Aspetti negativi delle pompe di calore geotermiche

Le pompe di calore geotermiche sono una delle tecnologie green in grado di risolvere il problema del riscaldamento globale riducendo le emissioni di carbonio. Ma come la maggior parte delle altre energie rinnovabili, questa fonte di energia presenta problemi a sé stanti. Le persone che desiderano utilizzare questa tecnologia dovrebbero averne una buona conoscenza per evitare costi inutili e aiutare a prevenire eventuali impatti ambientali negativi.

Pompe di calore geotermiche

Le pompe di calore geotermiche (GHP), chiamate anche geoscambio, funzionano scambiando calore con il suolo a profondità inferiori a pochi piedi, dove le temperature sono pressoché costanti tutto l'anno.

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Energy.gov spiega i tipi di GHP utilizzati in casa e in azienda.

• Il sistema a circuito chiuso ha tre tipi al suo interno. Sono orizzontali, verticali e a terra. Utilizzano acqua miscelata ad un antigelo circolante in tubazioni chiuse per scambiare calore con il suolo o con l'acqua. Uno scambiatore di calore fuori terra trasferisce il calore tra i suoi refrigeranti e la soluzione antigelo nei circuiti chiusi.
• I sistemi di scambio termico diretto utilizzano i refrigeranti direttamente nei circuiti chiusi sotterranei per scambiare calore e non hanno lo scambiatore di calore intermedio.
• I sistemi a circuito aperto prelevano continuamente acqua da fonti esterne come pozzi o laghi per lo scambio termico e la restituiscono come scarico.

Un rapporto dell'Università dell'Oregon (pag. 6) alla Conferenza mondiale sulla geotermia del 2015, si stima che ci siano 1,4 milioni di GHP negli Stati Uniti, di questi il ​​90% sono sistemi a circuito chiuso e solo il 10% sono sistemi a circuito aperto.

Problemi generici

Mentre ci sono molti pro per le pompe di calore geotermiche, ci sono anche molti contro. Alcuni sono generici e altri sono problemi specifici del sistema.

Costo iniziale

Tutti concordano sul fatto che il costo di installazione iniziale di un GHP è elevato e difficile da calcolare , poiché dipende dalle dimensioni della casa/edificio, dalla pompa, dal suolo, dal clima e dal campo del circuito. Un appaltatore esperto è importante per garantire un'installazione di successo.

Stime da impresa privata Case energetiche per una casa di 2500 piedi quadrati mostrano che un sistema a circuito verticale da 6 tonnellate costa $ 34.000, un circuito orizzontale da 5 tonnellate per il riscaldamento e il raffreddamento radiante costa $ 29.500 e un circuito orizzontale da 5 tonnellate combinato con il riscaldamento solare costa $ 47.500.

Case energetiche abbatte il problema dei costi , affermando: 'Si tratta di circa il doppio del costo di un sistema di riscaldamento, raffreddamento e acqua calda convenzionale, ma i sistemi di riscaldamento/raffreddamento geotermici possono ridurre le bollette dal 40% al 60%'.

Mancanza di professionisti qualificati

La tecnologia GHP è complessa e richiede la conoscenza di vari aspetti. Il Unione degli scienziati interessati osserva che molti installatori di impianti di riscaldamento e raffreddamento 'non hanno familiarità con la tecnologia', il che a sua volta ne ostacola la diffusione e la manutenzione. È anche difficile trovare appaltatori qualificati in grado di installare sistemi GHP in alcune regioni del paese, aumentando ulteriormente il costo di un sistema di riscaldamento geotermico.

Non è un progetto fai-da-te

Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti scoraggia la gestione del GHP come progetto fai-da-te. Questa tecnologia richiede un know-how specializzato in molti settori. Decidere il sistema più adatto per una casa o un'azienda è necessario un esame approfondito di fattori come geologia, idrologia, disponibilità di terreno, requisiti di riscaldamento e raffreddamento e altri importanti dispositivi di risparmio energetico in casa. Non è possibile per tutti calcolare la dimensione ottimale del campo del circuito o della pompa necessaria per ottenere il massimo da questo sistema.

Consumo di elettricità

L'elettricità è necessaria per far funzionare il compressore di calore nei sistemi a circuito chiuso e per pompare acqua tutto l'anno nei sistemi a circuito aperto, quindi un GHP è non completamente carbon neutral.

