le applicazioni dell`energia geotermica

impianti_geotermia
Luca Ceccotti
ingegnere, Phd in Energetica
LE
APPLICAZIONI
DELL’ENERGIA GEOTERMICA
L’energia geotermica, cioè il calore presente negli strati
più profondi della crosta terrestre, rappresenta
un’importante risorsa energetica rinnovabile utilizzabile,
mediante pompe di calore, per la climatizzazione
degli edifici.
Quando si parla di energia geotermica si intende il calore contenuto all’interno della Terra, che può essere sfruttato dall’uomo
direttamente come tale o in seguito alla sua trasformazione in
un’altra forma energetica, come ad esempio quella elettrica.
Questo flusso di energia, che si propaga dalle zone più interne
del nostro pianeta, è dovuto in parte al calore originario ancora
contenuto nel nucleo e nel mantello, e in parte al calore radiogenico derivante dal decadimento degli isotopi radioattivi dell’uranio (U238 e U239), del torio (Th232) e del potassio (K40) presenti
all’interno del globo terrestre. Valutando il flusso termico
emesso attraverso la superficie terrestre e quello proveniente
dal decadimento degli isotopi radioattivi, si è giunti alla conclusione che in questo caso non vi è equilibrio tra calore disperso e calore generato. Pertanto, si può affermare che il nostro
pianeta si sta raffreddando, seppur molto lentamente. Per avere
un riferimento, per il mantello terrestre, che si trova a una temperatura media di 4000 °C, il raffreddamento è stimato in circa
300 °C in tre miliardi di anni.
L’energia termica della Terra è enorme e finora è stata sfruttata
direttamente solo nelle zone in cui particolari condizioni geologiche permettono all’acqua, in fase liquida o di vapore, di trasportare il calore dalla profondità del pianeta fino alla sua
superficie, o in prossimità della stessa.
La temperatura del terreno, nei primi metri al di sotto della superficie, corrisponde con buona approssimazione a quella media
dell’aria esterna, ed è prossima a 15 °C nella nostra fascia cli72
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matica. Scendendo in verticale, questa temperatura aumenta
con la profondità in media di circa 2,5-3 °C ogni 100 metri. È
proprio questa differenza di temperatura a dare origine al flusso
di calore dall’interno verso l’esterno della Terra. In alcune zone
particolari questo gradiente può raggiungere valori superiori
anche di dieci volte quello normale.
Il sistema geotermico
Un sistema geotermico è formato dalla sorgente di calore, da
un serbatoio e dal fluido che trasporta il calore. La sorgente può
essere un’anomalia costituita da magma che si è posizionato a
una profondità relativamente piccola, e in tal caso è ad alta
temperatura, oppure può essere il normale calore della terra,
caratterizzato da un livello termico relativamente basso. Con il
termine “serbatoio” si intende di solito un insieme di rocce
calde e permeabili dove i fluidi possono circolare assorbendo il
calore, ricoperto da strati di roccia impermeabile. Il fluido geotermico è generalmente costituito da acque di origine meteorica che si trovano in fase liquida o di vapore a seconda delle
condizioni di temperatura e pressione. Nelle località caratterizzate da attività geotermica ad alta temperatura, le acque meteoriche che penetrano nella zona serbatoio vengono riscaldate
dal flusso termico derivante dagli strati magmatici più vicini
alla superficie. Questo fluido più caldo e a minore densità tende
a salire e a essere sostituito dal fluido più freddo e di densità
Larderello, inserimento
delle torri evaporative
nel paesaggio (Autore:
Janericloebe).
Profondità
e temperature medie
dei principali strati
costituenti la Terra
(Elaborazione; fonte Doc
Carbur – Licenza
Creative Commons
Attribuzione-Condividi
allo stesso modo 3.0
Unported –
http://creativecommons.
org/licenses/bysa/3.0/deed.it).
maggiore proveniente dalle zone marginali più fredde.
Nel caso di sistemi ad alta temperatura impiegati per la produzione di energia elettrica, i fluidi geotermici vengono estratti
dal serbatoio, sono utilizzati per l’alimentazione di una turbina
a vapore, quindi possono tornare nel serbatoio attraverso appositi pozzi di reiniezione per permettere il processo di ricarica
della sorgente e ridurre l’impatto ambientale dell’impianto.
