Nella guerra per ridurre il nostro consumo di energia, una linea del fronte è stata disegnata nel campo del controllo della temperatura. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che circa il 40% del consumo totale di energia della nazione è destinato al riscaldamento e al raffreddamento delle nostre case, uffici e istituzioni. Sia che attingano alla rete elettrica per sconfiggere il caldo durante l’estate o che brucino combustibili fossili in loco per combattere il freddo dell’inverno, gli edifici, nel complesso, fanno sembrare i SUV ecologici.
Mentre sono stati fatti passi significativi per cambiare questo quadro progettando sistemi meccanici più efficienti, aumentando le prestazioni termiche e sviluppando la generazione in loco di energia rinnovabile – tutti progressi importanti e ammirevoli – forse la risorsa più promettente a disposizione dell’architettura si trova all’interno della stessa terraferma su cui si trovano le strutture, nella forma di sistemi geotermici.
La prima cosa che qualsiasi esperto di questa tecnologia vi dirà è che i sistemi geotermici per edifici, conosciuti anche come pompe di calore geotermiche o pompe di calore da terra (GHP), non sono la stessa cosa delle centrali elettriche geotermiche. Le centrali geotermiche – conosciute nell’industria come geotermiche a roccia calda – sono grandi installazioni costruite (in questo paese) soprattutto intorno alle Montagne Rocciose e alla Sierra Nevada, dove le temperature estremamente alte del mantello terrestre possono essere trovate relativamente vicine alla superficie. Attingono a queste riserve di calore e le usano per produrre vapore, che poi aziona una turbina, producendo così elettricità.
GHPs, d’altra parte, utilizzano l’energia termica immagazzinata nella parte superiore della crosta terrestre per riscaldare o raffreddare un edificio, sostituendo le caldaie convenzionali e i sistemi di condizionamento dell’aria. “La temperatura della terra a 20 o 30 piedi è un numero relativamente costante tutto l’anno, da qualche parte tra 50 e 60 gradi” F, dice John Kelly, il COO della Geothermal Exchange Organization, un’organizzazione commerciale senza scopo di lucro a Washington, D.C., che fa pressione per una più ampia adozione della tecnologia. “Una pompa di calore geotermica sposta il calore da e verso la terra facendo circolare l’acqua attraverso un pozzo.”
“Per esempio”, offre Kelly, “diciamo che a Kansas City, la temperatura sotterranea è di 55 gradi. In estate, la temperatura dell’aria è di 100 gradi, e in inverno è di 20, ma sottoterra è ancora di 55. Non è così difficile ottenere quella temperatura costante dal terreno in modo da poter riscaldare in inverno e raffreddare in estate.”
In altre parole, in inverno, un GHP sposta l’energia termica da sotto la terra in un edificio, e in estate inverte quel processo, spostando il calore in un edificio verso il basso nella terra. Questi sistemi incorporano un circuito di tubature sepolto nel terreno attraverso il quale viene fatta circolare l’acqua, e la pompa di calore rimuove la temperatura dall’acqua e la distribuisce attraverso l’edificio, più o meno nello stesso modo in cui funziona l’aria condizionata centrale. In alternativa, l’acqua freatica viene fatta circolare direttamente attraverso una serie di pozzi.
In entrambi i casi, i GHP sono significativamente più economici da gestire rispetto ai sistemi convenzionali di riscaldamento e raffreddamento. “I risparmi sui costi si verificano perché il terreno offre temperature di partenza più vicine a ciò che si desidera per il riscaldamento e il raffreddamento rispetto alle temperature estreme stagionali su cui si basano molti sistemi HVAC convenzionali a fonte d’aria”, dice John Rhyner, un senior project manager della P.W. Grosser Consulting di Bohemia, N.Y., una società di ingegneria civile specializzata in geotermia e attualmente autrice di un libro di linee guida sulla tecnologia per il New York City Department of Design and Construction. “Ci vuole meno energia per compensare quella piccola differenza di temperatura”, dice Rhyner.
