largamente sviluppata in molti Paesi, in ragione dei vantaggi di carattere ambientale ed economico, riguarda lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, che può trovare una proficua applicazione nel settore agricolo e, in particolare, 1 Il contributo al lavoro è da suddividere in maniera paritetica tra gli Autori.

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Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 2011 memoria n.

IMPIANTO SPERIMENTALE GEOTERMICO A BASSA ENTALPIA PER RISCALDAMENTO SERRICOLO. PRIME VALUTAZIONI.1

G. Scarascia Mugnozza, S. Pascuzzi, A. Anifantis

Dipartimento di Scienze Agro – Ambientali e Territoriali, Università degli Studi di Bari – Aldo Moro

SOMMARIO

E’ stata avviata una ricerca mirata ad approfondire le tematiche connesse all’impiego di pompe di calore geotermiche per il riscaldamento di serre dedicate alle colture orticole, cercando di analizzarne i principali e multiformi parametri costruttivi, operativi e funzionali. A tale scopo sono state predisposte due serre gemelle e una di esse è stata riscaldata da un impianto geotermico a bassa entalpia, appositamente ideato e realizzato, costituito principalmente da una pompa di calore equipaggiata con sonda geotermica verticale e da un sistema di accumulo dell’acqua calda composto da un Boiler dotato all’interno di uno scambiatore di calore. L’altra serra gemella, non riscaldata, è servita per confronto. I risultati ottenuti, sebbene di natura introduttiva, evidenziano in modo chiaro che un impianto di questa tipologia consente di risparmiare, rispetto ad una convenzionale caldaia alimentata a gasolio, circa il 75% dell’energia spesa per il riscaldamento, con un conseguente risparmio economico sul consumo energetico di circa il 40%, senza considerare i costi di ammortamento delle attrezzature. Parole chiave: serricoltura, riscaldamento, geotermia.

1 INTRODUZIONE

Il comparto serricolo è il settore più energivoro dell’agricoltura in virtù dell’elevato livello tecnologico che lo caratterizza: gli input energetici (combustibili ed energia elettrica) per il soddisfacimento dei fabbisogni termici delle serre incidono fortemente sul costo e la sostenibilità ambientale delle produzioni orto – floro – vivaistiche.

L’innovazione tecnologica nel campo delle energie rinnovabili diventa pertanto essenziale per la conversione ecologica ed economica degli impianti di riscaldamento delle serre a tutto vantaggio della sostenibilità del processo di coltivazione e dei prodotti (Scarascia Mugnozza et al., 2009).

Una tecnica largamente sviluppata in molti Paesi, in ragione dei vantaggi di carattere ambientale ed economico, riguarda lo sfruttamento dell’energia geotermica a bassa entalpia, che può trovare una proficua applicazione nel settore agricolo e, in particolare,

1 Il contributo al lavoro è da suddividere in maniera paritetica tra gli Autori.

G. Scarascia Mugnozza, S. Pascuzzi, A. Anifantis

nel riscaldamento delle serre (Dickson et al., 2004). In Italia, attualmente, il 16% del potenziale geotermico installato è legato alla climatizzazione delle serre e le applicazioni sono limitate a 46 ha di serre collocate soprattutto in Toscana, Veneto e Lazio (ENEA, 2009).

L’uso diretto di calore geotermico più diffuso è rappresentato dalle pompe di calore (Lund et. al, 2005); in Italia si stima un numero complessivo di 7.500 pompe di calore geotermiche installate per una potenza termica di 150 MW termici con una potenza media delle pompe di calore geotermiche installate pari a 20 kW (ENEA, 2010).

Va altresì detto che sono in corso studi sperimentali ed applicazioni commerciali volti a valutare le potenzialità delle pompe di calore geotermiche a servizio di serre per la produzione vegetale (Chiabrando et. al, 2009) ed i primi risultati sono promettenti sia dal punto di vista ambientale che del rapporto benefici – costi (Adaro et al., 1999; Ozgener, 2010).

Dal punto di vista normativo, le pompe di calore geotermiche sono considerate dalla Direttiva Europea 2009/28/CE fonti di energia rinnovabile, con la condizione che l’output finale di calore sia significativamente superiore all’input di energia elettrica necessario per il funzionamento.

