Heat The Streets ha dimostrato la fattibilità tecnica, la convenienza economica e la sostenibilità ambientale di una rete urbana di sonde geotermiche, al servizio di pompe di calore per la climatizzazione in ambito residenziale.
La decarbonizzazione dei consumi per la climatizzazione degli edifici è oggi uno degli argomenti più dibattuti, non solo in ambito tecnico. Rispetto ai generatori basati sul consumo di combustibili fossili, le pompe di calore costituiscono una soluzione generalmente più efficiente e sostenibile, nella maggior parte delle applicazioni, e ampiamente disponibile nel mercato in un’estesa gamma di soluzioni e potenze.
Ciò nonostante, la diffusione delle pompe di calore è ostacolata da diversi fattori. Dal punto di vista economico, ad esempio, il costo di una pompa di calore è attualmente superiore rispetto a quello di una caldaia e, in ogni caso, l’elettricità consumata dev’essere sufficientemente a buon mercato, se prelevata dalla rete di distribuzione, e rigorosamente proveniente da fonti rinnovabili.
Dal punto di vista tecnico, le superiori performance delle pompe di calore nella produzione dei fluidi termovettori sono esaltate dalla concomitanza di condizioni specifiche, fra cui: ridotte dispersioni termiche attraverso l’involucro edilizio, impiego di terminali a bassa temperatura e ricorso a una sorgente a temperatura ottimale e costante per lo scambio termico.
Quest’ultima è una condizione particolarmente gravosa nelle zone geografiche caratterizzate da basse temperature dell’aria per lunghi periodi. Il progetto Heat the Streets propone una soluzione alternativa: utilizzare pompe di calore collegate a una rete collettiva di sonde geotermiche verticali (Ground Source Heat Pump, di seguito GSHP), per la distribuzione di miscela di acqua e liquido antigelo utilizzata come fonte rinnovabile di calore.
Heat the Streets – Il progetto in sintesi
Heat the Streets è un’iniziativa sviluppata e realizzata da Kensa Utilities nel Regno Unito, fra il 2021 e il 2023. Obiettivo principale era permettere la valutazione dei vantaggi economici ed ecologici connessi alla realizzazione di un’infrastruttura di pubblica utilità, al servizio di edifici privati equipaggiati con GSHP.
Il progetto individua un percorso alternativo per la decarbonizzazione dei consumi per il riscaldamento invernale, utile sia a facilitare una diffusa accessibilità a soluzioni “low carbon”, grazie alle economie di scala, sia a incentivare ulteriori investimenti privati nella tecnologia. Heat the Streets ha infatti restituito significativi benefici per i singoli utenti, in particolare:
- contenimento dell’investimento iniziale per la realizzazione dell’infrastruttura (denominata Shared Ground Array, di seguito SGA) e per l’acquisto delle GSHP;
- riduzione delle spese annuali per il riscaldamento domestico, nei confronti sia delle caldaie a metano, sia delle pompe di calore aria/acqua (Air Source Heat Pump, di seguito ASHP).
I costi sostenuti da Kensa Utilities per realizzare Heat the Streets sono stati parzialmente coperti da un finanziamento di 3,4 milioni di sterline, da parte del Fondo Europeo di Sviluppo Regionale britannico per il periodo 2014/2020. Anche Kensa Heat Pumps e Kensa Contracting hanno partecipato al progetto, fornendo rispettivamente le GSHP e la consulenza tecnica.
Il sito e le reti
Diversi motivi hanno indotto a scegliere Stithians – località della Cornovaglia con circa 2.100 abitanti – per mettere in pratica Heat the Streets. La cittadina è un tipico esempio del patrimonio immobiliare a media densità del Regno Unito, presenta un sottosuolo roccioso ideale per la perforazione e la realizzazione di campi di sonde geotermiche e si trova a breve distanza dall’headquarters di Kensa.
