Uno studio giapponese ha sviluppato un modello predittivo per migliorare l’efficienza dei pali energetici geotermici anche in contesti urbani con terreni a bassa conducibilità termica. Grazie ad un simulatore, la tecnologia diventa più accessibile, riducendo costi e ostacoli progettuali per la geotermia urbana
Come affrontare il problema dell’interferenza termica
Nonostante un potenziale stimato enorme, l’energia geotermica contribuisce per meno del 3% alla produzione energetica dell’Unione Europea. Considerata una fonte low-carbon tra le meno intermittenti, la geotermia potrebbe contribuire in maniera sostanziale al raffrescamento ed al raffreddamento degli edifici. Ma il cambiamento climatico ci impone di intervenire prima di tutto nell’efficientamento dei contesti urbani più urbanizzati dove però il terreno non è sempre omogeneo e potrebbe compromettere la conducibilità termica del terreno e dell’impianto. In questi casi, sia che si utilizzino sonde geotermiche o pali energetici (energy piles) l’esito potrebbe essere non costante, costringendo i progettisti ad optare per altre fonti energetiche.
Arriva dal Giappone, precisamente dallo Shibaura Institute of Technology, un’interessante ricerca che potrebbe rivoluzionare l’utilizzo dell’energia geotermica anche in città caratterizzate da terreni argillosi a bassa conducibilità termica, come Tokyo, Bangkok o Manila.
Geotermia integrata nelle fondazioni: come funzionano i pali energetici
Il team guidato dal Professor Shinya Inazumi della Facoltà di Ingegneria dello Shibaura Institute of Technology, in Giappone, ha sviluppato un modello tridimensionale di trasferimento termico calibrato su dati reali raccolti nella città di Bangkok con l’obiettivo di ottimizzare l’efficienza dei pali energetici anche in condizioni geologiche sfavorevoli.
I pali energetici sono elementi in calcestruzzo armato che, oltre a svolgere una funzione strutturale di fondazione, incorporano tubazioni ad anello (di norma a U) al loro interno. In queste condotte circola un fluido termovettore che scambia calore con il terreno circostante, sfruttando la temperatura costante del sottosuolo. Collegati a pompe di calore geotermiche (GSHP – Ground Source Heat Pumps), questi sistemi permettono di riscaldare e raffrescare gli edifici con un’efficienza superiore rispetto ai tradizionali impianti aria-aria, anche in condizioni climatiche estreme.
Il problema dei terreni argillosi
Ma nonostante i molteplici vantaggi, i pali energetici potrebbero incontrare limitazioni nelle prestazioni quando installati in terreni a bassa conducibilità termica, come appunto quelli argillosi. In questo caso potrebbe verificarsi un fenomeno chiamato “interferenza termica” che riduce l’efficienza del sistema accumulando il calore nel terreno. Secondo lo studio giapponese, la temperatura del suolo attorno ai gruppi di pali può aumentare tra il 2,18% e il 15,43%, a seconda della densità e del ciclo operativo (8-24 ore giornaliere), compromettendo le prestazioni a lungo termine. Ma grazie al modello predittivo elaborato, gli ingegneri sono adesso in grado di anticipare e mitigare questi effetti fin dalle prime fasi di progettazione.
Il software anticipa i problemi e fornisce le soluzioni
Utilizzando il software COMSOL Multiphysics, i ricercatori hanno elaborato una serie di simulazioni per rappresentare il comportamento termico di gruppi di pali energetici in condizioni reali. Grazie a questo studio hanno individuato una serie di fattori moltiplicativi pratici che permettono di estendere rapidamente le previsioni termiche a interi gruppi di pali, senza la necessità di ricorrere a modelli tridimensionali complessi. In questo modo si riducono i costi computazionali, rendendo la tecnologia più accessibile anche in contesti a basso budget tecnico.
Dallo studio è emerso ad esempio che la riduzione delle ore operative giornaliere può posticipare di oltre 100 ore la saturazione termica del suolo e abbassare fino al 29% le temperature massime del terreno in un arco di tempo di 5 anni. Inoltre, la ricerca ha confermato quello che è stato soprannominato effetto di “affollamento termico” nei pali centrali rispetto a quelli perimetrali, suggerendo come soluzione una disposizione spaziale dei gruppi ottimizzata.
Questi risultati non solo contribuiscono alla progettazione intelligente di edifici meno emissivi, ma rafforzano l’utilizzo di sistemi di riscaldamento e raffrescamento alternativi a quelli tradizionali anche in presenza di alta intensità energetica che di vulnerabili al clima.
“Il nostro studio, dimostrando la fattibilità e la convenienza dei sistemi di energia geotermica per gli ambienti urbani densi, affronta le sfide dello sviluppo regionale, contribuendo all’agenda climatica globale”, conclude il Prof. Inazumi.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Case Studies in Thermal Engineering a settembre 2025.
