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Cimentación termoactiva en muros pantalla en el Mercado Sant Antoni

Redacción Revista El Instalador10/04/2014
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El edificio del Mercado de Sant Antoni, construido a finales del siglo XIX y situado en pleno centro de Barcelona, es un claro ejemplo de sostenibilidad y eficiencia en la remodelación, modernización y rehabilitación de edificios. Por ello, la sociedad Mercats de Barcelona, ha apostado fuertemente por la geotermia, incorporando intercambiadores geotérmicos en los muros pantalla de cimentación, para dotar al edificio de una potencia de climatización de 600 kW térmicos. Así pues, esta obra emblemática, se convierte en la mayor obra de cimentación termoactiva realizada hasta la fecha en España.

DANIEL MUÑOZ Y ALFREDO MONTERO1
MIGUEL ÁNGEL PÉREZ E ISMAEL NAVARRO2
MIQUEL CAMPS3

1 Valoria Energía - Iberese (Sacyr Industrial)
2 Sacyr
3 AA25/scp Arquitectura & Instal•lacions

El Mercat de Sant Antoni, es un edificio singular con más de cien años de historia, que lleva inactivo desde hace más de diez años. Por ello, la sociedad Mercats de Barcelona quiere recuperar la actividad que ha desarrollado este mercado durante más de cien años, en una rehabilitación que pretende su integración en la ciudad como un edificio histórico, sostenible y eficiente.

El principal objetivo de la sociedad Mercats de Barcelona, consistente en remodelar y modernizar el edificio, mediante una serie de trabajos en activo en la fecha de redacción de este artículo. Entre ellos se encuentra la construcción de tres plantas de parking bajo el edificio del mercado. Estas actuaciones son posibles gracias a la construcción de muros pantalla en todo el perímetro del edificio, hasta una profundidad de 38 metros. Las pantallas posibilitan la ejecución segura del proyecto, ya que se aísla el terreno y las aguas subterráneas circundantes gracias a la impermeabilidad y al sostenimiento proporcionado por los muros pantalla, pudiendo realizar el vaciado interior de forma segura para la posterior ejecución del aparcamiento subterráneo.

El aprovechamiento geotérmico de muy baja entalpía se fundamenta en emplear como fuente de calor (suministro de energía renovable y gratuita) la temperatura más o menos constante del subsuelo en profundidad a lo largo del año. Esta corresponde a la temperatura media estacional del lugar. Por ello, en una obra cuyas dimensiones constructivas han sabido aprovechar la cimentación del edificio para conseguir una fuente de climatización, convierte esta referencia en un claro ejemplo de sostenibilidad en rehabilitación de edificios en el interior de grandes urbes.

Lógicamente, la principal ventaja de la cimentación energética frente a los sondeos geotérmicos o intercambiadores de calor (BHE) radica en que el coste de la perforación es sufragado por la propia cimentación, siendo las partidas de materiales, mano de obra e ingeniería los únicos costes a amortizar. De esta forma se pueden conseguir periodos inferiores de retorno de la inversión frente a los de una instalación geotérmica convencional.

Los trabajos de ejecución de los muros pantalla fueron realizados con hidrofresa, ejecutando una superficie total de pantallas, de casi 17.000 m2, en los que se introducen intercambiadores geotérmicos fabricados por Uponor en PE-Xa (polietileno reticulado), que forman un entramado de circuitos de cerca de 45.000 metros lineales de tubo instalado.

Los muros pantalla se realizan a lo largo de los 435 metros de perímetro de la parcela del mercado. En todo este perímetro se introducen un total de 159 módulos (considerando el conjunto de primario y secundario), bajando las armaduras en tres tramos, que sirven de soporte para los intercambiadores geotérmicos. La profundidad de estas pantallas llega hasta los 38 metros, de los cuales, los últimos 20 metros van empotrados en el terreno bajo la losa inferior (Figura 1).

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Estudios previos

Para un correcto dimensionamiento del sistema de intercambio geotérmico, se debe realizar una serie de estudios que permitan cuantificar la cantidad de energía disponible en el subsuelo. Esto consiste en la realización de un ensayo de respuesta térmico, que nos permita obtener el parámetro fundamental para el dimensionamiento de la instalación (intercambiadores y potencia total), la conductividad térmica media del subsuelo.

Para realizar un buen ensayo, se trata de disminuir las interferencias y variaciones producidas por el grout empleado para rellenar la perforación. Así, se realizó un sondeo piloto en el que instalaron sondas de intercambio del mismo material y diámetro hasta la profundidad a la que se van a realizar las pantallas. Esto junto con la recopilación de la geología e hidrogeología del emplazamiento, sirve como punto de partida para realizar los cálculos previos y comprobaciones pertinentes (Figura 2).

