Los edificios de Evanston instalan bombas de calor geotérmicas e intentan aumentar la eficiencia energética

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Este verano no ha sido normal. Los días más calurosos de los últimos 100.000 años se registraron encuatro días consecutivos a principios de julio . El humo tóxico de los incendios forestales canadienses viajó miles de kilómetros, envenenando el aire en Chicago, la ciudad de Nueva York y otros lugares. A las personas, especialmente a aquellas con problemas de salud, se les ordenó permanecer en casa, una medida similar a la pandemia que mató a cientos de miles de estadounidenses en 2020. Sin embargo, a diferencia del COVID-19, que para muchos se abordó con vacunas y una mascarilla N95, El cambio climático llegó para quedarse.

Muchas personas –desde propietarios de viviendas y desarrolladores de condominios hasta consultores y arquitectos– han comenzado a pensar en qué pueden hacer para reducir su huella de carbono. En Evanston, una solución innovadora es la instalación de un sistema de calefacción y refrigeración geotérmica. La tecnología geotérmica existe desde la década de 1950, pero sólo recientemente ha comenzado a ganar terreno como fuente viable de energía renovable. Cuatro ubicaciones en Evanston (dos residenciales y dos institucionales) son algunos de los muchos lugares que están recurriendo a la energía geotérmica.

La verdadera energía geotérmica, comúnmente utilizada en lugares como Islandia, Nueva Zelanda y Filipinas, aprovecha los depósitos de agua caliente a diferentes profundidades bajo la superficie terrestre. Las temperaturas pueden oscilar entre 300 grados y más de 700 grados Fahrenheit.

Sin embargo, este nivel de energía geotérmica no se puede encontrar en Evanston. Aquí, el calor del suelo a cinco pies de profundidad es constante de 55 grados Fahrenheit. Esto requiere un tipo diferente de energía geotérmica: bombas de calor geotérmicas (GSHP). Se pueden instalar de diferentes maneras, pero en Evanston, los diseñadores suelen utilizar un sistema de bucle vertical.

"Para un sistema vertical, se perforan agujeros (de aproximadamente cuatro pulgadas de diámetro) a una distancia de aproximadamente 20 pies y de 100 a 400 pies de profundidad", explica elSitio web del Departamento de Energía de EE. UU. “Dos tubos, conectados en la parte inferior con un codo en U para formar un bucle, se insertan en el orificio y se les inyecta lechada para mejorar el rendimiento. Los bucles verticales se conectan con tuberías horizontales, se colocan en zanjas y se conectan a la bomba de calor eléctrica del edificio”.

En invierno, el líquido anticongelante de las tuberías subterráneas transfiere el calor subterráneo más cálido al intercambiador de calor de la bomba de calor del edificio, que calienta el aire del edificio. En verano ocurre lo contrario: la bomba de calor extrae calor del aire del edificio y lo transfiere bajo tierra a través del fluido de las tuberías, enfriando así el edificio.

Las GSHP se están volviendo más comunes a nivel mundial, y la Agencia Internacional de Energía informó que las ventas globales de bombas de calor crecieron un 11 % en 2022, que fue el segundo año consecutivo de crecimiento de dos dígitos. Además, el Departamento de Energía afirma que cada año se instalan aproximadamente 50.000 bombas de calor geotérmicas en Estados Unidos.

Una de esas nuevas bombas de calor pertenece a Bill y Eleanor Revelle, residentes de Evanston desde hace mucho tiempo. Aunque construyeron su notable casa junto al lago con eficiencia energética en 2002, no fue hasta este año que decidieron invertir en un GSHP.

La casa de los Revelles tiene vista al lago Michigan a través de ventanas de triple panel, con vibrantes plantas nativas floreciendo en el jardín. Con todo, desde colectores solares de agua caliente en la entrada hasta tejas fotovoltaicas en el techo e inodoros de doble descarga en los baños, esta propiedad refleja un equilibrio entre naturaleza, ingeniería y arquitectura. Se basa en la sostenibilidad. Las tejas fotovoltaicas producen el 85% de la electricidad utilizada en la casa y contribuyen a alimentar la nueva bomba de calor.

"[La arquitecta Ellen Galland, Eleanor y yo] queríamos construir la casa con mayor eficiencia energética que pudiéramos construir en ese momento", dice Bill Revelle.

Los Revelles, Eleanor, concejal del segundo distrito, y William, profesor de psicología de la Universidad Northwestern, no escatimaron en gastos para construir su casa de manera sostenible. Sin embargo, durante 20 años utilizaron el gas como complemento a su energía solar. Esto se debió a que sintieron que no sería beneficioso para el medio ambiente instalar un GSHP cuando se construyó la casa en 2002.

"No hicimos [calefacción geotérmica] porque en ese momento lo planeamos y la cantidad de carbono que se necesita para producir electricidad para hacer la bomba de calor geotérmica en ese momento era mayor que usar gas para hacerlo". Bill explicó.

