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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-09032021-084647
Document
Author
Full name
Caique Roberto de Almeida
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Boscov, Maria Eugênia Gimenez (President)
Albuquerque Neto, Cyro
Júnior, Fernando Saboya Albuquerque
Title in Portuguese
Análise do comportamento térmico de estacas geotérmicas em solo arenoso.
Keywords in Portuguese
Estacas
Fluxo térmico
Modelagem numérica
Testes de resposta térmica
Abstract in Portuguese
A busca por matrizes energéticas renováveis de caráter sustentável tem motivado o uso de estacas geotérmicas como uma forma de se aproveitar as estruturas de fundações profundas de edificações para, em países de clima tropical, dissipar-se calor de ambientes internos de prédios em camadas superficiais de solo. A climatização por aquecimento com estacas geotérmicas é uma técnica amplamente empregada por países europeus, onde rigorosos invernos tornam mandatórios os gastos com sistemas de calefação. O sistema geotérmico por estacas é acoplado ao conjunto Ground Source Heat Pump (GSHP) e se baseia na circulaçãde um fluido por um circuito fechado de tubos conectados à estaca e à bomba de calor. O presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento térmico de estacas geotérmicas assentes em solo arenoso saturado por meio de simulações numéricas, para identificar as variáveis de maior interesse para projeto. O modelo numérico foi desenvolvido com o programa ANSYS CFX versão 19.2, uma ferramenta CFD (Computational Fluid Dynamics) de alto desempenho. Para a validação do modelo numérico, utilizaram-se dados de ensaio de Teste de Resposta Térmica (TRT) realizado na Escola Politécnica da USP. Nas simulações em regime estacionário, as variáveis estudadas foram: diâmetro e comprimento das estacas; condutividade térmica do solo, do concreto e do material das tubulações; grau de saturação do solo; a temperatura de entrada no sistema e a velocidade do fluido circulante. Observa-se que temperatura de entrada do fluido, diâmetro e comprimento da estaca são as variáveis causam maiores aumentos nas taxas de transferência de calor total. As variáveis comprimento e diâmetro não afetam realmente a eficiência térmica, pois as taxas de transferência de calor normalizadas pouco variaram. Considerando-se as taxas de transferência de calor por unidade de parâmetro, as variáveis mais relevantes são: resistência de contato, grau de saturação e condutividade térmica do concreto.
Title in English
Thermal behaviour analysis of geothermal piles in sandy soils.
Keywords in English
Geothermal piles
Numerical modelling
Thermal flow
Thermal response tests
Abstract in English
The search for sustainable renewable energy matrices has motivated the use of geothermal piles to take advantage of deep building foundation structures to, in tropical climate countries, dissipate heat from building to soil layers. Heating with geothermal piles is a technique widely used by European countries, where severe winters make spending on heating system mandatory. The geothermal pile system is coupled to the Ground Source Heat Pump (GSHP) assembly and is based on the circulation of a fluid through a closed circuit of pipes connected to the pile and to the heat pump. The present work aims to study the thermalbehaviour of geothermal piles in a saturated sandy soil using numerical simulations to identify the variables of greatest interest to the project. The numerical model was developed with the ANSYS CFX version 19.2 program, a high performance CFD (Computational Fluid Dynamics) tool. Data from a Thermal Response Test (TRT) test carried out at the Polytechnic School of the University of São Paulo were used to calibrate the numerical model. In the steady state simulations, the variables studied were: diameter and length of piles; thermal conductivity of soil, concrete and pipe; degree of soil saturation; system inlet temperature; and circulating fluid velocity. Fluid inlet temperature, pile diameter and pile length are the variables that cause the greatest increases in the total heat transfer rates. However, the variables pile length and pile diameter do not really affect the thermal efficiency of the system, as normalized heat transfer rates showed unimportant variation. Regarding the heat transfer rates per unit of parameter, the most relevant variables are contact resistance, degree of saturation and thermal conductivity of the concrete.
 
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Publishing Date
2021-03-09
 
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