PROJETO DE PISO RADIANTE COM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA SOLAR PARA CONFORTO TÉRMICO DE AMBIENTES

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1 PROJETO DE PISO RADIANTE COM UTILIZAÇÃO DE ENERGIA SOLAR PARA CONFORTO TÉRMICO DE AMBIENTES Egon Vettorazzi (1) ; Joaquim C. Pizzutti dos Santos (1) ; Madalena Russi (1) (1) Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil Universidade Federal de Santa Maria, Brasil egon.arquiteto@gmail.com; joaquim@smail.ufsm.br; madalenarussi@gmail.com Resumo O presente trabalho visou desenvolver o projeto de um sistema de calefação por piso radiante com a utilização de energia solar e a água como fluído térmico. Esse sistema é dividido em três principais subsistemas: o de captação (SSC), o de armazenamento (SSA) e o subsistema de liberação da energia térmica (SSL). Foram definidos os materiais adequados quanto às características térmicas para utilização, sendo posteriormente elaborado um modelo matemático que permitiu a simulação computacional para analisar o desempenho térmico do sistema proposto. Para o armazenamento da energia térmica foi utilizado um depósito de água quente industrializado convencional. O subsistema de liberação possui o diferencial de ser construído em módulos pré-moldados, que possibilitam sua inclusão depois da edificação construída, não sendo necessário que o sistema seja utilizado em toda área do piso. Os subsistemas de captação e de liberação desenvolvidos foram detalhados através de plantas e cortes, e simulados computacionalmente. O subsistema de captação foi proposto como parte de uma pavimentação externa da edificação, demonstrando que em um dia de inverno na cidade de Santa Maria - RS, com uma área de coleta de 8m², é possível deixar 1m² do ambiente interno de uma edificação em condições próximas à temperatura de conforto no inverno (21ºC). Utilizando um coletor plano tradicional, comercialmente disponível, é possível ultrapassar a temperatura de conforto com apenas 3m² de área de coleta. Esses resultados servem como parâmetro para o desenvolvimento de tecnologias inovadoras, que levem a uma maior sustentabilidade da construção civil. Palavras-chave: piso radiante; energia solar; conforto térmico. Abstract This work aimed develop an underfloor heating system using solar energy and water as heat transfer fluid. This system is divided into three main subsystems: capture (SSC), storage (SSA) and release of thermal energy (SSL). Suitable materials were chosen due to usage thermal characteristics. Subsequently, a mathematical simulation model was developed in order to analyze the thermal performance of the proposed system. As storage subsystem, a conventional, industrial hot water tank was used. The release subsystem is built of precast modules, which enable their inclusion after the building has already been constructed. It is not necessary to be used at all the floor area. Subsystems of capture and release were developed and detailed in a blueprint, and simulated computationally. The capture subsystem was suggested as part of the outdoor pavement. In only one winter day in the city of Santa Maria - RS, with a collection area of 8m², it is possible to turn 1m² of the indoor environment close to winter comfort temperature (21 ºC). Using a traditional flat collector, commercially available, it is possible to overcome the comfort temperature with just 3m² of capture material. These results can be used as parameter for the development of innovative technologies that will lead to more sustainability in construction. Keywords: underfloor heating, solar energy, thermal comfort. 3265

