Nome do Projeto
Resfriamento passivo de edifícios usando trocadores de calor solo-ar, dispositivos eletrocrômicos e chaminés solares
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
15/06/2020 - 15/05/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Dispositivos baseados em fontes alternativas de energia são necessários porque a maioria dos combustíveis tradicionais não é renovável e afetam negativamente a natureza. Além disso, sistemas tradicionais de ar condicionado consomem muita energia. Assim, este projeto visa pesquisar tecnologias que permitem resfriar ou aquecer edifícios; explorando fenômenos naturais e renováveis, como: as diferenças de temperatura entre o ar e o solo, as mudanças de densidade do ar com a altura, o controle da transmitância da luz em materiais electrocrômicos. Em particular, deseja-se simular, construir e estudar um sistema híbrido com trocadores de calor solo-ar, chaminés solares e janelas inteligentes, projetados para resfriar edifícios escolares no Brasil, usando pouca energia elétrica. Espera-se que os resultados desta proposta sejam úteis para sua incorporação em outros edifícios, representando novas oportunidades comerciais e de investimento.

Objetivo Geral

O principal objetivo deste projeto é a avaliar, por análise computacional, a performance energética de um sistema híbrido que faz o acoplamento de trocadores de calor solo-ar, dispositivos electrocrômicos e chaminés solares, a fim de satisfazer o conforto térmico de uma sala de aula padrão.

Justificativa

A energia gasta em ar condicionado é responsável por grande parte do consumo em muitos países (Mimouni et al., 2014). Combinando trocadores de calor solo-ar (TCSA) com janelas inteligentes e chaminés solares fornece uma alternativa sustentável para a melhoria das condições térmicas de edifícios com pouca energia elétrica. Para obter um sistema completamente passivo (um sistema que trabalha sem eletricidade), as chaminés solares podem ser empregadas para forçar um processo de ventilação natural através de dutos de ar, proporcionando um ambiente interno termicamente confortável durante os dias quentes de verão.

As janelas inteligentes, ou dispositivos eletrocrômicos, não só proporcionam um bom contraste visual entre ambientes internos e externos, mas também pode reduzir a passagem de raios ultravioleta e infravermelhos para ambientes internos através da variação da transmitância de luz das janelas. Deste modo, em locais com clima quentes, estes dispositivos pode ajudar a diminuir o aquecimento de edifícios e, consequentemente, reduzir necessidades de ar condicionado (Granqvist , 2018).

Em relação aos TCSA, esses dispositivos usam dutos enterrados, onde o ar ambiente é soprado (geralmente pela ação dos ventiladores). Devido a inércia térmica da terra, as suas camadas superficiais são mais frias do que o ar exterior no verão e vice-versa no inverno. Por isso, o ar que flui nos dutos passa por trocas de calor com o solo e sai resfriado no verão, ou aquecido no inverno (Brum, 2016).

Quanto ao último dispositivo, as chaminés solares empregam o conhecido efeito de chaminé (a densidade do ar muda com a altura e entre ambientes internos e externos) para produzir ventilação natural em um edifício. Esse efeito é melhorado pintando-os de preto (principalmente na parte superior) para aumentar a quantidade de energia solar que os aquece. Tal metodologia simples começou a ter considerável atenção devido ao seu baixo custo operacional e seu potencial para reduzir passivamente a carga de aquecimento de um edifício. As chaminés solares também podem ser usadas em configurações integradas com sistemas de refrigeração natural para melhorar a troca térmica ( Zhai et al., 2011 ; Maerefat et al., 2010).

Neste projeto, as chaminés solares serão integradas aos trocadores de calor solo-ar. Assim, em um dia típico de verão, o ar externo é forçado a entrar nas entradas dos dutos enterrados pelo efeito chaminé, sem a necessidade de ventiladores. Ele troca calor com o solo e entra no edifício em suaves temperaturas através das saídas do TCSA. Nos quartos, o ar mais quente é expelido pelas saídas da chaminé.

