Sistemas Geotérmicos Superficiais Aplicações em Edifícios e Infraestruturas Sistemas Geotérmicos no Campus da Universidade de Aveiro José Lapa (Professor Auxiliar) Claudino Cardoso (Pró-Reitor) António Figueiredo (Investigador Pós-Doc)
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.
A utilização das energias renováveis 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 m 2 em 66 edifícios Total de 16659 utilizadores (em 2013) ipark Crasto Santiago
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.
Geotermia de muito baixa entalpia aplicada à climatização de edifícios 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 superfície na climatização de edifícios (GEO-TABS) PONTOS FORTES (+) Fonte térmica inesgotável e com permutação a velocidades interessantes mas dependendo das propriedades de 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 de aquecimento e arrefecimento; (+) Elevada eficiência energética e baixa emissão de CO2; (+) Não está condicionada pelas condições meteorológicas; (+) Período aceitável para retorno do investimento.
Geotermia de superfície na climatização de edifícios (GEO-TABS) 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.
Aplicação de solução com geotermia para climatização de edifícios SIGLA DESIGNAÇÃO CONSTRUÇÃO LOCAL ENTIDADE ESSUA Escola Superior de Saúde (2 edifícios) 2011 Campus de Crasto Universidade de Aveiro Implantação 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) 3564 3 7660 40990 612800 383000 Número das BC 4 para geotermia COP (coeficiente de desempenho) Estacas termoativadas Furos geotérmicos Outros dispositivos das BC 4,3 147 estacas de 600 22 furos 150mm mm com 8m de prof com permutadores permutadores verticais duplos em verticais em U de U de 32 mm 32 mm em com 150m prof em polietileno polietileno CICFANO Complexo Interdisciplinar de Ciências Físicas Aplicadas a Nanotecnologia e Oceanografia 2012 Campus de Santiago Universidade de Aveiro 1600 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 ESAN Escola Superior Aveiro Norte 2013 Santiago de Riba-Ul Câmara de Oliveira de Azeméis 4170 1 4088 24200 327040 204400 4 Geotermia 4,3 34 furos 150mm Paineis solares térmicos com permutadores verticais em U de 40 mm com 150m prof em polietileno ECOCRR Edifício das Comunicações Óticas, Comunicações Rádio e Robótica 2014 Campus de Santiago Universidade de Aveiro 2954 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 Santiago Universidade de Aveiro 1600 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 Paineis solares térmicos com permutadores verticais em U de 40 mm com 130m prof em polietileno
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO N Campus de Santiago
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO CICFANO Complexo Interdisciplinar de Ciências Físicas Aplicadas a Nanotecnologia e Oceanografia (CICFANO).
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO 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
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO
Aplicação de solução com biotermia para climatização do edifício CICFANO 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 21 o C e 25 o C, 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 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 das solução com geotermia+biotermia para climatização do edifício 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 Gestão automática de todo o edifício com um computador pessoal
Aplicação das solução com geotermia+biotermia para climatização do CICFANO Instrumentação do edifício (não inclui o solo) para recolha selecionada de dados TH03 TH02 TH04 TH01 TH05 34 TP sem PCM 33 TP com PCM 32 TP exterior 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 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 00:00 Temperatura ( C) Tempo (dias) Além dessa recolha contínua, é feita periodicamente recolha manual de dados sobre comportamento térmico, pontes térmicas, qualidade e conforto dos utilizadores.
Estudos de comportamento térmico
Estudos de simulação termodinâmica Envelope solutions U wall = 0.464 W/(m 2.K) U roof = 0.379 W/(m 2.K) U floor = 1.224 W/(m 2.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 U w, installed = 2.4 W/(m 2.K) G value = 0.75 [-] Interior windows U w, installed = 3.5 W/(m 2.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.
Sistema inicialmente projetado com tecnologia AVAC+Gás
Sistema implementado BioGeoTABS (fase aquecimento)
Sistema implementado BioGeoTABS (fase arrefecimento)
Tabela comparativa (energia e emissão de CO 2 ) Coeficientes de conversão (com eficiência nominal unitária): Consumo marginal - Electricidade 0,29 kgep/kwh Consumo médio - Gás Natural 0,086 kgep/kwh
Comparação de custos e período de retorno
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
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 m 2 de área climatizada, será perto de 1 M.
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.
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.
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.
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.
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.
Aposta energética Monitorizações Monitorização de consumos Edifício CCCI Monitorização térmica Estanquidade da envolvente
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
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 CO 2 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
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
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
MUITO OBRIGADO Apoio do Projeto FCT PTDC/ECM-GEO/0728/2014 José Lapa Claudino Cardoso António Figueiredo