Pompa di calore geotermica fai-da-te per il riscaldamento domestico: funzionamento, progettazione, montaggio autonomo

È possibile organizzare il riscaldamento e la fornitura di acqua calda di una casa privata in diversi modi, ad esempio collegandosi alle reti del gas centralizzato oppure convertendo gli impianti di riscaldamento all'uso dell'elettricità. È d'accordo?

Oppure si può assemblare una pompa di calore geotermica fai-da-te e utilizzare efficacemente il calore della terra per creare condizioni di vita confortevoli. Senza dubbio, si tratta di un processo piuttosto laborioso, ma per chi ha almeno un po' di dimestichezza con la tecnica, non sarà un grosso problema.

In questo articolo parleremo dei principi di funzionamento e dei tipi di impianti geotermici. Le spiegheremo come costruire autonomamente una pompa di calore utilizzando materiali di recupero. Inoltre, nell'articolo troverà consigli di esperti sulla scelta dei geogruppi. E i video inclusi sveleranno i segreti dell'installazione e i principi di funzionamento delle pompe geotermiche.

Come funziona un gruppo geotermico?

Il funzionamento di una pompa di calore geotermica si basa sul trasferimento di calore da una fonte a basso potenziale termico al fluido termovettore. La terra qui funge da radiatore in estate ed è una fonte attiva di calore in inverno.

La differenza di temperatura del terreno aiuta ad aumentare l'efficienza complessiva del sistema e contribuisce a ridurre i costi operativi effettivi.

Alla base del funzionamento di una pompa di calore geotermica c'è il fenomeno dell'inerzia termica. La temperatura del terreno a profondità di 6 metri e oltre corrisponde quasi esattamente alla temperatura media annuale dell'aria nella regione e varia molto poco durante tutto l'anno solare.

Nella pratica, il fluido termovettore entra nella tubazione interrata e si riscalda di alcuni gradi. Poi il fluido passa nello scambiatore di calore (o evaporatore) e trasferisce l'energia termica accumulata al circuito interno del sistema.

Il principio di funzionamento degli impianti geotermici è simile al funzionamento dei sistemi di refrigerazione. Ecco perché alcuni tipi di pompe di calore vengono utilizzati con successo in estate come condizionatori d'aria e raffreddano l'aria negli ambienti domestici.

Il refrigerante, che opera nel circuito esterno, si riscalda nell'evaporatore, si trasforma in gas e entra nel compressore. Lì viene compresso sotto l'effetto dell'alta pressione e diventa ancora più caldo.

Il gas incandescente passa al dispositivo di condensazione e cede energia termica al fluido termovettore di lavoro del sistema interno, responsabile del riscaldamento della casa. Al termine del processo, il refrigerante, privato del calore, ritorna al punto iniziale allo stato liquido.

Quali sono i tipi di impianti geotermici?

Le pompe di calore geotermiche differiscono tra loro per il tipo di fluido termovettore nei circuiti interno ed esterno della struttura. L'energia del dispositivo viene ottenuta dal terreno, dall'acqua (acque sotterranee o uno specchio d'acqua naturale aperto) o dall'aria.

All'interno dell'abitazione, la risorsa termica viene utilizzata per il riscaldamento degli ambienti, il riscaldamento dell'acqua e il condizionamento dell'aria. A seconda della combinazione degli elementi e delle funzioni utilizzati, i sistemi vengono classificati in tipi: «terra-acqua», «acqua-acqua» e «aria-acqua».

Variante #1. Montaggio con tecnologia «terra-acqua»

La pompa «terra-acqua» – è una delle opzioni più efficienti di riscaldamento alternativo per gli ambienti residenziali. Il suo principio di funzionamento consiste nell'estrazione di energia termica dal terreno tramite sonde o collettori e nel suo trasferimento al sistema di riscaldamento ad acqua domestico.

Le pompe di calore geotermiche «terra-acqua» – sono dispositivi progressivi ad alta tecnologia. Si distinguono per un'affidabilità eccezionale e mostrano un alto livello di efficienza. Non richiedono un'intervento costante dei proprietari nel funzionamento, ma necessitano di manutenzione professionale.

A realizzare la tecnologia contribuisce un'apparecchiatura speciale, composta da uno scambiatore di calore geotermico, posizionato al di sotto della profondità di congelamento effettivo del terreno, e dalla pompa di calore stessa, che funziona come un frigorifero ma al contrario (ciclo di Carnot inverso).

