Download Pilotes Geotérmicos

1.1.2 CIMENTACIONES
MARZO 2013
ESPAÑA
PILOTES
GEOTÉRMICOS
Efficient BuildingTM system
CONTENIDO
Página
1. Introducción
2
2. Proyectos de referencia
3
3. Descripción Técnica
6
4. Rendimiento del sistema
8
5. Puesta en obra
10
6. Impacto ambiental
11
7. Análisis de coste
12
8. Contributions to buildings and cities
13
9. Otros recursos
14
DICCIONARIO
This system contributes to

SONDA GEOTÉRMICA: Tubos de plástico embebidos en un pilote de hormigón
para el intercambio de calor con el suelo circundante.

PILOTES DE HORMIGÓN: Elemento circular
de cimentación profunda,
diseñada para transferir la carga de un edificio o estructura en el suelo. Los
pilotes de hormigón pueden ser ejecutados por la perforación de un agujero en el
suelo y llenándolo con hormigón, prefabricados e hincados en el terreno.

PILOTE GEOTÉRMICO: pilotes de hormigón, equipados con sondas geotérmica
para un intercambio de energía con el suelo circundante.

BOMBA DE CALOR: Elemento que permite la transferencia de energía térmica
a partir de las fuentes de calor circundantes (aire, suelo o agua subterránea, etc)
a un edificio para cubrir las necesidades de calefacción o refrigeración. Las
bombas de calor de intercambio, pueden ser de aire o de líquido. Por lo tanto los
tipos de bombas de calor pueden ser aire-aire, aire-líquido o líquido-líquido.

CIRCUITO PRIMARIO: El circuito primario en un sistema de bomba de calor se
extiende entre la bomba de calor y el medio exterior (suelo). En el circuito
primario, la energía, se intercambian entre el ambiente exterior y el suelo.

ARMADURA: Armadura de refuerzo a partir de barras de refuerzo de acero. El
refuerzo está siendo diseñada de acuerdo con los requisitos estructurales de la
pila de hormigón.

CIRCUITO SECUNDARIO: Es el circuito que discurre entre la bomba de calor y
el usuario final (sistema de calefacción por suelo radiante)
creating buildings that are
Efficient
Long lasting
Respectful of Identity
Affordable
Robust
Responsive
and cities characterized by
APLICACIONES
Redundancy
Decentralization
Preparation
Los pilotes geotérmicos pueden ser utilizados en cualquier edificio
con cimentación profunda en forma de pilotes o muros pantalla. La
colocación de los tubos en el hormigón no genera ningún problema
desde el punto de vista estructural.
1
CIMENTACIONES
1. Introducción
Pilotes geotérmicos
Los pilotes geotérmicos son cimentaciones termoactivas. Esto implica una solución técnica
que incorpora dos funciones en un solo elemento.
El pilote transfiere las cargas de un edificio al suelo, lo que apoya la estructura. La otra
función es el intercambio de calor entre el suelo y el edificio. El sistema de cimentaciones
geotérmicas se actualizan mediante la sustitución de un pilote tradicional por pilotes
geotérmicos, convirtiéndose así en la clave de una fuente de energía renovable – la
energía geotérmica.
CIRCUITO SECUNDARIO
Suelo Radiante
Bomba de calor
Pilote
Geotérmico
CIRCUITO PRIMARIO
V E N TA J A S

El sistema es capaz de calentar y enfriar

Entrada de 25% energía eléctrica
Salida 100% calefacción y refrigeración
2
p.6
p.9
PILOTES GEOTÉRMICOS
2. Proyectos de referencia
LAINZER TUNNEL, AUSTRIA
 Localización: Salzburgo, Austria
 Tipo de proyecto: Túnel ferroviario
 Datos proyectos
>
>
>
>
>
El túnel de Lainzer es un túnel de ferrocarril
en la ruta Viena - Salzburgo y se encuentra
en las afueras de Viena. Han sido equipado
con 59 pilotes con sondas geotérmicas para
suministrar energía a un colegio cercano.
