Los investigadores desarrollan un modelo simplificado para diseñar fundamentos eficientes de pilotes de energía para las regulaciones de temperatura geotérmica en edificios. Crédito: Prof. Shinya Inazumi del Instituto de Tecnología de Shibaura
A medida que aumenta la urbanización y los cambios climáticos se aceleran, existe una necesidad urgente de soluciones sostenibles y eficientes en el espacio para calefacción y enfriamiento en edificios. Una solución prometedora es usar pilas de energía: sistemas de cimientos de concreto que también sirven como intercambiadores de calor utilizando energía geotérmica. Sin embargo, en ciudades de alta densidad como Tokio, Bangkok y Manila, donde los edificios a menudo se construyen en cimientos de arcilla suave, los ingenieros enfrentan desafíos únicos en el diseño de estas pilas de energía.
En este contexto, un equipo de investigación dirigido por la profesora Shinya Inazumi de la Facultad de Ingeniería, Shibaura Institute of Technology, Japón, ha presentado un marco innovador para mejorar el diseño y el rendimiento de las pilas de energía, especialmente en suelos de arcilla blanda. Este estudio se publica en la revista Estudios de casos en ingeniería térmica.
Las pilas de energía son elementos de base de concreto con tuberías en forma de U incrustadas que circulan fluidos de transferencia de calor dentro de ellos. Estos fluidos de transferencia de calor intercambian energía térmica con el suelo circundante.
Cuando estos elementos están conectados a las bombas de calor de la fuente de tierra (GSHP), pueden calentar y enfriar eficientemente los edificios utilizando las temperaturas subterráneas estables. Se sabe que los GSHP mantienen un alto rendimiento incluso en las temperaturas de la superficie fluctuantes, a diferencia de las bombas de calor de fuente de aire convencionales, que son menos eficientes en clima extremo, lo que hace que los GSHP una solución ideal para climas de temperatura extrema.
Mientras que los GSHP aumentan la eficiencia, los sistemas de pilas de energía encuentran varios desafíos. En la mayoría de las ciudades, los suelos de arcilla blanda se utilizan para la construcción; Estos suelos se caracterizan por baja permeabilidad (resistencia al flujo de agua) y baja conductividad térmica (dificultad para transferir el calor). En tales casos, la acumulación del calor a lo largo del tiempo puede conducir a un fenómeno llamado interferencia térmica que reduce la eficiencia de todo el sistema.
Para contrarrestar esto, los investigadores utilizaron un enfoque computacional y experimental combinado y desarrollaron un modelo de transferencia de calor tridimensional. Utilizando modelos de elementos finitos (FEM) a través de COMSOL Multiphysics, un software de simulación basado en la física, los investigadores modelaron la transferencia de calor alrededor de las pilas de energía integradas en arcilla blanda. Estas simulaciones se calibraron luego utilizando datos del mundo real obtenidos de un sitio de prueba en Bangkok. El modelo analizó varias agrupaciones de pilotes que van desde una a nueve pilas, que funcionaban bajo varios ciclos de tiempo diarios (8 a 24 horas).
“Desarrollamos un modelo de predicción simplificado para ayudar a los ingenieros a mejorar el diseño de la pila de energía sin la necesidad de recursos computacionales costosos o experiencia especializada”, dice el profesor Inazumi.
Los resultados revelaron varias ideas sobre el rendimiento de las pilas de energía. Primero, las configuraciones agrupadas exhibieron interferencia térmica medible, con temperaturas del suelo que aumentaron de 2.18% a 15.43% alrededor de las pilas muy espaciadas. Estimación de esta interferencia en la etapa de diseño se consideró crítica, ya que puede disminuir la eficiencia del sistema.
“Para simplificar el proceso, introdujimos factores multiplicadores prácticos que permiten a los ingenieros predecir el comportamiento térmico utilizando simulaciones de pilas únicas”, explica el profesor Inazumi.
Los factores multiplicador varían de 1.6498 a 2.9119 y podrían aplicarse a los resultados obtenidos de simulaciones de pilas únicas, lo que permite a los ingenieros predecir el rendimiento de grupos de pilotes más grandes sin la necesidad de modelos tridimensionales complejos. Esto reduce drásticamente la necesidad de carreras FEM a gran escala, ofreciendo un método rápido y accesible para la estimación de rendimiento térmico.
El estudio también señaló que reducir las horas operativas podría retrasar la saturación de temperatura (cuando el suelo se calienta demasiado para absorber más calor) en 103 horas. Además, la reducción de las horas operativas también disminuyó las temperaturas máximas del suelo en un 29% en 5 años.
Otro hallazgo crítico fue que las pilas en el centro se calientan en comparación con las del borde, lo que sugiere el efecto del hacinamiento. Estas ideas sugieren que el diseño de grupos de pilotes de energía puede optimizarse utilizando los multiplicadores y mapas de temperatura proporcionados. Esta estrategia de optimización puede ayudar a mantener la integridad estructural y extender la vida útil del sistema.
El modelo tiene un potencial significativo para aplicaciones del mundo real. Es esencialmente relevante para los ingenieros que trabajan en ciudades urbanizantes rápidamente construidas en suelos blandos, donde los sistemas tradicionales de calefacción, ventilación y aire acondicionado son intensivos en energía y climatorios. Al ofrecer atajos de simulación fáciles de usar validados con datos del mundo real, esta investigación reduce la barrera de entrada para adoptar sistemas geotérmicos en el sudeste asiático y más allá, allanando el camino para un futuro más limpio y sostenible.
“Nuestro estudio, al demostrar la viabilidad y la asequibilidad de los sistemas de energía geotérmica para entornos urbanos densos, aborda los desafíos en el desarrollo regional, contribuyendo a la agenda climática global”, concluye el profesor Inazumi.
Más información: Thiti Chanchayanon et al, Evaluación computacional y experimental integrada de la optimización térmica en grupos de pilotes de energía en arcilla blanda, estudios de casos en ingeniería térmica (2025). Doi: 10.1016/j. CSITE.2025.106571
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Shibaura
Cita: Optimización de los cimientos geotérmicos en arcilla blanda para edificios urbanos (2025, 29 de julio) Recuperado el 29 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-optimizing-geothermal-foundations-soft-clay.html
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