L’energia geotermica a differenza delle altre fonti energetiche, non dipende né dalle condizioni atmosferiche né dalla disponibilità di scorte di sostanze combustibili ed è pertanto considerata una fonte di energia stabile ed affidabile. Tra le varie forme di energia geotermica, quella a bassa entalpia, più comunemnete nota come energia geotermica a bassa temperatura, è quella maggiormente utilizzata per applicazioni di carattere industriale e residenziale, quali:

• Il riscaldamento degli edifici e la produzione di acqua calda sanitaria;
• Il raffrescamento degli edifici.

La geotermia a bassa entalpia sfrutta il sottosuolo come serbatoio di calore: nei mesi invernali il calore viene estratto in superfici per mezzo di appositi scambiatori di calore; viceversa in estate, il calore in eccesso presente negli edifici, viene trasferito al terreno.

In base alle temperature di possibile uso, l’energia geotermica è così suddivisa:

• Energia geotermica ad alta temperatura: consente l’uso di acqua surriscaldata e vapori a più di 180°C. Serve a produrre energia elettrica. Il primo impianto di questo tipo è stato realizzato a Larderello (PI) nel 1906.
• Energia geotermica a media temperatura: l’uso di acqua surriscaldata e vapori a temperature comprese tra 100°C e 180°C. Serve, attraverso il riscaldamento di un fluido più volatire, a produrre energia elettrica.
• Energia geotermica a bassa temperatura: consente l’uso di fluidi a temperature comprese tra i 30°C e i 100°C. Serve per impieghi industriali e per alimentare strutture termali.
• Energia geotermica a temperatura molto bassa: consente l’uso di fluidi a temperature inferiori a 30°C. Le sue principali applicazioni sono riscaldamento / raffrescamento edifici residenziali e produzione di acs.

Gli impianti geotermici funzionano tramite una pompa di calore geotermica in grado di derivare calore da una sorgente a temperatura più bassa. Sono essenzialmente composte da un circuito di tipo chiuso entro il quale viene continuamente compresso e fatto espandere un apposito fluido. Ad ogni compressione e ad ogni espansione (cioè ad ogni ciclo di lavoro) il fluido ruba un pò di calore alla sorgente fredda e lo cede a quella calda. Invertendo il ciclo di lavoro queste macchine, possono essere utilizzate sia per riscaldare che per raffreddare. Le prestazioni delle PDC sono generalmente individuate mediante due coefficienti forniti dai Produttori: il coefficiente ε relativo al solo funzionamento del compressore e il coefficiente COP relativo al funzionamento del compressore e dei mezzi ausiliari. Ad esempio, se il valore di COP è uguale a 4, vuol dire che con 1 kW di energia elettrica, spesa al compressore, è possibile spostare (dalla sorgente fredda a quella calda) 4 kW di calore.

Per trasferire il calore dal terreno si utilizzano delle sonde geotermiche: tubi ad U costituiti da materiali con alta trasmittanza termica nei quali passa un liquido che assorbe il calore e lo porta in superficie o nel sottosuolo. Le sonde possono essere di due tipi:

• verticali
• orizzontali

Nel primo caso la sonda scende nel terreno andando verso temperature più elevate e necessitando di macchinari particolari per il carotaggio del terreno; nel secondo caso è necessario un terreno sufficientemente pianeggiante nel quale i tubi vengono posati a seguito di un semplice scavo ad una profondità non elevata ma anche sul fondo di un lago artificiale o naturale sfruttando, in questo caso il calore dell'acqua.

SONDE ORIZZONTALI

Sono scambiatori realizzati con tubi in materiale plastico.

La loro profondità di posa varia da 0.8 a 4 m. Rispetto agli scambiatori a alta profondità, hanno un minor impatto ambientale e un minor costo di realizzazione. Inoltre, dato che si sviluppano a profondità normalmente raggiunte anche da altre strutture edilizie (piani interrati, cantine, ecc..), in genere, per la loro installazione non richiedono specifiche autorizzazioni da parte delle Autorità competenti. Per contro, questi scambiatori richiedono superfici di sviluppo molto estese: esigenza che, in pratica, li rende idonei solo per la realizzazione di impianti medio-piccoli.

