Estudo do potencial dos materiais com mudança de fase para redução do consumo de energia na manutenção do conforto térmico no ambiente construído

Abstract

Resumo: Este trabalho trata da busca por novas soluções para a construção civil com foco na redução do consumo energético para manutenção do conforto térmico no ambiente construído. O potencial de redução do consumo de energia elétrica para manter o conforto térmico no ambiente construído foi avaliado para as oito zonas bioclimáticas definidas de acordo com a norma brasileira NBR 15.220, ao empregar na parede externa de uma determinada construção uma camada de material de mudança de fase (PCM) de origem orgânica natural. O modelo físico considerado neste estudo é representado por uma sala comercial com área de 40 m², com uma única parede voltada para o exterior enquanto todas as outras paredes, forro e piso são internos ao edifício. As simulações numéricas foram realizadas considerando a camada de PCM instalada no meio da parede externa (norte). Para avaliar o mínimo de consumo de energia elétrica teoricamente possível foram consideradas três estratégias para o controle e a manutenção do conforto térmico: (1) pela utilização de uma única bomba de calor funcionando conforme um ciclo de Carnot invertido cujo coeficiente de desempenho (COP) é considerado uma constante, (2) pela utilização da bomba de calor acima mencionada, mas priorizando sempre a ventilação com ar externo quando a diferença de temperatura for favorável e (3) priorizando a ventilação com ar externo quando a diferença de temperatura for favorável e quando for necessário empregar várias bombas de calor funcionando conforme ciclos de Carnot invertidos cujos COPs são calculados conforme a temperatura instantânea interna e externa. A espessura da camada PCM foi determinada para cada zona bioclimática por tentativa e erro de modo que haja PCM suficiente para produzir a qualquer momento no máximo líquido saturado durante a mudança de fase pela acumulação de energia térmica, enquanto o sub-resfriamento da fase sólida do PCM foi permitido. Neste trabalho o controle do conforto térmico foi realizado somente para a manutenção na faixa 18°C - 24°C da temperatura interna na sala comercial mencionada, assumindo o uso como PCM de uma mistura de ácido cáprico e álcool dodecílico com entalpia de fusão igual a 126,9 kJ/kg e temperatura de fusão de 26,5°C. Com base na estratégia 1, isso teoricamente permitiria uma redução de 4,28% no consumo de energia da referida sala comercial, supostamente construída na cidade de Santa Maria no Rio Grande do Sul, ao mesmo tempo em que priorizando a ventilação com ar externo (estratégia 2) uma redução de 13,33% no consumo total de energia pode ocorrer de acordo com os resultados numéricos obtidos neste estudo. Outra cidade onde os resultados numéricos sugerem melhorias com o uso de PCM é a cidade de Curitiba, onde teoricamente seria possível reduzir 9,47% do consumo de eletricidade ao utilizar a estratégia 2. Cálculos realizados com base na estratégia 3 para a mesma cidade indicam que o uso de PCM pode levar a uma redução de 20,18% no consumo de energia elétrica na manutenção da temperatura interna na faixa de conforto definida. Para as oito zonas bioclimáticas, os resultados numéricos obtidos com base na estratégia 3, que requer os maiores avanços tecnológicos para torná-la viável, indicam reduções significativas (mais de 90%) do consumo de energia em relação à situação sem o uso de PCM. Uma análise de exergia também foi desenvolvida. A exergia da radiação solar representa entre 60% e 90% da exergia total recebida pelo edifício durante a sua utilização em condições de conforto térmico adequado. Palavras-chave: eficiência energética; conforto térmico; ambiente construído; materiais com mudança de fase.

Abstract: This study focuses on new solutions for the civil engineering to diminish the energy consumption to maintain the thermal comfort in the built environment. The potential of reducing electrical energy consumption to maintain thermal comfort in the built environment was evaluated for the eight bioclimatic zones defined according to the Brazilian standard NBR 15.220, when employing into the external wall of a given construction a layer of phase change material (PCM) of natural organic origin. The physical model considered in this study is represented by a commercial room with an area of 40 m², with a single wall facing the exterior while all other walls, ceiling and floor are internal to the building. The numerical simulations were performed considering the PCM layer installed in the middle of the external wall (north). In order to evaluate the minimum energy consumption theoretically possible, three strategies were considered for the control and maintenance of thermal comfort: (1) the use of a single heat pump running according to an inverted Carnot cycle whose coefficient of performance (COP) is considered constant, (2) by the use of the above-mentioned heat pump, but always prioritizing the ventilation with external air when the temperature difference is favorable and (3) prioritizing the ventilation with external air when the temperature difference is favorable and, when necessary, by employing several heat pumps operating according to inverted Carnot cycles whose COPs are calculated according to the internal and external instantaneous temperatures. Thickness of the PCM layer was determined for each bioclimatic zone by trial and error such that there is enough PCM to produce anytime at maximum saturated liquid during the phase change by thermal energy accumulation, while the sub-cooling of the PCM solid phase was allowed. In this work the thermal comfort control was performed only for the maintenance in the range of 18°C - 24°C of the internal temperature in the mentioned commercial room, assuming the use as PCM of a mixture of capric acid and dodecyl alcohol with fusion enthalpy equal to 126.9 kJ / kg and melting temperature of 26.5°C. Based on strategy 1, this would theoretically allow a reduction of 4.28% in the energy consumption of the aforementioned commercial room supposedly built in the city of Santa Maria in Rio Grande do Sul, while when prioritizing the ventilation with external air (strategy 2) a reduction of the energy consumption of 13.33% could occur according to the numerical results obtained in this study. Another city where the numerical results suggest improvements with the use of PCM is the city of Curitiba, where theoretically it would be possible to reduce 9.47% of the electricity consumption when using strategy 2. Calculations performed based on the strategy 3 for the same city indicate that the use of PCM could lead to a reduction of 20.18% in electric energy consumption for maintaining the internal temperature in the defined comfort range. An exergy analysis was also developed. The exergy of solar radiation represents between 60% and 90% of the total exergy received by the building during its use in conditions of adequate thermal comfort. Keywords: energy efficiency; thermal comfort; build environment; phase change materials.