UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
GIOVANI VINICIUS MERLIN
ANÁLISE DO SITEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR (EAHE)
EM SINOP-MT
SINOP
2015/1
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
GIOVANI VINICIUS MERLIN
ANÁLISE DO SITEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR (EAHE)
EM SINOP-MT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof. Orientador: Dr.- Ing. Marlon Leão
SINOP
2015/1
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Valores da condutividade e difusividade térmica do solo para diversas condições ... 16 Tabela 2: Condições para obter a temperatura de saída do fluido ... 26 Tabela 3: Parâmetos adotados ... 27
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Sistema EAHE em uma estufa agrícola Espanha ... 13
Figura 2 – Sistema Fechado (esquerda) e Aberto (direita) ... 14
Figura 3: Modelos de Captação: Horizontal (esquerda) Vertical (direita) ... 15
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica
EAHE – Earth-to-Air-Heat-Exchanger (Trocador de Calor Terra-Ar) EPE – Empresa de Pesquisa Energética
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise do Sistema Trocador de Calor Terra-Ar (EAHE) em
Sinop-MT
2. Tema: Geotermia
3. Delimitação do Tema: Sistema Trocador de Calor Terra-Ar - EAHE 4. Proponente(s): Giovani Vinicius Merlin
5. Orientador(a): Dr. – Ing. Marlon Leão
6. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso 7. Público Alvo: Acadêmicos, docentes, engenheiros e outros profissionais
da construção civil
8. Localização: Município de Sinop -MT 9. Duração: Junho a dezembro de 2015
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE FIGURAS ... II LISTA DE ABREVIATURAS ... III DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... IV 1 INTRODUÇÃO ... 7 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 8 3 JUSTIFICATIVA... 9 4 OBJETIVOS ... 10 4.1 OBJETIVO GERAL ... 10 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 10 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 11 5.1 GEOTERMIA ... 11 5.1.1 Histórico ... 11
5.2 INÉRCIA TÉRMICA DO SOLO ... 12
5.3 VENTILAÇÃO ... 12
5.4 SISTEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR - EAHE ... 13
5.4.1 Sistema fechado e aberto ... 14
5.4.2 Modelo de captação horizontal e vertical: ... 14
5.4.3 Variáveis do sistema: ... 15 5.4.3.1 Clima ... 15 5.4.3.2 Tipos de solo ... 15 5.4.3.3 Profundidade ... 16 5.4.3.4 Cobertura do solo ... 16 5.4.3.5 Velocidade do ar ... 16 5.4.3.6 Material do tubo ... 16 5.4.3.7 Diâmetro do tubo ... 17 5.4.3.8 Comprimento do tubo... 17
5.4.3.9 Distância entre os tubos ... 17
5.4.4 Exemplos de aplicações da geotermia ... 17
5.5 SOFTWARES DE SIMULAÇÃO TERMO ENERGÉTICO ... 18
5.5.1 EnergyPlus ... 18
5.5.2 DesignBuilder ... 19
5.5.2.1 DesignBuilder – Sistema EAHE ... 19
5.5.2.2 CalcSoilSurfTemp ... 19
6 METODOLOGIA ... 21
6.1 EQUAÇÃO DE TEMPERATURA DO SOLO ... 22
6.1.1 Parâmetro para caracterização térmica do solo ... 22
6.1.2 Validação e fator de correção ... 24
6.2 METODOLOGIA DO SOFTWARE ENERGYPLUS ... 24
6.2.1 Hipóteses do EnergyPlus ... 24
6.2.2 Modelo matemático de transferência de calor ... 25
6.3 PARÂMETROS DE ENTRADA ... 26 6.3.1 Caracterização do Protótipo ... 27 6.4 SIMULAÇÃO E VALIDAÇÃO ... 28 7 CRONOGRAMA ... 29 8 REFERENCIAL BIBLIOGÁFICO ... 30 9 ANEXOS ... 32
1 INTRODUÇÃO
Ao longo da última década o consumo de energia elétrica no Brasil tem aumentado em cerca de 5% ao ano. No ano de 2014, mesmo a economia apresentando baixos índices de crescimento, houve um aumento expressivo no consumo de energia elétrica segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética – EPE (2015).
