Felipe Rau/Estadão
Equipe da professora Cristina de Hollanda Cavalcanti Tsuha, da USP, desenvolve projeto de energia geotérmica Felipe Rau/Estadão

USP ergue 1º edifício climatizado com energia do solo; entenda como funciona a geotermia

Tubos colocados dentro das fundações de sustentação da construção permitem a troca de calor, que no subsolo é constante em 24 graus; sistema permite aquecer ou resfriar ambientes

Pablo Pereira, O Estado de S.Paulo

16 de julho de 2021 | 15h00

Um edifício com ambientes climatizados pelo aproveitamento de energia geotérmica disponível no subsolo que chega à superfície por meio das fundações da construção. Esse uso da geotermia, que há décadas ajuda a aquecer edificações na Europa e dos EUA, começa a sair do papel em São Paulo.

Projeto desenvolvido pela equipe da professora Cristina de Hollanda Cavalcanti Tsuha, da Escola de Engenharia de São Carlos, da USP, em conjunto colegas da Escola Politécnica da USP, vai testar a aplicação da energia na troca de temperatura de áreas do prédio com o subsolo a partir de tubulações colocadas dentro de elementos das fundações que sustentam as construções.

“A ideia é usar tubos de polietileno por dentro das fundações enterradas no terreno e, por eles, circular um fluido (normalmente água) para trocar calor com o subsolo, que tem temperatura constante, usada para aquecer ou resfriar ambientes com auxílio de uma bomba de calor”, explica a engenheira civil que coordena uma pesquisa focada no comportamento destas fundações com função adicional de reduzir o consumo de energia na climatização.

"Será o primeiro prédio a ter este sistema de geotermia superficial pelas fundações em SP, e acredito que no Brasil", diz a engenheira."Desconheço se existe outro. Se existe, não foi divulgado", conclui.

As fundações por estacas permitem o aproveitamento da temperatura natural do solo, constante ao longo do ano, para regular o clima de ambientes na superfície. Experimentos feitos a 20 metros superficiais de terreno em São Paulo apontam temperatura de 24 graus. De acordo com a professora, a temperatura da camada superficial do solo, a partir de pequena profundidade, é próxima da temperatura média anual do local.

A engenheira explica que o bombeamento da água que circula dentro das fundações é feito por uma bomba de calor geotérmica, usada para absorver e liberar calor. “Essa bomba remove o calor de ambientes no verão e dispersa no solo, e no inverno transfere o calor do solo para os ambientes para aquecimento”, explica a engenheira.

A professora argumenta que a técnica já funciona há algum tempo, principalmente na Europa, onde a geotermia superficial é usada para aquecer ou resfriar edifícios.

Ela conta que esse tipo de energia tem sido explorada em vários países, normalmente em profundidades de até 200 metros. As primeiras experiências datam dos anos 1950, mas o aproveitamento da geotermia pelas fundações de edifícios começou nos anos 80 na Europa.

Cristina exemplifica o aproveitamento da temperatura constante do subsolo ao longo do ano citando também as caves subterrâneas para armazenar vinhos na França, ou até em casos mais antigos, como os ancestrais humanos que habitavam cavernas para se proteger de baixas ou elevadas temperaturas acima da superfície.

“Na Europa, países como França, Suíça, Áustria, Alemanha e Inglaterra já usam esses sistemas para aquecimentos das edificações”, argumenta a engenheira. “Isso, portanto, não é novo. O que estamos fazendo agora aqui na USP com esse projeto, com as fundações trocadoras de calor prontas desde 2019, mas com a obra paralisada pela pandemia, é testar o uso da energia geotérmica superficial pelas fundações nas condições de clima subtropical do terreno em São Paulo”, afirma a professora da USP.

A equipe de cientistas da USP quer avaliar o uso desta tecnologia no resfriamento de prédios residenciais e comerciais, hospitais e até shoppings, reduzindo o consumo de energia elétrica necessária para os sistemas de ar-condicionado.

A professora cita ainda experiências em Melbourne, na Austrália, onde as tubulações para troca de calor com o subsolo são usadas em túneis do metrô para reduzir o custo de energia e manter a climatização das estações. “Esta tecnologia de aproveitamento de energia geotérmica superficial por meio de túneis já é utilizada na Europa”, reforça a especialista.

