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Micropilote geotérmico Ischebeck Titan

Cimentación termoactiva con intercambiador coaxial

Carlos Arenas y Alex Giménez, de Ischebeck Ibérica S.L.

14/01/2015

Dentro de las cimentaciones termoactivas, existen los micropilotes autoperforantes Ischebeck Titan, cuya sonda coaxial permite el aprovechamiento de la energía geotérmica dentro de la propia cimentación profunda para la climatización, si no del 100% de la demanda energética, del mayor aporte posible, de la propia edificación. Se presentan los resultados de TRT de proyecto y un ejemplo práctico de aplicación conseguido.

1.- Introducción

Una de las recientes aplicaciones dentro de la geotermia, es el aprovechamiento de las cimentaciones profundas proyectadas (pantallas, pilotes, micropilotes, y en general todas aquellas estructuras de hormigón armado de las cimentaciones), como elemento termoactivo; intercambiador de temperatura dentro de los sistemas de climatización geotérmica. Así pues, el elemento funciona como parte estructural de la cimentación y como sonda geotérmica, lo que permite un mayor ahorro y eficiencia en la inversión de la climatización de los edificios.

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Figura 1. Imagen de un pilote de perforación in situ con sonda geotérmica.
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Figura 2. Pilote de hinca.

Se trata pues de aprovechar la energía geotérmica de muy baja entalpía, temperaturas inferiores a 25°C, en la propia cimentación o elementos estructurales de las propias estructuras construidas.

Existen ya en el mercado toda una gama de soluciones de intercambiador en cuanto al aprovechamiento de la energía geotérmica de las cimentaciones. Dentro de las cimentaciones profundas se ha extendido el uso de sondas en pilotes, pantallas y micropilotes.

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Figura 3. Ejemplo de micropilote tradicional con sonda tipo doble U.
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Figura 4. Ejemplo de micropilote autoperforante Ischebeck Titan con sonda coaxial.

2.- Desarrollo y proceso constructivo del micropilote geotérmico Titan

En el contexto de un proyecto de investigación de Friedr. Ischebeck GmbH. con el soporte de la AIF (Federación Alemana de Asociaciones de Investigación Industrial), se realizó el siguiente proyecto: ‘Desarrollo de una combinación de Geotermia y un micropilote autoperforante como elemento portante, y optimización de la eficiencia energética’, dando los ensayos de TRT (test de respuesta térmica) como resultado, los datos siguientes:

Sistema Nr. Profundidad Conductividad térmica λ Rendimiento según longitud (basada en una longitud promedio de 20 m)
Sonda Doble U B/7 15,20 m 3,60 W/mK 105,35 W/m
Titan 73/53 (acero S 460) B/10 17,50 m 3,78 W/mK 111,44 W/m
Titan 73/53 (aluminio) B/5 25,30 m 3,68 W/mK 108,87 W/m

 

Tabla I: resultados de conductividad y rendimiento según longitud de los diferentes tipos de micropilotes ensayados.

El desarrollo tuvo lugar mediante la ejecución de un campo de pruebas de un total de 8 perforaciones de longitudes comprendidas entre 16 y 40 metros en un terreno de arenas saturadas en agua:

  • 4 x Titan 73/53 Material: aluminio
  • 3 x Titan 73/53 Material: acero StE 460
  • 1 x Sonda Doble U Material: PEAD

Los resultados obtenidos son del orden o incluso mejores que los de las sondas tradicionales doble U, dado que el acero tiene mejor conductividad térmica que el tubo PEAD.

Con este avance, se pretende dotar a las posibles cimentaciones profundas mediante micropilotes con sistema autoperforante, de la posibilidad de climatizar la edificación, si no del 100% de la demanda en climatización, el mayor aporte posible, mediante energía geotérmica. Las demandas puntas pueden solucionarse con otro tipo de sistemas híbridos.

El proceso constructivo de los micropilotes autoperforantes Ischebeck Titan es el habitual y según el procedimiento ya conocido de Ischebeck Titan; perforación e inyección simultánea, dinámica y continua, con la salvedad que el primer tramo del micropilote tras la boca de perforación debe incorporar el pie de sonda (ver figuras 5, 6 y 7):

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Figura 5: proceso de perforación y barrido con lechada pobre.
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Figura 6: proceso de inyección definitiva.
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Figura 7: detalle del pie de sonda.

Una vez acabada la perforación:

  • Inserción de la bola de cierre en el fondo/interior de la barra – pie de sonda, para dejar el conducto limpio
  • Inserción de un tubo flexible hasta el fondo lavando con agua el espacio interior de la barra.
  • Introducción de la sonda geotérmica / tubo de plástico PEAD de Ø 32 mm. e=2,9 mm.
  • Instalación de la cabeza de sonda - cabezal distribuidor geotérmico (ver detalle de la figura 8).
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Figura 8: detalle de la cabeza de sonda, con las conexiones de entrada y retorno.