O aumento no consumo em 2014 foi influenciado principalmente pelo setor residencial, tendo como fator principal a utilização de condicionadores de ar (EPE, 2015). Os sistemas de ar condicionado apresentam um alto consumo de eletricidade. Dessa forma surge a necessidade de empregar estratégias passivas de condicionamento de ar.
Uma dessas estratégias é a utilização de um sistema de trocador de calor terra - ar, conhecido como sistema EAHE (Earth-to-Air-Heat-Exchanger). 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). Nas últimas décadas o potencial geotérmico para o condicionamento de edificações tem sido explorado em diversos países do mundo e em diferentes contextos (FONSECA, et al., 2014).
Na Itália, Ascione et al. (2011) analisou a performance desse sistema para edifícios climatizados e verificou viabilidade econômica para sua implementação. Na região sul do Brasil, Horbach (2010) e Schulz (2011) fazem uma análise da viabilidade do uso e as vantagens e desvantagens do sistema utilizando programa de simulação termo energética EnergyPlus, ambos também relatam o pouco conhecimento e baixa utilização do sistema no país.
Na região Centro-Oeste, tal como em todo Brasil, há poucos trabalhos e investimentos voltados a este tipo de sistema. Dessa maneira, o desenvolvimento de pesquisas voltadas à geotermia proporcionará novas técnicas e subsídios, estimulando novas instalações do sistema e reduzindo custos.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
O território brasileiro apresenta uma grande diversidade de climas com regiões de elevadas temperaturas o ano todo. Para compensar as altas temperaturas, cada vez mais se utilizam condicionadores de ar, porém esta técnica pode apresentar alto impacto no consumo energético, alterando a matriz energética brasileira e aumentando o impacto ambiental.
A utilização de técnicas ativas de arrefecimento pelo setor residencial e comercial caracteriza o consumo de energia brasileiro fora do senso comum, ou seja, o aumento do consumo de energia não está ligado ao crescimento do setor industrial (MUSSKOPF, 2006). Isso identifica que o aumento do consumo está relacionado ao setor residencial e comercial.
Essa problemática central não é exclusiva de países em desenvolvimento. Por isso surge a busca por métodos passivos de arrefecimento, como o sistema EAHE. Em países da Europa e América do Norte este sistema é bem difundido devido ao grande número de pesquisas, investimentos e incentivos fiscais.
No Brasil, esse potencial é pouco explorado, possuindo poucos investimentos e estudos sobre a viabilidade do sistema. Segundo Fonseca et al. (2014) os principais motivos para a pouca utilização no Brasil é a falta de dados para a caracterização da temperatura do solo e o alto custo de implementação.
3 JUSTIFICATIVA
O Brasil apresentou na última década um elevado crescimento econômico, que refletiu no aumento do consumo de energia elétrica. Os fatores sociais também contribuíram para este aumento, como programas de distribuição de renda e o aumento da população (ANEEL, 2008)
Em 2014 a economia brasileira desacelerou, porém, segundo dados da resenha mensal de mercado de energia elétrica (EPE, 2015), o consumo de energia elétrica teve um aumento 2,2% em relação a 2013. O setor residencial foi um dos principais responsáveis por este aumento com crescimento de 5,7% devido ao aumento do uso de condicionadores de ar. As residências da região Centro-Oeste apresentaram um aumento de 8,2%.
O aumento expressivo do consumo de energia elétrica no setor residencial, em consequência da utilização de condicionadores de ar, serve de alerta para a utilização de técnicas passivas de arrefecimento, como o sistema EAHE. Dessa forma, surge a necessidade de dados e projetos adequados para implantação dessas técnicas.
Na região Centro-Oeste não há registro sobre estudos de viabilidades, dados de caracterização da temperatura do solo e dados simulação em software sobre o potencial do sistema EAHE. 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 servirá de subsídio para a implantação do sistema e desenvolvimento de projetos coerentes com as necessidades da região, levará ao aprimoramento das diretrizes construtivas do sistema, contribuirá para aumentar a base de dados disponível sobre o tema e servirá também de contribuição para futuras pesquisas.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Validar os dados de simulação do sistema trocador de calor terra-ar (EAHE), utilizando o software DesignBuilder.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar a temperatura do solo de Sinop - MT.
Validar o atual modelo matemático de temperatura do solo Determinar fator de correção para o solo de Sinop-MT
Validar a simulação da temperatura de saída do tubo enterrado horizontalmente através de comparação com dados obtidos experimentalmente.
