Il mare: una fonte energetica rinnovabile
per la climatizzazione edilizia

Il complesso della chiesa di S. Maria Assunta a Camogli, che ospita la stazione marina dell'Istituto di Cibernetica e Biofisica del CNR. La stazione è stata recentemente dotata di un sistema di climatizzazione che preleva il calore dal mare

L'uso estensivo di pompe di calore che utilizzino il mare come sorgente termica, in un paese come l'Italia caratterizzato da 7500 km di coste che ospitano il 30% degli insediamenti urbani, può concorrere a ridurre drasticamente le emissioni di gas ad effetto serra prodotti dagli impianti di climatizzazione (riscaldamento e raffreddamento) delle strutture edilizie situate in prossimità della costa. Il mare è, infatti, un grande volano energetico che in inverno mantiene temperature medie superiori a quelle medie dell'aria e si comporta in maniera opposta d'estate. In queste condizioni le pompe di calore raffreddate o riscaldate dall'acqua di mare, invece che dall'aria, hanno rendimenti tali da costituire un'alternativa economica, anche dal punto di vista dell'impatto ambientale, ai sistemi di riscaldamento e climatizzazione basati su sistemi a combustione.

Il presente studio fa parte di un'attività svolta dall'Area della Ricerca del CNR di Genova a supporto di un raggruppamento di PMI liguri che si propone di avviare un'attività economica in Liguria nel settore in questione. L'Area della Ricerca di Genova ha particolari competenze in tema di teleriscaldamento, disponendo di impianti collegati alla rete cittadina e si è avvalsa, per fornire supporto al raggruppamento industriale, delle competenze esistenti presso alcuni organi ad essa afferenti ed in particolare: l'Istituto per la Corrosione Marina dei Metalli (ICMM), l'Istituto per l'Automazione Navale (IAN) e l'Istituto per lo Studio dell'Oceanografia Fisica (IOF). L'Area della Ricerca di Genova vanta anche la realizzazione di un impianto di climatizzazione con pompa di calore ad acqua di mare, installato presso il laboratorio a mare di Camogli dell'Istituto di Cibernetica e Biofisica del CNR.

Ci si riferisce qui, in particolare, alla situazione della Liguria: l'uso diffuso di questi sistemi nella regione potrebbe condurre a risparmiare circa 600.000 tep/anno solo per la fase di riscaldamento invernale, con molti vantaggi economici per gli utenti degli impianti.

1. Il caso ligure

Fig. 1 Temperature medie mediate nei mesi

La Liguria possiede oltre 300 km di litorale e l'80% dell'urbanizzazione è concentrata in una striscia di circa un chilometro tra la costa e l'entroterra.

Si può stimare che in questa striscia di territorio siano insediati circa 300.000.000 mc di edifici e strutture edilizie destinati ad abitazioni, attività industriali e commerciali, attività turistiche ed attività agricole al coperto.

L'energia spesa per riscaldare, nel periodo invernale, gli insediamenti di cui sopra si aggira attorno ai 700.000 tep, cioè circa 8000 Gwh termici.

Dal punto di vista meteomarino, il golfo ligure è caratterizzato dalla presenza di una corrente costante per tutto il periodo dell'anno che lambisce la costa, provenendo da sud, da est verso ovest, a velocità che vanno dai 10 ai 30 cm/sec. Questa corrente produce un afflusso continuo di acqua relativamente calda che è responsabile del clima temperato della regione, reso tale anche dalla presenza della catena degli Appennini che lo proteggono dalle correnti atmosferiche settentrionali.

La temperatura del mare ad una profondità media di 10 m, in una fascia larga un km lungo la costa, nei mesi invernali (novembre-marzo) è superiore di circa 5· C rispetto alla media delle temperature giornaliere dell'aria. Ciò significa che la fascia di mare larga un chilometro e profonda in media 20 m che si affaccia alla costa contiene una disponibilità di energia termica pari a circa 25000 Gwh, oltre 2.000.000 tep, in disequilibrio termico rispetto all'aria. Si ha, cioè, una disponibilità energetica molto superiore a quella richiesta per il riscaldamento edilizio, a temperatura relativamente alta rispetto all'aria.

