Resultados da análise quantitativa do fluxo de ar na chaminé solar

O item 3.3.2 (capítulo 3) apresentou os resultados obtidos no monitoramento experimental, relativos à influência da velocidade e direção do vento na tiragem de ar da chaminé solar da célula de teste. Esses resultados mostraram fortes indícios da importância de uma análise detalhada da interferência do vento sobre o desempenho da chaminé solar, já que o fluxo de ar na chaminé mostrou-se bastante correlacionado com os dados climáticos de vento. Apresenta-se aqui um estudo mais aprofundado sobre o assunto, realizado através de simulações computacionais, que permitiu quantificar essa interferência em diferentes situações. Para o desenvolvimento das análises, foi utilizado um modelo tridimensional da chaminé, similar à célula de teste experimental.

Para uma direção do vento de 0°, oposta à abertura de entrada do ar, o vento com velocidade de 1m/s ocasionou uma redução de 47% na vazão volumétrica da chaminé, em relação a uma situação sem vento, para uma irradiância solar no plano do vidro de 250W/m2 _{(Figura 7.7). Para uma irradiância solar de}

850W/m2_{, a redução foi de 38%. O aumento da velocidade do vento para 2m/s resultou em uma redução}

adicional de 30%, no caso da irradiância de 250W/m2_{, e de 2%, no caso da irradiância de 850W/m}2_{. Para o}

vento a 3m/s, a redução adicional foi de 16% para a irradiância de 250W/m2 _{e de 20% para a irradiância de}

850W/m2_{. Nesses casos, a diferença de temperatura entre o ar no interior do canal da chaminé e o ar externo} Abertura de saída do ar

Abertura de saída do ar Cobertura de vidro do coletor

7. Interferência do vento no desempenho de uma chaminé solar

variou entre 3°C (para 250W/m2_{) e 15°C (para 850W/m}2_).

Para o vento incidindo diretamente sobre a abertura de entrada do ar do ambiente – direção de 180° – a uma velocidade de 1m/s, houve um aumento de 11% na vazão volumétrica da chaminé, em comparação a uma situação sem vento, para uma irradiância solar no plano do vidro de 850W/m2 _{(Figura 7.8). O vento com}

velocidade de 2m/s provocou um incremento adicional de 32% e o vento com velocidade de 3m/s resultou em um incremento adicional de 34%. Nesses casos, devido à maior circulação de ar no canal da chaminé, a diferença de temperatura entre o ar no interior do canal e o ar externo caiu para 2,5°C, para 250W/m2_{, e 8°C,}

para 850W/m2_.

Os resultados mostram o peso que a velocidade e direção do vento exercem sobre o fluxo de ar proporcionado pela chaminé solar. Pôde-se observar que a presença do vento a uma velocidade baixa, em direção oposta à abertura de entrada de ar do ambiente, resultou em uma interferência negativa bastante significativa no desempenho da chaminé solar. Vale ressaltar que a incidência de vento a uma velocidade de 1m/s pode ser bastante frequente em edificações localizadas em regiões onde existam obstáculos locais ao vento, como no interior da malha urbana, por exemplo.

Figura 7.9: Vazão volumétrica da chaminé para diferentes irradiâncias e velocidades do vento – direção do vento 90°

40 90 140 190 240 290 340 250 450 650 850 Vaz ão vo lu m ét ric a ( m ³/ h)

Irradiancia solar no plano do vidro (W/m²)

250 450 650 850

Irradiancia solar no plano do vidro (W/m²)

0m/s 1m/s 2m/s 3m/s 40 90 140 190 240 290 340 250 450 650 850 Vaz ão vo lu m ét ric a ( m ³/ h)

Irradiancia solar no plano do vidro (W/m²)

0m/s 1m/s 2m/s 3m/s

Figura 7.7: Vazão volumétrica da chaminé para diferentes irradiâncias e velocidades do vento –

direção do vento 0°

Figura 7.8: Vazão volumétrica da chaminé para diferentes irradiâncias e velocidades do vento –

Chaminé solar como elemento indutor de ventilação natural em edificações

pôde-se observar uma pequena redução na vazão volumétrica da chaminé, em comparação a uma situação sem vento (Figura 7.9). Para o vento a uma velocidade de 1m/s e irradiância solar de 850W/m2_{, a redução foi}

de 10%. Para uma velocidade de 2m/s houve uma redução adicional de 6% e para uma velocidade de 3m/s houve uma redução adicional de 5%. A redução no fluxo de ar se deu, em grande parte, devido à perda de carga resultante da ação dos ventos na região próxima às aberturas de saída do ar. Essa perda de carga havia sido detectada e quantificada nos ensaios realizados em túnel de vento, em que foi possível calcular os coeficientes de perda de carga por ação dos ventos isoladamente3

Uma análise comparativa entre as vazões volumétricas proporcionadas pela chaminé solar, resultantes de diferentes direções de vento, foi elaborada para o horário do dia de maior irradiância (930W/m2 _{ao meio dia)}

(Figura 7.10). Pelos resultados, pôde-se observar claramente as direções contrárias (entre 0° e 90°) e favoráveis (entre 90° e 180°) à ventilação por ação dos ventos, no modelo estudado. No horário de maior irradiância, como a ventilação por efeito chaminé é mais intensa, os efeitos provocados pelo vento a baixas velocidades foram menos impactantes no funcionamento do sistema, especialmente quando a direção do vento era favorável à ventilação.

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Figura 7.10: Vazão volumétrica da chaminé para diferentes velocidades e direções do vento

Notou-se a predominância de um fluxo de ar turbulento no interior da chaminé, pois o número de Reynolds, calculado através dos resultados obtidos nas simulações, variou entre 5200 e 7000. Conforme afirmam Zamora e Kaiser (2010), quando o fluxo de ar no interior da chaminé é turbulento, os efeitos do vento tendem a ser importantes a partir de um intervalo aproximado de velocidade entre 1 e 2m/s. De fato, isso pôde ser observado nos resultados obtidos pela Figura 7.10. Para o vento a uma velocidade de 1m/s e direções de vento favoráveis à abertura de entrada do ar, notou-se um menor impacto no fluxo de ar da chaminé. Já para o vento com velocidades de 2 e 3m/s, observou-se um maior impacto no desempenho da chaminé, em função da direção de incidência do vento.

3 _{Vide Figura 4.28, capítulo 4.} 40 90 140 190 240 290 340 0 45 90 120 150 180 Vaz ão vo lu m ét ric a ( m ³/ h) Direção do vento (º) 0m/s 1m/s 2m/s 3m/s

7. Interferência do vento no desempenho de uma chaminé solar

7.3.2 Resultados da análise qualitativa e quantitativa do fluxo de ar nas aberturas de