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Energía

Frescura que viene del subsuelo

Un sistema geotérmico puede sustituir al aire acondicionado en la climatización de ambientes con una potencial disminución de gastos con energía eléctrica

Esqueleto de un pilote de fundación con los ductos del sistema geotérmico de climatización en construcción en la USP de São Carlos

Thaise Morais

El uso de la energía térmica presente en el subsuelo para la climatización de ambientes posee el potencial de reducir significativamente el gasto que genera el uso de sistemas de aire acondicionado en edificios comerciales, apartamentos y casas. La climatización por geotermia superficial es ampliamente utilizada en los países de clima templado, principalmente en Europa, Estados Unidos, Japón y Canadá, y ahora será probada por primera vez en las condiciones de suelo y clima de Brasil. El experimento se llevará a cabo en el Cics Living Lab, el edificio laboratorio que el Centro de Innovación en Construcción Sostenible (Cics) de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP) está construyendo en el campus de la Ciudad Universitaria, en la zona oeste de la ciudad de São Paulo.

“En Brasil, el aire acondicionado representa, por término medio, entre el 40 % y el 50 % del gasto en energía de un edificio comercial y alrededor del 20 % al 25 % en una vivienda, a lo largo del año. La climatización geotérmica puede reducir ese consumo, economizando recursos y con menor impacto ambiental”, dice el ingeniero mecánico Alberto Hernandez Neto, del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Poli-USP.

Un estudio realizado en 2018 por la Empresa de Investigación Energética, que presta servicios para Ministerio de Minería y Energía (MME), reveló que el consumo eléctrico residencial derivado solamente del uso de acondicionadores de aire llegó a ser de 18,7 teravatios-hora (TWh) en 2017. Esta cifra equivale al total de la energía solar fotovoltaica generada en el país en 2021 y podría llegar a los 48,5 TWh en 2035, según el mismo trabajo.

Para el sistema geotérmico de climatización que será probado en el Cics Living Lab se utilizarán pilotes de fundación intercambiadores de calor. En el mismo circula un fluido –agua, por ejemplo– por las tuberías instaladas en el interior de las columnas que constituyen los cimientos del edificio, promoviendo el intercambio de calor entre el ambiente interno de la construcción y el subsuelo. “El funcionamiento del sistema se basa en la diferencia de temperatura entre las dos partes”, explica la ingeniera civil  Cristina de Hollanda Cavalcanti Tsuha, del Departamento de Geotécnica de la Escuela de Ingeniería de São Carlos (Eesc) de la USP, responsable del proyecto dedicado a evaluar esta tecnología en el estado de São Paulo. La investigación contó con el respaldo de la FAPESP.

Durante el verano, las temperaturas en la ciudad de São Paulo suelen superar los 30 grados Celsius (ºC). A unos pocos metros de profundidad, el suelo mantiene una temperatura constante durante todo el año, similar al promedio anual de temperatura ambiente del lugar. En la zona donde se encuentra la USP, la temperatura del subsuelo ronda los 23 ºC.

La energía térmica se transmite por medio de una bomba geotérmica de calor que realiza el intercambio de calor entre el medio subterráneo y los distintos ambientes del edificio (véase la infografía). Gracias a este dispositivo, puede lograrse una refrigeración (o la calefacción) eficiente de los ambientes. “Se trata de un ciclo de refrigeración similar al de una heladera hogareña”, compara Hernandez Neto. “La diferencia radica en que la bomba de calor geotérmica puede ser reversible, refrigerando o calentando el ambiente interior”, Según el ingeniero, una bomba de calor consume un 40 % menos de energía que un equipo aire acondicionado convencional.

Tiago Cadorso

En los países de clima templado, esa doble función del sistema (calefacción y refrigeración) permiten utilizarlo tanto en verano como en invierno, aprovechando el calor subterráneo para climatizar los ambientes de los edificios. De esta forma, se promueve un reequilibrio periódico de la temperatura del subsuelo donde están instalados los cimientos.

En un país con clima tropical como Brasil, donde la calefacción invernal no es habitual, aún no se conoce el impacto a largo plazo del uso de este sistema a demanda única sobre la temperatura del subsuelo, es decir, en una situación en la que solamente se rechaza calor desde el ambiente externo hacia el subsuelo para refrigerar el edificio. Según Tsuha, el rechazo permanente de calor hacia el subsuelo aumentará su temperatura, lo que reduciría la eficiencia del sistema de climatización geotérmico con el paso del tiempo.