59 pilotes geotérmicos
longitud de pilote: 20 m
diámetro de pilote: 120 cm
capacidad de calefacción: 100 kW
carga anual de calefacción: 144 MWh
Se eligió equipar a con paredes de pilotes el lote 44 del
la túnel Lainzer con sondas geotérmicas para
convertirlas en pilotes geotérmicos. Los pilotes se
utilizan para crear un túnel con el método de “cut &
cover”, el cuál permite convertir los pilotes del
proyecto como geotérmicos para abastecer los
edificios vecinos con la energía generada.
3
CIMENTACIONES
COLUMBUS CENTER
 Localización: Viena
 Tipo de edificación: Centro comercial
 Datos del proyecto
El Columbus Center en Viena es un gran
centro
comercial
con
aparcamiento
subterráneo. El centro comercial cuenta con 6
plantas sobre rasante. Su cimentación cuenta
con pilotes y el sótano de la estructura se ha
realizado con muros pantalla. Ambos, los
pilotes y el muro pantalla, se utilizan como
cimientos termoactivo.
> Superficie total : 45.000 m²
> comercial: 16.000 m²
> oficinas: 7.000 m²
> plazas aparcamiento: 700
> 300 Pilotes geotérmicos
> longitud de pilote: 7-20 m
> diámetro de pilote: 120 cm
> Muros pantalla (termoactivo): 12.400m²
> Calefacción: 1.200 kW
> Refrigeración: 1.400 kW
> Capacidad anual de calefacción: 660 MWh
> Capacidad anual de refrigeración: 1.670 MWh
Se eligió equipar el sistema de cimentación del
Columbus Center con cimientos termoactivos,
debido a que el proyecto consistió en equipar con
tubos de intercambiador de calor, a fin de realizar
una función termoactiva.
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PILOTES GEOTÉRMICOS
CASA BIOSOSTENIBLE
 Localización: Pozuelo, Madrid
 Tipo de edificación: Vivienda residencial
 Arquitecto: Ángel de Diego
Esta vivienda unifamiliar en Pozuelo, utiliza
la energía geotérmica no sólo para
contribuir al mejor rendimiento del suelo
radiante, además se usa para poder
disfrutar de la piscina durante un periodo
mayor, ya que también utiliza el agua del
subsuelo para tener una temperatura más
confortable durante meses menos cálidos.
La vivienda obtuvo la mejor clasificación
posible lo que favorece a tener un mínimo
gasto en el mantenimiento de la
climatización tanto en invierno como en
verano.
5
CIMENTACIONES
3. Descripción técnica
Los pilotes geotérmicos actúan como elemento de soporte de carga y de intercambio de
calor al mismo tiempo. No son muy diferentes técnicamente respecto los pilotes
tradicionales. La única diferencia son las sondas geotérmicas, embebidos en el pilote.
MODOS DE FUNCIONAMIENTO
Ejecución de un pilote geotérmico in situ
Hay 4 modos de funcionamiento para los sistemas
geotérmicos de absorción:
• Calefacción con el apoyo de una bomba de calor:
El calor extraído del suelo no es suficiente para la
calefacción y necesita ser ampliado por una bomba
de calor.
• Calefacción natural:
Se utiliza en aplicaciones de baja temperatura. Por
ejemplo, cuando la instalación de los tubos
radiantes por debajo de una carretera, para
mantener la superficie libre de nieve y hielo.
• Enfriamiento con el apoyo de una bomba de calor:
El calor extraído de los edificios será transferido al
sub-suelo; usando una bomba de calor para
aumentar la temperatura de refrigeración. Este
sistema es el mismo que para la calefacción con el
apoyo de una bomba de calor, simplemente
invertido.
• Refrigeración natural:
El calor extraído de los edificios será transferido al
sub-suelo. Este sistema es el mismo que para la
calefacción natural, pero invertida.
