Validação de Software para a Simulação de Edificação com o Sistema Trocador de Calor Terra-Ar (EAHE) Validation of Software for the Simulation of Building with System Earth-to-Air Heat Exchanger (EAHE)

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Validação de Software para a Simulação de Edificação com o Sistema Trocador de

Calor Terra-Ar (EAHE)

Validation of Software for the Simulation of Building with System Earth-to-Air Heat

Exchanger (EAHE)

Giovani Vinicius Merlin1, Marlon Leão2

Resumo: O sistema trocador de calor terra-ar (EAHE) consiste em tubos enterrados com a finalidade de

arrefecer ou aquecer ambientes. Essa tecnologia desenvolvida é bem difundida em diversos países, porém pouco explorada no Brasil. Na busca por estimular a implantação do sistema EAHE a presente pesquisa tem como objetivo analisar se o algoritmo de dimensionamento do sistema EAHE utilizado pelo software

DesingBuilder e a equação utilizada para prever a temperatura do solo é valida para o município de Sinop. A

pesquisa foi desenvolvida através de método comparativo entre dados reais medidos in loco com os dados de

simulação. Os aspectos analisados são referentes à temperatura do solo e a influência do sistema EAHE em uma edificação real. Os resultados das simulações encontrados são satisfatórios e condizentes com os resultados reais. Sendo assim, foi possível avaliar que o modelo de transferência de calor empregado pelo Software DesignBuilder e a equação de temperatura do solo são aplicáveis ao clima e solo de Sinop.

Palavras-chave: Sistema EAHE; DesignBuilder; Simulação; Temperatura do solo.

Abstract: The system Earth-to-Air Heat Exchanger ( EAHE ) consists of buried pipes in order to cool or warm

environments. This developed technology is widespread in several countries, but little explored in Brazil. In seeking to stimulate the deployment of the system EAHE this research focuses on analyzing the sizing algorithm EAHE system used by DesingBuilder software and the equation used to predict subsurface temperature is valid for the city of Sinop - MT. The research was conducted through comparative method between real data obtained by Ohira (2015 ) with simulation data . The aspects analyzed are for the temperature of the underground and the influence of system EAHE in a real building. The results of the simulations are found satisfactory and consistent with actual results . Therefore, it was possible to evaluate the heat transfer model employed by DesignBuilder Software and subsurface temperature equation are applicable to the climate and soil of Sinop.

Keywords: System EAHE; DesignBuilder; Simulation; Earth temperature.

1 Introdução

Ao longo da última década o consumo de energia elétrica no Brasil tem aumentado em cerca de 5% ao ano. Influenciado principalmente pelos setores residencial e comercial, tendo como fator principal a utilização de condicionadores de ar (EPE, 2015). A influência desses setores caracteriza o consumo de energia brasileiro como fora do padrão, ou seja, o aumento do consumo de energia não está ligado ao crescimento do setor industrial (MUSSKOPF, 2006). Esta característica não é exclusiva de países em desenvolvimento, por isso surge a busca por métodos passivos de arrefecimento, como o sistema trocador de calor terra-ar (EAHE). O sistema EAHE consiste em um sistema de tubos enterrados sob a terra, a fim de arrefecer (no verão) ou aquecer (no inverno) o ar que deverá ser fornecido ao edifício (ASCIONE, et al., 2011). A utilização da terra como fonte de energia é uma prática antiga. Há cerca de 3000 a.C. existem relatos da utilização da terra como dissipador de calor (OZGENER, 2011).

Nos últimos anos o potencial geotérmico para o condicionamento de edificações tem sido explorado em diversos países e em diferentes contextos (FONSECA, et al., 2014). Em países da Europa e América do Norte o sistema EAHE é bem difundido devido ao grande número de pesquisas, investimentos e incentivos fiscais.

Na região Centro-Oeste, tal como em todo Brasil, há poucos trabalhos e investimentos voltados a este tipo de sistema. Devido à deficiência de informações técnicas, torna-se necessário o desenvolvimento de trabalhos científicos que possibilitem o levantamento

de dados de forma experimental ou por simulação numérica.

O levantamento de dados serve de subsídio para a implantação do sistema e desenvolvimento de projetos coerentes com as necessidades da região, contribui para o aprimoramento das diretrizes construtivas, aumenta a base de dados disponível sobre o tema contribuiu também para futuras pesquisas.

Por isso, o presente trabalho tem como objetivo geral utilizar dados obtidos experimentalmente sobre o potencial do sistema EAHE e compará-los com dados obtidos através de simulação termo energética, utilizando os dados climáticos no programa

DesignBuilder para a cidade de Sinop - MT. A comparação serve para verificar a aplicabilidade do modelo matemático existente para a região, descrevendo a temperatura do solo em diversas profundidades.

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Geotermia e inércia térmica do solo

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superfície terrestre. Este transporte do solo até a superfície ocorre por meio de um fluído de transporte, tal como água e ar.

