ORDEM DOS ENGENHEIROS - Sistemas Geotérmicos Superficiais – Aplicações em Edifícios e Infraestruturas
Ação de Divulgação - Auditório da Sede Nacional da Ordem dos Engenheiros, Lisboa - 30 de março de 2017
Sistemas Geotérmicos Superficiais
Aplicações em Edifícios e Infraestruturas
José Lapa (Professor Auxiliar)
Claudino Cardoso (Pró-Reitor)
António Figueiredo (Investigador Pós-Doc)
Sistemas Geotérmicos no Campus da
Universidade de Aveiro
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A utilização das energias renováveis
Um dos objetivos estratégicos da Universidade de Aveiro, é a criação de condições
de sustentabilidade do desenvolvimento físico dos seus campi universitários, nos
domínios da gestão de utilização, supervisão e controle remoto de consumos de
equipamentos, eficiência hídrica e essencialmente da eficiência energética.
As ações integradas na resposta a um programa
governamental em 2008, designado por “Campus
Exemplar”, desencadeou um mais vasto leque de
outras ações na procura da sustentabilidade
do desenvolvimento físico da UA.
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Uma das ações mais importantes, foi a procura de soluções de climatização dos
vários edifícios projetados para construção nos anos subsequentes ao primeiro
conjunto de ações, que permitissem uma maior eficiência energética em
alternativa às soluções tradicionalmente utilizadas, associadas a um elevado
consumo energético e com encargos ambientais negativos.
Campus universitário de Santiago – 73 ha
Campus universitário do Crasto – 19 ha
iPark – 35 ha (em construção)
Cerca de 252.000 m2 em 66 edifícios
Total de 16659 utilizadores (em 2013)
A utilização das energias renováveis
Santiago
Crasto
iPark
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Edifícios com sistemas de estruturas termoativas (TABS)
Utilização da inércia
térmica da grande massa
condutora de lajes de betão
armado para aquecer ou
refrigerar os edificios,
através de permutadores
térmicos constituídos por
rede de tubagens que é
instalada no interior
daqueles elementos
estruturais e que efetuam a
transferência de calor entre
uma fonte exterior de
energia renovável e o
edifício, através de bombas
de calor reversível.
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Uma das fontes de energia renovável mais
próxima dos edifícios é obviamente o solo,
cuja temperatura a uma pequena
profundidade já não depende dos agentes
atmosféricos, permanecendo no nosso país
a uma temperatura estável entre 16 e 19 ºC
logo a pequena profundidade de cerca de 1
metro, aumentando cerca de 1 ºC em cada
30m de profundidade.
Neste sistema, os permutadores que são
semelhantes aos das lajes no edifício
podem integrar elementos estruturais
enterrados como as estacas, muros de
caves ou pavimentos térreos ou por
sondas em furos geotérmicos a maiores
profundidades, para a troca energética com
o solo.
Geotermia de muito baixa entalpia aplicada à climatização de edifícios
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Geotermia de superfície na climatização de edifícios (GEO-TABS)
PONTOS FORTES
(+) Fonte térmica inesgotável e com permutação avelocidades interessantes mas dependendo das propriedadesde transmissão térmica do solo e da percentagem de água;
(+) Proximidade da fonte;
(+) Possibilidade de utilização de fundações para permuta,baixando o custo da aquisição do calor;
(+) Bastante fiável e boa resposta às alterações entre fases deaquecimento e arrefecimento;
(+) Elevada eficiência energética e baixa emissão de CO2;
(+) Não está condicionada pelas condições meteorológicas;
(+) Período aceitável para retorno do investimento.
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PONTOS FRACOS
(-) Investimento inicial;
(-) Na ausência de fundações profundas em número e
comprimento suficientes, tornam-se necessários furos com
grande profundidade;
(-) Com a maior profundidade de fundações e
essencialmente com os furos geotérmicos, correspondem
maiores consumos de energia elétrica das bombas de calor;
(-) Rendimento dependente da condutibilidade do solo e da
existência de águas freáticas;
(-) Necessidade de controle dos circuitos secundários;
(-) Pouca apetência para alterações bruscas da temperatura
ambiente;
(-) Possíveis alterações das propriedades do solo.
