Na guerra para reduzir o nosso consumo de energia, foi traçada uma linha de frente no campo do controlo da temperatura. O Departamento de Energia dos EUA estima que cerca de 40% do consumo total de energia do país vai para o aquecimento e resfriamento de nossas casas, escritórios e instituições. Quer eles se sirvam da rede elétrica para bater o calor durante o verão ou queimem combustíveis fósseis no local para combater o frio do inverno, os edifícios, em geral, fazem com que os utilitários esportivos pareçam ecologicamente corretos.
Embora tenham sido feitos avanços significativos para mudar esse quadro, projetando sistemas mecânicos mais eficientes, aumentando o desempenho térmico e desenvolvendo a geração de energia renovável no local – todos os avanços importantes e admiráveis – talvez o recurso mais promissor disponível para a arquitetura possa ser encontrado dentro da própria terra firme sobre a qual as estruturas se baseiam, na forma de sistemas geotérmicos.
A primeira coisa que qualquer especialista em tecnologia lhe dirá é que os sistemas geotérmicos para edifícios, também conhecidos como bombas de calor geotérmicas ou bombas de calor de fonte terrestre (GHPs), não são a mesma coisa que as centrais de energia geotérmica. As centrais geotérmicas – conhecidas na indústria como geotérmicas de rocha quente – são grandes instalações construídas (neste país) principalmente em torno das Montanhas Rochosas e da Serra Nevada, onde as temperaturas extremamente elevadas do manto terrestre podem ser encontradas relativamente perto da superfície. Elas aproveitam estas reservas de calor e utilizam-nas para produzir vapor, que depois acciona uma turbina, produzindo assim electricidade.
GHPs, por outro lado, utilizam a energia térmica armazenada na porção superior da crosta terrestre para aquecer ou arrefecer um edifício, substituindo as caldeiras convencionais e os sistemas de ar condicionado. “A temperatura da Terra abaixo de 20 ou 30 pés é um número relativamente constante durante todo o ano, entre 50 e 60 graus” F, diz John Kelly, o COO da Geothermal Exchange Organization, uma organização comercial sem fins lucrativos em Washington, D.C., que faz lobby para a adoção mais ampla da tecnologia. “Uma bomba de calor geotérmica move o calor de e para a Terra através da circulação de água através de um poço”
“Por exemplo”, Kelly oferece, “digamos que em Kansas City, a temperatura subterrânea é de 55 graus”. No verão, a temperatura do ar é de 100 graus, e no inverno é de 20, mas no subsolo ainda é de 55. Não é tão difícil tirar essa temperatura constante do solo para que você possa aquecer no inverno e resfriar no verão”, “
Em outras palavras, no inverno, um GHP move a energia térmica de debaixo da terra para um edifício, e no verão inverte esse processo, movendo o calor de um edifício para dentro da terra”. Estes sistemas incorporam um laço de tubagem enterrado no solo através do qual a água circula, e a bomba de calor retira a temperatura da água e distribui-a através do edifício, da mesma forma que funciona o ar condicionado central. Em alternativa, a água subterrânea circula directamente através de uma série de poços.
De qualquer forma, os GHPs são significativamente mais baratos de operar do que os sistemas convencionais de aquecimento e arrefecimento. “A economia de custos ocorre porque o solo oferece temperaturas iniciais mais próximas das desejadas para aquecimento e resfriamento do que os extremos de temperatura sazonais nos quais muitos sistemas convencionais de climatização por ar dependem”, diz John Rhyner, gerente sênior de projetos da P.W. Grosser Consulting em Bohemia, N.Y., uma empresa de engenharia civil especializada em geotermia e que atualmente está escrevendo um livro de diretrizes sobre a tecnologia para o Departamento de Design e Construção da cidade de Nova York. “É preciso menos energia para compensar essa diferença menor na temperatura”, diz Rhyner.
Embora a teoria e a tecnologia por trás do GHP sejam simples, implementar um sistema GHP pode ser uma questão mais complexa. Existem vários tipos diferentes de sistemas GHP, e escolher o melhor para um projeto específico pode exigir uma boa dose de estudo e personalização. “Não é uma abordagem de corte de biscoitos”, diz Rhyner. “É necessário algum nível de análise de viabilidade inicial para escolher o sistema certo para um determinado local”. Para um sistema comercial de médio a grande porte, a devida diligência e a análise de viabilidade são fundamentais, e não devem quebrar o orçamento”
“O objetivo”, acrescenta Rhyner, “é colocar todos na mesma página no início e fornecer uma direção clara sobre a abordagem”. O tipo de sistema mais adequado varia geograficamente, tudo dependendo das condições geológicas, como o edifício é acoplado ao solo e qual o método de perfuração mais adequado””
Os três tipos mais comuns de sistemas GHP são de ciclo fechado, ciclo aberto e poço de coluna em pé. Os sistemas de ciclo fechado circulam a água através de uma rede selada de tubos enterrados no subsolo. A água dentro das tubagens transfere calor da terra para o edifício durante o Inverno, e vice-versa durante o Verão, através de um permutador de calor. Como a água flui em circuito fechado, não troca toda a sua temperatura; pode aquecer até 80 a 90 graus F no verão e até 40 a 30 graus F no inverno. Por esta razão, a água é normalmente combinada com uma mistura de 30% de anticongelante alimentar (por exemplo, propilenoglicol) para evitar que o fluido gelifique durante os meses de inverno.