A inércia térmica é a propriedade que faz com que o solo funcione como um grande capacitor térmico que armazena calor no verão e libera no inverno (LETTI, 2012). A utilização dos princípios da propriedade térmica do solo unido aos conceitos da geotermia faz com que solo passe a ser empregado de forma indireta como um trocador de calor para arrefecer ou aquecer ambientes.

2.2 Sistemas EAHE e suas variáveis

O subsolo é considerado uma fonte de energia. A exploração dessa fonte de energia acontece através da utilização de trocadores de calor. Os trocadores de calor consistem em um sistema de tubos enterrados que utilizam de maneira direta as propriedades térmicas do solo, e as propriedades físicas de troca de calor (CRUZ, 2013).

Além das propriedades do solo existem outros fatores que influenciam o desempenho do sistema EAHE. Essas variáveis são descritas destacando as características e influencia no sistema.

O clima altera o gradiente de temperatura do solo próximo à superfície sofre forte influência da temperatura do ar. Mudanças de temperatura de curto prazo irão interferir diretamente no sistema (ALVES, 2014). Além da temperatura, a radiação solar, os níveis de pluviosidade e o vento também interferem no desempenho.

A tipologia de solo interfere de forma direta na transferência de calor do sistema. Quanto maior a condutividade do material maior a troca de calor (MUSSKOPF, 2006). A Tabela 1 a seguir mostra os valores de condutividade e difusividade térmica para diversas condições de solo disponível no EnergyPlus.

Tabela 1 - Valores da condutividade (ks) e difusividade térmica (𝜎s) do solo para diversas condições Condições do solo Ks (W/m.K) 𝜎s x

(m²/s)

Solo pesado, saturado. 2,42 9,04

Solo pesado, molhado. 1,30 6,45

Solo pesado, seco. 0,865 5,16

Solo leve, seco. 0,346 2,80

Fonte: EnergyPlus, 2010.

De acordo com a Tabela 1 solos mais úmidos possuem maior capacidade de condução.

O gradiente de temperatura do solo varia de acordo com a profundidade. As profundidades superficiais possuem uma variação maior de temperatura. Em instalações rasas (horizontais), a profundidade ideal para tubos de aquecimento é em torno de 2,0 a 4,0 metros e para tubos de arrefecimento a profundidade ideal varia entre 0,5 a 1,5 metros. (SANTAMOURIS et al., 1996 apud MUSSKOPF, 2006).

A temperatura do solo também varia devido ao tipo de cobertura do solo. Schmid e Reis (2011) destacam que solos cobertos por vegetação possuem um desempenho melhor que solos expostos em relação ao sistema de arrefecimento, pois solos expostos possuem uma absorção maior da radiação solar, o

que compromete o desempenho do sistema em climas quentes.

A velocidade do ar dentro dos tubos interfere de maneira direta no sistema, pois quanto maior a velocidade maior será os coeficientes de convecção. Brown e Dekay (2001) concluíram que a velocidade mais eficiente para o sistema varia entre 2,5 a 8,0 m/s, pois velocidades maiores reduzem o tempo de troca térmica.

Schulz (2011) simula o desempenho de três materiais diferente de tubos: aço, concreto e plástico com condutividade térmica de 45,3 W/m.K, 1,8 W/m.K, 0,2 W/m.K, respectivamente. Mesmo o aço tendo uma condutividade bem maior, o desempenho em relação ao concreto é semelhante. A escolha do material vai de acordo com o custo-benefício.

O diâmetro da tubulação influencia no desempenjo segundo Schulz (2011) afirma que quanto maior o diâmetro do tubo maior a temperatura de saída. Esse resultado é esperado, pois o aumento do diâmetro diminui o coeficiente de convecção no tubo. Brown e Dekay (2001) obtém a mesma conclusão e determinam que o diâmetro ideal para o sistema está entre 0,20 a 0,30 metros.

O aumento do comprimento do tubo faz com que o ar permaneça mais tempo em contato com o solo melhorando o desempenho do sistema (Lopes, 2012). Porém não são necessários tubos muito compridos, pois existe um ponto em que o ar e solo entram em equilíbrio térmico, adicionalmente, tubos muito compridos têm uma maior perda de carga. Brown e Dekay (2001) determinam comprimentos entre 10,0 a 90,0 metros.

Com a aplicação do sistema, a temperatura do solo é alterada. Por isso, é necessária uma distância adequada entre os tubos enterrados horizontalmente para que não afete a capacidade do sistema. Brown e Dekay (2001) indicam distância ideal de 3,0 metros entre os tubos, porém Lopes (2012), indica a distância ideal de 1 m.

2.3 Software de simulação termo energética

As principais variáveis citadas acima englobam o cálculo de desempenho e dimensionamento do sistema. Os avanços das últimas décadas levaram a elaboração de métodos e modelos matemáticos que dimensionam e preveem o desempenho do sistema EAHE. O método de análise do desempenho pode ser dividido em analíticos ou numéricos. Ambos consideram que a transferência de calor ocorra por convecção entre o solo e o ar externo e por condução entre o tubo enterrado e o solo. Dessa maneira, softwares de simulações foram criados para otimizar o tempo e simplificar a análise

.