Geotermia de superfície na climatização de edifícios (GEO-TABS)
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Aplicação de solução com geotermia para climatização de edifícios
SIGLA DESIGNAÇÃO CONSTRUÇÃO LOCAL ENTIDADEImplantação do
edifício (m2)Numero de
pisos incl. R/C
Area climatizada
(m2)
Volumetria a climatizar
(m3)
Energia anual para
Aquecimento (kWh)
Energia anual para
Arrefecimento (kWh)
Número das BC
COP (coeficiente de desempenho)
das BCEstacas termoativadas Furos geotérmicos Outros dispositivos
ESSUAEscola Superior de Saúde (2 edifícios)
2011 Campus de Crasto Universidade de
Aveiro3564 3 7660 40990 612800 383000
4 para geotermia
4,3
147 estacas de ∅ 600 mm com 8m de prof permutadores verticais em “U” de ∅32 mm em polietileno
22 furos ∅ 150mm com permutadores verticais duplos em “U” de ∅ 32 mm com 150m prof em polietileno
CICFANO
Complexo Interdisciplinar de
Ciências Físicas Aplicadas a
Nanotecnologia e Oceanografia
2012 Campus de SantiagoUniversidade de
Aveiro1600 3 3560 17600 284800 178000
1 para geotermia e
1 para biotermia
4,3
55 estacas de ∅ 600 mm e 30 estacas ∅400 mm, com 10m de profundidade com permutadores verticais em “U” de ∅25 mm em polietileno
Biotermia de efluentes das águas residuais em permutador ∅ 350 mm sob pressão com caudal 84 l/s a temperaturas médias de 21ºC a 25ºC, com 32 m de extensão. Potência instalada de 74,3 kW em aquecimento e 121,9 kW em arrefecimento
ESANEscola Superior
Aveiro Norte 2013 Santiago de Riba-Ul
Câmara de Oliveira de Azeméis
4170 1 4088 24200 327040 2044004
Geotermia4,3
34 furos ∅ 150mm com permutadores verticais em “U” de ∅ 40 mm com 150m prof em polietileno
Paineis solares térmicos
ECOCRR
Edifício das Comunicações
Óticas, Comunicações Rádio
e Robótica
2014 Campus de SantiagoUniversidade de
Aveiro2954 1 2240 9230 179200 112000
1 Geotermia
4,3
22 furos ∅ 150mm com permutadores verticais em “U” de ∅ 40 mm com 120m prof em polietileno
CCCI
Complexo das Ciências da
Comunicação e Imagem
2016 Campus de SantiagoUniversidade de
Aveiro1600 3 3300 19770 264000 165000
1 Geotermia
4,3
3 estacas de ∅ 600 mm com 10m de profundidade com permutadores verticais em “U” de ∅25 mm em polietileno para investigação
42 furos ∅ 160mm com permutadores verticais em “U” de ∅ 40 mm com 130m prof em polietileno
Paineis solares térmicos
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
Campus de Santiago
N
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
Complexo Interdisciplinar de Ciências Físicas Aplicadas a Nanotecnologia e Oceanografia (CICFANO).
CICFANO
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Solução geotérmica:
55 estacas termoativas ∅ 600 mm e 30 estacas
termoativas ∅ 400 mm com 10 m.
Necessidade energética para climatização:
Estimaram-se as necessidades do edifício, em 134 kWh
em aquecimento e de 152 kWh em arrefecimento.
Satisfação das necessidades:
Dada a limitação da profundidade das estacas até ao
estrato de argilito a cerca de 9 m, a solução apenas
conseguia a satisfação de cerca de 75% em
aquecimento e 60% em arrefecimento.
Necessidades e custo do complemento em furos:
Seriam necessários mais 12 furos geotérmicos com
150m de profundidade ou alternativa em solução
biotérmica de utilização de energia dos esgotos
domésticos.
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
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Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
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Fonte térmica complementar (em alternativa a furos verticais):
Permutador de aço inoxidável de ∅ 350 mm em bypass de emissário sob pressão com caudal de 84 l/s
de efluente a temperatura média entre 21oC e 25oC, com 32 m de comprimento, com 3 tubos de
permutação para potência instalada para aquecimento de 74,3 kWh e para refrigeração de 121,9 kWh.
