Abstract:
O Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo constituído por um ou mais dutos enterrados no solo, por onde o ar é forçado a escoar. No processo de troca de calor entre o ar e o solo, o ar sai do TCSA com uma temperatura mais amena em relação à sua temperatura de entrada, podendo ser utilizado para a melhoria da condição térmica de edificações. A partir de um TCSA com duto reto (uma entrada e uma saída) adotado como referência, diferentes configurações geométricas de um TCSA com formato T (uma entrada e duas saídas) foram propostas através do método Design Construtal. O objetivo deste trabalho é aliar a modelagem computacional ao método Design Construtal visando a minimização do volume de solo ocupado pelas instalações de TCSA, a maximização do seu potencial térmico e a minimização da perda de carga do escoamento. Os graus de liberdade considerados relacionam o comprimento do ramo bifurcado com o comprimento do ramo principal (L1/L0) e o diâmetros desses ramos (D1/D0). Simulações numéricas realizadas no software FLUENT, baseado no Método dos Volumes Finitos (MVF), permitiram avaliar o potencial térmico do TCSA, enquanto a perda de carga e o volume de solo foram determinados analiticamente. Com o auxílio do método da Busca Exaustiva, os resultados de todas as configurações geométricas foram comparados entre si, de modo a realizar uma otimização geométrica. Os resultados indicaram que à medida que a razão D1/D0 aumenta (casos em que D1>D0) e com L0>L1 o potencial térmico é maximizado. Deste modo, a instalação definida por razões (D1/D0)o=1,5 e (L1/L0)oo=0,5 maximiza o potencial térmico em aproximadamente 21% se comparado à Instalação Referência. A instalação definida por razões (D1/D0)o=0,5 e (L1/L0)oo=7,0 minimiza o volume de solo ocupado em, aproximadamente, 23%. No entanto, há baixa influência do grau de liberdade D1/D0. A perda de carga do escoamento é reduzida em torno de 67% pela instalação definida por (D1/D0)o=1,25 e (L1/L0)oo=7,0. Além disso, a perda de carga só é minimizada nos casos em que a velocidade do escoamento se divide pela metade ou diminui após a bifurcação dos dutos, ou seja, casos em que D0=D1 ou D1>D0. Ao considerar os três parâmetros simultaneamente, a instalação definida por D1/D0=1,5 e L1/L0=7,0 apresenta melhor desempenho.
An Earth Earth-Air Heat Exchanger (EAHE) is a device consisting of one or more buried ducts in the soil, through which the air is forced to flow. In the heat exchan ge process between air and soil, the air leaves the EAHE with a milder temperature relative to its inlet temperature and can be used to improve the thermal condition of buildings. From an EAHE with a straight duct (with one inlet and one outlet) adopted as reference, different geometric configurations of a T T-shaped EAHE (with one inlet and two outlets) were proposed using the Constructal Design method. The objective of this work is to combine computational modeling with the Constructal Design method aiming to minimize the soil volume occupied by EAHE installations, maximize their thermal potential and m inimize the pressure drop. The degrees of freedom considered relates to the length of the bifurcated branch to the length of the main branch (L1/L0) and the diameters of these branches (D1/D0). Numerical simulations performed in the FLUENT software, based on the Finite Volume Method (FVM), allowed to evaluate the thermal potential of the EAHE, while the pressure drop and soil volu me were analytically determined. With the aid of the Exhaustive Sea rch method, the results of all geometric configurations were compared with each other to perform a geometric optimization. The results showed that when L0>L1 and the ratio D1/D0 increases (cases when D1>D0), the thermal potential is maximized. Thus, the configuration defined by (D1/D0)o=1.5 and (L1/L0)oo=0.5 maximize the thermal potential by 21% compared to the Reference Installation. Installation defined by (D1/D0)o=1.5 and (L1/L0)oo=0.5 minimize the occupied soil volume by approximately 23%. However, there is little influence of the degree of freedom D1/D0. The pressure drop is reduced by 67% when (D1/D0)o=1.25 and (L1/L0)oo=7.0. Also, the pressure drop is only minimized in cases where the flow velocity is halved or decreases after bifurcation of the ducts, i.e., the cases when D0=D1 or D1>D0. Considering the three para meters simultaneously, the installation defined by D1/D0=1.5 and L1/L0=7.0 has the best performance.