2.3.1 DesignBuilder- Sistema EAHE

A interface gráfica DesignBuilder utiliza o modelo

(3)

Os dados de entrada necessários para a simulação no software DesignBuilder são: Vazão de ar (m³/s),

profundidade do tubo (m), comprimento do tubo (m), raio e espessura do Tubo (m), condutibilidade térmica do tubo (W/m.K), tipo do solo (conforme Tabela 1), temperatura média da superfície do solo (°C), amplitude da temperatura da superfície do solo (°C), constante de fase da temperatura da superfície do solo (horas) e arquivo climático da região.

Os parâmetros de temperatura média da superfície do solo, amplitude da temperatura da superfície do solo e a constante de fase da temperatura da superfície do solo são obtidos pelo software auxiliar do EnergyPlus CalcSoilSurfTemp.

O arquivo climático da região é apresentado em formato EnergyPlus Weather File (EPW). Esses dados são coletados de acordo com a metodologia desenvolvida pela Sandia National Laboratories.. 3 Metodologia

A proposta dessa pesquisa é validar a simulação do desempenho do sistema EAHE utilizando software

DesignBuilder e caracterizar termicamente o solo de

Sinop utilizando o modelo matemático existente. Os dados experimentais utilizados para a comparação e todos os parâmetros de entrada no software foram cedidos do trabalho de Ohira (2015).

3.1 Equação de temperatura do solo

A primeira etapa do trabalho leva em consideração a Equação 1 que foi desenvolvida por Kusuda e Achenbach (1965) para descrever a temperatura anual do solo. Esta equação serve para calcular a T_g (temperatura do solo) nas profundidades de 0,5 - 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 - 3,0 - 4,0 metros. As profundidades foram determinadas por Ohira (2015) após coleta de dados experimentais.

 

























    

    

 

   

  

5 , 0 365 2 0 365

2 cos

365 exp

) , ( g T

s z t t

s z

s A m T t z

  

 

(Equação 1)

Sendo: m

T : Temperatura média anual da superfície do solo (°C).

s

A : Amplitude da temperatura da superfície do solo (°C).

t₀: Fase constante em dias partindo do inicio do ano.

s

 : Difusividade térmica do solo (m²/h),

z

: Profundidade do solo (m).

t_{:Período de tempo do inicio do ano até o}

período de interesse (dias).

3.1.2 Parâmetros para caracterização térmica do solo O período de interesse t_{coincide com o período da}

coleta de dados experimentais, abrangendo duas semanas. O período está entre o dia 28 de fevereiro e o dia 13 de março de 2015. Para cada dia deste

período foram calculadas as temperaturas nas profundidades determinadas.

Os parâmetros T_m, A_s,t₀ são calculados pelo software auxiliar CalcSoilSurfTemp. Para a obtenção

desses três parâmetros o software solicita o tipo de solo, tipo de cobertura do solo e o anuário climático da cidade.

O tipo de solo é classificado conforme a Tabela 1. Para o município de Sinop o solo pode ser considerado pesado saturado, pois de acordo com Soares (2013) a cota do lençol freático de Sinop se encontra a 2,5 metros em períodos de estiagem e a 0,8 metros em períodos chuvosos.

A cobertura do solo pode ser considerada coberta e úmida, pois o tubo de caracterização térmica se encontra em uma região em que o entorno é coberto por grama. A difusividade térmica também é encontrada na tabela 1. Para o solo de Sinop a difusividade tem o valor de 0,0025 m²/h

3.2 Metodologia DesignBuilder/EnergyPlus

A próxima etapa é simular o desempenho do sistema EAHE utilizando o software DesignBuilder. A

metodologia de cálculo utilizada para simular o desempenho do sistema EAHE está descrita no manual do EnergyPlus (2010). O software trabalha

com um modelo matemático de transferência de calor detalhado. Algumas hipóteses são adotas para simplificar o cálculo e oferecer um tempo mais curto de simulação e poucos parâmetros de entrada. No tópico a seguir são descritas as seis principais hipóteses.

3.2.1 Hipóteses do EnergyPlus

 O escoamento dentro do tubo é considerado hidrodinâmico. Esta hipótese é adotada, pois o comprimento do tubo é bem superior ao próprio diâmetro.

 A temperatura não perturbada do solo pode ser calculada pela Equação 1.

 A presença do tubo não altera a temperatura do solo, assim a temperatura do tubo é uniforme na direção axial.

 O solo nas proximidades do tubo tem condutividade térmica homogênea.

 O tubo possui área constante na direção axial.

 A transferência de calor é considerada um regime estacionário.

3.2.2 Modelo matemático de transferência de calor Ao considerar as simplificações de cálculos através das hipóteses, o EnergyPlus parte do cálculo da resistência de cada material para obter a resistência total da transferência de calor conforme descrito pelas Equações 2, 3, 4, 5 e 6:

h r Rc  _ _ _

1 2

1

(4)

2 2 1 ln 2

1

r r r k R

p p

    



(Equação 3)

2 1

3 2 1

ln 2

1

r r

r r r k R

s

s _

     



(Equação 4)

s p c

t R R R

R    (Equação 5)

t t

R

U  1 (Equação 6)

O somatório de

R

_c,

R

_p,

R

sque representam as

resistências de convecção (m².K/W), resistências de condução na parede do tubo (m².K/W), resistências da condução do solo (m².K/W), respectivamente, e é obtido o valor da resistência total

R

_t(m².K/W). O inverso da resistência total é igual ao valor do coeficiente global de transferência de calor

U

_t (W/m².K).