Il nostro Paese è stato un pioniere nell’utilizzazione della risorsa
endogena nella zona di Larderello, in Toscana, a partire dal
1827, prima per necessità legate all’industria di estrazione dell’acido borico poi, tra il 1910 e il 1940, per il riscaldamento di
edifici residenziali, industriali e di serre. Inoltre, già nel 1904,
proprio a Larderello fu effettuato con successo il primo esperimento per produrre elettricità dall’energia contenuta nel vapore
geotermico (vedi foto qui a lato).
I bacini attualmente sfruttati per la produzione elettrica sono
caratterizzati da temperature superiori a 150 °C e profondità
da poche decine a qualche migliaio di metri. Questi sistemi, che
possono essere definiti “tradizionali”, consentono la produzione
di energia elettrica in modo relativamente economico e permettono anche di utilizzare la fonte geotermica in modo diretto sotto
forma di calore. Purtroppo però si tratta di una tecnologia applicabile limitatamente ad alcune località con caratteristiche
particolari.
In mancanza di disponibilità di calore a quote relativamente vicine alla superficie, esistono sistemi per sfruttare il calore di
rocce poco permeabili a 4-5 km di profondità. Si parla in questo caso di geotermia profonda. È necessario prestare molta attenzione nell’utilizzo di queste tecniche in quanto vi è un certo
rischio di generare delle scosse sismiche. Ad esempio, a Basilea, nell’inverno 2006/2007, si sono verificate alcune scosse
durante l’esecuzione di un progetto che aveva lo scopo di realizzare un serbatoio geotermico artificiale creando delle fratture
nel granito a 5 km di profondità. Il progetto fu temporaneamente
bloccato, ma oggi diversi Paesi, tra cui la stessa Svizzera e gli
Stati Uniti, investono cifre consistenti nella ricerca volta allo
sfruttamento della geotermia profonda. Questi sistemi, chiamati
anche EGS (Enhanced Geothermal Systems) sembrano promettere risultati molto soddisfacenti. In particolare, permettendo
l’utilizzo dell’energia del terreno in qualsiasi punto sul pianeta,
rappresentano una tecnologia applicabile ovunque per approvvigionarsi di energia.
Il terreno visto come fonte
di energia rinnovabile
La geotermia rappresenta una fonte energetica rinnovabile se è
impiegata con attenzione, evitando errori di progettazione che
porterebbero altrimenti a un progressivo impoverimento della
sorgente, fino a renderla tecnicamente improduttiva.
impianti
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Nel confronto con le altre fonti rinnovabili, l’affidabilità e le prestazioni degli impianti geotermoelettrici sono le migliori. Infatti,
la fonte geotermica è disponibile in modo costante nel tempo,
durante l’intero arco dell’anno.
Nella ricerca di fonti per l’approvvigionamento di energia che
siano rinnovabili e sicure, in quanto non determinano una dipendenza da forniture straniere, soprattutto da Paesi politicamente instabili, è opportuno tenere in attenta considerazione la
geotermia.
Nello studio “The future of Geothermal Energy” del Massachusetts Institute of Technology, facendo riferimento alla situazione
degli Stati Uniti, si afferma che, per perseguire l’obiettivo di un
incremento degli approvvigionamenti energetici da fonti indigene e rinnovabili, è necessario rivalutare tutte le alternative, in
particolare quelle che sono ampiamente disponibili e ben distribuite sul territorio nazionale. Tra queste, un’opportunità
spesso trascurata è l’energia geotermica, prodotta sia con i sistemi convenzionali basati sullo sfruttamento di risorse idrotermiche, sia con i sistemi detti EGS. Questi ultimi sfruttano
l’energia che può essere estratta a una maggiore profondità (tra
i 3 e i 10 km) in qualsiasi punto della superficie della Terra.