Validar a temperatura ambiente do protótipo levando em consideração a influência do sistema EAHE através de comparação com dados obtidos experimentalmente.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 GEOTERMIA
O termo geotermia é designado para ciência que estuda o calor terrestre e a energia geotérmica (RIO, 2011). A principal função da geotermia é retirar o calor ou energia térmica produzida no subsolo e levar até a superfície terrestre. Este transporte do subsolo até a superfície ocorre por meio de um fluído de transporte, tal como água e ar.
Em meio às diversas utilizações da geotermia seu uso é classificado de acordo com o gradiente de temperatura: alta temperatura (maior que 150 °C), baixa temperatura (entre 30 e 90 °C), muito baixa temperatura (menor que 30 °C).(TRILLO et al., 2008). É possível encontrar esta classificação com outros intervalos de temperatura e diferentes nomenclaturas.
5.1.1 Histórico
Desde os primórdios, as regiões vulcânicas sempre foram polos de atração para desenvolvimento de civilizações, pelo fato da existência de fontes termais e presença de vapor, as quais podem ser utilizadas para cozinhar alimentos, banho ou para aquecimento (TRILLO et al., 2008).
Além da utilização direta do calor do subsolo proveniente de grandes profundidades, o ser humano passa a utilizar o solo superficial como método de proteção para seus abrigos. Há registro da utilização da inércia térmica do solo deste o período paleolítico (LETTI, 2012)
Durante um grande período de tempo, o ser humano se contentou em utilizar as propriedades térmicas do solo de forma natural. Apenas no século XIX, com os avanços tecnológicos e melhor conhecimento do subsolo é que se permitiu aprimorar e aperfeiçoar a utilização da geotermia (TRILLO et al., 2008).
Após a segunda guerra mundial apareceram as primeiras bombas geotérmicas nos Estados Unidos. Em 1949, são instaladas as primeiras bombas no Canadá. Nos anos setenta inicia-se uma grande exploração dos recursos geotérmicos para a produção de energia elétrica (TRILLO et al., 2008).
Apartir dos anos 90 é que há um grande desenvolvimento na geotermia, pois ao conhecer as propriedades térmicas do solo em profundidades próximas à superfície, a geotermia passa ser aplicada também na climatização de edifícios,
ganhando grande destaque em países europeus e da América do Norte por ser uma fonte de energia alternativa, limpa e econômica (CRUZ, 2013).
5.2 INÉRCIA TÉRMICA DO SOLO
O solo a partir da profundidade de 1,5 metros apresenta um gradiente detemperatura com variação pequena durante o dia. Também apresenta uma defasagem em relação a temperatura do ar, ou seja, o solo se encontra quente durante o inverno e frio durante o verão (LETTI, 2012). Segundo Brown e Dekay (2001) esse atraso térmico é em torno de 2 a 3 meses. Essa propriedade é conhecida como inércia térmica.
A inércia térmica faz com que o solo funcione como um grande capacitor térmico que armazena calor no verão e libera no inverno (LETTI, 2012). A partir do conhecimento dessa propriedade, o solo passa a ser utilizado nas edificações de forma direta ou indireta.
O solo é usado de maneira direta desde os tempos mais remotos, onde o ser humano construía abrigos enterrados. Dessa forma, o solo funciona como sistema de proteção contra as intempéries e isolante térmico.
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. Assim, surge um novo sistema de ventilação para as edificações. Os principais meios de utilização do solo de forma indireta são dados pela aplicação de bombas de calor, ventilação natural pelo subsolo e ventilação por tubos enterrados.
5.3 VENTILAÇÃO
Ventilação é o termo designado para introdução ou remoção do ar para dentro de um ambiente, proporcionando a diminuição da temperatura, melhorando o conforto térmico, renovando e mantendo a qualidade do ar, servindo como estratégia de resfriamento, pode ser dividido em ventilação natural ou mecânica (FIGUEREIDO, 2007).
A ventilação natural é o fluxo de ar por aberturas existentes ou planejadas na edificação, através da diferença de pressão. Na ventilação mecânica, o fluxo de ar ocorre de maneira forçada através de sistemas de ventilação ou de condicionadores de ar. Outra diferença entre os modelos de ventilação é o consumo energético,
porém a finalidade de ambas é trazer conforto ao usuário e renovar o ar ambiente utilizando técnicas naturais (passivas) ou técnicas artificiais (ativas).