Sendo

h

,

k

_p,

k

_s,

r

₁,

r

₂,

r

₃ coeficiente de convecção obtido pela correlação da função do fluido com o regime de escoamento, coeficiente de condução no tubo, coeficiente de condução do solo, raio interior do tubo (m), espessura da parede do tubo, distância da superfície externa do tubo ao solo não perturbado (m), respectivamente.

Ao final aplica-se o balanço térmico em uma secção qualquer do tubo, onde a transferência térmica do ar é igualada a capacidade de absorção de calor do mesmo. O processo origina uma fórmula simplificada para o cálculo da saída do ar da tubulação conforme a Tabela 2.

Tabela 2: Condições para temperatura de saída do fluido

Condições Equações

Z solo i

f T

T ,  ,

A Z solo

f L T e

T _,₀( ) _, 

Z solo i

f T

T ,  ,

A Z solo

f L T e

T ,0( ) , 

Z solo i

f T

T ,  , Tf,0(L)Tsolo,Z

Fonte: EnergyPlus, 2010

Sendo:

T

_f,_i: Temperatura de entrada do ar no tubo

(°C).

Z solo

T

_, : Temperatura do solo à profundidade z (°C).

0 ,

f

T

: Temperatura de saída do fluido.

A

: Área de transferência de calor (m²).

3.3 Simulação

A simulação foi divida em três etapas. A primeira etapa alteração dos dados climáticos no arquivo EPW, a segunda modelagem do protótipo e terceira inserção do sistema EAHE.

O processo de simulação foi feito de acordo com os dados experimentais e divididas em duas situações. A primeira situação usando tubo de aço galvanizado e a segunda usando tubo de policloreto de polivinila PVC. O período de simulação utilizado compreende as datas de coletas de dados experimentais.

Para que etapa de simulação e a etapa de caracterização da temperatura do solo fossem mais fidedignas possíveis, os dados climáticos dos dias de coletas foram alterados no arquivo climático desenvolvido por Roriz (2012). Os dados de temperatura do ar, temperatura de ponto de orvalho, pressão atmosférica, velocidade do vento, direção do vento e radiação global foram retiradas estação meteorológica da marca Davis e modelo Vantage Pro2 situada dentro das dependências da UNEMAT. Os dados de radiação difusa e direta foram estimados por equações em razão da radiação global. As equações de estimativas foram desenvolvidas por Escobedo et.al (2007). O esquema de implantação dos protótipos, a orientação, o modo como os tubos foram enterrados podem ser vistos na Figura 1.

Figura 1: Esquema de implantação do sistema. Fonte: Ohira, 2015.

3.3.1 Modelagem do protótipo

Os protótipos estão localizados nas dependências da Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT

campus de Sinop - MT, ambos estão nas mesmas

condições e possuem as mesmas diretrizes exigidas pela Associação Brasileira de Normas técnicas - NBR 15.575 (ABNT, 2013). A Figura 2 mostra a implantação dos tubos no protótipo.

Figura 2: Esquema de implantação dos tubos no protótipo Fonte: Ohira, 2015.

(5)

de 4,00m², pé direito de 2,70m, janela metálica voltada para o sul com área 1,44m², porta metálica voltada para o norte com área 1,68m², fundação de vigas baldrames de concreto armado, armação do telhado e pilares de estrutura metálica, forro PVC, cobertura de telha cerâmica, paredes de vedação com tijolos cerâmico 8 furos e espessura 0,09m, piso concreto com espessura 0,10m, reboco paulista com espessura 0,02 m interno e externo. A Tabela 3 mostra os valores referentes as propriedades térmica do protótipo.

Tabela 3: Parâmetros do tubo de Aço Galvanizado Propriedades Parede Cobertura

Capacidade Térmica

(kJ/m²K) 132 50

Transmitância

térmica (W/m²K) 2,5 2,07

Resistência Térmica

(m²K/W) 0,4008 0,4824

Fator solar 2 6,2

Fonte: Adaptado de Laco,2013

Para a modelagem do telhado foram consideradas três camadas construtivas. Uma superior de telha cerâmica, uma camada intermediária de ar, por fim uma camada inferior de PVC. As paredes foram caracterizadas de acordo com as especificações reais, porém a transmitância real é de 2,50 (W/m²k) e na simulação a transmitância atingida nas paredes foi de 2,54 (W/m²k).

