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

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.

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"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.