• In base alle loro principali geometrie di sviluppo, possono essere così classificati:
• scambiatori a serpentini o a chiocciola • scambiatori ad anelli
• scambiatori a spirale
• scambiatori a canestri

La scelta del tipo di sviluppo più idoneo dipende da diversi fattori, tra i quali la natura del terreno, le sue zone d’ombra, il tipo di vegetazione da piantumare o da conservare. Quest'ultimo punto dipende dal fatto che la superficie posta sopra gli scambiatori deve essere priva di piante e di qualsiasi altro tipo di vegetazione che può fare ombra. Gli scavi per la posa dei tubi possono essere a sbancamento o a trincea. Ad eccezione dei casi in cui lo sbancamento del terreno viene fatto per altre esigenze di cantiere, risulta più conveniente la posa in trincea in quanto:

• è più semplice da realizzare e meno costosa,
• consente una maggior profondità di posa, il che comporta temperature più elevate del fluido di scambio e di conseguenza una miglior resa dell’impianto.

Come già accennato, il calore derivato da questi scambiatori è soprattutto quello apportato dal sole e dalla pioggia. Pertanto vanno posti in zone dove il sole e la pioggia possono arrivare senza impedimenti. A tal fine, la superficie sotto cui si sviluppano non va coperta con costruzioni o impedimenti vari, quali: garages, prefabbricati, porticati, terrazze, pavimenti impermeabilizzati. L’area dove si sviluppano gli scambiatori deve inoltre essere scelta in modo da garantire distanze di almeno 2 m dalle zone d’ombra indotte da edifici, muri di cinta, alberi e siepi SONDE VERTICALI Questi scambiatori (chiamati sonde geotermiche) sono realizzati con tubi installati in verticale fino ad una profondità di 100-120 m, ma possono scendere anche sotto i 200 m. Con la profondità aumenta la resa termica delle sonde in quanto, sotto i 20 m (per effetto del calore prodotto dalla terra) la temperatura del sottosuolo cresce di circa 3°C ogni 100 m. Questi scambiatori sono posti in opera in fori con diametro che varia da 100 a 150 mm. Nei fori, sono inseriti uno o due circuiti ad U, realizzati con tubi in PE-Xa, specifici per queste applicazioni particolarmente impegnative, dato che le profondità in gioco comportano pressioni, sia interne che di schiacciamento, molto elevate. Per rendere più facile l’inserimento dei tubi nei fori si usano zavorre, di circa 15-20 Kg, costituite da pesi a perdere. Inoltre, per mantenere le giuste distanze fra i tubi si ricorre all’uso, ogni 7–8 m, di appositi distanziatori. Il vuoto tra le pareti dei fori e i tubi è riempito con una sospensione a base di cemento e sostanze inerti. La sospensione è iniettata dal basso verso l’alto con l’aiuto di un tubo supplementare inserito nel foro della sonda. .

SONDE VERTICALI

Questi scambiatori (chiamati sonde geotermiche) sono realizzati con tubi installati in verticale fino ad una profondità di 100-120 m, ma possono scendere anche sotto i 200 m. Con la profondità aumenta la resa termica delle sonde in quanto, sotto i 20 m (per effetto del calore prodotto dalla terra) la temperatura del sottosuolo cresce di circa 3°C ogni 100 m. Questi scambiatori sono posti in opera in fori con diametro che varia da 100 a 150 mm. Nei fori, sono inseriti uno o due circuiti ad U, realizzati con tubi in PE-Xa, specifici per queste applicazioni particolarmente impegnative, dato che le profondità in gioco comportano pressioni, sia interne che di schiacciamento, molto elevate. Per rendere più facile l’inserimento dei tubi nei fori si usano zavorre, di circa 15-20 Kg, costituite da pesi a perdere. Inoltre, per mantenere le giuste distanze fra i tubi si ricorre all’uso, ogni 7–8 m, di appositi distanziatori. Il vuoto tra le pareti dei fori e i tubi è riempito con una sospensione a base di cemento e sostanze inerti. La sospensione è iniettata dal basso verso l’alto con l’aiuto di un tubo supplementare inserito nel foro della sonda.

Per non arrecare danni alle fondazioni, le sonde geotermiche devono essere poste in opera con distanze minime dall’edificio di almeno 4-5 m. Inoltre, se sono previste più sonde, devono avere fra loro distanze non inferiori a 8 m, per evitare interferenze termiche: cioè per evitare che le sonde si rubino calore l'un l'altra, diminuendo così la loro resa termica globale.