2 1. INTRODUÇÃO As fontes de energia renováveis apresentam-se como uma boa solução para atender ao crescimento do consumo mundial de energia e, dentre essas formas, destaca-se a energia solar. A energia solar nunca foi aproveitada de forma eficiente se comparado às outras fontes de energia (ALDABÓ, 2002). No Brasil, especialmente nas regiões mais frias, há uma carência de tecnologias para aquecimento eficiente do interior da edificação no período de temperaturas mais baixas. Atualmente existem diversos sistemas comerciais de condicionamento térmico, porém, a maioria não consegue aliar baixo custo, conforto térmico e preservação ambiental. Segundo Larsen et al. (2007), o uso de pisos radiantes tem se intensificado devido, principalmente, a três razões: é mais confortável do que os sistemas de aquecimento convencional; permite a economia de 15 a 30% de energia se comparado a um sistema tradicional, porque a temperatura do ar no ambiente pode ser reduzida em cerca de 2 C, sem afetar o conforto térmico (GIVONI, 1976), e a qualidade do ar não é afetada por poeira ou problemas de umidade. O sistema de aquecimento de ambientes através de piso radiante tem bom desempenho em termos de conforto térmico e o uso da energia solar para dar efetividade ao sistema tem um custo reduzido perante outras formas de energia disponíveis. Este trabalho se justifica pelo desenvolvimento de um sistema que possui os benefícios supracitados de um sistema de piso radiante, sendo este de boa aplicabilidade para as construções. Este é um sistema inexistente na literatura científica brasileira e por suas características, é um trabalho de grande relevância para a melhoria do conforto térmico em edificações de clima semelhante ao da gleba estudada. 2. OBJETIVO Desenvolver o projeto de um sistema de calefação através de piso radiante com aproveitamento da energia solar, para uso nos períodos frios na cidade de Santa Maria - RS. 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Aquecimento de pisos por circulação de água quente O sistema de aquecimento radiante mais utilizado é o por circulação de água quente sob o piso (OLESEN, 2002). Sua principal vantagem é a possibilidade de ser mantido por diversas fontes de energia, dentre elas: gás, eletricidade, bombas de calor elétricas e energia solar. Água quente circula por esses tubos, com temperatura normalmente entre 25 e 30 C. Este sistema inclui dois trocadores de calor, um entre a fonte de calor e a água e outro entre a água e o ambiente Características do clima da cidade de Santa Maria - RS Conforme a norma NBR (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005), o Brasil é dividido em oito zonas bioclimáticas. A cidade escolhida para o cálculo do desempenho do sistema de calefação com energia solar, proposto neste trabalho, é Santa Maria RS. A cidade é localizada na região central do estado do Rio Grande do Sul, possui latitude de 29,68 S e longitude 53,82ºO. Está situada na Zona Bioclimática 2 Brasileira (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005), com clima caracterizado por estações climáticas bem definidas, com grande amplitude térmica ao longo do dia e do ano. 3266

3 O gráfico da Figura 1 apresenta dados de radiação solar fornecidos pelo programa computacional Radiasol do Laboratório de Energia Solar da UFRGS (RADIASOL, 2001). Este programa computacional utiliza os dados do projeto Solar and Wind Energy Resource Assessment - SWERA. Legenda Radiação Média (kwh/m²) Global Horizontal Componente Direta Componente Difusa Inclinada Meses Figura 1 - Radiação Média (kwh/m²/mês) em uma superfície horizontal para a cidade de Santa Maria-RS Fonte: RADIASOL, METODOLOGIA O projeto proposto de piso radiante é composto por três subsistemas: subsistema de captação (SSC); subsistema armazenamento (SSA); e subsistema de liberação (SSL). A Figura 2 ilustra esquematicamente o sistema de piso radiante completo, composto pelos três subsistema citados. Figura 2 - Sistema de piso radiante completo, composto pelos três subsistemas (SSC, SSA e SSL). 3267

4 A metodologia para o desenvolvimento dos três subsistemas são baseados nos seguintes procedimentos: modelagem matemática dos sistema de piso radiante proposto; simulação computacional; e detalhamento do projeto do sistema completo de piso radiante Modelagem matemática A modelagem matemática é dividida em três procedimentos principais: cálculo da carga térmica; cálculo da temperatura da água ideal no SSL; e modelagem matemática do sistema de calefação por piso radiante Cálculo da carga térmica Para o dimensionamento do sistema de piso radiante é preciso ter uma edificação modelo para o cálculo da carga térmica necessária para atingir a temperatura de conforto no interior da edificação. Foi elaborado um projeto modelo de edificação residencial com 51,12 m² e com características construtivas típicas da região da cidade de Santa Maria RS. A Figura 3 apresenta o projeto esquemático do modelo que foi adotado para o cálculo de carga térmica e dimensionamento do sistema de piso radiante. Figura 3 Planta baixa, corte e perspectiva da edificação utilizada para calculo da carga térmica. O valor do pico real de carga térmica de um ambiente é muito difícil de ser obtido isso, devido aos fatores ambientais e da estrutura a ser condicionada, tal como uma diferença de temperatura interna e externa para o cálculo do ganho de calor, coeficientes e a inércia térmica da estrutura. Sendo assim, os valores de carga térmica costumam ser estimados pelos 3268

