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Estudo de método experimental para determinar a

1. 301 3 838 2 302 6 301 9 824 1 303 2 301 5 301 5 ligado 301 6 ligado 302 0 ligado 302 5 301 3 301 3 301 3 301 5 301 8 ligado ligado ligado 302 4 303 0 302 3 812 4 303 6 303 3 303 6 302 7 807 3 303 9 304 0 304 0 302 9 802 4 304 1 304 7 304 4 303 1 199 2 304 2 305 3 304 6 303 2 796 8 304 3 305 7 304 8 303 3 795 4 304 3 306 0 305 0 303 3 794 5 304 4 306 3 305 1 303 3 794 304 4 306 4 305 2 303 3 793 8 304 4 306 6 305 2 303 3 193 8 304 4 306 7 305 2 794 304 4 306 7 305 3 794 3 304 4 306 8 305 3 794 6 304 4 306 8 305 3 NM DO O OO oo NJ N O OAA AI AIO GO DO PO O O O MO MO MO MTO CO MO alo ail oloa O Al olal olol 306 8 305 3 a 306 8 Se 9 CN O 306 8 Tabela 4 2 Dados de temperatura obtidos no calor metro a partir de uma amostra padr o de S lica e do Solo do IEE USP para c lculo de calor espec fico cap tulo 4 102 Fig 4 15 Curva de temperatura em fun o do tempo em um calor metro com amostra de Silica submetida a aquecimento por efeito Joule por 1 5 minuto 305 0 linhas de tend ncia 304 0
2. 303 0 Z primeira medida r 302 0 F segunda medida 2 U H 301 0 300 0 i linhas de tend ncia 299 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 tempo minutos cap tulo 4 103 Fig 4 16 Curva de temperatura em fun o do tempo em um calor metro com amostra de Solo submetida a aquecimento por efeito Joule por 1 5 minuto 308 0 linhas de tend ncia 307 0 306 0 305 0 lt Nu 304 0 2 AT 3 9K g 303 0 Be primeira medida segunda medida 302 0 301 0 linhas de tend ncia 300 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 14 0 16 0 tempo minutos cap tulo 4 104 Com a equa o 3 9 os valores obtidos na tabela 4 2 e nas figuras 4 15 e 4 16 obt m se dois valores para calor espec fico da amostra de solo do IEE Csolo medida 1 1 615 J kg K 4 J 1 Csolo medida 2 1 636 J kg K 4 J 2 Apesar das duas curvas de temperatura do solo em fun o do tempo apresentarem uma diferen a da ordem de 50 os valores de calor espec fico foram bem pr ximos um do outro com diferen a menor que 1 Retomando a equa o 3 2 temos como valor da difusividade t rmica medida em laborat rio 4 K Se a incerteza resultante proveniente apenas das medidas de densidade e condutividade t rmica de acordo com o Guia para Express o da Incerteza de Medi o GUI 97 tem se uma incerteza de aproximadamente 50 do valor obtido proveniente pr
3. EXCHANGER AIR IN l COLD Figura B 11 WATER Sistema EXPANSION vertical de DEVICE bomba de REVERSING calor acoplada VARYE ao solo Run l GROUND LEVE o LEVEL WATER COMPRESSOR REFRIGERANT FLOW COOLING HEATING POLYETHYLENE LI TUBE B 2 3 Sistemas fechados horizontais Os sistemas GSHP fechados horizontais podem ser subdivididos em tr s subgrupos a Tubo nico Enterrado no solo a uma profundidade m nima de 1 2 metros Este arranjo requer uma rea grande para sua implanta o condi o esta dif cil de se encontrar nos grandes centros urbanos figura B 12 b Tubos m ltiplos Usualmente dois a quatro tubos encontrando se configura es com mais tubos figura B 13 colocados em uma nica trincheira reduzindo a rea necess ria a sua implanta o Com o arranjo de tubos m ltiplos e a conseqiiente Ap ndice B 194 redu o da rea necess ria o comprimento total dos tubos deve ser aumentado a fim de reduzir a interfer ncia t rmica com os tubos adjacentes Figura B 12 Arranjo do sistema GSHP fechado horizontal NEW 98 pipe over under configuration reverse return header Over under series flow Fig B 13 Arranjos poss veis de sistema GSHP fechado horizontal m ltiplo MAR 98b c Tubos em espiral Utilizados tamb m para reduzir a rea necess ria implanta o do sistema Consiste de um tubo em que se espalham seus loops de forma a posicion