Técnicas ativas é um conjunto de tecnologias integradas à edificação, como a utilização de condicionadores de ar. Os sistemas passivos podem ser considerados um conjunto de técnicas e metodologias construtivas que visam tirar proveito das condições ambientais onde a edificação está inserida. (RIO, 2011).
A utilização de técnicas passivas na ventilação tem como finalidade a climatização do ambiente sem a utilização de condicionadores de ar e também a redução do consumo energético (SCHULZ, 2011). Dessa maneira, é necessário levar em consideração as condicionantes ambientais, como orientação solar, vegetação, utilização do solo, energia solar, direção do vento.
5.4 SISTEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR - EAHE
O subsolo é considerado uma fonte de energia. A exploração dessa fonte deenergia 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).
O sistema é bem difundido em vários países, com aplicação em diversos tipos de edificação. A Figura 1 mostra a aplicação do sistema em uma estufa agrícola do Instituto Basco na Espanha.
Figura 1- Sistema EAHE em uma estufa agrícola Espanha Fonte: IREKIA (2012).
O sistema pode assumir diversas configurações que variam de acordo com as condições do local e as necessidades de uso. Quanto à circulação do fluido, o sistema pode ser considerado aberto ou fechado e quanto o modo de captação pode ser horizontal ou vertical.
5.4.1 Sistema fechado e aberto
No sistema fechado o ar circula constantemente pela tubulação de maneira pressurizada. O funcionamento ocorre da seguinte forma: o ar é captado dentro do ambiente, o qual passa pela tubulação e é injetado novamente ao ambiente. A principal desvantagem é que o ar não se renova e por isso é pouco utilizado.
O modo de funcionamento do sistema aberto ocorre da seguinte forma: o ar externo é insuflado de forma natural, ou de maneira mecânica com a utilização de um ventilador, e dessa forma passa pela tubulação pela qual é injetado na edificação. A vantagem desse modelo é a renovação constante do ar e a desvantagem é a influência da temperatura do ar exterior. A Figura 2 representa as duas configurações do sistema EAHE.
Figura 2 – Sistema Fechado (esquerda) e Aberto (direita) Fonte: Ozgener (2011).
5.4.2 Modelo de captação horizontal e vertical:
Os modelos de captação são classificados de acordo com o modo em que a tubulação é disposta no terreno de forma horizontal ou vertical. Na horizontal os tubos são enterrados a pequenas profundidades à cerca de 0,5 a 3,0 metros da superfície.
O modelo vertical alcança maiores profundidades, segundo Cruz (2013) as principais vantagens da disposição vertical em relação a horizontal é a menor área de terreno ocupada, menor degradação da superfície do solo, temperatura do solo mais estável. A principal desvantagem é o custo mais elevado. A Figura 3 mostra os dois modelos de captação.
Figura 3: Modelos de Captação: Horizontal (esquerda) Vertical (direita) Fonte: Cruz (2013).
5.4.3 Variáveis do sistema:
Existe uma variedade de fatores que influenciam o sistema EAHE. A seguir serão descritas as condicionantes naturais e as características dos tubos que mais influenciam no desempenho do sistema.
5.4.3.1 Clima
O gradiente de temperatura do solo próximo à superfície sofre forte influência da temperatura do ar. Além da temperatura, a radiação solar, os níveis de pluviosidade e o vento também interferem no sistema, porém em menor intensidade.
5.4.3.2 Tipos de solo
O tipo de solo interfere diretamente 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 . De acordo com a Tabela 1 solos mais úmidos possui maior capacidade de condução.
Tabela 1 - Valores da condutividade (ks) e difusividade térmica (𝜎s) do solo para diversas condições Condições do solo
Ks (W/m °C) 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).
5.4.3.3 Profundidade
Quanto maior a profundidade maior será a capacidade térmica do solo. Dessa maneira o gradiente de temperatura do solo varia de acordo com a profundidade, porém a temperatura do solo se mantem constante mesmo em profundidades baixas. 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).
5.4.3.4 Cobertura do solo
A temperatura do solo também varia devido ao tipo cobertura do solo. Schmid e Reis (2011) mostram que solos cobertos por vegetação possuem uma variação de temperatura ao longo do ano menor que solos expostos. Os solos expostos possuem uma absorção da radiação solar maior, que compromete o desempenho do sistema em climas quentes.
