Estudo paramétrico da resposta térmica de grupos de estacas trocadoras de calor em um solo tropical típico do DF

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017.Desde a década de 1980 os sistemas de estacas trocadoras de calor são utilizados para fins de aquecimento e/ou resfriamento de edificações, sendo utilizados primeiramente em países europeus e hoje difundidos também em países da Ásia e América do Norte. A proposta de um sistema de acondicionamento de ambientes econômico e sustentável chamou atenção para o caso do Brasil, um país que passa por dificuldades energéticas e com alta demanda de acondicionamento térmico em maioria de seu território. Esta pesquisa dá seguimento ao segundo trabalho realizado no país neste segmento, uma dissertação de mestrado intitulada Validação do ensaio TRT para o estudo paramétrico da troca de calor de uma estaca de energia em um solo tropical realizada também pela Universidade de Brasília (UnB). Por meio de simulações numéricas utilizando-se o software COMSOL Multyphysics v5.2, foram simuladas diferentes configurações de blocos de estacas, comuns na prática construtiva do Distrito Federal Brasileiro. Uma extensa pesquisa geológico-geotécnica do solo do Campo Experimental da Universidade de Brasília (UnB) possibilitou o cálculo dos parâmetros térmicos deste solo escolhido como representativo do Distrito Federal. Com os valores dos parâmetros térmicos, seguiu-se para as simulações numéricas, que variaram as fundações com relação ao número de estacas dos blocos, diâmetro das estacas e voltas na tubulação buscando a melhor configuração para região estudada. Como resultado deste trabalho, concluiu-se que blocos com 4 ou mais estacas e diâmetro de 30 cm e 40 cm, o ideal é a utilização de apenas duas voltas nas tubulações, enquanto para estacas de 60 cm três voltas na tubulação geram máxima troca de calor, porém acredita-se que estas suportariam uma volta adicional. Dentro dos blocos, descobriu-se que as estacas se inter-relacionam termicamente, formando bulbos que quanto mais próximos, menor a troca de calor entre as estacas. Além disso, descobriu-se que o diâmetro das estacas é outro fator importante na troca de calor, pois um bulbo interno se forma interferindo no resultado final. Além destas conclusões referentes aos blocos de fundação, conclui-se também que o solo do Distrito Federal tem alto potencial de troca de calor, sendo um indicativo de viabilidade técnica da tecnologia e incentivo a novas pesquisas no assunto.Since the 80s in the previous century energy piles systems have been used for heating and / or cooling purposes, being primarily used in European countries. Nowadays the technology has spread to other regions as in Asia and North America. The proposal of a conditioning system for closed environments that is economical and sustainable has drawn attention in Brazil, a country that is experiencing energy difficulties and could have a high demand for thermal conditioning in most of its territory. This is a follow-up to the second geotechnical MSc work carried out in the University of Brasília in this segment, i.e. the one titled “Validação do Ensaio TRT para o Estudo Paramétrico da Troca de Calor de uma Estaca de Energia em um Solo Tropical also performed by the University of Brasília (UnB)”. Numerical simulations using the software COMSOL Multyphysics v5.2, permitted that different configurations of foundation blocks were simulated, common in the constructive practice of the Brazilian Federal District. An extensive geological-geotechnical survey of the soil of the Experimental Research Site of the University of Brasilia (UnB), allowed the calculation of the thermal parameters of this soil chosen as representative of the Federal District. With these parameters the next step were the numerical simulations, which varied the foundations with respect to the number of piles of the blocks, diameter of the piles and turns in the pipe, seeking the best configuration for the region studied. As a result of this work, it was concluded that for cap blocks with pile diameters of 30 and 40 cm, the ideal is the use of only two turns in the pipes for blocks with 4 or more piles, while for piles of 60 cm three turns in the pipe generates a maximum exchange of heat. Inside the blocks, it was discovered that the piles are thermally inter-related, forming bulbs that decrease the heat exchange between the piles. In addition, it was found that the diameter of the piles is another important factor in the heat exchange, because an internal bulb is formed interfering in the final result. In addition to these conclusions regarding the foundation blocks, it is also concluded that the soil of the Federal District has a high potential for heat exchange, being technically feasible to be employed in this technology, thus encouraging further research on the subject