Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

This thesis follows the development of the PITERM project (Thermo-mechanical characterization and new design techniques of geothermal piles) within the Spanish INNPACTO 2011 program, a public-private cooperation funded by our Ministry of Science and Innovation. This project was the first to aim at a fully integrated analysis of the combined effect of mechanical and thermal actions upon a newly designed precast pile, thermally activated and fully instrumented. The project started in September 2011 and lasted until December 2013. The overall goal of this project was to analyse the behaviour of thermo-active foundations in order to further develop-relevant design methodologies for these elements, to be validated by experimental data By means of this combined analytic-experimental effort, we aim to validate the idea that foundations, designed appropriately, are able to cope with the thermal and mechanical stresses to which they ought to be subjected throughout its lifespan. More specifically, the project has studied the thermomechanical behaviour of a prefabricated pile driven in Valencia, prepared to work as thermo-active element and properly instrumented. With the registration and interpretation of data from the instrumented it was possible to evaluate its behaviour under mechanical and thermal stresses similar to those that would exist in a real working scenario. The results of this Thesis allow to understand and characterize the mechanical behaviour of geo-active piles and their response under different types of thermal cycling stresses under realistic conditions, contributing to the extension and dissemination of the use of this type of geo-structural elements, and, in the long run, aiming to increase our ability to harvest renewable heat out of the subsurface of our cities. / La presente tesis doctoral es consecuencia del desarrollo del proyecto PITERM (Caracterización termo-mecánica y nuevas técnicas de diseño de pilotes termo-activos), dentro del subprograma INNPACTO 2011, del programa nacional de cooperación público-privada del Ministerio de Ciencia e Innovación. Este proyecto ha sido el primero que ha integrado en el análisis el efecto combinado de las acciones mecánicas, geotécnicas y térmicas en el comportamiento de un pilote prefabricado hincado, activado térmicamente y completamente instrumentado. El proyecto se inició en septiembre de 2011 y se prolongó hasta diciembre de 2013. El proyecto se orienta hacia el análisis del comportamiento de las cimentaciones termo-activas, el desarrollo de metodologías de diseño de estos elementos, en particular de los pilotes termoactivos, y su validación mediante datos experimentales. El objetivo de este trabajo es validar, mediante una aproximación analítico-experimental, que los elementos objeto de estudio son capaces de hacer frente a las solicitaciones térmicas y mecánicas a las que se verá sometida a lo largo de su vida útil. Más concretamente, en el proyecto se ha estudiado el comportamiento termo-mecánico de un pilote prefabricado y posteriormente hincado en Valencia, preparado para funcionar como elemento termoactivo, debidamente instrumentado. Con el registro e interpretación de los datos de las variables instrumentadas se ha evaluado el comportamiento del pilote sometido a solicitaciones mecánicas y térmicas semejantes a las que lo estaría en una obra real de edificación con aprovechamiento geotérmico. Los resultados de esta tesis permiten entender y caracterizar el comportamiento mecánico de los pilotes y su respuesta ante diferentes solicitaciones térmicas en condiciones similares a las que tendrían en un edificio real. En este sentido, pretende ser una contribución a la extensión y popularización del uso de estos elementos en aras a aumentar nuestra capacidad de captar energía renovable del subsuelo de nuestras ciudades. / El present TESIS doctoral es conseqüència del desenrola del projecte PITERM (Caracterització termo-mecànic i noves tècniques de disseny de pilotes termo-actius), dins del SUBPROGRAMA INNPACTO 2011, del programa nacional de cooperació publica-privada del Ministeri de Ciència i Innovació. Este projecte ha segut el primer que ha integrat en la anàlisis l'efecte combinat de les accions mecàniques, geotécnicas i tèrmiques en el comportament d'un pilote prefabricat estacionat, activat tèrmicament i completament instrumentat. El projecte s'inicià en setembre de 2011 i se prolongà fins desembre de 2013. El projecte s'orienta cap al anàlisis del comportament de les fonamentacions termo-actives, el desenrola de metodologies de disseny d'estos elements, en particular dels pilotes termoactivos, i la seua validació mediant senyes experimentals. L'objectiu d'este treball es validar, mediant una aproximació analítica-experimental, que els elements objecte d'estudi son capaços de fer front a les sol¿licitacions tèrmiques i mecàniques a les que se vorà somes a lo llars de la seua vida útil. Mes concretament, en el projecte s'ha estudiat el comportament termo-mecànic d'un pilote prefabricat i posteriorment estacionat en Valencia, preparat per a funcionar com element termoactivo, degudament instrumentat. En el registre i interpretació de les senyes de les variables instrumentades s'ha valorat el comportament del pilote somes a sol¿licitacions mecàniques i tèrmiques semblants a les que ho estaria en una obra real d'edificació en aprofitament geotèrmic. Els resultats d'esta tesis permeten entendre i caracteritzar el comportament mecànic dels pilotes i la seua resposta davant diferents sol¿licitacions tèrmiques en condicions similars a les que tindrien en un edifici real. En este sentit, pretén ser una contribució a l'extensió i popularització de l'ús d'estos elements en ares a augmentar nostra capacitat de captar energia renovellable del subsòl de nostres ciutats. / Groot Viana, MD. (2017). Comportamiento termomecánico de pilotes prefabricados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/89097

