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Pratica di Certificazione energetica e Acustica in edilizia

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Concetti e spunti applicativi

Relatore: Ing. Ignazio Termine Master Division Vaillant

Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

Impianti con pompe di calore geotermiche: elementi di analisi e dimensionamento.

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Impianti con pompe di calore geotermiche: elementi di analisi e dimensionamento

Pompe di calore geoTHERM

Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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LA MACCHINA

Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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4 Pompe di calore geoTHERM - introduzione Cos’è una pompa di calore? La pompa di calore è una macchina che permette di trasferire il calore dall’ambiente, all’impianto di riscaldamento di una abitazione. A questo proposito, essa sfrutta l'energia termica (solare) a bassa temperatura, contenuta nel terreno e nell'acqua di falda, portandola ad un livello di temperatura adeguato per il riscaldamento e l’acqua calda sanitaria. A tale scopo le pompe di calore operano secondo un ciclo frigorifero che contiene un fluido frigorigeno basso-bollente.

Perché la pompa di calore è un’idea intelligente? La pompa di calore non brucia combustibile fossile, ma sfrutta il calore già disponibile nell’ambiente: calore gratuito, pulito e inesauribile.

Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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5 Pompe di calore geoTHERM – il ciclo termodinamico Il processo termodinamico della pompa di calore a compressione si basa sul principio di un fluido circolante in un anello chiuso sottoposto a quattro distinte fasi: - Assorbimento di calore (1) da parte del fluido dall’ambiente circostante durante l’evaporazione (75%) - Compressione (2) del fluido allo stato di vapore ad una pressione e temperatura superiori (25%) - Trasferimento del calore (3) assorbito dal fluido all’ambiente circostante nella fase di condensazione - Espansione (4) del fluido allo stato di liquido alla pressione/temperatura di inizio del processo (diminuzione della pressione e temperatura)

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6 Pompe di calore geoTHERM – il ciclo termodinamico e i componenti del circuito frigorifero Evaporatore/ condensatore

Surriscaldatore

Pressostati

Scroll Compressor

Valvola d’espansione

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7 Pompe di calore geoTHERM – il ciclo termodinamico Coefficiente di rendimento Il coefficiente di rendimento ε indica il rapporto tra potenza termica erogata e potenza elettrica assorbita (senza ausiliari). Esso indica un assorbimento istantaneo in condizioni predefinite (ad es. B0/ W35). Viene, spesso, chiamato anche COP (Coefficient of Performance) e dipende dalle temperature di evaporazione e di condensazione e dalla qualità intrinseca della macchina.

– 25% di energia dal compressore – 75% di energia dall’ambiente Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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8 Pompe di calore geoTHERM – il ciclo termodinamico Coefficiente di rendimento Il coefficiente di rendimento può essere calcolato in base alla differenza di temperatura. In linea di principio vale: quanto maggiore è la temperatura della fonte di calore e quanto minore è la temperatura dell’impianto di sfruttamento del calore, tanto più economica diventa la gestione della pompa di calore.

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9 Pompe di calore geoTHERM – il ciclo termodinamico

Rif. Milton Generelli, SUPSI-LEEE, Daniel Pahud, SUPSI-LEEE

Coefficiente di rendimento

Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

Porre sempre attenzione ai consumi elettrici degli ausiliari!!

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10 Pompe di calore geoTHERM - risparmio sugli altri tipi di combustibile

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11 Pompe di calore geoTHERM – l’analisi dei costi

Risparmio ulteriore sulla manutenzione (pulizia del bruciatore, canna fumaria, ecc..)