Le norme tecniche americane ASHRAE classificano le fonti di energia geotermica nelle seguenti tre categorie: a. ad elevata temperatura (>150 °C) per la produzione di energia elettrica; b. a media e bassa temperatura (<150 °C), per utilizzo diretto del calore estratto dal suolo; c. con pompa di calore geotermica a bassa entalpia (<32 °C), per utilizzo indiretto del calore estratto dal suolo (Chiasson, 1999).

In Europa si fa solitamente riferimento alla normativa tedesca VDI 4640 per la progettazione di impianti geotermici a bassa entalpia, aventi capacità di riscaldamento inferiore a 30 kW e tempi di funzionamento dell’impianto inferiori a 1800-2400 h/anno (Tinti, 2008).

La legislazione in materia vigente in Italia risulta assolutamente frammentaria ed incompleta, ponendo maggiore attenzione all’efficienza energetica degli impianti, piuttosto che ai sistemi geotermici nello specifico. Occorre ricordare però che il D.Lgs. 22/2010 inerente la “ricerca e coltivazione delle risorse geotermiche” ha dichiarato di pubblico interesse e pubblica utilità l’utilizzo delle fonti geotermiche sul territorio nazionale. Inoltre, le finanziarie varate negli ultimi anni hanno introdotto detrazioni fiscali di una certa rilevanza (55%) applicabili alla sostituzione di impianti tradizionali di climatizzazione invernale con pompe di calore ad alta efficienza e con impianti geotermici a bassa entalpia.

Sulla base di queste considerazioni, presso il Dipartimento di Scienze Agro-Ambientali e Territoriali (DISAAT) dell’Università degli Studi Aldo Moro di Bari è stata avviata una ricerca mirata ad approfondire le tematiche connesse all’impiego di pompe di calore geotermiche per il riscaldamento di serre dedicate alle colture orticole, cercando di analizzarne i principali e multiformi parametri costruttivi, operativi e funzionali. Nella presente nota sono riportati i primi risultati di questa indagine.

2 MATERIALI E METODI

Presso il Centro didattico – sperimentale “Martucci” dalla Facoltà di Agraria di Bari, sito in agro di Valenzano (41° latitudine N), sono state predisposte due serre gemelle, aventi le seguenti caratteristiche essenziali: a. tipologia a tunnel; b. orientamento est-

IMPIANTO SPERIMENTALE GEOTERMICO A BASSA ENTALPIA PER RISCALDAMENTO SERRICOLO. PRIME VALUTAZIONI.

ovest; c. estensione in pianta: 48 m2; d. altezza massima: ~3,5 m; e. struttura in acciaio zincato con sezione tubolare; f. copertura con film plastico in EVA (etilene-vinilacetato) (Figura 1).

Figura 1. Serra riscaldata e serra di confronto

Una delle due serre è stata riscaldata da un impianto geotermico a bassa entalpia, appositamente ideato e realizzato, costituito principalmente da una pompa di calore equipaggiata con sonda geotermica verticale e da un sistema di accumulo dell’acqua calda composto da un Boiler dotato all’interno di uno scambiatore di calore.

L’altra serra gemella, non riscaldata è servita per confronto. L’installazione dell’impianto è avvenuta secondo le seguenti fasi sequenziali (Figura

2): a. trivellazione verticale per la creazione del perforo che ospita la sonda geotermica; b. posa della sonda; c. installazione dei collettori e di tutti gli apparati idraulici di collegamento; d. installazione della pompa di calore.

La fase di perforazione è avvenuta con due trivellazioni sucessive; la prima, per la realizzazione di un avampozzo del diametro di 180 mm, dal piano campagna fino alla profondità di circa 3 m. La seconda, per la realizzazione del pozzo geotermico del diametro di 140 mm, dalla profondità di ~3 m fino alla profondità di ~120 m.

L’avampozzo è stato rivestito con tubi in PVC del diametro esterno di 160 mm e spessore di 3,2 mm, fino alla profondità di 3 m circa.

La trivellazione del pozzo è stata compiuta tramite il sistema a distruzione di nucleo, effettuabile in terreni di qualsiasi natura e consistenza, mediante l’immissione di aria compressa e schiumogeno biodegradabile.

Durante la perforazione sono state compiute indagini relativamente alla composizione stratigrafica e alla temperatura del sottosuolo.