Utilização dos mesmos princípios da geotermia de profundidade e perfeita complementaridade.
Aplicação de solução com biotermia para climatização do edifício CICFANO
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Instalação do permutador de 32m em bypass do emissário, junto do edifício da Reitoria da UA
e ligação ao edifício CICFANO em 2 tubos PE ∅90mm PN10
Aplicação de solução com biotermia para climatização do edifício CICFANO
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Produção e gestão de todo o edifício concentrada numa sala de 20 m2
Resultado na gestão ocupacional do edifício: Cerca de 580 m2 de área útil
disponível, relativamente à solução inicial do projeto com AVAC+Gás !
Aplicação das solução com geotermia+biotermia para climatização do edifício
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Gestão automática de todo o edifício com um computador pessoal
Aplicação das solução com geotermia+biotermia para climatização do edifício
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Instrumentação do edifício (não inclui o solo) para recolha selecionada de dados
Além dessa recolha contínua, é feita periodicamente recolha manual de dados sobre
comportamento térmico, pontes térmicas, qualidade e conforto dos utilizadores.
TH03
TH04
TH05
TH02
TH01
10111213141516171819202122232425262728293031323334
02/08/2013 00:00 07/08/2013 00:00 12/08/2013 00:00 17/08/2013 00:00 22/08/2013 00:00 27/08/2013 00:00 01/09/2013 00:00 06/09/2013 00:00 11/09/2013 00:00Te
mp
erat
ura
(°C
)Tempo (dias)
TP sem PCM
TP com PCM
TP exterior
Aplicação das solução com geotermia+biotermia para climatização do CICFANO
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Estudos de comportamento térmico
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Estudos de simulação termodinâmica
Envelope solutions Uwall = 0.464 W/(m2.K)
Uroof = 0.379 W/(m2.K)
Ufloor = 1.224 W/(m2.K)
Air Change per Hour ACH = Between 1.5h-1 to 3.5h-1
Internal gains Without internal gains during the monitoring data collect
Exterior windows Uw, installed = 2.4 W/(m2.K) G value = 0.75 [-]
Interior windows Uw, installed = 3.5 W/(m2.K) G value = 0.85 [-]
Simulação multizona com o Energyplus
com validação do modelo numérico com
dados reais. Verificação do comportamento
térmico para várias soluções construtivas e
equipamentos, com otimização das
mesmas.
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Sistema inicialmente projetado com tecnologia AVAC+Gás
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Sistema implementado BioGeoTABS (fase aquecimento)
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Sistema implementado BioGeoTABS (fase arrefecimento)
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Tabela comparativa (energia e emissão de CO2)
Coeficientes de conversão (com eficiência nominal unitária):
Consumo marginal - Electricidade 0,29 kgep/kWh
Consumo médio - Gás Natural 0,086 kgep/kWh
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Comparação de custos e período de retorno
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Comparação de custos e período de retorno
Primeiro contrato de empreitada 03/01/2011
Suspensão da empreitada 30/06/2011
Segundo contrato de empreitada 07/11/2011
Conclusão dos trabalhos 03/09/2012
Receção provisória 19/09/2012
Adjudicação primeira empreitada com solução de AVAC+Gás 3.786.541,15 €
Montante executado na primeira empreitada 61.346,54 €
Valor da climatização convencional na primeira proposta 471.558,35 € (13%)
Adjudicação segunda empreitada com TABS e geotermia+biotermia 3.549.000,00 €
Balanço final da empreitada - 44.208,88 €
Valor final da climatização com TABS e geotermia+biotermia 620.301,4 € (17%)
Valor final da construção do edifício com equipamentos 3.566.137,66 €
Custo unitário por área 790 € / m2
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Conclusões sobre consumos e condições financeiras
Cerca de 45% de redução de consumo energético em aquecimento (da
estimativa inicial)
Cerca de 70% de redução de consumo energético em arrefecimento (da
estimativa inicial)
Período de retorno expectável após primeiros anos de utilização: 6 a 7 anos
Total de poupança prevista em climatização num período pós retorno até
aos 25 anos de vida útil (18 anos), incluindo manutenção, em 4 edifícios dos
seus campi, com 16.760 m2 de área climatizada, será perto de 1 M€.