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12 Pompe di calore geoTHERM – il dimensionamento della pompa di calore Il funzionamento di una pompa termica è possibile in tre diversi modi,

MONOVALENTE T mandata < 60°C BIVALENTE PARALLELO T mandata > 60°C BIVALENTE ALTERNATIVO

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13 Pompe di calore geoTHERM – il dimensionamento della pompa di calore Dimensionamento della pompa di calore (fonte Casa Clima) Classe

Fabbisogno di Calore

Classe A

≤ 30 kWh/m2 anno

Classe B

≤ 50 kWh/m2 anno

B0/W35

Classe C

≤ 70 kWh/m2 anno

W10/W35

Classe D

≤ 90 kWh/m2 anno

Classe E

≤ 120 kWh/m2 anno

Classe F

≤ 160 kWh/m2 anno

Classe G

≥ 160 kWh/m2 anno

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14 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; il dimensionamento della pompa di calore In fase di offerta o progettazione di impianti in essere si possono definire dei valori di rendimento al metro quadrato di superficie da riscaldare ricavati dalla tabella di riferimento riportata di seguito.

La potenza della pompa di calore viene scelta in base alla sola potenza termica necessaria per il riscaldamento dellâ&#x20AC;&#x2122;edificio.

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15 Pompe di calore geoTHERM – il dimensionamento della pompa di calore Dimensionamento della pompa di calore, scelta di potenza (sorgente termica suolo) Esempio: – Area netta da riscaldare = 144 m2 – Potenza termica necessaria = 50 W/m2 – 4 persone (0,5 kW/persona) Potenza totale necessaria in riscaldamento = 50 * 144 = 7,2 kW

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LA SORGENTE

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17 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Generalità La funzione della pompa di calore in definitiva è quella di rendere utilizzabili tutti gli accumuli di calore naturali a bassa temperatura - pompandoli - ad un livello di temperatura superiore così che siano impiegabili per il riscaldamento degli ambienti. Le principali sorgenti naturali sono: - la terra - l’acqua di falda - l’energia solare - l’aria - il calore di recupero La terra e l’acqua garantiscono la costanza di temperatura della sorgente e quindi del COP. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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18 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; la sorgente termica Dimensionamento della sorgente di calore La potenza della sorgente di calore viene scelta in base alla potenza termica necessaria per il riscaldamento e al supplemento per la produzione dâ&#x20AC;&#x2122;acqua calda sanitaria. Alla somma di queste due voci deve essere sottratta la potenza elettrica del compressore!

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19 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Dimensionamento della sorgente di calore, scelta della potenza Esempio: – Area netta da riscaldare = 144 m2 – Potenza termica necessaria = 50 W/m2 – 4 persone (0,5 kW/persona) Potenza totale necessaria in riscaldamento = 50 * 144 = 7,2 kW Potenza termica della macchina = 7,2 kW Potenza elettrica del compressore = 1,6 kW (COP = 4,4) Potenza della sorgente di calore = 7,2 + (4*0,5) – 1,6 = 7,6kW

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20 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – la sonda verticale da suolo La sonda di terra è particolarmente indicata per le piccole superfici in cui, per motivi di spazio, non è possibile installare un collettore di terra. 1. profondità almeno 1 m e inclinazione verso le sonde 5. diametro foro di trivellazione circa 115 – 200 mm 6. distanza dalle fondamenta almeno 4-5 m 6. distanza dalle altre tubazioni di acqua, di acque reflue o tubazioni di alimentazioni varie almeno 0,7 m NOTE: - Verificare i m2 liberi disponibili per i lavori di trivellazione - Profondità massima della perforazione 100 m - Distanza minima fra due perforazioni 8-10 m (per evitare effetti di esaurimento di medio-lungo periodo). - All'occorrenza la lunghezza della sonda può essere suddivisa su più perforazioni: a parità di lunghezza del tubo della miscela incongelabile, si riduce la profondità di perforazione. - Le sonde di terra vengono inserite verticalmente nel foro di perforazione.