Problemi di sistema a ciclo chiuso

I sistemi a circuito chiuso condividono svantaggi comuni come l'impatto dei terreni sull'efficienza e la presenza di antigelo. Problemi di loop sono presenti anche legati all'orientamento orizzontale o verticale, così come i problemi con i sistemi di scambio termico diretto e i sistemi di stagni.

Tipi di terreno

Calore stoccaggio e trasferimento è migliore in terreni pesanti come argilla o roccia. I terreni sabbiosi non possono immagazzinare o trasferire molto calore, quindi sono necessari campi ad anello più grandi. La diminuzione dell'umidità del suolo al di sotto del '12,5% ha un impatto devastante sulle prestazioni degli stati delle pompe di calore' uno studio del 2014 pubblicato su Energies (pag. 3), mentre l'aumento dell'umidità del suolo superiore al 25% migliora il trasferimento di calore. Quindi i terreni asciutti non sono adatti soprattutto nei sistemi di scambio termico diretto.

Antigelo

I sistemi ad anello chiuso utilizzano acqua con antigelo per lo scambio termico. Vecchi modelli usati metanolo che evapora velocemente ed è tossico per persone e animali, quindi ora è vietato in molte parti degli Stati Uniti. L'etanolo non è tossico come il metanolo ma è costoso. Preoccupazioni che Glicole etilenico potrebbe fuoriuscire e contaminare le fonti di acque sotterranee ha portato a vietare anche l'uso di questo tipo di antigelo negli impianti geotermici in molti stati. Salamoia (cloruro di calcio) è una buona opzione, tuttavia è corrosiva, quindi ha bisogno di tubi in cupronichel. Il glicole propilenico non ha effetti negativi sulle persone o sull'ambiente.

Finché l'acqua miscelata con l'antigelo circola nei circuiti chiusi non c'è influenza ambientale. Tuttavia, anche piccole perdite possono essere pericolose, quindi è meglio attenersi a tipi di antigelo con salamoia o glicole propilenico.

Sistema Orizzontale

Il Bollettino di notizie tecniche rileva che il sistema orizzontale richiede 1.500-3.000 piedi quadrati di terreno per ogni tonnellata di riscaldamento o raffreddamento.

Necessaria ampia area - Questo terreno è successivamente adatto solo per il giardinaggio, ma non per qualsiasi ampliamento della casa o altra costruzione di edifici. Questi sistemi non sono adatti per il retrofit, in quanto lo spazio disponibile potrebbe non essere sufficiente. Differenze di temperatura - A basse profondità da 3 a 6 piedi possono esserci differenze di temperatura dovute alla stagione, alla profondità della sepoltura e alle precipitazioni che influiscono sull'efficienza, anche se limitare la profondità riduce il costo dello scavo del suolo che è la parte più costosa dell'installazione di un circuito chiuso sistema. Problemi del suolo - I terreni rocciosi o poco profondi non sono adatti a questi sistemi, nel qual caso sono necessari sistemi verticali.

Sistema verticale

Questo è il sistema più efficiente in quanto gli anelli a forma di U vanno a 150-450 piedi di profondità nel terreno, osserva il bollettino di notizie tecniche. Altri problemi includono:

Spese - Le anse a forma di U e la loro profondità li rendono i più costosi di tutti i sistemi GHS. Installazione e attrezzature qualificate necessarie - Inoltre, la perforazione a queste profondità richiede perforatori esperti e attrezzature speciali non disponibili ovunque.

Sistema di scambio termico diretto (DX)

Il DX utilizza tubi di rame riempiti con refrigeranti sepolti da 4 a 6 piedi sotto terra. Questo sistema è il più antico di tutti i modelli GHP e ha il maggior impatto ambientale.

• La corrosione dei tubi di rame è comune nei terreni acidi, quindi DX non è adatto per questi terreni, spiega un membro di Forum di scambio geografico . Per evitare ciò, i campioni di terreno devono essere raccolti alla profondità in cui verranno installati per verificare la presenza di alte concentrazioni di acidi, cloruri, idrogeno solforati, solfati o ammoniaca, rendendo costosa la fase di progettazione. Il rame viene utilizzato al posto del PVC in quanto è un migliore conduttore di calore.
• I refrigeranti sono il principale problema ambientale con DX. Anche piccole crepe potrebbero rilasciarli portando al riscaldamento globale. I modelli precedenti utilizzavano clorofluorocarburi (CFC) e idroclorofluoroni (HCFC). Il Protocollo di Montreal ne ha vietato l'uso in quanto danneggiavano lo strato di ozono. I loro sostituti, i fluorocarburi (FC) e gli idrofluorocarburi (HFC) possono causare il riscaldamento globale e sono vietati dalla Convenzione del Protocollo di Kyoto sui cambiamenti climatici. Nel 2016, il Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA) ha emesso raccomandazioni volte a eliminare gradualmente queste sostanze chimiche e le ha elencate come inaccettabili. Anche l'EPA non raccomanda l'R410A l'ultimo refrigerante popolare in quanto anch'esso causa emissioni di gas serra.
• Gli esperti di Green Building affermano che è illegale versare i refrigeranti inquinanti intenzionalmente o accidentalmente.

