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Il raffrescamento passivo geotermico

Il raffrescamento passivo geotermico prevede l'utilizzo del suolo come pozzo di scambio termico

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Il raffrescamento passivo geotermico (diretto, se avviene per contatto tra involucro e terreno, come negli edifici ipogei, o ibrido indiretto, se realizzato attraverso condotti interrati, ad aria o ad acqua) è una delle principali tecniche di raffrescamento naturale.

 

 

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La temperatura del sottosuolo si mantiene stabile nell’arco della durata dell’anno fra i 12 °C e i 15 °C già alla profondità di 1,5 m. Tale temperatura può essere sfruttata per il raffrescamento nelle stagioni calde e, analogamente, per il pre-riscaldamento in quelle fredde.

 

Scambio termico

 

 

 

Raffrescamento passivo geotermico a contatto diretto

Il raffrescamento conduttivo utilizza la terra come pozzo termico e disperde calore per contatto diretto con il terreno. Infatti tale contatto avviene tra l’edificio e il terreno che, come noto, durante l’estate e a una certa profondità, si trova a una temperatura inferiore rispetto all’ambiente esterno. La terra costituisce, quindi, un notevole pozzo termico per la dissipazione del calore in eccesso. In questo caso, quindi, l’ubicazione è fondamentalmente relazionata come parametro al rapporto di relazione fra edificio e piano di campagna.

La temperatura del terreno non è costante, ma varia in relazione alle condizioni climatiche esterne e al variare della profondità. Una delle ragioni per cui il terreno in profondità è più fresco in estate, e più caldo in inverno, non consiste nella sua capacità isolante, ma nella sua elevata inerzia, in grado di sfasare l’onda termica di mesi. In particolar modo, la temperatura della terra diventa più stabile con l’aumentare della profondità. Quando la temperatura dell’aria esterna, in prossimità del suolo è di 38 °C, la temperatura del terreno alla quota di 1,5 m è di circa 21 °C. Ecco gli andamenti dello stato termico del terreno:

• –> per profondità < 0,5 m TTERRENO = TARIA

• –> per profondità comprese tra 1 m e 5 m TTERRENO segue andamento variazioni stagionali

• –> per profondità > 5 m TTERRENO = TMEDIA ANNUALE ARIA + 3 °C

 

Raffrescamento passivo geotermico a contatto indiretto

Il secondo metodo per sfruttare il pozzo termico del terreno è quello di utilizzare un flusso vettore che scambia calore col terreno profondo prima di entrare nel sistema di climatizzazione dell’edificio.

 

Schema di utilizzo del terreno come pozzo termico per raffrescare l’aria di ingresso negli ambienti interni

 

 

L’utilizzo di una tecnica conduttiva indiretta (earth pipe), accoppiata alla ventilazione, può essere una valida soluzione per il raffrescamento degli edifici in climi caldo umidi. Nei sistemi di raffrescamento geotermico ventilativo il trasferimento del calore tra ambiente interno e terreno avviene per mezzo dell’aria, che circola in condutture a contatto con il terreno profondo e, quindi si raffredda prima di entrare in ambiente. L’aria è fatta circolare attraverso condutture interrate, tramite un ventilatore (sistemi ibridi) o sistemi passivi operanti per effetto Bernoulli-Venturi (estrattori sottovento) e camino (finestre alte, aperture di colmo).

Lo scambio con il terreno permette di abbassare la temperatura dell’aria immessa da 5 a 10 °C. Per i climi molto umidi è consigliabile l’inserimento di un sistema di raccolta condensa.

I sistemi di raffrescamento geotermico ventilativo possono avere due modalità di circolazione dell’aria:

  • –> ciclo aperto: il sistema immette aria esterna nell’edificio, dopo averla raffrescata tramite il passaggio in terreno, in tal modo si unisce la funzione di raffrescamento a quella di ventilazione (necessita di filtro);
  • –> ciclo chiuso: il sistema raffredda l’aria interna tramite le condotte interrate, ma senza immettere l’aria di queste ultime in ambiente; il fabbisogno di ventilazione deve essere soddisfatto separatamente.

In termini di criteri progettuali, nella progettazione di sistemi di scambio indiretto terreno-edificio a circolazione d’aria, si deve tenere conto dei seguenti criteri generali:

  • –> aspetti dimensionali:
    • lunghezza minima dei condotti 10 m
    • diametro del condotto variabile da 20 a 30 cm
    • profondità a cui collocare i condotti compresa tra 1,5 e 3 m
    • velocità dell’aria all’interno dei condotti compresa tra 4 e 8 m/s
  • –> aspetti qualitativi:
    • nel collocare i condotti nel terreno, si deve porre particolare attenzione al contatto tra superfici degli stessi e terreno circostante, al fine di garantire uno scambio termico ottimale; a tale riguardo è utile posizionare, attorno alla tubazione, uno strato di 5 cm di sabbia, che ha una buona conduttività termica ed evita il formarsi di bolle d’aria (cosa che potrebbe verificarsi ponendo il condotto a contatto diretto con il terreno comune), e ne diminuisce la conduttività;
    • un altro problema a cui occorre prestare particolare attenzione è la possibilità di condensa all’interno dei condotti, o d’evaporazione dell’acqua accumulata. Tali fenomeni possono, infatti, favorire la formazione di muffe e la coltura di microrganismi nocivi, influenzando negativamente la qualità dell’aria immessa nell’edificio. A titolo esemplificativo, in una località con una temperatura media massima di 29 °C e un’umidità relativa del 62% (Milano, luglio), sarebbe sufficiente che la temperatura all’interno dei condotti scendesse a 20 °C per provocare la formazione di condensa. Le opzioni tecnologiche per risolvere il problema, non necessariamente alternative fra di loro, e sono due: posizionare le tubazioni in pendenza (1%) e praticare dei fori alla base del gomito inferiore del condotto oppure collocare filtri appropriati all’uscita del condotto.
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