ELEMENTOS CIRCUITO PRIMARIO
Cuerpo del pilote
Ilustración esquemática del sistema de un sistema de
calefacción, utilizando una bomba de calor
El cuerpo del pilote es el elemento principal de
soporte de carga y, como tal, en contacto directo
con el suelo. Al mismo tiempo que se protege la
armadura y las sondas geotérmicas
Este sistema puede mejorar con el uso de Agilia
Cimentaciones ya que aumenta el período de
trabajabilidad y mejora la compactación en los niveles
profundos. Al ser un producto autocompactante
permite una mayor velocidad de vertido y es
altamente fluido sin necesidad de añadir agua. El alto
nivel de compactación hace que sea un producto muy
duradero en comparación con otros materiales.
Ilustración esquemática del sistema de un sistema de
calefacción libres
6
CIMENTACIONES
Acero de refuerzo
Además de la función de soporte de carga
principal de la armadura, también se utiliza como
soporte de las sondas geotérmicas, estás se fijan
al refuerzo, de esta forma se pueden colocar
fácilmente o utilizando un pilote prefabricado que
las incluyan.
Sondas geotérmicas
Sonda geotérmica en la armadura de refuerzo
Las sondas geotérmicas están instaladas cerca
de la superficie del pilote, pero dentro de la
armadura de refuerzo. Los tubos están hechos
de plástico. Es importante que haya una
buena conexión entre los tubos, empalmes y
conectores para que el sistema funciona
correctamente. Después de la colocación de
los tubos en la armadura, se cierran las
válvulas a cada lado del circuito. Las sondas
están sometidas a presión durante el
proceso de instalación y durante el
procedimiento de construcción. Se coloca
un manómetro en cada circuito, para controlar
la presión en el tubo. De esta manera, las
fugas se detectan fácilmente. Las sondas rara
vez se dañan durante la construcción.
Refuerzo instalado con manómetro
y válvula al final del circuito
Temperatura de transporte
Dependiendo de la temperatura mínima de
diseño en el circuito primario, se elige el fluido
para el transporte de calor. En ciertas
aplicaciones el agua es suficiente. En otras con
temperaturas más bajas, se debe añadir
anticongelante al agua. En cualquier caso, se
debe evitar la congelación del líquido en el
transporte.
ELEMENTOS EN EL CIRCUITO
SECUNDARIO
Imagen esquemática de un pilote energético
El circuito secundario está dentro del edificio.
Se inicia en la bomba de calor (excepto en los
modos naturales de frío o calor), proporciona
los elementos radiantes con agua caliente
(calefacción) y devuelve la circulación de agua
fría de nuevo a la bomba de calor. Dado que
los sistemas de bomba de calor funciona con
una baja temperatura de funcionamiento las
mejores soluciones para es la calefacción
por suelo radiantes.
Colocación del suelo radiante
7
PILOTES GEOTÉRMICOS
4. Rendimiento del sistema
La eficiencia de las cimentaciones termoactivas depende de un gran número de parámetros. Estos
están relacionados con las condiciones del suelo y el sistema de cimentación de la estructura.
saturado, la conductividad puede alcanzar hasta 2,4
W/mK. Se observa un gran aumento de la
conductividad, en presencia de agua que fluye a
tierra. Dependiendo de la velocidad de flujo, la
conductividad puede variar drásticamente de 4 W/mK
a 100 W/mK.
Cuando existe refrigeración natural es muy
conveniente disponer de pilotes alcanzando el
agua subterránea que fluye. De esta forma, no sólo
se mejora la transferencia de calor del pilote al suelo,
si no que también se puede transportar lejos del
pilote, no acumulando calor, lo que reduciría la
efectividad.
PARÁMETROS GEOTÉCNICOS
Los siguientes parámetros del suelo influyen en el
rendimiento de las cimentaciones termoactivas:
Temperatura
La temperatura del suelo en es de aproximadamente
10° y 12° C a una profundidad entre 10 m y 20 m. En
una profundidad de 10 m, la influencia de las
variaciones estacionales y diarias de la temperatura
del aire es inexistente ya. Por lo tanto la temperatura
del suelo es estable durante todo el año y no varían.
PARÁMETROS ESTRUCTURALES
No sólo el suelo, sino también el pilote juega un papel
importante en el sistema. Por lo general, el concepto
de pilotes se proyecta para los requisitos
estructurales y de carga. Este diseño determina la
geometría de los pilotes.