In Italia la quantità di impianti alimentati da fonti rinnovabili,
utilizzati per la produzione di energia elettrica, è caratterizzata
da un trend di crescita annuale che continua a mantenersi a livelli molto elevati da diversi anni. Il numero di impianti geotermici destinati alla produzione di energia elettrica è invece
rimasto praticamente costante nel decennio 2000-2011, pur registrando un aumento della potenza complessivamente installata di circa il 23% nello stesso periodo, probabilmente grazie
a un ammodernamento tecnologico degli impianti. Nel 2011 in
Italia risultavano esistenti 33 impianti geotermoelettrici, per
una potenza di 772 MW, corrispondente al 2% della potenza dell’intero parco impianti a energia rinnovabile.
Per quanto riguarda la distribuzione geografica sul territorio
italiano, gli impianti sono concentrati nella regione Toscana,
nelle province di Pisa, Siena e Grosseto.
Rispetto agli altri Paesi UE, l’Italia è l’unico in cui la produzione
geotermoelettrica ricopre un ruolo rilevante nel mix di produzione rinnovabile, con oltre 5 TWh nel 2011.
Anche a livello mondiale, in base ai dati disponibili fino al 2009,
l’Italia si trova al terzo posto, dopo gli Stati Uniti e il Messico,
per la quantità di energia elettrica prodotta con questa fonte
(vedi grafico in alto).
Le applicazioni dirette
del calore del terreno
Tra gli utilizzi non elettrici della risorsa geotermica vi sono quelli
per la climatizzazione ambientale mediante pompe di calore, il
riscaldamento di serre, l’acquacoltura, il teleriscaldamento e
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Produzione geotermoelettrica nel mondo nel 2009 (Fonte: GSE).
gli impieghi industriali.
Fin dal 1938 una pompa di calore assicura il riscaldamento del
Municipio della città di Zurigo prelevando calore dal fiume Limmat che attraversa la città. Il nuovo Palazzo Lombardia a Milano
è climatizzato mediante pompe di calore ad acqua di falda.
Utilizzando pompe di calore è possibile realizzare anche impianti di teleriscaldamento, come quello della zona di Milano
Est denominato “Canavese”, costituito da pompe di calore ad
alta temperatura e di grande potenza che sfruttano l’energia
geotermica contenuta nell’acqua di falda.
A Ferrara, l’energia termica che alimenta il sistema di teleriscaldamento proviene oggi per il 41% da pozzi geotermici ed è
in fase di realizzazione un progetto con il quale si prevede di incrementare di un ulteriore 15,4% il contributo di questa fonte
(si veda box a pag. 77).
Anche per singoli edifici residenziali di dimensioni più contenute è possibile realizzare impianti di climatizzazione che utilizzano pompe di calore geotermiche.
Da qualche anno, infatti, le pompe di calore vengono spesso impiegate al posto delle caldaie nella climatizzazione di edifici.
Questi generatori si distinguono a seconda del fluido da cui assorbono calore e di quello a cui lo cedono per riscaldare l’ambiente interno. Quando il calore viene sottratto all’aria, all’acqua
o al terreno, ed è utilizzato per innalzare la temperatura dell’acqua di un impianto di riscaldamento, la pompa di calore sarà rispettivamente del tipo aria/acqua, acqua/acqua o terreno/acqua.
L’aria è la sorgente di calore più economica e facilmente raggiungibile ed è disponibile tutto l’anno per 24 ore al giorno. La
sua temperatura però è soggetta a continue variazioni nel corso
di una giornata e pertanto anche l’efficienza della pompa di calore varia piuttosto repentinamente.
Dal punto di vista termico, l’acqua di falda sarebbe conveniente
per l’alimentazione della pompa di calore in considerazione del
fatto che la temperatura del fluido è pressoché costante e vicina
a quella media annuale dell’aria della località, se non addirittura più elevata in alcuni casi. Nonostante ciò, le difficoltà burocratiche da superare per lo sfruttamento del fluido di falda
Sotto, scambiatore di calore realizzato con perforazione verticale
(Fonte: Geotherm S.r.l.).
In basso, scambiatore di calore realizzato con tubazioni installate orizzontalmente (Fonte: Geotherm S.r.l.).
ne scoraggiano spesso l’impiego, soprattutto nel caso di piccoli impianti. Pertanto, si sono
diffusi i sistemi di captazione del calore realizzati mediante uno scambiatore di calore a circuito chiuso, costituito da tubazioni inserite in trivellazioni che raggiungono una lunghezza
media di circa 100 metri l’una (vedi imm. sotto).
