A partir de diversas pesquisas experimentais mostradas anteriormente, se iniciaram investigações de ordem numérica para estudar o comportamento de sistemas paralelos aos experimentados. Análises paramétricas de estacas foram importantes num maior detalhamento do comportamento das estacas de energia. Em seguida, são mostrados alguns autores que estudaram a resposta térmica e modelos paramétricos de estacas trocadoras de calor.
Tabela 3.6 - Autores que estudaram estes de resposta térmica. (Bourne-Webb, 2015).
Referência Locação Parâmetros
Brandl (2006) Viena, Áustria -
Loveridge et al. (2014) Londres, UK -
Murphy et al. (2014) UAFA, EEUU Diferença de Temperatura e número de tubulações You et al. (2014) Beijing, China Temperatura entrada/saída Murphy & McCartney (2014) UAFA, EEUU Tubulação, comprimento,
separação da tubulação. Bandeira L. (2015) São Carlos, Brasil
Diâmetro da estaca,
Temperatura entrada/saída, vazão.
Tabela 3.7 - Autores que estudaram modelos paramétricos de ensaios TRT
Referência Locação Parâmetros
Bidarmaghz et al. (2013) Melbourne, Austrália
Numero de tubulações, vazão, tipo de tubulação, separação entre tubulações e entrada/saída.
Francesco Cecinato & Fleur A.
Loveridge (2015) Londres, UK
Diâmetro da estaca, diâmetro da tubulação, número de
tubulações, velocidade, comprimento da estaca, condutividade do concreto, cobertura do concreto.
Bidarmaghz A., Narsilio G., Johnston I (2013):
O objetivo desta investigação foi avaliar e analisar os efeitos térmicos em relação à troca de calor em uma estaca de energia devido à variação de parâmetros como configuração
49 do sistema de tubulação, a vazão do fluido e o espaçamento entre tubulações. Os autores qualificam como parâmetros de projeto que podem afetar a eficiência do sistema. Foram realizados modelos 3D que posteriormente se resolveram por meio dos Métodos de Elementos Finitos. Os modelos consistiam em estacas de 0.46 m (com tubulação em espiral) e 0.14 m (U simples e duplos) de diâmetro com 30 m tubulação em HDPE de 0.025 m de diâmetro e 0.003 m de espessura. Os casos de configurações modeladas foram circuitos tipo U simples, duplo U (cruzados ou em paralelo), triplo U e espiral.
Dentro dos resultados obtidos descobriu-se que como a média da taxa de fluxo de água na tubulação aumenta, a taxa de extração de calor primeiro tende a aumentar para todas as configurações GHE. Se observou que acima de uma velocidade de fluxo determinada, o fluxo tornou-se turbulento e se incrementou à taxa de extração de calor, enquanto que o fluxo diminuiu em comparação ao regime laminar, a taxa de extração de calor diminui de igual forma. Assim as taxas de fluxo mais elevadas não resultaram necessariamente num aumento significativo na eficiência do sistema. Finalmente, se observou que existe um estado constante na taxa de extração de calor no regime transicional que se logra observar em sistemas duplo U.
Para este caso, os autores concluem, que a adição de um segundo da tubulação em U não dobra o desempenho térmico, mas atinge entre 40% a 90% de desempenho adicional, dependendo do volume da água em contato com o calor do sistema. No entanto, a economia pode ser alcançada em termos de custos de perfurações, tendo em conta a redução no número total ou de comprimento GHEs do que seria necessário com um único da tubulação em U. A comparação da tubulação duplo U e configuração de U cruzada mostram que o circuito duplo U paralelo realiza cerca de um 23% de melhor operação quanto o fluxo de água está em regime turbulento, entanto em um regime laminar eles tem quase o mesmo desempenho, para as separações apresentadas.
