domingo, 21 de octubre de 2012

Estudio de Factibilidad para la instalación de un sistema de captación geotérmica empleando la cimentación y estructura de contención

A petición de un arquitecto, se ha preparado este estudio de factibilidad a fin de conocer, de una forma preliminar, el potencial para la explotación de la energía geotérmica superficial renovable, en la climatización del edificio de Investigaciones en un Parque Tecnológico de Madrid. 

En nuestra propuesta está previsto el uso de los elementos de cimentación y contención de tierras (estructuras de hormigón) que están en contacto directo con el terreno y, actúan como eficientes intercambiadores de calor. Como fuente de calor en el invierno y de enfriamiento en el verano, aprovechando la temperatura natural del terreno, sin prejuicio a emplear otro tipo de captadores (verticales /horizontales), si así fuese necesario.

Las cimentaciones activas, desde el punto de vista energético, y otras estructuras geotécnicas termo-activas, incorporan tecnologías innovadoras que contribuyen a la protección del medioambiente, proporcionando importantes ahorros en los siguientes aspectos:

a. Recursos energéticos, 
b. Emisiones de CO2, 
c. Recursos económicos a mediano y largo plazo.

Desde el punto de vista de ejecución, solo es necesaria la instalación de conducciones (rellenas de fluidos adecuados para la transmisión térmica) en los elementos estructurales convencionales de cimentación y sostenimiento, como por ejemplo: 

a. Pilas, 
b. Pilotes, 
c. Muros pantalla, 
d. Muros de sótano, 
e. Losas, 
f. Túneles. 

Elementos que forman el circuito primario de un sistema energético de aprovechamiento geotérmico.

Como parte de las actividades necesarias para la elaboración de este estudio, se ha analizado, la información suministrada por el cliente respecto a las propiedades geológicas, hidrogeologías, geotécnicas y geotérmicas del solar donde se realizará la construcción de un edificio.  Todo ello, con el objeto de establecer de una forma preliminar, la capacidad de aprovechamiento geotérmico de las estructuras consideradas. 



Objetivos del Estudio


  1. Recopilar información básica disponible de carácter geológico, hidrogeológico, geotécnico y geotérmico,
  2. Valorar de modo cuantitativo el aporte energético de las estructuras subterráneas para el proyecto de climatización y agua sanitaria,
  3. Definir las actividades necesarias para realizar un proyecto para el aprovechamiento geotérmico de las estructuras de cimentación y contención del terreno del proyecto.


Datos de Partida


Emplazamiento


Emplazamiento - Fuente Google Maps


Los linderos de la parcela son:

  • Al Noroeste, con la calle Punto Com, por la que tiene acceso,
  • El resto de linderos son parcelas sin edificar. aspecto muy importante a la hora de proyectar el aprovechamiento geotérmico. Para utilizar los muros de sótano como intercambiadores.

Estructura


Según los datos facilitados por el cliente, se prevee la construcción de dos y tres plantas sobre la rasante de la calle de acceso y dos plantas de sótano, la primera ocupará toda la planta del edificio, se construirá aprovechando un desnivel de 4,0 m  respecto a la calle de acceso, y coincidirá con la rasante de aparcamiento del edificio ya construido y la segunda planta de sótano ocupará sólo la mitad sureste del edificio. El proyecto cubre una superficie de 2342m2 y un perímetro de 222m, aproximadamente.  


Geología


 La zona de estudio está situada en el sector centro-oriental de la cuenca del Tajo; es un relieve poco accidentado donde se destaca una zona central con elevaciones más suaves que dejan entre sí amplios valles, y un sector sureste donde la topografía es más abrupta con cotas que oscilan entre 926 y 600 m.

Mapa Geológico de la zona de estudio

La red fluvial principal es la correspondiente al río Henares, siendo éste la única arteria importante y permanente; el resto de la red está formada por apoyos de circulación intermitente que son tributarios del surco principal, tales como el Torote y Camarilla.