A pesquisa sobre o uso de energia geotérmica superficial por meio das fundações, coordenada pela Cristina Tsuha, foi iniciada em 2014 e contou com o estudo de doutorado da engenheira civil Thaise Morais, desenvolvida na EESC-USP, em São Carlos.

O trabalho teve apoio da Fapesp e do CNPq. “O trabalho de doutorado de Thaise recebeu o Prêmio Costa Nunes da Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica (ABMS), referente ao biênio 2018-2019”, destacou a orientadora.

Em São Paulo, a experiência está sendo feita em uma construção existente no Centro de Inovação em Construção Sustentável (CICs), um laboratório, que funcionará ao lado do prédio da Escola Politécnica, na Cidade Universitária. As fundações do prédio foram equipadas com tubos de PEAD, por onde vai circular água para a troca de calor com o subsolo para resfriar ambientes.

“A nossa ideia aqui é avaliar por meio de testes e monitoramentos o quanto poderemos reduzir o consumo de energia elétrica para ar-condicionado, que tem crescido nos últimos anos”, comenta a especialista. Além disso, destaca a professora, trata-se de uma energia limpa, que pode ajudar na redução da emissão de carbono na atmosfera.

Segundo a professora, há uma variedade de opções no uso dessa energia. Construções já existentes também podem ganhar adaptações a partir de escavação de poços ou valas para montagem do sistema. Para o uso desta energia, prédios podem receber redes de tubos nos pisos, tetos e paredes para circulação de água que vai aquecer ou resfriar os ambientes.

A engenheira acrescenta que como a demanda para climatização do edifício do CICs em construção é apenas para resfriamento de ambientes, diferente dos casos de uso de geotermia superficial em outros países, onde a demanda para resfriamento e aquecimento de ambientes é equilibrada ao longo do ano, um dos desafios do estudo está em observar se a contínua rejeição de calor no subsolo ao longo do tempo aumentará a sua temperatura, influenciando na eficiência do sistema. E se o comportamento das fundações é afetado.

Ela pondera que o monitoramento contínuo neste estudo poderá apontar a ocorrência de acúmulo de calor no solo e, portanto, mostrar se será necessário o uso de estratégias como ativar e desativar a troca de calor em parte das fundações ou extrair calor do subsolo para aquecimento de água ou ambientes.

Projeto abordará agenda preocupada com o meio ambiente

No site do CICS, da USP, o projeto do Living Lab mostra a construção de um prédio que servirá de suporte para diversas aplicações de engenharia e arquitetura voltadas para uma agenda preocupada com o meio ambiente. “O projeto inclui soluções água, energia – incluindo geração decentralizada de energia na direção de edifício com zero-net energy balanço – condicionamento ambiental, iluminação, sistema construtivos, uso de novos materiais”.

De acordo com a proposta, “as  características de Living Lab fazem um edifício para demonstrar soluções avançadas de instrumentação de edifícios. A vocação de demonstrar empurrar as fronteiras da tecnologia valoriza a busca de soluções que permitam maximizar os benefícios do processo produtivo, com soluções multifuncionais, sistemas reusáveis, sistemas adaptáveis ou ativos e geração decentralizada de energia. A integração dos edifícios ao mundo digital inclui soluções da área de internet-of-things (IoT), planejamento da vida útil, são também interesses.”, informa o site do projeto, que foi lançado em 2016 e agora está sendo retomado.

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Geotermia pode reduzir consumo de luz de 40% a 70%, avalia especialista

Plano Nacional de Energia, de 2050 conta com a energia geotérmica como uma das formas de abastecimento no País

Pablo Pereira, O Estado de S.Paulo

16 de julho de 2021 | 15h00

Para o professor Alberto Hernandez Neto, da Escola Politécnica da USP, que cuida da parte da superfície do projeto de prédio-laboratório da universidade, a geotermia pode levar a uma redução entre 40% e 70% no consumo de energia elétrica nos sistemas de ar-condicionado.