Geólogo / El arco volcánico andino incluye más de 200 estratovolcanes y al menos 12 sistemas de calderas gigantes potencialmente activos y, en la actualidad, no existe un método estándar para determinar las reservas geotermales asociadas a sistemas volcánicos no explorados. El área de estudio corresponde a la zona de la cordillera principal de la región del Maule, ubicada entre los 34.8º y 36.5º latitud sur, en la zona volcánica sur. El modelo magmático y estructural de la zona de estudio se presenta muy favorable a la ocurrencia de sistemas geotermales debido a la existencia de cámaras magmáticas someras y fallas formadas durante los periodos Cenozoicos de contracción, que generan la permeabilidad secundaria necesaria para el emplazamiento de estos sistemas. Los centros eruptivos se presentan como una característica de primer orden que permite localizar los sistemas geotermales e inferir distintos dominios en base a sus principales características. En este trabajo, se clasifican y caracterizan las aguas termales de la zona de estudio y, mediante el análisis de diferentes sistemas geotermales en el mundo, se integran capas de evidencia geológica, geoquímica y geofísica. A través del método de superposición ponderada, fue posible generar un mapa de favorabilidad geotérmica. El cual permite identificar zonas con alta probabilidad de ocurrencia de sistemas geotermales. En este trabajo se estiman volúmenes de cámaras magmáticas asociadas al volumen del edificio volcánico de cada complejo eruptivo. La estimación de volumen del edificio volcánico, se realiza mediante sistemas de información geográfica (SIG). Tras el análisis de distintas metodologías de estimación, se decidió modificar el método de transferencia de calor magmático, implementado inicialmente por Smith y Shaw (1975) y renovada por Sanyal et al. (2002). Combinando principios de transferencia de calor conductivo y volcanologia, es posible calcular la distribución de temperatura en el espacio y tiempo posterior al emplazamiento de un cuerpo magmático. Posteriormente se computa la energia potencialmente recuperable utilizando principios termodinámicos y la estimación de 3 factores de incerteza; profundidad de emplazamiento, edad de emplazamiento y temperatura inicial del magma. El análisis de los resultados obtenidos para distintos volúmenes de magma emplazado, permiten caracterizar la sensibilidad de esta metodología respecto a cada uno de los parámetros de incerteza y su correlación con el volumen de magma emplazado. En base a los antecedentes geológicos disponibles se calculó, para la región del Maule, una reserva geotermal explotable de 1.396 MWe.

Geólogo / En este trabajo se desarrollan los fundamentos de la energía geotérmica de baja entalpia (EGBE), y su uso en la climatización de espacios, especialmente en el ámbito domiciliario. Se introduce el concepto de bomba de calor geotérmica, con todos los aspectos conceptuales que esto conlleva. Se analizara la demanda energética para una casa dentro de la región del Maule, con el fin de generar un sistema de apoyo en la toma de decisiones, aplicado a la evaluación de proyectos relacionados con este tipo de energía. Esta región es una de las dos zonas estudiadas por el proyecto "Determinación de parámetros termales en el subsuelo de las cuencas de Santiago y Talca: implicancias para el uso directo de la energía geotérmica". Se estudiará la cobertura sedimentaria presente en la cuenca del Maule con el objetivo de describir la sedimentología y las propiedades hidráulicas de los acuíferos que estén contenidos en ella, esto con el fin de analizar en profundidad el intercambio calórico con el subsuelo. A esto se le suman las variables hidrogeológicas, como el flujo subterráneo y abatimiento, ya que estas pueden generar quiebres hidráulicos y térmicos, que pueden afectar a una futura implementación y/o operación. Se generaran dos metodologías de estimación, para dos tipos de bombas de calor, ambas asociadas a pozos verticales, pero con distinta fuente calórica. Las bombas BHP (Borehole Heat Pump), que obtiene el calor de los sedimentos y la bomba GWHP (Ground Water Heat Pump) que obtiene el calor del agua subterránea. La generación de este sistema de apoyo requiere una perspectiva multidisciplinaria, ya que necesita la incorporación de todas las variables hidrogeológicas involucradas, además de una correcta estimación en términos de demanda energética y patrones de consumo. Los resultados muestran que ambas tecnologías son aplicables dentro de la zona, pero existe una gran diferencia de costos de implementación. A través de esta diferencia es posible determinar que las bombas GWHP son más favorables cuando se trata de calefacción domiciliaria.

