3. Procedimento experimental: célula de teste
3.2 Ensaio em célula de teste experimental: materiais e métodos
Foi desenvolvido um estudo experimental, que consistiu na construção e no monitoramento de um modelo físico, exposto a condições climáticas reais, situado no campus da Universidade Federal de São Carlos, SP, à latitude de 22º02’ Sul. A célula de teste construída possui 2,4m de comprimento, 1,3m de largura, 2,2m de altura e é provida de uma chaminé solar com coletor de inclinação varíavel, orientado para o Norte (Figura 3.7).
A abertura de entrada do ar situa-se na fachada Sul, a 0,3m acima do nível do piso, e possui área efetiva de abertura para passagem do ar de 0,14m2. É constituída por venezianas horizontais instaladas na porta de
Figura 3.5: Configuração original da parede
3. Procedimento experimental: célula de teste
entrada da célula de teste (Figura 3.8).
A elaboração do projeto da chaminé baseou-se nos seguintes aspectos levantados na literatura especializada: • Dimensionamento: a chaminé tem altura útil de 1,80m e seção transversal de 1,00 x 0,18m, o que
corresponde à relação e/C de 1/10, conforme indica Bouchair (1994 apud ONG e CHOW, 2003).
• Inclinação do coletor solar: a placa coletora da chaminé solar tem inclinação regulável, com ângulos variando de 0 a 45° em relação ao plano horizontal, visando otimizar os ângulos de incidência de radiação solar ao longo do ano, para a latitude de São Carlos (Figura 3.8). Para que não haja perda na eficiência do sistema devido à redução da altura, foi utilizado um extensor metálico vertical acoplado ao coletor da chaminé, de modo a garantir a manutenção de uma mesma altura útil ao conjunto, independentemente da inclinação do coletor. Com essa solução, pretende-se obter as irradiâncias máximas em qualquer época do ano, para uma mesma altura total do sistema.
• Absortância solar: a superfície coletora foi construída em alumínio e pintada com tinta preta, para garantir elevada absortância à radiação solar.
• Aletas: foram utilizadas aletas longitudinais no interior do coletor solar, paralelas ao fluxo de ar, visando aumentar a taxa de transferência de calor da placa coletora para o ar (Figura 3.9), conforme recomendam Garg et al (1991) e Singh (2006). Elas formam um canal fisicamente independente, aquecido pelo absorvedor por condução.
• Cobertura de vidro: o coletor solar foi coberto por um vidro comum incolor (fator solar aproximado de 0,86), de espessura 6mm.
Figura 3.7: Célula de teste com chaminé solar,
Chaminé solar como elemento indutor de ventilação natural em edificações
• Isolamento térmico: foi utilizada uma camada de 5cm de poliuretano para isolamento térmico das laterais e base do coletor, de forma a reduzir as perdas de calor por condução.
Figura 3.9: Perspectiva do coletor solar aletado 3.2.1 Monitoramento e tratamento de dados
A célula de teste foi monitorada no período de março a agosto de 2010. Os pontos de monitoramento foram posicionados em diferentes alturas do coletor da chaminé solar, tanto no canal entre o vidro e o absorvedor (CanV) como no canal entre aletas (CanA). Os dados foram monitorados em intervalos de um minuto, sendo posteriormente calculadas as médias horárias. Foram monitoradas as seguintes variáveis:
• Temperatura do ar, através de termoresistores com faixa de medição de 0 a 100°C e incerteza de 0,3°C. • Temperaturas superficiais do vidro, do absorvedor e das aletas, através de termoresistores com faixa de
medição de 0 a 100°C e incerteza de 0,2°C.
• Velocidade do ar, através de termo-anemômetros, com faixa de medição de 0 a 3m/s e incerteza de 3%. As variáveis climáticas externas – incluindo temperatura de bulbo seco (TBS), umidade relativa do ar, velocidade e direção do vento, pluviosidade e irradiância horizontal – foram adquiridas na estação climatológica do Instituto Nacional de Meteorologia (INMet), localizada no campus da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), a 200m da célula de teste. Como os dados climáticos de determinada hora correspondem ao valor médio da meia hora anterior, os valores registrados foram apresentados como horas inteiras menos 30 minutos, de forma a sincronizar os dados da estação meteorológica com os dados monitorados (RORIZ, 2010).
