Parede de Trombe ventilada (PTV)

A configuração PTV foi considerada para um período de 35 dias consecutivos, de 12 de Agosto a 15 de Outubro de 2011.

No sentido de analisar com pormenor o desempenho da PTV neste período, foram selecionados dois períodos de duração mais reduzida: um primeiro período de 5 dias consecutivos, das 00:00h do dia 19 de Agosto até 00:00 do dia 24 de Agosto de 2011, e um segundo período de 5 dias consecutivos das 00:00h do dia 5 de Setembro às 00:00h do dia 10 de Setembro.

3.3.2.1 Período 1 (de 19 de Agosto a 24 de Agosto)

3.3.2.1.1 Condições climáticas interiores e exteriores

No Gráfico 6 estão representadas as curvas das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te), da radiação solar (RS) e do diferencial entre a temperatura exterior e interior (Dif (Ti - Te)).

Gráfico 6 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTV (19 Ago - 23 Ago 2011).

No Gráfico 6 pode observar-se que os valores da intensidade de radiação solar são bastante variáveis ao longo do período em análise, quer no que respeita aos valores máximos atingidos, quer na oscilação de valores ao longo de cada um dos dias. O valor máximo de radiação obtido foi de 773,4 W/m2 no dia 19 de Agosto às 12:00h e o valor mínimo dos picos superiores foi de 250,4 W/m2 que ocorreu no dia 21 de Agosto por volta da mesma hora. Mais uma vez é percetível que, quanto maior for a duração de valores máximos de radiação solar, melhor será o desempenho térmico da parede Trombe, podendo isso ser verificado através da comparação do dia 19 de Agosto com qualquer um dos restantes dias no que respeita às curvas de variação da temperatura no interior da célula de teste. O aumento da temperatura interior é maior quanto maior for a duração de valores de elevada intensidade de radiação solar e decresce à medida que aumenta a oscilação da radiação solar, como se pode verificar nos restantes dias.

Contrariamente ao que se verifica na situação de parede de Trombe não ventilada (PTNV), em que a temperatura exterior supera a temperatura no interior do compartimento a partir do momento em que no interior se atinge 30ºC, neste caso, a temperatura no interior é sempre superior aos valores registados no exterior independentemente do valor da radiação solar. Analisando os dias 21 e 22 de Agosto conclui-se que, embora se registem valores de radiação solar semelhantes, exceto das 12:00h às 14:00h do dia 22, em termos percentuais, o aumento da temperatura interior no dia 21 situou-se nos 12,5% e no dia 22 esse valor passou para 22%. Tratando-se de um sistema ventilado 24h por dia, no período noturno as perdas de energia para

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Duração (dias) Temp eratu ra ( ºC) Ra dia çã o S ola r ( W /m 2) Duração (horas)

R.S Ti Te Dif (Ti - Te)

especifico, caracterizado por valores de radiação solar bastante variáveis, verificou-se na transição do dia para a noite, período de arrefecimento, que um diferencial cerca de 42% na temperatura exterior correspondente a um diferencial de cerca de 33% da temperatura interior. Para temperaturas exteriores abaixo dos 25 ºC essa percentagem diminui para 28% e 21% respetivamente.

Devido à variação dos valores da radiação solar e da temperatura exterior ao longo do período em análise, o diferencial (Ti - Te) apresenta maiores oscilações nos períodos noturnos devido à diminuição consecutiva das temperaturas exteriores máximas, mas observa-se que o diferencial noturno varia de entre 6ºC e 11ºC entre o interior e o exterior da célula de teste.

3.3.2.1.2 Diferencial de Temperaturas

À semelhança do que foi feito anteriormente, foi analisado o diferencial de temperaturas entre as diferentes camadas do sistema.

No Gráfico 7 são apresentadas as curvas de variação do diferencial de temperaturas obtidas para as diferentes camadas analisadas desde o exterior para o interior da parede de Trombe.

Gráfico 7 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas para PTV (19 Ago - 23 Ago 2011).