5.4.3.5 Velocidade do ar
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 em seu trabalho que a velocidade indicada para o sistema fique entre 2,5 a 8,0 m/s, pois velocidades maiores reduzem o tempo de troca térmica.
5.4.3.6 Material do tubo
Em seu trabalho de simulação Schulz (2011) simula o desempenho de três materiais diferente de tubos: aço, concreto e plástico com condutividade térmica de
45,3 W/m°C, 1,8 W/m°C, 0,2 W/m°C, respectivamente. Mesmo o aço tendo uma condutividade bem maior, seu desempenho em relação ao concreto é semelhante. A escolha do material vai de acordo com o custo-benefício.
5.4.3.7 Diâmetro do tubo
Em uma semana de temperatura elevada na cidade de Porto Alegre-RS Schulz (2011) chega à conclusão que quanto maior o diâmetro do tubo maior a temperatura de saída. Esse resultado era 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.
5.4.3.8 Comprimento do tubo
O aumento do comprimento do tubo faz com que aumente o tempo de transferência de calor entre o ar e o solo, melhorando o desempenho do sistema. Horbach (2010) simula diversos comprimentos de tubo e conclui que em um determinado momento em tubos muito compridos há um ponto de saturação, ou seja, ar e solo entram em equilíbrio térmico. Brown e Dekay (2001) determinam comprimentos entre 10,0 a 90,0 metros.
5.4.3.9 Distância entre os tubos
Com a aplicação do sistema, a temperatura do solo é alterada. Por isso, é necessário 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), em sua revisão bibliográfica indica a distância ideal de 1 m.
Todas as variáveis descritas acima devem ser levadas em consideração no dimensionamento do sistema EAHE, por isso foram desenvolvidos modelos matemáticos e softwares capazes de simular o desempenho de maneira rápida.
5.4.4 Exemplos de aplicações da geotermia
Ao explorar todo conhecimento do sistema, Cruz (2013) traz um estudo sobre aplicações bem sucedidas pelo mundo. A Áustria, Alemanha, Suíça e Estados
Unidos são pioneiros nessa tecnologia, possuindo um desenvolvimento significativo na área.
A Áustria possui duas grandes obras consideráveis, Torre Uniqa e o Túnel de Lainzer, ambas localizadas em Viena. As duas construções utilizam captação vertical por meio de estacas a fim de suprir as necessidades térmicas das construções.
Na Alemanha, o edifício do Centro de Energia Solar possui 200 estacas que suprem 20% do consumo com aquecimento e 100% do consumo com arrefecimento. Na Suíça, a tecnologia é bem difundida em residências unifamiliares atendendo com satisfação as exigências térmicas.
Os Estados Unidos são considerados o pioneiro na utilização da geotermia como sistema de ventilação. Existem vários exemplos, como o aeroporto de Portland localizado no estado de Oregon, e o Richard Stockton College em Nova Jersey.
5.5 SOFTWARES DE SIMULAÇÃO TERMO ENERGÉTICO
Os avanços do sistema EAHE levou a elaboração de métodos e modelosmatemáticos para prever o desempenho do sistema. Peretti et al.(2013) define desempenho sendo a diferença de temperatura de entrada e saída do tubo.
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.
5.5.1 EnergyPlus
O EnergyPlus é um software de simulação termo dinâmico gratuito ofertado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da América. Foi criado para simular iluminação, ventilação, aquecimento e refrigeração em edifícios. Esta ferramenta surge da junção de dois softwares, Blast e DOE-2.
O EnergyPlus apresenta diversas capacidades de simulação, como conforto térmico, ventilação natural e sistemas fotovoltaicos. A desvantagem é o fato do software ser desprovido de interface gráfica. Para solucionar essa limitação foi desenvolvido o DesignBuilder.
5.5.2 DesignBuilder
Esta ferramenta consiste em uma interface gráfica de modelagem para suprir a defasagem do EnergyPlus. O DesignBuilder é um software comercial desenvolvido pela empresa britânica DesignBuilder Ltda.
O DesignBuilder foi desenvolvido em torno do EnergyPlus com parâmetros de cálculos bem semelhantes. Possui um grande acervo de materiais de construção para a modelagem de edifícios e mais de 2.000 arquivos climáticos em diversas regiões do mundo.