Sistemas de ciclo fechado podem ser colocados horizontalmente nos campos, enterrados logo abaixo da linha de congelamento, ou verticalmente em poços, furados tipicamente de 200 a 500 pés de profundidade. Os sistemas horizontais são geralmente utilizados para projetos menores ou residenciais. São mais baratos de instalar, mas são afectados pela temperatura do ar exterior, o que significa que podem tornar-se menos eficientes à medida que a estação avança e que o solo assume as características da temperatura do ar.
Os sistemas de ciclo fechado perfurado verticalmente são mais eficientes do que os sistemas horizontais, uma vez que mais da tubagem está em contacto com os materiais estáveis e frescos da terra. Eles são mais eficientes se puderem ser perfurados em águas subterrâneas em vez de solo seco, uma vez que a água é um bom condutor de calor. Os sistemas de circuito fechado normalmente requerem grandes quantidades de terra. “Para um sistema de ciclo fechado, tudo depende da quantidade de tubos que você pode colocar no solo com a área de terra aberta que você tem disponível para trabalhar”, diz Rhyner. “Você obtém um certo número de toneladas por metro linear, e pode obter mais tubos no solo indo verticalmente do que horizontalmente”
Sistemas de ciclo aberto extraem a água subterrânea real de um poço, movem-na através de um trocador de calor, e depois retornam a água para poços separados, onde é permitido percolar de volta para o aquífero. Os poços de abastecimento e retorno (estes últimos também são conhecidos como “poços de injecção”) devem ser colocados suficientemente afastados para garantir que a água termicamente alterada (isto é, a água que é aquecida ou arrefecida) não seja sugada de volta para o sistema através dos poços de abastecimento até que recupere a temperatura do solo. O número de poços de injeção necessários depende inteiramente da taxa de fluxo gerado pelos poços de abastecimento.
Os sistemas de ciclo aberto são geralmente mais eficientes do que os sistemas de ciclo fechado porque são melhor acoplados com as temperaturas do solo, não ocorrendo transferência de calor através do tubo de plástico de ciclo fechado ou da calda de injecção usada para selar o furo. No entanto, estes sistemas apresentam desafios, principalmente a química da água, que pode corroer o equipamento de bombeamento de calor ou pode sujar o sistema com o tempo, exigindo uma limpeza extra. Se as águas subterrâneas contêm altos níveis de sal, minerais ou ferro, os sistemas de ciclo fechado são geralmente preferíveis.
Poços de coluna são um tipo especializado de sistema de ciclo aberto que é bem adequado onde o leito da rocha não é muito profundo abaixo da superfície. Os poços de coluna em pé são perfurados a profundidades de 1.500 a 2.000 pés. A porção rasa do poço através da zona do solo tem carcaça de aço instalada, enquanto a profundidade restante é perfurada e deixada como um furo de rocha aberto. Nestes sistemas, a água subterrânea é bombeada para cima a partir do fundo do poço, passa por uma bomba de calor ou trocador de calor, e depois volta para o topo do poço, onde filtra lentamente para baixo, trocando calor com o leito rochoso circundante.
De acordo com Rhyner, “poços de coluna em pé fornecem a maior capacidade térmica por instalação, assim são populares em locais urbanos como Nova York, com poucos imóveis para perfurar”. Onde o leito rochoso é mais profundo que 100 a 125 pés pode ficar muito caro para instalar estes poços, devido à quantidade de revestimento de aço que você precisaria para selar a zona do solo.
Se escolher qual destes sistemas é adequado para um projeto específico, é necessário calcular a demanda de aquecimento e resfriamento de um edifício e realizar uma análise subsuperficial para determinar a capacidade térmica do local, e quantos poços ou quão grande de um campo de laço será necessário. Se os cálculos forem feitos correctamente e o sistema for correctamente concebido, os GHPs podem suportar todas as cargas de aquecimento e arrefecimento de um edifício, independentemente das condições climáticas que prevaleçam.
“As bombas de calor funcionam em qualquer parte do mundo”, diz Kelly. “Elas certamente funcionam bem em toda a América do Norte”. Elas são amplamente utilizadas no Canadá, e também no México”. Quando concebidas e instaladas correctamente, as bombas de calor reduzem drasticamente a quantidade de energia necessária para aquecer e arrefecer um edifício. Segundo a Agência de Proteção Ambiental dos EUA, os GHPs são 48% mais eficientes do que o melhor forno a gás e 75% mais eficientes do que o melhor forno a petróleo. Eles requerem de 25% a 50% menos energia do que outros sistemas HVAC e reduzem os custos de operação e manutenção em até 40%.