La sonda verticale da suolo garantisce grande stabilità della temperatura della sorgente (COP). Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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21 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – la sonda verticale da suolo Potenza estraibile Un impianto geotermico con sonda di terra deve essere progettato e realizzato conformemente alla norma VDI 4640 (sfruttamento termico del sottosuolo), secondo gli attuali standard tecnici e nel rispetto delle disposizioni in materia. Principi fondamentali Per le pompe di calore collegate al terreno è importante che il sottosuolo abbia una buona conduttività termica, affinché il calore del terreno possa raggiungere facilmente il collettore. La capacita di trasporto del calore nell'ambito stazionario si può esprimere con la conduttività termica λ (unita di misura = W / m K). La profondità delle sonde di terra, di norma, varia da 30 a 100 m. Un eventuale sottodimensionamento delle sonde di terra può causare temperature troppo basse della miscela incongelabile. A lungo termine la temperatura della miscela incongelabile può dunque diminuire da un periodi di riscaldamento all'altro.

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22 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – la sonda verticale da suolo Calcolo della lunghezza di scavo: Potenza termica necessaria W ----------------------------------------------- = Profondità di scavo Potenza termica del terreno W/m Esercizio: calcolo della lunghezza della perforazione Dimensionare la sonda geotermica di un futuro proprietario di casa: - Area netta da riscaldare = 144 m2 - Potenza termica necessaria = 50 W/m2 - 4 persone Potenza totale necessaria in riscaldamento = 50 * 144 = 7,2 kW Potenza d’estrazione = 7,2 + (4*0,5) – 1,6 = 7,6kW (geotermia) Geologia locale: 3 W/(mK), ossia 50W/m per 2400 ore/anno Calcolo delle lunghezza della sonda : ⇒ 7600 W / 50 W/m = 152 m Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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23 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – la sonda verticale da suolo Esercizio: calcolo del consumo elettrico Dimensionare la sonda geotermica di un futuro proprietario di casa: – Fabbisogno energetico in riscaldamento = 69 kWh/m2/a – Fabbisogno energetico totale in riscaldamento = 144 m2 * 69 kWh/m2/a = 9936kWh/anno – Fabbisogno energetico totale in sanitario = 4 pers. * 830 kWh/pers./anno = 3320 kWh/anno

Calcolo del consumo elettrico: 1/4 dell’energia complessiva arriva dal compressore ⇒ (13256kWh/4) * 0.18€/kWh elettrico = ~600€

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24 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – la sonda verticale da suolo Potenza estraibile: impianti non compresi dalla VDI 4640 Per impianti di potenza >30kWth , o comunque non riconducibili alla VDI 4640, si deve ricorrere alla simulazione numerica per determinare il numero e la profondità dei pozzi sorgente. La simulazione numerica può aiutare a risolvere i più delicati problemi di dimensionamento, in particolare se l‘influenza dell‘acqua di falda deve essere considerata. Per ottenere i parametri termici di input dei programmi di simulazione, è stato sviluppato il Test di Risposta Termica. Stratigrafia e cartografia nazionale/regionale sono metodi meno accurati.

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25 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; la sorgente termica Il terreno come sorgente termica â&#x20AC;&#x201C; la sonda verticale da suolo Potenza estraibile: impianti non compresi dalla VDI 4640

Il Test di Risposta Termica consente di ottenere: - la conduttivitĂ  termica del terreno (W/m,K) - la resistenza termica del complesso sonda K/(W/m) Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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26 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica Il terreno come sorgente termica – il collettore da suolo orizzontale Il collettore di terra consiste in un sistema di tubazioni che vengono posate su una superficie estesa, ca. 20 cm sotto il limite di gelo. Il sistema di tubazioni viene posato a 1,2-1,5 m di profondità. Qui il terreno è caratterizzato da una temperatura relativamente costante di 5-15°C per tutto l'anno. La temperatura della sorgente è meno stabile. Con il collettore orizzontale da prato si lavora nei primi metri di sottosuolo, pertanto diventa fondamentale l’apporto di calore dell’acqua piovana (percolazione) e del sole (irraggiamento solare). Il collettore è particolarmente indicato per le case costruite su una superficie piuttosto estesa. La capacita di sottrazione di calore dipende dalle caratteristiche del terreno. Più il terreno è umido, più la capacita aumenta. 1. 0,5 m distanza dal bordo esterno delle fronde degli alberi 2. 1,2 m – 1,5 m profondità tipica di posa 3. 1,5 m distanza dalle tubazioni di acqua sanitaria, acque reflue e acque piovane 4. 1,5 m distanza dalle fondazioni dell’edificio 5. 1 m distanza dalle fondazioni di recinzioni e simili. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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27 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica L’acqua di falda come sorgente termica – i sistemi aperti

