28 maio 2021

Estudo pioneiro no Brasil propõe o uso de energia do solo para climatizar edifícios

Experimentos realizados na EESC atestaram a viabilidade do sistema para utilização em solo brasileiro. (Foto: Thaise Morais)


Pela primeira vez na história, o Brasil terá um prédio que usa energia do solo para climatizar seus ambientes. O feito inédito é continuidade de uma pesquisa inovadora realizada na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP que avaliou o uso das fundações de edifícios como meio para a troca de energia térmica entre o prédio e o subsolo. A experiência internacional com o uso dessa tecnologia, baseada em energia geotérmica (do interior da Terra), tem relatado considerável economia no consumo de energia para climatização (aquecimento e resfriamento). Aqui no Brasil, a expectativa com a implementação desse sistema é de que as despesas com o consumo de energia elétrica por aparelhos de ar-condicionado sejam reduzidas. Batizado de CICS Living Lab, a edificação brasileira já começou a ser construída na Escola Politécnica da USP, em São Paulo.

Foi a pesquisadora Thaise Morais, do Departamento de Geotecnia (SGS) da EESC, que desenvolveu a primeira tese de doutorado brasileira para avaliar o desempenho dessa tecnologia nas condições de clima e solo do Brasil. Ela explica que a energia geotérmica é aquela encontrada dentro da crosta terrestre, seja no solo, rochas ou mesmo na água, sendo identificada pela temperatura. Esta energia pode ser transferida para a superfície por processos de troca térmica a partir das fundações da edificação. “A temperatura da região que vai desde a camada superficial da crosta terrestre até algumas centenas de metros de profundidade é resultado das interações naturais que ocorrem entre o ambiente externo e o interior da crosta. Assim, o solo funciona como uma espécie de bateria ou reservatório de energia térmica”, descreve a especialista.

Sistema inovador

O sistema inovador no país capta ou rejeita calor do/no solo por meio das estacas que compõem a própria fundação do edifício. Essas estacas ficam enterradas e, por estarem em contato direto com o subsolo, possuem uma grande área de contato para a troca térmica. Através de tubos instalados no seu interior e com a ajuda de um fluido, a energia térmica é levada até a superfície onde uma bomba geotérmica faz a troca de calor entre o subsolo e os ambientes do prédio. “Nos testes, usamos água potável como fluído para a troca de calor entre a fundação e o subsolo. A bomba troca calor com a água a partir de um outro fluido refrigerante que circula em seu interior. Essa troca é feita de forma contínua e repetitiva até que a temperatura desejada para o ambiente seja alcançada”, relata a pesquisadora.

Aspectos ambientais e de economia foram o incentivo para um engenheiro de minas austríaco criar o sistema de bomba de calor em 1855. A tecnologia é uma das realizações de engenharia mais sofisticadas do século XX. “São dispositivos simples, que realizam o transporte de calor em alto nível de eficiência. Nós realizamos testes de troca térmica entre a fundação e o subsolo em escala real no Campo Experimental de Fundações da EESC, em São Carlos. Além disso, também fizemos ensaios mecânicos e testes térmicos no solo. Os resultados foram muito positivos”, conta Thaise.

Energia do subsolo

O sistema de aproveitamento de energia geotérmica pode ser aplicado em todos os tipos de edifícios. Antes disso, porém, é preciso conhecer as propriedades térmicas do subsolo daquela localidade e analisar as condições de clima e demanda térmica da edificação. “Já se sabe que a partir de poucos metros de profundidade a temperatura do solo praticamente não muda durante o ano, apesar de variar no ambiente externo, e é semelhante à média da temperatura atmosférica anual do local. O Brasil é um país de extensão continental que apresenta temperaturas anuais médias que variam de acordo com a região. Portanto, a eficiência desse sistema, que proporciona redução nos custos operacionais dos edifícios a longo prazo, deve variar regionalmente”, afirma a especialista.

A demanda por fontes alternativas de energia renovável tem aumentado mundialmente e sua utilização já se tornou corriqueira nos projetos de edificações, o que amplia a busca por tecnologias que utilizem energia limpa. Já aplicada em outros países da Europa e nos Estados Unidos há pelo menos 20 anos, o sistema geotérmico é uma das aplicações de energia renovável que mais cresce no planeta. No entanto, seu uso nunca havia sido estudado para implementação em território brasileiro, que possui clima distinto dos países que já o utilizavam.