O principal inibidor da adoção em larga escala dos GHPs atualmente é o custo inicial de instalação relativamente alto, a maior parte do qual vai para a perfuração envolvida na construção de poços e campos de laço, e o projeto e análise necessários para adaptar um sistema a um edifício. O equipamento mecânico em si – bombas de calor e permutadores de calor – não é mais caro do que os sistemas convencionais de aquecimento e arrefecimento. A economia anual nas contas de energia, no entanto, compensa o custo inicial. Os períodos de retorno para sistemas GHP comerciais são geralmente calculados na faixa de 10 a 20 anos, mas muitas vezes podem ser menores, por exemplo, se o sistema estiver substituindo um sistema de HVAC envelhecido e ineficiente. Os sistemas GHP podem ser competitivos em termos de custos em relação a muitos sistemas convencionais em novas construções. Como resultado, os GHPs têm sido principalmente populares entre clientes municipais e institucionais, proprietários de edifícios que planejam habitar e operar suas instalações a longo prazo, e aqueles que estão simplesmente mais interessados na gestão ambiental do que na linha de fundo.
A cidade de Chicago está atualmente no meio da construção de cinco novas bibliotecas filiais que incorporam uma série de características de design sustentável. Projetadas por Lohan Anderson, as bibliotecas dependem de sistemas GHP. Entre elas está a Biblioteca Richard M. Daley Branch, uma instalação de 16.300 pés quadrados prevista para a certificação LEED Silver. A filial é servida por 24 poços geotérmicos de circuito fechado perfurados a 395 pés abaixo do parque de estacionamento. Estes fornecerão água quente ou gelada a uma unidade de tratamento de ar e também a um sistema de piso radiante. Embora a capacidade térmica do sistema GHP seja suficiente para fornecer todas as necessidades de aquecimento e resfriamento da biblioteca, o cliente também solicitou uma caldeira de reserva.
“Não há muita experiência da cidade com estes sistemas, por isso eles não se sentiram confortáveis confiando apenas na geotermia”, explica Stephen Novak, engenheiro de projetos da Henneman Engineering de Chicago, que projetou o GHP da biblioteca. “Após um período de tempo, quando houver mais documentação e eles virem que esses sistemas funcionam, as caldeiras poderão ser eliminadas do protótipo da biblioteca da filial da cidade”
GHPs não precisam necessariamente ser projetadas sob medida para projetos individuais. A Novak vê a construção de grandes campos geotérmicos distritais que os investidores poderiam explorar como uma utilidade como uma forma de que a tecnologia se torne mais prevalecente no futuro. Boise, Idaho, por exemplo, tem um sistema geotérmico distrital que aquece edifícios no centro da cidade. Mas o sistema depende de fontes geológicas quentes, um recurso natural não disponível para a maioria das cidades.
Ball State University em Muncie, Ind., por outro lado, está atualmente trabalhando em um sistema GHP de escala similar. Quando concluído, será o maior sistema de GHP em circuito fechado do país. O projeto substituirá quatro caldeiras a carvão envelhecidas por 3.600 furos em campos localizados ao longo do campus de 660 acres. Esses campos fornecerão aquecimento e resfriamento para mais de 45 edifícios, cortando a pegada de carbono da universidade aproximadamente pela metade e economizando US$ 2 milhões por ano em custos operacionais. Todo o sistema passará por duas estações de energia, onde o calor retirado do solo ou devolvido ao solo será trocado por meio de bombas de calor ligadas a dois circuitos distintos que atravessam o campus. Um laço transportará água fria a 42 graus constantes; o outro transportará água quente a 150 graus constantes. Estes circuitos passarão por permutadores de calor em cada edifício, onde os ventiladores fornecerão a temperatura desejada aos ocupantes.
Embora os sistemas GHP apresentem incentivos ambientais óbvios, também oferecem aos arquitectos uma oportunidade de se libertarem do fardo de esconderem equipamentos mecânicos de má aparência, uma vez que a maioria dos componentes dos sistemas são subterrâneos, bem fora de vista. Isto pode ser especialmente bem-vindo quando se trata de reequipamento de estruturas históricas.
Um desses projectos é o projecto da Helpern Architects para a restauração do Knox Hall na Universidade de Columbia. Completado em 1909, Knox Hall é um edifício de pedra neogótica de sete andares, de 50.000 pés quadrados, com telhados de cobre. “Não é uma estrutura histórica, mas estávamos tratando-o como se fosse porque está ocupado pela Universidade de Columbia no campus do Union Theological Seminary”, diz Margaret Castillo, diretora da Helpern. “Estudámos cinco sistemas diferentes de AVAC, incluindo o geotermal. No final, embora as preocupações arquitectónicas fossem um factor – não teria sido fácil colocar refrigeradores no telhado – a geotermia provou ser a mais rentável a nível operacional”
Knox Hall depende de quatro poços de coluna em pé perfurados a 1.800 pés de profundidade para todas as suas necessidades de aquecimento e arrefecimento”. O sistema ajudou o projeto a ganhar o LEED Gold. Embora o custo inicial fosse relativamente alto, a Columbia estima que o retorno do investimento seja de cerca de seis ou sete anos. “Eles estão muito satisfeitos por este projeto estar reduzindo o uso de energia e as emissões de gases de efeito estufa”, diz Castillo.