Por outro lado, na são mostrados os resultados térmicos da tubulação em espiral. Os autores conseguiram obter resultados que mostram que a temperatura de saída, ao aumentar o espaçamento axial, diminui, mas a taxa de troca de calor é quase constante para todos os casos. Também, foi comparado o desempenho térmico entre os GHEs com tubulações em espiral e tubulação em U. Demonstrou-se que para uma dada taxa total de fluxo de água, em GHEs de mesmo comprimento têm-se quase o mesmo desempenho térmico independentemente da geometria da tubulação e do número de tubulações em U. Os autores
50 recomendam, portanto, usar várias tubulações U em vez de tubulação em espiral. Por último, se conclui que existem variações na troca de calor relacionadas com a separação de tubulações tipo U e como isso afeta a taxa de extração de calor. As variações do espaçamento entre SS = 0,04 m e SL=0,28 m em uma estaca de diâmetro 0.46 m tiveram como resultado, na taxa de extração de calor, o aumento de 7% para 23% aproximadamente.
Francesco Cecinato & Fleur A. Loveridge (2015):
Na pesquisa conduzida por Francesco e Loveridge em 2015, se desenvolve um modelo numérico de elementos finitos para a análise 3D aplicada a fenômenos de troca de calor condutivo e convectivo transiente. O modelo é empregado para proceder a uma análise paramétrica para identificar os fatores principais na maximização da eficiência energética da estaca.
A influência da mudança de condutividade do concreto, o diâmetro da estaca e a cobertura de concreto, também são discutidos à luz das suas implicações energéticas. A vazão de fluido não surge como um fator importante na eficiência energética, desde que seja suficiente para garantir o fluxo turbulento.
Os parâmetros utilizados para a simulação paramétrica variaram desde um valor inferior limite até um valor superior. Os intervalos são apresentados na Tabela 3.8. Segundo os autores, esta análise não é relevante para escavações CFA (Hélice Continua), onde as tubulações U são normalmente instalados separadamente do reforço, mais perto do centro da estaca para permitir a instalação dos GHEs.
Para esta análise paramétrica, foi implementado um método de análise paramétrico estatístico. A análise de Taguchi define uma "matriz ortogonal" de 2 dimensões que determina as configurações variáveis para cada um dos experimentos necessários. Cada fila da matriz contém a lista de configurações para todos os parâmetros em um experimento. Cada coluna corresponde a uma das variáveis, e contém todos os valores que cada variável tem atribuído durante os modelos.
51 Tabela 3.8. Intervalos selecionados para a simulação paramétrica.
(Cecinato & Loveridge, 2015).
Parâmetro Limite Inferior Limite Superior Unidades
1 Diâmetro da estaca 500 1000 mm
2 Diâmetro da tubulação 20 30 mm
3 Numero de Tubulações 2 6
4 Velocidade do Fluido 0.2 1.2 m/s
5 Comprimento da estaca 15 25 m
6 Condutividade térmica do concreto 1.5 3 W/m.K
7 Cobertura do concreto 50 75 mm
Finalmente, confirma-se que o parâmetro de concepção mais influente na eficiência de trabalho é o número de tubulações, que pode ser mais convenientemente aumentada, dentro de um intervalo razoável, em comparação com o aumento das dimensões da estaca.
Dentro das observações apreciadas pelos autores se conclui:
O melhor cenário para a eficiência energética de uma estaca geotérmica é representado pela combinação de parâmetros escolhidos para a execução de confirmação onde o parâmetro mais importante é o número de tubulações, seguido pelo comprimento estaca. Este resultado concluiu que o valor total da superfície da tubulação disponível para a troca de calor por convecção é fundamental.
A condutividade térmica do concreto vem em terceiro lugar no ranking de parâmetro importância. Embora isto seja um resultado esperado, a condutividade não pode ser facilmente manipulada. A condutividade do concreto depende principalmente da litologia do agregado e isso poderia potencialmente ser especificado pelo projetista. Na prática, os tipos de agregados são principalmente determinados pelos materiais disponíveis localmente. No entanto, os aditivos e produtos de substituição de cimento podem reduzir a condutividade do concreto e estes produtos poderiam ser limitados pela especificação.
3.9. ENSAIOS DE RESPOSTA TÉRMICA PARA ESTACAS TROCADORAS DE