«

»

Fundatii geo-energetice

Share

molnar-fig-3Valorificarea resurselor energetice, la nivel global, este una dintre problemele cruciale ale secolu­lui XXI. Desi o epuizare a resurselor conventionale nu este asteptata in viitorul apropiat, consecintele utilizarii in exces a acestor resurse reprezinta o problema extrem de sensibila si care este tratata cu responsabilitate la nivel global. De asemenea, cresterile ingrijoratoare de emisii de dioxid de carbon reprezinta o alta pro­blema acuta ce necesita solutii in vederea protectiei mediului si a sanatatii. In acest context, fundatiile geo-energetice re­prezinta o solutie inovatoare care poate contribui la reducerea consumului de energie conventionala si implicit, la reducerea emisiilor de dioxid de carbon.

Prezenta lucrare face o succinta descriere a unor asemenea sis­teme si, totodata, o analiza privind implementarea acestor tipuri de structuri in Romania. 

Fundatiile geo-energetice sunt o sursa de energie regenerabila. Ideea care sta la baza acestor sisteme este aceea de a utiliza capacitatea de stocare termica a paman­tului, prin intermediul fundatii­lor constructiilor (piloti, radiere etc.) (fig. 1). Practic, este vorba despre folosirea elementelor de rezistenta care sunt, deja, necesare la executia structurilor, ca sistem intermediar pentru acoperirea necesarului de incalzire sau racire a constructiei.

La ora actuala, in Europa exista peste 1.000 de cladiri echipate cu asemenea sisteme de fundare. Teh­nologia a fost implementata cu succes in tari precum: Elvetia, Marea Britanie, Franta, Austria, Ger­mania, etc. (ex.: In Marea Britanie, in perioada 2005-2012, s-au executat peste 50 de astfel de in­vestitii, sistemul fiind integrat intr-un numar de peste 5.000 de piloti energetici de diferite lungimi [1] (fig. 2).

Fundatiile geo-energetice au devenit un trend la nivel mondial, implementarea lor fiind un subiect abordat si in tari precum Australia si SUA. De mentionat si aparitia unor proceduri legislative, cum sunt Protocolul Kyoto si Target 2020, prin intermediul carora se incearca informarea institutiilor publice, private si a populatiei, in ceea ce priveste avantajele structurilor geo-energe­tice si nevoia de implementare in cadrul proiectelor de constructii a cat mai multor tehnologii verzi (piloti energetici, radiere energetice, tuneluri energetice etc.).

PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE SI AVANTAJE

Principiul de functionare

Sistemul de fundatii geo-energe­tice este compus din 3 elemente principale: pompa de caldura, sis­temul de fundare (ex. piloti) si pamantul (fig. 3).

Fundatiile geo-energetice sunt proiectate sa functioneze la o adancime relativ redusa (0 m – 30 m) in comparatie cu restul sistemelor care se inglo­beaza direct in pamant si care pot ajunge la adancimi considerabile sau care necesita supra­fete de „desfasurare“ orizontale semnificative in afara perimetrului constructiei.

Eficienta sistemului este cuantificata prin Coeficientul de performanta (CdP), care arata cate unitati de caldura se obtin prin utilizarea unei unitati de elec­tricitate.

Pentru ca sistemul sa poata fi considerat performant, coeficientul de performanta trebuie sa depa­seasca valoa­rea 4 [3].

Avantajele sistemelor geo-energetice

Sistemul de fundatii geo-energe­tice poate fi implementat in diferite tipuri de fundatii/structuri: piloti, radiere, barete, pereti mulati, dia­fragme; structuri de sprijin, tuneluri, statii de metrou etc. [3].

Sistemele pot fi folosite pentru: incalzirea/racirea cladirilor; incalzi­rea / racirea statiilor de metrou si a camerelor tehnice; incalzirea drumurilor, parcarilor; incalzirea pistelor pentru avioane; „tuneluri energetice“ pentru incalzirea/racirea cladirilor din apropierea portalelor.

Intre cele mai importante avantaje ale sistemelor de fundatii geo-energetice se pot mentiona ur­ma­toarele: reducerea emisiilor de dioxid de carbon (C02), sursa de energie inepuizabila, indepen­denta fata de furnizorii externi, costuri de intretinere reduse.

Comportarea pilotilor geo-energetici

Spre deosebire de sistemele traditionale de fundatii, la care se analizeaza comportarea mecanica, fundatiile geo-energetice trebuie analizate din punct de vedere termo-mecanic, temperatura avand un rol extrem de important in comportarea lor.

