Dimensionamento de um Permutador de Calor

Terra-Ar e Avaliao de Impacte na

Climatizao de um Edifcio

Frederico Srgio Marques Espinha Lopes

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em

Engenharia Mecnica

Jri

Presidente: Professor Doutor Mrio Manuel Gonalves da Costa

Orientador: Professor Doutor Joo Lus Toste de Azevedo

Vogal: Professora Doutora Marta Joo Nunes Oliveira Pano

Novembro 2012

i

Agradecimentos

No obstante o trabalho individual que logicamente esta dissertao encerrou, no poderia

deixar de expressar o meu agradecimento a todos aqueles que, direta ou indiretamente, contriburam

para todo o percurso que culminou neste documento:

Ao Professor Toste de Azevedo, no s pela orientao, ajuda e disponibilidade no decorrer

deste trabalho, mas por tambm pelo trabalho nas disciplinas que me lecionou e me fizeram

enveredar por este tema.

Ao Corinthia Hotel Lisbon, na incansvel pessoa do Eng. Pedro Ferreira, por me ter

fornecido o caso de estudo prtico para a aplicao da tecnologia aprofundada.

Aos vrios bons amigos que o IST me permitiu conhecer e que, pelo bom ambiente no dia-a-

dia, tornaram estes cinco anos numa jornada efmera repleta de bons momentos para relembrar,

deixando um agradecimento especial ao Alexandre Alcntara e ao Caio Pereira que os ltimos seis

meses de luta conjunta justificam.

A todos os meus amigos sem exceo que, injustamente, no particularizo, mas sem os quais

teria sido muito mais complicado um percurso acadmico bem-sucedido.

E finalmente, minha famlia, provavelmente a nica contribuio sem a qual no me seria

possvel ser a pessoa que sou hoje, pelo inquestionvel apoio, pela devida exigncia e por todas as

oportunidades proporcionadas.

ii

iii

Resumo

Neste trabalho props-se estudar a viabilidade tcnica da tecnologia de climatizao passiva,

permutador de calor Terra-Ar, desde a fase de dimensionamento at fase de avaliao do seu

impacte em termos da reduo das necessidades de climatizao ativa num edifcio novo, resultante

da ampliao de um restaurante do Corinthia Hotel Lisbon.

Este estudo englobou uma fase preliminar de anlise paramtrica influncia da velocidade

mdia de escoamento do ar, do dimetro e do comprimento no desempenho do sistema, para a qual

se desenvolveu um Pr-Processador de clculo e que permitiu colmatar algumas limitaes do

modelo Earthtube do EnergyPlus. Esta fase culminou no dimensionamento do sistema considerado

ideal dentro das limitaes espaciais de instalao do mesmo no caso do edifcio em estudo.

Seguidamente utilizou-se o modelo Earthtube do EnergyPlus para construir um tubo

enterrado com desempenho equivalente ao sistema dimensionado por forma a avaliar o impacte que

este teria na dinmica global trmica do edifcio. Para esta avaliao tirou-se partido das capacidades

do EnergyPlus para simulao trmica anual e em condies de projeto, com o intuito de investigar

no s as poupanas de energia alcanadas com esta tecnologia, mas tambm a reduo de

potncia instalada para climatizao.

O estudo termina com um balano trmico ao edifcio para concluir qual o impacte global

desta tecnologia no mesmo, e aborda estratgias de controlo para otimizar o desempenho do

sistema.

Palavras-chave: Permutador de Calor Terra-Ar, Tubos enterrados, Climatizao Passiva, Modelo

Earthtube do EnergyPlus, Ganho trmico de ventilao.

iv

v

Abstract

This work aimed to assess the technical feasibility of the passive air-conditioning technology

Earth-to-Air-Heat-Exchanger (EAHE), from the very early stage of the design through the evaluation of

its impact on the reduction of the active air-conditioning needs in a new building. This new building is

the extension of an existent restaurant, which is property of Corinthia Hotel Lisbon.

This study comprised a preliminary phase of parametric analysis to the influence of mean air

flow speed through the tubes, diameter and length in the system performance. This entailed the

development of a Pre-Processor calculation program in order to overcome some limitations that

Earthtube model of EnergyPlus holds. This phase ended up with the system optimal characteristics

design within the space constraints that the case study implied.

Afterwards, EnergyPlus Earthtube model was used to build a buried pipe with such

dimensions that its performance lead to results equivalent to those of the optimum projected system.

That equivalent earth tube was used to evaluate the impact of the projected system in the global

building thermal performance. This evaluation was conducted by taking advantage of the all-year-

round and design days simulation available in EnergyPlus, aiming not only to investigate the energy

savings brought by this technology but also the reduction on the rated power for air-conditioning.

This study finishes with an energy balance to the building in order to conclude about the global

impact of this technology, and report on control strategies for optimizing the EAHE performance.

Keywords: Earth-to-Air-Heat-Exchanger, Buried Pipes, Passive Air-conditioning, EnergyPlus

Earthtube model, Ventilation Heat Gain.

vi

vii

ndice

Agradecimentos ..................................................................................................................................... i

Resumo.................................................................................................................................................. iii

Abstract .................................................................................................................................................. v

ndice .................................................................................................................................................... vii

Lista de Ilustraes .............................................................................................................................. ix

Lista de Tabelas ................................................................................................................................... xii

Lista de Smbolos ............................................................................................................................... xiv

Lista de Acrnimos ............................................................................................................................ xvi

1 Introduo ......................................................................................................................................... 1

1.1 Enquadramento .......................................................................................................................... 1

1.2 Objetivo e metodologia ............................................................................................................... 3

1.3 Reviso Bibliogrfica .................................................................................................................. 4

1.3.1 Modelao ........................................................................................................................ 5

1.3.2 Casos de Estudo e dados experimentais: ........................................................................ 7

1.3.3 Consideraes gerais sobre a tecnologia: ....................................................................... 9

1.4 Contribuio .............................................................................................................................. 11

1.5 Organizao ............................................................................................................................. 12

2 Modelao ....................................................................................................................................... 13

2.1 Introduo ao EnergyPlus e DesignBuilder: ............................................................................. 13

2.1.1 Mtodos de Clculos de Energia: .................................................................................. 14

2.2 Modelo do Edifcio .................................................................................................................... 18

2.2.1 Localizao geogrfica e condies climatricas .......................................................... 18

2.2.2 Modelo da Envolvente .................................................................................................... 19

2.2.3 Simulao ....................................................................................................................... 24

2.2.4 Condies de Operao do edifcio ............................................................................... 26

2.3 Modelo Earthtube do EnergyPlus ............................................................................................. 30

2.4 Modelo do Pr-Processador ..................................................................................................... 35

viii

3 Discusso de Resultados .............................................................................................................. 45

3.1 Estudo paramtrico ao sistema de tubos enterrados ............................................................... 47

3.1.1 Velocidade mdia de escoamento do ar ........................................................................ 49

3.1.2 Dimetro ......................................................................................................................... 51

3.1.3 Comprimento .................................................................................................................. 53

3.2 Dimensionamento do sistema .................................................................................................. 55

3.3 Modelo equivalente no EnergyPlus .......................................................................................... 59

3.4 Desempenho do sistema em condies de projeto ................................................................. 61

3.4.1 Dia de arrefecimento de projeto ..................................................................................... 62

3.4.2 Dia de aquecimento de projeto ...................................................................................... 66

3.5 Desempenho do sistema ao longo do ano ............................................................................... 70

3.6 Estratgias de controlo: ............................................................................................................ 75

3.7 Balano de Energia ao espao: ................................................................................................ 80

4 Concluses ..................................................................................................................................... 85

5 Referncias Bibliogrficas ............................................................................................................ 89

6 Anexos ............................................................................................................................................A-1

A. Dados de apoio modelao .................................................................................................. A-1

B. Dados climticos ...................................................................................................................... B-1

C. Outras Simulaes ..................................................................................................................C-1

ix

Lista de Ilustraes

Ilustrao 1.1 - Desagregao dos Consumos de Energia Primria nos EUA [1] ................................................... 1

Ilustrao 2.1 - Volume de controlo na face exterior da envolvente ...................................................................... 16

Ilustrao 2.2 - Volume de controlo na face interior da envolvente ....................................................................... 16

Ilustrao 2.3 - Volume de controlo ao ar no interior da zona trmica ................................................................... 17

Ilustrao 2.4 - Localizao geogrfica do edifcio em estudo .............................................................................. 19

Ilustrao 2.5 - Desenhos 3D do projeto de ampliao do restaurante ................................................................. 19

Ilustrao 2.6 - Representao grfica do modelo construdo no DesignBuilder .................................................. 20

Ilustrao 2.7 - Esquema genrico do permutador de calor Terra-Ar .................................................................... 35

Ilustrao 3.1 - Representao esquemtica do permutador de calor Terra-Ar projetado .................................... 46

Ilustrao 3.2 - Influncia do passo-de-comprimento da simulao na temperatura de insuflao do ar e Potncia

trmica trocada .............................................................................................................................. 48

Ilustrao 3.3 - Influncia da condutibilidade do tubo na temperatura de insuflao do ar e Potncia trmica

trocada ........................................................................................................................................... 48

Ilustrao 3.4 Variao do COP e Potncias Trmica e de Ventilao com a Velocidade mdia do escoamento

....................................................................................................................................................... 49

Ilustrao 3.5 - Variao da Temperatura e caudal de insuflao com a Velocidade mdia do escoamento ....... 50

Ilustrao 3.6 - Variao do COP e das Potncias Trmica de Ventilao com o dimetro ................................. 52

Ilustrao 3.7 - Variao da Temperatura e Caudal de insuflao com o dimetro .............................................. 53