Mentre la teoria e la tecnologia dietro GHP sono semplici, implementare un sistema GHP può essere una questione più complessa. Ci sono diversi tipi di sistemi GHP, e scegliere il migliore per un progetto specifico può richiedere una buona dose di studio e di adattamento. Non è un approccio “tagliabiscotti”, dice Rhyner. È necessario un certo livello di analisi di fattibilità per scegliere il sistema giusto per un particolare sito”. Per un sistema commerciale medio-grande, la due diligence e l’analisi di fattibilità sono fondamentali, e non dovrebbero far saltare il budget.”
“L’obiettivo”, aggiunge Rhyner, “è quello di ottenere tutti sulla stessa pagina all’inizio e fornire una direzione chiara sull’approccio. Il tipo di sistema più adatto varia geograficamente, tutto dipende dalle condizioni geologiche, da come l’edificio viene accoppiato al terreno e da quale metodo di perforazione è appropriato.”
I tre tipi più comuni di sistemi GHP sono a circuito chiuso, a circuito aperto e a colonna fissa. I sistemi a circuito chiuso fanno circolare l’acqua attraverso una rete sigillata di tubi interrati. L’acqua all’interno dei tubi trasferisce il calore dalla terra all’edificio durante l’inverno, e viceversa durante l’estate, per mezzo di uno scambiatore di calore. Poiché l’acqua scorre in un circuito chiuso, non scambia tutta la sua temperatura; può diventare calda fino a 80-90 gradi F in estate e fredda fino a 40-30 gradi F in inverno. Per questo motivo, l’acqua è di solito combinata con una miscela al 30% di antigelo alimentare (per esempio, glicole propilenico) per evitare che il fluido gelifichi durante i mesi invernali.
I sistemi a circuito chiuso possono essere disposti sia orizzontalmente nei campi, sepolti appena sotto la linea del gelo, sia verticalmente in pozzi, forati in genere da 200 a 500 piedi di profondità. I sistemi orizzontali sono generalmente usati per progetti più piccoli o residenziali. Sono più economici da installare, ma sono influenzati dalla temperatura dell’aria esterna, il che significa che possono diventare meno efficienti con il progredire di una stagione e man mano che il terreno assume le caratteristiche della temperatura dell’aria.
I sistemi a circuito chiuso perforati verticalmente sono più efficienti dei sistemi orizzontali, poiché più del tubo è in contatto con i materiali stabili e freschi della terra. Sono più efficienti se possono essere perforati nell’acqua freatica piuttosto che nel terreno asciutto, poiché l’acqua è un buon conduttore di calore. I sistemi a circuito chiuso richiedono tipicamente grandi quantità di terra. “Per un sistema a circuito chiuso, è tutta una funzione di quanto tubo si può mettere nel terreno con l’area di terreno aperto che si ha a disposizione per lavorare”, dice Rhyner. “Si ottiene un certo numero di tonnellate per metro lineare, e si può ottenere più tubo nel terreno andando in verticale che in orizzontale.”
I sistemi a circuito aperto attingono l’acqua freatica da un pozzo, la spostano attraverso uno scambiatore di calore, e poi restituiscono l’acqua a pozzi separati, dove è permesso di percolare di nuovo alla falda. I pozzi di alimentazione e di ritorno (questi ultimi sono anche conosciuti come “pozzi di iniezione”) devono essere collocati abbastanza lontano l’uno dall’altro per assicurare che l’acqua termicamente alterata (cioè, l’acqua che viene riscaldata o raffreddata) non venga risucchiata di nuovo nel sistema attraverso i pozzi di alimentazione fino a che non riacquisti la temperatura del suolo. Il numero di pozzi d’iniezione necessari dipende interamente dal tasso di flusso generato dai pozzi di alimentazione.
I sistemi a circuito aperto sono generalmente più efficienti dei sistemi a circuito chiuso perché sono meglio accoppiati con le temperature del suolo, senza trasferimento di calore attraverso il tubo di plastica a circuito chiuso o la malta usata per sigillare il foro. Tuttavia, questi sistemi presentano delle sfide, in particolare la chimica dell’acqua, che può corrodere l’attrezzatura della pompa di calore o può sporcare il sistema nel tempo, richiedendo una pulizia extra. Se l’acqua freatica contiene alti livelli di sale, minerali o ferro, i sistemi a circuito chiuso sono generalmente preferibili.