Efetuando a análise à curva de diferencial de temperatura exterior e na caixa-de-ar (Te - Tcam) observa-se no Gráfico 7, tal como nos Gráficos 2 e 3 referentes à PTNV, valores

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 Duração (dias) Temp eratu ra ( ºC) Temp eratu ra ( ºC) Duração (horas)

Te - Tcam Tcam - Tsupe Tip - Tsupi Tsupi - Ti Tsupe - Tip

negativos. É expectável que tal situação se verifique porque, como o sistema de obturadores e de oclusão se encontravam abertos 24h por dia e tendo em conta as características do envidraçado, a temperatura na caixa-de-ar seria igual ou superior à temperatura no exterior. Durante o dia é notório que a presença de radiação solar faz com que o diferencial entre a caixa- de-ar e o exterior aumente como se pode verificar pelos picos negativos apresentados pela curva de (Te - Tcam), atingindo o valor máximo negativo de 9,3ºC às 14:00h do dia 19 de Agosto e o valor mínimo negativo de 1,4ºC às 10:00h do dia 21 de Agosto que, para além disso, como se pode verificar no Gráfico 5, corresponde ao dia em que se registou menor radiação solar. No período noturno relativo aos restantes dias, a média do diferencial da temperatura na camada em análise varia entre 3 a 4ºC negativos o que indica uma capacidade de arrefecimento da caixa- de-ar superior ao verificado na PTNV (Gráfico 2).

Analisando a curva (Tcam - Tsupe) observa-se que o diferencial é igualmente negativo, indicando que na superfície exterior da parede acumuladora a temperatura é superior à temperatura da caixa-de-ar, o que seria de esperar dado que esta está pintada de preto e portanto apresenta um elevado coeficiente de absorção de calor.As as curvas de (Te - Tcam) e (Tcam - Tsupe) apresentam valores de diferencial quase coincidentes durante o período noturno, tendendo ambas as curvas para zero perante a ausência de radiação solar durante o período diurno.

Comparando o dia 24 de Setembro do período de PTNV e o dia 19 de Agosto de PTV, em que a radiação solar apresenta valores semelhantes, concluiu-se que o sistema PTNV permite obter um diferencial de cerca de 43ºC entre a superfície exterior da parede, acumuladora e o interior da parede enquanto que o sistema PTV apenas permite obter um diferencial de 27ºC. Os resultados obtidos refletem a possibilidade de transferência de calor por convecção do ar através das aberturas de ventilação. A ventilação de ar entre a caixa-de-ar e o interior da célula de teste, reduz a acumulação de calor na caixa-de-ar e a absorção de calor na superfície exterior da parede, conduzindo, consequentemente, a um menor armazenamento de calor na parede acumuladora.

As restantes curvas, (Tip - Tsupi) e (Tsupi - Ti), refletem o comportamento das temperaturas entre o interior da parede acumuladora e o interior da célula de teste. Embora o comportamento de ambas as curvas seja idêntico, observa-se a existência de um diferencial positivo no período noturno, indicando que a parede acumuladora apresenta uma temperatura superior à temperatura do ar no interior da célula de teste. No período diurno, e com incidência

das curvas durante o dia é influenciado pela convecção do ar através das aberturas existentes na parede acumuladora, o que permite o aquecimento no interior do compartimento mais rapidamente do que num sistema de PTNV.

3.3.2.2 Período 2 (de 5 de Setembro a 9 de Setembro)

Sendo o objetivo deste trabalho a otimização da parede de Trombe e tendo-se efetuado a análise da parede de Trombe não ventilada de um período de oscilações da radiação solar optou- se também por delimitar e analisar um outro período de 5 de Setembro a 9 de Setembro, em que não se verificam grandes oscilações nos valores da radiação solar.

3.3.2.2.1 Condições climáticas interiores e exteriores

Numa primeira análise ao Gráfico 8 é percetível que a radiação solar durante dos 5 dias em análise foi elevada e sem grandes oscilações no que respeita aos valores máximos. O valor de radiação solar mais elevado foi de 781W/m2, ocorrido do dia 5 de Setembro, tendo sido, nos restantes dias, registados valores idênticos. Considera-se, portanto, que este é um período de análise que permitirá perceber melhor o impacto das condições externas no comportamento do sistema.

Gráfico 8 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para PTV (5 Set - 9 Set 2011).