Los investigadores pretenden utilizar el experimento del Cics Living Lab para evaluar ese posible impacto en el subsuelo y averiguar las maneras de evitarlo. Una posibilidad consiste en instalar el sistema en todos los pilotes de fundación del edificio, pero promoviendo el intercambio de calor en forma alternada: un año en los pilotes de un lado del edificio y, el año siguiente, en las columnas de fundación del lado opuesto. Otra alternativa es extraer el exceso de calor en el subsuelo para calentar el agua que se utiliza en las duchas o para el lavado de la ropa y los utensilios.

El experimento en el Cics Living Lab también servirá para evaluar si los ciclos de calefacción y refrigeración podrían afectar el comportamiento de los cimientos del edificio con el paso del tiempo. Un estudio inicial con este propósito fue el tema de la tesis doctoral de la ingeniera civil Thaise da Silva Oliveira Morais, bajo la supervisión de Tsuha en la Eesc-USP. La tesis obtuvo el Premio Costa Nunes de la Asociación Brasileña de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotérmica para el bienio 2018-2019.

“La imposición de ciclos térmicos [rechazo y extracción de energía térmica] provoca la dilatación y contracción de los pilotes. En los experimentos que se realizaron en el marco de la tesis, teniendo en cuenta el perfil tropical del suelo en la ciudad de São Carlos, y solo el rechazo de calor hacia el subsuelo [por la demanda térmica de refrigeración], no advertimos un impacto significativo en la respuesta mecánica de esas estructuras”, especifica Morais. “Pero se necesita evaluar la respuesta de las columnas de fundación luego de un mayor número de ciclos de calefacción y refrigeración, además de considerar también diferentes demandas térmicas”.

El sistema de climatización geotérmica también puede utilizarse en el retrofit (reacondicionamiento) de edificios antiguos. En estos casos, los ductos necesarios para el intercambio de calor pueden instalarse en perforaciones realizadas en el terreno del inmueble. Según Hernandez Neto, en un retrofit, el costo para equipar con aire acondicionado central a un edificio de 20 plantas se estima que ronda entre 2 y 2,5 millones de reales. La instalación de un sistema de bomba de calor y tuberías externas al edificio, en perforaciones de hasta 100 m, costaría alrededor de 2 millones de reales. El beneficio se obtiene con el ahorro de energía eléctrica en el curso de la vida útil del edificio.

El Cics Living Lab será inaugurado en 2023. El predio también se utilizará para homologar tecnologías innovadoras en diversas etapas del proceso constructivo, como el uso de barras con nuevas aleaciones de acero y hormigón de alto rendimiento elaborado para atenuar las emisiones de dióxido de carbono hacia la atmósfera.

El aprovechamiento de la energía térmica subterránea es una práctica antigua. La primera central geotérmica se construyó en Italia, en 1904. Estas instalaciones capturan agua caliente o vapor, provenientes del magma del interior de la Tierra, para mover turbinas que accionan generadores y producen energía eléctrica. Solamente las regiones volcánicas o aquellas donde hay géiseres tienen potencial para aprovechar este tipo de energía. Unos 25 países poseen centrales geotérmicas destinadas a producir electricidad, entre ellos Islandia, Estados Unidos, Japón y Nueva Zelanda.

En tanto, la energía geotérmica superficial, disponible en cualquier lugar y que se utiliza para calefaccionar o refrigerar ambientes, ha sido explotada desde la década 1950. La climatización geotérmica por medio de los pilotes de fundación se remonta a la década de 1980, en Austria. Hoy en día, miles de edificaciones en todo el mundo, incluyendo viviendas y edificios comerciales están equipadas con este sistema.

Una de las construcciones más emblemáticas es la sede de Google en Mountain View (California – EE. UU.), un campus de 75.000 metros cuadrados (m2) que alberga tres edificios. Son 4.000 pilotes que llegan a una profundidad de 24 m, de los cuales 2.500 se utilizan en el sistema geotérmico. En Brasil, Tsuha y Hernandez Neto esperan que las viviendas, los hoteles, los hospitales y los edificios comerciales sean los usuarios principales del sistema.

Proyecto
Evaluación del comportamiento termomecánico de una fundación por pilote intercambiador de calor en una zona de clima subtropical (nº 14/14496-0); Modalidad Ayuda de Investigación – Regular; Investigadora responsable Cristina de Hollanda Cavalcanti Tsuha (USP); Inversión R$ 76.975,02

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