Definição de um sistema de controlo e automação para otimização do desempenho térmico da parede de trombe

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Definição de um Sistema de Controlo e Automação para Otimização

do Desempenho Térmico da Parede de Trombe

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

Luís Paulo de Sousa Fernandes

Orientador: Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá

Coorientador: Professora Doutora Anabela Gonçalves Correia de Paiva

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

Definição de um Sistema de Controlo e Automação para Otimização

do Desempenho Térmico da Parede de Trombe

Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil

Luís Paulo de Sousa Fernandes

Orientador: Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá

Coorientador: Professora Doutora Anabela Gonçalves Correia de Paiva

Composição do Júri:

Professor Doutor Nuno Miguel Cordeiro Cristelo, Professor Auxiliar da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

Professor Doutor Dinis Miguel Campos Leitão, Professor Auxiliar da Escola de Engenharia da Universidade do Minho.

Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá, Professora Auxiliar da Escola de Ciências e Tecnologia da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

Dissertação submetida à Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil, realizada sob orientação científica da Professora Doutora Ana Cristina Briga de Sá e da Professora Doutora Anabela Gonçalves Correia de Paiva, docentes do Departamento de Engenharias, da Escola de Ciências e Tecnologia, da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro.

ÍNDICE GERAL

ÍNDICE DE TABELAS ... xiii

AGRADECIMENTOS

A realização desta dissertação contou com o contributo direto ou indireto de pessoas que de alguma forma, permitiram atingir os objetivos propostos para a realização deste trabalho. Assim, quero expressar os meus sinceros agradecimentos a todas essas pessoas, em particular:

À Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, mais especificamente à escola de Ciências e Tecnologia, por todo o apoio e meios colocados à disposição para a realização deste trabalho.

À Professora Doutora Ana Sá, orientadora de dissertação, e à Professora Doutora Anabela Paiva, coorientadora da dissertação, por todo o apoio concedido, pela capacidade de transmissão de conhecimentos e pelas críticas construtivas que permitiram levar este projeto a bom porto.

Ao Professor Doutor José Boaventura e ao Professor Doutor António Valente, pela disponibilidade e partilha de conhecimentos que foram extremamente úteis na programação e monotorização da célula de teste.

Ao Emanuel Pontes pela ajuda técnica prestada, também expresso os meus agradecimentos.

À minha família por todo o esforço, apoio e confiança que depositaram em mim, por nunca duvidarem das minhas capacidades que me permitiu ter força para conseguir levar este projeto até ao fim.

Ao meu irmão Ivo por toda a ajuda e paciência que teve comigo ao longo desta caminhada. Contarás sempre comigo!

RESUMO

O conforto térmico dos edifícios é usualmente obtido através de equipamentos de climatização consumidores de energia. A implementação de alternativas de climatização passiva poderá contribuir significativamente para a melhoria da eficiência energética nos edifícios. A parede de Trombe é um exemplo de um sistema solar passivo, habitualmente usado como sistema de aquecimento que também poderá ser potenciado na estação de arrefecimento. A automação e o controlo do funcionamento da parede de Trombe poderá ser uma solução para melhorar o seu desempenho, incentivando o uso deste sistema solar passivo nos edifícios. Este trabalho tem como principal objetivo definir um sistema de controlo e automação dos sistemas de ventilação e sombreamento/oclusão da parede de Trombe que permita o seu funcionamento sem intervenção do utilizador, bem como otimizar o seu desempenho térmico.

Foi efetuado um estudo da influência das condições externas (temperatura e radiação solar), sistema de ventilação e dos dispositivos de sombreamento na flutuação das temperaturas ao longo das diferentes camadas de uma parede de Trombe situada no campus da Universidade Trás-os-Montes e Alto Douro. Definiu-se e testou-se um mecanismo de abertura/fecho das aberturas e da persiana, bem como da placa de controlo para diferentes cenários: controlo simultâneo do sistema de sombreamento e ventilação através da variável RS (Radiação Solar), controlo individual do sistema de ventilação através da variável diferença de temperatura entre o interior e a caixa-de-ar e do sistema de sombreamento através da variável RS.

A implementação do sistema de controlo automatizado na parede de Trombe permitiu abrir/fechar o sistema de ventilação e sombreamento sem a intervenção do utilizador. No período de aquecimento, o funcionamento individualizado do sistema de ventilação e de sombreamento mostrou uma maior facilidade de modulação e otimização da temperatura de conforto no interior do compartimento, quando comparado com o controlo simultâneo de ambos sistemas. No período de arrefecimento, o controlo simultâneo do sistema de ventilação e sombreamento revelou-se significativamente eficaz.

Assim, o sistema definido revelou-se eficaz na execução dos algoritmos implementados pelo utilizador, sem a intervenção do mesmo durante o período de testes, permitindo a otimização do funcionamento e desempenho térmico da parede de Trombe.

PLAVRAS-CHAVE:

ABSTRACT

The thermal comfort of buildings is usually obtained through energy-consuming HVAC equipment. The implementation of passive alternatives could contribute significantly to improve energy efficiency in buildings. The Trombe wall is an example of a passive solar system, usually used as a heating system that can also be used in the cooling season. Automation and control of Trombe wall operation can be a solution to optimize its performance, encouraging the use of this passive solar system in buildings.

In this work, a Trombe wall performance control and automation system was defined and optimized allowing its operation without the intervention of the user.

The main objective of the work developed is to study the influence of external conditions (temperature and solar radiation), ventilation system and shading devices in the fluctuation of temperatures along the different layers of a Trombe wall located on the campus of Trás-os-Montes and Alto Douro University. A mechanism for opening / closing the air vents and the external shutter, as well as the control board for different scenarios, was defined and tested. Simultaneous control of the shading and ventilation systems using the variable RS (Solar Radiation) and individual control of the system of ventilation using the variable difference between the interior temperature and air layer temperature and the shading system using the RS variable were the scenarios considered.

The implementation of the automated control system on the wall of Trombe allowed to open / close the ventilation and the shading systems without the user´s intervention. In the heating season period, the individualized operation of the ventilation and shading system showed an easy modulation and optimization of the comfort temperature inside the test cell, compared to the simultaneous control of both systems. In the cooling period, simultaneous monitoring of the ventilation and shading system proved to be significantly effective.

Thus, the defined system proved to be effective in implementing the algorithms without the intervention of the user during the test period, allowing the optimization of the Trombe wall thermal performance.

KEYWORDS:

ÍNDICE

2.2 Caracterização construtiva e funcionamento ... 9

2.3 Influência do sistema de ventilação ... 13

2.4 Influência de elementos de sombreamento/obstrução ... 17

2.5 Considerações finais ... 20

3. Análise da flutuação das temepraturas na parede de Trombe ... 22

3.1 Introdução ... 22

3.2 Caracterização do dispositivo experimental ... 23

3.3 Flutuação das temperaturas ... 25

3.3.1 Parede de Trombe não ventilada (PTNV) ... 26

3.3.2 Parede de Trombe ventilada (PTV) ... 37

3.3.3 Parede de Trombe não ventilada com sombreamento (PTNVS) ... 46

3.4 Considerações finais ... 50

4. Sistema de controlo e automação ... 54

4.1 Introdução ... 54

4.2 Caracterização do sistema autónomo ... 54

4.2.1 Mecanismo de funcionamento das aberturas de ventilação ... 55

4.2.2 Sensores de temperatura e radiação solar ... 58

4.3 Algoritmo de funcionamento do sistema ... 62

4.4 Considerações finais ... 64

5. Análise dos resultados e otimização do sistema de controlo ... 68

5.1 Introdução ... 68

5.2 Estação de aquecimento ... 68

5.2.1 Cenário 1 – Variável RS ... 69

5.2.2 Cenário 2 – Variável RS e (Tcam-Ti) (1ª iteração) ... 76

5.2.3 Cenário 3 – Variável RS e (Tcam-Ti) (2ª iteração) ... 83

5.3 Estação de arrefecimento ... 89

5.4 Considerações finais ... 94

6. Conclusões e trabalho futuro ... 98

6.1 Conclusões ... 98

6.2 Trabalho futuro ... 100

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 - Representação da constituição da parede de Trombe; a) Parede de Trombe não ventilada (PTNV); b) Parede de Trombe clássica (PTV); c) Parede de Trombe duplamente

ventilada (PTDV). ... 10

Figura 2 - Parede de Trombe: a) Betão [6]; b) Tijolo maciço [7]. ... 11

Figura 3 - Habitação com parede de Trombe, cuja superfície da parede acumuladora apresenta cor escura [8] ... 12