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación, tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua). Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía como lo son las renovables no convencionales. El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica. El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso. Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo de recurso (alta o media entalpía). A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto dependiendo de los datos de cada yacimiento. Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación termodinámica y en la económica. La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.

El objetivo general de esta memoria es diseñar un motor Stirling de baja entalpía para estudiar la posibilidad de generar electricidad mediante fuentes geotérmicas con esta tecnología, principalmente para red domiciliaria. Para esto, se analizó el desempeño de un prototipo de motor Stirling en las dependencias del Departamento de Ingeniería Eléctrica. Así, los resultados obtenidos en el análisis de esta última fueron la base para el diseño del motor Stirling de baja entalpía. Se procedió a la recopilación de antecedentes en cuanto a la tecnología a utilizar, los costos asociados, y la potencialidad de los recursos disponibles. Posteriormente, se elaboraron modelos termodinámicos con el fin de estudiar el comportamiento de un motor Stirling ante las condiciones térmicas de las fuentes geotermales. Estos modelos permitieron seleccionar las dimensiones y la configuración de los elementos constituyentes de la máquina. Los modelos entregaron información valiosa sobre la potencia útil generada por la máquina y sus pérdidas asociadas, identificando sus partes críticas y las soluciones posibles. Se estudió en detalle los tipos de tecnología que se utilizan para motores Stirling de baja entalpía con el fin de elaborar un diseño óptimo. En este sentido, el diseño se basó en experiencias anteriores en este tema, buscando las mejores alternativas y optimizando aquellos diseños. Finalmente, se diseñó un motor Stirling para las condiciones específicas de las fuentes geotermales en Chile, utilizando tanto la información recopilada como las conclusiones obtenidas tras el trabajo en la minicentral.

Nowadays, the increasing of the energy consumption is producing serious changes in the natural environment as the global warming. Around the 40% of all greenhouse gas emissions in developed countries come from the building equipments, where approximately 60% are produced by the air conditioning systems. In this context, ground coupled heat pumps are an attractive solution as air conditioning systems in commercial buildings due to their higher efficiency compared with the conventional air to water heat pump. In fact, the American Environmental Protection Agency recognizes ground coupled heat pump systems among the most efficient and comfortable systems available today. Nevertheless, the energy efficiency of the ground coupled heat pumps could be improve by means a properly management of the di erent equipments which form them. The objective of the research of this PhD thesis will be the development of management strategies in the air conditioning system based on the ground coupled heat pumps to improve its energy efficiency at the same time that we keep the thermal comfort in the conditioned areas. The energy management strategies will be oriented in the three ways: combining of several generation systems (ground coupled heat pump and air to water heat pump), decoupling thermal generation from thermal distribution (by means a thermal storage device) and strategies based on the management of the devices of the system (by means of continuous regulation of them). From the results of this research we can obtain two main conclusions. The rst one is that a properly management of a system composed by a thermal storage, an air to water heat pump and a ground coupled heat pump produce an improvement of the energy efficiency around a 40% respect to a conventional system and around a 18% respect to a geothermal system. The second main conclusion of this thesis is that a properly management strategy in continuous regulation of the devices which are part of a ground coupled .. / Pardo García, N. (2009). Energy efficiency improvement of hybrid ground coupled HVAC systems from thermal energy generation and storage management [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/6065