Nel 2001, scienziati dell'Oregon University (p. 2) ha dichiarato i sistemi DX un rischio per l'ambiente e non li consiglia. È vietato in alcune parti degli Stati Uniti, a causa di restrizioni ambientali locali, secondo Energy.gov.

Sistemi a circuito chiuso per laghetti

I sistemi a circuito chiuso possono anche utilizzare i corpi idrici per scambiare calore. Tuttavia, anche questi hanno alcuni problemi.

• Secondo il Technical News Bulletin, le acque poco profonde mostrano variazioni nelle temperature e ci sono possibilità che le tubazioni possano essere danneggiate nelle fonti di acqua pubblica.
• Secondo Energy.gov, sono utili solo gli stagni che hanno una profondità e una quantità d'acqua minime richieste. Dovrai trovare un luogo di costruzione con le condizioni giuste per utilizzare questa opzione.

Problemi di sistema ad anello aperto

I sistemi aperti attingono acqua da un pozzo o da acque poco profonde come laghi e stagni. Come notato, non sono usati così frequentemente negli Stati Uniti, ma le persone dovrebbero comunque essere consapevoli dei loro potenziali svantaggi.

• Si può verificare un inadeguato deflusso d'acqua se il pozzo scavato per l'ansa non è sufficientemente profondo, oppure a causa di eccessivi prelievi dalla falda, secondo un Programma energetico della Washington State University studio (pag. 5). La sedimentazione intasa i filtri in assenza di acqua sufficiente. Un Geotermia dell'Idaho Il rapporto ha rilevato che la domanda stagionale per usi alternativi come gli irrigatori in estate può influire sulla quantità di acqua disponibile per la pompa di calore.
• Qualità dell'acqua non è lo stesso ovunque e tutto l'anno. I detriti nei laghi sono un problema. Le incrostazioni dovute ai depositi di calcare dall'acqua pesante richiedono un trattamento con prodotti chimici per la rimozione.
• Secondo il Washington State University Energy Program (p. 5), la crescita biologica, in particolare i batteri, è difficile da rimuovere una volta stabilita senza l'uso di sostanze chimiche.
• L'Idaho Geothermal Report consiglia di trovare un sito adatto per lo scarico prima di installare il sistema di acque sotterranee a circuito aperto. I terreni sabbiosi possono facilmente assorbire lo scarico, ma se il terreno è duro un trapano aggiuntivo per lo scarico può raddoppiare il costo di perforazione, rendendolo costoso quanto un sistema a circuito chiuso. Quando l'acqua viene prelevata dai laghi, lo scarico viene restituito ad esso.
• Anche tutte le restrizioni locali relative allo scarico devono essere soddisfatte secondo Energy.gov.
• I costi operativi sono elevati, secondo lo studio del Programma energetico della Washington State University (pag. 5), poiché le pompe devono funzionare tutto l'anno per far entrare e uscire l'acqua dal sistema. Anche la loro manutenzione è un grosso problema.
• In caso di pozzi, devono essere considerate le restrizioni ambientali e idriche locali, poiché l'acqua disponibile potrebbe essere limitata secondo il bollettino tecnico di notizie.
• Pozzi a colonna in piedi che pompano acqua da una falda acquifera abbassare la falda freatica.

C'è un lato positivo?

Sebbene possa sembrare che le pompe di calore geotermiche siano difficili e costose, ci sono molti vantaggi nel sistema. Governi e organizzazioni non profit ambientali come Pace verde e Union of Concerned Scientists promuovono l'energia geotermica. Poiché le prestazioni delle pompe di calore geotermiche sono collegate a molti fattori ambientali, non si tratta di una tecnologia plug and play. Quando si considera un sistema geotermico, l'analisi dei singoli dettagli degli edifici e dell'area per scegliere il sistema giusto, insieme a una corretta progettazione e installazione, sono passaggi necessari per sfruttare al meglio questa tecnologia.