60 SOSTENIBILIDAD Energía geotérmica en la cimentación: Pilotes termoactivos LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN Pilotes en edificaciones. Se integran tubos para la captación de energía geotérmica en los pilotes. Cortesía Rehau noticreto 118 mayo / junio 2013 61 sostenibilidad La cimentación termoactiva es una tecnología aplicable a los elementos de las estructuras de concreto armado en las cimentaciones especiales, (pilotes, pantallas y losas), utilizada para obtener energía para climatización de edificios utilizando el calor del subsuelo. Estas cimentaciones aprovechan la temperatura del terreno para aumentar el rendimiento de las bombas de calor geotérmicas (BCG). Tales bombas funcionan bajo dos modalidades fundamentales: en modo calefacción, donde el calor del subsuelo se transfiere al edificio, y en modo refrigeración que, a la inversa, elimina el calor generado en el edificio y lo conduce al subsuelo. En estas estructuras de concreto armado, el intercambio geotérmico se puede realizar por medio de un circuito cerrado instalado en las armaduras de la cimentación. El circuito cerrado está formado por tubos de PEAD “sondas geotérmicas”, a través de los cuales circula agua o agua con anticongelante, produciendo un intercambio de calor entre el fluido y el terreno. El líquido se conduce a una BCG y la energía que se genera es suficiente para la climatización completa de un edificio. Los desarrollos de esta generación de energía geotérmica asociada a las cimentaciones se están utilizando en España y otros países para proyectar y ejecutar instalaciones de ahorro y aprovechamiento energético. Ante la necesidad de disponer de procedimientos para la ejecución de pilotes y pantallas termoactivas y su caracterización térmica se hace necesario realizar una serie de pruebas en obra, con la finalidad de verificar el comportamiento térmico de los dos tipos mencionados de cimentación termoactiva. Estructura de refuerzo LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN edificación y el abastecimiento de agua caliente y sanitaria, de pilotes con tubos para pero deja la puerta abierta a otras energías renovables y a la captación de energía otras alternativas de ahorro energético, entre las cuales cageotérmica. Cortesía Rehau Esquema de funcionamiento de los pilotes termoactivos. Energía geotérmica En España, el Código Técnico de la Edificación (CTE), DB-HE Ahorro de Energía exige la aplicación mínima de energías térmicas renovables (solar y fotovoltaica) para la Tomada de Pilotes y pantallas termoactivas: Proceso constructivo y caracterización térmica ben las instalaciones para el aprovechamiento de energía geotérmica. Al margen de la energía geotérmica procedente de volcanes y aguas termales, la energía geotérmica de muy baja entalpía (T < 25 °C) se fundamenta en la capacidad que tienen el suelo y subsuelo para acumular el calor del sol, manteniendo su temperatura constante a lo largo del año, a partir de determinada profundidad. Una instalación geotérmica es, por lo tanto, una fuente de energía renovable sostenible y limpia. Pilote Armadura Tubos Intercambiadores de calor 5 3 4 2 1 1 1 noticreto 118 mayo / junio 2013 1. Pilotes Intercambiadores 2. Conexiones horizontales 3. Colector 4. Conducto principal 5. Bomba de calor 62 SOSTENIBILIDAD En regiones de España donde se efectúan valiosos estudios al respecto, la temperatura del subsuelo comienza a tener cierta estabilidad a partir de 5 m de profundidad, con independencia de las condiciones meteorológicas exteriores. A partir de los 15 m la temperatura se equilibra en torno a los 17 °C, fluctuando cada vez menos con la profundidad y aumentando en función del gradiente geotérmico. La consiguiente estabilidad térmica supone que en verano el subsuelo esté considerablemente más fresco que el ambiente exterior y en invierno tenga una temperatura mayor que la intemperie. Tipos de pilotes termoactivos Los pilotes termoactivos se definen como una cimentación profunda (función resistente) con la capacidad de realizar intercambio geotérmico (función térmica) con el subsuelo y el agua subterránea. Frente a las cimentaciones termoactivas se han desarrollado dos líneas de actuación, clasificadas según el procedimiento constructivo de los pilotes termoactivos: • Pilote termoactivo vaciado in situ. • Pilote termoactivo prefabricado hincado. Ensayos Comparación de ensayos realizados a pilotes termoactivos fundidos en sitio y prefabricados hincados. Tomada de Pilotes y pantallas termoactivas: Proceso constructivo y caracterización térmica En España, los ensayos con pilote vaciado in situ se realizaron en el Edificio Departamental de las Facultades de Psicología y Ciencias Sociales en el Campus de Tarongers de la Universidad de Valencia. En cuanto al pilote termoactivo prefabricado hincado, las pruebas se desarrollaron en dos etapas: en la primera se fabricaron 8 pilotes de sección cuadrada y en la segunda se hincaron cuatro de estos pilotes en un lote del Polígono Industrial Ibaiondo, en Hernani. A continuación se presenta una comparación entre los ensayos realizados a pilotes termoactivos fundidos in situ y prefabricados hincados: PILOTE TERMOACTIVO VACIADO “IN SITU” PILOTE TERMOACTIVO PREFABRICADO HINCADO 1. PROCESO CONSTRUCTIVO LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO Litogia: Gravas y arenas con intercalaciones de niveles limo-arcillosos con arenas Nivel Freático: -5,50 m Calidad del agua: Débilmente agresiva por sulfatos (Qa) Litogia: Depósitos aluviales finos, limosos arenosos, y gruesos, gravas y bolos Nivel freático: -5,00 m Calidad del agua: No agresiva CARACTERÍSTICAS DEL PILOTE Tipo de pilote: Hormigonado in situ Perforacion: Barrena Helicoidal Diámetro perforación: 620 mm Profundidad de perforación: 24 m Armadura: 2 tramos de 12 m, con solape de 1 m Sondas geotérmicas: 2 sondas de 32 x 2,9 mm Profundidad efectiva de transmicion de calor: 23 m Introducción de la armadura: Vibrador Tipo de Pilote: Prefabricado de sección cuadrada Sección: 300 x 300 mm Longitud: 12 m Armadura: 1 tramo de 12 m , con Azuche y Zuncho Sondas geotérmicas por pilote: 1 sonda de 32 x 2,9 mm Pilotes hincados: 4 Pilotes ensayados: 3 pilotes de los 4 hincados Profundidad efectiva de transmisión de calos: 3 x 11,5 = 34,5 m Distancia en centros de pilote: 1 m 2. CARACTERIZACIÓN TÉRMICA ENSAYO 1: INYECCIÓN ENSAYO 1: INYECCIÓN Flujo de agua inyectado: 0, 3 m3/h Salto térmico mantenido: 3 °C Potencia inyectada: 1.391,63 W Potencia inyectada por metros de pilote: 60,50 W/m Tiempo de ensayo: 126 horas Flujo de agua inyectado: 0, 6 m3/h Salto térmico mantenido: 3 °C Potencia inyectada: 2.087,45 W Potencia inyectada por metros de pilote: 60,49 W/m Tiempo de ensayo: 69,5 horas ENSAYO 2: INYECCIÓN ENSAYO 2: INYECCIÓN Flujo de agua inyectado: 0, 6 m /h Salto térmico mantenido: 3 °C Potencia inyectada: 2.087,45 W Potencia inyectada por metros de pilote: 90,75 W/m Tiempo de ensayo: 71,20 horas Flujo de agua inyectado: 0, 3 m3/h Salto térmico mantenido: 3 °C Potencia inyectada: 1.045,00 W Potencia inyectada por metros de pilote: 30,28 W/m Tiempo de ensayo: 63,5 horas 3 3. CONCLUSIONES DEL ENSAYO El pilote es capaz de absorber la potencia de 60 W/m de una manera satisfactoria a lo largo de un pulso sostenido de inyección de mas de 4 dias , obteniéndose unas temperaturas de trabajo en un rango inferior a 30 °C , muy satisfactorios para el rendimiento de un sistema basado en bombas de calor. Para una potencia inyectada de 90 W/m las temperaturas obtenidas muestran una más rápida saturación térmica del pilote, por lo que se obtienen unas temperaturas de trabajo de bomba de calor menos eficientes. En la tipología de pilotes prefabricados, como tienen poca profundidad efectiva (unos 12 m), el intercambio de calor se ve condicionado por la evolución de la temperatura ambiente. La selección de los ratios de potencia inyectada para cada ensayo se ha realizado con los siguientes criterios: - 60 W/m en condiciones de temperatura ambiente favorable ”modo refrigeracíon” (inyección). El ensayo ha demsotrado que el pilote es capaz de absorber los 60 W/m inyectados. - 30 W/m en condiciones de temperatura ambiente desfavorable ”modo calefacción” (extracción). En el ensayo de extracción tampoco se ha observado saturación térmica del terreno para una potencia de 30 W/m. noticreto 118 mayo / junio 2013 En las pruebas ambos tipos de pilotes obtuvieron resultados muy positivos. Lógicamente, en algo se resiente la eficiencia energética de la energía geotérmica cuando la profundidad de las sondas es moderada y, por lo tanto, es mayor la exposición a las variaciones externas de la temperatura del subsuelo. Sin embargo, es posible incrementar la superficie de captación utilizando las perforaciones de la cimentación del edificio. LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN GRÚAS Y EQUIPOS Ensayos realizados a los pilotes vaciados en sitio en la Universidad de Valencia. Cortesía Energesis 64 SOSTENIBILIDAD Hay un inconveniente atribuible a los aprovechamientos geotérmicos, que son las grandes inversiones iniciales en infraestructura e instalaciones, en comparación con otros métodos. Esta desventaja puede compensarse si desde el proyecto tenemos en cuenta que la función de los cimientos no se limita a sustentar el edificio, sino que también pueden ser elementos intercambiadores de calor con el terreno. Un buen ejemplo de ello es el centro comercial Atrium de Villach. Se encuentra ubicado en Austria y ha merecido varios reconocimientos nacionales e internacionales, entre ellos el Energy Globe Award y el Premio Trigos para la ecología pues, además de reducir considerablemente (en 50%) el consumo energético, también evita emitir a la atmósfera cada año 500 toneladas de dióxido de carbono. Bibliografía Centro Comercial Atrium de Villach, en Austria, cuya cimentación está compuesta por pilotes y pantallas termoactivas. © Thomas Jantscher LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN noticreto 118 mayo / junio 2013 • Pilotes y pantallas termoactivas. Proceso constructivo y caracterización térmica. Alberto Mazariegos, Luis Carlos Antón, Rodrigo Valle, Javier Urchueguia, Salvador Quilis, Salvador Martínez y Teresa Magraner. • http://content.yudu.com/Library/A1g0u0/RevistaNoticias123/ resources/28.htm • http://www.greenbarcelona.com/2013/03/las-cimentacionestermoactivas.html • http://www.tgcom24.mediaset.it/green/articoli/1067094/ shopping-center-eco-grazie-al-calore-della-terra.shtml. LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN