Día Internacional contra el Cambio Climático: la geotermia somera como alternativa para la climatización de viviendas. Lo que hace la Universidad Nacional de La Plata en este tema.

El 24 de octubre fue instituido por la ONU como el Día Internacional contra el Cambio Climático, con el propósito de concientizar sobre los efectos de la crisis climática, así como tomar medidas que ayuden a disminuir el impacto de las actividades humanas que la provocan. Fortalecer la resiliencia y la capacidad de adaptación a los riesgos relacionados con el clima y los desastres naturales en todos los países es un desafío que debemos asumir. En tal sentido todas las personas podemos contribuir con nuestras acciones a disminuir los efectos del cambio climático; utilizar fuentes de energía renovables como la solar, eólica, marina, geotérmica, entre otras, es una alternativa. La energía geotérmica, es la menos conocida entre el grupo de las energías renovables, por lo que muchas veces es ignorada. Para conocer más sobre el uso de la energía geotérmica te invitamos a leer el siguiente artículo de divulgación.

Geotermia somera: una energía alternativa para la climatización de viviendas

Birche, María Belén(1); Czajkowski, Jorge Daniel(2); Ferrer Tevar, José Antonio(3)

La relativa ineficiencia energética, en relación con normativas nacionales e internacionales del hábitat construido, combinado con una matriz energética nacional fuertemente dependiente de los combustibles fósiles, constituye un escenario asociado a excesivas emisiones de gases de efecto invernadero. La pregunta que nos realizamos entonces fue: ¿qué podemos hacer en nuestro país para reducir la persistente crisis energética y ambiental?

A partir de este interrogante nos propusimos explorar la factibilidad de las tecnologías geotérmicas para ser implementadas como servicio en viviendas. En este sentido, para visibilizar resultados se analizó el caso del proyecto de una vivienda. El mismo se prevé construir en la provincia de Buenos Aires, partido de Brandsen, en el barrio El Mirador. En cuanto a la distribución de espacios, la vivienda cuenta con un subsuelo, planta baja y primer piso. Tiene un total cubierto útil sin galerías de 257,12 m 2. Asimismo, el proyecto cuenta con pautas para un desarrollo sustentable, en la planta del subsuelo se previó una instalación de acondicionamiento térmico por geotermia de baja entalpía conocida comúnmente como “Pozo canadiense”.

La vivienda fue diseñada considerando el clima del lugar y el recorrido del sol. La envolvente (muros, techos, pisos y aberturas) tendrá una transmitancia térmica que cumple sobradamente lo exigido por la normativa nacional. Además de la suficiente aislación, poseerá suficiente inercia térmica interior. Los muros se materializarán con tapias de tierra cruda estabilizada. La planta baja contará con un invernadero adosado con un grueso muro de carga que actuará como sistema solar pasivo. Se prevé también la colocación de paneles fotovoltaicos para lograr la autosuficiencia eléctrica y la utilización de ventilación selectiva como estrategia de diseño pasivo.

Nuestro país puede recorrerse de norte a sur y de este a oeste y es mayoritaria la forma común de materializar edificios para cualquier función. A medida que avanzó la industria del vidrio y de los metales no ferrosos fue creciendo su uso que junto al hormigón armado y al ladrillo hueco cocido prácticamente monopolizan las edificaciones (Figura 1)De izquierda a derecha: dos construcciones en la provincia de Neuquén, un edificio en la provincia de Mendoza, otro en la ciudad de La Plata y dos viviendas en la ciudad de Iguazú. Fuente: Elaboración propia.

Se propone un modo casi homogéneo de construcción con un uso variable de energía en climatización sin considerar la variable climática y la adaptación al sitio o el uso de pautas bioclimáticas. En la Figura 1 puede observarse la unidad exterior de varios equipos de aire acondicionado tipo Split, utilizados para compensar la falta de confort higrotérmico en el interior de los edificios. En primera instancia, las prácticas expuestas en la imagen parecieran enfocarse a resolver sólo la reducción del costo inicial del edificio. De modo que, son los usuarios los que deben enfrentarse al problema de resolver las patologías causadas por el tipo de ocupación y los altos costos operativos para calefaccionar y refrigerar el espacio. Lo descrito señala una alta ineficiencia energética de los edificios, que ha sido corroborada por numerosas investigaciones en las últimas tres décadas por grupos de investigación en las diferentes regiones del país. De este modo, se ha llegado a establecer un valor excesivo de demanda energética por m2 habitable o km2 urbanizado, si lo comparamos con países desarrollados.

De acuerdo al Balance Energético Nacional del año 2021 y los datos del mismo año del informe anual de la Compañía Administradora del Mercado Eléctrico Mayorista, encontramos que:

• El 88% de la energía total (primaria + secundaria) de la matriz nacional en el año 2021 proviene de fuentes fósiles.
• Si observamos únicamente la generación de energía eléctrica por fuente, el porcentaje que se obtiene a partir de recursos fósiles es menor y corresponde al 64%.

Figura 2. Matriz energética nacional 2021.Fuente: Elaboración propia en base a los datos publicados por el sitio web del Ministerio Nacional de Energía y Minería

La matriz de generación eléctrica argentina se basa principalmente en energías generadas mediante combustibles fósiles (Figura 2). A pesar de esto, en la última década se han hecho avances permitiendo que las energías renovables, provenientes de fuentes renovables como la energía eólica, solar, biomasa, biogás e hidro-renovable de bajo impacto, incrementen su participación alcanzando actualmente un 12%.

Por otra parte, la ineficiencia energética del hábitat construido, combinado con una matriz energética nacional fuertemente dependiente de los combustibles fósiles, constituye un escenario asociado a excesivas emisiones de gases de efecto invernadero. Además, es conocido que el costo de dichos combustibles fósiles se encuentra en constante aumento debido a la reducción de la disponibilidad del recurso. En el caso de nuestro país se compensa con un mayor aporte del Producto Bruto Interno para subsidios directos al consumidor final. Asimismo, cabe mencionar que, aproximadamente, el 34% de la energía total nacional es consumida por el sector residencial, comercial y público. Así también, las demandas energéticas más comunes de los seres humanos, en los hogares, se centran en la calefacción, refrigeración y el agua caliente sanitaria (52% y 18% respectivamente, del gasto energético doméstico).

La pregunta que nos realizamos entonces fue: ¿qué podemos hacer en nuestro país para reducir la persistente crisis energética y ambiental? En este sentido, el equipo con el que abordamos esta problemática nos propusimos explorar la factibilidad de las tecnologías geotérmicas para ser implementadas como servicio en las viviendas.

La energía geotérmica de baja temperatura, también conocida como de baja entalpía o somera, basa sus aplicaciones en la capacidad que el subsuelo posee de acumular calor y de mantener una temperatura sensiblemente constante a determinada profundidad (usualmente más de dos metros de profundidad) a lo largo de todo el año. Generalmente corresponde a la temperatura media anual atmosférica del sitio. Los pozos canadienses son intercambiadores de calor, por donde el aire exterior ingresa y recorre cierta cantidad de metros por un tubo enterrado antes de ingresar al interior del edificio; los mismos pueden tener entre 20 y 60 centímetros de diámetro. Durante ese recorrido, el aire exterior cambia su temperatura buscando el equilibrio con la temperatura del terreno (Figura 3). En la Figura 4 se observa la variación de la temperatura del suelo correspondiente a la ciudad de La Plata, (en superficie y a 2 metros de profundidad durante los diferentes meses del año).Figura 3. Esquema de funcionamiento de un pozo canadiense en invierno y en verano. Durante el verano, el aire caliente (rojo y naranja) ingresa al intercambiador de calor perdiendo temperatura durante el recorrido. Llega al interior con una temperatura menor a la temperatura del aire exterior. En invierno, el aire frío (azul) ingresa al intercambiador de calor y allí incrementa su temperatura para luego ingresar a la vivienda.  Fuente: Elaboración a partir de esquema de https://www.caloryfrio.com/construccion-sostenible/ventilacion-y-calidad-aire-interior/pozos- canadienses-aprovechar-subsuelo-climatizacion-eficiente.html.

Figura 4. Variación de la temperatura del suelo en la ciudad de La Plata durante los diferentes meses del año; a 2 metros de profundidad y a 0 metros de profundidad. Fuente: Elaboración propia a partir de la expresión de Kusuda T. y Achenbach P.R.

En adhesión, el consumo de energía es únicamente el de los ventiladores que impulsan el aire en el recorrido y, en caso de contar con una chimenea solar, ese consumo se anula. El pozo canadiense mejora sensiblemente la temperatura del aire y, aunque no consiga la temperatura adecuada de refrigeración (o calefacción), permite reducir el consumo proveniente de un equipo auxiliar, llevando una temperatura inicial a una más próxima a la de la demanda.

Esta tecnología está prevista en el proyecto de una vivienda en la localidad de Brandsen. Para poder implementarla se realizó el cálculo de la longitud necesaria del tubo intercambiador de calor. Los resultados indicaron que se necesitarán tres tubos de 40 centímetros de diámetro y 20 metros de largo cada uno realizados en polipropileno con pintura antimicrobiana. La instalación calculada permitirá alcanzar el confort térmico durante el verano, llegando a una temperatura de 24ºC. Es decir que no será necesario el uso de aire acondicionado. Durante el invierno se podrá elevar la temperatura hasta los 15ºC, impidiéndose los 20ºC de confort. Sin embargo, en este caso, el consumo para la calefacción necesaria será menor, estimándose un ahorro del 80%.

Conclusión

Los pozos canadienses son una de las formas de aprovechar la energía geotérmica para el acondicionamiento térmico del aire. Existen otros sistemas, como las “sondas geotérmicas verticales” con “bombas de calor”, que permiten además satisfacer la demanda de agua caliente sanitaria. Utilizando estos recursos, se podría reducir hasta un 70% el gasto energético de las viviendas de cualquier sitio de nuestro país.

Filiación de los autores

• Laboratorio de Arquitectura y Hábitat Sustentable FAU-UNLP / CIC
• Laboratorio de Arquitectura y Hábitat Sustentable FAU-UNLP / CIC / CONICET
• Unidad de Investigación sobre Eficiencia Energética en Edificación CIEMAT Madrid

Bibliografía

Birche, María Belén; Czajkowski, Jorge Daniel y Ferrer Tevar, José Antonio (2022). Geotermia de Baja Entalpía Aplicada a una Vivienda Unifamiliar Sustentable en Brandsen. Dimensionamiento de Intercambiador de Calor Tierra-Aire (Pozo Canadiense o Provenzal). (Acta de congreso inédito). IV Congreso de Energías Sustentables en Bahía Blanca. Marzo 2023.

Birche, María Belén; Czajkowski, Jorge Daniel y Ferrer Tevar, José Antonio (2021). Evaluación del potencial geotérmico para la climatización distrital y urbana del Gran La Plata, basado en sistemas de baja entalpía como bombas de calor, sistemas de absorción y B.T.E.S. (Borhole thermal         energy  storage);                                 https://www.fau.unlp.edu.ar/web2018/wp-content/uploads/2021/11/T3-2_-Evaluacion-del-potencial-geotermico.pdf

Fuente: www.unlp.edu.ar