Si deve osservare che anche la sottrazione totale di questo calore alla massa d'acqua non avrebbe influenza sensibile sulla temperatura del mare in quanto, proprio per effetto della presenza della corrente marina costante est-ovest, l'acqua del Golfo ligure si ricambia completamente in 300-400 ore.

La fig. 1 mostra l'andamento medio delle temperature dell'acqua del mare in Liguria ad una profondità di 10 m, comparato con le medie della temperatura dell'aria mediate nell'arco del mese e

con le medie delle temperature dell'aria (Aria funz.) riferite ai periodi della giornata nei quali sono accesi gli impianti di climatizzazione (tipicamente dalle ore 6 alle 10 e dalle 16 alle 22 in inverno e dalle 10 alle 22 in estate).

Le temperature della fig. 1 sono mediate tra molti rilevamenti effettuati negli anni 1994, '95 e '96 in diverse località; esse devono essere considerate come valori di riferimento generali, in quanto da località a località e da anno ad anno i valori medi possono discostarsi sensibilmente da quelli riportati.

Limitandosi ad esaminare la situazione invernale, si può osservare che se si adotta come sistema di riscaldamento la pompa di calore, questa deve innalzare la temperatura della sorgente di 5-8 ·C se utilizza il mare e di 15-18 ·C se utilizza l'aria. Questa situazione rende la pompa di calore ad acqua di mare economicamente ed energicamente competitiva con i sistemi di riscaldamento a combustione, come vedremo nel seguito.

2. La pompa di calore

La pompa di calore è una macchina diffusissima ed a tecnologia consolidata; essa è un sistema che realizza un ciclo frigorifero. I frigoriferi domestici ed anche quelli industriali, così come gli impianti di condizionamento estivi, funzionano con pompe di calore che trasportano calore da un ambiente ad un altro che si trova a più alta temperatura. Questo trasporto è realizzato utilizzando energia che nella stragrande maggioranza dei casi è in forma elettrica.

L'efficienza di una pompa di calore è misurata dal Coefficiente di Prestazione (COP) definito come rapporto tra la quantità di calore trasportato e la quantità di energia spesa per trasportarlo. Il COP di una pompa di calore risente moltissimo della differenza di temperatura alla quale si trovano i due ambienti tra i quali il calore deve essere trasportato.

La fig. 2 riporta, per una tipica pompa di calore commerciale di dimensioni medie industriali, l'andamento del COP nelle condizioni in cui un ambiente voglia essere mantenuto alla temperatura di 20 ·C, avendo a disposizione pozzi termici da cui pompare o in cui pompare a temperature differenti.

Analizzando questo grafico si capisce perché non convenga usare pompe di calore ad aria per il riscaldamento invernale. Infatti, se la temperatura esterna è attorno a 5 ·C, il COP risulta attorno a 2.

Ciò significa che per trasportare due unità di calore dell'aria all'ambiente da riscaldare si deve spendere un'unità di lavoro. Poiché questo lavoro è realizzato sotto forma di energia elettrica e per produrlo, all'origine si devono avere a disposizione circa tre unità di calore da combustione, è sicuramente conveniente riscaldare direttamente da combustione. Le cose peggiorano drammaticamente se la temperatura è attorno allo zero o addirittura più bassa. Ma se si ha a disposizione un pozzo termico con temperatura più elevata, così come è per il mare che al minimo è a 13 ·C, il COP che ne risulta è circa a 5, quindi, con un consumo per la produzione elettrica di tre unità di calore se ne trasportano cinque. Il vantaggio energetico, ambientale in termini di rilascio e, in ultima analisi, economico, rispetto alla combustione diretta, è di circa il 40%.

Nel caso del condizionamento estivo è altrettanto evidente il vantaggio dell'uso del mare come pozzo termico. La temperatura del mare attorno ai 25 ·C assicura un COP di circa 8, mentre quella dell'aria attorno ai 30 ·C ne permette uno di circa 4.

continua