5.5.2.1 DesignBuilder – Sistema EAHE
A interface gráfica DesignBuilder possui o mesmo modelo matemático do EnergyPlus e prevê o desempenho do sistema EAHE e a variação de temperatura do solo em torno do tubo. Este modelo consiste em um algoritmo complexo e detalhado que foi desenvolvido por Lee e Strand (2006).
Os dados de entrada necessários para a simulação são descritos abaixo: 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); Arquivo Climático da região
5.5.2.2 CalcSoilSurfTemp
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 CalcSoilSurfTemp.
Para obter os parâmetros citados acima são necessários os seguintes dados de entrada no software:
Tipo de cobertura do solo: Descoberto e molhado, descoberto e úmido, descoberto e muito seco, descoberto e seco, coberto e molhado, coberto e úmido, coberto e muito seco, coberto e seco – Este parâmetro servirá para determinar coeficiente de absorção do solo etaxa de evaporação para a superfície. Os tipos de cobertura do solo foram imposta pelo próprio software Arquivo Climático da região
As hipóteses do tipo de cobertura do solo foram impostas pelo próprio software.
5.5.3 Arquivo Climático
O anuário climático é apresentado em formato EPW. Esses dados são coletados de acordo com a metodologia desenvolvida pela Sadia National Laboratories. Resumidamente esta metodologia adota os dados climáticos mais típicos para a região. Por exemplo, um banco de dados climáticos com 10 anos de medição, ao analisar todos os dias 1 de janeiro é escolhido o 1 de janeiro que seja mais característico da região para compor o arquivo.
O anuário climático de Sinop foi desenvolvido por Roriz (2012). Os dados foram obtidos no período de 2000 a 2010, registrados nas estações climatológicas do Instituto Nacional de Meteorologia – INMET.
Roriz (2012) obteve 7 variáveis pelas medições que serão descritas a seguir: Temperatura do ar (°C);
Temperatura do Ponto de orvalho(°C); Umidade relativa (%);
Radiação global horizontal (Wh/m²); Velocidade do vento (m/s);
Direção do vento (deg); Pluviosidade (mm);
Além das 7 variáveis obtidas, o arquivo EPW engloba outras 27 variáveis que foram obtidas por métodos de cálculos ou por meio do aplicativo auxiliar Weather-Converter.
O formato EPW também possui um cabeçalho contendo dados de localização e a temperatura media do solo para todos os meses do ano nas profundidades de: 0,5 - 2,0 e 4,0 metros.
6 METODOLOGIA
A proposta dessa pesquisa é validar asimulação do desempenho do sistema EAHE utilizando software DesignBuilder e caracterizar termicamente o solo de Sinop – MT utilizando o modelo matemático existente. Os dados experimentais utilizados para a comparação e todos os parâmetros de entrada no software serão retirados da dissertação em desenvolvimento de Luís Antônio Shigueharu Ohira pela Universidade de Cuiabá-UNIC/UFMT. A Figura 4 representa os passos seguidos na metodologia.
Figura 4: Esquematização Metodologia Fonte: Autoria própria (2014).
Metodologia Análise da equação atual de temperauta do solo Obtenção dos parâmetros para carecterização térmica Caracterização térmica do solo Confecção do Fator de Correção validação do modelo matemático existente Análise da metodologia do EnergyPlus Revisão das Hipotéses assimidas pelo EnergyPlus Estudo do modelo de Trasferência de calor Análise do arquivo climatológico de Sinop-MT Obtenção dos parâmetros necessário para o software Modelagem do sistema EAHE Caracterização do protótipo simulação validação
6.1 EQUAÇÃO DE TEMPERATURA DO SOLO
A transferência de calor entre solo e o ar exterior é considerada por conduçãotérmica e é calculada pela Lei de Fourier. Ao analisar esta condição Kusuda e Achenbach (1965) desenvolveram a Equação 1 para descrever a temperatura anual do solo.
A Equação 1 servirá a este trabalho para caracterizar o solo termicamente nas profundidades de 0,2 - 0,5 - 1,0 - 1,5 - 2,0 - 2,5 - 3,0 - 4,0 - 5,0 metros. Essas profundidades foram determinadas de acordo com as profundidades que os dados experimentais estão sendo coletados.