Come funziona il dispositivo

L'impianto «terra-acqua», che riscalda gli ambienti residenziali grazie al calore rinnovabile prodotto dal terreno, opera secondo il seguente algoritmo:

1. Il fluido di lavoro (salamoia o antigelo), che si muove lungo il circuito geotermico, assume la temperatura del terreno e, tramite la pompa, viene trasferito allo scambiatore di calore – evaporatore. Lì cede il calore raccolto al freon, mentre essa stessa, diventata più fredda di 2-5°C, ritorna al punto di partenza.
2. Il freon arricchito di energia termica evapora e, assumendo lo stato gassoso, entra nell'unità del compressore. Lì la temperatura del gas aumenta per compressione e si forma della condensa.
3. L'energia termica viene trasferita al fluido termovettore nell'impianto di riscaldamento domestico, e il freon riprende la forma liquida. La sua pressione diminuisce dopo il passaggio attraverso la valvola di espansione del sistema e il refrigerante ritorna all'evaporatore per acquisire una nuova quantità di energia.

Come risultato di questa procedura, il volume di energia termica prelevata dal terreno e trasferita all'impianto di riscaldamento di un edificio residenziale supera di oltre 4 volte la quantità di elettricità consumata per garantire il corretto funzionamento del compressore, della pompa di circolazione e dell'unità di controllo.

Miscela glicolica con un buon indice di viscosità, acqua con alcol o soluzione salina: sono questi i liquidi antigelo utilizzati nel sistema 'terra-acqua'. Sono ecocompatibili, assorbono efficacemente il calore e lo trasportano alla stazione di pompaggio.

Un ulteriore vantaggio è che il sistema può funzionare anche in senso inverso, cioè per il raffreddamento. È vero, la perdita di efficienza arriva fino al 20%, ma è considerata accettabile, vista l'elevata capacità termica dell'apparecchiatura.

Opzioni di posizionamento dei sistemi 'terra-acqua'

Per creare il circuito esterno del sistema 'terra-acqua' si utilizzano tubi polimerici ad alta resistenza, con buone caratteristiche operative. Vengono posizionati orizzontalmente, sul fondo dello scavo, in modo simile alla posa delle tubazioni per i sistemi di 'pavimento riscaldato'.

La pompa di calore 'terra-acqua' è affidabile, efficiente e silenziosa, ma la sua installazione costa una cifra considerevole e richiede molto tempo (almeno 1 mese per le attività di costruzione, installazione e messa in servizio). Questo aspetto va assolutamente considerato prima di optare per un impianto di riscaldamento di questo tipo.

Durante l'installazione, si utilizza un'area di 25-50 mq per ogni kilowatt di potenza della pompa installata. La profondità dello scavo viene scelta al di sotto del limite di gelo, mentre le dimensioni esatte e il passo di posa dei tubi vengono determinati con un calcolo aggiuntivo.

Per i proprietari di terreni di grandi dimensioni che hanno scelto una pompa di calore geotermica 'terra-acqua' per il riscaldamento domestico, è consigliabile installare collettori orizzontali. Per i proprietari di piccoli appezzamenti è più adatta l'installazione di sonde profonde, poiché penetrano in profondità nel terreno e non 'occupano' spazio utile vicino alla casa.

I terreni su cui sono state installate le tubazioni dei sistemi geotermici 'terra-acqua' non vengono più utilizzati per scopi agricoli. Su di essi si può realizzare un bel prato erboso o un'aiuola con piante annuali fiorite.

Il montaggio verticale è molto più problematico e comporta l'uso di attrezzature professionali. Nel terreno, mediante una perforatrice, si scava un pozzo profondo da 20 a 150 m, al suo interno si cala una speciale sonda geotermica e la si collega a una pompa che immette il fluido di lavoro nell'impianto di riscaldamento domestico.

La sonda verticale per un sistema geotermico «terreno-acqua» consiste in una testa con tubi collegati. Viene immersa in un pozzo profondo da 18 m in su. Il numero esatto di pozzi e sonde, la profondità di immersione richiesta e il diametro effettivo della tubazione vengono calcolati separatamente per ogni singolo caso, in base alle informazioni ottenute dalla prospezione geologica condotta dagli specialisti sul sito.

I tubi della sonda che partono dai pozzi perforati entrano in un pozzo collettore. Da esso partono 2 linee principali (di mandata e di ritorno) verso la pompa di calore, dotate di rivestimento isolante. Il diametro della linea principale dipende dal volume totale dell'impianto e dall'ambiente da riscaldare. A volte i parametri raggiungono i 160 mm.

