Uma significante parcela do consumo de energia elétrica em nosso país é utilizada para sistemas de climatização artificial em edificações. Portanto, diante da crise energética nacional e da redução de reservas naturais, o estudo de novas tecnologias de energia limpa para suprir esta demanda para climatização de ambientes é fundamental. A geotermia superficial, baseada no aproveitamento de energia térmica do subsolo, é uma solução bem sucedida em outros países para este fim, porém ainda não divulgada no Brasil. Um modo econômico de aproveitamento deste tipo de energia, já empregado no exterior, seria por meio de fundações por estacas trocadoras de calor. Neste caso, pela circulação de água em tubos de polietileno instalados dentro das fundações, com o auxílio de uma bomba de calor, é realizada a troca de calor entre o ambiente interno de edifícios e o subsolo. Diante deste cenário, esta tese apresenta um estudo experimental, focado em esclarecer aspectos relevantes para o dimensionamento destas fundações trocadoras de calor para as nossas condições de clima, temperatura de subsolo, e demanda para climatização ao longo do ano. Nesta pesquisa de doutorado foram investigados três pontos chaves para contribuir com futuros projetos de geotermia superficial por fundações trocadoras de calor no Brasil. O primeiro foi o efeito da configuração dos tubos de polietileno (instalados na estaca) na eficiência da troca de calor com o solo e na variação de temperatura da estaca, visto que quanto maior for a variação da temperatura maiores serão os efeitos no comportamento da fundação. O segundo aspecto estudado foi o comportamento termo-mecânico da fundação trocadora de calor, com foco nos efeitos causados na transferência de carga ao longo da estaca e no comportamento carga-recalque. O terceiro foi a influência do fluxo de água subterrânea na troca térmica da estaca com o subsolo. Para uso dessa tecnologia no Brasil, onde a demanda predominante é para o resfriamento de edifícios, a contínua rejeição de calor de ambientes no subsolo ao longo do tempo poderá aumentar a sua temperatura, e alterar a eficiência do sistema. Neste caso, maiores velocidades do fluxo de água subterrânea podem contribuir para dissipação de calor no solo e amenizar este problema. Para investigar estes três tópicos foram realizados experimentos em um terreno em São Paulo, com subsolo ao longo das estacas composto predominantemente por areia saturada, e ensaios em modelo físico em escala reduzida em laboratório. As principais conclusões obtidas pelos resultados descritos e analisados neste trabalho são as seguintes: (i) a configuração dos tubos instalados na estaca afeta a eficiência na troca de calor com o subsolo; (ii) o efeito de um ciclo de carregamento térmico não prejudicou o desempenho da fundação por estaca hélice contínua avaliada neste estudo; (iii) a presença do fluxo de água subterrânea reduz o aquecimento da estaca e do solo em seu entorno durante a rejeição de calor no subsolo, além de contribuir para a recuperação da temperatura inicial do solo quando o sistema é desligado.

A significant portion of electricity consumption in our country is used for artificial air conditioning systems in buildings. Therefore, given the national energy crisis and the reduction of natural reserves, the study of new clean energy technologies to meet this demand for air conditioning is essential. Based on the use of thermal energy from the subsoil, shallow geothermal energy is a successful solution in other countries for this purpose, but it has not yet been disclosed in Brazil. An economical way to use this type of energy, already used abroad, would be through foundations using heat exchanger pipes. In this case, by circulating water in polyethylene pipes installed inside the foundations, with the aid of a heat pump, heat is exchanged between the internal environment of buildings and the underground. Given this scenario, this thesis presents an experimental study, focused on clarifying relevant aspects for the design of these heat exchanger foundations for Brazilian climate conditions, subsoil temperature, and demand for acclimatization throughout the year. In this doctoral research, three key points were investigated to contribute to the future use of shallow geothermal energy by means of heat exchanger foundations in Brazil. The first was the effect of the configuration of the polyethylene pipes (installed in the pile) on the efficiency of heat exchange with the soil and the temperature variation of the pile, since the greater the temperature variation, the greater the effects on the behavior of the foundation. The second aspect studied was the thermo-mechanical behavior of the heat exchanger foundation, focusing on the effects caused on the load transfer along with the pile and the load-settlement behavior. The third was the influence of groundwater flow on the thermal exchange between the pile and the subsoil. For the use of this technology in Brazil, where the predominant demand is for cooling buildings, the continuous rejection of heat into underground environments over time may increase its temperature and alter the system's efficiency. In this case, higher groundwater flow velocities can contribute to soil heat dissipation and alleviate this problem. To investigate these three topics, experiments were carried out in a terrain in São Paulo, with subsoil along the piles composed predominantly of saturated sand, and physical modeling tests on a small scale in the laboratory. The main conclusions obtained by the results described and analyzed in this work are the following: (i) the configuration of the tubes installed in the pile affects the efficiency of heat exchange with the subsoil; (ii) the effect of one cycle of thermal loading did not affect the performance of the CFA pile foundation evaluated in this study; (iii) the presence of groundwater flow reduces the heating of the pile and the surrounding soil during underground heat rejection, in addition to contributing to the recovery of the initial soil temperature when the system is shut down.