Entonces, ¿por qué decidieron instalar GSHP ahora?

"La razón principal para hacerlo es porque queremos dejar el gas natural", dijo Eleanor. Su marido añadió: "Las bombas de calor existen desde hace bastante tiempo, pero se han vuelto mucho más eficientes en los últimos 10 años".

A pesar de las recientes mejoras en el diseño de las bombas de calor, instalar una GSHP no es fácil. Los Revelles explicaron que los trabajadores tuvieron que perforar 110 pies de arcilla, luego piedra caliza, esquisto y arena. Perforar arena es especialmente difícil porque la arena llena el espacio vacío cuando se cava un hoyo.

El sistema ha sido un éxito para los Revelles.

"Hasta ahora, sólo hemos estado usando la parte del sistema de aire acondicionado, que parece ser muy eficiente y produce enfriamiento y deshumidificación de manera muy silenciosa y eficiente", dijo Bill.

Si bien la casa de los Revelles es una hazaña excepcional de tecnología sostenible, los Revelles tenían los recursos financieros para financiar su sistema geotérmico. En las casas adosadas de Lake Street y Ashland Avenue, el costo de instalación de GSHP se distribuyó entre las siete unidades.

El desarrollo se denomina "Casas que funcionan". Tom Engel, uno de los promotores del proyecto de 2009, explica por qué estas casas adosadas son únicas.

"Era un distrito B1, por lo que se podía tener un negocio en el escaparate de la planta baja y una casa con tres dormitorios encima", dice Engel.

Los edificios no sólo fueron diseñados para combinar negocios con vivienda, sino que también fueron construidos para la sustentabilidad. Los diseñadores utilizaron electrodomésticos energéticamente eficientes que priorizan el aislamiento y el ahorro energético. Y optaron por instalar GSHP que, según explica Engel, estaban destinados a ahorrar dinero a largo plazo.

"En este clima, la geotermia tiene mucho éxito para el aire acondicionado", afirma Engel. “Básicamente, el costo es mínimo [una vez instalado el sistema]. El único costo del aire acondicionado realmente es hacer funcionar un ventilador, que equivale a una bombilla”.

Otra ventaja del uso de bombas de calor geotérmicas para refrigeración es la eliminación de ruidosas unidades de condensación exteriores, dijo Marian Tweedie, una de las arquitectas de Homes That Work.

Sin embargo, en los aproximadamente 14 años que han transcurrido desde que se implementaron los GSHP, han surgido algunas limitaciones. Engel dice que las restricciones de la calefacción geotérmica en invierno la convierten en una opción energética mucho menos factible en climas fríos que otras energías renovables como la eólica y la solar. Se necesita electricidad para proporcionar calor suplementario en climas muy fríos.

“En primavera y otoño, [un GSHP] es muy eficaz para calentar y muy económico. En pleno invierno, las temperaturas se vuelven gélidas. Todavía se utiliza, pero es suplementario y el calor suplementario que requiere es muy caro”, afirmó Engel.

Nate Kipnis, conocido por sus prácticas sustentables como arquitecto en el área de Chicago, compartió la opinión de Engel sobre los desafíos de la geotermia en el Medio Oeste.

"La fuente terrestre es demasiado cara, demasiado invasiva en muchos sitios y tiene demasiado equipo", escribió Kipnis en un correo electrónico a RoundTable. "También utilizan mucha más energía para las bombas necesarias para hacer circular el fluido a través del sistema de tuberías subterráneas".

Kipnis dijo que prefiere utilizar bombas de calor de fuente de aire (ASHP), que extraen el calor del aire exterior, lo comprimen y lo trasladan al interior. Kipnis dice que los ASHP son más baratos y más fáciles de instalar, y utilizan menos equipo y espacio.

Sin embargo, al igual que su contraparte en el suelo, existe un problema evidente con el calentamiento por fuente de aire: el clima frío.

"La única ventaja de las [bombas de calor] de fuente terrestre es, de hecho, que son ligeramente mejores en climas ultrafríos en comparación con los sistemas de fuente de aire", dijo Kipnis.

Bill Revelle añadió que la calefacción por aire es simplemente mucho menos eficiente que la calefacción geotérmica.

"Habíamos considerado las bombas de calor de fuente de aire frente a las de fuente terrestre", escribió Revelle en un correo electrónico. "Una simple comparación sugiere que la fuente de aire es más barata pero menos eficiente que la fuente terrestre". Señaló que,según un artículo de Energy Sage , “la eficiencia de un sistema de fuente terrestre es aproximadamente un 50% mayor que la de una fuente de aire. Nuestro objetivo era reducir al máximo el uso de fuentes de energía productoras de C02. De ahí la elección del sistema de fuente terrestre”.

Si bien Engel destaca las dificultades de los GSHP en climas fríos en Lake y Ashland, las bajas temperaturas solo arañan la superficie de los problemas en una segunda ubicación geotérmica frente al lago.