Ilustrao 3.8 - Variao do COP e das Potncias Trmica de Ventilao com o comprimento. .......................... 54

Ilustrao 3.9 - Variao da Temperatura e Caudal de insuflao com o comprimento ........................................ 54

Ilustrao 3.10 - Variao do Caudal insuflado com a Velocidade mdia do escoamento, para vrios dimetros

dos tubos ....................................................................................................................................... 56

Ilustrao 3.11 - Variao da Temperatura de Insuflao com a Velocidade mdia do escoamento, para vrios

dimetros dos tubos ....................................................................................................................... 56

Ilustrao 3.12 - Configurao do permutador de calor com arranjos de tubos em srie ...................................... 58

Ilustrao 3.13 - Evoluo da temperatura no interior do espao, no dia de arrefecimento de projeto num cenrio

de insuflao direta do ar exterior, sem climatizao .................................................................... 62

Ilustrao 3.14 - Evoluo da temperatura no interior do espao no dia de arrefecimento de projeto num cenrio

de insuflao pelo permutador de calor Terra-Ar, sem climatizao ............................................. 63

Ilustrao 3.15 - Evoluo da temperatura no interior do espao no dia de arrefecimento de projeto num cenrio

de insuflao direta do ar exterior, com climatizao .................................................................... 64

Ilustrao 3.16 - Evoluo da temperatura no interior do espao, no dia de arrefecimento de projeto num cenrio

de insuflao pelo permutador de calor Terra-Ar, com climatizao ............................................. 64

Ilustrao 3.17 - Perfil das necessidades de arrefecimento ativo no cenrio de insuflao do ar diretamente do

exterior ........................................................................................................................................... 65

Ilustrao 3.18 - Perfil das necessidades de arrefecimento ativo no cenrio de insuflao do ar pelo permutador

de calor Terra-Ar ............................................................................................................................ 65

Ilustrao 3.19 - Evoluo da temperatura no interior do espao, no dia de aquecimento de projeto num cenrio

de insuflao direta do ar exterior, sem climatizao .................................................................... 66

x

Ilustrao 3.20 - Evoluo da temperatura no interior do espao no dia de aquecimento de projeto num cenrio

de insuflao pelo permutador de calor Terra-Ar, sem climatizao ............................................. 67

Ilustrao 3.21 - Evoluo da temperatura no interior do espao, no dia de aquecimento de projeto num cenrio

de insuflao direta do ar exterior, com climatizao .................................................................... 68

Ilustrao 3.22 - Evoluo da temperatura no interior do espao no dia de aquecimento de projeto num cenrio

de insuflao pelo permutador de calor Terra-Ar, com climatizao ............................................. 68

Ilustrao 3.23 - Perfil das necessidades de aquecimento ativo no cenrio de insuflao do ar diretamente do

exterior ........................................................................................................................................... 69

Ilustrao 3.24 - Perfil das necessidades de aquecimento ativo no cenrio de insuflao do ar pelo permutador

de calor Terra-Ar ............................................................................................................................ 69

Ilustrao 3.25 - Evoluo da temperatura mdia diria no interior do espao, com insuflao pelo permutador de

calor Terra-Ar e com climatizao ................................................................................................. 70

Ilustrao 3.26 - Perda trmica introduzida no espao pelo sistema de ventilao............................................... 71

Ilustrao 3.27 - Ganho trmico introduzido no espao pelo sistema de ventilao ............................................. 72

Ilustrao 3.28 - Necessidades de aquecimento que o sistema de climatizao tem de satisfazer ...................... 73

Ilustrao 3.29 - Necessidades de arrefecimento que o sistema de climatizao tem de satisfazer..................... 73

Ilustrao 3.30 - Balano anual aos consumos de climatizao ativa ................................................................... 74

Ilustrao 3.31 - Balano anual aos consumos de climatizao ativa, em funo da estratgia de controlo ........ 76

Ilustrao 3.32 - Reduo efetiva do pico de potncia de aquecimento por alterao de horrio de funcionamento

....................................................................................................................................................... 78

Ilustrao 3.33 - Evoluo da temperatura do ar exterior numa semana quente de Vero ................................... 78

Ilustrao 3.34 - Temperatura do interior na sala numa semana quente de Vero Sem Free Cooling ................. 79

Ilustrao 3.35 - Temperatura do interior na sala numa semana quente de Vero Com Free Cooling ................. 79

Ilustrao 3.36 - Desagregao dos ganhos trmicos do espao no caso de insuflao direta do ar exterior ...... 80

Ilustrao 3.37 - Desagregao das perdas trmicas do espao no caso de insuflao direta do ar exterior ...... 80

Ilustrao 3.38 Desagregao dos ganhos trmicos do espao no caso de insuflao do ar pelo permutador

Terra-Ar ......................................................................................................................................... 81

Ilustrao 3.39 - Desagregao das perdas trmicas do espao no caso de insuflao do ar pelo permutador

Terra-Ar ......................................................................................................................................... 81

Ilustrao 3.40 - Ganhos trmicos pelos vos envidraados ................................................................................ 82

Ilustrao 3.41 - Perdas trmicas pelas superfcies opacas da envolvente .......................................................... 83

Ilustrao 6.1 - reas de implantao do novo espao e disponveis para o permutador .................................... A-1

Ilustrao 6.2 - Representaes grficas das solues construtivas para fachada, pavimento e cobertura,

respetivamente ............................................................................................................................. A-1

Ilustrao 6.3 - Planta do novo restaurante .......................................................................................................... A-2

Ilustrao 6.4 - Caractersticas dos vos envidraados da fachada Sul do Hotel ................................................ A-2

Ilustrao 6.5 - Evoluo da temperatura mdia diria do ar exterior ao longo do ano ........................................ B-1

Ilustrao 6.6 - Evoluo da temperatura exterior no dia de projeto de arrefecimento ......................................... B-1

Ilustrao 6.7 - Perfil constante da temperatura exterior no dia de projeto de aquecimento ................................ B-1

Ilustrao 6.8 - Variao do COP e das Potncias Trmica de Ventilao com o dimetro ................................ C-1

xi

Ilustrao 6.9 - Variao da Potncia Nominal de Arrefecimento com a Velocidade mdia do escoamento, para

vrios dimetros dos tubos ........................................................................................................... C-1

Ilustrao 6.10 - Variao da Potncia de Ventilao com a Velocidade mdia do escoamento, para vrios

dimetros dos tubos ...................................................................................................................... C-2

Ilustrao 6.11 - Variao do COP com a Velocidade mdia do escoamento, para vrios dimetros dos tubos . C-2

Ilustrao 6.12 - Consumos de Energia na semana quente de Agosto Sem Free Cooling .................................. C-3

Ilustrao 6.13 - Consumos de Energia na semana quente de Agosto Com Free Cooling .................................. C-3

xii

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Descrio das superfcies opacas da envolvente .............................................................................. 21

Tabela 2.2 - Descrio dos vidros da envolvente .................................................................................................. 21

Tabela 2.3 - Caracterizao das superfcies da envolvente .................................................................................. 22

Tabela 2.4 - Caracterizao da zona trmica ........................................................................................................ 24

Tabela 2.5 - Parmetros da simulao computacional .......................................................................................... 24

Tabela 2.6 - Perfil de ocupao do edifcio ........................................................................................................... 26

Tabela 2.7 - Caudais de Ventilao ....................................................................................................................... 27

Tabela 2.8 - Caracterizao do sistema de climatizao ...................................................................................... 28

Tabela 2.9 - Perfil de funcionamento do restaurante e sistemas de climatizao e ventilao ............................. 29

Tabela 2.10 - Dados de entrada requeridos pelo Earthtube .................................................................................. 31

Tabela 2.11 - Caractersticas trmicas dos tipos de solo disponveis no EnergyPlus ........................................... 31

Tabela 2.12 - Dados para clculo do perfil de temperaturas do solo em profundidade ......................................... 32

Tabela 2.13 - Descrio das variveis utilizadas para calcular a temperatura do solo em profundidade .............. 33

Tabela 2.14 - Descrio das variveis utilizadas para o clculo das resistncias trmicas do modelo ................. 34

Tabela 2.15 - Equaes para o clculo da temperatura de sada do ar dos tubos consoante o cenrio ............... 34

Tabela 2.16 - Listagem das variveis utilizadas pelo programa Pr-Processador ................................................ 37

Tabela 2.17 - Lista de variveis e mtodos de clculo das propriedades termofsicas do ar ................................ 39

Tabela 2.18 Coeficientes de perda de carga concentrada para troo vertical descendente .............................. 41

Tabela 2.19 - Coeficientes de perda de carga concentrada para troo vertical ascendente ................................. 43

Tabela 3.1 - Caractersticas do sistema ensaiado para avaliao da evoluo presso no sistema .................... 45

Tabela 3.2 - Resultados dos efeitos de aquecimento do ar pelo ventilador e da impulso trmica ...................... 47

Tabela 3.3 - Descrio dos parmetros mantidos constantes nos estudos paramtricos ..................................... 47

Tabela 3.4 - Descrio dos parmetros mantidos constantes no estudo paramtrico da velocidade do

escoamento de ar .......................................................................................................................... 49

Tabela 3.5 - Descrio dos parmetros mantidos constantes no estudo paramtrico do dimetro ...................... 51

Tabela 3.6 - Descrio dos parmetros mantidos constantes no estudo paramtrico do comprimento ................ 53

Tabela 3.7 - Desempenho dos tubos em arrefecimento para a temperatura extrema do ar entrada de 34C.... 57

Tabela 3.8 - Desempenho dos tubos em arrefecimento para uma temperatura mais comum do ar entrada de