I pozzi a colonna sono un tipo specializzato di sistema a circuito aperto che è adatto dove la roccia freatica non è troppo profonda sotto la superficie. I pozzi a colonna in piedi sono perforati a profondità da 1.500 a 2.000 piedi. La porzione poco profonda del pozzo attraverso la zona del suolo ha un rivestimento in acciaio installato, mentre la profondità rimanente è perforata e lasciata come un foro di roccia aperto. In questi sistemi, l’acqua freatica viene pompata dal fondo del pozzo, passa attraverso una pompa di calore o uno scambiatore di calore, e poi ritorna in cima al pozzo, dove filtra lentamente verso il basso, scambiando calore con la roccia freatica circostante.
Secondo Rhyner, “i pozzi a colonna in piedi forniscono la maggior capacità termica per installazione, quindi sono popolari in luoghi urbani come New York City con immobili limitati da perforare.” Dove il bedrock è più profondo di 100-125 piedi, può diventare troppo costoso installare questi pozzi, a causa della quantità di tubi d’acciaio necessari per sigillare la zona del suolo.
Scegliere quale di questi sistemi è giusto per un progetto specifico richiede di calcolare la domanda di riscaldamento e raffreddamento di un edificio e condurre un’analisi del sottosuolo per determinare la capacità termica del sito, e quanti pozzi o quanto grande sarà il campo del loop necessario. Se i calcoli sono fatti correttamente e il sistema è progettato correttamente, i GHP possono gestire tutti i carichi di riscaldamento e di raffreddamento di un edificio, indipendentemente dalle condizioni climatiche prevalenti.
“Le pompe di calore funzionano ovunque nel mondo”, dice Kelly. “Funzionano certamente bene in tutto il Nord America. Sono ampiamente utilizzate in Canada e anche in Messico”. Se progettate e installate correttamente, le GHP riducono drasticamente la quantità di energia necessaria per riscaldare e raffreddare un edificio. Secondo la U.S. Environmental Protection Agency, i GHP sono il 48% più efficienti del miglior forno a gas e il 75% più efficienti del miglior forno a olio. Richiedono dal 25 al 50 per cento di energia in meno rispetto ad altri sistemi HVAC e riducono i costi di funzionamento e manutenzione fino al 40 per cento.
Il principale inibitore all’adozione su larga scala dei GHP oggi è il costo iniziale relativamente alto dell’installazione, la maggior parte del quale va verso la perforazione coinvolta nella costruzione di pozzi e campi di loop, e la progettazione e l’analisi necessaria per adattare un sistema a un edificio. L’attrezzatura meccanica stessa – pompe di calore e scambiatori di calore – non è più costosa dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali. I risparmi annuali sulle bollette energetiche, tuttavia, compensano il costo iniziale. I periodi di recupero per i sistemi commerciali GHP sono generalmente calcolati nell’intervallo da 10 a 20 anni, ma spesso possono essere più brevi, per esempio, se il sistema sta sostituendo un sistema HVAC vecchio e inefficiente. I sistemi GHP possono essere competitivi in termini di costi contro molti sistemi convenzionali nelle nuove costruzioni. Di conseguenza, i GHP sono stati principalmente popolari tra i clienti municipali e istituzionali, i proprietari di edifici che pianificano di abitare e gestire le loro strutture a lungo termine, e coloro che sono semplicemente più interessati alla gestione ambientale che alla linea di fondo.
