Análise de Energia Térmica

Como pode ser visto na Figura 3.32, o sistema S01 está instalado como beiral fotovoltaico sobre a fachada norte e integrado à edificação (BIPV) e o S02 encontra-se adaptado à cobertura (BAPV) com similar inclinação e ângulo de azimute. Para AGUILAR et al. (2018), os módulos fotovoltaicos instalados na cobertura da edificação, além da geração de energia representam outros benefícios desde o ponto de vista térmico, especialmente sobre a parede norte, que é uma das superfícies mais afetadas diretamente pela radiação solar entre os meses de maio a agosto, proporcionando sombreamento a esta superfície e às aberturas nela localizadas. Assim, é avaliado o impacto que esses dois arranjos têm no desempenho térmico das zonas anexas, sua contribuição para diminuição da carga térmica acumulada, as temperaturas internas, e no consumo final.

Propriedades termofísicas dos módulos fotovoltaicos

e temperaturas internas, é necessário conhecer as características térmo-físicas dos módulos fotovoltaicos inseridos em condições ambientais padrão.

Para proteção contra agente atmosféricos e umidade, as células fotovoltaicas são encapsuladas em uma película de acetato de vinil-etila (EVA), material não refletor da radiação solar, que assegura o isolamento elétrico entre as células, uma cobertura de Tedlar que isola eletricamente o conjunto de células e com acabamento em moldura de alumínio e placa de vidro. A Tabela 3.21 especifica as espessuras, capacidades térmicas, densidades e condutividades térmicas dos materiais que compõem o módulo fotovoltaico.

Tabela 3.21. Propriedades termo-físicas dos componentes de um módulo fotovoltaico. Material mm Cρ (J/kg°C) 𝛒 (kg/m³) K (W/m °C) Vidro 4,00 600 2.300 1,13 Silício 0,37 712 2.300 148 EVA 1,00 600 1.800 0,15 Tedlar 0,20 600 2.100 0,24 Alumínio 30,00 903 2.700 237

Sistema fotovoltaico como elemento de sombreamento.

O beiral fotovoltaico atua como elemento de sombreamento sobre a fachada norte, como mostra a Figura 3.45, onde são apresentados dois modelos com a projeção de sombras para o dia 21/06 às 16h00: na parte superior o modelo M_01 antes da instalação dos módulos fotovoltaicos, e na parte inferior o modelo após a instalação dos módulos solares. Esta fachada é mais atingida pelos raios solares entre os meses de maio e agosto, sendo importante para a diminuição de carga térmica, instalar elementos de sombreamento. A Figura 3.46 mostra as variações de irradiação solar incidente que atinge as superfície da fachada norte, para o mês de junho como o mês em que a declinação solar é maior para o lado norte.

Figura 3.45. Projeção de sombras sobre a parede norte.

Figura 3.46. Irradiação incidente sobre as superficies da fachada norte.

Efeito nas cargas para resfriamento

Para avaliar os benefícios oferecidos pelo S02 instalado sobre a cobertura, é analisada a transferência de calor por fluxo descendente para as zonas anexas. As zonas nas quais a sua cobertura recebe o SFCR, são zonas com sistemas de condicionamento de ar ativo (Split). Como primeiro passo é estudado o comportamento da temperatura operativa e das temperaturas da superfície interna da cobertura na Z12, com o sistema de condicionamento de ar desligado e janelas abertas, com a finalidade de evitar a interferência de sistemas mecânicos de ventilação na edificação. Assim, são realizadas as simulações e os resultados das temperaturas operativa e de superfícies são mostrados na Figura 3.47.

Figura 3.47. Temperaturas operativa e de superfície após instalação do S02 na zona Z12.

Nota-se que a superfície interna da cobertura com sistema fotovoltaico alcança a temperatura máxima às 13h00 e permanece estável no restante do dia. Quando comparado às temperaturas de superfícies com e sem SFCR, percebe-se que a mesma diminui significativamente (6,20 °C) com a instalação do sistema. A temperatura operativa da sala registra uma diminuição pouco significativa, porém destaca-se a estabilidade que a temperatura operativa alcança ao longo das horas da tarde. Com base nestes resultados, percebe-se que há uma clara contribuição na diminuição dos ganhos de calor em contraste com o telhado convencional, pois os módulos fotovoltaicos terminam atuando como isolante térmico. É importante ressaltar que as altas temperaturas internas encontradas correspondem ao clima da região, o que torna evidente a necessidade de condicionamento de ar artificial, destacando-se que os módulos, ao se comportarem como isolante térmico, ajudam a diminuir a necessidade de aparelhos de alta potência.

O comportamento da cobertura fotovoltaica com relação aos valores de carga térmica para resfriamento e ganhos de calor para o interior é comparado com o modelo antes da instalação do sistema. Para conhecer esse comportamento, são avaliadas as zonas térmicas que sofrem influência direta do BAPV/BIPV. As zonas Z11, Z12, Z13 e Z15 são orientadas para o norte, e são avaliadas separadamente para conhecer o impacto direto nos sistemas de condicionamento de ar. A Figura 3.48 mostra a diferença entre as cargas térmicas para refrigeração destas zonas, simuladas para o dia 21/06.

Figura 3.48. Cargas térmicas do dia 21/06 antes e depois do SFCR.

Com a instalação de módulos fotovoltaicos no beiral e sobre a cobertura ocorreu uma diminuição anual média de 12,5 % para as 4 zonas, devido ao aumento da resistência térmica do conjunto, ao sombreamento do beiral e à convecção natural do ar na folga da estrutura. Com a redução da carga térmica para resfriamento, derivada da instalação dos sistemas S01 e S02 na edificação, ocorre uma redução anual de 8,16 % do consumo de energia elétrica em condicionamento de ar, equivalente a 3.710 kWh/ano.

Levando em consideração que o sistema adaptado à parte superior das coberturas ocupa unicamente uma área equivalente a 30 % do total de cobertura de cada zona (Figura 3.32), alcança- se uma redução considerável. Entretanto, esta redução de carga térmica proporcionada pela presença dos módulos fotovoltaicos não foi grande o suficiente para se reduzir a potência nominal dos equipamentos condicionadores de ar existentes, quando comparada com a potência sem a presença dos mesmos, porque não houve uma significativa redução de carga térmica nos horários de pico. Porém, nos meses de maio a julho ocorre uma redução de carga máxima para resfriamento.