5 projetistas. Para esta estimativa é preciso definir as condições internas e externas da edificação, a NBR 6401 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1980), apresenta estas recomendações para várias localidades do Brasil, incluindo a cidade de Santa Maria - RS, de acordo com a finalidade dos ambientes condicionados. O procedimento de cálculo da carga térmica também deve considerar alguns aspectos físicos do recinto a ser condicionado. Esse cálculo fornece a quantidade de energia que é ganha ou perdida pela edificação, possibilitando assim saber o quanto de energia de aquecimento ou resfriamento precisa complementar para deixar a edificação em conforto. No cálculo da carga térmica foi utilizada como referência a equação geral de transferência de calor, adaptada de Santafe e Lahuasi (2008): Q res = Q gan + Q ger Q per [Eq. 01] Onde: Q res - Energia resultante no interior da edificação; Q gan - Calor que entra ao ambiente por meio de convecção e radiação dos planos (paredes e laje); Q ger - Energia liberada pelas pessoas, luzes e equipamentos eletrônicos do local; Q per - Energia perdida pelos fechamentos: paredes, tetos, janelas e portas Cálculo da temperatura da água ideal do subsistema de liberação SSL O objetivo principal desse cálculo é encontrar a temperatura da água ideal no sistema para que 1m² da edificação fique em conforto, conforme dados fornecidos pelo cálculo da carga térmica. Para o cálculo foram adotadas as temperaturas apresentadas na Tabela 1. A temperatura interna de conforto e a temperatura externa constam na norma NBR (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1980) e o valor da temperatura interna foi estimado como ponto de partida dos cálculos. Nomenclatura Temperatura ( o C) Temperatura Interna t i 13,0 Temperatura Interna de conforto t ic 21,0 Temperatura Externa t e 3,0 Tabela 1 - Temperaturas utilizadas nos cálculos. Fonte: NBR , As equações utilizadas para o cálculo da temperatura na superfície do piso (Q T ) são: Onde: Q C - Calor de convecção, [W]; Q R - Calor da radiação, [W]. Q T = Q C + Q R [Eq. 02] Depois de calculado a temperatura superficial do piso, foi feito o cálculo da temperatura da água ideal. Para tanto foi calculada a temperatura dos materiais componentes do sistema com o uso da seguinte fórmula geral: 3269

6 [Eq. 03] Onde: t s - Temperatura superficial, [ C]; Q -1 - Quantidade de calor da camada anterior, [W]; - Energia Interna final (energia por unidade de massa), [J/Kg]; A Área, [m 2 ]; t s-1 - Temperatura na superfície anterior, [ C]. Com a aplicação desse cálculo a todas as camadas de materiais, utilizados na composição do SSL, foi obtido a temperatura da água ideal Modelagem matemática do sistema de calefação por piso radiante Para a realização da modelagem matemática foi necessário realizar algumas considerações e simplificações, viabilizando assim o equacionamento e possibilitando uma simulação computacional. A primeira simplificação realizada foi assumir que as perdas e ganhos térmicos que ocorrem na tubulação são desprezíveis, visto que as tubulações possuem isolamento e o volume total de água contido nas tubulações é mínimo se comparado ao volume do reservatório térmico. A Figura 4 representa os fluxos de água no sistema. Figura 4 Fluxo de água no sistema de piso radiante. Sendo: Fo - Fluxo de água que circula do SSA para o SSC, [m 3 /s]; F 1 - Fluxo de água que circula no SSA para o SSL, [m 3 /s]; F 2 - Fluxo de água que circula do SSC para o SSA, [m 3 /s]; F 3 - Fluxo de água que circula do SSL para o SSA, [m 3 /s]; T 1 - Temperatura da água no SSA, [K]; 3270