La città di Chicago è attualmente nel mezzo della costruzione di cinque nuove biblioteche che incorporano una serie di caratteristiche di progettazione sostenibile. Progettate da Lohan Anderson, le biblioteche si basano su sistemi GHP. Tra queste c’è la Richard M. Daley Branch Library, una struttura di 16.300 piedi quadrati destinata alla certificazione LEED Silver. La succursale è servita da 24 pozzi geotermici a circuito chiuso scavati a 395 piedi sotto il parcheggio. Questi forniranno acqua calda o refrigerata a un’unità di trattamento dell’aria e anche a un sistema radiante sotto il pavimento. Mentre la capacità termica del sistema GHP è sufficiente a fornire tutte le esigenze di riscaldamento e raffreddamento della biblioteca, il cliente ha anche richiesto una caldaia di riserva.
“Non c’è molta esperienza da parte della città con questi sistemi, quindi non si sentivano a loro agio affidandosi solo al geotermico”, spiega Stephen Novak, un ingegnere di progetto presso la Henneman Engineering di Chicago, che ha progettato il GHP della biblioteca. “Dopo un periodo di tempo, una volta che ci sarà più documentazione e vedranno che questi sistemi funzionano, le caldaie potrebbero essere eliminate dal prototipo di biblioteca della città.”
I GHP non devono necessariamente essere progettati su misura per i singoli progetti. Novak vede la costruzione di grandi campi geotermici distrettuali a cui gli investitori potrebbero attingere come una utility, come un modo in cui la tecnologia potrebbe diventare più diffusa in futuro. Boise, Idaho, per esempio, ha un sistema geotermico distrettuale che riscalda gli edifici nel suo centro. Ma il sistema si basa su sorgenti calde geologiche, una risorsa naturale non disponibile per la maggior parte delle città.
Ball State University a Muncie, Ind., d’altra parte, sta attualmente lavorando su un sistema GHP di una scala simile. Una volta completato, sarà il più grande sistema GHP a ciclo chiuso della nazione. Il progetto sostituirà quattro vecchie caldaie a carbone con 3.600 pozzi in campi situati in tutto il campus di 660 acri. Questi campi forniranno riscaldamento e raffreddamento per più di 45 edifici, tagliando l’impronta di carbonio dell’università circa a metà e risparmiando 2 milioni di dollari all’anno in costi operativi. L’intero sistema funzionerà attraverso due stazioni energetiche, dove il calore estratto dal terreno o restituito al terreno sarà scambiato per mezzo di pompe di calore collegate a due circuiti distinti che attraversano il campus. Un circuito porterà acqua fredda a 42 gradi costanti; l’altro porterà acqua calda a 150 gradi costanti. Questi anelli correranno attraverso scambiatori di calore in ogni edificio, dove i ventilatori forniranno la temperatura desiderata agli occupanti.
Mentre i sistemi GHP presentano ovvi incentivi ambientali, essi offrono anche agli architetti l’opportunità di liberarsi dall’onere di nascondere l’antiestetica attrezzatura meccanica, poiché la maggior parte dei componenti dei sistemi sono interrati, ben lontani dalla vista. Questo può essere particolarmente gradito quando si tratta di riadattare strutture storiche.
Uno di questi progetti è il progetto di Helpern Architects per il restauro della Knox Hall alla Columbia University. Completato nel 1909, il Knox Hall è un edificio neogotico di sette piani in pietra di 50.000 piedi quadrati con tetti in rame. “Non è una struttura storica, ma l’abbiamo trattata come se lo fosse perché è occupata dalla Columbia University nel campus dell’Union Theological Seminary”, dice Margaret Castillo, AIA, uno dei responsabili di Helpern. Abbiamo studiato cinque diversi sistemi HVAC, compreso quello geotermico”. Alla fine, mentre le preoccupazioni architettoniche erano un fattore – non sarebbe stato facile mettere i refrigeratori sul tetto – il geotermico ha dimostrato di essere il più conveniente a livello operativo.”
Knox Hall si basa su quattro pozzi a colonna perforati a 1.800 piedi di profondità per tutte le sue esigenze di riscaldamento e raffreddamento. Il sistema ha aiutato il progetto a guadagnare l’oro LEED. Mentre il costo iniziale è stato relativamente alto, Columbia stima che il ritorno sia di circa sei o sette anni. “Sono molto contenti che questo progetto stia riducendo l’uso di energia e le emissioni di gas serra”, dice Castillo.