O estudo experimental apresentado nesta dissertação foi realizado para avaliar a resposta térmica de fundações por estacas trocadoras de calor, que podem ser usadas para reduzir o elevado consumo de energia em sistemas de condicionamento de ar no Brasil. A principal motivação para a produção deste trabalho foi a ausência de estudos sobre o desempenho térmico de estacas e/ou furos trocadores de calor em solo tropical, que é muito comum em nosso país. Para esta pesquisa, cinco ensaios de resposta térmica (TRT) foram realizados no Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo em São Carlos/SP, Brasil. A camada de solo superficial deste terreno consiste de solo tropical não saturado, composto de areia argilosa coluvial (laterítico) sobre um solo residual de arenito (saprolito). O ensaio in situ denominado TRT é o método experimental mais comum para a determinação das propriedades térmicas de sistemas de fundações por estacas trocadoras de calor. Os experimentos foram realizados em duas estacas escavadas, com 12 m de profundidade, equipadas com tubos trocadores de calor, instaladas em uma camada de solo com temperatura média em torno de 24°C. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a performance de estacas trocadoras de calor na condição de solo e clima investigados (alta temperatura do solo, solo laterítico não saturado com alta porosidade próximo a superfície). Também foram verificados os efeitos da posição do nível d\'água, da vazão da água circulante na estaca, e da duração do ensaio nas propriedades térmicas das estacas trocadora de calor avaliadas. Os resultados encontrados da taxa de troca de calor por metro de estaca neste estudo variam 79 a 110 W/m, portanto, estas estacas mostram bom potencial de transferência de calor no local investigado. Os resultados desse estudo fornece informações úteis para a avaliação da eficiência de estacas trocadoras de calor como um sistema de refrigeração em regiões tropicais e subtropicais brasileiras. / Brazil is the fifth largest buyer of air conditioner in the world because of its tropical and subtropical climate. To address this problem, the current experimental study was carried out to evaluate the thermal response of energy piles that can be used to reduce the high energy consumption in cooling systems in Brazil. The key factor that motivates this study is that unsaturated tropical soils cover a significant part of the Brazilian territory, and the thermal performance of heat exchanger piles in typical Brazilian soil and climate has not been investigated before. Five Thermal Response tests (TRT) were conducted for this research in the Geotechnical research field of the University of São Paulo at São Carlos/SP, Brazil, of unsaturated tropical soil, including a superficial layer composed of colluvial clayey sand (lateritic) overlaying in a residual sandstone soil (saprolitic). Thermal response tests are the most common experimental method for determining thermal properties of the energy foundation systems. The tests were performed on two drilled piles of 12m length equipped with heat transfer pipes, installed a soil layer with average temperature of 24°C. The main objective of this work was to obtain some data about the thermal energy delivery of energy piles in the soil and climate condition investigated herein (high ground temperature, unsaturated and tropical soil with high porosity). The effects of ground water table, flow rate, duration of test, and number of heat exchanger U-pipes on the thermal properties of the energy pile were also evaluated in this study. The thermal parameters obtained allowed a first evaluation about the thermal efficiency of the piles in the particular soil. The results of heat exchange rate found in this study vary from 79 to 110 W/m, therefore energy piles installed in the investigated site show good heat transfer potential. This study provides interesting information to the evaluation of heat exchange efficiency in energy foundations to be used as a cooling system in tropical and subtropical Brazilian regions.

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.