7 T 2 - Temperatura da água no SSC, [K]; T 3 - Temperatura da água no SSL, [K]. O modelo gerado apresenta as seguintes equações fundamentais: [Eq. 05] [Eq. 06] [Eq. 07] Nas equações (05), (06) e (07) as variáveis (T 1 ), (T 2 ) e (T 3 ) são resolvidas simultaneamente pelo programa computacional de simulação. Para resolvê-las é necessário inserir no programa computacional os parâmetros de entrada. São eles: - Circulação de água entre o boiler e as placas coletoras, [m 3 /s]; - Circulação entre boiler e placas dissipadoras, [m 3 /s]; - Temperatura da água contida no SSA, [K]; - Temperatura da água contida no SSC, [K]; - Temperatura da água contida no SSL, [K]; - Volume de água dentro do reservatório, [m 3 ]; - Volume de água dentro das placas coletoras, [m 3 ]; - Volume de água dentro das placas dissipadoras, [m 3 ]; - Calor que entra no sistema, [W]; - Perda de calor nas placas coletoras, [W]; - Perda de calor nas placas dissipadoras, [W]; - Perda de calor no reservatório térmico, [W]; - Calor específico da água, [J/kg. C]; - Densidade da água [kg/m³] Simulação Computacional As simulações foram realizadas no programa computacional Simulink, este é uma subdivisão do Matlab especializado na simulação a partir de diagrama de blocos Parâmetros de simulação Foram realizadas simulações computacionais com o subsistema de liberação (SSL), o subsistema de armazenamento (SSA) e o subsistema de captação proposto (SSC). A Tabela 2 apresenta um resumo de cada subsistema e sua disposição na simulação computacional. Subsistema Descrição Desenvolvido/Existente Disposição quanto a radiação solar SSL Módulo de piso radiante interno Desenvolvido

8 SSA SSC Reservatório térmico cilíndrico horizontal de 200L Pavimentação Externa com Placas Coletoras Intercaladas Existente - Desenvolvido Horizontal Tabela 2 - Subsistemas utilizados para simulação computacional Cabe lembrar que o SSA não foi desenvolvido nesse trabalho, sendo utilizados equipamentos existentes no mercado. A simulação foi realizada com a área de coleta variável, ou seja, foi estudada a metragem quadrada ideal para o subsistema de captação (SSC). Nas simulações foram realizadas com dados médios de radiação solar e temperatura do mês de junho, mês de menor radiação solar na cidade de Santa Maria, obtidos dos arquivos climáticos utilizados (ver Figura 01). Para as simulações computacionais foram utilizados os seguintes horários de acionamentos do SSC e SSL: SSC: nos dois dias simulados é acionado às 6hs e desligado às 18hs; SSL: nos dois dias simulados é acionado às 18hs e desligado às 24hs. 5. RESULTADOS 5.1. Simulação computacional Na Figura 5 são apresentadas as curvas de temperatura da água no interior da tubulação do SSL com o uso do SSC com 8m² de área de coleta em comparação a temperatura da água ideal calculada (33,20 C). Figura 5 - Gráfico comparativo entre a temperatura da água aquecida pelos SSC, temperatura da água ideal, temperatura ambiente e radiação solar. No gráfico da Figura 5 é possível observar que com o uso do SSC proposto há um aumento na temperatura da água no SSL após o horário de acionamento (18hs) já no primeiro dia, apresentando cerca de 5 o C de ganho de temperatura. No segundo dia, após o acionamento, 3272

9 esse rendimento ainda melhora, aumentando a temperatura interna em aproximadamente 7 o C. Para fins de comparação, também foi simulado a utilização de um coletor plano tradicional, disponível no mercado, no lugar do SSC proposto. Com o sistema tradicional, foi constatado que é possível ultrapassar a temperatura de conforto com apenas 3m² de área de coleta Detalhamento do projeto de sistema de piso radiante Esse tópico apresenta o projeto do subsistema de captação com placas coletoras intercaladas (SSC) e do subsistema de liberação (SSL). O subsistema de armazenamento (SSA) não será detalhado, pois foi utilizado no trabalho um reservatório térmico tradicional. Na Figura 6 é ilustrado a planta baixa e um corte dos dois subsistemas projetados. (A) SSC - Planta baixa e corte Figura 6 Planta baixa e corte do SSC e do SSL. (B) SSL - Planta baixa e corte O subsistema de liberação (SSL) proposto funciona em módulos autônomos que podem ser aplicados durante a construção ou então após a obra concluída. O uso de módulos também possibilita escolher o local desejado para aplicação, não sendo necessário aplicar em todo ambiente, diminuindo assim o investimento financeiro. Na Figura 7 é ilustrado a disposição dos materiais, em camadas, aplicados no em um módulo do SSL. 3273