En 2010, los administradores del Seminario Teológico Evangélico Garrett, una escuela de posgrado en teología de la Iglesia Metodista Unida ubicada en el campus de Northwestern, optaron por instalar energía geotérmica en dos de sus edificios con la ayuda de Indie Energy Systems Company. La empresa había registrado una tecnología “geotérmica inteligente” que debía ser asequible y confiable. Desafortunadamente, su tecnología resultó no ser asequible ni confiable para el seminario.

Unos años después de la instalación del sistema GSHP de 27 pozos, se contrató a Grumman|Butkus Associates (GBA), una firma consultora con sede en Evanston, para evaluar el problemático sistema. Steve Zehr era el director de proyectos de GBA y explicó en un correo electrónico a RoundTable qué salió mal con los GSHP de Garrett Evangelical.

"El sistema GSHP que se instaló en Garrett no funcionó como se esperaba durante los primeros años de operación", escribió. "Las bombas de calor no podían proporcionar una refrigeración adecuada durante el verano y durante el invierno utilizaban vapor del campus para calentar el circuito en lugar de calor procedente del suelo".

Butkus (Grumman) descubrió que esto sucedía porque no había suficientes pozos geotérmicos para suministrar calefacción y refrigeración al edificio. Además, las dos bóvedas de válvulas que alimentaban las tuberías subterráneas estaban construidas con materiales inadecuados y se estaban corroyendo rápidamente, incluso teniendo fugas en ocasiones.

Indie Energy cerró en 2012 y el costo sustancial de arreglar el sistema geotérmico significó que los edificios de Garrett solo pudieran depender parcialmente de la energía “geotérmica inteligente” de la compañía.

"La tecnología de bombas de calor de fuente terrestre ha demostrado ser confiable y será una parte clave de nuestros esfuerzos de descarbonización, pero requiere un diseño de ingeniería cuidadoso para funcionar según lo previsto".

concluye Zehr. "Desafortunadamente, el sistema que se instaló en Garrett era deficiente".

La tecnología geotérmica ha demostrado ser imperfecta, pero está mejorando. MIT Technology Review informa que las bombas de calor están mejorando y que los nuevos modelos son "más eficientes y más capaces de soportar el clima frío". Esto se demuestra en otro lugar junto al lago: el Centro de Historia de Evanston.

El EHC vive en la antigua casa de Charles Gates Dawes, ex vicepresidente de Estados Unidos y ganador del Premio Nobel de la Paz. La Casa Dawes se construyó en 1894 y actualmente sirve como museo y depósito de archivos bien conservado, con una instalación geotérmica de 2013 que proporciona calefacción.

"El hecho de que [la casa] sea vieja no significa que no pueda funcionar en el mundo actual con la tecnología actual", dice el director de instalaciones de EHC, Kris Hartzell. "Por eso creo que parte de nuestra misión es mostrar el hecho de que, como edificio histórico, somos absolutamente adaptables a las tecnologías actuales".

Hartzell cree que una instalación geotérmica exitosa debe ser personalizada y bien pensada.

“Creo que no es necesario tener ego. Creo que es necesario comprender y trabajar con el sistema, [y] los parámetros o las restricciones que se le imponen y no simplemente decir: 'Bueno, esto debería funcionar'”, expresa Hartzell. "Es necesario comprender cómo los materiales y la construcción afectarán la eficacia de su sistema".

Los siete GSHP ubicados en la imponente mansión junto al lago han sido un éxito desde que se instalaron hace casi una década, con la ayuda de calefacción eléctrica suplementaria en los días más fríos del invierno.

“La calefacción ha estado funcionando bien. Es simplemente genial. Nunca he tenido ningún problema, nunca he pasado frío”, subraya Hartzell.

Cuando se diseñan correctamente, los GSHP ahorran dinero a los habitantes de Evanston debido a su eficiencia y longevidad. Y si bien la tecnología sigue mejorando, estos ejemplos en Evanston muestran que personas de todas las profesiones y orígenes están invirtiendo en energía renovable, con la esperanza de crear un planeta más verde para las generaciones futuras.

“Tenemos que eliminar nuestra huella de carbono. Es así de simple”, concluye Bill Revelle.

Para el Seminario Teológico Evangélico Garrett: https://evanstonroundtable.com/2010/08/17/a-boring-but-informative-visit-schakowsky-visits-garrett-site-of-geothermal-drilling/

Para hogares que funcionan: https://evanstonroundtable.com/2008/03/18/development-offers-new-take-on-neighborhood-business-district/

Y https://evanstonroundtable.com/2009/08/04/eye-on-evanston-in-the-context/

Para el Centro de Historia de Evanston: https://evanstonroundtable.com/2013/08/28/ehc-turns-to-geothermal-heating-and-cooling

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Milo Slevin es un pasante de verano de 2023 para Evanston RoundTable. Es estudiante de último año en Evanston Township High School y editor principal del periódico escolar, The Evanstonian. A Milo le gusta jugar al fútbol,... Más de Milo Slevin