Figura 4 - Parede de Trombe com caixa-de-ar de diferentes espessuras ( a) mais espessa; b) menos espessa) [11] ... 13

Figura 5 - Células de teste: a) Vista exterior; b) Esquema das abertura de ventilação. [17] ... 14

Figura 6 - Cenários de ventilação na parede de Trombe analisados por Fonte [13]. ... 17

Figura 7 - Vista sul da célula de teste. [12] ... 17

Figura 8 - Sombreamento utilizado por Briga Sá [5]. ... 18

Figura 9 - Sombreamento horizontal com placas XPS: vista a) e b); Sombreamento vertical: vista c) e d) [21]. ... 19

Figura 10 - Sombreamento exterior com vegetação [20]. ... 19

Figura 11 - Pormenor esquemático da colocação dos sensores de temperatura. ... 22

Figura 12 - Dispositivo experimental: a) célula de teste; b) Parede de Trombe [5]. ... 24

Figura 13 - Isolamento térmico interior do contentor. ... 24

Figura 14 - Sombreamentos exteriores utilizados na parede de Trombe: a) Placas de XPS; b) Persiana exterior com corte térmico. ... 25

Figura 15 - Obturadores fixados manualmente com tinta magnética e íman [6]. ... 55

Figura 16 - Mecanismo de fecho das aberturas de ventilação: a) Eixos coincidentes; b) Eixos distintos. ... 56

Figura 17 - Características do Servo "Futaba S3003" [19]. ... 56

Figura 18 - Mecanismo de automação do sistema de ventilação. a) Obturadores fechados; b) Obturadores abertos; c) Pormenor A: vista pormenor do sistema de rotação a 0º; d) Pormenor B: vista pormenor do sistema de rotação dos obturadores a 90º. ... 57

Figura 19 - Imagem de um sensor DHT 21 [18]. ... 58

Figura 20 - Visualização do posicionamento do sensor de temperatura. a) 1- sensor de temperatura exterior, 4 e 5 – sensores de temperatura na caixa-de-ar ligados ao Data Logger; b) 2 e 3 sensores de temperatura na caixa-de-ar ligados ao DHT 21. ... 59

Figura 22 - a) Caixa de controlo com LCD; b) Vista total do interior da caixa de controlo com leitor de cartão (1) e com relógio exterior(2); c) Placa de multiplicação de ligações inserida na parte superior da palca SainSmart(3). ... 62 Figura 23 - Linguagem de programação para aplicação dos parâmetros definidos na Tabela 1. ... 64

ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (22 Set - 26 Set 2011). ... 27 Gráfico 2 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas, para PTNV (22 Set - 26 Set 2011). ... 29 Gráfico 3 - Relação da Radiação Solar (RS) com a temperatura interior (Ti) e temperatura média na caixa-de-ar (Tcam) (22 Set a 26 Set 2011). ... 32 Gráfico 4 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (27 Set - 1 Out de 2011). ... 34 Gráfico 5 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas, para PTNV (27 Set - 1 Out 2011). ... 35 Gráfico 6 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTV (19 Ago - 23 Ago 2011). ... 38 Gráfico 7 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas para PTV (19 Ago - 23 Ago 2011). ... 39 Gráfico 8 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para PTV (5 Set - 9 Set 2011). ... 41 Gráfico 9 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTV (5 Set - 9 Set 2011). ... 43 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). ... 45 Gráfico 11 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNVS (8 Out -17 Out de 2011). ... 46 Gráfico 12 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas, para PTNVS (8 Out - 17 Out de 2011). ... 48 Gráfico 13 - Relação da radiação solar (RS) com a temperatura interior (Ti) e temperatura média na caixa-de-ar (Tcam) (8 Out, 12 Out, 13 Out e 16 de Out de 2011). ... 49 Gráfico 14 - Temperatura média na caixa-de-ar (Tcam) registadas pela placa Sainsmart e pelo datalogger. ... 60 Gráfico 15 - Variação da radiação solar (RS) e registo do funcionamento do sistema (17 Março a 6 Abril de 2016). ... 70

Gráfico 16 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) (24 a 28 Março de 2016). ... 71 Gráfico 17 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas assinaladas na Figura 1 (24 a 28 Março de 2016). ... 74 Gráfico 18 - Variação da radiação solar (RS) e registo do funcionamento do sistema (18 a 23 Maio de 2016). ... 77 Gráfico 19 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (18 a 23 Maio de 2016). ... 78 Gráfico 20 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas assinaladas na Figura 1 (18 a 23 Maio de 2016). ... 82 Gráfico 21 - Variação da radiação solar (RS) e registo do funcionamento do sistema (25 Maio a 14 Junho de 2016). ... 84 Gráfico 22 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (2 a 6 Junho de 2016). ... 85 Gráfico 23 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas assinaladas na Figura 1 (2 a 6 Junho de 2016). ... 88 Gráfico 24 - Variação da radiação solar (RS) e registo do funcionamento do sistema (22 Junho a 24 Julho de 2016). ... 90 Gráfico 25 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (6 a 10 Junho de 2016). ... 91 Gráfico 26 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas assinaladas na Figura 1 (6 a 10 Junho de 2016). ... 93

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1- Parâmetros definidos para a programação da segunda fase do sistema de automação. ... 63 Tabela 2 - Parâmetros definidos para programação do sistema de automação em todos os períodos analisados. ... 68 Tabela 3 - Parâmetros definidos para a programação da 1ª simulação do sistema de automação. ... 69 Tabela 4 - Registo da abertura/fecho do sistema de controlo e dos valores de Te, Ti e RS no período de 24 a 28 de Março. ... 72 Tabela 5 - Valores percentuais do decréscimo da Ti no período de 24 a 28 de Março. ... 73 Tabela 6 - Valores percentuais do decréscimo da Te no período de 24 a 28 de Março ... 73 Tabela 7 - Parâmetros definidos para a programação da 2ª simulação do sistema de automação. ... 77 Tabela 8 - Registo da abertura/fecho do sistema de controlo e dos valores de Te, Ti e RS no período de 18 a 23 de Maio. ... 79 Tabela 9 - Valores percentuais do decréscimo da Ti no período de 18 a 23 de Maio. ... 80 Tabela 10 - Valores percentuais do decréscimo da Te no período de 18 a 23 de Maio ... 80 Tabela 11 - Parâmetros definidos para a programação da 2ª simulação (2ªiteração) do sistema de automação. ... 84 Tabela 12 - Registo da abertura/fecho do sistema de controlo e dos valores de Te, Ti e RS no período de 2 a 6 de Junho. ... 85 Tabela 13 - Valores percentuais do decréscimo da Ti no período de 2 a 6 de Junho. ... 86 Tabela 14 - Valores percentuais do decréscimo da Te no período de 2 a 6 de Junho. ... 87 Tabela 15 -Parâmetros definidos para a programação de Verão do sistema de automação. ... 90 Tabela 16 - Registo da abertura/fecho do sistema de controlo e dos valores de Te, Ti e RS no período de 6 a 10 de Julho. ... 91 Tabela 17 -Valores percentuais do decréscimo da Ti no período de 6 a 10 de Julho. ... 92 Tabela 18 - Valores percentuais do decréscimo da Te no período de 6 a 10 de Julho. ... 92

NOMENCLATURA

Símbolo Designação Unidades

PTV Parede Trombe ventilada -

PTNV Parede Trombe não ventilada -

PTNVS Parede Trombe não ventilada sombreada -

RS Radiação Solar W/m2

Ti Temperatura interior ºC

Te Temperatura exterior ºC

Tcam Temperatura média caixa-de-ar ºC

Tsupe Temperatura superficial exterior ºC

Tip Temperatura interior parede ºC

Tsupi Temperatura superficial interior ºC

Capítulo 1

1. INTRODUÇÃO

Numa era pautada pela aceleração do aquecimento global a eficiência energética apresenta-se como um vetor estratégico para a sustentabilidade [1].

