Abstract:
O Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo constituído por dutos enterrados no solo através dos quais o ar é forçado a escoar. O ar que entra no duto pode trocar calor com o solo e sai do duto com uma temperatura mais amena em relação a sua temperatura de entrada. Em períodos quentes, o ar sofre resfriamento e, em períodos frios, o mesmo sofre aquecimento. O ar, então, troca calor com o solo, que por sua vez armazena energia térmica na sua camada superficial, sendo que esta energia é originária da radiação solar incidente na superfície terrestre, que é uma energia renovável. A principal finalidade do TCSA é proporcionar uma melhoria na condição térmica no interior de edificações, visando à redução no consumo de energia elétrica de equipamentos de condicionamento de ar tradicionalmente utilizados. A presente pesquisa sustenta-se sobre três pilares: o aprimoramento do modelo computacional de TCSA; a análise de desempenho do TCSA e o estudo de caso realizado. O objetivo geral desta pesquisa é melhorar o desempenho de TCSA em forma de "Y", por meio de um modelo computacional aprimorado, considerando um novo parâmetro de desempenho específico para este tipo de dispositivo, em um estudo de caso realizado no município de Rio Grande. Os principais destaques e contribuições desta pesquisa são: o desenvolvimento do Modelo Computacional Compacto (MOC) de TCSA; a criação do Indicador de Desempenho Energético (IDE) e o estudo de caso inédito do TCSA em forma de "Y", aplicado no município de Rio Grande. A simulação numérica, a técnica de caracterização do tipo de solo, o método de obtenção do perfil de temperaturas do solo e do ar, a técnica da Busca Exaustiva e o método Design Construtal são as principais ferramentas metodológicas empregadas neste estudo. Para aplicação do método Design Construtal, dois graus de liberdade são considerados no sistema para que o mesmo possa evoluir: a razão (L2/L1) e o ângulo Â, sendo que L2 é o ramo secundário, L1 é o ramo primário (da configuração em "Y") e  é o ângulo formado entre o ramo secundário e a direção horizontal. Enquanto a razão (L2/L1) assume os valores: 0,05; 0,10; 0,25; 5,50 e 11,50, os ângulos  admitidos são: 0º, 15º, 30º, 45º, 60º e 75º. Diversas instalações de TCSA são propostas e investigadas. Os resultados mostraram que: (a) é possível estabelecer um novo modelo computacional, validado e verificado, mais acurado, mais rápido e com capacidade de aplicabilidade em diversas regiões do planeta. Esse modelo é capaz de levar em consideração as características do tipo de solo local e dados reais ou realísticos de temperaturas do solo e do ar de uma determinada região. Nesta pesquisa, é adotado um procedimento desenvolvido para solução das equações de conservação, denominada de metodologia numérica de solução desacoplada dos fenômenos fluidodinâmicos e térmicos - DFT. Um novo critério de geração de malha com base em elementos hexaédricos para análise fluidodinâmica é definido; (b) o TCSA formado por L2/L1 = 0,05 e  = 30º é considerado o dispositivo ótimo, dentre os casos analisados, isto é, aquele que conduz a maximização do IDE do TCSA. Consequentemente, esse dispositivo conduz ao melhor desempenho energético do TCSA e (c) o TCSA aplicado em uma determinada localidade do município de Rio Grande, na profundidade recomenda de 1,00 m, pode render na economia de energia elétrica mensal de até 120 kWh (aquecimento), em períodos de frio, e de 75 kWh (resfriamento), em períodos de calor.
Earth-Air Heat Exchanger (EAHE) is a device consisting of ducts buried in the ground through which air is forced to flow. Air that enters the duct can exchange heat with the soil and leave the duct at a milder temperature than its inlet temperature. In hot periods, the air cools, and in cold periods, it warms. Air then exchanges heat with the soil, which in turn stores thermal energy in its surface layer, and this energy originates from solar radiation incident on the earth's surface, which is a renewable energy. The main purpose of EAHE is to provide an improvement in the thermal condition inside buildings, aiming at reducing the electric energy consumption of traditionally used air conditioning equipment. The present research is based on three pillars: the improvement of the computational model of EAHE; performance analysis of EAHE and case study. The general objective of this research is to improve the performance of Y-shaped EAHE by means of an improved computational model, considering a new performance parameter specific for this type of device, in a case study conducted in the city of Rio Grande. The main highlights and contributions of this research are: the development of Compact Computational Model (CCM) of EAHE; the creation of the Energy Performance Indicator (EPI) and the unpublished case study of Y-shaped EAHE, applied in the city of Rio Grande. Numerical simulation, soil type characterization technique, soil and air temperature profiling method, Exhaustive Search technique and Constructal Design method are the main methodological tools employed in this study. For application of the Constructal Design method, two degrees of freedom are considered in the system so that it can evolve: the ratio (L2/L1) and the angle Â, where L2 is the secondary branch, L1 is the primary branch (of the configuration in Y-shaped) and  is the angle formed between the secondary branch and the horizontal direction. While the ratio (L2/L1) assumes the values: 0.05; 0.10; 0.25; 5.50 and 11.50, the angles allowed are: 0º, 15º, 30º, 45º, 60º and 75º. Severalinstallations of EAHE are proposed and investigated. The results showed that: (a) it ispossible to establish a new computational model, validated and verified, more accurate, faster and capable of applicability in several regions of the planet. This model is able to take into account local soil type characteristics and real or realistic soil and air emperature data for a given region. In this research, a procedure developed for solving conservation equations is adopted, called numerical methodology of decoupled solution of fluid dynamic and thermal phenomena - DFDT. A new hexahedral element mesh generation criterion for fluid dynamic analysis is defined; (b) the installations of EAHE formed by L2/L1= 0.05 and  = 30º is considered the optimal device, among the analyzed cases, that is, the one that leads to the maximization of the EPI of EAHE. Consequently, this device leads to the best energy performance of the TCSA and (c) the EAHE applied in a particular locality of the city of Rio Grande, at the recommended depth of 1.00 m, can yield monthly energy savings of up to 120 kWh ( heating) in cold periods and 75 kWh (cooling) in warm periods.
