Utilização de Estacas Geotérmicas em Região de Clima Tropical 4 CG Fundações

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1 Utilização de Estacas Geotérmicas em Região de Clima Tropical 4 CG Fundações BANDEIRA NETO, L.A. Escola de Engenharia de São Carlos USP, São Carlos, Brasil, luis.neto@usp.br TSUHA, C.H.C. Escola de Engenharia de São Carlos USP, São Carlos, Brasil, chctsuha@usp.br RESUMO: Com a crescente de demanda por novas fontes de energia, o uso de estacas geotérmicas vem se expandindo principalmente na Europa, e em diversos outros países vem sendo pesquisada sua viabilidade. Devido às particularidades do clima e do solo brasileiro, estudos devem ser conduzidos com o intuito tanto de avaliar a viabilidade econômica e energética desta tecnologia, como de verificar aspectos influentes no sistema estaca-solo que a operação geotérmica proporciona. Este artigo apresenta uma avaliação da viabilidade energética desta nova tecnologia empregada em fundações de obras civis, com base em formulações matemáticas, propostas na literatura sobre o tema, utilizando-se parâmetros do solo de um terreno no norte do Brasil. O objetivo deste trabaho é obter uma estimativa da taxa de tranferência de calor ao longo de uma estaca, e compará-la com resultados experimentais de outros projetos de estacas geotérmicas, realizados no exterior, para se ter uma idéia preliminar da viabilidade energética deste tipo de sistema no Brasil, que vem proporcionando vários benefícios para diversos países. Para este estudo foram empregadas as propriedades térmicas de uma argila orgânica da cidade de São Paulo, obtidas na literatura. PALAVRAS-CHAVE: Estacas Geotérmicas, Energia Geotérmica, Solos tropicais, Fundações. 1 INTRODUÇÃO O uso de fontes renováveis de energia é um tema cada vez mais recorrente nas mais diversas áreas da engenharia. A humanidade se prepara para enfrentar uma era onde muitas das alternativas energéticas hoje utilizadas não existirão mais, ou não serão mais viáveis. Uma recente alternativa de fonte de energia para climatização de ambientes tem sido o uso de estacas geotérmicas. As estacas geotérmicas são um tipo de fundação com um sistema geotérmico de climatização acoplado a sua estrutura. O objetivo deste tipo de solução é eliminar os elevados custos com escavações, típico dos projetos usuais de climatização geotérmica, em que estes sistemas costumam ser instalados em poços ou em valas. O sistema geotérmico funciona por meio de tubos que são instalados no subsolo (com diversas possibilidades de configurações) por onde circula um fluído que realiza trocas térmicas (por exemplo água), com o intuito de utilizá-lo como depósito/fonte de energia térmica, que irá otimizar o funcionamento de uma bomba de calor (Ground Source Heat Pump), responsável pela climatização do edifício (Figura 1). Nesta tecnologia parte-se do principio de que a temperatura em profundidade no subsolo é muito mais estável do que na superfície, sendo aproximadamente constante a partir de certa profundidade. A Figura 2 ilustra a variação da temperatura ao longo da profundidade, registrada em testes realizados na Austrália, publicados em WANG (2013). A temperatura do subsolo entra em equilíbrio após um período onde o sistema geotérmico fica inoperante. Isso se deve ao equilíbrio proporcionado pela energia que vem do calor do centro do planeta, a energia geotérmica.