O consumo de energia e dos recursos naturais tem vindo a aumentar com o desenvolvimento e crescimento da sociedade. A procura de um nível de conforto cada vez mais elevado nos edifícios conduz à procura intensiva de novas tecnologias, o que se reflete no consumo energético.

Na Europa, os edifícios são responsáveis por cerca de 40% do consumo total de energia e 36% das emissões de CO2 e as previsões apontam para um aumento do consumo de energia neste sector [2]. O uso eficiente da energia e a utilização de fontes de energia renováveis nos edifícios são soluções chave para enfrentar o problema, que dependem também do envolvimento direto e ativo dos consumidores [3].

O conforto térmico exigido atualmente nos edifícios por parte dos utilizadores é, usualmente, obtido através da utilização de equipamentos de climatização consumidores de energia. O recurso a soluções alternativas de climatização passiva, que devem ser pensadas e implementadas logo na fase de projeto dos edifícios, podem contribuir significativamente para a melhoria da eficiência energética nos edifícios.

O recurso a sistemas solares passivos poderá ser uma solução eficiente na redução do consumo de energia nas estações de aquecimento e arrefecimento.

A parede de Trombe é um exemplo de um sistema solar passivo [4], habitualmente usado como sistema de aquecimento podendo, no entanto, ser potenciada a sua utilização na estação de arrefecimento. Uma parede de Trombe clássica é constituída por uma parede acumuladora composta por materiais com elevada capacidade de armazenamento de calor, uma caixa-de-ar e um vidro no exterior que permite a acumulação de calor decorrente do efeito de estufa criado entre estas duas camadas. A parede acumuladora possui aberturas de ventilação que permitem a adição de transferência de calor por convecção do ar através das mesmas. Caso estejam também previstas aberturas no envidraçado, o funcionamento do sistema poderá ser melhorado durante a estação de arrefecimento. É ainda necessário prever dispositivos de sombreamento no sentido de evitar as situações de sobreaquecimento no verão e as perdas de calor no inverno.

Em Portugal, verifica-se que os diferentes intervenientes do sector da construção ainda desconhecem ou possuem pouca informação acerca das suas características e do seu funcionamento.

É importante ainda referir que o utilizador final representa um papel fundamental na otimização do desempenho do sistema, uma vez que é necessário ajustar o funcionamento das aberturas e do sistema de sombreamento às condições de conforto desejadas no interior do edifício e às condições climáticas.

Este facto poderá ser impeditivo da implementação deste tipo de soluções construtivas, pelo que, para evitar que o funcionamento esteja dependente do utilizador, a automação e o controlo do funcionamento da parede de Trombe poderá ser uma solução, podendo, para além disso, contribuir para a otimização do seu desempenho térmico. Para definir um sistema de automação e controlo é essencial o conhecimento do comportamento deste sistema passivo sob condições climáticas reais. A análise das diferentes variáveis influenciadoras é preponderante neste estudo.

O estudo de um sistema deste tipo poderá ser uma contribuição válida para o trabalho de investigação já desenvolvido nesta área, para além de incentivar a sua integração nos edifícios.

1.2 Objetivos

Pretende-se com este trabalho definir um sistema de controlo e automação dos sistemas de ventilação e sombreamento/oclusão da parede de Trombe que permita o seu funcionamento sem intervenção do utilizador, bem como otimizar o desempenho térmico deste sistema solar passivo.

1.3 Metodologia

De modo a atingir os objetivos propostos neste trabalho adotou-se a seguinte metodologia: • Revisão bibliográfica no domínio das paredes de Trombe, no que respeita à sua

constituição e funcionamento;

• Análise de dados provenientes de estudos experimentais, efetuados anteriormente [5] para uma parede de Trombe situada no campus da Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro e sujeita a condições climáticas reais. Esta análise inclui a avaliação da influência

dispositivos de sombreamento na flutuação das temperaturas ao longo das diferentes camadas da parede;

• Estudo experimental do mecanismo dos obturadores para permitir a abertura/fecho das aberturas de ventilação da parede de Trombe, bem como os materiais e placas de controlo para efetuar o controlo dos obturadores e da persiana exterior;

• Definição de diferentes cenários de funcionamento do sistema de automação e controlo do desempenho da parede de Trombe, com vista à sua otimização;

• Análise e discussão dos resultados obtidos.

1.4 Organização do trabalho

Além deste Capítulo, o presente trabalho está organizado em mais 4 capítulos.

No segundo Capítulo, será efetuada uma breve descrição da constituição e do funcionamento da Parede de Trombe, bem como dos diferentes trabalhos já desenvolvidos neste âmbito.

No terceiro Capítulo, será efetuada uma análise da influência das condições externas para a posterior definição dos parâmetros a usar no sistema de automação e controlo.

No Capítulo 4, será definido um mecanismo para a abertura/fecho automático dos obturadores do sistema de ventilação, bem como a elaboração de um algoritmo que permita recolher a informação disponibilizada por sensores de temperatura e em seguida executar as ordens pretendidas de modo a otimizar o comportamento térmico da parede de Trombe, sem a intervenção do utilizador.

No Capítulo 5, serão definidos diferentes cenários para teste e otimização do controlo do sistema de sombreamento e de ventilação, sendo posteriormente efetuada uma análise dos resultados obtidos.

Por fim, no Capítulo 6, serão apresentadas as principais conclusões deste trabalho bem como propostas para trabalho futuro.

Capítulo 2

Parede de Trombe

2. PAREDE DE TROMBE

O conceito de parede de Trombe tem sido motivo de estudo por vários autores como uma alternativa para o contributo do aquecimento de espaços interiores, contribuindo assim para a redução da dependência no uso de energia proveniente de combustíveis fósseis. Este tipo de aquecimento solar passivo vem fortalecer a ideia de que, nos dias de hoje, se pode obter conforto no interior dos edifícios recorrendo ao uso de energias renováveis, neste caso, a energia solar.

No sentido de analisar e melhorar o desempenho térmico da parede de Trombe, diferentes estudos têm sido realizados ao longo do tempo no sentido de introduzir diferentes materiais e espessuras das diferentes camadas que constituem o sistema. O uso de materiais com elevada capacidade de absorção na parede acumuladora, a implementação de ventilação simultaneamente no envidraçado e na parede acumuladora e a evolução do vidro simples para o vidro duplo foram algumas das modificações introduzidas na constituição da parede de Trombe.

Pretende-se com este Capítulo efetuar uma descrição da constituição e funcionamento da parede de Trombe. Será também efetuada uma descrição dos trabalhos que têm sido desenvolvidos nesta área, com especial ênfase nos que se referem ao estudo da influência do sistema de ventilação e dos sombreamentos/elementos de obstrução.