0,5 0 8760 g 8760 2 8760 2 cos exp ) , ( T s z s m z t t A T t z s Equação 1 Sendo:
= Temperatura anual do solo (°C)
m
T = Temperatura média anual da superfície do solo (°C)
s
A = Amplitude da temperatura da superfície do solo (°C)
s
= Difusividade térmica do solo (m²/s) z= Profundidade do solo (m)
t = Tempo do inicio do ano até o período de interesse (h)
0
t = Tempo em que o solo atinge a menor temperatura anual, em horas
partindo do inicio do ano (h)
O período de interesse será determinado de acordo com o período da coleta de dados.
6.1.1 Parâmetro para caracterização térmica do solo
Os parâmetros T , m A , s t são calculados pelo software CalcSoilSurfTemp. Os 0
dados de entrada necessários para a obtenção desses parâmetros estão apresentados no item 5.5.2.2 e especificados abaixo:
O tipo de solo para o município de Sinop 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 a0,8 metros em períodos chuvosos.
A cobertura do solo pode ser considerada coberta e úmida, pois a região onde esta o tubo de caracterização térmica é coberto por grama. Após a inserção dos dados de entrada, o CalcSoilSurfTemp utiliza a seguinte metodologia de cálculo:
r ma m s a
e r fb h S R T h h 1 0,0168 1 Tm
Equação 2 Sendo: sh = Coeficiente de convecção na superfice do solo (W/m²°C);
ma
T = Temperatura média do ar (°C) ;
= Emitância esférica da superfice do solo ;R
= Constante de radiação (W/m²); = Coeficiente de absorção do solo;
m
S = Radiação solar média (W/m²);
f = Fração da taxa de evaporação;
a
r = Umidade relativa do ar;
b= Constante 609 (Pa);
Os coeficientes de convecção h ,e hr são calculados pelas equações 3 e 4 respectivamente:
af
hs 1 0,0168 he Equação 3
ar f
hs a r 10,0168 h Equação 4 Sendo: a= Constante 103/4 (Pa/°C)A amplitude da temperatura da superfice do solo é dada pela equação 5:
s e i v va r K h e S T h I s A Equação 5 Sendo: v
S = Amplitude da radiação solar (W/m²)
s
I
= Ângulo de fase entre a insolação e a temperatura (rad) vaT = Amplitude da temperatura do ar (°C)
A Equação 6 calcula o tempo em que o solo atinge sua menor temperatura em horas a partir do inicio do ano:
w
t
a
s
0 0t
Equação 6 Sendo:w= Frequência angular anual
a
t0 = Constante de fase do ar
s
= Ângulo da diferença de temperatura entre o ar e a superfície do solo (rad)
6.1.2 Validação e fator de correção
Os dados obtidos através da Equação 1 serão comparados com os dados coletados experimentalmente. Após a verificação, ambos serão plotados em um gráfico de dispersão obtendo-se o fator de correção para o solo do município de Sinop-MT.
6.2 METODOLOGIA DO SOFTWARE
ENERGYPLUS
A metodologia utilizada para simular o desempenho do sistema EAHE está descrita no manual 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.
6.2.1 Hipóteses do EnergyPlus
O escoamento dentro do tubo é considerado hidrodinâmico. Esta hipótese é adotada, pois o comprimento do tubo é bem superior ao seu 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 uniforma 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 pode ser considerada um regime estacionário;
6.2.2 Modelo matemático de transferência de calor
Após levar em consideração as hipóteses, o Energyplus parte do cálculo da resistência de cada material para obter a resistência total da transferência de calor conforme descrito pelas equações 7, 8, 9, 10 e 11:
h r Rc 1 2 1 Equação 7 2 2 1 ln 2 1 r r r k R p p Equação 8 2 1 3 2 1 ln 2 1 r r r r r k R s s Equação 9 s p c t R R R R Equação 10 t t R U 1 Equação 11 Sendo: c R = Resistência de convecção (mK/W); p
R = Resistência de condução na parede do tubo (mK/W);
s
R = Resistência da condução do solo (mK/W);
p
k = Coeficiente de condução no tubo;
s
k = Coeficiente de condução do solo;
t
R = Resistência total (mK/W);
t
U = Coeficiente global de transferência de calor (W/mK);
1
r = Raio interior do tubo (m);
2
r = Espessura da parede do tubo;
r3=Distância da superfície externa do tubo e o solo não perturbado (m);
h= Coeficiente de convecção obtido pela correlação da função do fluido com o regime de escoamento
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. De acordo com as hipóteses citadas no item 6.2.1, a equação de temperatura de saída do ar se torna uma expressão simples.
