Estudo experimental e numérico sobre o uso do solo como reservatório de energia para o aquecimento e resfriamento de ambientes edificados

Abstract

Objetivos: Este trabalho, abrangendo a área da transferência de calor e da mecânica dos fluidos, em seu desenvolvimento envolveu métodos analíticos, numéricos computacionais e experimentais (em ambiente de campo), com a finalidade de analisar o uso de trocadores de calor solo-ar, como estratégia para diminuir o consumo de energia convencional, no aquecimento ou resfriamento de ambientes construídos. Assim, um dos objetivos do estudo foi avaliar, com base em resultados experimentais, a performance do solo como um reservatório de energia, derivada da radiação solar. Buscou-se, pois, identificar parâmetros, procedimentos e condições favoráveis envolvendo esta estratégia. O outro objetivo do estudo foi, usando os softwares GAMBIT e FLUENT, modelar computacionalmente o escoamento do ar no trocador de calor solo-ar. Método: O estudo experimental e numérico foi precedido pela construção de uma edificação, especificamente concebida para a pesquisa, identificada como Casa Ventura. Em continuidade, foram enterrados dutos no solo, que conduziriam ar exterior e água (esta última por um período limitado) ao ambiente interno. No caso da condução de ar, o solo funcionaria como um reservatório de energia, aquecendo ou resfriando a ar. Já, no caso da condução de água, prevista com duto de baixa condutividade térmica, o solo funcionaria apenas como um protetor à radiação solar, para preservar as características térmicas da água, desde um reservatório, de onde a mesma era bombeada, até o interior da casa. Na Casa Ventura foram construídos dois ambientes centrais com características dimensionais e de envolvente equivalentes, constituindo os ambientes monitorados no processo, sendo um, na condição natural, referencial, sem renovação de ar, e o outro, com renovação de ar. Na parte experimental, o ar foi captado do ambiente externo e insuflado por um ventilador nos dutos enterrados, renovou o ar no interior deste último ambiente. Com ajuda de um fan-coil, colocado neste ambiente, o ar renovado trocou calor com a água. Por questões de dificuldades operacionais, o bombeamento de água funcionou por um período muito curto. Durante o experimento, que se desenvolveu por todo o ano de 2007, foram monitoradas e registradas, além da temperatura do solo e da água, a temperatura e a umidade: do ar externo, do ar nos ambientes internos e do ar em escoamento nos dutos enterrados, bem como a velocidade de escoamento nos mesmos. Resultados: De forma geral, o potencial do solo para aquecer foi maior do que o de resfriamento do ar injetado nos dutos enterrados. O potencial de aquecimento foi mais destacado nos meses de maio, junho, julho e agosto, e se mostrou maior que 3K. Para profundidades entre 2 e 3m, estima-se que o potencial possa ser superior a 8K. Por outro lado, o potencial de resfriamento foi maior nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro, mas foi baixo para pequenas profundidades (menos de um metro). Para resfriamento, este potencial pode chegar a 4K. Contribuições da pesquisa: Face aos resultados da pesquisa, diversas foram as suas contribuições, dentre as quais se destacam: a construção de um banco de dados experimentais sobre as propriedades e características do solo (índices físicos, difusividade térmica, capacidade térmica volumétrica, condutividade térmica, temperatura e umidade) e do ar ambiente (temperatura e umidade) para o município de Viamão, localizado na região sul do Brasil, e que pode ser usado para a continuidade desta pesquisa ou para a elaboração de novas pesquisas e projetos; e o desenvolvimento de uma metodologia para a modelagem computacional de trocadores de calor solo-ar, validada através dos dados experimentais citados acima, possibilitando, assim, o emprego deste procedimento numérico, para a elaboração de projetos ou novas pesquisas nesta área.

Purpose: The development of the present work, comprising the area of heat transfer and fluids mechanics involved analytical, numerical computational and experimental (in field environment) methods, with the purpose of analyzing the use of earth-to-air heat exchanger, as a strategy to reduce conventional energy consumption, for the heating or cooling of built environments. Thus, one of the study purposes was to evaluate, based on experimental results, the earth performance as an energy reservoir, derived from solar radiation incidence on the surface of the ground. We aimed, then, at identifying favorable parameters, procedures and conditions involving this strategy. The other study purpose was, using the GAMBIT and FLUENT softwares, computationally modeling the air flow in the earth-to-air heat exchanger. Method: The experimental and numerical study was preceded by the construction of a building, specially planned for the research, called Casa Ventura. As a follow-up, ducts were buried on the ground, to conduct external air and water (the latter one for a limited period) to the internal environment of the house. In terms of air conduction, the earth would work as an energy reservoir, heating or cooling the air. Concerning the water conduction, planned to use a duct of low thermal conductivity, the earth would only work as a protector from solar radiation, to preserve the water thermal characteristics, when flowing from the water reservoir, where it would be taken from, to the inside of the house. At Casa Ventura two central environments were built with similar dimensional and envelope characteristics, constituting the environments monitored in the process, in which, one in the natural and referential condition, without air renovation, and the other, with air renovation. In the experimental part, the air was captured from the external environment and inflated by a fan in the buried ducts, and it renovated the air inside this latter environment. With the help of a fan-coil, placed in this environment, the renovated air exchanged heat with the water flowing through the ducts. Due to some operational difficulties, the pumping of water lasted for a very short period. During the experiment, which lasted through the whole year of 2007, besides the water and earth temperature, the temperature and humidity of the following were also monitored and registered: the external air, the air in the internal environments and the air flowing in the buried ducts, as well as the flowing speed of the different fluids. Results: In a general way, the earth potential to heat was higher than the cooling of air injected in the buried ducts. The heating potential was higher in the months of May, June, July and August, doing so by more 3K. For depths between 2 and 3m, it is estimated that the potential might be over 8K. On the other hand, the potential for cooling was higher in the months of January, February and December, but it was low for low depths (less than a meter). For cooling, this potential may reach 4K. Research contributions: Considering the research results, several were the contributions, among which we highlight: the construction of an experimental database on the earth properties and characteristics (physical indexes, thermal diffusivity, volumetric heat capacity, thermal conductivity, temperature and humidity) and the environmental characteristics of the air (temperature and humidity) for the city of Viamão, located in Southern Brazil, and that may be used for the continuation of this research or for the elaboration of new researches and projects; and the development of a methodology for computational modeling of earth-to-air heat exchangers, validated through the experimental data mentioned before, enabling, therefore, the use of this numerical procedure for the elaboration of projects or new researches in this area.