-10 0 10 20 30 40 50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 6:00 12:00 18:00 0:00 Duração (dias) Temp eratu ra ( ºC) Ra di aç ão So lar (W /m 2) Duração (horas)

R.S Ti Te Dif (Ti - Te)

A curva da temperatura exterior apresenta valores inferiores aos da curva da temperatura interior para o mesmo período de tempo, quer na fase de arrefecimento, quer na fase de aquecimento. Esse comportamento por parte do sistema deve-se ao facto de a transferência de calor através do sistema de ventilação permitir que a temperatura no interior se altere mais rapidamente de acordo com o aumento ou diminuição da intensidade de radiação solar e mesmo com a temperatura exterior. A existência de valores de radiação solar elevados e de uma temperatura exterior considerável permite uma elevada acumulação de energia na parede acumuladora, o que por sua vez resulta no aumento da temperatura mínima no interior da célula de teste no período noturno. Se se fizer uma comparação do Gráfico 8 com o Gráfico 5, verifica- se que, embora a radiação solar seja idêntica no dia 19 de Agosto e no dia 5 de Setembro, a temperatura interior é influenciada também pela temperatura no exterior permitindo que no dia 19 Agosto se atinja 44ºC no interior e no dia 5 de Setembro 38ºC, obtendo-se assim um diferencial de 6ºC. Ainda de referir que nos dias 6, 8 e 9 de Setembro ocorre uma oscilação na curva da temperatura no interior da célula de teste, assinalada com um círculo preto no Gráfico 8, correspondente à abertura da porta da célula de teste, o que provocou um arrefecimento imediato do espaço. Concentrando agora a análise na redução da temperatura durante a noite, constatou-se que uma diminuição entre 56-65% no valor da temperatura exterior leva a uma diminuição entre 42-52% na temperatura interior. Esta última análise permite concluir que, em termos de arrefecimento, o sistema PTV permite reduções da temperatura interior na casa dos 50% relativamente à temperatura interior máxima atingida durante o dia, tendo em conta que a temperatura exterior atingiu cerca 35ºC diurnos e 12ºC noturnos.

Relativamente ao comportamento da curva do diferencial entre a temperatura no interior e no exterior (Ti - Te) observa-se que o menor diferencial acontece no período da manhã e o maior diferencial no período da noite. Como foi referido em análises anteriores, está-se perante um sistema de ganhos lentos, e quando se verifica um rápido aumento da temperatura do ar exterior quando comparado com a temperatura do ar interior, obtém-se assim uma redução no diferencial. O oposto acontece no período de arrefecimento em que a elevada diminuição da temperatura exterior leva ao aumento do diferencial para cerca de 10ºC.

3.3.2.2.2 Diferencial de Temperaturas

No Gráfico 9 estão representadas as curvas dos diferencias ao longo das diferentes camadas do sistema.

Gráfico 9 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTV (5 Set - 9 Set 2011).

Analisando a curva do diferencial de temperatura entre o exterior e a caixa-de-ar, (Te - Tcam), verifica-se que esta apresenta valores negativos ao longo do período em análise, tal como se verificou nas situações apresentadas anteriormente. Durante o dia, com as aberturas de ventilação abertas, consegue-se obter mais 12ºC na caixa-de-ar do que no ambiente exterior.

A curva de (Tcam - Tsupe) possui o mesmo desenvolvimento que a curva (Te - Tcam) apresentando, no entanto, valores de diferencial menores no período diurno e valores de diferencial aproximadamente coincidentes aos registados na curva (Tcam - Tsupe). Um facto que se tem vindo a verificar ao longo das análises efetuadas é que, durante a noite, o diferencial entre a (Te - Tcam) é semelhante ao diferencial (Tcam - Tsupe) da parede acumuladora indicando que o envidraçado diminui a transferência de calor da caixa-de-ar para o exterior. Caso isso não se verificasse o diferencial entre o exterior e a caixa-de-ar seria inferior ao diferencial de temperaturas entre a caixa-de-ar e a superfície da parede acumuladora. A curva (Tsupi - Ti) apresenta um comportamento totalmente diferente do verificado no caso da PTNV, representando-se na parte dos valores negativos. Os picos identificados com círculos pretos no

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 3:00 6:00 9:00 _{12:00 15:00 18:00 21:00} 0:00 Duração (dias) Temp eratu ra ( ºC) Temp eratu ra ( ºC) Duração (horas)

Te - Tcam Tcam - Tsupe Tip - Tsupi Tsupi - Ti Tsupe - Tip

Gráfico 8 nos dias 6, 8 e 9 serão consequência da abertura da porta exterior que permite um arrefecimento da célula de teste.