A equação 12 possui um termo intermediário, que ao ser calculado, permite a simplificação do cálculo de temperatura de saída do ar.
p f t z solo i f p f C m L U T T C m A ln , , Equação 12 Sendo:
A= Área de transferência de calor (m²);
m = Fluxo da massa de ar (kg/s); f
p
C = Calor especifico do fluido (J/kg.K);
i f
T , = Temperatura de entrada do ar no tubo (°C);
z solo
T , = Temperatura do solo à distância z (°C);
L = Comprimento do tubo ;
O termo intermediário da equação 12 pode ser calculado em diversas condições de acordo com as temperaturas, dessa maneira se torna mais fácil a obtenção da temperatura de saída do ar, conforme aTabela 2:
Tabela 2: Condições para obter a temperatura de saída do fluido
Condições Equação 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).
6.3 PARÂMETROS DE ENTRADA
No item 5.5.2.1 foram descritos todos os parâmetros necessários de entradapara o DesignBuilder. A Tabela 3 descreve os parâmetros que serão adotados para este trabalho. A obtenção dos 3 últimos parâmetros foi descrita no item 6.1.1, Todos os parâmetros serão adotados de acordo com as medições empíricas.
Tabela 3: Parâmetos adotados
Parâmetros necessários Parâmetros adotados
Volume de ar (m) O volume de o ar será ajustado de acordo com as medições empíricas
Profundidade do tubo (m) 1,5
Comprimento do tubo (m) 30
Raio (m) 0,1
Espessura (m) 0,0152
Material Aço galvanizado
PVC Condutibilidade térmica do tubo(W/m.K) 52
0,2
Tipo do solo Pesado e saturado
Temperatura média da superfície do solo (°C)
27,52
Amplitude da temperatura da superfície do solo(°C)
9,50
Constante de fase da temperatura da superfície do (horas)
3312 Fonte: Autoria Própria (2014).
6.3.1 Caracterização do Protótipo
As características do protótipo utilizado nas medições empíricas estão descritas abaixo e serão aplicadas para a modelagem no DesignBuilder. O protótipo está localizado nas dependências da Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT campus de Sinop-MT, foi executado de acordo com as diretrizes da Associação Brasileira de Normas técnicas - NBR 15575 (ABNT, 2013).
As especificações dos materiais foram retiradas do trabalho de Laco (2013), e seguem descritas abaixo:
Área: 4,00m² Pé direito: 2,70m
Janela metálica voltada para o sul- área 1,44m² Porta metálica voltada para o norte – área 1,68m²
Fundação e vigas baldrames de concreto armado Armação do telhado e pilares de estrutura metálica Forro: PVC
Cobertura: Telha metálica
Vedação: Tijolo cerâmico 8 furos – espessura 0,09m Piso concreto – espessura 0,10m
Reboco paulista – espessura 0,01 m
A planta e corte do protótipo estão contidos no anexo A.
6.4 SIMULAÇÃO E VALIDAÇÃO
Ao término da modelagem do sistema EAHE e do protótipo, será iniciada asimulação. A simulação acontecerá no período de uma semana, coincidindo com a mesma semana de medição empírica. Nas medições empíricas será utilizado um termo anemômetro de fio quente para obter a temperatura de saída do ar do tubo.
Para a simulação ser a mais fidedigna possível, os dados meteorológicos do arquivo climático em formato EPW serão alterados para os dados climáticos da semana de medição. A obtenção dos dados climáticos dessa semana ocorrera por meio da estação meteorológica da marca Davis e modelo Vantage Pro2 situada dentro das dependências da UNEMAT.
Com a simulação, será obtidos os valores da temperatura de saída do ar do tubo e a temperatura ambiente do protótipo. A validação ocorrerá por meio de comparação entre os dados obtidos na simulação com os dados obtidos empiricamente.
7 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
2015
JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ
Revisão bibliográfica Caracterização térmica da temperatura da terra Obtenção dos parâmetros de caracterização térmica do solo Validação e confecção do fato de correção Modelagem do protótipo e do sistema EAHE Modificação do arquivo EPW Simulação
Analise dos resultados Elaboração e revisão do artigo
Apresentação do artigo
8 REFERENCIAL BIBLIOGÁFICO
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