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O valor médio de condutividade térmica dos testemunhos de sondagem coletados nesta região foi de 1,66 ± 0,52 W.m-1.°C-1. Por sua vez, o fluxo geotermal médio na região estudada é de 42,16 ± 1,14 mW.m-2. A 1,0 m de profundidade ocorrem mudanças temporais nos valores de temperatura, as quais não podem ser consideradas como desprezíveis. Estas, mudanças estão diretamente relacionadas com as variações do fluxo de radiação solar incidente na superfície. O maior incremento deste fluxo, observado de um dia para o outro, foi de cerca de 30 W.m-2, o que correspondeu a um aumento de temperatura a 1,0 m de profundidade da ordem de 0,22° C. Os perfis de temperatura obtidos durante este trabalho apresentaram deriva em sentidos alternados, durante o ciclo de período de um ano. Os perfis geotérmicos rasos são caracterizados por uma zona de fluxo de calor nulo, denominada "cotovelo", a partir da qual os valores de temperatura crescem com o aumento da profundidade. A profundidade do cotovelo é fundamentalmente influenciada pelo fluxo de calor gerado pela radiação solar incidente na superfície da área em estudo. Elaborou-se um modelo de evolução temporal o qual representa a estrutura térmica e suas variações, da zona compreendida de 0,02 a 10,0 m de profundidade. Os resultados oriundos deste modelo de transferência de calor por condução foram comparados com os obtidos em trabalhos de campo. Observa-se uma boa concordância entre esses resultados. Porém, o ajuste numérico é mais evidente para o período de setembro a fevereiro. Este modelamento poderá ser utilizado também para previsões de deriva dos perfis geotérmicos, desde que sejam conhecidos, a priori, os valores correspondentes às temperaturas médias mensais na superfície, o gradiente geotérmico regional e um dado perfil geotérmico. Este trabalho comprova que o fluxo de radiação solar incidente na superfície é a principal fonte de influência sobre os perfis geotérmicos rasos. A profundidade máxima dessa influência depende principalmente da magnitude desse fluxo, do grau de proteção superficial à incidência direta da radiação e da litologia do local em estudo. / A detailed study of shallow geothermics was carried out at depth intervals of 0.02 to 210.0 m, in the metropolitan área of the city of Belém-Brazil. The temperature measurements were performed by using mercury and thermistor thermometers, while the thermal conductivity measurements were made on core samples obtained from boreholes, by using a needle type apparatus. The incident solar radiation flux was recorded by a Robitzech type actinography. The average geothermal gradient obtained for the metropolitan area of the city of Belém was of 0.0254 ± 0.0007 °C.m-1. The average value of the thermal conductivity of the core samples collected in this region was of 1.66 ± 0.52 W.m-1.°C-1. On the other hand the average geothermal flux observed within the studied region was of about 42.16 ± 1.14 mW.m-2. At 1.0 m depth one observes changes of the temperature values with time which can not be neglected. These changes are directly related to the incident solar radiation flux variations at the surface. The largest increment of this flux observed from one day to the other was about 30 W.m-2, which corresponded to a temperature increment of the order of 0.22 °C at 1.0 m depth. The temperature profiles obtained in this work, presented drifts in alternating directions during the one-year cycle of observations. The shallow geothermal profiles are characterized by a zone of vanishing heat flux, so called “elbow zone”, past which the temperature increases with depth. The depth of the elbow zone is mainly influenced by the heat flux generated by the incident solar radiation on the surface of the area under study. A numerical model of the thermal structure evolution in time, was developed for the 0.02 to 10.0 m depth zone. The results generated from this model of heat transfer by conduction were compared with those obtained from the field work data. One observes good agreement between the two sets of data. However the numerical adjustment representation is closer to the field data in the period of September to February. The model developed can be used for of profile drifts geothermal forecasts, as long as one knows a priori the corresponding values of the monthly averages of the soil temperatures at the surface, the regional geothermal gradient and one given geothermal profile. This work demonstrates that the incident solar radiation flux at the surface is the main source of influence on the shallow geothermal profiles. The maximum depth of such influence depends mainly on the magnitude of such flux, on the degree of protection of the surface from the direct incidence of solar radiation and the lithology of the site under study.

