Dentro dos estudos termo-hidráulicos se encontra uma diversidade de autores que realizaram ensaios de resposta térmica a estacas trocadoras de calor. Desde o ano 1994 com Marino & Oka se apresentaram resultados de medição de temperatura e a eficiência na troca de calor com a influência hidráulica no sistema de estaca. Na Tabela 3.5 são mostrados vários autores da literatura referente ao comportamento termo-hidráulico de estacas de energia. Tabela 3.5 - Autores que estudaram o comportamento termo-hidráulico de estacas de energia.
(Bourne-Webb, 2015).
Referência Locação Dimensões da estaca
De x Le [m] Morino & Oka (1994) Funabashi, Japão 0.40 x 20
Nagano et al. (2005) Hanamaki, Japão 0.15 x 8.0
Sekine et al. (2005) Chiba, Japão 1.50 x 20
Hamada et al. (2007) Sapporo, Japão 0.30 x 9.0 Gao et al. (2008) Shanghai, China 0.60 x 25.0 Wood et al. (2009) Burton-on-Trent, UK 0.30 x 10.0 Brettman et al. (2010) Richmond, EEUU 0.30 x 18.0 0.45 x 18.0 Jalaluddin et al. (2011) Cidade Saga, Japão 0.14 x 20
You et al. (2014) Beijing, China 0.42 x 18
Loveridge et al. (2013) Londres, UK 0.30 x 27.0 Murphy et al. (2014) Colorado Springs, EEUU 0.61 x 15.0 McCartney & Murphy (2012) Denver, EEUU 0.91 x 14.0 Narsilio G. et al. (2015) Córdoba, Argentina 0.60 x 9.50
Em seguida, são mostradas duas pesquisas de estacas consideradas importantes dentro da literatura de estudos termo-hidráulico de estacas de energia: Morino & Oka (1994) que realiza uma pesquisa relacionada com estacas de aço, Hamada et al. (2007) quem realiza medições em estacas de concreto com vazio interno e executadas com cravação e Sekine et al. quem trabalharam em um estudo de medição térmica com uma estaca de concreto pre- escavada.
46 Morino & Oka (1994)
O objetivo do estudo de Morino & Oka (1994) foi esclarecer as características de troca de calor de estacas de aço quando o solo é utilizado como fonte de calor com bombas de aquecedoras ou como o dissipador de calor para a liberação de calor. Eles mostraram os resultados experimentais da liberação de calor e coleção quando a água quente ou fria circula em uma estaca de aço (Morino & Oka, 1994). Também se verificam os resultados obtidos com os resultados experimentais de um modelo de cálculo que foi desenvolvido como um meio para projetar um sistema de aproveitamento de calor utilizando essas estacas. Calculou- se também a quantidade de calor trocada com a estaca de aço numa operação de longo prazo usando um método de cálculo verificado pelo ensaio de curta duração. Este estudo baseou-se nos resultados de experimentos de curto prazo realizados no verão e inverno de 1987, para cerca de 10 dias, e esclareceu as características básicas de troca de calor de calor coleção diária e liberação de uma única estaca de aço (Morino & Oka, 1994).
Como resultados do estudo, os autores mostram que existe uma variação de temperatura na água que se encontra dentro da estaca ao longo da profundidade antes do funcionamento da bomba. Quando a água circula, as temperaturas medidas a nível superficial e no fundo podem ter uma diferença de 1 a 1.5 °C (Morino & Oka, 1994). Também se demonstrou que a diferença entre as medições e os cálculos da quantidade de calor foi, em termos de quantidade de transferência de calor entre a estaca de aço e o solo, 5-25% durante o tempo de liberação de calor, e 5-10% durante a coleta de calor, e em termos do calor coletado pelo sistema (Morino & Oka, 1994). Finalmente os autores concluem que para a realização prática de libertação de calor e de recolha com o solo, é necessária uma avaliação ao longo prazo suportado por verificações e estimativas ao longo de vários anos.
Hamada et al. (2007)
A pesquisa publicada por Hamada et al. no ano 2007 visa clarificar os efeitos da aplicação do sistema de estaca de energia como estacas pré-fabricadas (estacas tipo PHC) em edifícios aplicados como permutadores de calor com ar-condicionado. Realizou-se esta pesquisa para reduzir o custo de funcionamento dos trocadores de calor em sistemas de aproveitamento de energia térmica superficial. As estacas utilizadas para a investigação foram 26 estacas de 30 cm de diâmetro exterior e 23 cm de diâmetro interior (Hamada et al., 2007).. Foram monitoradas 3 tipo de estacas com diferentes sistemas de tubulação dentro da estaca: um sistema com tubulação U simples com ar dentro da estaca, outro sistema com tubulação
47 duplo U em contato com água e parte de ar dentro da estaca e por último uma tubulação dupla em contato direto com água dentro da estaca.
Dentro dos resultados que se obtiveram, se determinou que o melhor comportamento térmico e de eficiência térmica foi para o sistema de estaca com tubulação dupla em contato com água. Dentro das considerações de funcionamento do sistema para o longo prazo com variações de temperaturas típicas. A análise se realizou para um período de 131 dias (entre o 2000-2001) e com este modelo se obteve como resultado um alto valor do coeficiente COP e sempre um alto gradiente de temperatura entre a temperatura de entrada na estaca e a temperatura de saída (Hamada et al., 2007).
Como conclusões foi escolhido o sistema U simples como o sistema economicamente viável e de fácil construção e se verifica que os resultados de troca de calor para este sistema são de grande ajuda para suprir até um 90% da energia que utilizaria um sistema convencional com a análise de longo prazo (Hamada et al., 2007)..
Sekine et al. (2005)
Nesta pesquisa os atores K. Sekine, R. Oka, S. Hwang, Y. Nam & Y. Shiba de diferentes universidades de Japão desenvolveram um sistema de estaca trocadora de calor executada "cast-in-place" para fundação de edifícios. Nesta pesquisa, se realizou um experimento em grande escala já que as dimensões da estaca de 1.5 m de diâmetro e 20 m de profundidade permitiram colocar 8 tubulações de HDPE ao redor da estrutura de concreto. A capacidade de permuta de calor deste sistema, as mudanças de temperatura subterrâneas e desempenho da bomba de calor foram investigados. Além disso, os custos de construção desse sistema também foram examinados durante a pesquisa.
Como resultado, se obteve um rendimento de coleta/injeção de calor de 180 W/m para cada estaca. Foi realizado um estudo em diferentes ambientes empregando um sistema de panel de radiação e uma unidade de ventilação (ar-condicionado), ambas ligadas a diferentes estacas de energia com as mesmas características geotécnicas e estruturais, e se concluiu que existem diferenças máximas de temperaturas entre o ar e a água de 12.3 °C quando esfria e de 12 °C quando aquece o ambiente. A estaca com unidade de ventilação teve uma taxa de injeção de calor média de 100 W/m entanto a estaca ligada ao sistema de radiação de 120 W/m, e 44 W/m e 52 W/m para extração de calor respectivamente. No estudo de custo se concluiu que
48 uma estaca de energia com 8 tubulações foi até 10 vezes mais barata que construir um poço trocador de calor com uma tubulação só.