Secondo calcoli approssimativi, per riscaldare una casa di circa 100 m² occorreranno circa 7,5 kWh di energia. Le sonde verticali per realizzare un sistema di riscaldamento «terreno-acqua» in questo caso dovranno essere calate nel terreno per 110-115 metri, oppure occupare 250 m² di terreno adiacente per i collegamenti orizzontali (+)

Grazie al fatto che in profondità la temperatura del terreno è sempre più alta e stabile per l'influenza del nucleo terrestre, il metodo verticale di installazione del sistema di riscaldamento è considerato il più efficiente. Dimostra un alto livello di efficienza e funziona in modo affidabile per molti anni, senza malfunzionamenti o guasti.

Variante #2. Caratteristiche delle pompe di calore «acqua-acqua»

Il sistema geotermico «acqua-acqua» utilizza l'energia termica della risorsa idrica. Ciò è possibile perché a grandi profondità la temperatura dell'acqua, come quella del terreno, rimane piuttosto elevata e mantiene valori costanti e stabili tutto l'anno.

Per allestire un sistema «acqua-acqua» e ottenere energia termica a basso potenziale si possono utilizzare specchi d'acqua aperti (laghi, fiumi), pozzi, trivellazioni e persino acque reflue di cicli tecnologici industriali (approvvigionamento idrico a ritorno).

Non vi è alcuna differenza costruttiva sostanziale tra una pompa di calore «terreno-acqua» e una «acqua-acqua». Ma il complesso realizzato sulla base di uno specchio d'acqua aperto richiede i minori costi finanziari e di manodopera. Per l'installazione non sono necessarie operazioni di perforazione su larga scala.

Il materiale del tubo con il liquido termovettore viene semplicemente dotato di un carico, immerso nell'acqua e collegato all'impianto di riscaldamento domestico tramite comunicazioni di raccordo.

Tuttavia, questa opzione è possibile solo quando il terreno è adiacente all'acqua e tutte le parti di comunicazione del sistema sono sotto il controllo dei proprietari. Se non c'è accesso a uno specchio d'acqua aperto, si utilizza il potenziale delle acque sotterranee.

In verità, ciò comporta importanti lavori di scavo e la costruzione di strutture complesse, ad esempio un pozzo aggiuntivo destinato allo scarico dell'acqua che passa attraverso il nodo di scambio termico.

Quando si installa una pompa di calore 'acqua-acqua', vengono predisposti non uno, ma due pozzi. Attraverso uno viene prelevata l'acqua di lavoro e, dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore, viene reindirizzata nel secondo, che si trova nella direzione del flusso delle acque sotterranee. Durante il posizionamento, è necessario tenere presente che il pozzo di ricezione deve trovarsi a una distanza di almeno 6 metri dal pozzo di mandata e deve essere più a valle.

Di solito gli impianti di tipo «acqua-acqua» vengono installati dove non è possibile collegare le comunicazioni centrali o utilizzare altri tipi di vettori termici.

Gli specialisti affermano che il riscaldamento alternativo di questo tipo è estremamente efficace negli edifici moderni che hanno una perdita di calore minima.

Quando si realizzano e si installano da soli impianti di riscaldamento geotermico 'acqua-acqua', è molto importante utilizzare materiali con un alto livello di resistenza alla corrosione, al congelamento e ad altre manifestazioni aggressive dell'ambiente esterno. Così l'attrezzatura durerà a lungo e non darà alcun fastidio al proprietario.

Se la casa è ben isolata, protetta da correnti d'aria, umidità e infiltrazione di aria gelida, o costruita con moderne tecnologie di isolamento termico, il costo del sistema di riscaldamento si riduce notevolmente grazie alla possibilità di acquistare apparecchiature di pompaggio di potenza molto inferiore.

Variante #3. Realizzazione di sistemi «aria-acqua»

La pompa di calore 'aria-acqua' utilizza per il suo funzionamento la risorsa energetica naturale più accessibile, illimitata e rinnovabile: l'aria. L'attrezzatura funziona tramite ventilatori ed evaporatori riuniti in un unico complesso.

Mostra la massima efficienza a temperature fino a -15°C. Con valori più aggressivi perde una parte significativa della potenza.

La pompa di calore «aria-acqua» è molto più economica rispetto ai modelli «acqua-acqua» e «terra-acqua». Il modulo è adatto per regioni con inverni relativamente miti. Nelle fredde zone settentrionali, dove le gelate superano i -20…25°C, l'installazione di apparecchiature ad aria è considerata poco opportuna.

