Modelagem Computacional aplicada ao estudo de trocador de calor solo-ar com configuração geométrica complexa

Abstract

É possível aproveitar a energia solar como energia térmica através do uso de Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) para melhorar a condição térmica de ambientes construídos. Os TCSA são sistemas onde o ar ambiente é resfriado ou aquecido ao circular dentro de dutos horizontalmente enterrados. Esta troca acontece pela inércia térmica do solo, de modo que no verão o ar que sai do TCSA fique mais frio que o ar externo e mais quente no período do inverno. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo simular numericamente o comportamento térmico e fluidodinâmico do TCSA, permitindo a avaliação da influência da configuração geométrica da instalação no potencial térmico, no volume de solo ocupado e na perda de carga do TCSA. Para isso, foi simulado numericamente o caso de um TCSA com um duto reto, chamado de Instalação Referência. Após, foi realizado um estudo de espaçamento entre dutos paralelos, visando identificar uma distância mínima entre os mesmos que não afetasse, significativamente, o desempenho do TCSA. Com isso, foi identificado que um espaçamento mínimo entre dutos de 1 m pode ser adotado. Assim, mantendo constantes o diâmetro e o comprimento do duto da Instalação Referência, foram propostas vinte e seis instalações com configuração geométrica complexa para o TCSA. Essas instalações foram elaboradas visando a redução do volume de solo necessário para o funcionamento do TCSA, com a intenção de mostrar a aplicabilidade deste dispositivo em zonas urbanas. As simulações numéricas foram realizadas nos softwares GAMBIT e FLUENT (baseado no Método dos Volumes Finitos) empregando um modelo computacional tridimensional verificado e validado. Uma comparação de desempenho do TCSA entre todas as instalações com geometria complexa e a Instalação Referência foi feita, tendo como parâmetros o potencial térmico, o volume do solo e a perda de carga. Foi possível concluir que a Instalação 1 é a que possui melhor desempenho, pois apresenta uma diminuição de 2,18% no potencial térmico e um aumento de 5,37% na perda de carga com uma redução de 36,75% na porção de solo se comparada à Instalação Referência, viabilizando sua utilização em regiões urbanas.

It is possible to use solar energy as thermal energy through the use of Earth-air heat exchangers (EAHE) to improve the thermal condition of built environments. The EAHE are systems where the environment air is cooled or heated as it goes through horizontally buried ducts. This exchange takes place by means of soil thermal inertia, so that the air that leaves the EAHE becomes cooler than the external air in the summer and hotter in the winter. Thus, this work aims to numerically simulate the thermal and fluid-dynamical behavior of the EAHE, allowing the assessment of the influence of the installations geometrical configuration on the thermal potential, on the soil volume used and on the EAHEs pressure drop. In order to do this, one EAHEs case with straight duct, called Reference Installation, was numerically simulated. Afterwards, a study on the space between parallel ducts was carried out, aiming at identifying a minimum distance between them that would not significantly affect the EAHEs performance. With this, it was observed that a minimum space of 1 meter between ducts can be adopted. This way, by keeping constant the diameter and the length of the Reference installations duct, twenty six installations with complex geometrical configurations for the EAHE were proposed. These installations were elaborated aiming at the reduction of soil volume, necessary for the functioning of the EAHE, to show the applicability of this device in urban areas. The numerical simulations were done on the GAMBIT and FLUENT softwares (based on the Finite Volumes method) by using a verified and validated tri-dimensional computational model. A performance comparison of the EAHE between all installations with complex geometry and the reference installation was done, having as parameters the thermal potential, the soil volume and the pressure drop. It was possible to conclude that Installation 1 is the one which has the best performance, because it shows a decrease of 2,18% in the thermal potential and an increase of 5,37% in the pressure drop with a reduction of 36,75% in the soil portion if compared to the reference installation, making its use in urban areas viable.