La sonda geotermica, che realizza in pratica uno scambiatore di calore, è costituita da due rami distinti di tubazione ad “U” di diametro esterno 32 mm e spessore 2,9 mm, in polietilene reticolato ad alta resistenza (PEX) avente range di temperatura adatto per accumulo termico nel sottosuolo: -40°C÷+95°C,.

La disposizione a doppio “U” delle due tubazioni presenta i seguenti vantaggi: a. una continuità di esercizio nel caso di occlusione di un ramo; b. una resistenza equivalente termica del pozzo minore delle sonde a singola “U”; c. rende possibile l’utilizzo di tubi con diametri minori, con conseguente maggiore scambio termico per maggiore velocità del fluido vettore; d. una maggiore superficie di scambio; e. maggiori interferenze dovute a corto-circuiti termici.

G. Scarascia Mugnozza, S. Pascuzzi, A. Anifantis

Figura 2. Fasi principali d’installazione dell’impianto geotermico: perforazione, posa sonda, posa

collettori e installazione pompa di calore. Per garantire la verticalità durante la sistemazione della sonda geotermica è stata

posta al suo piede una zavorra di acciaio (Figura 3). La cementazione (o posa del grouting) è stata eseguita tramite iniezione in pressione

di boiacca cementizia bentonitica dal basso verso l’alto per mezzo di tubo in polietilene calato con le sonde in modo tale da garantire un perfetto accoppiamento termico tra sonde e sottosuolo. Inoltre la boiacca cementizia bentonitica mantiene isolate fra loro eventuali falde intercettate ed evita possibili inquinamenti dell’acqua di falda.

Il materiale utilizzato per il grouting è eco-compatibile, non solubile in acqua, dotato di conduttività termica paragonabile a quella del terreno circostante; risulta, inoltre, leggermente espansivo per garantire la separazione fra eventuali falde intercettate e infine debolmente elastico per attutire eventuali bradisismi.

La conducibilità termica del mix bentonite/cemento è compresa fra 0,6 e 1,0 W/m K, ossia è piuttosto buona; inoltre il mix presenta una bassa conduttività idraulica, una buona pompabilità e una bassa compressione per congelamento.

Lo scambio termico con il sottosuolo avviene con temperature molto superiori a 0

IMPIANTO SPERIMENTALE GEOTERMICO A BASSA ENTALPIA PER RISCALDAMENTO SERRICOLO. PRIME VALUTAZIONI.

°C, perciò è stato possibile utilizzare come fluido termovettore acqua, che circola all’interno della sonda. L’esclusione di altri fluidi termovettori come il Glicole etilenico, il Glicole propilenico, il Metanolo, l’Etanolo, il Cloruro di calcio, il Carbonato di potassio evita varie complicazioni quali la tossicità, l’infiammabilità, la stabilità, la compatibilità con i materiali del sistema, l’impatto ambientale, la corrosività, l’economicità, l’alta viscosità e il basso calore specifico.

Figura 3. Predisposizione sonda geotermica e zavorra.

La sonda geotermica è accoppiata ad una pompa di calore da 7 kW termici; in condizioni nominali la pompa di calore assorbe una potenza elettrica pari a 1,5 kW, garantendo elevate rese termiche (COP 4,6) con temperature di mandata nell’ordine di 30 – 35 °C. Il fluido frigorigeno circolante all’interno del circuito chiuso della pompa di calore è l’ecologico R410A.

La pompa di calore è collegata attraverso una serpentina ad immersione con un serbatoio isolato termicamente (boiler) di capacità 1000 l, in cui avviene lo scambio termico con l’acqua utilizzata per il riscaldamento della serra.

3 RISULTATI

Durante la trivellazione si è riscontrato che il sottosuolo è di composizione calcarea con presenza di fessurazioni e grandi sacche di argilla; inoltre, la perforazione non ha attraversato alcuno strato interessato da acqua di falda.

La temperatura del suolo è di circa 16 °C a 100 m di profondità ed è costante per tutto il periodo dell’anno, tale temperatura, inoltre, è ottimale per lo scambio termico tramite pompa di calore sia in periodo invernale sia estivo.

