Nowadays, the rational energy consumption is one of the main concerns of the whole modern society. Thus, this dissertation contributes to improve energy efficiency, increase the renewable energy sources and to develop cleaner and more efficient technologies as the greatest challenges of science and technology. This is reflected in today s residential energy consumption in Brazil which is about 26%, mostly produced by equipment of high energy consumption as is the case of showers and air-conditioning, according to the Energy Research Company - EPE. The main goal of this research was to develop a dedicated electronic instrumentation to determine the superficial geothermal profile, focusing at cost reduction and short installation times. With many experimental data was possible to establish the heat exchange capacity of heat exchangers buried underground. The experimental data was obtained in the Center of Studies in Energy and Power Systems Center (CEESP) at Federal University of Santa Maria (UFSM). It was developed a dedicated acquisition board based on a microprocessor (PIC18f5420) and a tubular PVC probe setup with 11 digital temperature sensors model DS18B20 with 5 m long rod and half inch diameter. The temperature data were collected during 12 months recorded every 2 minutes This dissertation is mostly focused on the establishment of basic electronic instrumentation for conducting summary surveys of temperature data in shallow subsurface geothermal profile in any area, thereby reducing costs and installation times. These geothermal profile data are important for various areas in establishing the ability to exchange heat between buried materials and the homely ambient, such as construction, underground power cabling and architecture. The experimental area was the Center of Studies in Energy and Power Systems (CEESP), in the campus of UFSM in Santa Maria - RS. The data collection will serve as input for the rapid establishment of underground temperature distribution curves where is intended to utilize geothermal energy. The data collection was realized by a dedicated data logger based on the PIC18f5420 microprocessor. The entire plate is sized, constructed and programmed in CEESP along with a standard PVC tubular probe five meters long and half inch diameter fitted with 11 digital temperature sensors type DS18B20, to enable monitoring the underground temperature change from surface up to a desired depth. Collection of temperature data was made in the course of 12 months, with measurements recorded at every 2 minutes. Some interruptions occurred during the measurement period, but it did not interfere with the final outcome results. It was then possible to establish the mean thermal profile parameters during daily periods and the maximum and minimum temperatures throughout the year. With the results obtained in this research is possible to prove that the thermal variation (temperature) of the soil profile decreases gradually with depth until it stabilizes at a value which is approximately the average annual temperature of that local area. During these tests, it was observed that the temperature measurements in the experimental campus CEESP for a maximum depth of five meters ranged between 18 and 22 °C. The data reduction method called Least Squares Method was used to make projections of temperatures for deeper depths. Thus it was possible to confirm the theoretical information that the soil temperature at any location a few meters deep tends to stabilize at the annual average surface temperature in that place. In Santa Maria-RS, according to the National Institute of Meteorology (INMET), the annual average temperature is 19.5 °C. / Atualmente existe uma preocupação de toda a sociedade com relação ao consumo racional de energia. Desta forma busca-se melhorar a eficiência energética, aumentar a proporção de fontes renováveis de energia elétrica e desenvolver tecnologias mais eficientes e limpas. O consumo residencial hoje é 26% do consumo nacional, segundo a Empresa de Pesquisa Energética EPE, sendo que os maiores consumidores de energia nos lares são os chuveiros e os condicionadores térmicos de ambientes. Essa dissertação tem por objetivo o estabelecimento de uma instrumentação eletrônica dedicada à realização de levantamentos sumários de dados do perfil geotérmico superficial do subsolo numa área qualquer, reduzindo assim custos e tempo de instalação de projetos geotérmicos para condicionamento de ambientes. Esses dados do perfil geotérmico são importantes para várias áreas no estabelecimento da capacidade de troca do calor entre materiais enterrados e o ambiente. Este conhecimento pode ser utilizado também na construção civil, arquitetura e dimensionamento de cabos de energia subterrâneos, entre outros. A área experimental utilizada foi a do Centro de Estudos em Energia e Sistemas de Potência (CEESP), no Campus da UFSM em Santa Maria - RS. As coletas de dados vão servir de subsídios para o estabelecimento rápido das curvas de distribuição da temperatura do solo no local onde se pretenda estabelecer o aproveitamento da energia geotérmica. Para a coleta de dados foi desenvolvido uma placa dedicada de aquisição baseada num microprocessador PIC18f5420. A placa foi toda dimensionada, construída e programada no CEESP juntamente com um padrão de sonda tubular de PVC de cinco metros de comprimento e meia polegada de diâmetro, onde foram instalados 11 sensores digitais de temperaturas modelo DS18b20. Com esta sonda multissensora fez-se a monitoração automática da variação de temperatura subterrânea desde a superfície até a profundidade desejada. Para comprovar a efetividade da proposta da instrumentação geotérmica com a sonda sensora, fez-se uma coleta de dados de temperatura no decorrer de 12 meses, com medições registradas a cada 2 minutos. Durante o período de medição, ocorreram algumas interrupções nas medidas, mas que não interferiram no resultado final dos experimentos e serviram para demonstrar como se pode facilmente interpolar os valores da variável medida. Estabeleceram-se então parâmetros térmicos do perfil durante períodos diários, de máximas e mínimas temperaturas no decorrer de um ano. Com os resultados obtidos nesta pesquisa foi possível comprovar que a variação térmica (temperatura) do perfil do solo diminui gradativamente de acordo com a profundidade até estabilizar num valor que corresponde aproximadamente à temperatura média anual do sítio de estudo. Durante estes testes, observou-se que as medições de temperatura do solo no campus experimental do CEESP na profundidade máxima medida de cinco metros variaram entre 18 e 22 °C. Foi aplicada uma redução de dados através do Método dos Mínimos Quadrados para obter medidas que permitem projeções de temperaturas para profundidades maiores e assim recomendar as profundidades necessárias para a instalação de trocadores de calor. Os dados confirmaram as informações teóricas de que a temperatura do solo em qualquer local após alguns metros de profundidade tende a se estabilizar em um valor que corresponde à temperatura média anual da superfície do ambiente daquela área. Em Santa Maria-RS, segundo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) a temperatura média anual é de 19.5 °C.

