Pozzo Vindex

Il pozzo vindex è una soluzione efficiente, ecologica, economica e sostenibile per la ventilazione e la climatizzazione degli edifici utilizzando la geotermia passiva di superficie. È una variante del classico pozzo canadese, chiamato anche pozzo provenzale, ma notevolmente più conveniente da tutti i punti di visti.

L’obiettivo principale della ricerca era quello di trovare una soluzione reale ad un problema reale che affligge da sempre la Tunisia, in modo particolare l’intera fascia del Sud Ovest confinante col Sahara. Durante il periodo estivo, in tutta l’area, la temperatura potrebbe superare i 45°C per lunghi periodi e le moderne abitazioni in cemento armato diventano praticamente invivibili senza l’utilizzo di potenti climatizzatori a corrente elettrica.

Una Valida Soluzione

La Tunisia è un paese in via di sviluppo con poche risorse energetiche naturali dove i pochi giacimenti di petrolio e gas naturale sono molto modesti e senza fonti significative di energia alternativa. Per queste ragioni l’energia elettrica è prevalentemente prodotta bruciando idrocarburi e di conseguenza il costo della corrente elettrica è molto elevato per la gente comune soprattutto durante il periodo estivo a causa dell’impennata dei consumi. Per economizzare sui costi dell’energia, in quasi tutte le abitazioni, la climatizzazione è limitata ad un unico ambiente, in generale al soggiorno, nei momenti della giornata quando il caldo diventa insopportabile. Comunque va sottolineato il fatto che non tutte le famiglie possono permettersi l’acquisto di un climatizzatore e sostenere il costo dell’energia elettrica per il suo funzionamento.

La possibilità di utilizzare un classico pozzo canadese per ridurre la temperatura durante il periodo estivo sembrava molto conveniente, ma dopo una lunga ricerca, tenendo in considerazioni in modo particolare le soluzioni proposte in Francia, ed analizzando i pro ed i contro, siamo giunti ad una soluzione che sfrutta lo stesso principio geotermico ma aggiunge diverse migliorie. Così è nato il pozzo vindex.

Principi Geotermici

A partire da una certa profondità, la temperatura del terreno rimane quasi costante tutto l’anno indipendentemente dalla temperatura dell’aria sovrastante grazie alla proprietà isolante e l’inerzia termica del suolo. Queste proprietà, anche se variano da luogo a luogo e dipendono dalla stratigrafia del terreno, sono considerate comuni a tutti i suoli. In breve, la temperatura del suolo a circa 7 m di profondità, la differenza tra la temperatura massima, durante il periodo estivo, e quella minima, durante il periodo invernale, è meno di 2° C tutto l’anno indipendentemente dalla temperatura dell’aria in superficie.

Figura 1 - Andamento della curva della variazione della temperatura del terreno a 7 m di profondità nel Sud della Francia per la durata di un anno.

La Figura 1 ci illustra come varia la temperatura del terreno nel Sud della Francia a 7 m di profondità durante un anno. Notiamo come la differenza tra la temperatura massima e quella minima è minore di 2°C tutto l’anno.

Pozzo Canadese

Possiamo definire il pozzo canadese come un sistema di ventilazione forzata che sfrutta l’inerzia termica del terreno per moderare la temperatura dell’aria. Perciò è molto conveniente quando si cerca una soluzione ecologica a lungo termine ed a basso costo per la climatizzazione degli edifici e non solo.

Il funzionamento del pozzo canadese classico, come appare nella Figura 2, è molto semplice ed è una buona soluzione a basso costo per alzare la temperatura dell’aria durante la stagione fredda ed abbassarla durante quella calda sfruttando l’inerzia termica del terreno.

Figura 2 – Schema di funzionamento del pozzo canadese durante la stagione invernale.

Figura 2 – Schema di funzionamento del pozzo canadese durante la stagione estiva.