O estudo experimental apresentado nesta dissertação foi realizado para avaliar a resposta térmica de fundações por estacas trocadoras de calor, que podem ser usadas para reduzir o elevado consumo de energia em sistemas de condicionamento de ar no Brasil. A principal motivação para a produção deste trabalho foi a ausência de estudos sobre o desempenho térmico de estacas e/ou furos trocadores de calor em solo tropical, que é muito comum em nosso país. Para esta pesquisa, cinco ensaios de resposta térmica (TRT) foram realizados no Campo Experimental de Fundações da Universidade de São Paulo em São Carlos/SP, Brasil. A camada de solo superficial deste terreno consiste de solo tropical não saturado, composto de areia argilosa coluvial (laterítico) sobre um solo residual de arenito (saprolito). O ensaio in situ denominado TRT é o método experimental mais comum para a determinação das propriedades térmicas de sistemas de fundações por estacas trocadoras de calor. Os experimentos foram realizados em duas estacas escavadas, com 12 m de profundidade, equipadas com tubos trocadores de calor, instaladas em uma camada de solo com temperatura média em torno de 24°C. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a performance de estacas trocadoras de calor na condição de solo e clima investigados (alta temperatura do solo, solo laterítico não saturado com alta porosidade próximo a superfície). Também foram verificados os efeitos da posição do nível d\'água, da vazão da água circulante na estaca, e da duração do ensaio nas propriedades térmicas das estacas trocadora de calor avaliadas. Os resultados encontrados da taxa de troca de calor por metro de estaca neste estudo variam 79 a 110 W/m, portanto, estas estacas mostram bom potencial de transferência de calor no local investigado. Os resultados desse estudo fornece informações úteis para a avaliação da eficiência de estacas trocadoras de calor como um sistema de refrigeração em regiões tropicais e subtropicais brasileiras. / Brazil is the fifth largest buyer of air conditioner in the world because of its tropical and subtropical climate. To address this problem, the current experimental study was carried out to evaluate the thermal response of energy piles that can be used to reduce the high energy consumption in cooling systems in Brazil. The key factor that motivates this study is that unsaturated tropical soils cover a significant part of the Brazilian territory, and the thermal performance of heat exchanger piles in typical Brazilian soil and climate has not been investigated before. Five Thermal Response tests (TRT) were conducted for this research in the Geotechnical research field of the University of São Paulo at São Carlos/SP, Brazil, of unsaturated tropical soil, including a superficial layer composed of colluvial clayey sand (lateritic) overlaying in a residual sandstone soil (saprolitic). Thermal response tests are the most common experimental method for determining thermal properties of the energy foundation systems. The tests were performed on two drilled piles of 12m length equipped with heat transfer pipes, installed a soil layer with average temperature of 24°C. The main objective of this work was to obtain some data about the thermal energy delivery of energy piles in the soil and climate condition investigated herein (high ground temperature, unsaturated and tropical soil with high porosity). The effects of ground water table, flow rate, duration of test, and number of heat exchanger U-pipes on the thermal properties of the energy pile were also evaluated in this study. The thermal parameters obtained allowed a first evaluation about the thermal efficiency of the piles in the particular soil. The results of heat exchange rate found in this study vary from 79 to 110 W/m, therefore energy piles installed in the investigated site show good heat transfer potential. This study provides interesting information to the evaluation of heat exchange efficiency in energy foundations to be used as a cooling system in tropical and subtropical Brazilian regions.

This thesis deals with the increased efficiency of photovoltaic panels (PVs) through cooling the cells by geothermal energy and water heating. Initially, a photovoltaic modeling is made proposing an equation to obtain the maximum power point considering the variations of solar radiation and cell temperature. Initially, it is proposed a PV modeling for obtaining the maximum power point (MPP) as a function of solar radiation and temperature of the cells by the PV 5-parameter model. Thus, the determination of the PV MPP, which depends only on the internal parameters, can be made with greater precision. Water circulation by a pipe that passes through the thermal reservoir is used to cool the PV. This is complemented by cooling hoses buried underground to exchange geothermal avoiding the saturation of the heat exchange between PV and water circulation, increasing the PV efficiency. After studies on the constitution of the soil, the technical characteristics of the tubes for circulating water, hydraulic pump and heat exchanger installed after PV, economic analysis and a set of two PVs were mounted with and without the heat exchangers to verify the gains in power and performance. The experiments were made with two PVs operating in MPP, proving that the MPP and the performance increase with decreasing temperature as the modeling performed. During the experiments, the underground temperature varied slightly, avoiding the heat exchange saturation. The main contributions include the PV modeling to obtain the MPP with a single iteration, the use of geothermal energy without heat pump and residential heat load reduction by use of heated water circulation in PVs. / Esta dissertação trata do aumento da eficiência de painéis fotovoltaicos (PVs) através do esfriamento das células por energia geotérmica e aquecimento de água. Inicialmente, é proposto um equacionamento para obtenção do ponto de máxima potência (MPP) de PVs em função da radiação solar e da temperatura das células, considerando o modelo PV de cinco parâmetros. Assim, a determinação do MPP, que depende somente dos parâmetros internos, pode ser feita com maior precisão. Para esfriar o PV, utilizou-se a circulação de água numa canalização que passa por reservatório térmico. Este esfriamento é complementado por mangueiras enterradas no subsolo para troca de energia geotérmica evitando a saturação da troca de calor entre PV e água de circulação, aumentando a eficiência do PV. Após estudos sobre a constituição do solo, características técnicas dos tubos para a circulação de água, bomba hidráulica e trocadores de calor instalados atrás do PV, foi feita a análise econômica e montagem de um sistema com dois PVs, sendo um deles em conjunto com os trocadores de calor e outro sem para verificar os ganhos de potência e rendimento. Experimentos foram realizados com os dois PVs operando em MPP, onde se comprova que o MPP e o rendimento aumentam com a diminuição da temperatura conforme a modelagem realizada. Durante os experimentos, o subsolo sofreu pouca variação térmica de modo a evitar a saturação da troca de calor. Dentre as principais contribuições destacam-se a modelagem para obtenção do MPP de PVs com uma única iteração, viabilização do uso de energia geotérmica sem bombeamento de calor e redução de carga térmica residencial pelo aproveitamento da água aquecida no PV.

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.