Energia geotérmica

O sistema de aproveitamento de energia geotérmica pode ser aplicado em todos os tipos de edifícios. Antes disso, porém, é preciso conhecer as propriedades térmicas do subsolo daquela localidade e analisar as condições de clima e demanda térmica da edificação. “Já se sabe que a partir de poucos metros de profundidade a temperatura do solo praticamente não muda durante o ano, apesar de variar no ambiente externo, e é semelhante à média da temperatura atmosférica anual do local. O Brasil é um país de extensão continental que apresenta temperaturas anuais médias que variam de acordo com a região. Portanto, a eficiência desse sistema, que proporciona redução nos custos operacionais dos edifícios a longo prazo, deve variar regionalmente”, afirma a especialista.

A demanda por fontes alternativas de energia renovável tem aumentado mundialmente e sua utilização já se tornou corriqueira nos projetos de edificações, o que amplia a busca por tecnologias que utilizem energia limpa. Já aplicada em outros países da Europa e nos Estados Unidos há pelo menos 20 anos, o sistema geotérmico é uma das aplicações de energia renovável que mais cresce no planeta. No entanto, seu uso nunca havia sido estudado para implementação em território brasileiro, que possui clima distinto dos países que já o utilizavam. 

A busca dos brasileiros por uma temperatura confortável em casa ou no trabalho coloca o país como o quinto maior consumidor de aparelhos de ar-condicionado do mundo. Dados do Ministério de Minas e Energia mostram que entre os anos de 2005 e 2017 apenas o setor residencial brasileiro mais que duplicou a posse desses equipamentos, tendo aumentado sua participação no consumo total de energia elétrica dentro das casas de 7%, em 2005, para 14% em 2017. Diante da necessidade de reduzir consumo de energia elétrica com ar-condicionado no Brasil, o sistema baseado na troca de energia térmica com o subsolo a partir das fundações pode ser uma alternativa aos tradicionais sistemas de climatização.

Estudos começaram em 2014

Os estudos realizados na EESC, que começaram em 2014, contou com financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), via projeto de pesquisa coordenado pela professora Cristina Tsuha, que foi orientadora de Thaise, e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), que concedeu bolsa de doutorado à pesquisadora. A tese de Thaise venceu o Prêmio Costa Nunes da Associação Brasileira de Mecânica dos Solos e Engenharia Geotécnica como melhor tese de doutorado do biênio 2018-2019. A pesquisadora, que concorreu com trabalhos do país inteiro e de diferentes áreas da Geotecnia, celebrou o reconhecimento. “Além de representar a importância do meu trabalho, a vitória também acaba divulgando a inovação e a relevância em implantar esse tipo de sistema no Brasil. Estamos no caminho certo”, conclui.

O prédio em construção na USP, em São Paulo, é financiado pelo Centro de Inovação em Construção Sustentável (CICS-USP), que é um ecossistema com representantes de empresas e da academia dedicado a acelerar a inovação, a sustentabilidade e a produtividade na construção civil. O edifício será usado pela Escola Politécnica como um “laboratório vivo”, onde novas tecnologias sustentáveis e materiais inéditos serão testados. As obras estão paralisadas atualmente por conta da pandemia, mas devem ser retomadas assim que possível.

Obras do CICS Living Lab já começaram na capital paulista. (Foto: Cristina Tsuha)

Entre os anos de 2005 e 2017, apenas o setor residencial brasileiro mais que duplicou a posse de aparelhos de ar-condicionado. (Foto: Canva)

Trabalhadores instalam as estacas para a realização de testes em escala real no Campo Experimental de Fundações da EESC. (Foto: Thaise Morais)
Pesquisa avaliou o uso das fundações de edifícios como meio para a troca de energia térmica entre o prédio e o subsolo. (Foto: Canva)

Projeto do edifício que será construído na Escola Politécnica da USP, em São Paulo.
(Foto: Aflalo & Gasperini)

 Esquema ilustra como funciona o sistema de aproveitamento de energia geotérmica para climatizar ambientes. (Foto: Thaise Morais)









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