L'unità è estremamente comoda perché non richiede ai proprietari di una casa privata di disporre di attrezzature speciali per l'installazione e per eseguire lavori complessi di montaggio.

Non necessita di scavi, perforazioni di pozzi o altre attività laboriose. Si monta facilmente e non occupa molto spazio. Può funzionare correttamente se posizionato sul tetto dell'abitazione.

È possibile installare una pompa geotermica «aria-acqua» sul terreno direttamente vicino agli edifici residenziali. Funziona silenziosamente e ha un aspetto moderno e attraente che non rovina il design generale dell'area.

Tra i principali vantaggi dell'apparecchiatura vi è il funzionamento praticamente silenzioso e la possibilità di riutilizzare il calore uscito dall'ambiente riscaldato sotto forma di aria esausta, acqua, gas, fumo ecc.

I proprietari effettuano la manutenzione del sistema in autonomia:

• puliscono le pale del ventilatore e le griglie di protezione sull'unità di evaporazione da polvere, detriti e foglie;
• lubrificano il compressore con un composto speciale indicato nelle istruzioni dal produttore;
• cambiano l'olio nei gruppi motore (ventilatore, compressore) con una certa periodicità;
• controllano l'integrità del cavo di alimentazione e del tubo di rame attraverso cui il refrigerante circola nel sistema.

Oltre a queste azioni, i produttori di pompe di calore raccomandano vivamente ai clienti di controllare lo stato dei sensori termici che riflettono il funzionamento dell'unità di controllo.

È necessario pulirli, rimuovendo delicatamente polvere e macchie di olio dalla superficie. Questo prolungherà la «vita» del sistema aria-aria e renderà il processo di utilizzo più semplice e confortevole.

Come realizzare un gruppo fai-da-te?

Indipendentemente dal tipo di risorsa scelta (terra, acqua o aria) per il riscaldamento, per il corretto funzionamento del sistema sarà necessaria una pompa.

Questo dispositivo è composto da elementi quali:

• gruppo compressore (elemento intermedio del complesso);
• evaporatore, che trasmette energia a basso potenziale al fluido termovettore;
• valvola di espansione, attraverso la quale il refrigerante ritorna all'evaporatore;
• condensatore, dove il freon cede energia termica e si raffredda fino alla temperatura iniziale.

Si può acquistare un sistema completo dal produttore, ma ciò comporterà una cifra considerevole. Quando non si hanno soldi a disposizione, vale la pena realizzare una pompa di calore fai-da-te utilizzando i pezzi a disposizione e, se necessario, acquistare le parti mancanti.

Quando si pianifica l'installazione di un sistema di riscaldamento geotermico in una casa privata, è necessario innanzitutto ridurre la perdita di calore. A tale scopo, le pareti devono essere isolate con materiale speciale, le porte e i telai delle finestre dotati di guarnizioni in gommapiuma, mentre il pavimento e il soffitto protetti con pannelli in polistirene espanso. In questo modo, il calore prodotto dalla pompa rimarrà il più possibile all'interno dell'ambiente.

Quando si decide di costruire manualmente una pompa di calore, è necessario verificare lo stato dell'impianto elettrico e del contatore presenti in casa.

Se questi componenti sono usurati e vecchi, è necessario ispezionare tutte le sezioni, individuare eventuali guasti e risolverli prima di iniziare i lavori. In questo modo, subito dopo l'avvio, il sistema funzionerà perfettamente e non causerà problemi ai proprietari come cortocircuiti, incendi dell'impianto elettrico o saltare dei fusibili.

Metodo #1. Assemblaggio da un frigorifero

Per assemblare una pompa di calore fai-da-te, si rimuove il serpentino posteriore da un vecchio frigorifero. Questo componente viene utilizzato come condensatore e inserito in un contenitore ad alta resistenza, in grado di sopportare temperature aggressive. Ad esso si collega un compressore funzionante, mentre come evaporatore si utilizza un semplice barile di plastica.

Se per realizzare la pompa si utilizza un frigorifero molto vecchio, è meglio sostituire il freon con uno nuovo. Non è possibile farlo da soli, quindi sarà necessario chiamare un tecnico con attrezzatura speciale. Sostituirà rapidamente il fluido di lavoro e il sistema funzionerà nella modalità desiderata.

I componenti preparati vengono collegati tra loro, quindi l'unità creata viene collegata all'impianto di riscaldamento tramite tubi polimerici e si inizia a utilizzare l'apparecchiatura.