Un factor importante es la longitud del pilote. Cuanto
más profundo sea, más superficie de contacto tiene
con el suelo. Las posibilidades de alcanzar agua
subterránea son más altas. Por lo tanto también la
ubicación vertical del pilote con relación a la
inclinación del mismo es importante.
Asimismo, la sección es importante, ya que está
relacionada con la superficie de contacto con el suelo.
Cuanto mayor sea el diámetro, más sondas
geotérmicas se puede colocar alrededor del
perímetro del pilote.
Otro condicionante geométricos es la separación
entre pilotes.
Las variaciones de temperatura causadas ​por las
sondas de calor inofensivas para el suelo. La
temperatura del suelo se debe mantener por
encima de 0 ° C en todos los casos para evitar
daños por heladas.
Capacidad térmica
La capacidad térmica del suelo es importante para la
función de almacenamiento de energía estacional.
Capacidad calorífica del suelo depende de la
materia mineral y orgánica, el índice de poros y el
contenido de agua. Los valores de capacidad
calorífica del suelo son por lo general entre 1,5 y 2,5
MJ/m³K.
La conductividad térmica
La conductividad térmica es importante para el
intercambio de calor entre la cimentación termoactiva
y el suelo. Esta propiedad se acentúa cuando el
edificio necesita de refrigeración.
En condiciones de suelo seco de la conductividad
térmica puede variar entre 0,4 W/mK (arcilla) y 1,2
W/mK (arena), mientras que en el suelo húmedo o
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CIMENTACIONES
Dependiendo de la bomba de calor y otras condiciones de contorno, el coeficiente de rendimiento COP
(Coefficient of Performance) generalmente varia entre 3,8 y 4,3.
Por lo general eso significa, que la relación entre la energía que gastamos en el funcionamiento de la bomba
de calor es 4 veces inferior que la energía para la calefacción.
El coeficiente de rendimiento es la relación de energía térmica suministrada a la energía, consumida por la
bomba de calor.
COP 
QH
W
COP = Coeficiente de rendimiento
QH = calefacción suministra la energía
W = energía consumida por la bomba de calor
Dado que son muchos parámetros involucrados en la ejecución de pilotes geotérmicos, se requiere un
análisis complejo que determinar el rendimiento exacto en cada caso.
De manera orientativa se puede estimar la capacidad aproximada de una cimentación termoactiva,
aplicando los siguientes valores:
Sistema
Capacidad
Pilotes (ø: 30cm – 50cm)
40 – 60 W/m longitud pilote
Pilotes (ø >60cm)
35 W/m² superficie pilote
Muro pantalla
30 W/m² de superficie de muro
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PILOTES GEOTÉRMICOS
5. Puesta en obra
Los pilotes geotérmicos son cimentaciones profundas termoactivas. En cualquier lugar, donde pilotes o muros
pantalla son necesarios por razones estructurales se puede ejecutar un pilote geotérmico, mediante la
colocación de sondas geotérmicas en el interior del pilote.
Existe una amplia variedad de sistemas de pilotes. No importa si se trata de pilotes prefabricados, hincados,
perforados o realizado in situ; se pueden convertir en pilotes geotérmicos.
La decisión de realizar una cimentación termoactiva debe tomarse en las primeras etapas del proyecto. Es
esencial una estrecha colaboración entre arquitecto, ingeniero estructural, ingeniero geotécnico, el consultor
energético y los contratistas para una exitosa ejecución de pilotes geotérmicos.
Un otro aspecto que debe tenerse en cuenta es el normativo, en algunos países es necesario obtener un
permiso especial para instalar una cimentación termoactiva. Generalmente esta relacionado con los
derechos de propiedad del agua, debido a las influencias sobre el agua subterránea.
Colocación
APILADO Y COLOCACIÓN DE TUBOS
Se perforan los pilotes, después de que fijen las sondas geotérmicas a
la armadura y está se coloca dentro del hueco. Antes de verter el
hormigón se deben revisar los manómetros para comprobar si hay
daños o fugas en los tubos. Finalmente se vierte el hormigón en el
pilote.