In altri casi le tubazioni sono posizionate orizzontalmente alla profondità di circa un metro
dalla superficie del terreno (vedi imm. in basso).
In questo modo vengono scongiurati i pericoli di inquinamento della falda, non essendoci
scambio di fluidi tra questa e lo scambiatore interrato.
In alcuni casi, per la realizzazione dello scambiatore si utilizzano le strutture che costituiscono le fondamenta di un edificio, quali ad esempio i pali, le pareti o le solette. All’interno
di queste strutture vengono inserite le tubazioni dello scambiatore, che sono poi annegate
nel cemento della struttura, e quindi collegate alla pompa di calore. La lunghezza di ciascun
tratto verticale può variare da qualche metro a una trentina di metri (vedi foto a pag. 76).
L’utilizzo del terreno come serbatoio di energia per una pompa di calore non è una novità in
alcuni Paesi: in Svizzera, solo nel corso del 2006, sono stati installati circa un milione di
metri di sonde geotermiche.
A livello mondiale, i Paesi con il maggior numero di impianti di climatizzazione con pompe
di calore geotermiche sono gli Stati Uniti, seguiti dalla Svezia, dalla Germania, dal Canada
e dalla Svizzera. In ambito europeo, nel 2009 si stimavano essere installati circa 900.000
impianti con pompe di calore geotermiche (vedi grafico a pag.
76).
La corretta progettazione di un impianto geotermico è estremamente importante, sia per garantirne il funzionamento per tutta
la durata dell’edificio da climatizzare, sia per non deludere le
aspettative di risparmio energetico da parte di chi ha effettuato
l’investimento in questa tecnologia.
È necessario ridurre il più possibile il fabbisogno di energia dell’involucro mediante un’accurata progettazione dell’isolamento.
Se l’impianto sarà utilizzato anche per la climatizzazione estiva,
sarà di fondamentale importanza ridurre il carico termico utilizzando opportune schermature e predisponendo dei sistemi
per la ventilazione. Tra gli obiettivi dei progettisti ci deve essere
quello di bilanciare l’energia prelevata dal terreno in inverno e
quella ceduta allo stesso durante l’estate, per evitare un progressivo impoverimento della risorsa termica. Lo scambiatore
geotermico deve essere accuratamente dimensionato, sia dal
punto di vista idraulico che geometrico. In particolare, la progettazione idraulica è fondamentale per evitare che si sviluppino perdite di carico eccessive con conseguente aumento dei
consumi elettrici per il pompaggio.
La determinazione del numero di sonde, della loro lunghezza e
del loro posizionamento nell’area destinata allo scambiatore
geotermico è fondamentale per evitare inaccettabili abbassamenti della temperatura del terreno.
Un sottodimensionamento dello scambiatore geotermico, dovuto a un’errata valutazione o a un tentativo di contenere i costi
dell’impianto, determina un funzionamento della pompa di calore caratterizzato da un COP più basso, consumi più elevati nei
primi anni e con potenziali interruzioni di funzionamento dopo
qualche anno di esercizio a causa della diminuzione di temperatura del terreno fino al suo possibile congelamento.
Il dimensionamento dello scambiatore va effettuato in modo
preciso e professionale, impiegando adeguati metodi di calcolo
e appositi software che consentano di determinare i parametri
dell’impianto utilizzando come dati di input fondamentali le caratteristiche termofisiche e idrogeologiche del terreno. Esiste la
possibilità, utilizzando software di simulazione, di valutare l’andamento della temperatura nel terreno nell’intorno delle sonde
geotermiche (vedi imm. in basso a pag. 76) e anche di prevedere il potenziale fenomeno chiamato solitamente “deriva termica”, costituito dalla diminuzione della temperatura del
terreno nel tempo.
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Riferimenti normativi riguardanti
la geotermia in Italia
Senza la presunzione di essere esaustivi, elenchiamo le principali disposizioni legislative che riguardano lo sfruttamento della
risorsa geotermica nel nostro Paese.
impianti
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Regio Decreto 29 luglio 1927, n. 1443 – “Norme di carattere legislativo per disciplinare la ricerca e la coltivazione delle miniere nel regno” G.U. 23 agosto 1927, n. 194.