2.2 Caracterização construtiva e funcionamento

O conceito de parede de Trombe foi patenteado por Morse em 1811 e desenvolvido e popularizado em 1957 por Félix Trombe e Jacques Michel que construíram em 1967 em Odeillo, França, a primeira habitação com a integração de uma parede de Trombe clássica [4]. A parede de Trombe clássica, também designada por parede de Trombe ventilada (PTV), é constituída por uma parede maciça, parede acumuladora, composta por materiais com elevada capacidade de armazenamento de calor. Na parede acumuladora existem aberturas de ventilação superiores e inferiores que possibilitam a circulação de ar entre a caixa-de-ar e o interior do compartimento, podendo a circulação de ar ser ajustada através da regulação dos obturadores aí colocados nas aberturas. No exterior, é colocado um envidraçado, criando uma caixa-de-ar entre este e a parede acumuladora. Existe ainda a possibilidade de a parede

acumuladora não ser dotada de sistema de ventilação, parede de Trombe não ventilada (PTNV), o que torna o funcionamento do sistema menos eficiente, uma vez que não existe a possibilidade de transferência de calor por convecção do ar através das aberturas, o que conduz a um maior atraso na devolução de calor para o interior do compartimento.

Além destes dois tipos de parede de Trombe, parede de Trombe clássica e não ventilada, existe ainda a parede de Trombe com aberturas de ventilação no envidraçado e na parede acumuladora, também designada por duplamente ventilada (PTDV).

Na Figura 1 é possível observar o esquema representativo dos três tipos de paredes de Trombe e os seus elementos constituintes.

Figura 1 - Representação da constituição da parede de Trombe; a) Parede de Trombe não ventilada (PTNV); b) Parede de Trombe clássica (PTV); c) Parede de Trombe duplamente ventilada (PTDV).

A inércia térmica da parede acumuladora é um fator muito importante para o sucesso deste tipo de sistemas passivos. É definida pela capacidade que determinado material tem em

a) b)

absorver e armazenar a energia, sendo que, quanto mais pesado e maciço for o material, maior será a sua inércia térmica.

Materiais como o betão, o tijolo maciço e a pedra, Figura 2, têm elevada capacidade de armazenamento de calor, uma moderada condutibilidade térmica e emissividade elevada que permite absorver maior quantidade de calor comparativamente a que é refletida [5]. No entanto, a escolha do material por si só não é o suficiente, sendo necessário dimensionar a espessura do mesmo, dado que a inércia do elemento também se altera com a variação da sua massa específica.

A textura e a cor da superfície exterior da parede acumuladora são características que influenciam diretamente a capacidade de absorção. As cores escuras são caracterizadas por absorver mais radiação do que a que refletem. Por outro lado, as cores claras são responsáveis por refletir mais radiação do que a que absorvem. Assim sendo, quanto mais escura for a superfície exterior da parede maciça (Figura 3), maior será a sua absorção, o que levará a um aumento do fluxo de calor para interior do edifício [5].

Figura 2 - Parede de Trombe: a) Betão [6]; b) Tijolo maciço [7].

Às características como o tipo de material, a espessura da parede, a cor da superfície de absorção junta-se a possibilidade de a parede possuir aberturas/aberturas de ventilação, cujo posicionamento e a dimensão são também características influenciadoras do desempenho do sistema.

O vidro tem a capacidade de absorver, transmitir e refletir a radiação incidente. Este sistema de aquecimento passivo é totalmente dependente da incidência da radiação solar no envidraçado e, portanto, a espessura do vidro tem influência direta no seu aquecimento. O envidraçado é responsável pela criação de um efeito de estufa na caixa-de-ar, o que levará ao aumento significativo das temperaturas no seu interior e que irá permitir aquecer o compartimento através da passagem de ar quente por convecção através das aberturas.

A influência do tipo de envidraçado usado do sistema solar passivo como a parede de Trombe, foi estudado por Koyunbaba e Yilma [9], no Laboratório de Transferência de Calor no Instituto de Energia Solar, localizado em Izmir, Turquia. Usando a parede de Trombe voltada para Sul, onde a incidência de radiação solar é mais intensa, concluíram que o uso de vidro duplo permite um isolamento superior durante a noite comparado com o vidro simples, mas durante o dia, o vidro simples permite uma incidência superior de radiação solar na parede acumuladora, conduzindo ao aumento da transmissão de calor. Assim, concluíram que irá haver ganhos térmicos mais elevados no Inverno usando apenas um envidraçado simples e com os obturadores fechados durante o período noturno.

O desempenho térmico da parede de Trombe está dependente das dimensões da parede acumuladora, das dimensões do envidraçado e também das dimensões da caixa-de-ar. A espessura e altura da caixa-de-ar tem influência direta nas temperaturas atingidas no espaço de

Figura 3 - Habitação com parede de Trombe, cuja superfície da parede acumuladora apresenta cor escura [8]

parede acumuladora armazenar calor que será libertado gradualmente para o interior do compartimento. A variação da espessura da caixa-de-ar influencia a transmissão de calor para o interior do compartimento, quer por condução da parede de massa elevada, quer por convecção através das aberturas existentes na parede acumuladora [5]. Na Figura 4 estão representados dois exemplos de paredes de Trombe com espessuras diferentes de caixa-de-ar.

Por exemplo, se a caixa-de-ar for mais espessa, em princípio, no período de aquecimento o sistema terá um bom desempenho. No entanto, no período de arrefecimento fará com que a energia nela existente tenha dificuldade em se dissipar para o exterior, fazendo assim com que a temperatura de conforto no compartimento não se consiga obter.

Todas as camadas constituintes da parede de Trombe devem ser dimensionadas de acordo com o uso do edifício e o clima em que este está inserido. O dimensionamento incorreto pode fazer com que o funcionamento da parede de Trombe tenha uma contribuição contrária ao pretendido.

2.3 Influência do sistema de ventilação

Em paredes de Trombe ventiladas e duplamente ventiladas, as aberturas são um mecanismo importante de controlo, podendo contribuir para o aquecimento e arrefecimento dos edifícios. Balcomb e McFarland [16] estudaram o desempenho de paredes de Trombe ventiladas e não

Figura 4 - Parede de Trombe com caixa-de-ar de diferentes espessuras ( a) mais espessa; b) menos espessa) [11]

ventiladas em nove climas diferentes dos Estados Unidos. O mesmo estudo desenvolvido por Balcom e McFarland [16] revelou que a utilização de aberturas controladas não influencia significativamente o desempenho das paredes Trombe para climas amenos. Contudo, chegaram à conclusão que, em climas gravosos, tais como o clima de Boston, a parede de Trombe ventilada é de 10% a 20% mais eficiente. Também com recurso a termóstatos controlaram as temperaturas, para que quando as temperaturas no interior fossem superiores a 24 ºC as aberturas de ventilação estivessem fechadas, controlando assim o sobreaquecimento.

Saadatian et al. [15] efetuaram uma revisão de estudos sobre paredes de Trombe e concluíram que existem três constituintes das paredes de Trombe que têm efeitos significativos na eficiência das mesmas: aberturas, ventilação e sombreamentos. A instalação de uma ventoinha no sistema de ventilação da parede de Trombe pode aumentar a eficiência de ventilação até 8%. No entanto, concluíram também que outros fatores como tamanho, espessura, cor, materiais e as características no envidraçado contribuem para a eficiência da parede Trombe. O tamanho ideal da parede de Trombe corresponde a 37% de rácio entre a área da parede de trombe e as restantes paredes do compartimento.

Kruger et al. [17] construíram duas células de testes com duas paredes de Trombe para estudar o seu comportamento quando aplicadas em climas subtropicais. Numa das células de teste, a parede de Trombe encontrava-se orientada para Sul e noutra célula de teste a parede de Trombe encontrava-se orientada para Norte, Figura 5. Ambas apresentavam o mesmo volume (5,25m3_{), e possuíam duas aberturas de ventilação na parede acumuladora com 0,90x0,20m e} duas no envidraçado com 1,40x0,15m2_.