2 Figura 1. Esquema de fundionamento de uma bomba de calor geotérmica (Ground Source Heat Pump) na função da aquecer. Figura 2. Perfil de temperaturas em Clayton, Austrália (WANG, 2013) Deste modo, o sistema é viável tanto para resfriar o ambiente durante o verão, como para aquecer durante o inverno. Este tipo de sistema é chamado de operação sazonal (BRANDL, 2006). Comparando-se com os sistemas de climatização geotérmica tradicionais, com perfurações profundas no terreno para a realização da troca térmica, o sistema de estacas geotérmicas apresenta um menor custo de instalação, uma vez que as perfurações para a execução das fundações por estacas já fazem parte do projeto de um edifício. Como o sistema funciona junto com as estacas, os tubos são acoplados geralmente nas armaduras, conforme pode ser visto na Figura 3. Figura 3. Armadura de estaca com tubos instalados para sistema geotérmico de climatização (KATZENBACH, 2012). Diversos países já possuem pesquisas nesse setor, devido ao potencial energético deste sistema, e os elevados gastos de energia com climatização. A Alemanha, Suíça e Áustria já possuem produção comercial. Além disso, a Bélgica, França, Dubai, Estados Unidos, Áustralia, China, Japão e outros países desenvolveram estudos na área, tanto sobre a determinação da eficiência, como sobre os efeitos do sistema geotérmico no comportamento da estaca como fundação (BORANYAK, 2013). No Brasil existem algumas pesquisas no campo da energia geotérmica utilizada para climatização de edifícios, como a de VILELA (2004) e a de VAZ (2011). Ambas avaliam a viabilidade de sistemas geotérmicos de baixa profundidade. No entanto, ainda não foi investigado o uso de energia geotérmica acoplada a fundações no Brasil. Este artigo trata de uma estimativa de estacas geotérmicas para determinação da quantidade de calor transmitida da fundação para o sistema, utilizando parâmetros de clima e temperaturas tropicais, e parâmetros de solo de um local em território brasileiro. Neste trabalho pretende-se comparar estes resultados com outros obtidos em estudos mais detalhados, porém realizados com parâmetros de locais fora do Brasil, e assim obter uma avaliação prévia da viabilidade do estudo desse tema em nosso país, pois ainda não são conhecidas as diferenças na operação do sistema em região de clima tropical,

3 2 O PROBLEMA PROPOSTO 2.1 Equacionamento da troca térmica Para a realização da presente estimativa, foi adotado o equacionamento analítico proposto em BRANDL (2006), descrito na Figura 4 A condição de equílibrio utilizada para este cálculo possui uma complexidade que demanda uma solução por modelagem numérica. Porém, neste trabalho foi usada uma solução analítica aproximada direta do problema. A equação em que se baseia este cálculo é a seguinte: (1) Neste artigo não é considerada toda a parte de climatização de um edifício. O foco do trabalho é a transmissão de temperatura no subsolo Como forma de simplificação, admite-se que Figura 4. Equacionamento para projeto de sistemas de climatização geotérmico acoplado a estacas. Neste trabalho foi utilizada apenas a parte relativa aos cálculos analíticos.