Desde el punto de vista geológico, la zona se sitúa en la cuenca meso – terciaria del Tajo, en la zona de transición de las facies continentales neógenas, del borde al centro de la cuenca del Tajo, durante el neógeno, se realiza en condiciones endorreicas, estableciéndose un sistema de aportes alimentado en los bordes por abanicos aluviales que se continúan en unas facies complejas de transición. Este relleno tiene una gran variedad litológica, correspondiente a las diferentes composiciones de las áreas fuertes y a la diferente ubicación de sistemas deposicionales que normalmente son múltiples. Sobre estos terrenos terciarios se instala la red hidrológica actual, que se encaja progresivamente en sucesivos episodio de incisión, ensanche y relleno, dando lugar a un conjunto de terrazas escalonadas y glacis.

En la zona de estudio se pueden diferenciar dos dominios:

Uno constituido por materiales neógenos formados por una alternancia irregular de arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o arenas arcósicas, conglomerados cuarcíticos con matriz arcósica, fangos arcillo – limosos o lutitas con arenas en tonos pardo – rojizos; se intercalan algunos niveles, de espesor decimétrico, de areniscas calcáreas y de origen palustre – edáfico; en la base son abundantes los niveles con granulometría más gruesa en los que dominan los cantos de cuarcita, las arena son, normalmente, gruesas a medias y en ocasiones muy gruesas y sub angulosas con un contenido entre un 6 – 20 % de limo – arcilla, la fracción arcillosa de los fangos está formada por ilita y caolinita.

El otro dominio está constituido por materiales cuaternarios; los materiales más resientes, pleistocenos y holocenos, están ampliamente representados en extensión superficial aunque con espesores reducidos si se comparan con las series neógenas aflorantes; la formaciones superficiales mejor representadas por depósitos aluviales son la secuencia de terrazas que se extienden por la margen izquierda del río Henares; también son importantes los depósitos de acumulación de los glacis impuestos al pie del Páramo.


Leyenda del Mapa Geológico

30. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas, nódulos de carbonatos y costras calizas. (Terrazas de los ríos Henares y Jarama).
36. Gravas y cantos poligénicos, arenas, arenas arcillosas y fangos. (Conos de deyección)
39. Gravas y cantos poligénicos, arenas y arenas limo – arcillosas. (Llanuras de inundación)


Hidrogeología


Desde el punto de vista hidrogeológico, la zona donde se encuentra el solar está compuesta a nivel superficial por aluviones y terrazas ajas, arenas, limos y gravas, permeables (Cuaternario), en profundidad se localizan arcillas, con niveles margosos y arenosos bien estratificados (Terciario – Mioceno – inf – medio). La profundidad del nivel freático se encuentra entre 3 y 6 m a partir de la superficie actual del terreno .

Mapa Hidrogeológico de la zona de estudio


Geotecnia


La zona de estudio presenta condiciones constructivas favorables, sin embargo, pueden existir problemas de tipo geomorfológico, hidrogeológico y geotécnico.

Mapa Geotécnico de la zona de estudio


En el informe geotécnico realizado para la parcela, se describen las siguientes unidades geotécnicas:

  • La superior (Capa A): son materiales de relleno antrópico formados por arenas limosas con escombro y restos de grava y gravilla. Aparece en toda la parcela excepto en el lindero con el edificio existente, coincidente con la cota topográfica más baja. Se extiende desde la superficie original del solar y su espesor oscila de 1,0 hasta 2,0 m coincidente con las zonas más elevadas (linderos noreste y sureste),
  • La intermedia (Capa B): son arenas limosas no plásticas del Cuaternario.  Aparece subyacente a la capa A, su espesor es variante entre 1,0 y 1,30m desapareciendo en la zona suroeste,
  • La inferior (Capa C): correspondiente a limos de baja y alta plasticidad del Mioceno, cuyo espesor supera los 13 m por debajo de la Capa B.

Leyenda del Mapa Geotécnico



Estimación del potencial de aprovechamiento geotérmico


La parcela se encuentra situada en un estrato areno arcilloso de permeabilidad variable, con buena capacidad portante, y deformaciones variables según el tipo de carga y tipología de cimentación. 

La elección de la tipología de la cimentación o solución geotécnica, depende habitualmente de las condiciones del terreno y de los requisitos estructurales de la edificación. En los casos en que la cimentación del proyecto contemple, por ejemplo, pilotes excavados o muros pantalla, estos elementos estructurales proporcionan los componentes necesarios para hacer un uso efectivo de la energía geotérmica. Los elementos de cimentación de hormigón armado ofrecen una superficie importante de contacto con el terreno y probablemente niveles de agua colgada. Condiciones ideales para la transferencia de calor del terreno. Sin embargo, existen otras opciones que incluyen la construcción de cimentaciones directas tales como losas pilotadas, pozos y otras estructuras de hormigón en contacto con el terreno.