Figura 5 - Células de teste: a) Vista exterior; b) Esquema das abertura de ventilação. [17]

Os testes foram realizados no período de Verão com quatro modos de funcionamento das aberturas de ventilação e três modos no período de Inverno. Concluíram que, para o clima subtropical analisado o sistema comportou-se razoavelmente bem no Verão, não havendo necessidade de usar dispositivos de sombreamentos. Dado que o clima de Inverno é ameno, características como o isolamento das restantes paredes da célula de teste e da superfície interior da parede acumuladora parecem não ter afetado o desempenho do sistema solar passivo.

Stazi et al. [15], estudaram o comportamento da parede de Trombe num clima mediterrânico no período de Verão. No estudo experimental, monotonizaram duas paredes de Trombe em simultâneo de modo a comparar o comportamento térmico de ambas as paredes sujeitas a diferentes modos de sombreamentos e ventilação. O estudo foi efetuado em Ancona, Itália, num edifício residencial de 1963, construído como protótipo de testes para análise de vários sistemas solares passivos. O edifício possuí 3 andares divididos em nove apartamentos, que possuem diferentes sistemas solares passivos na fachada orientada no sentido Este-Oeste, de forma a maximizar os ganhos solares. A parede de Trombe é constituída por uma parede acumuladora de betão com espessura de 0,40m, caixa-de-ar entre o envidraçado exterior e a parede acumuladora com espessura de 0,10 m e possui uma persiana exterior em PVC. Os resultados obtidos no estudo experimental mostraram que o sombreamento com persiana reduz a temperatura da superfície interna da parede em 1,4ºC e permite uma redução dos ganhos de energia no interior de 0,5MJ/m2_{. Analisando o funcionamento da parede de Trombe em} condições reais, concluiu-se que a presença de ocupantes na habitação aumenta a temperatura do ar no interior, o que leva ao aumento da transferência de calor por convecção do ar entre a caixa-de-ar e o interior da habitação. O uso combinado de saliências e persianas e ventilação cruzada permitiu obter o melhor desempenho relativamente à redução da energia necessária para arrefecimento (72,9%) comparado com a parede de Trombe sem ventilação e sem proteções solares.

Yanfeng Liu et al. [14] efetuaram uma análise numérica e experimental da influência dos obturares e das características da parede acumuladora de uma parede de Trombe. A célula de testes que usaram estava situada na província de QingHai, China, com a parede de Trombe instalada na face voltada para sul onde o período solar diário é de 10 – 11h. A parede de Trombe em estudo possuí três aberturas de ventilação na parte inferior e duas na parte superior da parede acumuladora. As aberturas de ventilação encontravam-se abertos das 08:00h até às 19:00h durante o período de testes. Os resultados obtidos demonstraram que, para se tirar proveito máximo do uso de uma parede de Trombe, apenas de devem abrir os obturadores 2-3h depois

do nascer do sol e fechar 1h antes de pôr do Sol. Concluíram também que a parede apresenta um melhor comportamento quando os obturadores estão abertos do que quando estão fechados e que, por volta das 7:30h, o armazenamento de energia da parede acumuladora atinge valores mínimos e às 16:00 os valores máximos.

Em Portugal, Briga Sá [5], desenvolveu um trabalho de investigação para analisar o comportamento da parede de Trombe clássica durante um período da estação de arrefecimento, permitindo concluir que o fecho do sistema de ventilação e a colocação dos dispositivos de sombreamento são fundamentais durante o dia. Durante a noite de Verão, a parede de Trombe deve ser ventilada e os dispositivos de ventilação abertos para permitir a circulação do ar quente entre a caixa-de-ar e o interior da célula de teste, levando à redução das temperaturas no interior do compartimento [5]. Neste estudo concluiu-se também que, na estação de arrefecimento, o sistema deve permanecer aberto durante o dia para permitir a circulação de ar quente e deve ser fechado durante a noite para impedir a inversão do fluxo de ar quente do interior para o exterior. Apesar de com o sistema de parede de Trombe não ventilada se conseguir obter temperaturas interiores a rondar os 18ºC de temperatura de conforto, para o clima Português os resultados obtidos permitem confirmar que a ventilada é mais eficaz [5].

Usando a mesma parede de Trombe definida por Briga de Sá [5], Fonte [13] estudou a influência do sistema de ventilação no desempenho térmico da parede de Trombe e constatou que qualquer alteração no sistema de ventilação tem influência direta no desempenho da parede de Trombe. O seu estudo concentrou-se na influência da alteração da área e da posição das aberturas, alterando o posicionamento dos obturadores, Figura 6, na variação da temperatura no interior da célula de teste. A conclusão da análise foi que no período noturno os obturadores deveriam encontrar-se fechados e durante o período diurno a abertura dos mesmos dependeria do uso dado ao edifício onde a parede de Trombe esteja inserida.

Figura 6 - Cenários de ventilação na parede de Trombe analisados por Fonte [13].

2.4 Influência de elementos de sombreamento/obstrução

B. Chen et al. [12], realizaram um estudo numa casa solar passiva em Dalian, China, para analisar o comportamento térmico da parede de Trombe com um sistema de sombreamento posicionado na caixa-de-ar durante o período de Inverno de 12 a 16 de Fevereiro de 2004.

A célula de teste onde decorreu a experiência tinha 3.9 x 3.9 x 2.7 m3, a parede acumuladora era constituída por betão com 0.30 m de espessura e possuía duas aberturas na parte superior e na parte inferior da parede com as dimensões 0.17 x 0.15 m. Na Figura 7 pode ser observado o exterior da célula de teste.

Figura 7 - Vista sul da célula de teste. [12]

Ganhos diretos Parede de Trombe com sombreamento Parede de Trombe sem sombreamento

Para estudar o efeito da obstrução do envidraçado no comportamento térmico da parede de Trombe, comparam os resultados entre uma parede de Trombe sem proteção e outra onde a proteção era ativa durante a noite e quando o clima era caracterizado por nebulosidade e chuva. Concluíram através dos dados experimentais que o sombreamento desempenha um papel significativo na otimização deste tipo de sistema solar passivo, diminuindo as perdas de calor por convecção da caixa-de-ar e diminuindo a transferência de radiação da parede de Trombe para o exterior. O estudo ditou que a proteção pode reduzir as perdas de calor na caixa-de-ar entre 20-40% e que reduzir a perda de calor por convecção é fundamental para melhorar o desempenho térmico da parede de Trombe.

Saadatian et al. [15] constataram também que as paredes de Trombe constituídas por 30-40 cm de betão têm um comportamento positivo em várias localizações geográficas e que a existência de um sombreamento, para além de aumentar a eficiência do sistema solar passivo até 56%, também contribuí para a redução da espessura da parede acumuladora.

Briga de Sá [5], analisou o impacto da colocação de um dispositivo de sombreamento exterior, simulado pela colocação de placas de XPS com 3 cm de espessura, Figura 8, durante o dia e durante a noite. Constatou que, nos dias onde existiu a ativação do dispositivo de sombreamento em simultâneo com as aberturas de ventilação fechadas, registaram-se os menores valores da temperatura no interior da célula de teste. Nos dias em que o sistema de sombreamento não esteve em funcionamento, ocorreram os maiores valores da temperatura no interior do compartimento. Durante a noite, a utilização do dispositivo de sombreamento reduz a transferência de calor entre a caixa-de-ar e o exterior.