This dissertation deals with a comparison between energy consumption of conventional air conditioning and the surface geothermal conditioning for room environments. Studies have been conducted about soil constitution, heat exchangers and specifications of the tubes for water circulation. Based on these studies was the fitting of a conditioning system utilizing surface geothermal energy using a testing room and another one fitted with a conventional window air conditioner in an analog testing room environment. An electronic circuit maintains the temperature in the conventional air-conditioning reference room in similar conditions to the testing room using geothermal conditioning, also monitoring the power consumption in both units for comparative purposes. In this study, it was used the hill-climbing heuristic method to control and manage the best possible heat exchange with the underground, together with a DC converter used to regulate the electrical load of the hydraulic pump and the fan used in the geothermal conditioner. Experiments were performed with and without electronic management, proving so that this electronic control method increases the geothermal conditioner yielding and reduces power consumption. During the geothermal experiments the underground saturation suffered in the late summer period due to seasonal variation of soil temperature in the adopted depth and also because the sizing of the geothermal heat exchanger was below than planned. This fact, however served to demonstrate that this HCC condition does not maximize the thermal exchanges necessary to the proper functioning of the geothermal conditioner, and consequently, having an increase in electric power consumption. Among the major contributions of this dissertation is the development of a methodology for estimation of heat exchange between the basement and the living environment. One can also include how the sizing of the underground hoses and the electronic controller to manage the thermal exchanges between the underground and the conditioned environment. It proved also the feasibility of shallow geothermal energy for conditioning inhabited environments without heat pumps to reduce electricity consumption. / Esta dissertação trata da comparação do consumo de energia elétrica entre o ar condicionado convencional e o condicionamento térmico com a utilização da energia geotérmica superficial. Foram realizados estudos sobre a constituição do solo, dos trocadores de calor e das características técnicas dos tubos para a circulação de água. Baseado nestes estudos foi realizado a montagem de um sistema de condicionamento utilizando a energia geotérmica superficial usando uma sala de testes e outra com a instalação de um ar condicionado convencional de janela num ambiente idêntico à sala de testes. Um circuito eletrônico mantém a temperatura na sala de referência com condicionamento de ar convencional em condições semelhantes a da sala de testes com condicionamento geotérmico, fazendo também o monitoramento do consumo de energia elétrica em ambos os equipamentos para fins comparativos. Neste trabalho, utilizou-se o método heurístico hill climbing control (HCC) para gerenciamento da melhor troca térmica possível com o solo, em conjunto com um conversor de corrente contínua usado para regular a carga elétrica da bomba hidráulica e do ventilador utilizados no condicionador geotérmico. Experimentos foram realizados com e sem o uso do gerenciamento eletrônico, onde se comprova que este método de controle eletrônico aumenta o rendimento do condicionador geotérmico e reduz o seu consumo de energia elétrica. Durante os experimentos o subsolo sofreu saturação no final do período de verão, devido à variação sazonal de temperatura do solo na profundidade adotada e também devido ao dimensionamento do trocador de calor geotérmico ser inferior ao planejado. Este fato, porém serviu para demonstrar que nesta condição o HCC não maximizou as trocas térmicas necessárias para o funcionamento adequado do condicionador geotérmico, e consequentemente, ocorreu um aumento do consumo de energia elétrica. Entre as principais contribuições desta dissertação está o desenvolvimento de uma metodologia para estimação das trocas de calor entre o subsolo e o ambiente habitável. Pode-se incluir também a forma do dimensionamento das mangueiras a serem enterradas no subsolo e o controlador eletrônico para gerenciar as trocas térmicas entre o subsolo e o ambiente condicionado. Provou-se também a viabilização do uso da energia geotérmica superficial para condicionamento de ambientes habitados sem bombas de calor com a finalidade de reduzir o consumo de energia elétrica.