Validação do ensaio TRT para estudo paramétrico da troca de calor de uma estaca de energia em um solo tropical

Abstract

Os sistemas trocadores de calor acoplados ao solo têm sido usados por anos como sistemas de aclimatização de prédios residenciais e comerciais. Estes sistemas foram adaptados para estruturas de fundação com o fim de trocar energia térmica com o solo. Atualmente, estacas de energia são implementadas em muitos países para substituir parte da energia elétrica e outros tipos de fontes de energia. O Brasil é o nono consumidor de energia elétrica em todo o mundo, onde muita dessa energia é utilizada para o uso de acondicionamento climático. Por esta razão pesquisas relacionadas com estacas de energia no Brasil são estimuladas com o fim de reduzir o consumo de energia elétrica. Testes de resposta térmica têm sido realizados em uma estaca de energia instalada no campo experimental da Universidade de São Paulo na região subtropical de São Carlos. Simultaneamente, se realizaram simulações de sistemas de estaca de energia com propriedades térmicas obtidas durante o ensaio para avaliar o desempenho da troca de calor dos sistemas na região. Para a análise numérica, são avaliados os efeitos térmicos devido à variação em propriedades térmicas do solo e concreto, geometria da estaca, vazão, posição do nível freático de água, espessura da tubulação e temperatura média de entrada. Adicionalmente, se determina o espaçamento ótimo entre estacas para permitir o melhor desempenho das estacas. Em este documento se apresentam resultados e análises de modelos simulados no software COMSOL, utilizando os módulos Heat Transfer e Non-Isothermal Pipe Flow, e com eles, obtendo assim a configuração ótima de trabalho. Foi observada a melhora do comportamento térmico da estaca com o acrescimento dos valores em parâmetros geométricos, o número de tubulações e da vazão em condições de fluxo turbulento. Parâmetros como a espessura da tubulação e condutividade térmica do solo e concreto proporcionam aportes energéticos não muito significativos no resultado da troca de calor da estaca estudada.