Alves [21] estudou a aplicação de vários tipos de sombreamento: persiana, duas placas horizontais, duas placas verticais e vegetação. O estudo realizou-se na parede de Trombe situada na UTAD e construída por Briga Sá [5]. O primeiro teste consistiu em alternar a abertura e o fecho da persiana durante 16 dias para perceber a influência da persiana no comportamento do sistema e nos valores da temperatura interior da célula de teste. O segundo teste consistiu na colocação de placas de XPS com diferentes dimensões na parte superior da célula de teste simulando palas horizontais e verticais, como se pode verificar na Figura 9. Na Figura 9a) a pala horizontal possui 1,20m de comprimento e na Figura 9 b) a pala possui comprimento de 0,56m, na Figura 9 c) e d) ambas as palas possuem 1,3m de comprimento.

Para além destes dispositivos de sombreamento, Alves contruiu um dispositivo composto por vegetação que foi colocado em frente do envidraçado, como se observa na Figura 10.

Figura 10 - Sombreamento exterior com vegetação [20].

Figura 9 - Sombreamento horizontal com placas XPS: vista a) e b); Sombreamento vertical: vista c) e d) [21].

Alves [20] conclui que, para a estação de arrefecimento, a persiana exterior foi o dispositivo que conseguiu obter melhores resultados, conseguindo-se diminuir significativamente as temperaturas no interior da célula de teste. Os dados relativos à utilização de palas verticais e horizontais, revelaram que se atingiram temperaturas muito elevadas comparadas com as temperaturas de referência de conforto térmico para o clima Português. No entanto, a combinação de ambas as palas, verticais e horizontais, poderiam permitir uma área de sombra maior no envidraçado durante a maior parte do dia, reduzindo a temperatura no interior da célula de teste. O sombreamento por vegetação não se revelou eficaz uma vez que durante o dia atingiu-se temperaturas no interior superiores à temperatura exterior [20].

2.5 Considerações finais

A parede de Trombe é um sistema solar passivo que pode contribuir de forma significativa para o aquecimento dos edifícios, permitindo a redução dos custos e do recurso a outros equipamentos habitualmente usados na climatização dos edifícios.

As paredes de Trombe ventiladas apresentam-se mais eficazes que as paredes de Trombe não ventiladas, tanto no aquecimento como no arrefecimento do edifício, na medida em que permitem maximizar os ganhos de calor durante os períodos de aquecimento e minimizar os efeitos indesejados de sobreaquecimento durante os períodos de arrefecimento.

Na pesquisa bibliográfica efetuada, não são conhecidos sistemas deparedes de Trombe que não necessitam de intervenção do utilizador para o seu bom funcionamento, pelo que, uma parede de Trombe completamente autónoma, seria a solução apelativa para a sua aplicação nos edifícios.

Capítulo 3

3. ANÁLISE DA FLUTUAÇÃO DAS TEMEPRATURAS NA PAREDE

DE TROMBE

3.1 Introdução

Neste Capítulo pretende-se efetuar uma análise pormenorizada dos resultados obtidos num estudo, realizado anteriormente, relativo ao desempenho térmico de uma parede de Trombe clássica sujeita a condições climáticas reais. No trabalho de investigação desenvolvido por Briga Sá [5] foi construída uma célula de teste, localizada no campus da UTAD, que incorpora uma parede de Trombe na fachada orientada a Sul. Este dispositivo experimental foi instrumentado e monitorizado para obter os valores das temperaturas em diversos pontos do sistema, para além de serem registadas as condições climáticas do ambiente exterior (radiação solar, temperatura exterior e humidade relativa) e no interior da célula de teste (temperatura e humidade relativa). Dos dados obtidos neste trabalho de investigação serão analisados os valores obtidos para a temperatura exterior (Te) e radiação Solar (RS), temperatura no interior da célula de teste (Ti), temperatura média na caixa-de-ar (Tcam), temperatura superficial exterior na parede acumuladora (Tsupe), temperatura a meio do interior da parede acumuladora (Tip) e temperatura superficial interior (Tsupi). Na Figura 11 encontram-se representados os pontos de medição das temperaturas referidas.

Figura 11 - Pormenor esquemático da colocação dos sensores de temperatura. Te - Temperatura Exterior Tcam - Temperatura Média Caixa de ar Tsupe - Temperatura Superficial Exterior Tip - Temperatura Interior Parede Tsupi - Temperatura Superficial Interior Ti - Temperatura Interior Tcam Te Tsupe Tip Tsupi Ti

Pretende-se com a análise destes dados definir uma relação entre os diversos valores de temperatura obtidos nas diferentes camadas no sentido de posteriormente contribuir para a definição do algoritmo de automação da parede de Trombe responsável pela abertura e fecho dos obturadores e da persiana exterior. Para isso, esta análise será efetuada para diferentes períodos de funcionamento da parede de Trombe, em função do funcionamento do sistema de ventilação e do sombreamento exterior (neste caso, uma persiana). Serão considerados períodos de parede de Trombe não ventilada (PTNV) quando os obturadores estão fechados e parede de Trombe ventilada (PTV) quando estes se encontram abertos.

Tendo em conta que a célula de teste utilizada no trabalho desenvolvido por Briga de Sá [5] será a utilizada para o desenvolvimento deste trabalho, apresenta-se nas secções seguintes a sua descrição.

3.2 Caracterização do dispositivo experimental

A célula de teste onde se encontra a parede de Trombe em estudo foi projetada e construída por Briga Sá, tendo sido realizada a análise do desempenho térmico da parede de Trombe clássica [5]. Esta foi construído tendo por base um contentor em aço (Figura 12), com dimensões úteis de aproximadamente 6 m x 2,4 m x 2,3 m, perfazendo uma área total de 14 m2 e um volume de 32 m3 [5]. Este encontra-se isolado em três das quatro fachadas laterais do contentor com 8 cm de poliestireno extrudido (XPS) e na cobertura e pavimento com 12 cm de XPS (Figura 13).

Na fachada orientada a Sul foi construída a parede de Trombe. Esta é constituída por uma parede acumuladora em tijolo maciço, com espessura de 34 cm, e revestida com reboco de argamassa nas faces interior e exterior. A superfície exterior foi posteriormente pintada com tinta preta, obtendo-se um coeficiente de absorção de 0,8 [5]. O sistema de ventilação é assegurado por 8 aberturas, 4 colocadas na parte superior e 4 na parte inferior da parede acumuladora que permitirão a ventilação da caixa-de-ar. Estas apresentam uma área total de 0,152 m2. A caixa-de-ar existente entre a parede maciça e o envidraçado exterior, apresenta uma espessura média de 6 cm. O envidraçado exterior, é constituído por vidro duplo incolor com espessuras 5 mm + 12 mm + 5 mm [5].

Figura 12 - Dispositivo experimental: a) célula de teste; b) Parede de Trombe [5].

Figura 13 - Isolamento térmico interior do contentor.

Aquando do estudo realizado por Briga de Sá [5], o sistema de obstrução exterior foi simulado utilizando placas de XPS com 3cm de espessura que foram colocadas pelo exterior. Posteriormente, foi aplicada uma persiana exterior elétrica de cor branca e com corte térmico. Na Figura 14 é possível observar as duas opções utilizadas para o dispositivo de sombreamento/oclusão

Nos resultados experimentais obtidos e analisados por Briga Sá foram consideradas as placas de XPS, pelo que a análise efetuada neste Capítulo terá em conta essa opção como elemento de sombreamento/obstrução.

O dispositivo experimental aqui apresentado será utilizado para o desenvolvimento deste trabalho de investigação. Acrescenta-se ainda que neste caso se considerará o efeito da persiana exterior de cor branca.

