Potencial de climatização por dutos subterrâneos segundo zona bioclimática, profundidade e tratamento da superfície do solo

Abstract

Resumo: O presente trabalho vem motivado pela busca de soluções mais eficientes, originárias de fontes renováveis para climatização de edifícios. O subsolo, que tem uma alta capacidade térmica, mantém sua temperatura mais constante que a temperatura do ar externo variando conforme a profundidade. Um sistema de climatização por dutos subterrâneos (SCDS) tira partido desta alta capacidade térmica do solo para a obtenção de temperaturas mais amenas, próximas da média de temperatura anual de uma região. Deste modo, com esta temperatura média é possível climatizar edifícios tanto no verão como no inverno. Neste trabalho, tem-se como objetivo explorar o potencial de climatização de um sistema de troca e armazenamento de calor por dutos subterrâneos, considerando as diferentes zonas bioclimáticas do território brasileiro e buscando descrever a influência de diferentes profundidades e diferentes tratamentos de superfície do solo. Foram escolhidas cidades para representar cada uma das zonas, sendo estas: Z01-Curitiba, Z02-Santa Maria, Z03-Belo Horizonte, Z04-Brasília, Z05-Vitória da Conquista, Z06-Campo Grande, Z07-Cuiabá e Z08-Belém. Para cumprimento do objetivo, duas principais etapas são estabelecidas: na primeira busca-se o entendimento dos fenômenos físicos atuantes neste sistema, através de referencial teórico, buscando o estado da arte sobre o assunto e também através de visita técnica a uma igreja localizada em Curitiba que possui um sistema do tipo solo-ar. Num segundo momento, tendo a pesquisa atingido um nível de descrição e discussão acerca dos principais fenômenos, vantagens e desvantagens na aplicação do sistema, parte-se para o cálculo do potencial de climatização por dutos subterrâneos nas oito zonas. Este cálculo, feito em graus-hora anuais, é realizado com base nos dados climáticos do INMET para as oito cidades representantes. Sabendo que ao aumentar a profundidade, diminui-se a amplitude de temperatura do subsolo, são comparados os potenciais de climatização para profundidades de 0,5 m e de 4,0 m, profundidades em que o comportamento térmico se diferencia ao longo de um ano. Posteriormente estuda-se a influência no gradiente de temperatura do subsolo em função de diferentes tratamentos da superfície, variando a absortividade solar desta de 0% a 100%. Os resultados apontam que das oito zonas bioclimáticas, Z01 e Z02 têm grande demanda por aquecimento e boa resposta do subsolo, enquanto que Z06, Z07 e Z08 demandam grande quantidade de graus-hora anuais de resfriamento com um significativo potencial de climatização subterrâneo. Concluiu-se também que o tratamento da superfície tem grande influência no desempenho de SCDS, mesmo a 4,0 m de profundidade, tanto para fins de aquecimento como de resfriamento. Para Z07-Cuiabá ou Z08-Belém, por exemplo, o potencial de resfriamento sob uma superfície com 90% de absortividade é praticamente anulado. A contribuição deste trabalho, além das conclusões e discussões dos resultados da pesquisa, tem a intenção de despertar para o estudo desta temática em outras regiões do Brasil, de clima quente, principalmente, onde os resultados demonstraram uma boa performance, contribuindo para a realização de outras pesquisas.

Abstract: In this research, the motivation is for seeking more efficient solutions, from renewable sources of energy to heating and cooling buildings. The high thermal capacity presented by the underground soil maintains its temperature more constant than the air temperature, varying according to the depth. An earth-heat-exchanger (EHE) takes advantage of this high thermal capacity to obtain more comfortable temperatures, close to the annual average temperature to the region. In this way it's possible to condition buildings as well as in summer or winter seasons. In the present work the objective is to explore the potential of heating and cooling of the soil for a EHE application, considering the classification of the Brazilian territory in bioclimatic zones and describing the influence of depth and soil surface treatment. The cities chosen to represent each zone were: Z01-Curitiba, Z02-Santa Maria, Z03-Belo Horizonte, Z04-Brasília, Z05-Vitória da Conquista, Z06-Campo Grande, Z07-Cuiabá e Z08-Belém. To accomplish the objective two steps were established: first one was the theoretical referential, to support the understanding of physical fenomenos involving this system, and to frame this research in state-of-art about this subject, including technical visits on a church in Curitiba which has a earth-to-air-heat-exchanger (EAHE); on the second step the cooling and heat potential of the underground soil in the bioclimatic zones is calculated. This calculation, made in annual degrees-per-hour, is based in the INMET meteorological data for the eight cities. It is well known that increasing depth makes the soil temperature more constant, the climatization potential is compared 0,5 m and 4,0 m depth, where the thermal behavior through the year varies from one another. After that the influence of different kinds of surface treatment on the subsurface temperature gradient is studied, considering a solar absorption between 0% and 100%. The results point that from the eight bioclimatic zones, Z01 and Z02, which has a high heating demand, presented a significative contribution from the soil, while Z06, Z07 e Z08, which has a high amount of cooling demand, in annual degrees-per-hour, obtained a good response from the underground too. We concluded as well that the surface treatment has a huge influence on the EHE thermal performance, even on 4,0 m depth and including for heating and cooling. The contribution of this research, besides the discussion of the results itself, has the intention of wakening for researches in this field on another regions of the country, where any scientific discussion was found, especially in hot climate locations, where results demonstrated a significative performance.