A taxa de ocupação dos protótipos foi considerada de 0,02 pessoas por m², taxa de ocupação mínima aceita pelo software, pois na situação real a ocupação seria zero. Os equipamentos dentro dos protótipos para as medições também foram configurados na simulação. As medições experimentais fizeram a comparação entre dois protótipos, um com o sistema EAHE e o outro na situação normal, durante o período de 24 horas. Para que a comparação fosse válida foi necessária uma medição de calibragem entre os protótipos, verificando que ambos estavam nas mesmas condições. Na simulação também foi feito um teste de calibração com o protótipo sem o sistema EAHE. O teste de calibração foi necessário para verificar se o modelo da simulação estava com as mesmas características, especificações e desempenho térmico que o protótipo real construído.

3.3.2 Parâmetros de entrada para o sistema EAHE. Para a modelagem do sistema EAHE no software

DesignBuilder é necessário os parâmetros de

classificação do solo e as caraterísticas do tubo. A Tabela 4 descreve os parâmetros do solo adotados.

Tabela 4: Parâmetros do solo.

Parâmetros de entrada Valores adotados Cobertura do solo Coberto e úmido

Tipo do solo Pesado e molhado Temperatura média da superfície do

solo (°C) 27,52

Amplitude da temperatura da

superfície do solo(°C) 9,63 Constante de fase da temperatura da

superfície do (dias) 137 Fonte: Autoria própria, 2015

Para a simulação foi adotado solo pesado e molhado, pois o mês de agosto é considerado um mês de estiagem. Dessa maneira o tubo que está enterrado a um metro de profundidade não se encontra em solo saturado.

As Tabelas 5 e 6 representam as características e especificações dos tubos de aço galvanizado e PVC respectivamente.

Tabela 5: Parâmetros do tubo de Aço Galvanizado. Parâmetros de entrada Valores adotados Velocidade do ar (m/s) 3,69 Profundidade do tubo (m) 1,0 Comprimento do tubo (m) 30

Raio (m) 0,05

Espessura (m) 0,0152

Material Aço galvanizado Condutibilidade térmica do

tubo(W/m.K) 52

Fonte: Autoria própria, 2015 Tabela 6: Parâmetros do tubo de PVC. Parâmetros de entrada Valores adotados Velocidade do ar (m/s) 3,72 Profundidade do tubo (m) 1,0 Comprimento do tubo (m) 30

Raio (m) 0,05

Espessura (m) 0,025

Material Condutibilidade térmica do

tubo(W/m.K) 0,21

Fonte: Autoria própria, 2015

4 Análise dos resultados e discussões 4.1 Caracterização térmica do solo

Para o cálculo da variação anual de temperatura do solo, o arquivo climático EPW de Sinop não foi alterado, pois a proposta é demonstrar como a temperatura do solo comporta-se ao longo de um ano característico.

As temperaturas foram calculadas nas profundidades determinadas utilizando a Equação 1 para cada dia do ano. Após o cálculo diário de temperatura foram feitas as médias mensais para cada profundidade, conforme mostram os gráficos das Figuras 3 e 4.

A Figura 3 apresenta as curvas paras as profundidades superficiais. A Figura 4 apresenta as profundidades de 2,5 a 4,0 metros. Ao fundo de cada gráfico é apresentada a variação da temperatura do ar.

15 20 25 30 35 40

T

e

m

pe

ra

tura

(

°

C)

Meses

Temp. Ar 0,5 m 1,0 m

(6)

Figura 3: Temperaturas do solo de Sinop calculadas pela equação de Kusuda e Achenbach (1965) (até 2,0 m). Fonte:

Autoria própria, 2015.

Figura 4: Temperaturas do solo de Sinop calculadas pela equação de Kusuda e Achenbach (1965) (2,5 m à 4,0 m).

Curvas de temperatura do solo. Fonte: Autoria própria, 2015.

A análise das médias mensais da temperatura do solo para todas as profundidades mostra que a temperatura média é igual em todas as profundidades, sendo o mesmo valor deT_m= 27,52°C. Esse valor fica muito próximo ao valor médio anual da temperatura do ar.

Os valores obtidos em cada profundidade são coerentes com a revisão bibliográfica, pois fica visível a amplitude nas profundidades superficiais como nas curvas da Figura 3 e um comportamento mais constante sem sofrer grandes alterações nas profundidades maiores de 2,5 metros (Figura 4). A curva da profundidade de 0,5 metros possui a maior amplitude térmica no ano de 7,53 °C. A curva de 0,50 metros apresenta maior temperatura no mês de janeiro de 31,29 °C e menor temperatura de 23,76 °C em junho.

É perceptível na curva de 0,5 metros a defasagem existente entre a temperatura do ar e a temperatura do solo. O período dessa defasagem em Sinop pode ser calculada segundo expressão matemática oriunda da Equação 1: ₂1

 

365 0,5

s  

 ficando em torno de três meses.

De acordo com os gráficos as profundidades superiores a 2,5 metros possuem menor amplitude térmica. Na Figura 3 é visível o comportamento quase constante das profundidades de 2,5 – 3,0 e 4,0 metros.

A caracterização térmica do solo é útil para determinar a profundidade de maior desempenho para o sistema EAHE. A região de Sinop apresenta elevadas temperaturas o ano todo, por isso a escolha da profundidade ideal parte do principio do melhor potencial para arrefecimento.

