Thermo-Active Foundations for Net-Zero Buildings: A Transferable Energy-Geostructure Design Framework from the United Kingdom to the Peruvian Andes

Resumo Técnico: Fundações Termoativas para Edificações Net-Zero

Definição do Problema
As geoestruturas de energia (EGS) — elementos de fundação como estacas e paredes integrados com trocadores de calor terrestres — são uma estratégia madura e de baixo carbono para aquecimento e resfriamento de edifícios no Reino Unido e nos Estados Unidos. No entanto, existe uma lacuna de conhecimento significativa em relação à sua aplicação em regiões geologicamente distintas e de alta atividade sísmica na América Latina, especificamente no Peru. Apesar do alto risco sísmico do Peru, que exige estacas profundas escavadas de parede moldada para a maioria dos edifícios de médio e alto padrão (conforme o Código Nacional de Edificações NTE E.030), e de uma demanda crescente por resfriamento mecânico em Lima, não existem instalações de EGS documentadas na literatura científica indexada do país. Além disso, não existe orientação local de projeto para o acoplamento de fundações com troca térmica de solo, e há uma carência de dados mapeados de condutividade térmica de solos rasos nos Andes peruanos, o que é crítico para o dimensionamento.

Metodologia
Este estudo é uma análise de engenharia comparativa estruturada, baseada em literatura. Não envolve nova instrumentação de campo, testes laboratoriais ou coleta de dados humanos. A metodologia consiste em três componentes primários:

1. Síntese de Estruturas do Reino Unido: Uma consolidação de parâmetros de design geotécnico, térmico e termo-mecânico e equações governantes (ex: fluxo de calor condutivo de Fourier, resposta radial transiente, tensão axial termo-mecânica restrita) do Reino Unido utilizados para estacas de energia.
2. Matriz Comparativa Quantitativa: Uma matriz construída exclusivamente a partir de dados relatados em fontes revisadas por pares e com DOI verificado para o Reino Unido, EUA e condições de solo andinas análogas (especificamente um mapeamento geoespacial de 2025 do Equador). Para parâmetros onde os dados peruanos estão ausentes, os valores são explicitamente rotulados como "projetados" com base nos analogos andinos mais próximos disponíveis.
3. Proposta de Caminho de Adaptação: Uma proposta de rota de construção e instrumentação em etapas para o Peru que integra a construção de EGS com os códigos sísmicos e geotécnicos obrigatórios (NTE E.050, E.060, E.030).

Principais Contribuições
O artigo fornece a primeira tradução sistemática e quantitativa da experiência de estacas de energia do Reino Unido e dos EUA para o contexto peruano. Suas contribuições específicas incluem:

• Síntese da Base de Projeto: Organização de complexos frameworks de design termo-mecânico em uma forma utilizável por engenheiros praticantes no Peru.
• Análise Comparativa: Estabelecimento de uma matriz citada em fontes contrastando parâmetros projetados do Reino Unido, EUA e Peru (incluindo condutividade térmica do solo, tecnologia dominante e desempenho do ciclo de vida).
• Caminho em Conformidade com as Normas: Proposta de um procedimento de construção específico onde a função de troca de energia é tratada como uma adição de retrofit às estacas sísmicas já exigidas pela lei peruana. Este caminho detalha a integração de circuitos de laço U de HDPE com gaiolas de armadura, garantindo a compatibilidade com os requisitos de detalhamento sísmico.
• Especificação de Piloto: Definição dos requisitos para a primeira estaca de energia piloto instrumentada do Peru em Lima, incluindo o uso de testes de resposta térmica, extensômetros e termopares para validar os valores projetados.

Resultos
O estudo destaca que, embora a tecnologia EGS seja madura no Reino Unido e nos EUA, sua aplicação no Peru permanece teórica.

• Projeções de Desempenho: Com base em avaliações de ciclo de vida internacionais, projeta-se que sistemas de fonte terrestre reduzam o consumo de energia operacional em aproximadamente 40% e as emissões de carbono em cerca de 35% em relação às linhas de base de HVAC baseadas em combustíveis fósseis. No entanto, o artigo observa que esses números dependem dos fatores de emissão da rede local; a rede dominada por hidrelétricas do Peru pode alterar a lógica de mitigação de carbono em comparação com redes dependentes de carvão.
• Condutividade Térmica: Utilizando dados do Equador como análogo, o estudo projeta que mais de 70% dos locais andinos (incluindo o Peru) provavelmente possuem condutividade térmica do solo superior a 1,25 W·m⁻¹·K⁻¹, com uma faixa projetada de 1,0–2,3 W·m⁻¹·K⁻¹.
• Lógica Econômica: A lógica de custo marginal para estacas de energia no Peru é considerada favorável em princípio, uma vez que as estacas profundas já são exigidas para segurança sísmica, o que significa que o custo incremental limita-se aos circuitos de troca de calor e à bomba de calor, seguindo a lógica de Londres e cidades norte-americanas.
• Lacuna de Dados: Crucialmente, os resultados confirmam que não existe atualmente nenhuma estaca de energia instrumentada no Peru. Portanto, todos os valores quantitativos específicos do Peru no estudo são projeções, não medições empíricas.

Significância e Alegações
O artigo alega modestamente fechar uma lacuna de conhecimento específica ao reunir um caminho de adaptação defensável, em conformidade com as normas e logicamente custoso para o Peru. Não pretende ter gerado novos dados de campo ou validado a tecnologia localmente. Em vez disso, sua significância reside em:

1. Preencher a Lacuna: Fornecer uma estrutura estruturada para traduzir práticas internacionais estabelecidas para uma região sísmica e sub-pesquisada.
2. Definir o Próximo Passo: Identificar explicitamente a construção de uma única estaca de energia piloto totalmente instrumentada em Lima como o próximo passo necessário. Os autores afirmam que, sem este piloto, os valores projetados apresentados não podem ser elevados a parâmetros de projeto validados.
3. Distinguir Fato de Projeção: Manter rigorosamente a distinção entre resultados de campo documentados (do Reino Unido/EUA) e estimativas geradoras de hipóteses para o Peru, garantindo que o framework proposto seja transparente sobre sua natureza teórica pendente de verificação local.