Per l’impiego dell’acqua sotterranea occorre considerare: - la disponibilità locale - temperatura e quantità - approvazione della autorità - il grado di durezza - gli effetti della corrosione L’acqua del sottosuolo dal punto di vista tecnico è la più idonea all’impiego come sorgente primaria per la pompa di calore, infatti l’acqua ha un elevato calore specifico (capacità di trasportare calore) e la temperatura dell’acqua freatica è praticamente costante tutto l’anno ed ha un valore minimo di circa 8-10°C . Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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28 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica L’acqua di falda come sorgente termica – legislazione D.Lgs n. 152 del 11 maggio 1999 - Disposizioni sulla tutela delle acque dall'inquinamento e recepimento della direttiva 91/271/Cee concernente il trattamento delle acque reflue urbane e della direttiva 91/676/Cee relativa alla protezione delle acque dall'inquinamento provocato dai nitrati provenienti da fonti agricole. (Pubblicato sul Supplemento Ordinario n. 101/L alla Gazzetta Ufficiale n. 124 del 29 maggio 1999) ……………

– Articolo 30 - Scarichi nel sottosuolo e nelle acque sotterranee 1. È vietato lo scarico diretto nelle acque sotterranee e nel sottosuolo. 2. In deroga a quanto previsto al comma 1 l'autorità competente, dopo indagine preventiva, può autorizzare gli scarichi nella stessa falda delle acque utilizzate per scopi geotermici, delle acque di infiltrazione di miniere o cave o delle acque pompate nel corso di determinati lavori di ingegneria civile, ivi comprese quelle degli impianti di scambio termico.

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29 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica L’acqua di falda come sorgente termica – i sistemi aperti

4. La profondità massima dell’acqua sotterranea non dovrebbe superare i 15-20 m perché l’utilizzo sia economicamente conveniente 5. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 6. Posa delle tubazioni con inclinazione verso il pozzo alla profondità esente da gelo di circa 1,0-1,5 m 8. Distanza della pompa ad immersione dal fondo del pozzo almeno di 50-70cm 11. Distanza min. dal pozzo 15 m Se non sono disponibili dati certi sul tipo e lo stato della falda acquifera occorre effettuare una prova di estrazione di 48-72 h ad una portata di 240l/h per ogni kW installato; questo per verificare che la falda freatica non sia di tipo piovano.

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30 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica L’acqua di falda come sorgente termica – qualità dell’acqua sotterranea

Il fattore determinante che influenza maggiormente la durata di un pozzo è il fenomeno dell'infiltrazione d'ocra. Con il termine infiltrazione d' ocra si intende il deposito di composti di ferro e di manganese insolubili. La tabella sopra elenca il campo di valori ammessi per la qualità dell’acqua sotterranea da considerarsi idonea all’uso con un impianto a pompa di calore. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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31 Pompe di calore geoTHERM – la sorgente termica L’acqua di falda come sorgente termica – qualità dell’acqua non idonea In caso la composizione chimica non rispetti i valori da specifica occorre inserire uno scambiatore in acciaio inox fra l’acqua freatica e la pompa di calore. Occorre inoltre imporre sul pozzo di scarico un diametro di almeno 200mm. L'installazione di uno scambiatore termico intermedio non impedisce il deposito di sporco, ma in caso di congelamento di tale scambiatore termico la pompa non subisce danni. Questa separazione del sistema riduce leggermente il coefficiente di lavoro (temperatura della miscela incongelabile in ingresso nella pompa di calore inferiore di ca. 3°C rispetto al funzionamento diretto con ac qua di falda nonché pompa supplementare per miscela incongelabile), ma la sicurezza d'impiego e decisamente maggiore.