3.3 Flutuação das temperaturas

Os dados obtidos no trabalho desenvolvido por Briga Sá [5] correspondem ao período de 12 de Agosto a 4 de Novembro de 2011, onde se testaram diferentes configurações da abertura e fecho da persiana exterior e das aberturas de ventilação ainda que, de forma aleatória, no sentido de se perceber o impacto que teriam na flutuação das temperaturas nos diversos pontos da parede e no interior da célula de teste. Dos diversos períodos analisados neste trabalho de investigação [5] foram selecionados alguns períodos que correspondem a PTNV e PTV, com alteração do funcionamento das aberturas de ventilação e da persiana exterior e para diferentes períodos das estações de aquecimento e de arrefecimento.

As configurações consideradas e os respetivos períodos para a análise são os seguintes:

Figura 14 - Sombreamentos exteriores utilizados na parede de Trombe: a) Placas de XPS; b) Persiana exterior com corte térmico.

- Persiana aberta e aberturas de ventilação fechadas (PTNV) de 20 de Setembro a 4 de Outubro de 2011;

- Persiana aberta e aberturas de ventilação abertas (PTV) de 12 de Agosto a 15 de Setembro de 2011;

- Persiana fechada e aberturas de ventilação fechadas (PTNV) de 8 de Outubro a 17 de Outubro;

Pretende-se nestes períodos referidos relacionar os valores das diferentes variáveis com as diferentes configurações de funcionamento da parede de Trombe.

Os dados obtidos em Briga Sá [5] não consideraram períodos em que a persiana estivesse fechada e as aberturas abertas, por isso apenas serão analisados os 3 períodos anteriormente mencionados.

Refere-se ainda que neste trabalho optou-se por analisar as diferentes variáveis e solicitações do sistema para períodos mais reduzidos de medição, com o intuito de perceber melhor o comportamento do sistema. Para além disso, os sensores utilizados para medição das temperaturas no trabalho desenvolvido por Briga - Sá não permitiram medir valores acima dos 60ºC. Neste trabalho, procurou-se também estimar os valores acima dos 60ºC através do ajuste das curvas de desenvolvimento das temperaturas.

3.3.1 Parede de Trombe não ventilada (PTNV)

A configuração PTNV foi considerada para um primeiro período de 14 dias consecutivos, de 20 de Setembro a 4 de Outubro de 2011.

Nestes períodos, foram selecionados períodos de tempo menores e com características semelhantes no que respeita à variação dos valores das diferentes variáveis em análise. Apesar de esta escolha ser dificultada dada a variabilidade/ irregularidade das condições climáticas exteriores, procurou-se definir períodos de valores de radiação solar e temperaturas exteriores mais regulares e de ordem de grandeza semelhante. Assim, no caso da PTNV definiu-se o seguinte: um primeiro período de 5 dias consecutivos, das 00:00h do dia 22 de Setembro até 00:00 do dia 27 de Setembro e um segundo período de 5 dias consecutivos das 00:00h do dia 27 de Setembro às 00:00h do dia 1 de Outubro. Esta análise mais pormenorizada permitirá um melhor entendimento da variação das condições climáticas exteriores e da sua influência na temperatura no interior da célula de teste e na variação das temperaturas nos diversos pontos da

3.3.1.1 Período 1 (de 22 de Setembro a 26 de Setembro) 3.3.1.1.1 Condições climáticas interiores e exteriores

No Gráfico1 estão representadas as curvas das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te), da radiação solar (RS) e do diferencial entre as temperaturas exterior e interior (Dif (Ti - Te)) para a PTNV e para o período de 22 a 26 de Setembro.

Gráfico 1 - Variação da radiação solar (RS) e das temperaturas interior (Ti) e exterior (Te) para a PTNV (22 Set - 26 Set 2011).

Pela observação do Gráfico1, o valor mais elevado da radiação solar foi de 672,5 W/m2 _e ocorreu no dia 25 de Setembro às 12:00h. No entanto, nos restantes 4 dias em análise, a radiação solar máxima diária não apresenta alterações muitos significativas relativamente a este valor, sendo que o menor valor é de 631,2 W/m2 e ocorreu no dia 22 de Setembro.

Os dados obtidos para este período permitem observar que, valores de temperatura exterior elevados ou reduzidos, nem sempre correspondem a valores de radiação solar elevados ou reduzidos. Esta situação é visível nos dias 24 e 25 de Setembro em que a radiação solar apresenta oscilações idênticas mas, no entanto, as curvas da temperatura exterior apresentam valores diferentes, sendo menores no dia 24 de Setembro, o que se reflete na alteração dos valores da temperatura interior, neste caso, numa diminuição dos mesmos. Verifica-se que, para valores semelhantes de RS, uma diminuição de 62% no valor da temperatura exterior

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 100 200 300 400 500 600 700 800 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) RS ( W /m 2) Duração (horas)

RS Ti Te Dif (Ti-Te)

corresponde, em média, a uma diminuição, para o período analisado no Gráfico1, de 30% no valor da temperatura interior. Estes valores demonstram que a radiação solar é um fator determinante no funcionamento da Parede de Trombe, influenciando de forma decisiva a transferência de calor através do sistema. Outro aspeto observável é que, em alguns dias, quando a temperatura exterior supera os 30ºC os valores registados no interior do compartimento são inferiores, enquanto nos dias em que a temperatura exterior apresenta valores inferiores a 30ºC a temperatura máxima no compartimento é sempre superior à temperatura máxima exterior. Esta situação pode dever-se à progressiva capacidade de armazenamento do sistema que se verifica ao longo dos dias, influenciada pela alternância dos valores de radiação solar e da temperatura exterior. É também importante referir que não foi considerado sombreamento exterior (persiana) o que influencia a transferência de calor através do sistema. A capacidade de armazenamento da PTNV é verificada durante a noite através dos valores obtidos no interior da célula de teste, em que Ti ultrapassa sempre os valores de Te. Tendo em conta que está impedida a transferência de calor por convecção do ar através das aberturas, esta apenas ocorre através da parede acumuladora, verificando-se assim um atraso na devolução de calor para o interior da célula de teste, o que origina consequentemente um aumento da temperatura no interior, atingindo, portanto, valores superiores aos de Te. Acrescenta-se ainda o facto de a persiana exterior não estar ativa. Neste caso, durante a noite, esta situação irá implicar um aumento das perdas de calor do interior para o exterior, o que contribui para a diminuição dos valores de Ti. Ou seja, se a persiana estivesse fechada durante a noite, atingir-se-ia valores mais elevados de Ti.

Analisando a curva do diferencial de temperaturas entre o interior e o exterior para o período noturno, verifica-se uma redução da temperatura interior em 30% relativamente aos valores máximos atingidos durante o dia. Neste período, correspondente à estação de arrefecimento, os valores de Ti podem considerar-se aceitáveis quando comparadas com a temperatura de conforto interior de referência (25ºC) para este período do ano. Pode ainda verificar-se que a flutuação da curva de Ti é menor do que a de Te, devido aos fenómenos referidos anteriormente. Consegue-se durante a noite obter valores de Ti superiores a 18ºC, o que é satisfatório no caso de edifícios de ocupação noturna, como é o caso dos residenciais.

3.3.1.1.2 Diferencial de Temperaturas

No sentido de perceber qual a influência das condições climáticas exteriores e da capacidade de armazenamento e de libertação de calor da parede de Trombe na variação das temperaturas ao longo das diferentes camadas, optou-se por analisar o diferencial entre estas de acordo com o apresentado no Gráfico1. Como já foi referido anteriormente, uma vez que os sensores de temperatura utilizados no trabalho desenvolvido em Briga Sá [5] apenas registavam valores até 60ºC, recorreu-se à extrapolação de valores por “spline” usando o programa Matlab para obter uma aproximação dos valores de temperaturas em que os 60ºC foram ultrapassados. Esta aproximação mostrou-se importante para valores de temperatura mais elevados que se obtiveram na caixa-de-ar e na superfície exterior da parede acumuladora. Permitiu obter as diferenças de temperatura entre as diferentes camadas de uma forma mais detalhada.