4 todo o calor que é trocado entre a estaca e o solo é transmitido para o fluído, conforme mostra a Figura 5. Assim, para avaliar a quantidade de calor transmitida do solo para o fluído somente é necessário conhecer as propriedades térmicas da troca de temperatura entre a parede dos tubos e o fluído, pois considera-se que as paredes dos tubos estão na mesma temperatura que o subsolo. Logo, as propriedades térmicas da água são suficientes para estimar a tranferência de calor no sistema geotérmico, junto com o perfil de temperaturas. resultados finais. O desempenho da estaca utilizando-se os parâmetros de solo e clima tropical é comparado com os resultados da modelagem feita por BIDARMAGHZ (2013). O coeficiente de troca de calor foi estimado igual á 48,8 W/m²K, dividindo-se a condutividade térmica da água (0,61 W/mK) pelo raio do tubo. O perfil de variação das temperaturas do subsolo adotado no presente cálculo foi retirado de uma estimativa de BRANDL (2006), onde a partir da profundidade de aproximadamente 10 metros a temperatura permanece praticamente constante durante o ano com valores superiores a 20 C para as regiões tropicais (Figura 6). Figura 5. Corte horizontal de uma estaca geotérmica. Neste problema, toda a quantidade de carlor que é transmitida do solo para estaca será também transmitida para o fluído circulante pelas paredes dos tubos (BRANDL, 2006). 2.2 Cálculo da troca térmica do sistema Para determinar a quantidade de calor transmitida entre o solo e um sistema geotérmico, foram adotadas as condições de projeto usadas em uma modelagem numérica feita por BIDARMAGHZ (2013), avaliando-se a eficiência deste tipo de sistema. No problema são avaliados furos de trocas térmicas sem finalidade estrutural, com tubos de polietileno de alta densidade (PEAD) com 0,025m de diâmetro chegando a 30m de profundidade, com água circulando a uma vazão aproximada de 14,5 l/min. A intenção de utilizar os mesmo dados é comparar os Figura 6. Comparativo verão - inverno das temperaturas do subsolo ao longo da profundiade (BRANDL, 2006). A temperatura do ambiente nesta estimativa foi considerada como a igual de um dia de verão quente na cidade de São Paulo, 30 C, onde seria necessário o uso de ar condicionado para garantir o conforto térmico. Os cálculos foram feitos a cada dois metros, pois a velocidade da água nestes tubos adotados a essa vazão é de aproximadamente 2m/s, e será considerada somente uma volta da água na estaca, pois para conhecer a temperatura de reentrada da água no sistema são necessários os cálculos relativos a bomba de calor, que de acordo com a Figura 4, é necessária a solução por simulação numérica. 2.1 Cálculo da mudança de temperatura no solo.

5 Para determinar a mudança de temperatura no solo em torno da estaca, foram coletados dados de um subsolo em território nacional. O local escolhido foi São Paulo pois o estudo de VILELA (2004) apresenta medidas das propriedades térmicas de uma argila orgânica local nos primeiros 2m de profundidade, apesar de em profundidades baixas, estas foram extrapoladas apenas para observar a influência da profundidade na mudança de temperatura do solo. A partir dos valores de calor específico do solo, a determinação da variação da temperatura no solo foi feita considerando um raio de 0,5m ao redor da estaca. Foi utilizada a equação fundamental da calorimetria para obter uma estimativa simples da alteração da temperatura no solo Q = m c ΔT (2) Onde Q é a quantidade de calor que saiu da água circulante no sistema, m é a massa de solo considerada e ΔT é a variação de temperatura que ocorreu. 3 RESULTADOS E COMENTÁRIOS Na Tabela 2 são apresentados os resultados das trocas de calor realizadas entre o sistema e o solo. Nesta tabela nota-se que na maior parte do comprimento da estaca o valor foi acima dos 35,00 W de transferência de calor por metro linear da fundação. Comparando-se com os valores do trabalho de BIDARMAGHZ (2013), realizado para clima não-tropical, mostrados na Tabela 1, observa-se que este ficou dentro da faixa de valores resultantes das simulações numéricas realizadas por este autor, porém dentro do intervalo observado na experiência de campo. É importante ressaltar que o sentido do fluxo de calor é diferente para cada um dos trabalhos. BIDARMAGHZ (2013) fez suas simulações considerando que a água estava adquirindo calor no subsolo para levar para a superfície e aquecer o ambiente, enquanto neste trabalho o objetivo é resfriar. Estudos seriam necessários para avaliar se existe diferenças significativas nestes dois tipos de operação. Tabela 1. Resultados de diferentes modelagens numéricas e dados de campo quanto a quantidade de calor transmitida em estacass geotérmicas de configuração semelhante a estudada neste trabalho. (BIDARMAGHZ, 2013) Dados de Modelo ILSM FLSM CSM campo q (w/m) O equacionamento adotado neste artigo, retirado de BRANDL (2006), leva em consideração somente a troca de calor por convecção e obrigatoriamente um regime laminar de escoamento. No entanto, BIDARMAGHZ (2013) mostra através de suas simulações que mantendo o escoamento turbulento no tubo a troca de calor é otimizada. No gráfico da Figura 7, observa-se que o valor de 35 W/m, aproximadamente encontrado no presente caso, não difere muito das simulações feitas no artigo citado para condição laminar de escoamento. Tabela 2.Resultados dos cálculos realizados neste trabalho, a cada dois metros de profundidade Profundidade Tsolo ( C) T água ( C) Fluxo de calor (W) 0 a a a a a a a a a a a a a a a a a a a