Com base nos dados monitorados e nos dados obtidos através da estação meteorológica, foram calculadas duas variáveis: vazão volumétrica de ar na chaminé solar e irradiância solar sobre o plano de vidro do coletor. A irradiância solar sobre o plano inclinado foi calculada com base em modelos teóricos consagrados na literatura especializada, publicados por Muneer (2004).1
A vazão volumétrica de ar na chaminé solar foi calculada através dos dados de velocidade e temperatura do ar obtidos no monitoramento (RORIZ, 2010). Primeiramente, foi calculada a densidade do ar e a vazão mássica
3. Procedimento experimental: célula de teste
para cada canal do coletor – canal entre vidro e absorvedor e canal entre aletas. Após isso, foi calculada a vazão mássica total do coletor que, pelo princípio de conservação de massa, corresponde à soma das vazões nos dois canais. Por fim, foi calculada a vazão volumétrica total correspondente. As Equações 3.1 a 3.3 foram utilizadas para os cálculos.
Cálculo da densidade do ar, de acordo com Incropera e De Witt (1992):
ρ = 1,1614 − 0,00353(Tc − 300) Eq. 3.1 Sendo:
ρ Densidade do ar (kg/m3)
Tc Temperatura média do ar no canal (K) – obtido no monitoramento Cálculo da vazão mássica:
m = ρ. V. A Eq. 3.2
Sendo:
m Vazão mássica (kg/s)
V Velocidade do ar (m/s) – obtido no monitoramento
A Área de abertura da seção de entrada ou saída do canal (m2) = 0,03m2 para o canal entre vidro e
absorvedor e 0,15m2 para o canal entre aletas
Cálculo da vazão volumétrica:
Q =m
ρ Eq. 3.3
Sendo:
Q Vazão volumétrica (m3/s)
A Figura 3.10 apresenta os pontos de medição e a Tabela 3.1 apresenta uma descrição dos dados obtidos através da estação meteorológica, dos dados monitorados na chaminé solar e dos dados calculados.
Chaminé solar como elemento indutor de ventilação natural em edificações
Tabela 3.1: Variáveis relativas à etapa experimental (RORIZ, 2010) Fonte Símbolo Unidade Descrição
Est aç ão d o I NM
et TBS °C Temperatura de bulbo seco
UR % Umidade relativa do ar
VelV m/s Velocidade do vento a 10m de altura
DirV ° Direção do vento a 10m de altura (a contar do Norte verdadeiro, sentido horário) Pluv mm Pluviosidade
Ihrz W/m2 Irradiância sobre o plano horizontal
M oni to ra m en to d a c él ul a d e t es
te CanV1 CanA1 °C/ m/s Temperatura ou velocidade do ar na entrada do canal entre vidro e absorvedor °C/ m/s Temperatura ou velocidade do ar na entrada do canal de aletas
CanV2 °C/ m/s Temperatura ou velocidade do ar na saída do canal entre vidro e absorvedor CanA2 °C/ m/s Temperatura ou velocidade do ar na saída do canal entre aletas
Vid1 °C Temperatura superficial do vidro na entrada do coletor Abs1 °C Temperatura superficial do absorvedor na entrada do coletor
Ale1 °C Temperatura superficial das aletas na entrada do coletor Vid2 °C Temperatura superficial do vidro na saída do coletor Abs2 °C Temperatura superficial do absorvedor na saída do coletor
Ale2 °C Temperatura superficial das aletas na saída do coletor
Cál
cu
lo Q m3/h Vazão volumétrica do ar na chaminé solar, obtida por cálculo
Ivid W/m2 Irradiância sobre o plano de vidro do coletor, obtida por cálculo