O problema em estudo e a sua relevância

O arrefecimento e aquecimento ambiente de edifícios constituem necessidades energéticas indispensáveis para garantir o conforto térmico adequado aos ocupantes.

Num cenário mundial, o IPCC (2014) revela um panorama preocupante no consumo de energia direcionado nessa vertente. Esta entidade prevê que, entre 2010 e 2050, os setores habitacional e de serviços sofram um crescimento substancial do consumo de energia para aquecimento e arrefecimento em cerca de 79% e 84%, respetivamente. O IPCC revela que este cenário será impulsionado pelo aumento da população e pelo desenvolvimento económico dos países emergentes, vindo, assim, intensificar o crescimento da construção de infraestruturas e aumentar, por sua vez, as áreas requeridas a climatizar.

Em 2010, foram contabilizados cerca de 28 biliões de m2_{, em termos de piso, pertencentes ao}

conjunto dos edifícios residenciais e de prestação de serviços, a nível europeu, dos quais 71% são referentes ao setor habitacional. É previsto em 2050 um aumento substancial deste valor,

nomeadamente em cerca de 8 biliões de m2 _{(IEA, 2013). Para além da possível tendência de}

segundo a European Commission (2016c), é previsto que, em virtude das alterações climáticas (aquecimento global), ocorra um aumento da procura de arrefecimento sob as tendências atuais, e que a procura de energia para aquecimento seja reduzida, embora esta deva manter- se como a maior parcela do consumo de energia neste setor.

De acordo com a informação disponibilizada no relatório da European Commission (2013), projeta-se para o setor habitacional que no período entre 2010 e 2050 ocorra uma redução de 11% na procura de energia direcionada para o aquecimento ambiente. Porém, é previsto um crescimento de 3% referente às necessidades arrefecimento. O panorama associado para o setor terciário apresentar-se-á semelhante, embora com uma maior variação, sendo assim previsto entre 2010 e 2050 um crescimento de 5% referente à procura de energia para arrefecimento e uma queda de 13% associada ao aquecimento ambiente. Destaca-se ainda que em 2050 as necessidades de climatização no setor residencial e terciário serão responsáveis por cerca de 58% e 41% da procura de energia final, respetivamente. Estes últimos dados mostram que a procura de energia direcionada para a climatização de espaços continuará a ter um grande peso no consumo de energia na UE.

Relativamente ao cenário do aumento da procura de energia para arrefecimento, surge a questão do crescimento do mercado dos sistemas baseados no princípio da refrigeração por compressão de vapor (ar condicionado), uma vez que, na generalidade, estes revelam-se os mais empregues nesse domínio. Segundo a European Commission (2016d) as vendas de aparelhos de ar condicionado para as habitações da UE foram estimadas em cerca de 3 milhões de unidades por ano em 2010, sendo previsto em 2030 ampliar-se para 4,5 milhões. À vista disso, torna-se previsível que o aumento da utilização destes sistemas terá uma influência cada vez mais relevante no consumo de energia da EU, gerando algumas preocupações, nomeadamente nas companhias responsáveis pela produção de electricidade, em consequência do aparecimento de picos de procura dessa forma de energia (Hollmuller, 2005).

É de referir ainda que a utilização massiva destes equipamentos levanta questões sobre o seu impacto no meio ambiente. Para além das emissões indiretas de gases poluentes, resultantes da queima de combustíveis fósseis para gerar a energia elétrica para estes equipamentos, surge também o problema de alguns fluidos refrigerantes ainda conterem compostos de cloro e/ou fluor (i.e., CFC’s, HCFC’s, HFC’s), cuja libertação acidental para a atmosfera conduz ao efeito do aquecimento global (efeito de estufa) e da destruição da camada de ozono (Manjul & Bartaria, 2016 e U.S. Department of Energy, 2016).

Perante este facto, torna-se evidente a necessidade de desenvolvimento de soluções energeticamente eficientes e amigos do ambiente, que possam reduzir o consumo de energia e atenuar a utilização de sistemas convencionais para a obtenção do conforto térmico em edifícios. Neste sentido tem-se verificado nos últimos anos uma clara incidência de estudos

relacionados com sistemas de baixo consumo energético, para ajudar a responder às necessidades de climatização de edifícios e promover a sua sustentabilidade energética. Uma estratégia de climatização que tem sido alvo de forte atenção nos últimos anos, nomeadamente por parte de diversos investigadores, é denominada por permutadores de calor ar-solo ou, segundo a terminologia inglesa, de Earth to Air Heat Exchanger (EAHE). Estes sistemas baseiam-se no uso do solo (i.e., subsolo) como fonte ou sumidouro natural de calor, sendo feito nele passar ar exterior por intermédio de tubos enterrados, de forma a tirar partido do ambiente térmico estável e das temperaturas que aí se verificam. Dada a sua elevada inércia térmica, o solo, mesmo nas suas camadas mais superficiais, contém uma quantidade considerável de energia térmica, sendo o Sol responsável pela sua renovação. Nessas camadas o solo possui a particularidade de apresentar temperaturas que são aproximadamente constantes ao longo do ano, verificando-se temperaturas superiores às verificadas do ar exterior nas estações frias e inferiores às contatadas nas estações quentes.

Mediante a utilização de permutadores de calor ar-solo é possível, por conseguinte, que o ar exterior seja arrefecido ou aquecido nos períodos do ano onde as respetivas necessidades de arrefecimento e aquecimento são requeridas. Este facto confere a estes sistemas uma capacidade que os diferencia de entre muitas estratégias passivas de climatização existentes. A sua simplicidade e baixo custo de funcionamento são outras particularidades que destacam esta estratégia, sendo que a sua combinação com uma arquitetura adequada do edifício às condições climáticas que este está inserido, permite atenuar, ou mesmo eliminar, a necessidade de utilização de sistemas convencionais ativos para o seu arrefecimento (Benhammou & Draoui, 2015). No entanto, a aplicação destes sistemas em zonas urbanas pode apresentar algumas restrições em virtude do espaço requerido para a sua implementação. É no sentido de dar um contributo nesse domínio que constitui a motivação do presente trabalho, em que foi desenvolvido, construído, implementado e estudado um permutador de calor ar-solo compacto e de design inovador. Pretende-se com este estudo analisar a viabilidade de aplicação do permutador como estratégia de arrefecimento. O contributo deste trabalho não se encerrou com permutador de calor, tendo sido adicionalmente desenvolvido umas sondas para a monitorização da temperatura do solo em três localizações. Apesar do permutador ter sido testado apenas na estação de arrefecimento (verão), a monitorização do solo iniciou-se na estação de aquecimento (inverno), revelando temperaturas do solo adequadas para o aquecimento do ar interior de edifícios.