26C ............................................................................................................................................... 57

Tabela 3.9 - Desempenho dos tubos em aquecimento para uma temperatura extrema do ar entrada de 4C .. 57

Tabela 3.10 - Desempenho dos tubos em aquecimento para uma temperatura mais comum do ar entrada de

11C ............................................................................................................................................... 57

Tabela 3.11 - Caractersticas geomtricas do sistema de tubos dimensionado .................................................... 58

Tabela 3.12 - Desempenho do permutador com configurao dos tubos alternativa, para uma temperatura do ar

entrada de 34C .......................................................................................................................... 59

Tabela 3.13 - Desempenho do permutador com configurao dos tubos alternativa, para uma temperatura do ar

entrada de 26C .......................................................................................................................... 59

Tabela 3.14 - Caractersticas geomtricas do tubo equivalente ............................................................................ 60

xiii

Tabela 3.15 - Comparao de resultados entre o modelo do Pr-Processador e o EarthTube do EnergyPlus .... 61

Tabela 3.16 - Condies do dia de arrefecimento de projeto ................................................................................ 62

Tabela 3.17 - Condies do dia de aquecimento de projeto ................................................................................. 66

Tabela 3.18 - Desempenho global do sistema de permutador de calor Terra-Ar .................................................. 74

Tabela 3.19 - Novo horrio de funcionamento do sistema de ventilao e aquecimento para evitar pico de

potncia ......................................................................................................................................... 77

xiv

Lista de Smbolos

Amplitude da temperatura superfcie do solo

Calor especfico do ar seco a presso constante

Dimetro dos tubos do permutador de calor

Taxa de transferncia de calor no tubo

Espessura da parede dos tubos enterrados

Fator de atrito

Constante de acelerao gravtica

Profundidade de instalao dos tubos enterrados

Condutibilidade trmica

Comprimento do tubo

Caudal mssico do escoamento

Massa molar

Nmero de tubos do permutador

Nmero de Nusselt

Presso parcial

Presso total do ar

Presso atmosfrica

Nmero de Prandtl

Constante universal dos gases perfeitos

Raio interior do tubo

Espessura da parede do tubo

Distncia a partir da parede exterior do tubo alm da qual se assume o solo como no-perturbado

Resistncia de conveco

Resistncia de conduo na parede do tubo

xv

Resistncia de conduo no solo

Resistncia total

Rcio de recuperao de potncia do ventilador

Nmero de Reynolds

Temperatura ambiente exterior

Temperatura de entrada do fluido nos tubos

Temperatura de sada do fluido dos tubos

Constante de desfasamento da temperatura superfcie do solo

Temperatura do solo profundidade de instalao dos tubos

Temperatura do solo distncia z de profundidade

Coeficiente global de transferncia de calor linear

Caudal volumtrico do escoamento

Velocidade do ar nos tubos

Frao mssica

Potncia eltrica do ventilador

Largura da rea disponvel para implantao do sistema

Frao volumtrica

Profundidade de instalao dos tubos

Difusividade trmica do solo

Viscosidade dinmica

Humidade absoluta exterior

Perda de carga concentrada

Perda de carga em linha

Comprimento de subdiviso do troo horizontal para clculo de transferncia de calor

Rugosidade do material constituinte da parede do tubo

xvi

Lista de Acrnimos

AVAC Aquecimento Ventilao e Ar Condicionado

CHL Corinthia Hotel Lisbon

COP Coeficiente de Performance

EAHE Earth-to-Air-Heat-Exchanger

HRV Heat Recovery Ventilation

LED Light-Emitting Diode

RSECE Regulamento dos Sistemas Energticos e Climatizao de Edifcios

UTA Unidade de Tratamento de Ar

VC Ventilo-convetor

1

1 Introduo

1.1 Enquadramento

O paradigma energtico atual, caracterizado pela instabilidade no abastecimento energtico e

volatilidade dos preos deste mercado, obriga a que as naes industrializadas, que se pretendam

qualificar como energeticamente sustentveis, comecem a reduzir os consumos energticos tanto

pela promoo de programas de racionalizao energtica como pela legislao de normas, a

cumprir pelos variados sectores econmicos.

Ilustrao 1.1 - Desagregao dos Consumos de Energia Primria nos EUA [1]

De acordo com Lawrence Berkeley National Laboratory [1] o sector dos edifcios

responsvel por 39% dos consumos de energia primria nos Estados Unidos da Amrica. Na Europa,

so fortes as presses para que o sector dos edifcios caminhe rapidamente para os edifcios com

necessidades quase nulas de energia (Nearly Zero-Energy Buildings). A atual Estratgia Europeia

para a Energia e o Clima, desenhada para responder aos desafios da segurana energtica, do

crescimento econmico e da luta contra as alteraes climticas, pretende reduzir em 20% as

emisses de gases com efeito estufa mediante a utilizao de 20% de energias renovveis e de um

aumento de 20% da eficincia energtica. Este objetivo transversal ao sector dos edifcios, e de

acordo com a Directiva 2010/31/EU [2] todos os estados-membros asseguram que at 31 de

Dezembro de 2020, todos os edifcios novos sero edifcios com necessidades quase nulas de

energia.

Estimativas recentes indicam que, luz do valor dos investimentos iniciais, bastante mais

rentvel investir em medidas de eficincia energtica do que em tecnologias de gerao de energia

atravs de recursos renovveis. Por exemplo, a substituio de uma instalao antiga de ar

2

condicionado (AVAC) num edifcio comercial existente por uma soluo mais eficiente, poupa ao

proprietrio cerca de 100 por tonelada de CO2 abatido, enquanto a integrao de um sistema

centralizado de painis fotovoltaicos impe um custo suplementar de 70 por cada tonelada de CO2

evitada [3]. Portanto, qualquer projeto rentvel de um edifcio com necessidades quase nulas de

energia dever passar por um maximizao das solues de eficincia energtica que se verifiquem

viveis e s depois avanar-se para medidas de gerao de energia com fontes renovveis.

Entre as medidas de eficincia energtica, o facto de os consumos devidos climatizao

dos edifcios representarem, em mdia (nos EUA), cerca de 42% dos consumos totais dos mesmos,

podendo ascender a valores superiores em regies com climas mais rigorosos e/ou edifcios com alta

exposio solar, confere s medidas de climatizao passiva um elevado potencial por explorar.

No presente trabalho estudou-se o potencial da implementao da medida passiva de

permutador de calor Terra-Ar para climatizao de um espao novo resultante da ampliao de um

edifcio existente. O edifcio em questo foi a propriedade do Corinthia Hotel Lisbon, um hotel de

grande dimenso localizado no centro de Lisboa, e no qual se implementou nos ltimos meses um

projeto inovador de eficincia energtica atravs de um contrato de desempenho financiado em

grande parte pela GALP Energia e com o acompanhamento do projeto feito pelo ISQ-Energia. Com

518 quartos e uma vasta oferta de salas tanto para reunies como para conferncias, o CHL o

maior hotel 5 estrelas de Portugal e est entre os 10 maiores da Europa.

Um hotel com estas dimenses trava-se, logicamente, com desafios energticos de grande

escala que se traduzem nas seguintes necessidades: aumento da autonomia energtica, reduo da

fatura energtica, reduo da exposio flutuabilidade das tarifas do mercado energtico e, de

acordo com a poltica defendida pelo grupo, reforo do posicionamento do hotel no mbito da sua

responsabilidade social e ambiental. Foram estes motivos que o levaram a abraar o projeto de

eficincia energtica anteriormente citado e a incorporar uma poltica de sustentabilidade transversal

a todo o hotel. Atualmente, o hotel tem assistido a uma crescente procura do seu restaurante para

organizao de eventos, a qual no satisfazvel com a capacidade atual do mesmo. Nesta

perspetiva, o hotel estudou a possibilidade de ampliar esse restaurante, tendo j o Pedido de

Implementao Prvia aceite pela Cmara Municipal de Lisboa. No seguimento do projeto de

eficincia energtica e seguindo a poltica de sustentabilidade defendida pelo hotel, procurou-se, no

estudo descrito neste documento, avaliar a viabilidade dos tubos enterrados para climatizao.

3

1.2 Objetivo e metodologia

O objetivo deste trabalho foi dimensionar um permutador de calor Terra-Ar para pr-

condicionamento do ar e avaliar o seu impacte sobre as necessidades de condicionamento trmico

do novo espao, quer fosse pela capacidade de satisfazer totalmente as necessidades de frio e calor

ou por permitir reduzir a potncia instalada de um eventual sistema ativo de climatizao.

Para avaliar as necessidades do novo espao, recorreu-se ao programa de simulao

energtica para edifcios EnergyPlus, o qual permite projetar sistemas de climatizao tanto ativos

como passivos e estudar os seus efeitos nos edifcios modelados. A limitao deste programa a nvel

da modelao de sistemas de permuta de calor do tipo Terra-Ar, conduziu a que se desenvolvesse

uma rotina de clculo para dimensionamento destes sistemas com a finalidade de se analisar a

influncia dos diferentes parmetros.

4

1.3 Reviso Bibliogrfica

Uma tcnica de climatizao passiva que tem sido utilizada recentemente com razovel

sucesso conhecida por Permutadores de calor Terra-Ar ou, na literatura inglesa, Earth to Air Heat

Exchanger (EAHE). tambm denominada Tubos Enterrados ou Subterrneos para Climatizao,

sendo as trs terminologias utilizadas no decorrer deste trabalho. Esta soluo consiste em fazer o ar

exterior passar por tubos instalados no subsolo, de forma a tirar partido das temperaturas que a se

verificam, por serem mais constantes (menos oscilantes) do que as do ar exterior. Devido elevada

inrcia trmica do solo, as flutuaes de temperatura na sua superfcie, exposta ao clima exterior, so

tanto mais amortecidas quanto maior a profundidade no solo. Alm disso, existe tambm um atraso

temporal entre as flutuaes superfcie e as que se verificam em camadas mais profundas.