4. 64 Temp C Temp C Figura 3 7 Reta de Calibra o term metro 5 Figura 3 8 Reta de Calibra o term metro 6 TERMOMETRO 5 TERMOMETRO 6 o E S eee 2 CR 0 9998255 4 269 45 R 0 999651 b 99 38 a 269 45 b 98 78 2 79 2 89 2 99 3 09 3 19 3 29 3 39 2 81 291 3 01 3 11 3 21 3 31 341 Volts V Vo is V Figura 3 9 Reta de Calibra o term metro 7 Figura 3 10 Reta de Calibra o term metro 8 80 TERMOMETRO 7 TERMOMETRO 8 o O CR 0 9998514 E CR 0 9998332 R 0 9997028 R 0 9996664 a 264 64 ae re b 97 96 b 97 99 278 gt 2 88 298 3 08 318 3 28 gt 338 2 83 2 93 3 03 313 3 23 3 33 343 Volts V Volts V Cap tulo 3 65 term Hg 5 7 89 10 11 2 12 5 13 5 14 6 15 8 16 9 17 8 19 6 21 5 22 3 26 5 27 31 8 34 5 80 7 77 8 75 3 63 7 57 6 52 46 3 42 5 39 36 32 6 30 2 term 1 2 9 8 69 9 97 11 22 12 42 13 59 14 69 15 76 16 84 17 8 19 53 21 42 22 24 26 25 26 91 31 2 34 39 79 97 76 73 74 25 63 48 57 18 51 81 46 24 42 46 39 12 36 12 32 61 30 16 term 2 5 97 8 42 9 6 11 1 12 26 13 88 14 91 16 17 17 21 17 71 19 74 21 56 21 89 26 37 26 85 31 86 34 59 79 4 76 63 73 67 63 37 57 39 51 64 45 91 42 87 39 14 36 2 32 2 29 98 term 3 6 21 8 64 9 94 10 51 12 44 13 48 14 91 15 18 16 56 17 63 19 79 21 97 22 84 27 51 27 9 32 53 35 05 78 73 75 93 73 48 63 51 58 65 51 7 45 96 42 29 39 2 36 36 32 76 31
5. Cap tulo 1 33 7 2 a7t rr T amp D T A exp x r cos xi y T ul 1 2 onde a raz o entre condutividade t rmica e capacidade t rmica a k C chamada de difusividade t rmica A amplitude da varia o de temperatura na superficie do solo normalmente da mesma ordem de grandeza que a do ar A equa o 1 2 mostra que ela decresce exponencialmente com a profundidade O comportamento da amplitude de varia o m dia anual de temperatura do subsolo na cidade de Ottawa Canad mostrado na figura 1 2 A profundidades abaixo de 5 metros a temperatura do subsolo praticamente constante RANGE OF AIR RANGE AMPLITUDE TEMPERATURES SN OF SOIL TEMPERATURES E Cm if a m Figural 2 Depend ncia da amplitude de varia o de temperatura com a e AVERAGE ANNUAL profundidade na cidade de Ottawa Canad MAGT WIL 03 DEPTH BELOW SURFACE 5 0 5 10 15 Try TEMPERATURE C A temperatura da superficie do solo permanece aproximadamente em fase com o ar Entretanto abaixo da superficie os maximos e minimos ocorrem com atraso no tempo em rela o aos valores observados na superficie O comportamento do atraso com rela o profundidade dado pelo termo que multiplica o co seno na equa o1 2 A 5 metros o m ximo de temperatura no subsolo acontece da ordem de 6 meses depois de ocorrido na superficie Na figural 3 a mostrada a amplitude de varia o anual de temperatura medida
6. 6 000 5 000 4 000 4 I x Sequ ncia 3 000 2 000 1 000 0 000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 tempo dias Figura C 13 Comportamento da Integral I x em fun o do tempo Taxa de Troca de Calor Variavel At o momento o tratamento dado aos sistemas de troca de calor com o solo tem considerado taxas de troca de calor ou diferen as de temperaturas constantes com o tempo mas como o clima bastante vari vel ao longo dos dias e ao longo do ano os sistemas de troca de calor tamb m n o devem operar sempre com a mesma taxa de troca de calor Muito embora seja poss vel encontrar se intervalos de dias em que as condi es m dias s o muito parecidas as condi es ao longo do ano podem variar consideravelmente A solu o partir a integral em duas ou mais integrais que representem os intervalos em que as condi es t rmicas s o semelhantes Como exemplo tomemos um trocador isolado nas mesmas condi es que o exemplo anterior depositando energia t rmica taxa de 15 Btu h ft durante um m s e logo ap s 30 Ap ndice C 270 Btu h ft no m s subsequente A varia o de temperatura pode ser obtida pelo c lculo de AT para o intervalo inteiro de 60 dias com 15 Btu s subtraindo 15 Btu s dos 30 dias restantes em que n o foi aplicada esta a o e somando se os 30 Btu s referentes a este intervalo de tempo equa o C 90 00 e 1 oo B e
