Montagem de bancada experimental para avaliação de sistemas por trocas radiantes

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo, Florianópolis, 2022.Em escala mundial cerca de 40% do consumo energético está relacionado aos edifícios, o que aumenta as emissões de gases de efeito estufa. No Brasil, apenas o setor residencial consome 26% de toda energia elétrica produzida no país. Um dos aspectos que influenciam neste consumo energético é o conforto térmico. A fim de minimizar o desconforto, observa-se altos investimentos da construção civil em soluções ativas de climatização (aparelhos de ar-condicionado, ventiladores elétricos, exaustores, trocadores de ar, aquecimento, dentre outros), das quais estas apresentam altas demandas energéticas. Dessa maneira, espera-se a elaboração de projetos mais eficientes, que possam diminuir os impactos ambientais associados a construção civil, reduzindo o consumo de energia, as emissões de CO2, e melhorando o conforto dos ocupantes através de estratégias passivas de condicionamento térmico. Logo soluções passivas são cada vez mais estudadas, com evidência as estratégias que se entregam aos envelopes das edificações. Um exemplo, disto pode ser a utilização de termossifões bifásicos ou tubos de calor em paredes. Estes dispositivos são considerados elementos bastante eficientes no que se refere à transferência de calor, transmitindo um grande número de calor, sem consumo adicional de energia, mesmo quando a diferença de temperatura é baixa. Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo principal avaliar experimentalmente o potencial de termossifões bifásicos integrado a vedação vertical de um módulo como uma estratégia bioclimática passiva para resfriamento de ambientes internos, utilizando-se de uma serpentina de cobre que irá simular a seção evaporadora do termossifão, a partir da determinação de temperatura constante ao longo de seu comprimento. Nesse cenário, a metodologia deste trabalho foi dividida em duas partes: Simulação Analítica, Etapa 1 - consiste na análise preliminar do potencial passivo de aplicação de termossifões bifásicos para ambientes internos, a fim de definir diretrizes para produção da bancada experimental. Desse modo, é apresentado nesta etapa o modelo de simulação, os critérios de avaliação e o processamento dos dados; Etapa 2, Banca Experimental - corresponde a manufatura do módulo experimental e da serpentina de cobre. Nesta etapa ainda é caracterizado o aparato experimental e a metodologia de testes. A partir dos resultados encontrados na Etapa I, pode-se observar que o dispositivo mostra-se capaz de extrair calor de um ambiente de forma passiva, utilizando de coeficientes convectivos = 25 W/(m²K). Contudo, em situações onde o ?T é igual a 1°C, nota-se certa dificuldade da estratégia, necessitando elevar o número de tubos aletados para alcançar o objetivo, principalmente quando os coeficientes convectivos externos são menores ou iguais a 10 W/(m²K). Também foi possível delimitar diretrizes para construção do termossifão bifásico na Etapa II. Na parte experimental, de forma geral os resultados se mostraram bastante otimistas. O dispositivo conseguiu reduzir significativamente a temperatura do ar interno, sendo que grande parte do calor foi extraído nas duas primeiras horas de teste, e em alguns casos nos 60 minutos inicias. Além disso, verificou-se na distribuição do ar interno uma similaridade em todos os ensaios realizados, apresentando um gradiente de temperatura mais alto nos quadrantes superiores da modelo. Com relação a resposta térmica das superfícies, foi constatado que a velocidade de estabilização das temperaturas das faces internas reduziu quando a temperatura da serpentina de cobre aumentou. Para além, foi pôde-se verificar uma resposta térmica superior da superfície interna da parede com os tubos de cobre em comparação com a superfície interna da parede oposta.Abstract: On a global scale, about 40% of energy consumption is related to buildings, which increases greenhouse gas emissions. In Brazil, only the residential sector consumes 26% of all electricity produced in the country. One of the aspects that influence energy consumption is the thermal comfort. In order to minimize the construction, observe high investments in climatization solutions (air conditioners, electric fans, exhaust fans, air exchangers, among others), of which these have high energy needs. In this way, it is expected the development of more efficient projects that can reduce the environmental impacts associated with civil construction, reduce energy consumption, CO2 emissions, and improve occupant comfort through passive thermal conditioning strategies. Passive solutions are increasingly being studied, with evidence of the strategies of the walls of buildings. An example of this could be the use of two-phase thermosyphons or heat pipes in walls. These devices are considered very efficient elements in terms of heat transfer, transmitting a large amount of heat without additional energy consumption, even when the temperature difference is low. Therefore, the main objective of this work is to experimentally evaluate, from laboratory tests, the potential of a two-phase thermosiphon integrated in the envelope of an experimental module as a passive cooling strategy for indoor environments, using a copper coil that simulates an evaporating section of the thermosiphon, from the determination of constant temperature along its length. In this scenario, the methodology of this work was divided into two parts: Analytical Simulation, Step 1 - consists of the preliminary analysis of the passive potential of application of two-phase thermosyphons for indoor environments, in order to define guidelines for the production of the experimental set-up. Thus, in this step, the simulation model, the evaluation criteria, and the data processing are presented; Step 2, Experimental set-up - corresponds to the manufacture of the experimental module and the copper coil. At this stage, the experimental apparatus and the testing methodology are still characterized. From the results found in Step I, it can be seen that the device is capable of passively extracting heat from an environment, using convective coefficients = 25 W/(m²K). However, in situations where the ?T is equal to 1 °C, there is a certain difficulty of the strategy, needing to increase the number of finned tubes to achieve the objective, especially when the external convective coefficients are less than or equal to 10 W/(m²K). It was also possible to define guidelines for the construction of the biphasic thermosiphon in Stage II. In the experimental part, the results were quite optimistic. The device managed to significantly reduce the temperature of the internal air, with much of the heat being extracted in the first two hours of testing, and some cases in the initial 60 minutes. In addition, a similarity in the distribution of the internal air was verified in all the tests carried out, presenting a higher temperature gradient in the upper quadrants of the model. Regarding the thermal response of the surfaces, it was found that the speed of stabilization of the temperatures of the internal faces reduced when the temperature of the copper coil increased. Furthermore, a superior thermal response of the inner surface of the wall with the copper tubes compared to the inner surface of the opposite wall could be verified