Portanto, a uma profundidade suficiente a temperatura do solo consideravelmente mais baixa que a

do ar exterior no Vero e superior no Inverno. Quando o ar novo insuflado atravs dos tubos

enterrados, este arrefecido no Vero e aquecido no Inverno. Este princpio de funcionamento,

combinado ou no com outras solues passivas, pode substituir ou reduzir significativamente as

necessidades de condicionamento de ar ativo.

Embora no seja uma medida universalmente aceite, nem considerada vivel

independentemente das situaes (em todas situaes), esta tcnica, que remonta aos anos 70,

voltou a merecer interesse nos ltimos 10 anos devido ao efeito conjunto dos seguintes motivos:

necessidade de responder aos elevados custos decorrentes da climatizao dos edifcios, imposies

de caudais mnimos de ar novo (exterior) mais exigentes para garantia da qualidade do ar interior e

das presses para que se caminhe para edifcios com consumos quase nulos de energia. Este

recente interesse na soluo dos tubos enterrados tem resultado em trabalhos de investigao tanto

na rea experimental como de modelao cientfica e computacional. A evoluo dos programas

computacionais de simulao energtica dos edifcios faz emergir a necessidade de se construir

modelos de clculo para estimar o desempenho trmico dos tubos enterrados bem como o seu

impacte no edifcio. Neste captulo, faz-se uma reviso a alguns modelos desenvolvidos e existentes

na literatura que diferem em complexidade, hipteses consideradas e naturalmente nos resultados

alcanados.

No entanto, faz-se tambm uma reviso a casos de estudo implementados pois permitem

recolher informaes teis acerca do real potencial desta soluo, consideraes de montagem,

funcionamento e formas de controlo e experincias sobre a qualidade do ar insuflado.

Em termos de modelao, os principais aspetos a considerar consistem na estimativa da

temperatura do solo profundidade de instalao dos tubos e na sua utilizao como condio

fronteira no balano energtico ao tubo para calcular a transferncia de calor no tubo.

Genericamente, a temperatura do solo calculada em funo da temperatura exterior introduzindo-se

um fator de amortecimento da sua amplitude trmica que resulta em valores quase constantes a partir

5

de uma certa profundidade. O modelo para clculo da temperatura no perturbada do solo

apresentado por Kusuda et al [4], o modelo clssico, transversal maioria dos trabalhos

desenvolvidos nesta rea, e consiste numa funo que depende da temperatura mdia anual da

superfcie do solo, tempo em horas aps incio do ano, amplitude anual mdia da temperatura da

superfcie do solo, dia a que se verifica o valor mnimo anual da temperatura mdia diria e da

difusividade trmica do solo. O documento da norma europeia EN15241 [5] contm em anexo um

modelo simplificado de tubos enterrados, no qual a distribuio da temperatura do solo ao longo do

ano modelada por uma curva sinusoidal baseada na temperatura mdia anual do ar exterior.

Contudo, em relao temperatura do ar, a temperatura do solo corrigida em amplitude e

deslocada (devido inrcia trmica do solo que retarda o reflexo das condies exteriores no solo)

em funo da profundidade. As correes fazem-se pelo clculo de termos para amplitude e atraso

cujas funes so polinmios de 3 grau com a profundidade como varivel. Independentemente do

grau de simplificao ou complexidade dos modelos, o grau de humidade do solo sempre

considerado por afetar significativamente as caractersticas trmicas do mesmo.

1.3.1 Modelao

Quanto modelao das trocas de calor do solo para o ar no tubo podem-se utilizar desde

modelos de maior complexidade, transientes que contabilizam o sobreaquecimento do solo e a

possibilidade de calor latente associado condensao e evaporao no tubo, a modelos menos

avanados, estacionrios e que assumem que a temperatura da parede do tubo constante. Tzaferis

et al. [6] apresentam uma reviso de oito modelos de tubos enterrados classificando os algoritmos em

dois grupos:

1. Os algoritmos que consideram a conveco do ar no interior do tubo e a conduo no solo

envolvente. Os dados de entrada necessrios so os seguintes:

- Caractersticas geomtricas do sistema;

- Caractersticas trmicas do solo;

- Caractersticas trmicas do tubo;

- Temperatura no perturbada do solo durante a operao do sistema.

2. Os algoritmos que apenas calculam o fluxo de calor convectivo entre o ar circulante e o tubo. Neste

caso, os dados de entrada so:

- Caractersticas geomtricas do sistema;

- Caractersticas trmicas do solo;

- Temperatura da superfcie do tubo.

Seis desses modelos utilizam uma descrio unidimensional estacionria do tubo, permitindo

calcular a temperatura de sada a partir da de entrada no tubo. Em nenhum desses modelos

possvel contabilizar quer a influncia da capacidade trmica da Terra, quer a interao entre os

vrios tubos num arranjo. Um desses algoritmos divide o terreno envolvente dos tubos em elementos

6

cilndricos coaxiais, considera a resistncia trmica do mesmo temporalmente-dependente e divide o

tubo em segmentos, calculando a temperatura do ar sada de cada segmento. Noutro algoritmo o

balano de energia em condies estacionrias resolvido entre um ponto no perturbado no solo e

o tubo. Os autores concluem que os diferentes modelos conduzem a resultados comparveis, apesar

do facto de estes oferecerem mtodos de soluo e discretizao diferentes para as mesmas

equaes.

Os modelos unidimensionais revistos baseiam-se em hipteses bastante similares tais como:

Solo homogneo e isotrpico, trocas de calor latente desprezadas, e conduo desprezvel na

direo longitudinal (do escoamento) tanto no solo como na parede. As hipteses em que alguns

divergem consistem em considerar, ou no, as resistncias trmicas de conduo do tubo (pouco

influente pelo facto de ser bastante inferior resistncia trmica da conveco), e a conduo no

terreno envolvente. A condutibilidade do solo confere segunda hiptese um caracter mais

conceptual. Sendo esta baixa, a resistncia trmica que impe no deve ser desconsiderada, e o

facto de o fazer representa que se assume que a temperatura do terreno em contacto com o tubo a

temperatura no perturbada do solo quela profundidade. Logicamente esta hiptese pouco

conservadora e sobrestima o desempenho do sistema de tubos enterrados. Contudo, ter em conta a

condutibilidade do solo obriga a que se defina uma distncia no exterior dos tubos a partir da qual se

considere que o solo no perturbado pelos tubos. O valor dessa distncia no consensual mas

valores na ordem do raio do tubo so considerados razoveis [7]. Outros aspetos em que os modelos

variam so as correlaes utilizadas para clculo do coeficiente de transferncia de calor por

conveco e do fator de atrito (para o regime turbulento). Contudo, embora as correlaes sejam de

diferentes autorias, os resultados so comparveis pelo facto de as condies de funcionamento

(nmero de Reynolds) serem similares.

Modelos mais complexos tm tambm sido desenvolvidos, estando vocacionados para avaliar

o potencial real dos sistemas de tubos enterrados de uma perspetiva mais consistente em termos

tericos e permitindo alcanar resultados mais fidedignos. Contudo, o cdigo destes modelos est

reservado aos seus autores, e pela sua maior complexidade sobrecarregam em termos

computacionais as simulaes. Assim sendo, os projetistas optam por modelos unidimensionais e,

normalmente, estacionrios que no comprometem o dimensionamento dos sistemas. Os modelos

ditos mais complexos distinguem-se dos abordados at agora, por serem transientes, pela forma

como a geometria descrita (2D, 3D, coordenadas polares) e pela forma como incorporam as

variaes de humidade e efeitos consequentes tanto no solo como no ar. Por exemplo, Deglin D. et al

[8] desenvolveram um modelo no-estacionrio tridimensional de transferncias de calor para simular

as trocas de calor num sistema de tubos enterrados e combinaram-no com estudos experimentais

para analisar a influncia de vrios parmetros tais como: dimetro, comprimento, profundidade,

espaamento, tipo de solo e velocidade de passagem do ar). Neste modelo o tubo e solo circundante

so divididos em troos longitudinais, sendo cada troo dividido num nmero finito de cilindros

concntricos. A transferncia de calor do ar para o solo governada pela diferena de temperaturas

7

entre ambos, sendo a temperatura de cada superfcie cilndrica de solo calculada em cada passo-de-

tempo (anlise no-estacionria) a partir do balano de energia, aplicado s camadas em torno do

tubo. A condutibilidade do solo definida em funo da densidade do solo seco e da percentagem de

humidade do solo. Nos casos em que o solo atinja temperatura de congelao (0C), as variaes de

humidade e a energia associada ao calor latente so contabilizadas e a variao de temperatura da

camada calculada. A nica camada em que a transferncia de calor no calculada com a

condutibilidade do solo, a primeira camada de solo, imediatamente exterior ao tubo, em que se

considera a transferncia de calor por conveco, sob a hiptese de a espessura do tubo ser muito

fina e portanto a resistncia trmica e a acumulao de energia serem desprezveis.

1.3.2 Casos de Estudo e dados experimentais:

Os casos de estudo realizados para avaliao do potencial dos tubos enterrados na

climatizao de edifcios demonstram que, como qualquer outra medida passiva, a sua viabilidade

tcnica est bastante condicionada pelas condies atmosfricas exteriores e pelo tipo de construo

dos edifcios.

