Effects of undulations and roughness of surfaces on absorptances emittances : theoretical and experimental models

Resumo: Saliências e reentrâncias existentes nas superfícies típicas das edificações, tanto na escala da rugosidade quanto das ondulações (de uma telha, por exemplo), constituem obstáculos que podem diferenciar o comportamento das mesmas em relação aos fluxos por radiação, se comparadas a superfícies perfeitamente lisas e planas. Absortividades e emissividades são propriedades dos materiais, enquanto absortâncias e emitâncias são características das superfícies, sendo influenciadas não apenas pelo material de que são constituídas, mas também por sua geometria. Esta pesquisa objetivou verificar tais influências, por meio de desenvolvimentos teóricos, e por procedimentos experimentais. Foi desenvolvido um modelo teórico de cálculo para o chamado "efeito cavidade", que permite estimar as absortâncias e emitâncias efetivas de uma superfície. As estimativas resultantes foram comparadas às obtidas em procedimentos clássicos para cálculo deste mesmo efeito. Foram realizados ensaios de campo, a céu aberto e sob condições climáticas reais, possibilitando uma análise do fenômeno na presença de outros fluxos de calor e sob a influência das diversas variáveis do clima. Para complementar os dados, experimentos foram realizados sob condições controladas, possibilitando aferir o modelo teórico. A fim de quantificar as implicações dos efeitos acima mencionados, simulações foram feitas no software EnergyPlus, considerando uma edificação de geometria simples, submetida ao clima da cidade de Brasília, com diferentes propriedades radiantes para as telhas. Adotando-se absortâncias e emitâncias efetivas, as simulações revelaram diferenças acima de 2.5oC nas temperaturas internas do ar, em relação às obtidas supondo-se que a cobertura fosse lisa e plana. No caso de uso de condicionadores de ar, esta diferença pode provocar uma variação de até 30% nas estimativas de consumo de energia elétrica. A pesquisa demonstrou que, para as superfícies normalmente encontradas nas edificações, o modelo proposto é adequado e pode contribuir para o aperfeiçoamento dos estudos de comportamento térmico e energético dos edifíciosAbstract: On surfaces perfectly flat and smooth, there are no obstacles to the radiant flow. However, typical surfaces of buildings have bumps and hollows that can significantly change the behaviour of them. The absorptivity and emissivity are properties of materials, while the emittance and absorptance are surface characteristics, being influenced not only by the material they are made, but also by its geometry and surface feature. This research aimed to verify such influences by means of theoretical and experimental procedures. A theoretical model for calculating the so-called "cavity effect" was developed, which allows to estimate the effective absorptance and Emittance of a surface. The resulting estimates were compared with those obtained in classical procedures for calculating the same effect. Field tests were conducted under actual weather conditions, allowing an analysis of the phenomenon in the presence of other heat fluxes and under the influence of different climate variables. To complement the data, experiments were performed under controlled conditions, allowing to test the theoretical model. In order to quantify the implications of the effects mentioned above, simulations were made with the software EnergyPlus considering a simple geometry building, submitted to the climate of the city of Brasilia, with different radiant properties of the roofs Adopting effective absorptances and emittance, simulation results show differences of up to 2.5 ° C in the internal air temperature, compared to those obtained ignoring the influences that the ripples of the tiles have on radiant flows. Considering the use of air conditioners, this could represent up to 30% variation in the energy consumption estimative. Research has shown that for surfaces typically found in buildings, the proposed model is adequate and may contribute to the improvement of thermal and behavioral studies of building