Análises paramétricas de trocadores de calor solo-ar acoplados a estruturas galvanizadas - Olivera, Marcos Rafael Burlón (2022)
Trocadores de calor solo-ar (TCSA) conectam o sistema de ventilação de um edifício a dutos enterrados, visando aproveitar a inércia térmica do solo para resfriar ou aquecer edificações. As capacidades de aquecimento e resfriamento de TCSA dependem de muitos fatores, como clima local, propriedades do solo e projeto da instalação. Este estudo busca avaliar o desempenho térmico de TCSA acoplando os dutos a aletas galvanizadas (com alta condutividade térmica) visando melhorar as trocas térmicas com o solo circundante. Em particular, este trabalho adota as condições do solo e clima (subtropical) da cidade gaúcha de Viamão, cujos dados associados foram obtidos da literatura referente a uma instalação experimental feita naquela localidade. As simulações utilizam um modelo analítico validado, conhecido pela sigla GAEA, o qual depende de estimativas das temperaturas do solo sem os dutos. Nessa dissertação, tais temperaturas são calculadas via resolução numérica da equação de conservação de energia, em regime transiente e em domínios bidimensionais, através de uma combinação dos métodos de elementos finitos e de diferenças finitas. A pesquisa começa avaliando diferentes configurações de aletas sugeridas pela literatura recente. Em cada caso, foram calculadas estimativas para o valor eficaz anual (RMS) do potencial térmico do solo. Assim, considerou-se como melhor resultado o que produziu maior valor RMS com menor custo de material. Em geral, observou-se também um aumento expressivo (de mais de 90%) na eficiência anual dos TCSA com a adoção das aletas. Logo, o trabalho prosseguiu com um estudo paramétrico, verificando as possibilidades de redução do tamanho do duto, mantendo taxas de eficiência superiores a 70%. Assim, os resultados mostram que se pode reduzir em quase metade o tamanho da instalação. Por fim, para melhorar a compreensão da fenomenologia, analisou-se o enriquecimento da condutividade térmica do solo ao redor dos dutos e como isso afeta o potencial térmico dos TCSA. Verificou-se que um aumento indiscriminado da condutividade térmica do solo pode não ser benéfica para os TCSA. Portanto, esse tema demanda mais estudos como os feitos aqui.