Devido ao clima subtropical, o Rio Grande do Sul possui um alto potencial térmico para instalações de TCSA, como visto em Vaz et al. 2011 e 2014; Brum, 2013a; Brum et al., 2012 e 2013b. Outros trabalhos recentes , de membros da equipe do projeto e colaboradores, visam maximizar seu uso em pequenos espaços (Nunes et al., 2015), melhorando sua eficiência usando múltiplos dutos (Rodrigues et al., 2015; Ramalho et al., 2018, Brum, 2016, Brum et al., 2016b, 2019a e 2019b) e analisando seus parâmetros construtivos (Brum et al., 2016a). Além disso, o trabalho de Estrada et al. (2018) apresenta a eficiência do TCSA em várias regiões do Brasil (fazendo uma comparação com a realidade da França) e mostram que climas tropicais também são uma boa opção para instalar os TCSA.

Portanto, esses dispositivos representam não apenas uma opção sustentável para reduzir custos com ar condicionado, mas também oportunidades econômicas e comerciais verdadeiras que devem ser estudadas para serem empregadas no país.

Quanto aos dispositivos electrocrômicos estudos recentes mostram sua eficiência no controle do consumo de energia (Piccolo et al., 2018; DeForest et al., 2017; Tavares et al., 2014, 2018; Piccolo e Simone, 2015), os membros da equipe do projeto e seus colaboradores também estão em desenvolvimento de estudos experimentais. Além disso, simulações numéricas foram desenvolvidas recentemente por Porto (2019) visando aplicações em arquitetura. Ela estudou o desempenho da energia térmica desses dispositivos usando dados experimentais de vidros electrocrômicos WO3 dopados com lítio em comparação com os comuns . As simulações mostraram que em climas quentes, a construção com dispositivos electrocrômicos consumiram menos energia com ar condicionado que os tradicionais, empregando janelas de vidro habituais. Portanto, novas pesquisas devem ser desenvolvidas para aplicar esses dispositivos à realidade brasileira .

Em relação às chaminés solares, é sabido que elas têm um baixo potencial para serem usadas sozinhas. Contudo, combinando-os com outras técnicas permitem uma melhor substituição do ar ambiente estagnada com um exterior fresco, proporcionando mais conforto térmico num edifício (Punyasompun et al., 2009 ; Yusoff et al., 2010 ; Aboul Naga e Abdrabboh, 2000 ) . Por exemplo, Macias et al. (2009) relataram um sistema de refrigeração passiva incorporando uma chaminé solar para um edifício na Espanha, onde a demanda de energia poderia ser reduzir d por mais de 50% por meio de estratégias adequadas no inverno e verão. Nesse contexto, também é possível encontrar alguns trabalhos que estudam a combinação de chaminés solares e trocadores de calor solo-ar para aquecer ou resfriar um edifício sem o uso de eletricidade. É o caso de (Maerefat e Haghighi, 2010 ; Calderaro e Agnoli , 2007), que desenvolvem algumas análises experimentais e de parâmetros desses sistemas híbridos.

Este projeto tem como objetivo estudar o desempenho térmico de edifícios brasileiros, considerando o uso combinado de três dispositivos: TCSA, janelas inteligentes e chaminés solares . Em particular, o foco será edifícios escolares para aproveitar a infra-estrutura encontrada na Universidade Federal de Pelotas. Pretende se avançar sobre questões de conforto térmico e de eficiência energética, considerando as regionais bioclimaticas do país. Isto será feito desenvolvendo uma análise numérica desses sistemas. Isto permite estudos econômicos de viabilidade e obter recomendações construtivas para as salas, chaminés, dutos, orientação das aberturas, etc., buscando reduzir a demanda de eletricidade em instituições educacionais brasileiras.

Metodologia

Este projeto é um estudo exploratório, com o objetivo de investigar o desempenho do sistema híbrido para conforto térmico e eficiência energética em um edifício. Será desenvolvido através de simulação computacional, utilizando softwares de CFD e, eventualmente (a depender da obtenção de recursos), também experimental, com a implementação deste sistema em salas de aula na Universidade Federal de Pelotas (UFPel).