Ecco le condizioni climatiche medie di Stithians negli ultimi 30 anni: T min 3 °C (febbraio), con punte fino a -12 °C; T max 20 °C (agosto), con punte di 26 °C. Nelle ore notturne le temperature minime medie non superano 12 °C (agosto). Durante l’anno l’umidità relativa è compresa fra 77% e 82%. I siti per la realizzazione delle SGA sono stati individuati considerando:
- la prossimità degli edifici degli abitanti interessati al progetto;
- facilità e velocità di installazione dell’infrastruttura;
- la replicabilità degli interventi eseguiti, due dei quali sono stati realizzati nella vicina località marittima di Porthleven.
Le SGA sono reti indipendenti per la circolazione e la distribuzione della miscela per lo scambio termico a bassa temperatura, per la climatizzazione invernale ed estiva mediante GSHP. Le SGA percorrono il sottosuolo delle strade sulle quali si affacciano gli edifici serviti e sono predisposte per futuri ampliamenti e collegamenti. In estrema sintesi una SGA è composta da numerose sonde verticali, soluzione che permette l’accesso a grandi quantità di energia termica anche in aree densamente edificate.
Opportune camere di isolamento consentono di sezionare la SGA in caso di necessità e si prestano all’attivazione progressiva del servizio. Le 11 SGA realizzate dal Heat the Streets sono collegate a un totale di 102 sonde (profondità media 110 m) e sono al servizio di un massimo di una ventina di edifici.
la rete, quindi reimmessa nelle sonde dopo l’uso (Kensa Group)
- le cosiddette “case vittoriane” (villette a schiera con 3 camere da letto), la tipologia residenziale più comune nel Regno Unito (consumo medio annuo 15.700 kWh per riscaldamento);
- un’abitazione semi-indipendente di nuova costruzione, con superficie simile a una casa vittoriana (6.500 kWh). La modellazione è stata eseguita su base oraria, considerando i dati meteorologici medi del National Energy Efficiency Database (NEED).
In entrambi i casi erano stati ipotizzati i risparmi per l’uso delle GSHP riconducibili a:
- costo di acquisto inferiore, a fronte di una più lunga aspettativa di vita del generatore geotermico (in media 20÷25 anni);
- minore assorbimento elettrico del generatore (-40% circa), per effetto della superiore efficienza energetica indipendentemente dalle condizioni climatiche;
- minore spese per la manutenzione, in quanto il generatore è installato dentro l’edificio e perciò protetto dagli agenti atmosferici.
Di contro, il sistema sperimentato da Heat the Streets comporta il pagamento dei tipici costi per l’uso di una rete di distribuzione: contributo per le opere di allacciamento (una tantum) e bollette, per l’uso della miscela destinata allo scambio termico e per i relativi oneri (gestione, contabilizzazione, manutenzione). Per le case vittoriane l’applicazione su larga scala delle GSHP collegate a SGA comporta un costo iniziale inferiore del 8% e un costo complessivo inferiore del 18%, su base annua. Per le abitazioni di nuova costruzione i costi iniziali sono inferiori del 9% e i costi di gestione sono inferiori del 16%.
In sintesi, la convenienza economica del sistema dipende principalmente dal contenimento della bolletta, ovvero dei costi complessivi legati alla GSA, entro valori tali da rendere economicamente competitiva la tecnologia. Questo configura la possibilità di orientare eventuali incentivi pubblici alla copertura dei costi delle GSA e/o all’abbattimento delle relative bollette.
Oltre alla modellazione estesa all’intero anno ne è stata effettuata una nel periodo più freddo, sulla base dei dati registrati nell’inverno 2010 (il più rigido degli ultimi 20 anni), anche allo scopo di confermare l’impatto sul dimensionamento della SGA per la copertura dei picchi della domanda. In questo caso i costi di esercizio sono risultati più elevati, nell’ordine di 99 sterline/anno per le GSHP e di 267 sterline/ anno per le ASHP.