Un’attenta analisi di questa soluzione ci illustra però alcune deficienze nel sistema, ecco quelle più evidenti:

• La necessità di una trincea lunga almeno 20 m e larga almeno 50 cm per avere lo spazio sufficiente per alloggiare i tubi necessari per lo scambio termico tra il terreno e l’aria. Questo spazio non è spesso disponibile soprattutto quando si tratta di edifici esistenti.
• La profondità della trincea, che è di circa 2 m, non è sufficiente per avere una differenza minima tra la temperatura invernale e quella estiva. Quindi il sistema è poco efficiente.
• Il tubo di scambio tra il terreno e l’aria è generalmente in polietilene che ha una bassa conducibilità termica (0,38 W.m-1.K-1), perciò lo scambio termico non efficace.

Migliorie

Ora vediamo come i problemi precedenti sono stati risolti nel caso di pozzo vindex:

• Lo spazio necessario sul terreno per scavare il pozzo vindex è minore di 1 m2.
• La profondità del pozzo vindex è di 7 m, così abbiamo una temperatura pressoché costante durante tutto l’anno.
• La spirale di scambio tra il terreno e l’aria è realizzata in rame che ha una conducibilità termica molto elevata (390 W.m-1.K-1) . In più la superficie della spirale è alettata per aumentare la superficie di contatto tra terreno e spirale. Nel nostro caso abbiamo 12 m^2 di superficie di contatto tra terreno e serpentina. Lo scambio termico tra terreno e l’aria circolante all’interno della spirale è molto efficace.

Schema di Funzionamento

Lo schema di funzionamento di un pozzo vindex è molto semplice come appare nelle figure 4a, 4b e 4c. Abbiamo una parte esterna, una parte interrata ed una parte inserita nella struttura.

Figura 4a – Schema Funzionamento Pozzo Vindex.

Figura 4b – Schema Funzionamento Pozzo Vindex.

Figura 4c – Schema Funzionamento Pozzo Vindex.

Componenti

Ci sono fondamentalmente tre parti che compongono un pozzo vindex, la prima è esterna ed è collocata sul terreno, mentre la seconda è interrata, la terza invece è la parte terminale ed è inserita all’intero delle pareti dell’edificio.

Parte Esterna

La parte esterna del pozzo vindex è composta essenzialmente da un filtro d’aria, da un ventilatore ed alcuni tubi. La funzione del filtro d’aria è quella di impedire l’introduzione di polveri, pollini e particelle inquinanti all’interno dell’ambiente da climatizzare. La funzione della ventola invece è di controllare la velocità del flusso dell’aria in ingresso e di conseguenza anche in uscita. Il fatto di aver collocato la ventola prima del tubo d’ingresso dell’aria è molto importante, perché in questo modo la temperatura di riscaldamento del ventilatore causata dal motore elettrico non va ad aumentare la temperatura dell’aria.

Figura 5 – Parte Esterna Pozzo Vindex.

Parte Interrata

La parte interrata del pozzo vindex è composta da un tubo in polietilene per portare l’aria dalla ventola fino alla serpentina, poi da una serpentina in rame e da un secondo tubo in polietilene isolato che riporta l’aria fino alla superficie del terreno.

Figura 6 – La serpentina in rame alettato è inserita in fondo al pozzo. Osservare come il tubo in uscita è ben isolato.

Parte Terminale

La parte terminale del pozzo vindex è composta da un tubo isolato in polietilene inserito all’interno delle pareti dell’ambiente da climatizzare e da bocchette per la diffusione dell’aria.

Dimenzionamento

Il dimensionamento del pozzo vindex dipende principalmente dai tre seguenti fattori:

• Il numero di ricambi d’aria l’ora dell’ambiente da climatizzare. Questo parametro dipende dalla destinazione d’uso dell’ambiente ed è in generale fissato dalla Normativa Tecnica.
• La temperatura massima (durante il periodo estivo) e minima (durante il periodo invernale) dell’aria esterna, cioè dalle temperature di progetto.
• La durata di funzionamento del pozzo vindex durante il periodo di maggior impiego.
Il dimensionamento del pozzo vindex dipende principalmente dai tre seguenti fattori:

Una volta sono stati stabiliti tutti i parametri di progetti del pozzo vindex è conveniente aumentare la potenza della ventola di almeno del 10% rispetto a quella di progetto.

Messa in Opera

La messa in opera del pozzo vindex è molto semplice e non richiede particolari attrezzature oppure una specifica preparazione degli installatori. Per la messa in opera del pozzo vindex di Celenza Sul Trigno, sono state impiegate in tutto tre persone per circa 3 ore di lavoro.