Conexiones
CONEXIONES
Una vez que todos los pilotes están instalados, las sondas geotérmicas
se debe comprobar las conexiones con el resto de sondas y la estación
de bombeo.
Circuito secundario
CIRCUITO SECUNDARIO
El circuito secundario se coloca a la vez que se construye el edificio, la
calefacción por suelo radiante es la combinación ideal para este
sistema constructivo.
Cuadro de distribución
ESTACION DE BOMBEO
En la estación de bombeo se conectan el circuito primario y el
secundario gracias al cuadro de distribución. Se conecta a través de
una bomba de calor o en el caso de calefacción o refrigeración natural,
por una bomba de circulación convencional. También podemos
combinar ambos sistemas
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CIMENTACIONES
6. Impacto ambiental
Beneficios medioambientales conseguidos por pilotes geotérmicos
Debido a un buen diseño, los pilotes geotérmicos no son una amenaza para el medio ambiente y no causan
ningún esfuerzo adicional en el material de construcción. Durante su uso se disminuye el impacto ambiental
en 75%.
Se realizo un estudio de impacto ambiental y un análisis de coste sobre la ejecución por pilotes geotérmicos
de un edificio de oficinas de referencia de nueve plantas. Se hizo una comparación contra una solución
alternativa: Sistema de calefacción por suelo radiante convencional y sistema de refrigeración convencional,
instalado en el mismo edificio de referencia.
Para simplificar la comparación, los cálculos tienen en cuenta la diferencia en las cantidades de materiales
de construcción y el consumo de energía.
Los resultados se expresan por todo el edificio, en un período de 30 años.
A. Indicador Ambiental
Energía total
B. Ganancia C. Unidad
D. % de los impactos
generados por los materiales
de construcción
-8 419 480
MJ
24%
-3 041
kg eq. Sb
22%
-1 204 550
L
5%
Producción de residuos
-40 504
kg
0%
Efecto invernadero
-426 350
kg eq. CO2
16%
-1 703
kg eq. SO2
13%
-109
kg eq. C2H4
5%
Agotamiento de los recursos
abióticos
Consumo de agua
Acidificación del aire
Formación de ozono fotoquímico
Como se mencionó en capítulos anteriores, el
sistema de bomba de calor sólo requiere ¼ de la
energía externa. Por lo tanto tres cuartas partes
de la calefacción o refrigeración de la energía
es totalmente renovable. El impacto restante del
medio ambiente durante la operación depende de
la fuente de energía para la bomba de calor.
Por lo tanto no hay emisión directa desde el
propio edificio. La emisión indirecta sólo es posible
que podría haber es el que, procedente de la
planta de energía, la creación de la energía ¼
externa de la bomba de calor.
El intercambio de calor con el suelo circundante
en la proximidad de la cimentación termoactiva es
generalmente inofensivo para el medio ambiente.
Sólo se debe evitar la congelación del terreno
De esta manera pilotes geotérmicos proporcionan
acceso a una fuente de energía renovable energía geotérmica.
Esta es una manera eficaz de reducir el
consumo de energía. Al mismo tiempo las
emisiones de CO2 se ha reducen, lo que
constituye una valiosa contribución para alcanzar
los objetivos de Kioto.
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PILOTES GEOTÉRMICOS
7. Análisis de costes
Beneficios económicos
Costes de construcción
Tras el análisis ambiental y usando de los mismos
supuestos, se realiza un estudio de costes para
comparar los dos sistemas:
A. Pilotes geotérmicos con bombas de calor.
B. Sistema de calefacción y refrigeración tradicional
A
B
Pilotes
48.000 €
-
Hormigón
- 2.000 €
-
Bomba calor / frio
80.000 €
88.000 €
Total
126.000 €
88.000 €
La tabla adjunta y el gráfico muestran los
costes generales de instalación y la diferencia
entre los dos sistemas.
Como puede verse en el gráfico hay un coste
inicial en la instalación los trabajos
geotérmicos. La diferencia total entre los dos
sistemas es de 38.000 euros, sin embargo, el
ahorro a largo plazo que se obtiene es un
gran incentivo para invertir en esta tecnología.