L’energia elettrica assorbita dalla pompa di calore durante un anno di sperimentazione è stata di circa 1620 kWh e, grazie ad un COP = 4, è stata trasformata in 6480 kWh termici necessari al riscaldamento della serra nel periodo invernale.

G. Scarascia Mugnozza, S. Pascuzzi, A. Anifantis

Occorre dire, però, che variando la temperatura di mandata da 30÷35°C a 50÷55°C la potenza elettrica assorbita variava nel range 1,5÷2,2 kW e, conseguentemente, il rendimento della pompa si riduce a COP 3(Figura 4).

Figura 4. Temperatura acqua sistema di riscaldamento (°C) nel giorno 01/01/2011

I fattori che hanno influenzato gli scambi termici per conduzione e convezione (vento, forma geometrica e orientamento delle serre, conducibilità termica e umidità del terreno) sono stati identici per entrambe le serre. Le differenti condizioni microclimatiche nelle due serre sperimentali sono dipese esclusivamente alla presenza dell’impianto di riscaldamento alimentato dalla pompa di calore geotermica.

Dall’analisi dei risultati è possibile evidenziare una differenza media di temperatura notturna tra serra riscaldata e serra fredda di circa 8°C, mentre la differenza di temperatura tra aria interna alla serra riscaldata ed esterna è stata pari a 6°C (Figura 5). La temperatura della serra non riscaldata è infatti risultata minore di quella esterna nelle ore notturne per l’instaurarsi, in condizioni di cielo sereno, del fenomeno dell’inversione termica a causa dell’irraggiamento della copertura in film plastico verso la volta celeste (Manera et al., 1989).

4 CONCLUSIONI

I risultati ottenuti, sebbene di natura introduttiva, evidenziano in modo chiaro che l’impianto geotermico a bassa entalpia messo a punto ha realizzato all’interno della serra condizioni microclimatiche idonee per la coltivazione di ortive con assorbimenti energetici assolutamente inferiori ad attrezzature tradizionali. La pompa di calore geotermica ha permesso di risparmiare, rispetto ad una convenzionale caldaia alimentata a gasolio, circa il 75% dell’energia spesa per il riscaldamento, con un conseguente risparmio economico sul consumo energetico di circa il 40%, senza considerare i costi di ammortamento delle attrezzature.

Sulla base di queste considerazioni è possibile affermare l’idoneità del sistema con pompa di calore geotermica a soddisfare in maniera efficace, efficiente ed ecosostenibile i fabbisogni termici serricoli.

IMPIANTO SPERIMENTALE GEOTERMICO A BASSA ENTALPIA PER RISCALDAMENTO SERRICOLO. PRIME VALUTAZIONI.

Figura 5. Andamento temperatura dell’aria esterna e all’interno delle serre sperimentali nel giorno 01/01/2011

BIBLIOGRAFIA

Adaro J. A., Galimberti P. D., Lema A. I., Fasulo A., Barral J. R., 1999, “Geothermal contribution to greenhouse heating”, Applied Energy 64: 241-249

Chiabrando R., Fabrizio E., 2009, “La sostenibilità energetica delle costruzioni: criteri progettuali e strumenti di verifica”, Atti del IX Congresso Nazionale dell’Associazione Italiana di Ingegneria Agraria – Ischia

Chiasson A., 1999, “Advances in Modeling of Ground-Source Heat Pump Systems”, M.S. Thesis, School of Mechanical and Aerospace Engineering, Oklahoma State University

Dickson M., Fanelli M., 2004, “What is geothermal energy?”, Instituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italy

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worldwide review”, Geothermics, 34: 691-727 Manera G., Picuno P., Scarascia Mugnozza G., 1989, “Analysis of nocturnal microclimate in

single skin cold greenhouses in mediterranean countries”, Acta Horticulturae 281:47-56 Ozgener O., 2010, “Use of solar assisted geothermal heat pump and small wind turbine systems

for heating agricultural and residential buildings”, Energy 35: 262–268 Ricerca e innovazione per un futuro low – carbon, Le fonti rinnovabili ENEA 2010 Scarascia Mugnozza G., Anifantis A., 2009, “Dal fotovoltaico al termico”, Colture Protette, vol.

6: 40-43 Tinti F., 2008. Geotermia per la climatizzazione. DARIO FLACCOVIO EDITORE.