Se non sono disponibili dati certi sul tipo e lo stato della falda acquifera occorre effettuare una prova di estrazione di 4872 h ad una portata di 240l/h per ogni kW installato; questo per verificare che la falda freatica non sia di tipo piovano.

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LA REGOLAZIONE IMPIANTISTICA

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33 Pompe di calore geoTHERM – la regolazione impiantistica Regolazione in funzione della temperatura di mandata per impianti con grande capacità di accumulo – collegamento diretto

Sul circuito dell’impianto di riscaldamento si sconsiglia di montare valvole miscelatrici di regolazione o valvole di zona su tutto l’impianto poiché il condensatore deve sempre avere la portata totale del fluido in circolazione onde garantire l’evacuazione continua del calore. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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34 Pompe di calore geoTHERM – la regolazione impiantistica Regolazione in funzione della temperatura di mandata per impianti con grande capacità di accumulo – collegamento indiretto (es. impianti con intercettazioni di zona)

Il contenuto di acqua dell’accumulo a tampone dipende dalla potenza della pompa di calore e deve essere pari a circa 25-30lt/kW installato. Con un dimensionamento sufficientemente grande dell’accumulo a tampone si riducono fortemente le difficoltà idrauliche del sistema (si riducono gli avviamenti del compressore  + vita compressore, - consumi). Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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35 Pompe di calore geoTHERM – la regolazione impiantistica Regolazione per l’acqua calda sanitaria

Boiler tradizionale

Stazione di carica sanitaria

Stazione di carica

Se si utilizzano bollitori tradizionali o stazioni di carica, si deve garantire sempre una superficie di scambio pari ad almeno: – scambiatore tubolare: area 0,30 m2/kW, ∆T=6K, coeff. 400…600W/(m2K) – scambiatore a piastre: area 0,15 m2/kW, ∆T 6K, coeff. 800…1200W/(m2K) La temperatura massima dell’acqua sanitaria al prelievo è di 50-52°C. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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36 Pompe di calore geoTHERM – la regolazione impiantistica Raffrescamento naturale (- 2/3°C ambiente) –installazione facile –nessuna pompa di calore particolare –rigenerazione complementare del terreno –bassi costi di funzionamento: compressore spento durante il raffrescamento

Siccome l’acqua freatica ed il terreno sono nella maggior parte dei casi più freddi in estate rispetto alla temperatura dell’ambiente è possibile raffrescare (-2/3°C ambiente) un locale tramite ventilconvettori o il riscaldamento a pavimento. Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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ESEMPI DI SCHEMI Dâ&#x20AC;&#x2122;IMPIANTO

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38 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; schemi idraulici

Sonde verticali + pompa di calore solo riscaldamento + bollitore a doppia camicia per il sanitario + impianto senza intercettazioni di zona Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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39 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; schemi idraulici

Sonde verticali + pompa di calore solo riscaldamento + accumulo tampone + stazione sanitaria + impianto con intercettazioni di zona + solare termico Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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40 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; schemi idraulici

Sonde verticali + pompa di calore solo riscaldamento + accumulo tampone + stazione sanitaria + impianto con intercettazioni di zona + raffrescamento passivo + solare termico Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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41 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; schemi idraulici

Acqua di falda + pompa di calore solo riscaldamento + caldaia + bollitori bivalenti per il sanitario + sistema solare + accumulo tampone + impianto con intercettazioni di zona + raffrescamento passivo Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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42 Pompe di calore geoTHERM â&#x20AC;&#x201C; schemi idraulici

Acqua di falda + pompe di calore alta potenza in cascata + accumuli tampone per il sanitario + stazione sanitaria + accumuli tampone + impianto con intercettazioni di zona + raffrescamento passivo Auditorium Pascoli, 14 dicembre 2010

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