A parede acumuladora é constituída por materiais com uma elevada capacidade de armazenamento de calor. O processo de armazenamento é efetuado lentamente através da absorção de calor pela superfície exterior da parede, na qual incide a radiação solar, sendo por isso expectável que a superfície da parede esteja a temperaturas superiores. Este comportamento leva a que exista transferência de calor no sentido do exterior para o interior da parede. Durante a noite acontece o oposto, como se pode verificar no Gráfico 8, a curva do diferencial situa-se na parte negativa do gráfico, indicando que a temperatura no interior da parede é superior às superficiais e, por isso, a transferência de calor ocorrerá no sentido da superfície com menor temperatura.

Comparando os valores da temperatura no interior da parede com os valores na superfície interior, verifica-se que, durante o dia, estas apresentam valores próximos. Durante a noite verifica-se um desfasamento de 6/7ºC, refletindo assim uma capacidade de arrefecimento superior 50% quando comparado com a PTNV. A análise efetuada à curva (Tsupi - Ti) permite perceber que o interior da célula de teste também sofre um aquecimento significativo durante o período diurno, podendo igualar o diferencial existente entre (Tcam - Tsupe), fruto do aquecimento do ar no interior da célula de teste. No período da noite, esse diferencial inverte- se traduzindo-se num diferencial de 6ºC positivos devido às perdas de calor que ocorrem para o exterior e à irradiação de calor por parte da parede acumuladora. Fazendo uma comparação entre PTV e PTNV analisado no ponto 3.3.1, os valores dos diferencias registados entre (Tip - Tsupi) são de cerca de 5ºC no período noturno e de 0ºC no período diurno para a PTNV, e de 5ºC no período noturno e de -7ºC no período diurno para a PTV. Esta situação deve-se ao facto de, no caso da PTNV, a transferência de calor ocorrer apenas através da parede acumuladora e no caso da PTV, a transferência de calor através da convecção do ar ser preponderante para o aquecimento mais rápido do interior da célula de teste. Assim, o impacto da radiação solar no envidraçado faz-se sentir de forma mais rápida nos valores da Ti na PTV, enquanto no caso da PTNV, estes valores estão dependentes da capacidade de armazenamento da parede acumuladora e do atraso na devolução de calor ao interior da célula de teste.

O Gráfico 10 apresenta o desenvolvimento das curvas de relação entre as variáveis RS e Ti e Tcam para um período de funcionamento de PTV em que a radiação não apresenta alterações significativas nos seus valores. Numa primeira análise pode verificar-se que esta

Gráfico 10 - Relação da radiação solar (RS) com a temperatura interior (Ti) e temperatura média na caixa-de-ar (Tcam) (5 Set – 9 Set 2011).

À medida que a radiação solar aumenta observa-se um aumento na temperatura da caixa- de-ar e no interior da célula de teste. Convém ainda referir que os ganhos e as perdas pela restante envolvente estão a ser menosprezados na análise porque ocorrem para qualquer configuração de parede de Trombe, e qualquer período de análise. A estabilização dos valores da radiação solar no período das 12:30 às 14:30 faz aumentar as temperaturas, tal como se observa no Gráfico 10 pela sobreposição dos pontos quando se regista valores acima de 750 W/m2, valores máximos idênticos para os 5 dias em análise.

Tendo em conta os resultados anteriormente analisados para a configuração da PTV, pode- se nesta fase, propor-se a configuração de aberturas e fecho do sistema de ventilação e da persiana exterior para definir o código de funcionamento. Assim sendo propõe-se que, no período de arrefecimento (Verão) os obturadores se encontrem fechados durante o dia, para não haver ganhos significativos no interior da célula de teste e abertos durante o período noturno para permitir o arrefecimento do sistema. Por isso, e tendo em conta os valores definidos na configuração do sistema PTNV, propõe-se um fecho do sistema quando igualar ou ultrapassar os 50W/m2 _{e uma abertura do sistema quando a radiação descer dos 20 W/m}2_{. No período de} Inverno, a configuração proposta será igual à definida no ponto 3.3.1, em que está definida uma abertura dos obturadores e persiana quando a radiação solar igualar ou ultrapassar os 100 W/m2 e o fecho da persiana e do sistema de ventilação programado para quando a radiação solar for inferior a 50 W/m2. Pretende-se que com esta primeira aproximação de funcionamento se consiga obter o máximo aproveitamento da energia solar necessária para o aquecimento e o

0 10 20 30 40 50 60 70 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temp eratu ra ( ºC) R.S (W/m2) Ti Tcam

mínimo de dissipação no Inverno, e no Verão dissipar o máximo de energia e evitar ganhos interiores significativos.