No Gráfico2 são apresentadas as curvas de variação das temperaturas obtidas para as diferentes camadas do sistema, desde o exterior para o interior da parede de Trombe. Esta análise permite estimar a ordem de grandeza dos valores obtidos e o impacto decorrente do efeito de estufa criado na caixa-de-ar, da capacidade de armazenamento do sistema e do atraso na devolução de calor para o interior ou para o exterior da célula de teste, em função do sentido em que ocorre o fluxo de calor através do sistema.

Gráfico 2 - Variação do diferencial de temperaturas obtidas nas diferentes camadas, para PTNV (22 Set - 26 Set 2011).

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 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

Analisando camada a camada, e começando pela curva de diferencial de temperatura entre o exterior e a caixa-de-ar, (Te - Tcam) observa-se que os valores do diferencial são sempre negativos ao longo do período em análise, ou seja, a temperatura na caixa-de-ar é sempre bastante superior à temperatura registada no exterior. Esta situação é expectável tendo em conta que na caixa de ar é criado o efeito de estufa e, portanto, uma maior acumulação de calor decorrente também do facto de a parede acumuladora estar pintada de preto na superfície exterior, conduzindo a um aumento de absorção de calor. Durante o dia, ocorrem temperaturas na caixa-de-ar superiores 20-25ºC às temperaturas exteriores. No período noturno, verifica-se um diferencial de temperatura de 5ºC entre o exterior e a caixa-de-ar em todos os dias deste período, independentemente do valor máximo atingido durante o dia, o que se pode dever à capacidade de acumulação do sistema. Assim sendo, e considerando 5ºC como temperatura mínima de diferencial, pode estimar-se uma diminuição da temperatura entre 60%-80% do dia para a noite. Apesar de neste período, esta perda ser vantajosa durante a noite, tendo em conta que se trata de um período de arrefecimento, estes valores demonstram a necessidade de recorrer a um dispositivo de oclusão, persiana exterior, por exemplo, no sentido de minimizar as paredes de calor que podem ocorrer para o exterior da célula de teste durante as noites de Inverno.

Em relação ao diferencial de temperaturas verificado entre os valores obtidos na caixa de ar e na superfície da parede acumuladora, (Tcam - Tsupe), verifica-se que as oscilações nas curvas são menos acentuadas do que na situação anterior, o que se deve ao facto de os valores serem medidos numa camada em que existe o efeito de estufa e consequentemente a acumulação de calor.

No entanto, a temperatura superficial exterior da parede (Tsupe) atinge valores idênticos aos valores da temperatura na caixa-de-ar (Tcam) por volta das 12:00h, fazendo com que a diferença entre elas seja praticamente nula como se pode comprovar pelo Gráfico 2. De acordo com o Gráfico 1, a radiação solar também atinge valores máximos por volta do meio dia, podendo esse ser um motivo para o facto de ambas as temperaturas rondarem o mesmo valor. A curva que define o diferencial em análise situa-se maioritariamente na parte negativa do Gráfico indicando que os valores na caixa-de-ar são inferiores aos obtidos na superfície da parede acumuladora. Esta situação deve-se ao facto de os sensores estarem colocados na superfície exterior da parede que está pintada de preto e que portanto conduz ao aumento da

na parte positiva do Gráfico indicando que, para além da radiação solar, a elevada temperatura exterior também pode contribuir para o aumento da temperatura na caixa-de-ar, fazendo com que ultrapasse a temperatura superficial.Observou-se ainda que as perdas que ocorrem entre o exterior e a caixa-de-ar durante o período noturno são idênticas às perdas entre a caixa-de-ar e a superfície exterior da parede uma vez que as curvas apresentam desenvolvimento semelhante, como se pode verificar no Gráfico 2. Esta aproximação, e quase sobreposição de ambas as curvas no período noturno, indica que entre Te e Tcam existe aproximadamente o dobro da diferença de temperatura em relação a Tcam e Tsupe, ou seja, se às 6:00h do dia 23 de Setembro estão 5ºC a menos no exterior do que no interior da caixa-de-ar, estão no entanto 10ºC a menos no exterior em relação à superfície da parede acumuladora. Estima-se assim, que a caixa-de-ar tem mais 50% de perdas para o exterior do que o verificado na superfície da parede acumuladora durante a noite, o que se deve à absorção de calor aí verificada e que permite manter algum armazenamento de calor. Mais uma vez se refere o facto de a não existência de um dispositivo de oclusão, o que permite o aumento das perdas de calor para o exterior durante a noite.

A curva representativa do diferencial de temperatura entre a superfície da parede e o interior da parede, (Tsupe - Tip), é a curva que apresenta valores positivos mais elevados no Gráfico 2, chegando a atingir um diferencial de 47ºC. A capacidade de transferência de calor pela parede acumuladora é lenta, o que justifica, em parte, que na superfície exterior os valores sejam muito superiores aos obtidos no interior da mesma. Por outro lado, como já tem sido referido, o facto de a superfície ser pintada de preto e de estar em contacto com a caixa-de-ar, onde se armazena o calor decorrente do efeito de estufa, é o principal responsável por esta diferença de valores. Para além disso, durante a noite, como é óbvio, não se faz sentir o efeito da radiação solar que atinge o envidraçado, conduzindo a valores do diferencial muito mais reduzidos do que durante o dia. O diferencial (Tsupe - Tip) durante a noite situa-se nos 5ºC negativos, indicando que no interior da parede estão 5ºC a mais do que na superfície da mesma e, neste caso, mais 15ºC, quando comparado com Te.

A capacidade de transmissão de calor para o interior do compartimento é demonstrada pelas curvas (Tip - Tsupi) e (Tsupi - Ti). Na primeira é notório que a temperatura no interior da parede (Tip) é sempre superior aos valores atingidos na superfície interior (Tsupi) da mesma que se traduz num diferencial de valores positivo. No período noturno ocorre um arrefecimento do interior da célula de teste fazendo com que o diferencial das temperaturas seja superior em 50% em relação ao diferencial diurno, passando de 5ºC para cerca de 10ºC de diferença.

Analisando a curva que relaciona a temperatura interior com a superficial, (Tsupi - Ti), verifica-se que, durante o dia, a temperatura na superfície da parede tende para valores idênticos aos da temperatura no interior da célula de teste. À medida que o dia avança e se entra no período noturno, a capacidade da absorção e de transmissão de calor da parede permite obter temperaturas superficiais no interior superiores à temperatura ambiente em 6-7ºC, contribuindo assim para uma desaceleração no arrefecimento do interior da célula de teste durante o período noturno.

Como já se referiu anteriormente, sendo a radiação solar um dos fatores preponderantes no funcionamento da parede de Trombe, optou-se também por relacionar os valores da radiação solar com os valores da temperatura interior (Ti) e na caixa-de-ar (Tcam) de modo a tentar encontrar uma relação entre estas variáveis para um período de ensaio em que os valores da radiação solar não apresentem oscilações significativas. As curvas de relação estão representadas no Gráfico 3. As setas representadas a verde correspondem ao período de aquecimento e as setas laranja correspondem ao período de arrefecimento.

Gráfico 3 - Relação da Radiação Solar (RS) com a temperatura interior (Ti) e temperatura média na caixa-de-ar (Tcam) (22 Set a 26 Set 2011).

Efetuando uma análise geral dos resultados percebe-se que existe uma relação entre o aumento/diminuição da radiação solar e o aumento/diminuição de Ti e Tcam.Tratando-se de uma PTNV é expectável que o aumento dos valores da radiação solar provoque um aumento exponencial dos valores de temperatura na caixa-de-ar, quando comparada com a temperatura

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 100 200 300 400 500 600 700 Temp eratu ra ( ºC) R.S (W/m2) Ti Tcam