D.P.R. 18 aprile 1994, n. 382 – “Disciplina dei procedimenti di
conferimento dei permessi di ricerca e di concessioni di coltivazione di giacimenti minerari di interesse nazionale e di interesse locale.”
Decreto Legislativo 11 febbraio 2010, n. 22 – “Riassetto della
normativa in materia di ricerca e coltivazione delle risorse geotermiche, a norma dell’articolo 27, comma 28, della legge 23
luglio 2009, n. 99”. In questo Decreto, tra l’altro, si definiscono
come “Piccole utilizzazioni locali di calore geotermico” anche
quelle effettuate mediante l’installazione di sonde geotermiche
che scambiano calore con il sottosuolo senza effettuare il prelievo e la reimmissione di acque calde o fluidi geotermici. In
questo caso è richiesto il rispetto della specifica disciplina emanata dalla regione competente. Inoltre, il decreto citato specifica che le utilizzazioni tramite sonde geotermiche sono escluse
dalle procedure regionali di verifica di assoggettabilità ambientale.
Sotto, da sinistra,
preparazione di un palo
geotermico mediante
una sonda elicoidale
Helix XXL di lunghezza
12 m con tubo PE-Xa;
vista interna di un palo
geotermico realizzato
con una sonda elicoidale
Helix XXL con tubo PEXa; inserimento del palo
(Fonte: Rehau S.p.A).
Numero di pompe
di calore installate
per Paese in Europa”.
Fonte dei dati: EurObserv’ER
- Observatoire des énergies renouvelables.
http://www.eurobserv-er.org/
Temperature in una sezione verticale del terreno in prossimità di
un campo di sonde geotermiche orizzontali. Funzionamento
estivo. Si nota la zona più calda in prossimità delle sonde. Valori
ottenuti mediante simulazione effettuata con software Fluent.
Fonte: Tesi di laurea, DIEG, Università degli Studi di Udine.
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Temperature in una sezione verticale del terreno in prossimità di
un campo di sonde geotermiche orizzontali. Funzionamento invernale. Si nota la zona più fredda in prossimità delle sonde. Valori ottenuti mediante simulazione effettuata con software Fluent.
Fonte: Tesi di laurea, DIEG, Università degli Studi di Udine.
Per quanto riguarda la sicurezza, citiamo:
• DPR 9 aprile 1959, n. 128 - “Norme di polizia delle miniere e
delle cave”.
• Decreto Legislativo 25 novembre 1996, n. 624 - “Attuazione
della direttiva 92/91/CEE relativa alla sicurezza e salute dei
lavoratori nelle industrie estrattive per trivellazione e della direttiva 92/104/CEE relativa alla sicurezza e salute dei lavoratori nelle industrie estrattive a cielo aperto o sotterranee”.
• Decreto Legislativo 9 aprile 2008, n. 81 - “Attuazione dell’articolo 1 della legge 3 agosto 2007, n. 123, in materia di
tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro.”
Per il dimensionamento degli impianti geotermici con pompe di
calore, nel mese di novembre 2012 sono state pubblicate le norme:
• UNI 11466:2012 “Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti per il dimensionamento e la progettazione”
• UNI 11467:2012 “Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti per l’installazione”
• UNI 11468:2012 “Sistemi geotermici a pompa di calore - Requisiti ambientali”.
È inoltre disponibile la norma tedesca VDI 4640.
Una metodologia analitica considerata tra le più sicure e affidabili per il dimensionamento delle sonde verticali è poi quella
proposta dall’ASHRAE.
La Specifica Tecnica UNI/TS 11300-4 prevede un metodo di calcolo per determinare il fabbisogno mensile dei vettori energetici
dei sottosistemi di generazione con pompe di calore per riscaldamento e/o produzione di acqua calda sanitaria. Questa valutazione è utile ai fini della determinazione del fabbisogno di
energia primaria per le verifiche richieste dal DLgs 192/2005 e
s.m. e i. e per la certificazione energetica degli edifici.