6 -22 a a a a a a a a a a a T Final desempenho das estacas geotérmicas. O funcionamento das estacas geotérmicas no Brasil não parece diferir muito dos casos observados no exterior. A maior diferença é o fator climático, pois no caso de clima tropical a demanda por resfriamento é mais importante do que para o aquecimento de ambientes. Sendo assim, estudos mais detalhados sobre essa tecnologia devem ser desenvolvidos para o clima tropical, por meio de análises numéricas, modelagem física, e ensaios em sistemas de estacas geotérmicas reais. REFERÊNCIAS Figura 7. Gráfico do desempenho do sistema geotérmico dependendo da vazão da água. Adaptado de BIDARMAGHZ, 2013 Outro fator que não foi levado em conta neste trabalho, foi o efeito do tempo de operação, pois a tendência é de que nem toda a energia seja deixada na bomba de calor, como proposto.a temperatura de reentrada da água no sistema geralmente vai se alterando até atingir um equilíbrio. Quanto a mudança de temperatura no solo, a maior alteração encontrada utilizando a equação (2) foi por volta de 0,0001ºC. Ou seja, não existem alterações significativas na temperatura do solo. 4 CONCLUSÃO Os resultados desse artigo ficaram dentro do intervalo das simulações realizadas no exterior, permitindo afirmar que verificou-se a possível viabilidade desta tecnologia em local de clima tropical como no Brasil. Porém, a análise feita neste artigo não pode levar em consideração diversos fatores que influenciam diretamente no Bidarmaghz, A., Narsilio G. e Johnston I. (2013). Numerical Modeling of Ground Heat Exchangers with Different Ground Loop Configurations, 18º International Conference in Soil Mechanics and Geotechnical Engineerging, Paris, França, Vol. 1, p Boranyak, S. (2013). International Cooperation Expands Energy Foundations Technology, Deep Foundation Magazine, p Brandl, H. (2006). Energy Foundations and other Thermo-Active Ground Structures, Géotechenique 56, nº 2, p Katzenbach, R., Ramm, H., Choudhury, D. Combined Pile-Raft Foundation A Sustainable foundation concept, IV workshop of European Large Geotechnical Institutes Plataform, Young researchers chapter: Shallow geothermal aplications in civil engineering, Darmstádio, Alemanha, p Laloui, L., Nuth, M., Vulliet, L. (2006), Experimental and numerical investigations of the behaviour of a heat exchanger pile. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, nº 30, p Souza, J. R. S., Makino, M., Costa, J. P. R., Negrão, M. C. V. (1998). Difusividade Térmica em solos de Marabá. Anais do X Congresso Brasileiro de Metereologia e VIII Congresso da Federação Latino- Americana e Ibérica de Sociedades de Metereologia. Brásilia, D.F., Brasil. Cd-ROM sem paginação. Vaz, J. (2011). Estudo experimental e numérico sobre o uso do solo como reservatório de energia para aquecimento e resfriamento de ambientes edificados. Dissertação de Doutorado, Programa de Pós Graduação em Engrnharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 235 p. Vilela, M. M. (2004). Estudo de método experimental para determinar a potencialidade do uso de energia geotérmica à baixa profundidade. Dissertação de Doutorado, Programa inter-unidades de Pós- Graduação em Energia, Universidade de São Paulo, 278 p.

7 Wang, B., Bouazza A., Singh, R. M., Barry-Macaulay D., Haberfield C., Chapman G. e Baycan S. (2013) Field Investigation of a Geothermal Energy Pile: Initial Observations, 18º International Conference in Soil Mechanics and Geotechnical Engineerging, Paris, França, Vol. 1, p