Aporte Energético de las Estructuras de Cimentación y Contención


Para el predimensionamiento de las estructuras de intercambio, asumiremos volúmenes de energía extraídos del suelo, basados en las estimaciones de intercambio térmico entre el hormigón y el terreno investigados por el Prof. Alfreds Jumikis y, adaptados al suelo español mediante los ensayos de campo y medición de parámetros térmicos del terreno realizados por INGEOSOLUM, en su campo de pruebas de Madrid y Cantabria .

Siguiento la instrucción técnica elaborada por INGEOSOLUM procederemos a analizar el potencial de aprovechamiento energético.

  • Losa o Zapata con Solera Energética
    • Superficie de losa en contacto con el terreno: 2342m2,
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 48,0 kW 
  • Muro de Contención Energético
    • Perímetro del muro de contención aprovechable: 222 m,
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 19,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la geometría de los sótanos de los edificios medianeros.
  • Pilotes Energéticos
    • Cantidad : 65 unidades de 13 m
    • Material: Hormigón reforzado 2,4kg/m3,
    • Energía teórica extraída: 50,0 kW, este valor se deberá ajustar en función de la cantidad, geometría y distribución definitiva de los pilotes.
  • Intercambiadores Verticales (BHE)

Se emplearán intercambiadores verticales (BHE), debido a que el uso de las cimentaciones como intercambiadores de calor con el terreno, no logran proporcionar el 100% de las potencias de climatización requeridas por el proyecto, de tal manera que la energía faltante será suministrada mediante el uso de BHE. 

La cantidad de BHE necesarios, dependerá de la configuración de las cimentaciones activas, es decir entre mayor sea la potencia energética de las cimentaciones, menor será la cantidad de BHE a instalar.

 A continuación se presenta un resumen del tipo de cimentación activa, muros de contención, junto con BHEs y su potencia térmica de extracción teórica: 

  • Losa o zapata con solera (47 - 49) kW
  • Muro de Contención (18 - 20) kW
  • Pilotes (49 - 51) y BHE (62 - 64) kW
  • Total: (176 - 184) kW
El aprovechamiento de las estructuras de hormigón del proyecto, como captadores energéticos, pueden lograr suministrar como máximo 117 kW, al sistema de climatización, dependiendo de la estructura de cimentación escogida.



Costos de Operación


Dependiendo de la eficiencia térmica de la bomba y de las condiciones del terreno, tres cuartas partes de la energía requerida para la climatización proviene de calor almacenado en el suelo por radiación solar o de la absorción de calor por el terreno, tal como se presenta a continuación:

Esquema de Aprovechamiento Geotérmico con Estructuras Termo-Activas


Economía del Aprovechamiento Geotérmico


Estas condiciones de explotación hacen que la geotermia sea la técnica más eficiente para la climatización. Ya que por cada kW aportado de energía al sistema se obtiene un mínimo de 4 kW.

En la figura siguiente, a modo de referencia de escala económica, se presenta los costes de operación anuales para una vivienda unifamiliar aislada de 175m2, con un requerimiento energético de 9 kW con diferentes sistemas de climatización.

Costos de operación por año de una vivienda de 175m2, con un consumo de 9kW



Conclusiones


Este estudio demuestra que el aprovechamiento geotérmico de baja temperatura, consigue proporcionar energía limpia, renovable y muy económica al sistema de climatización del edificio proyectado. Adicionalmente esta energía se puede emplear para:

  • Suministro de ACS (agua caliente sanitaria), 
  • Climatización mediante suelo radiante y/o fancoils,
  • Free cooling,


El cálculo realizado en este Estudio de Factibilidad es teórico, no obstante es posible optimizar la potencia térmica extraída del suelo mediante la ejecución del Ensayo de Respuesta Térmica (ERT). Los valores teóricos, se pueden ver incrementados hasta en un 30%.



Las inversiones necesarias para la instalación de éste sistema geotérmico, tiene un periodo de amortización comprendido entre 4-6 años, a los precios actuales de la energía eléctrica.











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