10 XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro Juiz de Fora Figura 7 - Desenho esquemático dos materiais adotados para o módulo do piso radiante A Figura 8 apresenta um corte esquemático do SSC, destacando as tubulações de captação das placas coletoras. O SSC é composto por módulos de 20 x 100 cm que são acoplados à pavimentação externa ou até mesmo em elementos construtivos da edificação, como parede ou cobertura. Cada unidade é composta por vidro de grande resistência à abrasão e ao carregamento vertical, uma caixa metálica pintada de preto fosco revestido com material isolante. Dentro dessa caixa passa a tubulação de cobre pintada de preto fosco que capta a radiação solar e leva para o reservatório térmico com o auxilio de uma bomba. Figura 8 - Perspectiva esquemática do sistema de captação proposto SSC A Figura 9 demonstra uma possível implantação do sistema de piso radiante proposto em uma edificação residencial, indicando o posicionamento do SSC, SSA e SSL. 3274

11 Figura 9 - Desenho esquemático do pré-projeto de piso radiante aplicado a uma edificação 6. CONCLUSÕES O desenvolvimento de um projeto e a simulação computacional de um sistema de piso radiante com aproveitamento da energia solar demonstrou que é possível utilizar tecnologias alternativas para condicionar termicamente ambientes das regiões mais frias do Brasil e, assim, criar edificações mais sustentáveis. A criação do sistema de liberação em módulos é uma inovação importante, que torna a sua utilização mais flexível, possibilitando a utilização desse sistema tanto em edificações novas como em edificações já existentes. Alem disso, os módulos de piso radiante permitem o aquecimento de áreas específicas do ambiente, evitando o desperdício de energia e tornando o sistema economicamente mais viável. A simulação computacional demonstra que, é possível aplicar outro tipo de subsistema de captação, como o SSC proposto neste trabalho, composto por placas coletoras intercaladas com pavimentação de concreto, que considera sua utilização como pavimentação externa, ou junto com outros elementos construtivos, como parede ou cobertura, tendo assim uma flexibilidade de aplicação em diferentes elementos construtivos. O SSC proposto apresenta uma elevação considerável na temperatura da água até próximo à temperatura que seria necessária para atingir o conforto no ambiente. Os três subsistemas componentes são autônomos (SSC, SSA e SSL), podendo cada um ser substituído por outra tecnologia. Assim, por exemplo, é possível substituir o subsistema de captação propostos por outro tipo de coletor solar alternativo. Com o modelo computacional já desenvolvido a simulação prévia fica facilitada e possibilita uma gama enorme de possibilidades. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA ALDABÓ, Ricardo. Energia solar. São Paulo: Artliber, p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6401: Instalações centrais de ar condicionado para conforto: parâmetros básicos de projeto. Rio de Janeiro, NBR : Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro, GIVONI B. Man, climate and architecture. 2 Edición, Applied Science Pub., Londres,

12 LARSEN, S. F.; SARAVIA, L.; DORADO, L.; LESINO, G. Colectores solares de aire para calefacción mediante piso acumulador. Revista de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Ambiente. Argentina, v. 11, OLESEN, B. W. Radiant floor heating: in theory and practice. ASHRAE Journal, (2002). RADIASOL, versão 2.1. Laboratório de Energia Solar Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE), Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), SANTAFE, Ronal Stalin Arias; LAHUASI, Marco Hernan Limaico. Diseño y simulacion de un sistema de calefaccion por piso radiante Monografia (Graduação em Engenharia Mecânica) - Escuela Politecnica Nacional Facultad de Ingenieria, Quito,