Sistemas Geotérmicos no Campus da Universidade de Aveiro · ORDEM DOS ENGENHEIROS -Sistemas Geotérmicos Superficiais –Aplicações em Edifícios e InfraestruturasAção de Divulgação

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



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.



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



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.



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



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.



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)



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


Aveiro2954 1 2240 9230 179200 112000

1 Geotermia

4,3


CCCI

Complexo das Ciências da

Comunicação e Imagem


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


Paineis solares térmicos



Aplicação de solução com geotermia para climatização do edifício CICFANO

Campus de Santiago

N




Complexo Interdisciplinar de Ciências Físicas Aplicadas a Nanotecnologia e Oceanografia (CICFANO).

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.
















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



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



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 edifício



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



Estudos de comportamento térmico



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.



Sistema inicialmente projetado com tecnologia AVAC+Gás



Sistema implementado BioGeoTABS (fase aquecimento)



Sistema implementado BioGeoTABS (fase arrefecimento)



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



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 m2 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.




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.




ESAN

Cercal,

Oliveira de

Azeméis

34 furos ∅ 150mm com

permutadores verticais em “U”

de ∅ 40 mm com 150m prof em

polietileno. 4 BC.




ECORR

Campus de Santiago

Aveiro




polietileno. 1 BC.




CCCI

Campus de Santiago

Aveiro




polietileno + 3 estacas de ∅ 600

mm com 10m de profundidade

com permutadores verticais em

“U” de ∅ 25 mm em polietileno

para investigação. 1 BC.



Edifício CCCI

Estanquidade da

envolvente

Monitorização de

consumos

Monitorização

térmica

Aposta energética – Monitorizações




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 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



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



José Lapa

Claudino Cardoso

António Figueiredo

MUITO OBRIGADO

Apoio do Projeto FCT

PTDC/ECM-GEO/0728/2014

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