Apreciação dos resultados

Neste capítulo pretendeu-se caracterizar termicamente um solo, para a obtenção de propriedades necessárias para a realização da modelação numérica de uma estrutura termoactiva. Utilizou-se um dispositivo não calibrado, em virtude de não existir disponibilidade para aquisição de equipamento certificado existente no mercado.

Tendo em vista a viabilidade dos resultados, foram em primeiro lugar realizados ensaios em glicerina, material termicamente bem caracterizado, o que permitiu a confrontação entre os resultados experimentais e os apresentados pela Glycerine Producers Association (1963). Os resultados obtidos através do Hot Wire Method foram, relativamente à referência, ligeiramente superiores.

0 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 T e m p e ra tu ra ( C ) tempo (min)

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Seguiu-se a caracterização geotécnica do solo, pela qual foi possível obter as propriedades geotécnicas mais relevantes na definição do comportamento térmico. Assim, o solo corresponde segundo a USC a uma areia mal graduada, SP, de grãos sub-arredondados a arredondados de igual dimensão, onde prevalece o quartzo e a ortóclase.

Por fim foram realizados ensaios térmicos considerando diferentes teores em humidade. O estudo incidiu primeiro em provetes secos e depois húmidos. Os resultados obtidos para o caso seco são consistentes, inserindo-se nos intervalos de referência. A qualidade dos ajustes obtidos pelo MAR é boa, tendo em qualquer caso sido atingido e superado o valor mínimo de . A variação da condutividade térmica é coerente com o esperado, ou seja, o incremento no peso volúmico, ainda que involuntário, resultou no aumento desta propriedade térmica. No caso húmido os resultados apresentam pior qualidade. Apesar de se verificar compatibilidade entre os resultados experimentais e os disponíveis na bibliografia, existem alguns pontos de incoerência. Os ajustes realizados pelo MAR foram de pior qualidade, tendo sido atingido em apenas um ensaio o valor mínimo de coeficiente de determinação. O ensaio número quatro revela-se bastante incongruente, pois a diminuição da condutividade térmica não se verifica quando se aumenta o teor em água e muito menos quando associado a este aumento, ocorre também diminuição da porosidade. Os ensaios dois e três são também duvidosos pois, ao serem realizados nas mesmas condições, seria de esperar valores semelhantes. Todavia observam-se variações nos resultados da ordem da centésima. Este facto é ainda mais estranho quando comparado com os resultados obtidos no estado seco, onde nos ensaios dois e três, para condições muito similares, se obtiveram resultados sensivelmente iguais, variando apenas na ordem da milésima.

Desta forma, torna-se evidente que os ensaios realizados em condições de teor em água diferente de zero suscitam algumas reservas. Por este motivo, torna-se clara a necessidade de desenvolver trabalhos futuros conducentes à melhoria das condições de ensaio para teores em água diferentes de zero. Dessa forma será possivel obter curvas de evolução da condutividade térmica em função do teor em água, até mesmo em condições de total saturação.

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O funcionamento dos Sistemas Geotérmicos de Baixa Entalpia resulta do estabelecimento de gradientes térmicos, que por sua vez resultam na geração de fluxos de calor. Neste capítulo pretende-se modelar a permuta de calor resultante do funcionamento de sistemas deste tipo e obter algum conhecimento acerca da resposta do solo face à acção térmica por eles imposta.

O estudo foi realizado com recurso ao software FLAC 7.0 Thermal desenvolvido pelo Itasca Consultig

Group. O modelo obtido teve por base o método das diferenças finitas (FDM), tendo sido utilizados

dados de base apresentados no capítulo anterior e outros disponíveis na bibliografia.

Em primeira análise será apresentada a influência da variação anual de temperatura, na temperatura do solo em profundidade para as condições climatológicas à superfície de algumas cidades do território nacional. Segue-se o estudo do comportamento térmico do solo face à acção térmica imposta por uma única geoestrutura termoactiva.

7.1. Condições iniciais: definição do modelo numérico

O comportamento térmico do solo foi abordado considerando dois casos simples. O primeiro, onde se analisou a influência da oscilação anual de temperatura à superfície, na temperatura do solo em profundidade, e o segundo onde se estudou a resposta térmica do solo face à acção conjugada da variação de temperatura superficial e da estrutura termoactiva considerada.

Utilizou-se uma malha de 50 por 60, totalizando 1235 elementos, tal como se apresenta na Figura 7.1. A malha é heterogénea, apresentando maior discretização em duas zonas distintas. Na zona superior, por aí existirem maiores variações de temperatura provocadas pela oscilação da temperatura superficial e, no limite esquerdo, por ser esse o local de implementação da estaca termoactiva.

7. Modelação numérica da transferência de

calor no solo

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Figura 7.1 Malha de elementos finitos utilizada

As simulações realizadas e apresentadas consideram unicamente o comportamento térmico do solo. A transferência de energia térmica é realizada por condução, desprezando-se a influência da convecção e radiação. Para isso foi considerado um modelo isotrópico axissimétrico onde as propriedades térmicas do solo não variam com a temperatura. O estudo do comportamento mecânico do solo face à imposição das acções térmicas foi também desprezado. A análise foi realizada para um período de tempo máximo de quatro anos. As propriedades térmicas do solo necessárias para realização da modelação numérica por diferenças finitas são, segundo Itasca (2011), o calor específico e condutividade térmica . Para além destas, é ainda necessário conhecer a massa volúmica do solo.

A variação de temperatura anual foi definida tendo em consideração uma função periódica tal como sugerido por Hillel (1998) e Vieira e Maranha (2009).

(7.1)

em que é a temperatura num dado instante e é a temperatura média anual. é o período, a amplitude térmica e a fase. Com base nos valores de temperaturas média anual máxima, mínima e média, foi modelada a variação anual de temperatura à superfície para o período de um ano. Os valores necessários para a aplicação da equação (7.1) apresentam-se na Tabela 7.1 para as três cidades.

Tabela 7.1 Parâmetros climatológicos para três cidades portuguesas

Cidade Temperatura média anual (ºC) Amplitude (ºC) Período ̅ (ano) Fase (s) Lisboa 17,1* 4,0* 1,0 0,0 Porto 14,65* 1,85* Beja 16,55* 6,05* *fonte: http://www.pordata.pt/Subtema/Portugal/Poluicao+Atmosferica+e+Clima-86

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Graficamente a oscilação anual de temperatura para as três cidades portuguesas é descrita como se ilustra na Figura 7.2.

Figura 7.2 Variação anual de temperatura para três cidades portuguesas

Como se confirma no gráfico acima apresentado, a variação da temperatura à superfície têm maior amplitude na cidade de Beja. Por outro lado, o Porto, apresenta menores amplitudes térmicas comparativamente às outras cidades estudadas.