7. Fundamentals 3 1 1997 AWA 03 Awal M A Ikeda T Itoh R The Effect of Soil Temperature on Source Sink Economy in Peaut Arachis hypogaea Environ and Exp Botany 50 41 50 2003 BEC 88 Beck A FE Methods for Determining Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity Handbook of Terrestrial Heat Flow Density Determination of Haenel R Rybacch L and Stegena L eds 87 124 1988 BEL 03 Beltrami H Kellman L An Examination of Short and Long Therm Air Ground Temperature Coupling Global And Planetary Change 38 291 2003 BOR 96 Borsh Laaks R and Pohlmann R The Triple E House Energy Efficient Economical and Ecological Proceedings from the 199681994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 9 51 1996 Refer ncias 130 BOS 85 Bose J E Parker J D McQuiston F C Design Data for Closed Loop Ground Coupled Heat Pump Systems American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Inc 1985 BRI 93 Bristow K L Campbell G S Calissendorff C 1993 Test of a heat pulse probe for measuring changes in soil watercontent Soil Science Society of America Journal 57 930 934 1993 BRI 94 Bristow K L Kluitenberg G J and Horton R Measurement of Soil Thermal Properties with a Dual Probe Heat Pulse Technique Soil Science Society of America Journal 58 1288 1294 1994 BUL
8. 0 em um ponto distante r da linha a soma dos efeitos dos termos da equa o C 68 vide figura C 2 T fs 2 HE ge C 86 Va Figura C 2 e elemento de _ integra o para uma fonte de calor linear il r dz ou resolvendo a integral Ap ndice C 247 i TE Ho S 4 959 r s L or ee ds Eua C 87 O fluxo de calor a partir de uma fonte puntual em uma fina folha plana ou l mina pode ser considerada como um caso especial de uma fonte linear caso n o haja perdas por radia o ou outra qualquer em seus lados j que o fluxo de calor normal fonte isto radialmente no plano A equa o C 87 aplic vel neste caso se dividirmos a quantidade de energia t rmica liberada no ponto pela unidade de espessura ou seja por unidade de comprimento da fonte linear Se a fonte linear ou fonte puntual no plano permanente e tem inicio no tempo zero e se o plano ou meio est Inicialmente em zero a temperatura em qualquer tempo posterior t em um ponto qualquer pode ser escrita como pon e pr dr C 88 Ana y ou com a transforma o r B gt C 89 2 a t T Temos q E sa ER ee a C 90 dna Ina 20K L onde Q a quantidade de unidades de energia t rmica liberadas por unidade de tempo por unidade de comprimento da fonte linear A integral I r7 pode ser calculada por meio de tabelas Ap ndice C 248 Para se calcular a taxa de e
9. AT IS dp B ae eee E dp 271 2 0 417 p 271 2 od p 27l 2 0 0147 24 0 0261 60 24 24 0 0261 30 24 24 0 0261 30 24 oO ze 00 p 00 p 1 99 ap dp 398 dp 20 8 F 0 0034 0 0048 0 0048 ou seja um aquecimento de 20 8 F ou uma temperatura final de 70 8 F Em uma situa o ideal al m de termos que levar em conta a demanda por retirada ou deposi o de energia t rmica que pode variar ao longo de toda uma esta o clim tica o efeito da superf cie de fronteira entre o solo e ar tamb m deve ser considerado Como esta varia o de temperatura do solo e do ambiente s o sin dicas com o tempo o comportamento da temperatura do solo ap s a Interven o do sistema de troca t rmica deve se manter tamb m sin dica com o tempo A varia o de temperatura do ar x tempo ao longo do ano pode ser representada por T Tosen wt C 118 onde To a amplitude maxima da temperatura numa determinada localidade w 204 e P per odo de varia o do tempo neste caso 1 ano Para saber a temperatura no subsolo devido s varia es sin dicas do tempo devemos acrescentar uma atenua o que atua sobre a amplitude da onda diminuindo a com o Ap ndice C 271 aumento da profundidade alem de uma defasagem no tempo devido ao aumento de massa a ser considerado T Te Na sen wt x W C 119 Como exemplo podemos observar na figura C 14 as curvas esperadas para o subsolo de S o Paulo a 2 metros
10. Ap ndice B 195 los verticalmente no caso de trincheiras estreitas figuras B l4 e B 15 ou horizontalmente no caso de trincheiras suficientemente largas figura B 16 Figura B 14 Vis o de topo e lateral do tubo de polietileno em forma espiral vertical retirado de ASH 95c a TOP VIEW Figuras B 15 A partir do alto esquerda a primeira figura um enrolamento de tubo de polietileno de alta densidade que ser o trocador de calor a ser enterrado no solo A seguir medi o da profundidade da trincheira neste caso com 30 metros de comprimento 15 cent metros de largura e 2 metros de profundidade desenrolar do tubo de Polietileno posicionamento e posterior recobrimento da