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Aposta energética – Parque geotérmico
CICFANO
Campus de Santiago
Aveiro
55 estacas de ∅ 600 mm e 30
estacas ∅ 400 mm, com 10m de
profundidade com permutadores
verticais em “U” de ∅ 25 mm em
polietileno + Permutador de
águas residuais ∅ 350 mm sob
pressão com caudal 84 l/s a
temperaturas médias de 21ºC a
25ºC, com 32 m de extensão x 3
tubos de permutação ∅ 50 mm.
2 BC.
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Aposta energética – Parque geotérmico
ESSUA
Campus do Crasto
Aveiro
147 estacas de ∅ 600 mm com
8m de prof, c/ permutadores
verticais em “U” de ∅ 32 mm em
polietileno + 22 furos ∅ 150mm
com permutadores verticais
duplos em “U” de ∅ 32 mm com
150m prof. em polietileno. 4 BC.
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Aposta energética – Parque geotérmico
ESAN
Cercal,
Oliveira de
Azeméis
34 furos ∅ 150mm com
permutadores verticais em “U”
de ∅ 40 mm com 150m prof em
polietileno. 4 BC.
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Aposta energética – Parque geotérmico
ECORR
Campus de Santiago
Aveiro
22 furos ∅ 150mm com
permutadores verticais em “U”
de ∅ 40 mm com 120m prof em
polietileno. 1 BC.
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Aposta energética – Parque geotérmico
CCCI
Campus de Santiago
Aveiro
42 furos ∅ 160mm com
permutadores verticais em “U”
de ∅ 40 mm com 130m prof em
polietileno + 3 estacas de ∅ 600
mm com 10m de profundidade
com permutadores verticais em
“U” de ∅ 25 mm em polietileno
para investigação. 1 BC.
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Edifício CCCI
Estanquidade da
envolvente
Monitorização de
consumos
Monitorização
térmica
Aposta energética – Monitorizações
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Aposta energética – Parque geotérmico
Edifícios nos 2 campi UA – 4
Área climatizada – 16.760 m2
Volume climatizado – 87.590 m3
Energia anual instalada:
Aquecimento – 1,34 GWh
Arrefecimento – 0,84 GWh
Total – 2,18 GWh
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Learning points (+)
a) Enorme potencial deste tipo de tecnologia
b) Períodos curtos de retorno de investimento: 5 a 7 anos
c) Reduções até cerca de 70% de emissões de CO2
d) Reduções até cerca de 60% de custo energético
e) Redução até cerca de 70% de despesas de manutenção
f) Possibilidades de otimização das soluções por aprendizagem
g) Possibilidades de adoção de técnicas suplementares para melhorar o
comportamento e a eficiência da solução
h) Baixas flutuações da temperatura ambiente
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Learning points (+)
i) Bom conforto térmico dos utilizadores
j) Possibilidade de utilização simultânea de diferentes fontes térmicas
k) Automatização viável da gestão, embora com algumas condicionantes pelos
utilizadores
l) Redução de áreas de construção relativamente a outras soluções
m) Tecnologia de fácil execução e aprendizagem
n) Interesse manifestado pela utilização de energias renováveis de baixa
manutenção
o) Possibilidade de utilização de tecnologias similares em reabilitação e
reconstrução do edificado
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Learning points (-)
a) Dependência das condições passivas do edifício
b) Dependência das condições de ventilação do edifício
c) Pouca apetência para resolução de pontes térmicas em fase de arrefecimento
d) Dificuldades de acerto de programação nas mudanças de estações ou súbitas variações
de temperatura exterior
e) Situações de condensação interior nalguns tipos de revestimentos
f) Diferenças de comportamento na utilização da solução em lajes aligeiradas
relativamente à utilização em lajes maciças, com difusões diferenciais nas faces
g) Pouca flexibilidade da solução executada originando projeto cuidadoso dos circuitos
secundários
h) Dificuldade de dissipação em estacas curtas dependendo dos circuitos primários
i) Dificuldades legais na classificação energética
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José Lapa
Claudino Cardoso
António Figueiredo
MUITO OBRIGADO
Apoio do Projeto FCT
PTDC/ECM-GEO/0728/2014
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