Desde casos em que o desempenho dos tubos enterrados considerado duvidoso, a casos

em que totalmente infrutfero, e a outros em que a experincia foi bem-sucedida, possvel

encontrar bastantes condicionantes a sistema que conduziram a esses cenrios, como se ir

apresentar de seguida. Um dos aspetos considerado de indispensvel ateno consiste nas

estratgias de controlo a utilizar para evitar situaes indesejadas tais como: aquecimento no Vero

ou arrefecimento no Inverno do ar insuflado, e sobreaquecimento do solo por falta de descanso

trmico. Assim sendo, os casos prticos de implementao deste sistema aparecem normalmente

acoplados a outras medidas passivas tais como o arrefecimento noturno (night cooling), a ventilao

natural (by-pass com o sistema de tubos) e aproveitamento da energia trmica do ar extrado num

recuperador de calor em aquecimento (HRV Heat Regenerative Ventilation). Mais, praticamente

consensual que esta tcnica bastante interessante como forma de amortizar o impacte dos picos

nas condies trmicas exteriores e dessa forma reduzir o sobredimensionamento dos equipamentos

ativos de climatizao.

na Europa Central que se concentra a maioria dos edifcios equipados com tubos

enterrados para climatizao, pelo tipo de climas a verificados, embora em Portugal j se tenha

tambm adoptado este sistema. Os edifcios nos quais se tem aplicado tubos enterrados variam

desde edifcios comerciais, de escritrios a residenciais, com resultados tambm bastante variveis,

como se passa a apresentar:

1) Weilheim, Alemanha [9]

Edifcio de escritrios de 1500 m2 com um sistema de 180 m de tubos enterrados sua volta

a 2 m de profundidade que foi monitorizado durante 3 anos com COPs mdios de 50, 35 e 38 nesses

8

anos, cobrindo 20% das necessidades de arrefecimento devido aos elevados ganhos trmicos

internos. A estratgia de controlo foi: em aquecimento, fazer by-pass dos tubos caso a temperatura

do solo fosse inferior temperatura do ar exterior, e em arrefecimento, fazer by-pass se a

temperatura da sala for inferior a 22C. Ainda assim, ganhos indesejados foram verificados quando as

temperaturas exteriores eram inferiores do solo no Vero.

2) Illinois, EUA [10]

Edifcio residencial PassivHaus construdo pelo arquiteto Katrin Klingenberg com um sistema

de tubos enterrados com 30 m de comprimento e 20 cm de dimetro. A casa inclui um HRV com

registos de controlo que selecionam entre dois sistemas possveis de condutas de insuflao,

dependendo da temperatura do ar exterior: se esta for baixa, o ar passa pelos tubos enterrados; se

for amena insuflada diretamente do exterior; se alta, novamente insuflada pelos tubos. Esta

estratgia de controlo no foi totalmente bem-sucedida, e, de acordo com [11], na segunda

PassivHaus em Illinois, no se avanou para um sistema de tubos enterrados, o que demonstra um

revs em termos de confiana nesta soluo.

3) Vila do Bispo, Portugal [12] e [13]

Caso de estudo de 3 casas do tipo vivenda, localizadas no sudoeste portugus, em que se

incorporou tubos enterrados para funcionar parte do dia (meio da tarde at incio da manh),

monitorizando o seu desempenho e impacte em termos de condies trmicas interiores. Os

resultados foram considerados parcialmente inconclusivos por terem sido registados apenas durante

6 meses (de meados de Julho a meados de Janeiro) e porque o terreno tinha sido perturbado

recentemente, logo no tinha tido tempo para assentar. No obstante, o estudo mostrou que o

sistema de tubos excelente a remover os mximos e mnimos da temperatura exterior diria,

conseguindo fazer a temperatura do ar variar no mximo: -11C em arrefecimento e +8C em

aquecimento. A potncia de arrefecimento mdia tinha sido estimada em 2.5 kW e a atingida foi

avaliada em 4.8 kW. O relatrio revela que a razo de se ter optado por no funcionar com o sistema

em contnuo foi para permitir a recuperao trmica do solo embora se diga que esta pode no ser

necessria. No se apresentam dados que comprovem esta necessidade no entanto o relatrio [12] e

[13] menciona um decrscimo do rendimento do sistema quando se usa o sistema vrios dias

quentes seguidos, devido ao sobreaquecimento do solo.

4) Lisboa, Portugal [14]

O edifcio SolarXXI, construdo em Lisboa no ano de 2006, considerado um edifcio

altamente eficiente luz da regulao portuguesa e combina vrias medidas passivas com

tecnologias de energias renovveis. Uma das solues passivas implementadas consiste na

insuflao de ar por tubos enterrados para pr-arrefecimento do ar, sendo este o nico mecanismo de

arrefecimento do edifcio. O sistema de tubos enterrados constitudo por 32 tubos de 30 cm de

dimetro e 15 m de comprimento, instalados a 4.5 m de profundidade onde a temperatura do solo

varia entre 13 - 19C, conferindo um bom potencial de arrefecimento do ar exterior no Vero. O ar

circula por conveco natural ou ventilao forada (cada tubo tem um ventilador de 30 W

9

associado). Nos dias de vero o ar insuflado nos gabinetes entre os 22 - 23 C, resultando num

decrscimo da temperatura interior de cerca de 2 - 3 C. A ventilao natural por infiltrao pela

fachada e cobertura desempenha um papel fundamental nas condies de conforto no interior,

principalmente quando promovida durante a noite no Vero, para remoo da carga trmica

acumulada durante o dia.

1.3.3 Consideraes gerais sobre a tecnologia:

A tecnologia de tubos enterrados pode ser utilizada tanto em aquecimento como em

arrefecimento. Contudo, o funcionamento em arrefecimento considerado, na maioria das vezes,

como mais interessante pelo facto de na situao de aquecimento, a recuperao de energia trmica

do ar extrado para o ar insuflado (HRV) ser uma tcnica bastante mais matura e sem problemas de

controlo. No obstante, mesmo em aquecimento, os tubos enterrados podem ser uma soluo

bastante til para evitar congelao no HRV quando os edifcios se localizam em climas muito

rigorosos. Em arrefecimento podem-se distinguir trs tipos de aplicaes dos tubos enterrados:

Arrefecimento para conforto, Arrefecimento de espao e Arrefecimento auxiliar [15].

No Arrefecimento para conforto, o sistema de tubos usado unicamente para aumentar o

conforto no espao, sem uma capacidade de arrefecimento predefinida. As aplicaes tpicas so

sistemas de ventilao de espaos com taxas de renovao do ar interior e ganhos trmicos internos

baixos, nos quais no existem outros sistemas de climatizao. Sendo assim, a temperatura do ar

insuflado pelos tubos normalmente inferior temperatura interior, pelo que a ventilao com os

tubos vai arrefecendo o espao e cumprindo os caudais mnimos de ar novo. Este sistema

particularmente eficiente para remover cargas trmicas exteriores.

No Arrefecimento de espao, a funo do sistema de tubos remover cargas trmicas

interiores atravs da ventilao, logo para elevadas valores destas cargas, um valor elevado de

caudal de ventilao necessrio. A capacidade de arrefecimento depende sobretudo da

temperatura exterior e das condies do solo. Sob cargas constantes, o desempenho do sistema

deteriora-se pela impossibilidade do solo recuperar a capacidade de arrefecimento (devido ao

sobreaquecimento). Sendo assim, como medida nica de arrefecimento, no geralmente suficiente

para remover nveis constantes de cargas trmicas elevadas. Valores experimentais apontam para

um mximo de 30-50 kWh/m2dia com uma taxa de 2 renovaes por hora. Assim que a temperatura

exterior desce abaixo dos 19C (por exemplo noite) deve-se aproveitar para insuflar diretamente

esse ar atravs de um by-pass aos tubos, com uma taxa superior a 4 renovaes por hora. Este

procedimento permite regenerar o sistema de tubos enterrados.

No Arrefecimento auxiliar, tal como o nome indica, o sistema de tubos assiste um sistema

mecnico (ativo) de arrefecimento, ou vice-versa. Caso haja picos de ganhos trmicos interiores,

10

estes podem ser absorvidos pelo sistema mecnico e o restante arrefecimento ser feito por meio de

ventilao com tubos enterrados. Caso as cargas trmicas sejam superiores, a ventilao e o

arrefecimento devem ser separados. Sendo assim, o sistema de tubos enterrados usado para

cumprir os caudais mnimos de renovao de ar, estabelecendo um pr-arrefecimento, enquanto as

restantes cargas trmicas so removidas por outro sistema de refrigerao.

Dois dos parmetros determinantes para o funcionamento satisfatrio do sistema de tubos

enterrados so o seu posicionamento e a sua dimenso. No que diz respeito ao posicionamento,

quanto mais profundo os tubos forem enterrados, maior o amortecimento da temperatura do solo em

relao exterior. No entanto, os custos com as escavaes tambm crescem com a profundidade

qual se instalam os tubos, portanto um compromisso entre estas duas variveis deve ser

estabelecido. Outro fator importante em termos do posicionamento consiste na distncia entre tubos

instalados. De acordo com o IEA Annex [15], estes devem estar afastados cerca de 1 metro sob pena

de haver interferncia trmica considervel caso a distancia seja menor. Todavia, no apresenta a

gama de valores de dimetros correspondente a este afastamento. necessrio ter tambm em

ateno as transferncias de calor pelo cho do edifcio quando os tubos so implementados por

baixo do edifcio.

Quanto dimenso do sistema, este dependente do caudal de ar de projeto e da rea de

implantao disponvel. Alm destes, h que considerar tambm a potncia de ventilao necessria

para se atingir o caudal de ar pretendido, visto que, medida que o comprimento dos tubos e

velocidade de passagem do ar aumentam, esta tambm aumenta. A mesma referncia bibliogrfica

[15] aponta para uma velocidade mxima de 2 m/s do escoamento para limitar as perdas de carga no

sistema. Quanto ao comprimento, o aumento deste parmetro implica geralmente um aumento do

dimetro para limitar as perdas em linha. Por outro lado, no projeto de tubos de grande comprimento

deve ser considerada a expanso trmica do equipamento.

Considerando os tubos enterrados uma medida de ventilao necessrio ter em ateno a

qualidade do ar insuflado. O ar entrada do tubo pode desde logo estar contaminado por partculas

suspensas, poluentes de ar no-volteis (plen, fungos e bactrias) e fumo de escape dos

automveis. Para reduzir-se a sua concentrao, aconselha-se a elevar o ponto de insuflao e a

colocar filtros de partculas, desde que a manuteno e limpeza que necessitam seja realizada. Outra

vantagem de afastar a insuflao do solo reduzir a temperatura do ar de entrada, no caso em que

se pretenda arrefecimento. Com este fim tambm comum colocar vegetao (inodora) nas

redondezas da entrada dos tubos assim como afast-la de superfcies com alta exposio solar. O

outro fator determinante para a qualidade do ar interior o crescimento de bactrias por acumulao

de condensados ao longo do tubo, embora, segundo a literatura, seja fcil evitar este problema

atravs do projeto, instalao, operao e manuteno apropriadas do sistema. O tubo deve

apresentar baixa rugosidade, de preferncia com revestimento anti-micro-organismos, alguma

11

inclinao para escoamento e evacuao de condensados num ponto inferior e junes seladas para

evitar que a humidade do terreno penetre, dentro do possvel, no sistema.

Em termos de manuteno, a maior ateno deve ser prestada aos filtros para garantir a

qualidade do ar interior atravs da sua limpeza ou substituio monitorizadas pela perda de carga ou

colmatao. A impossibilidade, ou elevada dificuldade, em reparar este tipo de sistemas obriga a que

no se avance para solues com maior probabilidade de falharem tais como espessura de tubos

mais finas. Pelo contrrio, todo o dimensionamento do sistema deve ter como objetivo um ciclo de

vida longo (>50 anos).

Concluses sobre os principais parmetros de projeto [8]:

Tipo de solo: A maior eficincia trmica alcanada por um solo saturado argiloso. Quanto

maior for a humidade do solo, maior ser a condutibilidade trmica e a transferncia de calor

latente no inverno.

Profundidade abaixo do nvel do solo: Quanto maior a profundidade, menor ser o efeito da

variao do ambiente exterior no solo, mas mais elevados sero os custos de instalao;

Dimetro do tubo: tubos de menor dimetro so termicamente mais eficientes mas impem

perdas de carga superiores e requerem instalaes maiores. Um compromisso deve ser

encontrado entre o custo da instalao e a sua eficincia trmica.

Velocidade de passagem do ar: a sua diminuio conduz a um aumento da eficincia trmica

e a diminuio das perdas de carga. Dependendo do valor de caudal de ar novo pretendido, a

diminuio da velocidade do ar tem de ser compensada por um maior nmero de tubos.

Comprimento dos tubos: este parmetro determina a eficincia trmica da instalao mas o

seu valor mximo encontra-se limitado pelo custo e perda de carga. Uma eficincia trmica

de 100% requereria um tubo de comprimento infinito.

1.4 Contribuio

Em relao aos trabalhos efetuados na rea e descritos no Captulo 1.3, o presente trabalho

apresenta as seguintes contribuies:

Desenvolvimento de uma ferramenta de Pr-Processamento das variveis com influncia no

desempenho do permutador de calor Terra-Ar para dimensionamento do arranjo ideal perante

os constrangimentos rea de implantao.

12

Esta ferramenta pretendeu dar resposta a duas limitaes do modelo Earthtube do

EnergyPlus: impossibilidade de modelar mais que um tubo de permuta, e analisar a potncia

de ventilao necessria para funcionamento do sistema. Sendo este modelo bastante

difundido, foram revistos vrios estudos paramtricos que careciam de versatilidade, ficando

bastante limitados aos parmetros desse modelo.

Finalmente, esta ferramenta permite analisar as trocas trmicas entre o ar e o solo pelos

mesmos algoritmos que o mdulo Earthtube. Sendo assim, uma vez identificado o

comprimento do tubo equivalente a um certo arranjo de tubos projetado no Pr-Processador,

pode-se utilizar todas as capacidades do EnergyPlus para estudar o impacte do permutador

dimensionado no funcionamento do edifcio, visto que esse tubo equivalente reproduz com

preciso o desempenho do sistema projetado ao longo do ano.

1.5 Organizao

No Captulo 1 enquadra-se o estudo de uma soluo passiva de climatizao na conjuntura

atual e na poltica de sustentabilidade defendida pelo proprietrio do edifcio que caso de estudo

neste trabalho, Corinthia Hotel Lisbon. Seguidamente, apresenta-se uma reviso bibliogrfica

tecnologia de tubos enterrados para climatizao, abrangendo a modelao, casos de estudo e

consideraes gerais sobre a mesma.

O Captulo 2 dedica-se apresentao dos modelos utilizados neste estudo, nomeadamente,

o modelo do edifcio construdo em EnergyPlus, o modelo Earthtube usado para avaliar as vantagens

deste tipo de ventilao, e por ltimo o modelo do Pr-Processador desenvolvido para o

dimensionamento do permutador de calor Terra-Ar.

No que diz respeito ao Captulo 3, nele que os resultados das anlises conduzidas so

apresentados. Em primeiro lugar, apresenta-se uma anlise paramtrica a trs variveis de projeto,

que culmina com o dimensionamento do sistema considerado ideal para o caso em estudo. De

seguida, apresenta-se a identificao desse modelo com um tubo equivalente do modelo Earthtube

que possibilitou as anlises subsequentes do desempenho do permutador no global do edifcio por

simulaes anuais e em dias de projeto conduzidas no EnergyPlus. No final do captulo, discutem-se

algumas estratgias de controlo que otimizariam o desempenho do sistema e desagrega-se as

cargas trmicas do edifcio pelo balano energtico ao mesmo.

No quarto captulo, so apresentadas as concluses acerca das vrias fases de estudo pelas

quais passou este projeto.

13

2 Modelao

Existem duas formas bsicas de se reduzir os gastos no consumo energtico dos edifcios:

por um lado, utilizando recursos de energia renovveis e, por outro, aumentando a eficincia

energtica do edifcio. Por forma a garantir um elevado nvel de eficincia energtica, o edifcio deve

ser projetado para ser mais econmico na sua utilizao de energia, nomeadamente, para AVAC,

iluminao e abastecimento de gua quente.

Aspetos relacionados com transferncia de calor, tais como a conduo trmica, os fluxos

convectivos, a radiao e os fluxos de massa pela envolvente, tm que ser contabilizados de forma

apropriada para simular o desempenho trmico do edifcio. Atravs de mtodos de simulao

computacional consegue-se melhorar a eficincia energtica de forma mais exata pelo facto de estes

permitirem modelar, com preciso, a interligao de elevada complexidade inerente aos fenmenos

mencionados. Para se conseguir perceber os princpios de conservao de energia e estratgias

operacionais, existe a necessidade essencial de estudar os fatores que afetam o desempenho

energtico e as caractersticas dos sistemas energticos do edifcio. Os programas atualmente

existentes encerram capacidades de simulao energtica detalhada do edifcio bastante evoludas,

oferecendo uma anlise extensiva e sistemtica desses fatores atravs de tcnicas de modelao

computacionais.

As simulaes computacionais so, genericamente, aceites pela maioria dos estudos para

avaliar as necessidades energticas dos edifcios. O Departamento de Energia dos EUA listou 410

ferramentas computacionais em todo o mundo com o intuito de simular, integralmente, os edifcios em

termos energticos [16].

Neste trabalho utilizaram-se duas dessas ferramentas computacionais, DesignBuilder e

EnergyPlus, tanto para simular o comportamento energtico do edifcio com solues clssicas de

climatizao como com solues passivas.

2.1 Introduo ao EnergyPlus e DesignBuilder:

O EnergyPlus um software de simulao energtica de edifcios para modelar o

aquecimento, arrefecimento, iluminao, ventilao e outros fluxos de energia nos mesmos. Esta

ferramenta nasceu da juno das capacidades e potencialidades dos dois programas de simulao

mais utilizados nos EUA durante muitos anos: BLAST (patrocinado pelo Departamento da Defesa

Americano) e DOE-2 (patrocinado pelo Departamento de Energia Americano), que divergem,

essencialmente, no mtodo de clculo das cargas trmicas. O primeiro utiliza a abordagem dos

fatores ponderados, enquanto o segundo utiliza a abordagem do balano energtico.

14

As capacidades de simulao do EnergyPlus abrangem desde timesteps menores que uma

hora, mdulos de sistemas e equipamentos energticos com simulaes em cada zona baseadas no

balano trmico, fluxos de ar multi-zona, conforto trmico, consumos de gua, ventilao natural at

sistemas fotovoltaicos. Outra das caractersticas desta ferramenta ser um software em cdigo-

aberto de estrutura modular que, deste modo, permite a adio de mdulos para modelar novas

situaes. Uma das limitaes do EnergyPlus consiste em no fornecer um interface grfico ao

utilizador. Para responder a esta limitao, foi mais tarde criado o programa DesignBuilder que

permite o utilizador criar um modelo grfico 3D do edifcio num ambiente informtico atrativo e a

utilizao de bases de dados meteorolgicas construdas para mais de 2000 localizaes mundiais. O

DesignBuilder recorre, contudo, a todos os modelos e mtodos de clculo implementados no

EnergyPlus, sendo portanto impossvel desassoci-lo do ltimo. Pelo contrrio, o EnergyPlus

funciona por si prprio, e o modelo do edifcio que utiliza pode ser descrito diretamente em cdigo ou

importado do DesignBuilder.