De acordo com os gráficos contidos nas Figuras 3 e 4 a profundidade de 0,5 metros possui a menor temperatura, porém possui uma amplitude de temperatura elevada. Por isso é preferível profundidades com temperaturas mais constantes. Outro item a considerar é a questão custo da escavação para implantação dos tubos. De acordo com o levantamento dos dados as profundidades

ideais são de 1,5 e 2,0 metros, pois são consideradas profundidades rasas aliadas as temperaturas constantes durante o ano todo. Profundidades semelhantes as determinadas por SANTAMOURIS et al., 1996 apud MUSSKOPF, 2006.

4.2 Comparação dos dados experimentais com os dados calculados da Equação 1.

O trabalho de Ohira (2015) desenvolveu um protótipo de medição de temperatura do perfil do solo para profundidades de até 10,0. O período de medição compreendeu do dia 28 de fevereiro de 2015 a 13 de março de 2015. Os dados obtidos durante essas duas semanas para profundidades de até 4,0 m estão contidos na Figura 5.

Figura 5: Curvas reais de temperatura do solo de Sinop medidas in loco.

Fonte: Adaptado de Ohira, 2015.

A primeira etapa da comparação é verificar o comportamento das curvas reais e de simulação. Para essa etapa as temperaturas foram simuladas com o arquivo climático modificado. Os dados climáticos medidos pela estação meteorológica durante as medições reais substituíram as informações originais contidas no arquivo EPW de Sinop. As curvas obtidas pela Equação 1 estão demostradas na Figura 6. O período de comparação se encontra entre o dia 28 de fevereiro e o dia 13 de março de 2015

Figura 6: Curvas simuladas de temperatura do solo de Sinop. Fonte: Autoria Própria, 2015.

As curvas de simulação possuem valores mais constantes que as curvas reais. Na profundidade de 0,5 metros a diferença na amplitude é muito elevada. Na curva simulada de 0,5 metros a temperatura praticamente não varia durante as duas semanas, 15

20 25 30 35 40

T

e

m

per

a

tura

(

°

C)

Meses

Temp. Ar 2,5 m 3,0 m 4,0 m

26,00 26,20 26,40 26,60 26,80 27,00 27,20 27,40 27,60 27,80 28,00

28 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

Tem

p

e

ratu

ra

d

o

solo

(°

C)

Dias

0,5 m 1,0 m 1,5 m

2,0 m 2,5 m 3,0 m

26,00 26,20 26,40 26,60 26,80 27,00 27,20 27,40 27,60 27,80 28,00

28 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

Tem

p

e

ratu

ra

d

o

solo

(°

C)

Dias

0,5 m 1,0 m 1,5 m

(7)

diferente da curva real que possui uma variação de 0,62 °C durante as duas semanas.

As outras profundidades assemelham-se, pois conforme a profundidade aumenta, as curvas se tornam mais constantes e com menor amplitude. Para ambos os casos nota-se que as profundidades superficiais apresentam temperaturas menores que as profundidades maiores.

A maior diferença entre as curvas de profundidades mais rasas ocorre porque a equação não consegue representar a amplitude diária como ocorre no caso real.

Outro comportamento que difere os dois gráficos é que nas curvas obtidas pela Equação 1 as profundidades de 1,5 até os 4,0 metros possuem praticamente a mesma temperatura. No caso real a diferença média de temperatura entre essas profundidades é em torno de 0,12 °C.

A Figura 7 mostra a diferença de temperaturas entre as curvas reais medidas e simuladas em cada profundidade.

Figura 7: Diferença entre as temperaturas reais medidas e simuladas para cada profundidade do solo.

Fonte: Autoria Própria, 2015.

A diferença de temperatura entre valor real e valor da equação serve para analisar a precisão da equação. A diferença média para todas as profundidades é de 0,40 °C.

A curva de 0,5 metros possui a maior variação na diferença de temperatura. Essa variação ocorre justamente pela Equação 1 não conseguir reproduzir a amplitude térmica da superfície de 0,5 metros. Nas outras profundidades a diferença é praticamente constante durante as duas semanas.

As maiores diferenças são registradas na profundidade de 1,5 metros onde apresenta uma diferença de temperatura média de 0,67 °C. Na profundidade de 0,5 e 4,0 metros estão as menores diferenças de temperaturas com média igual a 0,20°C. Alves (2014) utilizou a Equação 1 para descrever o comportamento da temperatura do solo para todas as zonas bioclimáticas. Os resultados obtidos por ele descrevem uma variação anual maior na profundidade de 0,5 metros e uma temperatura constante na curva de 4,0 metros o mesmo comportamento foi observado para as curvas de Sinop.

Na Figura 3 a amplitude da temperatura anual do solo fica mais perceptível, porém devido a falta de dados experimentais não foi possível fazer a comparação anual. Dessa maneira, levando em consideração apenas os valores da Figura 6 que representa o diferença dos valores da equação com os dados experimentais pode-se dizer que a estimativa feita pela Equação 1 é satisfatória para as duas semanas.