Lo studio evidenzia infine come la diffusa adozione di GSHP collegate a SGA, in luogo delle ASHP, comporterebbe un risparmio complessivo stimato nell’ordine di 40 miliardi di sterline fino al 2050, compresi i costi di sistema legati al contenimento del fabbisogno di elettricità per la climatizzazione.
In poco più di due anni di durata, Heat the Streets ha affrontato e superato questi ostacoli, puntando inizialmente a una diffusa informazione degli abitanti – molti dei quali anziani – e al coinvolgimento dello Stithians Energy Group, un comitato locale che promuove la riduzione dell’impronta carbonio della comunità. Previa verifica della fattibilità tecnica, tutti i residenti hanno potuto partecipare al progetto, iniziato ufficialmente nel giugno 2021.
La diffusione del primo comunicato stampa è stata seguita da numerose iniziative: presentazione al consiglio parrocchiale e lancio del sito web e dei social media (luglio 2021); sessioni informative con la popolazione, in presenza e online (dicembre 2021 – gennaio 2022); nomina dei referenti dei residenti (febbraio – maggio 2022); selezione e sondaggi (maggio – agosto 2022). Il progetto ha accelerato a partire da settembre 2022: tutti gli abitanti interessati hanno incontrato personalmente referenti e tecnici incaricati, per consegnare lo studio di fattibilità e la documentazione contrattuale, rispondere alle domande ed effettuare i rilievi.
La sottoscrizione dei contratti ha dato avvio alla progettazione e alla realizzazione delle SGA e agli interventi nei singoli edifici. Oltre al calcolo dei fabbisogni energetici e al dimensionamento delle sonde, della rete e dei generatori, alcune utenze sono state interessate da ulteriori opere di modifica e potenziamento degli impianti interni, concordate con gli utenti. Tutte le attività sono state completate entro giugno 2023.
Accessibilità e trasparenza delle informazioni hanno caratterizzato tutte le iniziative rivolte alla popolazione. Il team di Kensa Utilities ha curato con particolare attenzione la piena comprensione delle condizioni contrattuali, l’approvazione dei singoli progetti e la consegna della documentazione tecnica e d’uso del sistema. È stato inoltre istituito un servizio dedicato all’assistenza tecnica e amministrativa.
Perforazione e distribuzione
Nel caso di Stithians, il sottosuolo è prevalentemente composto da solida roccia granitica, che ha favorito la trivellazione grazie al bassissimo rischio di crollo delle pareti dei pozzi. Questi ultimi sono trivellati utilizzando mediante perforazione ad aria, che impiega punte di martello al tungsteno, alternative e rotanti, azionate da aria compressa a 24 bar.
Raggiunta la profondità ricercata, sono state inserite nel terreno le tubazioni a “U” in HDPE e la malta di riempimento, chiudendo i fori in superficie. La miscela fuoriesce dal terreno a 12,9 °C, temperatura di poco superiore alla media dei campi geotermici presenti nel sottosuolo britannico.
Le sonde sono collegate in sommità da tubazioni (Ø 63 mm per la linea principale, Ø 40 mm per i rami diretti alle abitazioni) adeguatamente dimensionate considerando le perdite idrauliche e termoisolate per evitare fenomeni di condensa. Ogni SGA è equipaggiata con disaeratori automatici e dispositivi per la pressurizzazione e l’espansione, e si dirama verso le utenze per la distribuzione idrica. Ogni ramo termina con un contatore volumetrico, per la contabilizzazione dei consumi.
Situate all’interno dei singoli edifici, le GSHP sono dotate di un’elettropompa che aspira la miscela a seconda del fabbisogno. Di conseguenza le SGA non dispongono di una stazione di pompaggio centralizzata.
Retrofit di successo
retrofit: la pompa di calore presenta dimensioni e peso contenuti, per facilitarne l’installazione in spazi di servizio (Kensa Group)
Heat the Streets ha interessato complessivamente 98 fra abitazioni indipendenti e di edilizia sociale, comprese 30 residenze di nuova realizzazione, più 22 predisposizioni per connessioni future alle SGA. Ciascuna utenza ha ricevuto la propria GSHP (normalmente un modello Shoe Box da 3 kW) con garanzia di 5 anni, senza sostenere i costi iniziali, in sostituzione di caldaie (a metano, GPL, gasolio, legna e carbone), ASHP e impianti a pannelli elettrici.