Para utilizaes correntes, o DesignBuilder suficiente para descrever todas as solues

normalmente implementadas, e, por conseguinte, a simulao do edifcio pode ser conduzida

unicamente neste ambiente. O tipo de informao resultante da anlise neste software resume-se ao

tipo de variveis normalmente consideradas relevantes para o projeto preliminar de edifcios:

consumos energticos associados ao aquecimento e arrefecimento em todas as estaes do ano,

valores mdios das temperaturas interior e das superfcies dos espaos analisados ao longo do ano,

entre outras. Outra das potencialidades deste programa a possibilidade de se utilizar bases de

dados de materiais nele integradas para a descrio da envolvente.

J o EnergyPlus permite o clculo das cargas nos balanos trmicos; clculos integrados de

cargas, sistemas e equipamentos no mesmo passo-de-tempo; e configuraes personalizveis pelo

utilizador para o sistema de AVAC. Alm de apresentar uma estrutura modular para tornar simples a

integrao de novos mdulos de simulao por parte de investigadores, os formatos dos dados de

entrada e sada do programa so elementares para facilitar o desenvolvimento de ferramentas

grficas de ps-processamento.

2.1.1 Mtodos de Clculos de Energia:

Genericamente, existem duas diferentes abordagens de modelao de edifcios e dos seus

sistemas de AVAC: a Clssica (forward) e a Inversa (Data-driven). Na primeira estratgia o objetivo

prever-se as variveis de sada de um determinado modelo com estrutura e parmetros conhecidos.

Pelo contrrio, na abordagem Inversa, as variveis de entrada e sada do modelo so conhecidas por

medio, e o objetivo determinar a descrio matemtica do sistema e estimar os seus parmetros.

Nesta estratgia, o sistema, ou edifcio, j se encontra fisicamente construdo e os dados do seu

desempenho esto disponveis para desenvolver, identificar ou validar o modelo. Contudo, a

15

abordagem clssica bastante mais usual dado o interesse para o projeto preliminar de sistemas, e

esta a estratgia implementada no EnergyPlus.

O primeiro passo na modelao a descrio fsica do edifcio, sistema ou equipamento de

interesse. Dessa descrio, para o caso dos edifcios, fazem parte a geometria, localizao

geogrfica, caractersticas fsicas (como por exemplo a espessura e material das paredes), tipo de

equipamentos e horrios de funcionamento, tipo de sistema AVAC, horrios de funcionamento do

prprio edifcio, entre outras informaes que procuram descrever, to fidedignamente quanto

possvel, o edifcio. Aliando as informaes anteriores s condies climatricas exteriores e

condies de conforto pretendidas para o interior do edifcio, possvel, atravs da abordagem

Clssica, estimar as necessidades de energia mdias e mximas do edifcio. A descrio do modelo

do edifcio em estudo neste trabalho apresentada mais frente.

Calcular as cargas trmicas sensveis instantneas de um espao trata-se de um passo

chave em qualquer simulao energtica de um edifcio. Como mencionado anteriormente, dois

mtodos para este clculo foram defendidos pelos departamentos de Defesa e de Energia dos EUA,

o mtodo do balano trmico e o dos fatores ponderados, respetivamente. Existe ainda um terceiro

mtodo, designado por rede-trmica (Thermal Network), embora este no se encontre

universalmente difundido. A carga trmica sensvel instantnea de um espao o fluxo de calor para

a massa de ar contida no mesmo. Esta grandeza, tambm conhecida como Cooling Load, difere dos

ganhos trmicos (Heat Gain) pelo facto destes inclurem, normalmente, uma componente radiativa

que atravessa o ar e absorvida pelas superfcies do espao. A carga trmica sensvel instantnea

de um espao inteiramente convectiva: sendo transmitida por conveco tanto na superfcie de

equipamentos, iluminao e ocupantes, como na superfcie das paredes do espao, as quais

absorvem a parcela radiativa da energia das cargas anteriores.

Ambos os mtodos, do balano trmico e dos fatores ponderados, quantificam a conduo

atravs de funes de transferncia para descrever os ganhos ou perdas trmicas pela envolvente. A

principal diferena entre os dois, o mtodo utilizado para o clculo da transferncia de calor para o

espao subsequente. De acordo com a experincia, os resultados so bastante semelhantes nos dois

mtodos, tendo os fatores ponderados no mtodo correspondente que ser, especificamente,

determinados para cada edifcio em anlise. Contudo, o mtodo do balano trmico uma

abordagem mais fundamental e portanto, este o mtodo utilizado no EnergyPlus. No obstante, a

utilizao deste mtodo envolve considerar as seguintes hipteses simplificativas para todas as

superfcies (paredes, janelas, teto e cho) do espao em estudo:

Temperatura na superfcie uniforme;

Radiao de altos e baixos comprimentos de onda uniforme;

Superfcies radiantes difusas;

Conduo de calor unidimensional.

16

Nos casos em que as hipteses simplificativas anteriores conduzam a um modelo com

preciso inferior desejada, apenas modelos CFD se apresentam atualmente como soluo

alternativa.

A abordagem do balano trmico aplica um volume de controlo na face exterior de cada

superfcie do edifcio, outro na face interior e um terceiro envolvendo o ar confinado em cada zona

trmica. As representaes grficas dos volumes de controlo so representadas nas Ilustrao 2.1 e

Ilustrao 2.2 [17].

Ilustrao 2.1 - Volume de controlo na face exterior da envolvente

Ilustrao 2.2 - Volume de controlo na face interior da envolvente

Nos balanos trmicos das superfcies, exterior e interior, as quatro e seis contribuies,

respetivamente, a atuar sobre os volumes de controlo tm de estar equilibradas para o princpio da

conservao de energia se verificar. Matematicamente pode-se formular equaes 2.1 e 2.2 para os

diagramas das Ilustrao 2.1 e Ilustrao 2.2, referentes s faces exterior e interior, respetivamente.

17

Em que:

o calor absorvido pela superfcie devido radiao solar (curto comprimento de onda),

o calor trocado pela superfcie com a vizinhana (incluindo o solo, o cu, o ar, outros

edifcios, vegetao, etc.) por radiao trmica (longo comprimento de onda),

o calor trocado entre o ar envolvente e a superfcie por conveco,

o calor conduzido pelos materiais da parede.

Em que:

o calor absorvido na face interior da superfcie devido radiao solar,

o calor absorvido pela superfcie devido radiao de curto comprimento de onda

proveniente das iluminao interior

o valor lquido de calor trocado entre a superfcie e as restantes superfcies da zona

por radiao trmica (longo comprimento de onda)

o calor absorvido pela superfcie devido radiao de longo comprimento de onda

proveniente dos ganhos trmicos interiores tais como pessoas, iluminao e equipamentos.

o calor trocado entre o ar da zona e a superfcie por conveco,

o calor conduzido pelos materiais da parede.

O balano trmico ao ar interior da zona sob estudo pode ser formulado de duas formas

distintas caso se contabilize, ou no, a acumulao de energia no prprio ar, ou seja, a sua inrcia

trmica. O diagrama com as contribuies trmicas para o ar apresentado na Ilustrao 2.3 [17].

Ilustrao 2.3 - Volume de controlo ao ar no interior da zona trmica

18

A formulao que no toma em considerao a inrcia trmica do ar descrita

matematicamente pela equao 2.3 de balano trmico:

Em que:

a transferncia de calor por conveco entre todas superfcies e o ar no volume de controlo,

a contribuio convectiva de calor dos ganhos internos tais como pessoas, iluminao

e equipamentos para o ar no volume de controlo,

o calor ganho ou perdido pelo ar devido infiltrao de ar exterior,

o calor fornecido ou retirado ao espao devido ao sistema de condicionamento de ar existente.

Na maioria dos casos a equao qusi-estacionria apresentada anteriormente adequada

para resolver o balano trmico ao volume de controlo. Contudo, caso se pretenda ter em conta a

acumulao de energia no ar, o balano trmico descrito pela equao 2.4.

Em que representa o produto entre a massa de ar no volume de controlo e o seu calor especfico a

presso constante, e as restantes variveis mantm as definies anteriores.

2.2 Modelo do Edifcio

O edifcio em anlise caracteriza-se por ser uma extenso do atual restaurante do Corinthia

Hotel Lisbon, atravs do qual se pretende aumentar a capacidade em 204 lugares sentados. Para a

elaborao do modelo de simulao trmica do edifcio, recorreu-se aos desenhos facultados e que

so apresentados no Anexo A, e a dados sobre as solues construtivas da fachada do hotel onde o

novo espao figurar.

2.2.1 Localizao geogrfica e condies climatricas

O edifcio em estudo ser construdo no atual jardim do Corinthia Hotel Lisbon, um hotel

localizado na cidade de Lisboa, na zona de Sete-Rios (38.75N, 9.15E, 57m) como se apresenta na

Ilustrao 2.4.

19

Ilustrao 2.4 - Localizao geogrfica do edifcio em estudo

Embora se tenha introduzido as coordenadas GPS atrs mencionadas na simulao, a

localizao na realidade definida pelas coordenadas do local onde foram feitas as medies

climatricas do ficheiro de dados climticos que se introduz para a simulao. No presente trabalho

utilizou-se o ficheiro disponibilizado pelo LNEG (ex-INETI) para a regio de Lisboa no qual se

estabelecem condies climatricas dirias para um ano tpico e condies extremas para projeto de

solues de climatizao. No Anexo B apresenta-se a distribuio da temperatura do ar exterior ao

longo do ano assim como em condies de projeto.