 “A minha parte nesse projeto é a da superfície, do conforto no ambiente, do ar-condicionado”, explica Hernandez Neto. Ele argumenta que a economia gerada pela geotermia depende do projeto, do equipamento e do tamanho do prédio.

Integrante da iniciativa dos CICs, da USP, Hernandez ensina que o calor retirado do ambiente pela geotermia a partir das fundações não vai para o ar, como costuma ocorrer com os sistemas de ar-condicionado convencionais. “Esse calor vai para o solo”, diz. E o estudo das estacas enterradas, desenvolvido por Cristina Tsuha, é exatamente para avaliar esse impacto.

Hernandez explica ainda que a chamada bomba de calor do sistema é o conjunto de equipamentos de ar-condicionado que permite a troca da temperatura. “A gente chama isso de bomba de calor porque ela é reversível, pode funcionar tanto para aquecer quanto para resfriar”, ensina Hernandez.

O especialista argumenta que no Brasil não há muito uso de sistema geotérmico, mas ele pode ser encontrado no aquecimento de piscinas. “Isso é comum nos clubes de São Paulo”, por exemplo. “E a possibilidade de reversão do sistema é que é uma grande vantagem”, afirma. De acordo com o professor da USP, o foco principal das inovações que estão sendo desenvolvidas atualmente está no atendimento ao usuário. 

Hernandez trabalha também com projetos de redução de consumo de energia em prédios públicos de São Paulo, como as estruturas escolares do CEU, por exemplo, além de integrar os estudos para a criação de um prédio totalmente sustentável do ponto de vista do consumo energético num plano para fazer da capital paulista, em 2050, uma cidade com emissão zero de carbono.

Segundo Hernandez, a pandemia da covid-19 acabou empurrando a indústria do ar-condicionado para o desenvolvimento mais acelerado de sistemas para atender melhor à demanda dos usuários.

O professor da Politécnica cita ainda que nos EUA já há edifícios com o sistema de energia geotérmica em pleno funcionamento. Na Califórnia, a sede de grandes empresas são totalmente climatizadas pela geotermia.

Um deles, segundo o especialista, é a sede do Google, que usa centenas de estacas, o que lhe dá a possibilidade de atender todo o prédio. O professor salienta que no prédio em construção na USP, com menos estacas disponíveis para a instalação do sistema, talvez não seja possível a total climatização da estrutura. O edifício-laboratório em São Paulo está projetado para ter dois andares e deve ficar pronto em 2022.

Plano nacional prevê uso da geotermia

Com o consumo de energia elétrica em alta no Brasil nos últimos anos, o emprego da geotermia pode ajudar na economia de gastos com energia, justifica a cientista da USP Cristina Tsuha, lembrando dados do Plano Nacional de Energia, de 2050, do governo federal, que já conta com a energia geotérmica como uma das formas de abastecimento no País.

“A geotermia superficial é o aproveitamento de energia térmica do subsolo superficial, usando o ciclo de refrigeração. Essa tecnologia é utilizada em edificações e indústrias, havendo mais de 3 milhões de plantas funcionando em 54 países do mundo e 73 GW (gigawatt) instalados para produção de calor em 2019”, cita o documento do Ministério de Minas e Energia. 

De acordo com o documento, esse tipo de energia existente no subsolo pode ser usada para “climatizar e desumidificar ambientes; aquecer água em banheiros e piscinas; e aquecer e resfriar processos industriais”.

Segundo o Plano, “líderes da tecnologia são a China, os Estados Unidos e a Europa. Sua utilização reduz o consumo de energia final para produção de energia térmica, acima de 60% para aquecimento e entre 20% e 60% para resfriamento, o que pode acarretar diminuição do consumo de energia elétrica nos horários de pico”.

Ainda de acordo com o documento oficial, a geotermia pode reduzir também o stress hídrico “ao substituir torres de resfriamento, os efeitos da ilha de calor urbana, ao ser utilizada para climatização, aplicação em que também contribui para minimizar os impactos sonoros e visuais”.

 O documento segue: “A situação internacional indica que a tecnologia já dispõe de viabilidade para alguns mercados, fundamentada nos conceitos de eficiência energética, o que pode representar uma oportunidade para o Brasil”.

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