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El test o ensayo de respuesta térmica (ERT) duró aproximadamente unas 40 horas, que fueron suficientes para determinar con garantías la conductividad térmica del terreno, obteniéndose una lambda de 1,92 W/(m•K). Estos resultados fueron logrados mediante la interpretación de los resultados por el método de la línea de fuente de calor.

Estos resultados, junto con el modelo conceptual hidrogeológico y las mediciones de temperatura del terreno, antes y 12 horas después del ensayo, permite conocer los tramos saturados más transmisivos del subsuelo, donde se produce lógicamente mayor intercambio térmico. Esto es posible, por la observación de la recuperación térmica natural del suelo (Figura 3), normalmente gracias a la presencia o circulación de agua subterránea en niveles permeables del terreno o por la existencia de niveles muy densos y consolidados (roca).

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De igual modo, se realizan una serie de estudios en los que se simula el comportamiento hidráulico de todo el sistema de intercambiadores geotérmicos que se alojarán en las pantallas, determinando las pérdidas de carga de los circuitos y de sus colectores de distribución. El objetivo es asegurar el caudal suficiente para producir una óptima transferencia térmica en el bucle-intercambiador con el subsuelo, es decir, garantizando en todo momento régimen turbulento. Así pues, se determinan los diámetros mínimos de los bucles y de los colectores, y los caudales de las bombas encargadas de la circulación del fluido por los diferentes circuitos del sistema de intercambio geotérmico desde la cimentación hasta la sala técnica donde se sitúan los equipos de producción.

En las cimentaciones energéticas es crucial optimizar el consumo energético debido al bombeo del fluido caloportador, generalmente agua, dado que suele ser necesario instalar muchos más metros de colectores y un mayor número de conexiones y entronques que en un intercambiador geotérmico convencional basado en sondeos. El coste por consumo eléctrico de los equipos de bombeo en este tipo de sistemas es un parámetro esencial.

Una vez obtenido un modelo conceptual válido, con una distribución tipo de las sondas geotérmicas, se puede recurrir a su simulación y optimización mediante software de transferencia térmica para analizar los flujos de calor y las interferencias entre circuitos próximos, así como a la simulación del modelo hidrogeológico para determinar la cantidad de energía aportada o disipada por el flujo de aguas subterráneas.

Todos estos estudios previos permiten cuantificar la capacidad de extracción térmica por m2 de pantalla, situándolo en el caso del Mercado de Sant Antoni en un ratio de 35 W/m2. Estos ratios son cualitativos, pues varían según las cargas y demandas térmicas del edificio consideradas en los cálculos, por lo que es necesario ser muy escrupuloso y preciso en la determinación de las de las necesidades de climatización (demanda de frío, demanda de calor, potencias pico, balance energético anual, etc.).

Para nuestro caso, se determinó una densidad de tubo intercambiador (bucles) en las pantallas de 2,66 m/m2, recomendándose un diámetro de tubo PE-Xa de 25mm.

Otros de los aspectos que preocuparon al equipo especialista, debido a la singularidad y representatividad en el mercado europeo de este proyecto, fueron la calidad y durabilidad de los materiales a emplear. Por este motivo se descartó emplear PEAD y se acordó emplear PE-Xa (polietileno reticulado) con barrera contra la difusión de oxígeno.

Desarrollo de los trabajos. Instalación

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El principal hándicap planteado en esta obra, consistió en instalar los intercambiadores geotérmicos de 25x2,3 mm de diámetro y espesor de pared, en un solo tramo de tubo sin realizar ningún tipo de empalme intermedio, dado que cada armadura de cada módulo o batache de la pantalla va introducido tres tramos independientes de armadura, solapándose durante su introducción en el terreno. Esta decisión fue tomada para permitir el transporte por carretera de las armaduras hasta la obra y para no tener que emplear pesadas grúas más altas que los edificios en un medio urbano y demasiado cerca de las fachadas de los edificios, evitando así riesgos de accidente y temores en los vecinos.

Gracias a una especial coordinación entre los trabajos de cimentación e instalación de los intercambiadores, la instalación no supuso alteración alguna en el planning de trabajo recogido en contrato.

Los intercambiadores fueron fijados a la armadura mediante bridas poliméricas cada 1,5 metros, manteniendo una separación constante entre tubos de 30 cm. Asimismo, los extremos sobresalientes en la parte superior de la pantalla, fueron protegidos con tubo corrugado, para evitar rozaduras o estrangulamientos del tubo. El total de bucles instalados es de 580 bucles de 78 metros de longitud media (total de 45.270 metros de tubo), terminados en un periodo de 6 meses.

Iberese ha desarrollado un procedimiento de supervisión, comprobación y validación de los intercambiadores geotérmicos, que abarca desde su transporte, acopio en obra, desembalaje, instalación y puesta en servicio. De esta forma se asegura una correcta trazabilidad de los trabajos y la máxima calidad de ejecución. Todo esto repercute positivamente en una mejora de las garantías para el cliente.

