Estudo numérico de trocador de calor solo-ar considerando variação anual realística de temperatura do ar e da superfície do solo em região da Universidade Federal do Rio Grande-FURG

In order to improve the thermal condition inside built environments and consequently to reduce the consumption of electricity, the Earth-Air Heat Exchanger (EAHE) is a device that uses renewable energy from the solar radiation that reaches the soil surface and is deposited in the form of thermal energy. Its operating principle consists of forcing the ambient air to flow inside one or more ducts buried in the ground, which due to its thermal inertia allows the heat exchange with the flowing air. In this way, the soil removes heat from the air in seasons of higher temperatures, and provides heat to the air in seasons of the year when temperatures are lower. Thus, this work has the objective of analyzing numerically the thermal behavior of an EAHE installation, considering the soil of a region of the Federal University of Rio Grande (FURG), as well as the realistic annual temperature variation of air and surface for this region. Through a validated and verified computational model, numerical simulations were performed in Fluent software (based on the Finite Volume Method). The results indicated that the ideal installation depth for the EAHE is 2.00 m, with thermal potential for improving the thermal condition of environments built in both summer and winter.Com o propósito de melhorar a condição térmica no interior de ambientes construídos e, consequentemente, reduzir o consumo de energia elétrica, o Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é um dispositivo que utiliza a energia renovável proveniente da radiação solar que atinge a superfície do solo e é armazenada como energia térmica. Seu princípio de funcionamento consiste em forçar o ar ambiente a escoar no interior de um ou mais dutos enterrados no solo, que devido a sua inércia térmica permite a troca de calor com o ar em escoamento. Dessa forma, o solo retira calor do ar em estações do ano de temperaturas mais elevadas, e cede calor ao ar em estações do ano em que as temperaturas são mais baixas. Sendo assim, este trabalho tem o objetivo de analisar numericamente o comportamento térmico de uma instalação de TCSA, considerando o solo de uma região da Universidade Federal do Rio Grande (FURG), bem como a variação anual realística de temperatura do ar e da superfície do solo dessa mesma região. Através de um modelo computacional, validado e verificado, foram realizadas simulações numéricas no software Fluent (baseado no Método dos Volumes Finitos). Os resultados apontaram que a profundidade de instalação ideal para o TCSA é de 2,00 m, existindo potencial térmico para melhoria da condição térmica de ambientes construídos tanto no verão quanto no inverno

Numerical‐analytical study of earth‐air heat exchangers with complex geometries guided by constructal design

International audienc

Numerical investigation about the improvement of the thermal potential of an Earth-Air Heat exchanger (EAHE) employing the Constructal Design method

The Earth-Air Heat Exchanger (EAHE) is a device used to improve the thermal condition of built environments, allowing the reduction of electrical energy consumption of traditional air conditioner systems. Fundamentally, its operational principle is based on fluid mechanics and heat transfer, areas in which Constructal Design has been widely used to seek for the optimal geometries, i.e., which leads to the best performances. In spite of this fact, the employment of Constructal Design for improvement of the EAHE thermal potential has not been performed into literature. Therefore, the main purpose of this work is to perform a numerical investigation on different geometrical configurations of an EAHE using the Constructal Design to obtain the highest thermal potential. Results indicated that, for the same area occupied by the ducts and fixed mass flow rate of air, the increase of the number of ducts (complexity of geometry) improved the EAHE thermal performance up to approximately 73% for cooling and 115% for heating

Estudo numérico de desempenho de trocadores de calor solo-ar em cidades do Rio Grande do Sul

Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são equipamentos instalados em edificações com o intuito de redução no consumo de energia elétrica com sistemas tradicionais de condicionamento de ar. Seu princípio de operação é simples e consiste em dutos enterrados por onde o ar é forçado a escoar, sendo o solo o responsável por propiciar as trocas térmicas e amenizar a temperatura no ambiente edificado. No presente trabalho é estudado o comportamento de um TCSA em duto reto para três localidades distintas no estado brasileiro do Rio Grande do Sul: Rio Grande, Novo Hamburgo e Ibirubá. Ao final da análise, chegou-se à conclusão que o melhor desempenho foi para a cidade do Rio Grande, com um potencial térmico de aquecimento de 6,51 °C e de resfriamento de 5,95 °C. Além disso, foi possível observar que todas regiões apresentaram resultados considerados satisfatórios quanto ao desempenho térmico

ESTUDO DO POTENCIAL TÉRMICO DE TROCADOR DE CALOR SOLO-AR EM DOIS TIPOS DE SOLOS NO MUNICÍPIO DE RIO GRANDE (RS)

A engenharia contemporânea evolui no sentido do desenvolvimento de métodos e aplicações para utilização de energias renováveis visando minimizar ações danosas ao meio ambiente. O solo, por sua vez, desempenha importante papel no princípio físico de funcionamento do Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA), pois ora cede, ora absorve o calor para o ar, que escoa no interior dos dutos. Consequentemente, as propriedades termofísicas do solo influenciam no desempenho térmico do TCSA. Então, o objetivo deste trabalho é estimar o desempenho térmico do TCSA para dois diferentes perfis geotécnicos de solos considerados. Para isso, a modelagem computacional foi essencial para o desenvolvimento deste trabalho. Através dos resultados obtidos, foi constatado que, o TCSA, quando instalado em solo com característica argilosa, apresenta melhor desempenho térmico se comparado a uma instalação em solo arenoso. Também se constatou que nem sempre o potencial de resfriamento e aquecimento do TCSA aumenta com a profundidade de instalação do duto. O perfil geotécnico do solo tem influência fundamental no desempenho do TCSA, sendo necessário considerar suas características para um projeto adequado deste dispositivo. Dessa forma, a principal contribuição deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologia para avaliar distintos perfis de solo para modelagem de TCSA.Palavras-chave: Trocador de Calor Solo-Ar, propriedades termofísicas, potencial térmico

Methodology Allying Standard Penetration Test and Era-Interim Data Set for Numerical Simulations of Earth-Air Heat Exchangers

Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices installed on buildings to reduce electrical energy consumption with air conditioner systems. They consist of buried ducts where the air is blown and induces heat exchange with the surrounding soil. Computational modeling plays an important role in the study of EAHE. However, there is no welldefined methodology for the determination of soil characteristics and air and soil surface temperature boundary conditions for performing numerical simulations. Aiming to fill this gap, the main goal here is to develop a consistent and universal methodology to numerically simulate EAHE installations submitted to realistic soil and temperature conditions. It is proposed to combine the Standard Penetration Test (SPT) information and the Era-Interim reanalysis temperature data. In order to validate this methodology, the results obtained by a computational model based on the Finite Volume Method (FVM) were compared with experimental in-situ data reaching a mean error of 0.03 \ub0C, a root mean squared error of 0.93 \ub0C, a mean absolute percentage error of 4.20%, and a Pearson correlation coefficient of 0.98. The validation indicated that the proposed methodology could be adequately adopted for EAHE numerical simulations, allowing a reliable adoption of the soil characteristics assignment from SPT reports and the prescription as boundary conditions of inlet air temperature and soil surface temperature from ERA/Interim data