Dintre toate tipurile de fundatii geo-energetice, sistemul cel mai des implementat este cel de fundare pe piloti, respectiv pilotii geo-energetici sau termo­pilotii. Pentru a putea intelege comportarea lor complexa, este esential sa se inteleaga mai intai comportarea lor strict sub incarcari termice.

Un pilot conside­rat corp liber se dilata/contracta proportional cu coeficientul de dilatare termica (fig. 4), a(me/°C) [2], [9]. In perioada de incalzire pilotul se dilata, iar in timpul racirii el se contracta. Deformatia suferita de pilot, in lipsa eforturilor axiale suplimentare din incar­carea mecanica, este data de relatia urmatoare:

eT-Liber = a ·DT                 (1)

unde eT-Liber = deformatia specifica libera produsa de modificarea temperaturii pilotului; a = coeficientul de dilatare termica si DT = diferenta de temperatura.

Alungirea pilotului se poate calcula cu relatia:

DL = L0 · eT-Liber                              (2)

unde DL = alungirea pilotului; L0 = lungimea initiala a pilotului.

Acest tip de rezemare este, insa, unul teoretic, deoarece, in general, pilotul este incastrat la partea superioara. In cazul in care un pilot este considerat incastrat perfect la ambele capete, potentialul de deformatie este transformat in incarcare axiala (fig. 5). Astfel, in etapa de incalzire, din cauza gradelor de li­bertate blocate, dilatarea este restrictionata, rezultand, astfel, un efort suplimentar de compresiune in interiorul pilotului. In etapa de racire, comportamentul este unul opus, aparand un efort de intindere. Efortul axial se poate calcula cu relatia:

P = E · A · eT-Rstr                                                (3)

unde P = efort axial pilot; E = modulul de deformatie al pilotului (material), A = aria sectiunii transversale a pilotului.

In cazul incarcarilor termice este, de asemenea, important sa se determine pozitia „punctului nul“, punctul nul fiind cel in care deformatiile induse de incarcarea termica sunt egale cu zero [6], [7].

Toate aceste aspecte, in ceea ce priveste comportarea termica, este esential sa fie analizate pentru a putea fi suprapuse pe comportarea mecanica a pilotilor. O proiectare corecta si eficienta se poate face pe baza analizei comportarii termo – mecanice a sistemului geo-energetic (fig. 6).

De asemenea, comportarea sistemului de fundare geo-energetic este influentata de mai multi fac­tori: parametri fizici ai pamantului (conductivitate termica), parametri geo­tehnici, efectul de supra-consolidare, numarul de cicluri de incalzire / racire etc.

PROIECTAREA STRUCTURILOR GEO-ENERGETICE

Cu toate ca, incepand cu anii `80, au fost deja construite in Europa un numar mare de geo-structuri, pro­iectarea lor este standardizata in foarte putine tari (Marea Britanie, Elvetia, Germania). Acest lucru se datoreaza, in mod special, faptului ca, in procesul de proiectare, cat si in cel de implementare a unor asemenea tipuri de structuri, sunt necesare cunostinte multidisciplinare, ce reunesc domenii precum ingineria civila, energie, instalatii etc.

Exista, insa, in literatura de specialitate, o serie de recomandari importante privind proiectarea sistemelor de fundatii geo-energetice, recomandari bazate pe experientele acumulate in proiectele anterioare. Printre acestea se numara: tempe­ratura din interiorul sistemului trebuie sa fie pozitiva, inghetul interfatei dintre pilot si pamant trebuie evitat iar temperatura agentului termic se recomanda sa nu scada sub 0°C.

Valorile posibile de extragere a energiei variaza intre 20 W/m si 100 W/m, aceste valori fiind influentate direct de proprietatile termice ale pamantului. Regimul turbulent al fluxului agentului termic trebuie evitat, in special la sisteme echipate cu mai putin de patru bucle U. In cazul sistemelor cu pompa de caldura se obtine caldura pentru aproximativ 2 mp de planseu, cu 1 m de termo-pilot. Eficienta sistemului este optimizata, daca pilotii sunt uniform distribuiti pe intreaga fundatie.

Stabilitatea termo-pilotilor si capa­citatea lor portanta trebuie verificate in noile conditii. Tevile inglobate in interiorul pilotului reduc rezistenta sectiunii pilotului; in consecinta, este necesara verificarea pilotului cu sectiunea redusa.

