Respuesta termo-hidro-mecánica de muros con pilotes energéticos bajo variaciones en la configuración del muro, disposición de tuberías y condiciones de filtración

Convertir los muros de sótano en fuentes de energía limpia

La mayoría de los edificios urbanos necesitan muros subterráneos robustos para contener el terreno y, al mismo tiempo, suministros constantes de calefacción y refrigeración. Este estudio explora una tecnología que permite que una misma infraestructura cumpla ambas funciones: los muros con pilotes energéticos. Mediante un estudio cuidadoso de cómo se comportan estos muros al calentarse, enfriarse e interactuar con las aguas subterráneas, los investigadores muestran cómo los ingenieros pueden aprovechar el subsuelo como fuente renovable de energía sin comprometer la estabilidad de las excavaciones y los sótanos.

Muros que almacenan y transfieren calor

Los muros con pilotes energéticos son hileras de pilotes de hormigón que, además de sostener el terreno, actúan como intercambiadores de calor subterráneos. Tubos de plástico recorren el interior de cada pilote, transportando agua que absorbe el calor excedente de un edificio en verano o devuelve el calor almacenado en invierno a través de una bomba de calor. Dado que la temperatura del terreno a pocos metros de profundidad se mantiene relativamente constante a lo largo del año, estos muros pueden mover grandes cantidades de calor con mucha menos electricidad que los sistemas de climatización convencionales. La contrapartida es que el calentamiento y enfriamiento reiterado de los pilotes provoca su dilatación y contracción, lo que puede empujar y curvar sutilmente el muro y el terreno circundante.

Experimentos virtuales bajo la ciudad

Para comprender estos movimientos ocultos, el equipo construyó modelos computacionales tridimensionales detallados de muros de contención típicos para excavaciones de hasta 12 metros de profundidad. Ejecutaron los modelos durante seis meses de rechazo de calor continuo, simulando una temporada de refrigeración en la que el edificio vierte calor al terreno. Las simulaciones siguieron el flujo de calor en las tuberías, los cambios de temperatura en el hormigón y el suelo, el movimiento de aguas subterráneas y las tensiones y desplazamientos minúsculos resultantes en el muro. Los investigadores compararon distintos tipos de muro (un voladizo simple, un muro apoyado por dos losas gruesas y un muro apuntalado por varias losas más delgadas), dos disposiciones de tuberías (circuitos en 4U y una disposición en espiral) y una amplia gama de rigideces y permeabilidades del terreno, desde arenas sueltas hasta rocas duras y arcillas.

Pequeños movimientos, tensiones locales y el papel del agua

Los modelos muestran que, incluso bajo un calentamiento intenso, los desplazamientos laterales globales de los muros permanecen muy pequeños —menos de unos dos milímetros— por lo que el servicio funcional no es la principal preocupación. Sin embargo, el patrón de flexión y las tensiones internas cambian según el tipo de muro, la rigidez del terreno y cómo el muro intercambia calor con su entorno. Los muros en suelos más rígidos o en contacto con superficies mantenidas a temperatura fresca constante desarrollan mayores momentos flectores, especialmente cerca de la superficie del terreno y en la base de la excavación. La disposición de las tuberías también importa: aunque los diseños en espiral y en 4U transportan cantidades de calor similares, la disposición en espiral produce picos ligeramente mayores de tensiones térmicas inducidas. En puntos críticos, como la unión entre pilotes y losas de apoyo, estas tensiones de tracción pueden superar la resistencia a fisuración del hormigón, lo que sugiere que allí se requieren armados adicionales o medidas de control de grietas.

El agua subterránea como aliada y problema

El flujo de aguas subterráneas resulta ser un arma de doble filo. Cuando el agua se filtra por el suelo cerca del muro, arrastra calor consigo, aumentando la salida térmica del sistema —a veces más del 50 por ciento en comparación con condiciones sin movimiento de agua. Sin embargo, ese mismo movimiento de agua caliente puede alterar cómo se flexiona el muro y dónde se concentran las fuerzas, especialmente a la altura de la losa inferior. En suelos muy permeables, la filtración domina: el calor es arrastrado por el agua en movimiento, remodelando los patrones de temperatura e incrementando tanto la deflexión del muro como las fuerzas internas. En suelos muy compactos y de baja permeabilidad, el agua no puede moverse con facilidad, por lo que el calentamiento genera bolsillos de sobrepresión de poro. Estas presiones atrapadas no cambian mucho los desplazamientos laterales, pero pueden casi duplicar los momentos flectores y las fuerzas cortantes en muros con múltiples puntales, de nuevo en ubicaciones estructurales clave.

Un mapa de diseño para muros energéticos más seguros e inteligentes

Al explorar una amplia gama de condiciones de suelo y construcción, los autores identifican umbrales prácticos que indican a los ingenieros qué efecto físico dominará en un sitio dado: por encima de cierta permeabilidad, el transporte de calor impulsado por la filtración controla la respuesta; por debajo de un umbral mucho menor, las presiones de poro atrapadas se vuelven críticas. Dentro de estos regímenes, el estudio recomienda favorecer disposiciones de tuberías en 4U y prestar especial atención al armado cerca de las uniones con las losas y a la cota de excavación. En términos cotidianos, el trabajo demuestra que convertir muros de contención en radiadores subterráneos es factible y eficiente, siempre que los proyectistas tengan en cuenta la interacción entre calor, agua y estructura bajo nuestros pies. Con las comprobaciones adecuadas, los muros con pilotes energéticos pueden reforzar silenciosamente los sótanos urbanos mientras contribuyen a la descarbonización de la climatización de los edificios.

Cita: Villegas, L., Narsilio, G. & Fuentes, R. Thermo-hydro-mechanical response of energy-piled walls under varying wall configurations, pipe layouts, and seepage conditions. Sci Rep 16, 9198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42923-z

Palabras clave: energía geotérmica, bombas de calor geotérmicas, pilotes energéticos, muros de contención, filtración de aguas subterráneas