Abstract:
Atualmente, há um foco na busca por fontes de energia renováveis, bem como alternativas
para racionalizar o uso de energia elétrica. Neste sentido, o emprego dos
Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) se destaca devido ao seu baixo consumo de
energia. Basicamente, TCSA são sistemas nos quais o ar ambiente ´e aquecido ou
resfriado através da sua circulação em dutos enterrados. Isto ocorre pela inércia
térmica do solo, de modo que no verão este é mais frio que o ar externo, ocorrendo
o contrário no inverno. Nesta disserta¸c˜ao, foram feitas avaliações num´ericas
do potencial térmico do solo para a aplica¸c˜ao em projetos de TCSA, usando modelos
computacionais em duas e três dimensões. Deve-se destacar que este trabalho
contribuiu com a an´alise de novos modelos computacionais de TCSA, sendo um
bidimensional e dois tridimensionais, cujo tempo de processamento foi inferior a
50% de outros modelos encontrados na literatura. Um estudo de caso foi desenvolvido
onde a influência da profundidade de instalação no potencial térmico dos
TCSA foi investigada. As simulações foram realizadas utilizando o software FLUENT
que baseia suas aproximações no método de volumes finitos. O escoamento
turbulento no duto foi abordado com o modelo das tensões de Reynolds. Os resultados
do comportamento térmico do solo apresentaram uma excelente concordância
com soluções analíıticas mostrando a validade e eficiência dos modelos computacionais.
Os resultados numéricos dos modelos do solo também foram confrontados com os
experimentais previstos na literatura e mostraram uma concordância qualitativamente
satisfatória. A partir dos resultados numéricos obtidos, foi possíıvel avaliar
o comportamento anual do campo de temperatura no solo e no interior do duto.
No estudo de caso constatou-se que o potencial de resfriamento e aquecimento do
ar aumenta com a profundidade de instalação dos dutos. Porém, a partir de 3m
de profundidade, a temperatura de saída do ar teve um comportamento com pouca
variação, não havendo ganho significativo em fazer escavações mais profundos. Para
o resfriamento do ar, em particular, os resultados apontam que até mesmo dutos
enterrados a pequenas profundidades podem ser eficazes.
Nowadays, there is an increasing need for the development of renewable sources
of energy as well as energy saving techniques and equipments. In light of this
context, the Earth-to-Air Heat Exchangers (EAHE) stand out due to its low energy
consumption. Basically, EAHE is an air condition system in which the air is either
cooled or heated by circulating in buried pipes. This is due to the ground thermal
inertia, that is, in the summer it is colder than the external air, while the opposite
happens in the winter. This dissertation provides numerical investigations for the
ground thermal potential aiming to apply them to the design of EAHE. Two and
three-dimensional computational models are accessed and solutions for the ground
thermal behavior are achieved. It should be highlighted that this work contributes
to the analysis of new EAHE computational models: a two-dimensional one, and two
three-dimensional ones, whose processing time is less than 50% than other models
find in the literature. This research supplies a case study to evaluate the depth
influence over the thermal potential of EAHE. The simulations were performed in
the software FLUENT, which is based on the finite volume method. The results
for the soil thermal behavior strongly agree with analytical solutions, validating the
computational models. The same results were also compared with experimental
ones, given in the literature. It was achieved a satisfactory qualitative agreement
between them. From the numerical results achieved, it was possible to access the
annual thermal fields in the ground and around the pipes. The case study suggests
that the cooling and heating potential increases with the depth in which the pipes
are installed. However, there was no significate advantage to bury the pipes 3m
under the soil.