Geólogo / En el Parque Nacional Puyehue, ubicado entre los 72°10 W y 72°20 W - 40°40 S y 40°50 S a 80 km al este de la ciudad de Osorno, inmerso dentro de la cordillera de los Andes se encuentran distintas fuentes termales, las cuales se pueden correlacionar dentro de un mismo sistema geotermal. En el valle que se forma por el río Chanleufu se ubican 2 manifestaciones termales, Aguas Calientes y Termas de Puyehue, aguas de composición Na-Cl-SO4. Más hacia al norte, 20km, se encuentra las termas de Pangal con aguas de composición Na-Ca-Cl. La principal fuente de calor asociado a este sistema se encuentra en el complejo volcánico Casablanca-Antillanca (CVCA), el que presenta una orientación ENE-WSW. Éste tuvo una gran actividad durante el Plio-Pleistoceno, dejando varias coladas de lava, las cuales recubren el área de estudio. El CVCA esta asociado a la zona de falla Liquiñe-Ofqui, las estructuras en subsuperficie del complejo favorecen la permeabilidad del sistema para la recarga de aguas meteóricas y el flujo de los fluidos geotermales. Las muestras recolectadas en este trabajo fueron caracterizadas geoquímicamente, entregando como resultado que en general son aguas del tipo cloruradas con un pH prácticamente neutro a levemente alcalino (pH 7 a 8.5) y una temperatura de descarga de 60° a 65°C en promedio. Las aguas analizadas se interpretaron como aguas maduras con cierta tendencia a periféricas, las cuales han sufrido distintos niveles de dilución debido a la interacción con aguas meteóricas provenientes de la infiltración de los ríos Chanleufu y Golgol, ubicadas en la zona del outflow del sistema geotérmico único para todas las muestras. La temperatura de la fuente calórica se estima en el rango de 160° a 180°C como mínimo. Estas temperaturas fueron estimadas a partir de distintos métodos geotermométricos, tales como geotermómetros de cationes y de sílice, además de estudios de equilibrio multimineral. Los acuíferos del sistema se encuentran asociados a las distintas coladas de lava presentes en la zona y la dirección de los fluidos se asocia al relieve previo a las coladas y al actual, teniendo una dirección hacia el NW. El presente trabajo pretende entregar un modelo conceptual del sistema geotermal de Puyehue-Aguas Calientes y cómo aprovechar de mejor forma los recursos del sistema en favor de la comunidad.

Os complexos alcalinos de forma geral geralmente apresentam trabalhos de cunho geológico. Raramente são apresentados estudos que englobam vários complexos alcalinos. Almeida e Ulbrich são autores que conseguiram realizar o estudo de vários complexos do ponto de vista tectônico e petrográfico. Este trabalho teve como objetivo analisar, do ponto de vista geofísico, vários complexos alcalinos. Como o número de complexos localizados no Brasil é enorme, houve uma dificuldade em analisar um numero muito grande, haja visto que para analisar os complexos é necessário coletar dados sobre os corpos. Nesse trabalho são apresentados dados gravimétricos e magnéticos sobre 12 complexos alcalinos. Em alguns casos não houve resposta gravimétrica de alguns complexos alcalinos, no entanto o magnético geralmente apresentou resposta, já que a maior parte desses complexos é enriquecido em minerais ferrimagnéticos. Poços de Caldas foi uma exceção não apresentando resposta magnética equivalente aos demais complexos estudados. Alguns parâmetros como massa e volume foram determinados através do modelamento 3D dos dados gravimétricos e magnéticos. A distribuição de massa para cada complexo alcalino modelado indica a tendência de alojamento de cada corpo ao longo de estruturas como falhas, zonas de charneira, arcos, entre outros. Cada complexo foi estudado independentemente formando capítulos independentes. / The alkaline complexes are show in this work, bring of geophysical analyses. Rarely are presented studies that encompass several alkaline complexes. Almeida and Ulbrich are authors who have achieved the study of various complexes of the viewpoint, and tectonic petrographic. This study aimed to analyze several complex using geophysical methods, as well as, gravity, magnetics, radiometric and remote sensor. As the number of complex located in Brazil is enormous, there a difficulty in analyzing a very large number, knowing that to analyze complexes is necessary to collect data on the bodies. In this work are presented on gravity and magnetic data 12 alkaline complexes. In some cases there was no response gravimetric some complexes alkali, but the magnetic usually presented response, since most of these complexes is enriched in minerals ferrimagnetic. Wells Caldas was an exception showing no response magnetic equivalent to the other complexes studied. Some parameters such as mass and volume were determined via 3D modeling of gravity and magnetic data. The mass distribution for each modeled alkaline complex indicates the tendency of each housing body over structures such as faults, zones hinge arches, among others. Each complex was studied independently forming chapters independente.