O primeiro passo é uma revisão de literatura, cobrindo principalmente os tópicos: dispositivos eletrocrômicos , trocadores de calor terra-ar e sistemas híbridos, suas tecnologias e propriedades. Na segunda etapa serão definidos os softwares e os modelos a serem estudados. Na terceira etapa será feita a configuração dos modelos. Na quarta etapa, serão feitas simulações computacionais dos modelos, para determinar o consumo de energia, o conforto térmico em cada situação simulada. Na quinta etapa, os resultados serão analisados e, finalmente, será feita uma comparação entre o desempenho térmico e a eficiência energética das edificações em cada caso. Na última etapa, os resultados obtidos serão comparados com os existentes na literatura, onde as análises de conforto térmico e eficiência energética foram realizadas separadamente. Haverá uma avaliação das recomendações construtivas (tamanho da sala, tamanho e orientação das aberturas) e uso (densidade de cargas do equipamento e temperatura da unidade de ar condicionado) sobre o desempenho energético de uma típica sala de aula na cidade de Pelotas.

Indicadores, Metas e Resultados

Este projeto visa melhorar a eficiência do sistema híbrido proposto. Assim, ele irá contribuir para melhorar o conforto térmico de ambientes construídos. Contribuições importantes são esperadas de diferentes frentes, conforme descrito abaixo.

Contribuições científicas :
- Desenvolvimento de metodologia para obtenção de dispositivos electrocrômicos de larga escala ;
- Modelagem Numérica da transferência de calor de TCSA instalados em uma sala de aula na cidade de Pelotas;
- Modelagem Numérica da transferência de calor de TCSA acoplados a chaminés solares instaladas na mesma sala de aula, na cidade de Pelotas;
- Modelagem numérica da transferência de calor do sistema híbrido completo de TCSA, chaminés solares e dispositivos electrocrômicos instalados na mesma sala de aula na cidade de Pelotas.
- Divulgação dos resultados por meio da submissão / aceitação / publicação de artigos para conferências nacionais e internacionais e revistas científicas com os resultados alcançados, além da publicação de dissertações de mestrado e teses de doutorado relacionadas ao tema deste projeto.

Contribuições tecnológicas :
- Desenvolvimento nacional tecnológico de filmes finos e sistemas híbridos de arrefecimento;
- Desenvolvimento de tecnologia viável para implementação em residências, escolas e empresas de vários tamanhos;
- Desenvolvimento de soluções para redução de custos com ar condicionado para escolas e universidades.

Inovação:
- Desenvolvimento de protótipos de dispositivos electrocrômicos em escala industrial ;
- Desenvolvimento de um sistema híbrido de resfriamento passivo que pode gerar projetos com menor consumo de energia.

Treinamento de Recursos Humanos :
- Formação de recursos humanos qualificados, alunos da Pós-Graduação em Modelagem Matemática da Universidade Federal de Pelotas (UFPel) e colaboração com os estudos de alunos da Pós-Graduação em Modelagem Computacional da Universidade Federal do Rio Grande (FURG), Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Ciências e Materiais e Programa de Pós-Graduação em Arquitetura da UFPel ;
- Abertura de novas linhas de pesquisa na área de modelagem;
- Aumentar a produtividade técnica e científica dos pesquisadores envolvidos;
- Consolidação da atual rede de cooperação acadêmica na área entre as instituições participantes, gerando tecnologia e estabelecendo estudantes e profissionais de alto nível na região.

Em termos gerais, espera-se contribuir com temas fundamentais para a sociedade, como (a) gestão sustentável dos sistemas de energia urbana com questões técnicas relacionadas ao seu desempenho; (b) resolução realista de problemas de conforto térmico relacionados à arquitetura; (c) avaliar questões sociológicas, no âmbito da adequação do suprimento de energia renovável à demanda dos usuários no contexto de uma cidade sustentável; (d) promover oportunidades econômicas para a exploração do mercado emergente de energia renovável.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANA MARIA BERSCH DOMINGUES
CESAR ANTONIO OROPESA AVELLANEDA4
DANIELA BUSKE4
EDUARDO DE SÁ BUENO NÓBREGA
EDUARDO GRALA DA CUNHA4
FERNANDA TUMELERO4
FRANCIELE DA COSTA TRASSANTE
GLENIO AGUIAR GONCALVES4
GUILHERME JAHNECKE WEYMAR4
JAIRO VALOES DE ALENCAR RAMALHO4
JOSEANE DA SILVA PORTO36
LEANDRO MESQUITA PEREIRA
LUCAS LUCENA FERREIRA
MICHELE SOARES NETTO
REGIS SPEROTTO DE QUADROS4
REJANE PERGHER2
RUTH DA SILVA BRUM18

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