4.3 Medição de calibração dos protótipos reais

Para comprovar igualdade de condições entre os protótipos construídos (ver item 3.3.1) foi necessária uma medição de calibração com confortímetros instalados simultaneamente em ambos os protótipos. Os resultados são demonstrados na Figura 8.

Figura 8: Calibração entre os protótipos reais. Fonte: Adaptado de Ohira, 2015.

A Figura 8 demostra que os dois protótipos reais encontram-se praticamente nas mesmas condições apresentando uma variação média entre eles de 0,20°C.

4.4 Simulação de calibração

Para comprovar igualdade de condições entre o protótipos construído e o protótipo modelado no programa de simulação foi necessária uma calibração entre os mesmos. Os resultados da calibração dos protótipos realizados com o EPW modificado entre os dias 15 e 16 de agosto está demonstrada na Figura 9. O gráfico descreve o comportamento térmico dos protótipos no período de 24 horas.

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

28 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

D ifer e n ça d e t e m p . d o so lo ( °C) Dias

0,5 m 1,0 m 1,5 m

2,0 m 2,5 m 3,0 m

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 08 :0 0 10 :0 0 12 :0 0 14 :0 0 16 :0 0 18 :0 0 20 :0 0 22 :00 00 :0 0 02 :0 0 04 :0 0 06 :0 0 T e m per a tura ( ° C) Horário (H)

Edificação EAHE Edificação Normal

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 10 :0 0 12 :0 0 14 :0 0 16 :0 0 18 :0 0 20 :0 0 22 :0 0 00 :00 02 :0 0 04 :0 0 06 :0 0 08 :0 0 T e m per a tura ( ° C) Horário

(8)

Figura 9: Simulação do protótipo dias 15/08 -16/08. Fonte: Adaptado de Ohira, 2015.

Na Tabela 7 serão apresentados os dados estatísticos da curva real e de simulação referentes a Figura 9.

Tabela 7: Dados Estatísticos Figura 9.

Temperatura Simulação Real

Máxima (°C) 33,67 34,30

Mínima (°C) 23,44 22,87

Amplitude (°C) 10,23 11,43

Média (°C) 28,52 28,12

Desvio Padrão 3,39 3,76

A curva de simulação comporta-se da mesma maneira que a curva real, porém existe uma diferença média de temperatura em torno de 0,59 °C. A maior diferença de temperatura ocorre no período das 7:00 as 9:00 horas com uma variação de 1,32 °C. O período em que as curvas mais se aproximam fica em torno das 00:00 as 04:00 horas, com uma variação média de 0,15°C.

A calibração foi feita também para os dias 17 e 18 de agosto quando foi utilizado o tubo de PVC. Conforme mostra a Figura 10

Figura 10: Simulação do protótipo dias 17/08 -18/08. Fonte: Adaptado de Ohira, 2015.

A Tabelo 8 apresenta a temperatura média, máxima, mínima, amplitude e desvio padrão da curva real e de simulação referente a figura 10.

Máxima (°C) 35,46 36,17

Mínima (°C) 25,35 25,17

Amplitude (°C) 10,11 11,00

Média (°C) 30,35 30,37

As curvas reais e de simulação para os dias 17 e 18 de agosto possuem o mesmo comportamento e apresentam o pico de temperatura no mesmo horário. A variação de temperatura média é de 0,46 °C. O período em que ocorre a maior diferença de temperatura fica das 11:00 as 15:00 horas com uma

diferença de temperatura média de 0,90 °C. O horário das 02:00 as 06:00 ocorre a menor diferença de temperatura com uma diferença média de 0,12 °C. Ao analisar ambos os casos verifica-se que as condições climáticas e as configurações dos materiais do protótipo foram modeladas corretamente, pois os valores obtidos estão condizentes com os dados experimentais.

4.5 Comparação dos dados do sistema EAHE

Nas medições experimentais o protótipo funcionou sob duas condições diferentes. A primeira utilizando o tubo de aço galvanizado no período do dia 15 e 16/08. A segunda usando tubo de PVC para o período do dia 17 e 18/08.

Ohira (2015) compara o desempenho térmico entre o protótipo EAHE com o protótipo normal. Essa comparação serviu para verificar a variação de temperatura entre os dois protótipos e avaliar a influência do sistema para a região.

A simulação foi feita para as duas condições, e comparada com o desempenho térmico do protótipo real com o sistema EAHE. A Figura 11 apresenta os resultados para o tubo de aço galvanizado.

Figura 11: Simulação do protótipo EAHE aço galvanizado 15/08 -16/08.

Na Tabela 9 é apresentado um resumo estatístico da curva real e de simulação referente a figura 11,

Máxima (°C) 33,20 33,58

Mínima (°C) 23,84 23,47

Amplitude (°C) 9,36 10,12

Média (°C) 28,48 28,22

A curva de simulação possui o mesmo comportamento da curva real. Nessa análise é possível notar uma diferença média entre as curvas de 0,39 °C, porém essa variação pode ser causada pela variação existente e mostrada na etapa de calibração. A maior diferença encontrada na comparação está no período das 05:00 às 08:00 horas com variação média de 0,92 °C.