No hay duda de que los beneficios de pilotes
geotérmicos aumentará a medida que la
demanda para ahorrar energía y la
sostenibilidad sean más importantes.
El gráfico muestra la recuperación de la
inversión, teniendo en cuenta el ahorro
energético y la inflación de electricidad, se
observa un periodo de recuperación corto de
entre 8 y 9 años.
Coste global instalación
€ 140.000
€ 120.000
€ 100.000
Mantenimiento
€ 80.000
€ 60.000
El coste de las instalaciones necesarias para
los pilotes geotérmicos es menor que para el
sistema convencional y significará un
abaratamiento en los costes de sustitución y
mantenimiento
€ 40.000
€ 20.000
€0
A
-€ 20.000
B
La sonda geotérmica, una vez instalada en
los pilotes y probada a presión requiere un
mantenimiento prácticamente nulo.
Recuperación de la inversión de
capital para pilotes geotérmicos
€120.000
€100.000
€80.000
€60.000
€40.000
€20.000
€0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Beneficio acumulado
(€) teniendo
en cuenta
un 5 % de
inflación
Cumulative
Gain
(Euros)
based
on
5% energética
Electricity…
Lafarge no hace ninguna declaración, expresa o implícita, respecto a la exactitud de la información sobre los precios
detallados en esta página. La información de precios, como se indica más arriba, tiene fecha de vigencia de marzo de
2013 y no debe ser utilizada para determinar los precios comerciales, sino que debe ser comparada frente a cualquier
proyecto particular. No se acepta ninguna responsabilidad legal ni obligación por cualquier error u omisión en los que se
pueda haber incurrido.
12
CIMENTACIONES
8. Contributions to buildings and cities
All Lafarge’s Efficient Building Systems have been peer-challenged by a panel of external and
experienced architects and engineers to meet and anticipate their expectations.
This panel considers that a sustainable building must be affordable, autonomous, connected, easyto-build, efficient, long-lasting, respectful of identity, responsive, robust and transparent. A
resilient city is characterized by its adaptability, biodiversity, continuity, decentralization, diversity,
preparation and redundancy (see the related introductory document).
The name given to the system enhances the above properties. The most pertinent characteristics are
described below.
A building should be efficient using a minimum
resources and energy.
A building’s efficiency should remain
normal circumstances.
supply of
constant over time in
Energy piles provide low CO2
energy to the building by
exchanging the heat between the
soil and the building.
Energy piles are produced with
concrete which is a durable material. As
the foundations are in the ground and
are not exposed it makes the system
enduring.
A building should allow people to create their own living
environment and therefore have a sense of belonging.
The system does not have an impact
on the external appearance and
design of the building therefore it
allows creating personal living
environment .
The building should be economically
This system provides free energy
to the building offering important
savings in cost over time.
A city should have abundant available
operational.
A city should evenly
viable.
resources to be suitably
distribute its resources within its
This system uses locally available
resources to provide renewable
energy.
This system can be well distributed
over the city and available when
needed.
boundaries.
A city’s resources should be optimally
stored so that they are
always available when needed.
13
This system prepares continuous
protected sources for energy
over time and available when required
PILOTES GEOTÉRMICOS
9. Otros recursos
EFFICIENT BUILDING™ SYSTEMS
HIGH
PERFORMANCE
CONCRETE
COLUMNS
CEMENT EARTH
BLCOK WALLS
VAULTED
CEILINGS
SOLAR WALLS
THERMAL MASS
VOID FORMERS
PRODUCTOS
AGILIA
CIMENTACIONES
RECURSOS
> www.enercret.com
> www.ic-group.org
> www.geotechnik-adam.at
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sea expresa o implícita, así como su responsabilidad sobre la precisión, fiabilidad y validez del contenido y no
aceptará responsabilidad alguna por pérdidas o otros daños comerciales en los que se incurra como resultado
de utilizar y confiar en la información proporcionada. No existe ninguna asociación entre Lafarge y las
empresas mencionadas en este catálogo. Todos los derechos de propiedad intelectual y sobre los productos de
estas empresas se utilizan solo a efectos identificativos e informativos y son propiedad, en todo momento, de
sus respectivos dueños.
14
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