L'istruzione passo-passo per l'assemblaggio di una pompa di calore da un frigorifero è descritta in questo articolo.

Metodo #2. Pompa di calore da un condizionatore

Per realizzare una pompa di calore, si modifica il condizionatore e si riorganizzano alcuni componenti principali. Innanzitutto, si scambiano le unità esterna e interna.

L'evaporatore, responsabile del trasferimento di calore a bassa temperatura, non viene installato separatamente perché è già presente nell'unità interna, mentre il condensatore che trasferisce l'energia termica si trova nell'unità esterna. Come fluido termovettore possono essere utilizzati sia aria che acqua.

Se questa opzione di montaggio non è comoda, si installa il condensatore in un serbatoio separato, destinato a un corretto scambio termico tra la risorsa di riscaldamento e il fluido termovettore.

Il sistema stesso viene dotato di una valvola a quattro vie. Per questo lavoro di solito si chiama un tecnico con competenze professionali ed esperienza in questo tipo di interventi.

I moderni sistemi split sono poco efficienti a basse temperature, pertanto i professionisti sconsigliano di utilizzarli per la costruzione fai-da-te di pompe di calore.

Nella terza variante, il condizionatore viene completamente smontato nei suoi componenti, che vengono poi utilizzati per assemblare una pompa secondo lo schema tradizionale e convenzionale: evaporatore, compressore, condensatore. Il dispositivo finito viene collegato all'impianto di riscaldamento della casa e si inizia a utilizzarlo.

Sul sito è presente una serie di articoli sulla realizzazione fai-da-te di pompe di calore, si consiglia di consultarli:

1. Come realizzare una pompa di calore per il riscaldamento domestico fai-da-te: principio di funzionamento e schemi di montaggio
2. Come realizzare una pompa di calore aria-acqua: schemi del dispositivo e montaggio fai-da-te

Consigli per la scelta del sistema

L'installazione di un sistema «terra-acqua» è più costosa di tutte le altre opzioni, perché richiede lavori di scavo in profondità per la disposizione verticale delle apparecchiature o una grande area libera del terreno per la posa orizzontale delle condutture.

Questi parametri limitano l'utilizzo del sistema e ne riducono significativamente l'attrattiva.

Anche l'installazione di una pompa «acqua-acqua» presenta alcune limitazioni. Se nelle vicinanze è presente uno specchio d'acqua accessibile, è possibile posizionare il sistema al suo interno. La mancanza di acque superficiali comporterà la perforazione di pozzi e pozzi di drenaggio, che non è certo economico.

La pompa «aria-acqua» non presenta problemi di installazione e può funzionare correttamente anche in condomini, ma in inverni rigidi con basse temperature la sua efficienza diminuisce e per sostenerla è necessaria una fonte di energia parallela.

Tuttavia, la realizzazione di un impianto di riscaldamento geotermico alla fine ripaga i propri costi e inizia a produrre una risorsa gratuita, consentendo ai proprietari di vivere in condizioni massimamente comode, piacevoli e confortevoli, senza spendere grandi somme per i servizi di pubblica utilità.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video viene mostrato chiaramente come in una grande casa in blocchi di silicato di gas sia stato allestito un impianto di riscaldamento basato su un sistema geotermico «aria-acqua». Vengono rivelati alcuni interessanti dettagli relativi all'installazione dell'apparecchiatura e fornite cifre reali delle bollette mensili delle utenze.

Come funziona il sistema «terra-acqua». Descrizione dettagliata da parte di uno specialista nell'installazione di caldaie geotermiche, raccomandazioni e consigli utili per gli hobbisti domestici da un professionista del settore.

Un utente reale del sistema condivide le proprie impressioni sulla pompa di calore geotermica.

Un idraulico professionista spiega come realizzare una pompa di calore in casa utilizzando un potente compressore e componenti a tubi per lo scambio termico. Istruzioni dettagliate passo dopo passo.

La pompa di calore geotermica per il riscaldamento di una casa privata è un modo efficace per creare condizioni di vita confortevoli anche dove non sono disponibili sistemi di comunicazione centralizzati e fonti di energia più tradizionali.

La scelta del sistema dipende dalla posizione geografica dell'immobile e dalle possibilità economiche dei proprietari.

Ha esperienza nella realizzazione di una pompa di calore geotermica? Per favore, condivida le informazioni con i nostri lettori, proponga la sua variante di assemblaggio. È possibile lasciare commenti e allegare foto dei propri lavori fai-da-te nel modulo sottostante.