Ao comparar o desempenho do sistema por simulação verifica-se que o comportamento é semelhante ao real. Pela simulação utilizando o tubo de aço 20,00

22,00 24,00 26,00 28,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00

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Edificação normal real Edificação normal simulação

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

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tura

(

°

C)

Horário

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galvanizado o melhor desempenho ocorre no período das 11:00 as 17:00 coincidindo com período real. Na comparação real realizada por Ohira (2015) as 16:00 apresenta o melhor desempenho com uma diferença de 0,78 °C entre os protótipos. Depois das 21:00 horas o sistema torna-se ineficiente tornando a temperatura dentro da edificação mais quente do que a do protótipo sem o sistema.

Na simulação o melhor desempenho ocorre as 15:00 horas com uma diferença de 0,47 °C. Após as 21:00 o sistema se torna ineficiente. Os resultados obtidos por simulação são condizentes com as condições reais. A segunda etapa de medições experimentais foi utilizando tubo de PVC. Os resultados obtidos pela simulação estão contidos na Figura 12.

Figura 12: Simulação do protótipo EAHE PVC 17/08 -18/08. Fonte: Adaptado de Ohira, 2015.

Na Tabela 10 é encontrado a temperatura máxima, mínima, amplitude e desvio padrão das curvas reais e de simulação referentes a Figura 12.

Máxima (°C) 35,41 35,37

Mínima (°C) 25,45 25,63

Amplitude (°C) 9,96 9,73

Média (°C) 30,38 30,19

O comportamento da curva de simulação assemelha-se a curva real, porém a diferença média de temperatura é de 0,46 °C ficando maior que a da simulação do aço galvanizado. A maior diferença entre as curvas é notada no período de 17:00 as 22:00 com média de 0,95 °C.

Apesar de a diferença ser maior, o resultado é igualmente satisfatório, pois o comportamento das curvas assemelha-se. Em relação a comparação do desempenho térmico o período de maior eficiência na simulação coincide com o período dos dados reais. As curvas também apresentaram o mesmo período de ineficiência.

Através dos resultados das Figuras 11 e 12 é possível notar que o algoritmo de cálculo de transferência de calor utilizado pelo DesignBuilder tem desempenho satisfatório para as condições climáticas locais. Na figura 13 é mostrada a diferença de temperatura entre edificação real com o sistema EAHE e

edificação normal. E a diferença de temperatura entre edificação simulada com sistema EAHE com edificação normal.

Figura 13: Diferença de temperatura dos sistemas reais e simulado para o tubo de aço galvanizado.

Através das curvas da Figura 13 é perceptível que a diferença de temperatura do sistema real comparada com a simulação possui uma pequena variação entre as curvas, porem comportamento semelhante.

5 Conclusão

Ao analisar a primeira etapa do trabalho verifica-se que através da Equação 1 é possível determinar a profundidade de maior desempenho do sistema EAHE. Por isso a comparação entre os dados experimentais com os dados de simulação foi necessária para verificar se a equação é aplicável ao solo e o clima de Sinop-MT.

O ideal seria a comparação com um ano de dados experimentais, porém durante as duas semanas em que ocorreram as medições os resultados obtidos pela equação estão coerentes com os reais e com as descrições feitas na revisão bibliográfica.

A análise dos resultados obtidos pela simulação demonstra que os dados são coerentes com os dados experimentais. Dessa maneira é notório que as hipóteses utilizadas pelo DesignBuilder descritas na

metodologia para simplificação de cálculo são válidas, pois mesmo com as simplificações impostas os resultados possuem uma diferença de temperatura pequena.

Além de ter uma precisão referente a valores absolutos de temperatura, as curvas originadas pela simulação descrevem o mesmo desempenho térmico que as curvas reais. A comparação do desempenho do sistema EAHE com os dados de simulação no

DesignBuilder se fez necessária para poder comprovar se o algoritmo de dimensionamento do sistema EAHE utilizado pelo software é aplicável à cidade de Sinop.

A base de dados gerada pela pesquisa serve de estimulo para novas pesquisas, subsídio para implantação do sistema na região e aprimoramento das técnicas construtivas.

Agradecimentos

Agradeço à Deus pela vida. 24,00

26,00 28,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00

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Edificação EAHE PVC real Edificação EAHE PVC simulação

-2,50 -2,00 -1,50 -1,00 -0,50 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

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A minha mãe Juvenilda pelo esforço e luta na minha formação. Em especial ao meu querido pai Adolino falecido em 2010, por tudo que me ensinou e pelo exemplo de pai integro e dedicado que serviu de base para concretização desse sonho.

À minhas irmãs Elisângela, Lucélia e Vanessa que foram a sustentação para que pudesse atingir meus objetivos durante a graduação.

Ao meu orientador, Dr.-Ing Marlon Leão, que acreditou neste trabalho deste o início e sempre esteve disposto para discutir soluções e métodos que possibilitassem o desenvolvimento deste trabalho com louvor.

Ao Professor Me. Luís Antônio Ohira que disponibilizou os dados de sua dissertação para que esse trabalho fosse desenvolvido.

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