Los intercambiadores una vez introducidos fueron presurizados, comprobando previamente una circulación normal de agua, con un caudal limpio y constante. Tras el hormigonado, se realizó una segunda prueba de presión para comprobar la integridad de los tubos en su ubicación final. Todos estos resultados fueron registrados en sus correspondientes estadillos, donde de forma individual se comprobó y anotó su correcta instalación, bajo supervisión y visto bueno definitivo de la dirección de obra.

Siguiendo unos estrictos métodos de instalación y empleando los materiales apropiados, junto con una adecuada coordinación y colaboración de todos los implicados en la obra, se ha conseguido instalar con éxito el 100% de los bucles, sin haber detectado ninguna rotura, pérdida de sección, minoración de caudal o estrangulamiento.

Una vez realizada la instalación de los intercambiadores en los muros pantallas, se procedió al conexionado horizontal de los intercambiadores, mediante un tubo PE-Xa de 50x4,6 mm dispuesto perimetralmente. Como diseño optimizado del conexionado, y buscando un adecuado fraccionamiento de los circuitos que alimentarán a las bombas de calor y que estarán ubicadas en diferentes puntos del edificio, se decidió dividir el sistema en 16 grupos de 36 circuitos de doble bucle, dotando así a cada bomba de calor de 4 grupos independientes. Todas las conexiones con los colectores horizontales se realizó con enlaces de polisulfona (PPSU) mediante anillo polimérico retráctil, asegurando presiones de servicio de hasta 16 bar. Además, dichos circuitos se someten también a pruebas de presión conjunta que aseguran la correcta conexión de todos los circuitos al sistema de colectores, y que quedan recogidas en los correspondientes estadillos.

El diseño realizado tiene la ventaja de ser un sistema sencillo y de rápida aplicación, estableciendo un periodo de ejecución de dos meses para todas las conexiones de los bucles al colector. Este conexionado queda embebido en las vigas de atado que conforman la unión de las pantallas con la losa superior del parking. De esta forma todas las conexiones quedan protegidas de cualquier otra labor desarrollada en las siguientes fases de la obra, con las entradas y salidas de los colectores situados en las salas donde se sitúen los equipos de producción. Desde este punto se podrá comprobar durante la duración de las labores de edificación la estanqueidad e integridad de todos los circuitos mediante la lectura de unos sencillos manómetros.

La instalación geotérmica podrá cubrir aproximadamente el 25% de las necesidades de refrigeración, calefacción y agua caliente del edificio. Está previsto contribuir con un total de 600 kW de calefacción y 450 kW de refrigeración. En principio se prevé instalar 4 grupos de bombas de calor geotérmicas de 150 kW de potencia cada uno, para atender a cada uno de los cuatro módulos del mercado.

Conclusiones

De una obra tan singular, y de la importancia y representatividad de este proyecto, se pueden obtener numerosas conclusiones, pero entre las más destacables cabe resaltar las siguientes:

  • Las cimentaciones energéticas pueden ser una solución más barata y económica que los sondeos geotérmicos convencionales.
  • Las pantallas continuas presentan un nivel de complejidad superior a los pilotes y micro-pilotes, tanto en su ejecución como en su dimensionamiento.
  • El conocimiento y experiencia del equipo técnico responsable de su diseño debe ser del máximo nivel. Deben estar presentes en todas las fases del proyecto.
  • El equipo técnico debe tener conocimientos amplios en hidrogeología, geotermia, cimentaciones pesadas, hidráulica, etc., para garantizar el cumplimiento de objetivos.
  • Los estudios previos necesarios deben ser muy completos, prestando especial atención a la hidrogeología del emplazamiento y simulaciones geotérmicas.
  • Aunque resulta más barato que otras opciones, son instalaciones muy complejas de diseñar e instalar. Se dañan fácilmente si no se toman las medidas oportunas.
  • Tanto el personal de ejecución de las cimentaciones pesadas como los responsables de la instalación de los bucles geotérmicos deben pertenecer a empresas de primer nivel y reconocido prestigio. La experiencia obtenida in-situ difícilmente puede ser transferida a través de documentación escrita.
  • Se trata de obras de elevada complejidad de ejecución en los que los problemas aparecen sin avisar y es vital la planificación diaria de los tajos.
  • Dado que los costes de ejecución son proporcionalmente menores que en otros tipos de intercambiadores geotérmicos es recomendable una exhaustiva ingeniería u supervisión en obra, así como la optimización de todas las fases.
  • El correcto diseño del sistema y los consumos energéticos por el bombeo y recirculación del fluido son aspectos vitales.
  • Las cimentaciones energéticas pueden ser una de las soluciones en medios urbanos densamente edificados, donde la disponibilidad de espacio es mínima.

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