Pasado un tiempo prudencial para que el cemento fragüe, se realizan las pruebas de estanqueidad y presión. Y finalmente, se recomienda para confirmar datos de proyecto la realización de TRT (test de respuesta térmica).

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Figura 9: detalle de micropilote geotérmico coaxial Ischebeck Titan 73/53.

3.- Ejemplo de aplicación

En una instalación industrial de la empresa Neidhardt Grundbau GmbH en Hamburgo, Alemania, se realizaron cuatro micropilotes geotérmicos coaxiales Ischebeck Titan, que además constituían la cimentación de una grúa. La empresa Knabe Enders Dührkop Ingenierure GmbH, mediante el programa EED fue la encargada de calcular el potencial de intercambio térmico existente para su empleo en calefacción y su posible uso en modo de oscilación (calefacción y refrigeración). Los micropilotes Ischebeck Titan 73/53 de unos 18,7 metros de longitud media se emplearon como fuentes de calor y sumideros de frío.

Parámetro Lectura
Temperatura de referencia del terreno 14,2 ºC
Resistencia térmica del taladro rb 0,103 (m.K)/W
Conductividad 1,8 W/(m.K)

 

Tabla II: resumen de los resultados TRT de los micropilotes geotérmicos Ischebeck Titan 73/53.

Para el cálculo de una instalación con sondas geotérmicas se debe conocer la demanda energética para calefacción y refrigeración y su distribución por meses.

En el cálculo mediante el programa EED se consideraron dos escenarios posibles de la cimentación geotérmica; el primero de ellos en funcionamiento monovalente para calefacción con los cuatro micropilotes, y el segundo en funcionamiento bivalente como almacenamiento oscilante (calefacción/refrigeración). Los parámetros empleados y los datos obtenidos se muestran a continuación:

  Variante 1 Calefacción Variante 2 Calef-refig
Transmisividad térmica del terreno λ = 1,8 W/m/K (Resultado del TRT)
Temperatura de referencia en el terreno 14,2 ºC (Resultado del TRT)
Resistencia de la perforación 0,103 (mK/W) (Resultado del TRT)
Fluido caloportador mezcla agua-glicol (punto de congelación: -14ºC)
Micropilotes geotérmicos 18,7 m (longitud útil: 18,2 m)
Nº de micropilotes geotérmicos 4
Tipo de sonda micropilote coaxial (sonda coaxial) Ø ext 73 mm
Diámetro de los micropilotes 200 mm
Separación entre micropilotes 3,3 m (valor medio)
Factor de rendimiento estacional (calef.) β = 4,0 (valor estimado) β = 4,0 (valor estimado)
Factor de rendimiento estacional (refrig.)   β = 3,0 (valor estimado)
Temperaturas límite Límite inferior: 0,0 ºC Límite inferior: 0,0ºC
Temperaturas límite   Límite superior: 30,0ºC

 

Tabla III: parámetros básicos para los cálculos con EED.
Parámetro Variante 1 Calefacción Variante 2 Calef.-refrig
Capacidad calentamiento 4,5 kW 6,0 kW
Trabajo anual calefacción 5,85 MWh/a (aprox. 1300 h a plena carga) 7,2 MWh/a (aprox. 1300 h a plena carga)
Capacidad refrigeración - 3,6 kW
Trabajo anual refrigeración - 3,2 MWh/a (aprox. 900 h a plena carga)

 

Tabla IV: Resumen de los datos de calefacción y refrigeración obtenidos.

La evaluación del sistema de micropilotes en el estudio junto con la utilización de cementos mejorados térmicamente proporcionó ratios de extracción del entorno de 100 W/m. Sin el empleo de cementos térmicamente mejorados, los ratios de extracción están en torno a 60 y 80 W/m.

En función de los resultados se recomendó el funcionamiento según la segunda variante.

4. Conclusiones

La utilización de los micropilotes con sonda coaxial tipo autoperforante Ischebeck Titan 73/53 muestra que es una solución óptima de cara al aprovechamiento energético de las cimentaciones profundas mediante micropilotes. Los ratios de extracción son incluso superiores a los obtenidos con micropilotes tradicionales.

La instalación en un único procedimiento de perforación e instalación de la sonda geotérmica supone una ventaja de rendimiento y de uso muy versátil, ya que no requiere de entubaciones ni revestimientos. Los micropilotes asumen cargas a tracción y/o compresión o combinadas, y, a la vez, actúan de sondas de captación geotérmica.

Los valores son muy similares a los de las Sondas en Doble U y cumplen con la Directiva Térmica para Geotermia VDI 4640.

Los costes suponen un ahorro del 25% en comparación con un sistema doble de cimentación más sonda termoactiva.

Agradecimientos

Los autores agradecen la colaboración al departamento y al equipo completo de exportación de Friedr. Ischebeck GmbH y a la empresa Neidhardt Grundbau GmbH, así como Pilosur S.L por el soporte y ayuda técnica prestada.

Empresas o entidades relacionadas

Ischebeck Ibérica, S.L.

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