Parametrii termici ai materialelor folosite (pamant, beton, otel) trebuie determinati cu atentie.

In general, atunci cand o actiune termica este transmisa de la un pilot catre pamant, acesta reactioneaza prin schimbari de volum (fig. 7), dar diferit, in functie de tipul de pamant. Variatia de temperatura poate afecta (pozitiv sau negativ) starea de eforturi la interfata pamant – pilot, precum si rezistenta la forfecare [8]. Eforturile suplimentare produse de incarcarea termica provoaca tasari suplimentare ale pilotilor; in schimb, frecarea laterala ramane, de regula, in domeniul elastic [5].

Comparativ cu sistemele tradi­tio­nale, sunt necesare, de asemenea, o serie de investigatii geotehnice suplimentare legate de stratificatia geologica (straturile superficiale, cat si straturile de la adanci­me), de parametrii geotehnici (umiditate, densitati, indicele porilor), de parametrii hidraulici, me­canici si geotermici (conductivitatea, gradientul termic, temperatura pamantului), de parametrii hidrogeologici (nivelul apei subterane, fluctuatiile nivelului apei subterane, directia de curgere a cu­rentilor acviferi etc.), de structura mineralogica a pamantului. Cu cat mai multe informatii sunt dispo­nibile, cu atat proiectarea poate fi mai eficienta [4].

CONCLUZII

Aspectele climatice, cum ar fi temperatura aerului si a pamantului, umiditatea relativa, cantitatea de precipitatii, reprezinta factori importanti care influenteaza determinarea eficientei si aplicabilitatii aces­tor sisteme intr-o anumita zona geografica. Climatul temperat continental, cu veri calduroase si ierni aspre, reprezinta un atu pentru aplicabilitatea lor in Romania. Sistemele de fundare geo-energetice aduc bene­ficii importante constructiei, atat din punct de vedere energetic, cat si al protectiei mediului. Totodata, insa, implementarea lor eficienta implica o analiza complexa a parametrilor nece­sari pentru proiectare, precum si a comportarii termo-mecanice si necesita o coordonare corecta a specialistilor din domeniile implicate.

BIBLIOGRAFIE

  1. Amis T., Energy piles and other thermal foundations for GSHP- Developments in UK practice and research. REHVA Journal, l, 32-35 (2014);
  2. Bourne-Webb, P.J., Amatya, B., Soga, K., A framework for understanding energy pile behaviour. ICE Proceedings Geo­­te­ch­nical Engineering 166, 2, 170-177 (2013);
  3. Heinz Brandl, Thermo-active ground-source structures for heating and cooling. Procedia Engineering, 3, 9-18 (2013);
  4. Monique de Moel, Peter M. Bach, Abdelmalek Bouazza, Rao M. Singh, JingLiang O. Sun, Technological advances and applications of geothermal energy pile foundations and their feasibility in Australia. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, 9, 2683-2696 (2010);
  5. A. Di Donna., Thermo-mechanical aspects of energy piles. Doctoral thesis, Politecnico di Torino, Torino, 2014;
  6. Knellwolf, C., Peron, H., Laloui, L., Geotechnical Analysis of Heat Exchanger Piles. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 24, 10, 890-902 (2011);
  7. Thomas Mimouni, Lyesse Laloui, Towards a secure basis for the design of geothermal piles. Acta Geotechnica, 9, 3, 355-366 (2014);
  8. Lyesse Laloui, Alice Di Donna, Energy Geostructures – Innovation in Underground Engineering. Wiley-Iste, 2013;
  9. Kyle D. Murphy, John S. McCartney, Karen S. Henry, Evaluation of thermo-mechanical and thermal behavior of full-scale energy foundations. Acta Geotechnica, 10, 2, 179-195 (2015);
  10. Tetiana Nikiforova, Mykola Savytskyi, Karim Limam, Walter Bosschaerts, RafIk Belarbi, Methods and Results of Experimental Researches of Thermal Conductivity of Soils. Energy Procedia, 42, 775-783 (2013).

Autori:
s.l. dr. ing. Iulia – Consuela PRODAN – Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii, Departamentul Structuri
ing. Octavian Bujor, ing. Florin-Liviu Bodea – Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Facultatea de Constructii, master in Inginerie Geotehnica 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 130 – octombrie 2016, pag. 52

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: http://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2016/10/01/fundatii-geo-energetice/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.