Avaliação da utilização do ensaio de cone térmico (TCT) na determinação de propriedades térmicas do solo para dimensionamento de sistemas geotérmicos

Abstract

Resumo: Diante do crescimento da demanda de energia que o Brasil enfrenta e da necessidade de redução da emissão de gases de efeito estufa, torna-se essencial projetar edificações com maior eficiência energética. Para tanto, a energia geotérmica superficial se mostra como alternativa sustentável na redução do consumo de energia elétrica para climatização em edifícios. Nesse sentido, o objetivo dessa pesquisa foi avaliar a possibilidade de utilização do Ensaio de Cone Térmico (TCT) para estimativa das propriedades térmicas do solo in situ, já que o ensaio de Resposta Térmica (TRT) tende a ser mais oneroso e lento para tal finalidade. Primeiramente, o Ensaio de Cone Térmico (TCT) foi realizado em laboratório com diferentes tipos de solo e condições de saturação para entendimento da metodologia do ensaio. Tais ensaios foram também reproduzidos de maneira numérica e, finalmente, foram executados no Campo Experimental de Estudos Geotécnicos da Universidade Estadual de Ponta Grossa. A realização de todos esses ensaios demostrou que o Ensaio de Cone Térmico (TCT) é viável para estimativa da condutividade térmica do solo em diferentes profundidades de interesse, sendo necessário um tempo médio de 30 minutos para dissipação do calor em cada profundidade e obtenção da curva temperatura versus tempo. Os valores de condutividade térmica foram calculados através das metodologias propostas por Akrouch¹ et al. (2016) e Vardon et al. (2019) e se assemelharam a valores disponíveis na literatura para cada tipo de solo e condição de saturação. Para validação do ensaio TCT in situ, ele também foi realizado na cidade de Maringá - PR, em solo argiloso, e em São Carlos - SP, em solo arenoso, nesse último local já havia resultados de Ensaio de Resposta Térmica (TRT) e Ensaio de Agulha Térmica (Thermal Needle Probe) e os valores estimados através do Ensaio de Cone Térmico (TCT) ficaram entre os valores dos outros dos ensaios, o que comprova a sua viabilidade para estimativa da condutividade térmica dos solos. Ressalta-se ainda que em ambos os campos experimentais, em Ponta Grossa-PR e São Carlos- SP, a condutividade térmica foi medida em solos lateríticos não saturados, que são solos típicos do Brasil.

Abstract: Due to the growth in energy demand that is going in Brazil and the need to reduce greenhouse emissions, it is essential to design buildings with greater energy efficiency. Therefore, the shallow geothermal energy surges as a sustainable alternative to reduce the electricity consumption for air conditioning in buildings. Therefore, the goal of this research was to evaluate the possibility of using the Thermal Cone Test (TCT) to estimate the thermal properties of the soil in situ, because the Thermal Response Test (TRT) tends to be more expensive and slower to do so. Firstly, the Thermal Cone Test (TCT) was performed in the laboratory with different types of soil and saturation conditions to understand the test methodology. Such tests were also reproduced numerically and, finally, the tests were performed in the Experimental Field of Geotechnical Studies at the State University of Ponta Grossa. All these tests demonstrated that the Thermal Cone Test (TCT) is feasible to estimate the soil thermal conductivity at different depths of interest, requiring an average time of 30 minutes for heat dissipation at each depth and range of the curve temperature versus time. Thermal conductivity values were calculated using the methodologies proposed by Akrouch¹ et al. (2016) and Vardon et al. (2019) and were similar to values available in the literature for each soil type and saturation condition. For validation of the in situ TCT test, it was also carried out in the Maringá city, in clayey soil, and in São Carlos city, in sandy soil, in the latter location there were already results of the Thermal Response Test (TRT) and Thermal Needle Probe and the values estimated through the Thermal Cone Test (TCT) were among the values of the other tests, which proves its feasibility for estimating the soil thermal conductivity. Finally, it is important to mention that in both experimental fields, Ponta Grossa-PR and São Carlos-SP, the thermal conductivity was measured in unsaturated lateritic soils, which are typical soils in Brazil.