Comportamento térmico do solo através de testes de resposta térmica (TRT) em trocadores geotérmicos superficiais

Abstract

Resumo: A transição para energias renováveis é crucial para mitigar as mudanças climáticas e reduzir as emissões globais de gases de efeito estufa. Nesse contexto, a energia geotérmica emerge como uma alternativa promissora, utilizando o calor armazenado na crosta terrestre para fornecer aquecimento e resfriamento de edificações, oferecendo uma fonte de energia limpa, segura e renovável. Apesar de seu potencial, a utilização dessa tecnologia ainda é relativamente baixa em comparação com outras fontes renováveis, como a solar e a eólica. No entanto, para que a geotermia possa ser amplamente implementada no Brasil, é necessário um entendimento mais profundo das propriedades térmicas do solo, que variam de acordo com as condições geográficas locais. Este trabalho visa contribuir para a mitigação de três dos seis desafios identificados por Roka et al. (2023) como barreiras à disseminação dos sistemas geotérmicos superficiais: (1) a ampliação do conhecimento sobre a condutividade e a difusividade térmica do solo na região sul do Brasil; (2) a compreensão do comportamento do solo durante ciclos de aquecimento e resfriamento; e (3) a melhoria no entendimento da área de influência térmica de um trocador geotérmico, o que pode otimizar a área de troca térmica instalada. Para isso, foi instalado um trocador geotérmico no Campo Experimental de Estudos Geotécnicos de Ponta Grossa - CEEG-PG, e o solo da região foi instrumentado com sensores de temperatura e umidade para avaliar seu comportamento durante o Teste de Resposta Térmica (TRT). Os resultados mostraram que o tempo médio de recuperação da temperatura não perturbada no solo do CEEG-PG foi de 17 dias, com uma dissipação do acréscimo de temperatura de 50% em 4 dias e 75% em 8 dias. O bulbo térmico após a realização do TRT não perturbou o solo além de 1,10 m de distância do trocador geotérmico, sugerindo que trocadores podem ser instalados a intervalos de 1,10 m, otimizando a área disponível para instalação. Além disso, foi elaborado um ábaco para previsão do bulbo térmico com base na temperatura não perturbada para diferentes períodos de injeção contínua de calor. A pesquisa também identificou desafios no uso de sensores de umidade do solo, que necessitam de correções nos dados devido à influência da temperatura na condutividade elétrica medida. Após as correções, constatou-se que a umidade do solo na área aquecida não variou significativamente durante o TRT. A temperatura não perturbada medida a 1,5m de profundidade sofreu interferência sazonal, e os valores medidos foram maiores do que aqueles observados por Tonus (2023) no mesmo local em período diferente, possivelmente devido às maiores temperaturas ambientes no período. Concluindo, este estudo oferece uma contribuição para a implementação de sistemas geotérmicos no Brasil, auxiliando na superação de barreiras técnicas e promovendo a adoção de uma energia renovável com grande potencial de descarbonização.

Abstract: The transition to renewable energy is crucial for mitigating climate change and reducing global greenhouse gas emissions. In this context, geothermal energy emerges as a promising alternative, utilizing the heat stored in the Earth's crust to provide heating and cooling for buildings, offering a clean, safe, and renewable energy source. Despite its potential, the adoption of this technology remains relatively low compared to other renewable sources, such as solar and wind energy. However, for geothermal energy to be widely implemented in Brazil, a deeper understanding of the thermal properties of the soil, which vary according to local geographical conditions, is necessary. This work aims to contribute to the mitigation of three of the six challenges identified by Roka et al. (2023) as barriers to the dissemination of shallow geothermal systems: (1) expanding knowledge of the thermal conductivity and diffusivity of the soil in the southern region of Brazil; (2) understanding the behavior of the soil during heating and cooling cycles; and (3) improving the understanding of the thermal influence area of a geothermal heat exchanger, which can optimize the installed thermal exchange area. To this end, a geothermal heat exchanger was installed at CEEG-PG, and the region's soil was instrumented with temperature and moisture sensors to evaluate its behavior during the Thermal Response Test (TRT). The results showed that the average recovery time of the undisturbed temperature in the CEEGPG soil was 17 days, with a dissipation of 50% in 4 days and 75% in 8 days. The thermal bulb after conducting the TRT did not disturb the soil beyond 1.10 m from the geothermal heat exchanger, suggesting that exchangers can be installed at 1.10 m intervals, optimizing the available installation area. Additionally, an abacus was developed for predicting the thermal bulb based on the undisturbed temperature for different periods of continuous heat injection. The research also identified challenges in using soil moisture sensors, which require data corrections due to the influence of temperature on the measured electrical conductivity. After corrections, it was found that soil moisture in the heated area did not vary significantly during the TRT. The undisturbed temperature measured at 1.5 m depth experienced seasonal interference, and the values measured were higher than those observed by Tonus (2023) in the same location, possibly due to higher ambient temperatures during the period. In conclusion, this study contributes to the implementation of geothermal systems in Brazil, helping to overcome technical barriers and promoting the adoption of a renewable energy source with great decarbonization potential