Grazie alla sua flessibilità, il pozzo vindex è facilmente adattabile per essere installato in edifici esistenti visto che richiede solo poco spazio, praticamente giusto il necessario per praticare un foro per un micropalo di fondazione di 20 cm di diametro e di 4-7 m di profondità dentro il quale sarà inserita la serpentina in rame oppure in un altro metallo. L’unica attrezzatura di rilievo necessaria è la perforatrice per praticare il foro nel terreno.

Figura 7 – Messa in opera del pozzo vindex (Celenza Sul Trigno – Marzo 2015).

Efficienza

I monitoraggi effettuati finora sul pozzo vindex di Celenza Sul Trigno ha rivelato dei risultati molto interessanti. I primi esperimenti consistevano nell’introduzione di aria calda mediante un asciuga capelli mantenendo il flusso e la temperatura dell’aria d’ingresso nel tubo costanti, cioè di circa 60° C. La temperatura in uscita, dopo aver attraversato il pozzo, è stata sempre compresa tra 19 e 20° C. L’esperimento è stato ripetuto diverse volte ma è risultato è rimasto praticamente invariato.

Analisi Convenienza

Una rapida analisi di convenienza tecnico-economica è necessaria per stimare i vari costi per la realizzazione e la gestione di un pozzo vindex. Ovviamente il costo globale, cioè quello iniziale di realizzazione e quello di servizio a lungo termine, dipende dal contesto e dal reale utilizzo, perciò un’analisi del genere dovrebbe essere opportunamente eseguita secondo precisi criteri. Comunque è sempre conveniente fare delle stime approssimative per avere un’idea sui costi nonché sui benefici prima di realizzare un pozzo di climatizzazione vindex.

Sintetizzando, possiamo dire che oltre il costo di praticare il foro nel terreno dove andranno alloggiate i tubi e la serpentina, ci sono i costi dei vari elementi che costituiscono la parte funzionale del sistema. Cioè i tubi, il filtro d’aria, la ventola, la serpentina e le bocchette d’aria. Il costo di servizio è praticamente limitato a quello dell’energia elettrica necessaria per il funzionamento della ventola che è generalmente di poca potenza visto che si tratta di un sistema passivo. Il costo di manutenzione invece è molto basso e consiste prevalentemente nella pulizia del filtro d’aria oppure nella sostituzione della ventola in caso di rottura, praticamente dopo svariati anni di funzionamento. Il costo dell’energia per quanto riguarda l’abbassamento oppure l’innalzamento della temperatura dell’aria, a seconda della stagione, è praticamente zero visto che si tratta di sfruttare l’inerzia geotermica passiva del terreno che tra l’altro avviene senza la minima emissione di CO2 od altro.

Radon e Batteri

In generale quando si parla di pozzo canadese salta subito in mente il problema del radon contenuto nella crosta terrestre ed i danni che potrebbe provocare a lungo termine nonché quello dei batteri. Nel caso del pozzo vindex il problema del radon è praticamente inesistente. In effetti tutti i materiali utilizzati nonché la cura con la quale sono stati assemblati e messi in opera le componenti assicurano la massima salubrità dell’aria. L’utilizzo del filtro d’aria a monte del ventilatore permette di depurare l’aria da pollini, particelle e batteri prima dell’ingresso nel pozzo.

Conclusione

Il primo pozzo vindex che è stato realizzato a Celenza Sul Trigno (CH) nel mese di Marzo del 2015 ha dimostrato la semplicità e la validità di questa soluzione.

Anche quando si è trattato di una prima versione con un obiettivo puramente sperimentale e di ricerca, i risultati osservati finora sono molto incoraggianti per procedere con la ricerca e sviluppare ulteriormente il sistema.

L’obiettivo finale è quello di creare una completa soluzione standardizzata molto efficiente, economica e facilmente installabile soprattutto su edifici esistenti.

La soluzione finale dovrebbe contenere un sistema elettronico integrato per il controllo automatico del flusso dell’aria ed il monitoraggio della sua temperatura ed umidità relativa nonché la possibilità di integrarlo con altri sistemi di climatizzazione.