Descrição do permutador

Genericamente, os permutadores de calor ar-solo evidenciados na literatura apresentam um formato que abrange uma vasta área de ocupação do solo, de forma a proporcionar uma elevada área de troca de calor com o solo circundante. Porém, devido às adversidades associadas às restrições de espaço, nomeadamente em áreas urbanas, ou ainda, às restrições associadas a aspetos geológicos, como por exemplo, áreas amplamente rochosas, este trabalho visa propor um sistema compacto e de design ainda não apresentado no contexto de estudos realizados

anteriormente. Exibe-se na figura4.1 o formato recorrido para o permutador. Esta estratégia

de disposição dos tubos permite-lhe proporcionar uma elevada área de contacto com o solo envolvente para um volume de ocupação reduzido, potencializando, consequentemente, a captação ou a dissipação do calor através deste.

Adicionalmente, observa-se na figura que a zona inferior do permutador alberga uma maior área de tubagem. Esta estratégia teve como objetivo maximizar o aproveitamento das temperaturas apresentadas pelo solo a profundidades mais baixas, estando o permutador mais preservado das perturbações externas, nomeadamente das oscilações diárias da temperatura do ar exterior e dos efeitos de aquecimento/arrefecimento do solo decorridos ao longo dos diversos períodos sazonais.

Figura 4.1 - Esquema exemplificativo, realizado em SolidWorksTM_{, do permutador de calor ar-solo}

Quanto ao princípio de funcionamento do permutador, este baseia-se na admissão do ar exterior, por intermédio de uma, ou duas, unidades de ventilação, percorrendo assim os sucessivos cinco patamares de tubagem, concedendo tempo para que o ar se aclimatize gradualmente à temperatura apresentada pelo solo circundante. Observa-se adicionalmente na figura anterior que o penúltimo troço de tubagem se encontra disposto na vertical, este tem como objetivo reduzir o tempo de deslocação do ar entre o ponto situado à profundidade mais baixa, base do permutador, e o “espaço a climatizar”, minimizando, assim, as alterações de temperatura do ar durante este percurso.

4.1.1.1. Especificações do permutador

Em conformidade ao que foi salientado no capítulo 3, existe um leque de parâmetros que se encontram filiados ao desempenho térmico e energético dos permutadores de calor ar-solo. Nesta secção encontram-se elucidadas todas as escolhas optadas para o dimensionamento do permutador proposto e outros parâmetros alusivos à melhoria do desempenho do mesmo. É de referenciar que todas as escolhas foram fundamentadas por conhecimentos adquiridos através da realização da pesquisa bibliográfica anteriormente publicada.

No que diz respeito ao material do permutador assim ficou clarificado os benefícios associados à utilização de tubos em PVC, particularmente monetários, daí a sua ampla utilização em inúmeros trabalhos experimentais realizados até à data. Ademais, o desempenho térmico dos permutadores constituídos por tubos em betão, aço inoxidável, polietileno ou até mesmo argila, revelam apenas uma ligeira melhoria face aos alcançados por tubos PVC (Ahmed et al., 2016 e Sousa, 2014), podendo-se desta forma optar pela solução mais barata. Além disso, outros aspetos foram ponderados para a escolha do material, nomeadamente, a simplicidade de montagem, resistência e durabilidade da tubagem, tendo-se optado na utilização de tubos e acessórios em PVC.

Ao contrario do tipo de material, o diâmetro dos tubos indicia-se um dos parâmetros que afeta substancialmente o desempenho dos permutadores calor. Tal como sugerido na literatura, a adoção de tubos com um diâmetro reduzido permite que o ar no interior da tubagem alcance uma temperatura mais próxima da temperatura do solo envolvente. À vista disso, e em conformidade com as gamas geralmente adotadas em estudos experimentais desta natureza, o diâmetro (externo) escolhido para os tubos foi de 0,075 m com uma espessura parede de 1,5 mm.

Resumidamente encontra-se na tabela 4.1 os parâmetros alusivos às características

geométricas, físicas e térmicas dos tubos selecionados, estimado como genérico segundo a ficha técnica obtido a partir do fabricante (Politejo, POLIDOM SÉRIE B), de acordo com a norma EN1329.

Tabela 4.1 - Características geométricas, físicas e térmicas dos tubos e acessórios em PVC.

Tubo de PVC-U com ligação do tipo SB Diâmetro externo

[m] Espessura [m] Massa volúmica [kg/m3_] Calor específico _{[kJ/kg K] térmica [W/mK]} Condutibilidade

0,075 0,0015 1500 1,0048 0,15

Relativamente ao comprimento do permutador de calor, este foi definido mediante as dimensões predominantes encontradas na literatura. Assim, com base nos benefícios associados à adoção de um longo circuito de permuta de calor, optou-se por um comprimento total de

cerca de 29 m (28,65 m)

.

Para a escolha da profundidade de implementação do permutador de calor teve-se em conta, essencialmente, os custos associados ao processo de escavação, na medida que nos projetos desta natureza este custo apresenta-se como relevante na escolha da profundidade. Assim, considerou-se que a profundidade de 3 metros representa um bom compromisso entre o custo da escavação e os benefícios associados a uma elevada profundidade.

Relativamente ao espaçamento entre os cinco patamares do circuito de permuta, estes encontram-se distanciados entre si por 0,150 m, distância correspondente a duas vezes o diâmetro externo do tubo considerado, dito segundo De Paepe & Willems (2001), in Florides & Kalogirou (2007), como distância limite entre cada tubo relativo à sua influência na temperatura do solo circundante. Esta escolha foi também tida em conta de modo a garantir um compromisso entre o comprimento total e o volume ocupado pelo permutador.

Por último, adotou-se um regime de ventilação forçada para os ensaios experimentais, tendo como finalidade proporcionar um caudal de ar mais elevado face aos conseguidos por ventilação natural, enquadra-se este valor na gama de valores adotados na literatura. Foram, assim, empregues dois caudais volumétricos com o objetivo de analisar o efeito da variação deste parâmetro no desempenho (térmico e energético) do permutador proposto.

Apresenta-se na tabela 4.2 um resumo das especificações referentes ao permutador de calor ar-solo.

Tabela 4.2 - Tabela resumo das especificações do permutador.

Permutador de calor ar-solo Comprimento total [m] Diâmetro externo do tubo [m] Espessura do tubo [m] Profundidade máxima [m] Área total superfície [m2_] Caudal volumétrico [m3_/h] 28,93 0,075 0,0015 3 6,751 27,9 51,3