2.2.2 Modelo da Envolvente

O modelo da envolvente foi desenvolvido no programa DesignBuilder pela, j citada,

facilidade de modelao 3D em termos de interface grfica, tendo resultado no modelo se apresenta

na Ilustrao 2.6.

Ilustrao 2.5 - Desenhos 3D do projeto de ampliao do restaurante

20

Ilustrao 2.6 - Representao grfica do modelo construdo no DesignBuilder

A utilizao de uma verso experimental do DesignBuilder (tal como est patente na marca

de gua da Ilustrao 2.6) impossibilitou uma representao fidedigna da aparncia do edifcio pelo

facto de os materiais do programa, utilizados na fachada e cobertura, no terem o aspeto visual das

solues construtivas do hotel. Faz-se a ressalva, contudo, de que esses materiais no programa

correspondem s solues construtivas reais em termos de propriedades fsicas e trmicas.

A estrutura do novo edifcio do tipo prtico com os espaos entre pilares acabados em vos

envidraados do tipo porta. O facto de o edifcio estar orientado a Sul, ou seja, tendo elevada

exposio solar, obrigou a que se colocasse uma soluo do tipo pala na fachada com esta

orientao por forma a minimizar os ganhos trmicos devido radiao solar. A razo de se

posicionar essa pala a um nvel inferior altura do vo envidraado, consiste em promover

iluminao natural na sala. Devido altitude solar ser mais elevada durante a estao de

arrefecimento, a maior parte dos efeitos de aquecimento pela radiao solar so absorvidos pela pala

nesta estao.

A simulao trmica do edifcio requere, necessariamente, uma descrio de toda a

envolvente, nomeadamente, dimenses, geometria e propriedades trmicas e ticas macroscpicas

dos materiais que a constituem. Em termos de dimenses e geometria o edifcio ter uma geometria

simples retangular com cerca de 187 m2 (21,60 x 8,65 m) de rea til (interior) e um p direito de,

aproximadamente, 4 m. A escolha dos materiais para modelar a envolvente foi baseada nas solues

construtivas utilizadas na atual fachada do hotel onde ser acoplado este novo espao. Em termos

das superfcies opacas, tanto a alvenaria das paredes (pilares da estrutura prtico) como a

cobertura e o piso, so construdos em beto, diferindo ento no isolamento e acabamento. A Tabela

2.1 resume a composio dos trs tipos de solues utilizadas nas superfcies opacas da envolvente.

Representaes grficas destas solues construtivas podem ser vistas na Ilustrao 6.2, do Anexo

A.

21

Tabela 2.1 - Descrio das superfcies opacas da envolvente

Propriedade Pilares Cobertura Piso

2,339 0,620 1,162

Camada interior Material

Gesso

(Estuque)

Gesso

(Teto falso) Brita

Espessura 30 20 100

Camada 2 Material Beto Ar Beto

Espessura 300 200 150

Camada 3 Material - Beto Betonilha

Espessura - 200 40

Camada 4 Material - Betonilha -

Espessura - 40 -

Camada 5 Material -

Roofmate

XPS Poliestireno Extrudido -

Espessura - 30 -

Camada exterior Material Granito Vermelho

Leca

(agregado leve de argila)

Madeira

(pavimento)

Espessura 30 40 20

Por outro lado, os vos envidraados, que representam cerca de 65% na envolvente lateral

exterior do edifcio, foram modelados, com as limitaes inerentes ao programa, de acordo com as

especificaes dos atuais vidros utilizados na fachada Sul do hotel, cujas propriedades so

apresentadas na Ilustrao 6.4, do Anexo A. A Tabela 2.2 resume a constituio da soluo adotada

para as trs fachadas laterais exteriores do edifcio.

Tabela 2.2 - Descrio dos vidros da envolvente

Propriedade Vidros

1,563

Transmisso solar total 0,583

Transmisso solar direta 0,467

Transmisso de luz 0,666

Camada interior Material Clear glass

Espessura 6

Camada intermdia

Material Ar

Espessura 12

Camada exterior Material Clear glass

Espessura 6

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Alm da especificao de todos os materiais, o modelo exige que se defina algumas

propriedades das superfcies para avaliao trmica das mesmas. Na Tabela 2.3 apresentado um

resumo dessas propriedades, tanto para as superfcies opacas como para os vos envidraados do

edifcio em estudo.

Tabela 2.3 - Caracterizao das superfcies da envolvente

Superfcie/

Fachada

Soluo construtiva

rea (m2) Condio de

Fronteira Exterior

Exposio solar

Exposio ao Vento

Norte Envidraados 86.40 Adiabatic NoSun NoWind

Sul Pilares 27.44

Outdoors SunExposed WindExposed Envidraados 58.96

Este Pilares 13.54

Outdoors SunExposed WindExposed Envidraados 34.60

Oeste Pilares 13.54

Outdoors SunExposed WindExposed Envidraados 34.60

Cho Piso 186.84 Ground NoSun NoWind

Teto Cobertura 186.84 Outdoors SunExposed WindExposed

No que diz respeito modelao trmica da envolvente, os critrios de modelao anteriores

(condio de fronteira exterior, exposio solar e exposio ao vento) apresentam-se como os mais

relevantes. Juntamente com a soluo construtiva, que define o coeficiente de transmisso de calor U

(Tabela 2.1 e Tabela 2.2) e com a rea, as superfcies ficam termicamente identificadas, cumprindo

com os requisitos de utilizao dos algoritmos ASHRAE implementados no EnergyPlus.

Uma descrio exaustiva dos algoritmos pode ser consultada nas publicaes do software,

nomeadamente, EnergyPlus Input Output Reference Document [18] e EnergyPlus Engineering

Reference Document [19]. No obstante, dada a pertinncia para a explicao do modelo, apresenta-

se de seguida uma descrio superficial de cada uma das opes.

Condio de Fronteira Exterior:

Adiabatic - Para modelar superfcies internas na mesma zona trmica (mesmas condies de

conforto). Esta superfcie no transfere calor para fora da zona trmica, mas tem capacidade de

acumular calor por inrcia trmica da sua massa. Apenas a face interior da superfcie troca calor com

a zona (i.e. duas superfcies adiabticas seriam necessrias para modelar parties interiores onde

ambos os lados da superfcie esto a trocar calor com a zona). Uma vez que a superfcie Norte do

edifcio, na situao real, estar aberta para o restaurante existente, as condies de conforto sero,

partida, as mesmas e no haver trocas considerveis de calor. Como neste trabalho no se

modelou o espao existente do restaurante, mas apenas o novo espao, optou-se por modelar esta

superfcie Norte como adiabtica para no permitir trocas de calor com o exterior, j que, na

23

simulao, o exterior desta superfcie seria o meio ambiente, conduzindo a um impacte irrealista

sobre a zona. Visto que o modelo Adiabatic considera a inrcia trmica da superfcie, e na realidade

esta superfcie no existir, optou-se por model-la com uma soluo construtiva de Envidraados

por ter menor capacidade de acumulao trmica que qualquer das solues opacas consideradas.

Outdoors Para modelar superfcies expostas a condies de temperatura do meio ambiente

exterior. Est diretamente ligada aos modelos de Exposio solar e ao vento que so explicados

adiante. Utilizou-se este tipo de condio de fronteira para todas as superfcies em contacto com o

meio ambiente, que no caso do edifcio modelado so as fachadas Este, Oeste e Sul, e ainda a

cobertura.

Ground Para modelar superfcies em contacto com o solo. As temperaturas que este

modelo utiliza para a superfcie do solo so valores mdios introduzidos para cada ms. Neste projeto

considerou-se o valor por defeito do programa EnergyPlus, 18C, constante em todo o ano, e aplicou-

se este modelo superfcie do piso o edifcio.

Exposio solar:

As superfcies com exposio solar, fachadas laterais Este, Sul e Oeste, so modeladas

como SunExposed. Pelo contrrio, o piso e a fachada Norte, por serem superfcies interiores, no

esto expostas radiao solar e, portanto, so modeladas com NoSun.

Exposio ao Vento:

Homologamente exposio solar, as superfcies interiores no se encontram expostas ao

vento e so modeladas como NoWind, enquanto as exteriores so modeladas como WindExposed.

Contudo, especificar uma superfcie como NoWind acarreta vrias implicaes em termos de balano

trmico que pertinente ressalvar. Por um lado, utilizada a correlao para o coeficiente de

conveco exterior mais simples do ASHRAE com velocidade do vento nula. Por outro lado, uma vez

que o mtodo simples do ASHRAE no separa os valores da radiao de comprimento de onda longo

equivalente para o cu e solo, ao utilizar-se NoWind tambm se elimina as trocas por radiao de

longo comprimento de onda do exterior da superfcie em causa para o cu e solo. Sendo assim, o

nico mecanismo de transferncia de calor nestas superfcies conveco simples. Tendo em conta

que ambas as superfcies assim modeladas no presente estudo so o piso e a fachada Norte (interior,

logo sem interao radiativa com o solo e cu), pode-se considerar que esta hiptese est bem

fundamentada.

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As superfcies anteriores delimitam uma, e s uma, zona trmica, que em termos de

modelao no EnergyPlus fica definida pelos parmetros da Tabela 2.4.

Tabela 2.4 - Caracterizao da zona trmica

rea til (m2) 186,84

Altura do teto (m