Nella grande maggioranza dei casi di retrofit sono stati conservati circuiti e terminali esistenti, effettuando le modifiche necessarie. A seconda della dotazione impiantistica e delle esigenze espresse dagli utenti, sono stati inoltre effettuati ulteriori interventi gratuiti per sostituire e/o aggiungere radiatori, bollitori per l’ACS e termostati intelligenti. Ciascuna utenza ha sottoscritto un contratto di servizio ventennale con Kensa Utilities, che si occuperà della gestione e manutenzione delle SGA, a fronte di tariffe fisse mensili di 25 sterline (circa 21,65 euro) per le residenze indipendenti, 12,5 sterline per le nuove costruzioni e 8,33 sterline per le abitazioni di edilizia sociale.
d’intervento del progetto Heat the
Streets: lungo la strada si notano
i lavori in corso per l’allacciamento delle residenze alla rete di distribuzione
Durante i circa 100 anni di vita attesa dell’infrastruttura saranno evitate emissioni climalteranti per circa 3.382 tCO2, con riduzioni nell’ordine del 71% per gli interventi di retrofit e del 28% per le nuove costruzioni. Il risparmio economico medio annuo per ciascuna utenza è stimato in 628 sterline (poco più di 540 euro). Nelle zone interessate dal progetto il tasso di adesione è stata superiore al 80% e la quantità di richieste è risultata 5 volte superiore rispetto alle previsioni – fatti che costituiscono un ottimo auspicio per la futura diffusione del sistema in altre realtà del Regno Unito.
Fra i potenziali clienti, Kensa ha individuato le società che si occupano di gestione dell’edilizia residenziale, il cui patrimonio edificato comprende circa 2,7 milioni di abitazioni in tutta l’Inghilterra e che sono chiamate sia a conseguire certificati di prestazione energetica almeno in classe C, entro il 2030, sia a diventare carbon neutral entro il 2050.
Heat the Streets è un passo significativo per raggiungere il nostro obiettivo di decarbonizzazione del riscaldamento su larga scala. Combiniamo il nostro modello di business, in cui Kensa Utilities finanzia, gestisce e mantiene l’infrastruttura come proprietaria, con la consolidata tecnologia delle pompe di calore geotermiche Kensa – Lisa Treseder, Director of Business Development, Kensa Utilities
Il principale vantaggio energetico delle GSHP consiste nello scambio termico con un fluido a temperatura costante, non influenzato dalle fluttuazioni climatiche. Le GSHP prodotte da Kensa Heat Pump sono ottimizzate proprio per garantire prestazioni regolari ed evitare consumi eccessivi durante i giorni più freddi. Le GSHP si prestano anche al funzionamento in raffrescamento, con consumi molto contenuti, anche in free-cooling.
Le cosiddette “Shoe Box”, ad esempio, sono GSHP da 3 kW per riscaldamento e raffrescamento, dotate di singolo compressore a pistone e di un circuito frigorifero riempito da R134a. Concepite per la libera installazione anche al di fuori degli spazi tecnici, presentano dimensioni minime: larghezza 480 mm, profondità 360 mm, altezza 515 mm. Anche le dimensioni delle Shoe Box da 6 kW sono contenute (610 x 595 x 585 mm) e ne permettono l’installazione praticamente ovunque.
La serie EVO mette a disposizione GSHP (ErP: A+++; A++) con potenze superiori alle Shoe Box (da 7 kW a 17 kW, con possibilità di funzionamento a cascata) e con valori di SCOP superiori a 4. Si tratta di generatori particolarmente indicati per gli edifici pubblici e residenziali di media dimensione, anche composti da più unità abitative con produzione centralizzata del calore.