Per quanto riguarda contributi e sgravi fiscali per chi installa
pompe di calore geotermiche, a livello nazionale ricordiamo il
DM 6 agosto 2009, contenente disposizioni in materia di detrazioni fiscali per gli interventi di riqualificazione energetica del
patrimonio edilizio esistente. Tale decreto contempla tra i possibili interventi la sostituzione di impianti di climatizzazione esistenti con pompe di calore ad alta efficienza o con impianti
geotermici a bassa entalpia. L’installazione di impianti con
pompe di calore geotermiche è considerata anche nello schema
di decreto sul conto energia termico emanato l’8 novembre 2012.
Applicazione dell’energia geotermica
al teleriscaldamento: l’esempio di Ferrara
Quello di Ferrara potrebbe diventare uno dei sistemi di teleriscaldamento più “green” del
pianeta, grazie soprattutto alla geotermia. È questo uno dei principali obiettivi del progetto denominato “Polo Energie Rinnovabili”, predisposto dal Gruppo HERA S.p.A.
Il Progetto svilupperà la rete di teleriscaldamento nella zona est di Ferrara, incrementando il numero di appartamenti equivalenti serviti dagli attuali 22.000 a 37.500, ovvero circa il 40% degli alloggi della città.
Cuore della nuova articolazione del teleriscaldamento sarà appunto il “Polo delle Energie Rinnovabili”, il cui “motore verde” saranno i 2 nuovi pozzi di prelievo geotermici (più
uno di reimmissione), localizzati nella zona est della città. I pozzi potranno sviluppare
una potenza di 14 MWt (megawatt termici).
L’acqua calda dei pozzi potrà alimentare un’unità ORC (Ciclo Rankine Organico), in grado
di produrre energia elettrica, con una potenza netta di 250 kWe, durante i mesi in cui il
sistema di teleriscaldamento non sarà attivo.
Attualmente l’energia distribuita mediante la rete di teleriscaldamento è prodotta per il
41% da pozzi geotermici collocati in località Casaglia. Con il nuovo Polo, il mix di fonti
ad alimentazione della rete (che peraltro avrà raddoppiato la propria portata) sarà ancora più sbilanciato a favore delle rinnovabili: il 56,4% proverrà dalla geotermia, il
34,3% dal termovalorizzatore grazie alla valorizzazione a fini energetici dei rifiuti e delle
biomasse agricole, lo 0,3% dal solare termico e solo il 9% dal gas metano, unica fonte
non rinnovabile.
Vista l’unicità del sistema in termini di applicazioni innovative a livello italiano, il “Polo
Energie Rinnovabili” è stato annoverato tra le “Best Practices” dei progetti “Geopower”
e “SDH Take-off”. Il primo è un progetto della durata di 2 anni, finanziato dal Programma
Interreg IV C e basato sullo scambio di buone prassi in materia di geotermia a bassa entalpia. Il secondo è invece un progetto in ambito Intelligent Energy Europe (IEE) che vede
la collaborazione di associazioni e imprese dei settori del teleriscaldamento e del solare
termico, le cui azioni sono finalizzate ad analizzare e migliorare le condizioni del teleriscaldamento solare e a trasferire know-how e cooperazione fra gli attori nel mercato a
livello europeo.
Inoltre, in virtù dei benefici attesi e delle soluzioni innovative che rappresenterebbero il
primo esempio di applicazione in Italia, il progetto “Polo Energie Rinnovabili” ha ottenuto il certificato di merito all’interno dell’“International District Energy Climate Awards
2011”, la cui premiazione si è svolta a Parigi il 9 Maggio 2011.
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Bibliografia
M. H. Dickson, M. Fanelli, Che cos’è l’energia geotermica?, Istituto di Geoscienze
e Georisorse, CNR, Pisa, Italy.
AA.VV., Rapporto statistico 2011 – Impianti a fonti rinnovabili, GSE.
AA.VV., Geotermoelettrico – Rapporto statistico 2009, GSE.
AA.VV.,The future of Geothermal Energy, Massachusetts Institute of Technology.
F. Michio, “Geotermico: è facile sbagliare”, in Casa & Clima, n. 29, 2011
AA.VV., “Terra o aria?”, in Aicarr Journal, n. 15, 2012.
M. De Carli, M. Donà, A. Calgaro, A. Zarrella, “Pompe di calore geotermiche, prestazioni energetiche e costi”, in Aicarr Journal, n. 15, 2012.
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