trincheira com a pr pria terra deslocada Costuma se tamb m recobrir o loop com um concreto magro e depois fazer a cobertura final com terra retirado de INT 95 Ap ndice B 196 Figura B 16 Loop de polietileno posicionado horizontalmente em trincheira INT 98 Os custos de instala o deste arranjo s o maiores devido ao aumento do tempo gasto nos trabalhos de coloca o das espirais e a maior quantidade de tubo mas podem ser compensados pela rea menor de terra necess ria implanta o o que permite seu uso mesmo em lotes residenciais pequenos A instala o mais comum de arranjo horizontal utiliza tubos paralelos ao inv s de um nico tubo s rie para reduzir as perdas de carga no siste
11. Q q N ae 5 eu as psicrom trico Bar Codigo MLN SF NO OO ON entre as duas curvas e a zona de conforto t rmica pode dar uma id ia do potencial dispon vel no solo para condicionamento de ambiente constru do figura 5 5 121 Tabela 5 1 Formas de controle clim tico sobre a carta bioclim tica Cap tulo 5 Compara o entre as curvas semi empiricas de temperatura ambiente valores retirados das observa es do IAG e do solo medidas experimentais realizadas no IEE e a faixa de conforto ambiental 35 O 2 ao ho 2 ao ho O ho U o U E U 10 Temperatura do solo 5 Temp m nima de conforto Temp m x conforto temperatura do ar 0 O O O N O r DM WO fF Oo o N Tr O O tT DO N CO LO O O N N N CO CO DD O 127 169 211 253 295 337 379 421 463 505 547 1009 1051 1093 1135 1177 1261 1303 1345 1219 tempo dias Figura 5 5 Regi o de conforto t rmico term metro de bulbo seco envolvendo as curvas de temperatura do ar e do solo a 2 metros de profundidade dia 1 pico de ver o Cap tulo 5 122 A curva representativa da temperatura ambiente foi constru da a partir de par metros m dios calculados com os dados experimentais fornecidos pelo IAG o que eliminou os picos de temperatura que normalmente s o observados no ver o chegando com freqii ncia dentro da sala pr
12. o de ar A diferen a de temperatura em fun o da difusividade tendo como par metro fundamental a fra o volum trica de ar na composi o do solo T T x a fornece C 1 2 a 10 10 5 9 2D r 4D vr 16 D O In l Me o O GRE DD r SAL 128 0 t Te 5 10 o 27 1 2 0 10 10 0 E diferen a de Temperatura em fun o da difusividade r 0 0189m D 2m t 720 horas Q 10W m L 100m 4 5E 01 4 0E 01 3 5E 01 3 0E 01 2 5E 01 2 0E 01 1 5E 01 T To em fun o da fra o de ar K 1 0E 01 5 0E 00 0 0E 00 0 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 0 006 0 007 difusividade em fun o da fra o volumetric de ar no solo Figura 5 3 Comportamento de T To na em fun o da difusividade t rmica onde na a fra o volum trica de ar no solo O ponto observado corresponde a a 0 001 m2 h e T To 24 K A condutividade t rmica obtida pelo modelo tem o valor kys 0 43 W m K fra o volum trica de ar no solo Cap tulo 5 119 5 4d Combina o de todos os fatores A condutividade t rmica obtida a partir do modelo proposto nas equa es 5 2 e 5 3 deve ser uma combina o linear das condutividades t rmicas devido participa o das componentes l quida s lida e ar C A C A4 C 4 C 5 11 Entretanto com as informa es dispon veis imposs vel a identifica o destes par metros Pelos gr ficos apresentados nas figuras 5 1 5 2 e 5 3
13. o do sistema foi or ado em US 18 000 000 00 A Companhia de Eletricidade local financiou o projeto com custo virtualmente zero para o Fort Polk O Departamento de Defesa DoD por sua vez devolve 77 5 da economia de energia Cia de Eletricidade Como a propriedade e manuten o do equipamento ser o de responsabilidade da Cia de Energia durante o tempo do contrato 20 anos os US 1 3 milh es estimados de manuten o durante este per odo tamb m ser o economizados pelo DoD Ao Fort Polk caber os 22 5 restantes ou US 744 800 00 esperados de economia de energia e manuten o anualmente durante os 20 anos Vencido o prazo do contrato Fort Polk ser propriet rio do equipamento Economia de Energia Os dados foram coletados em tr s n veis desde os dados globais de demanda e consumo de energia de todo o sistema at os mais detalhados em que se fez coleta por amostragem do consumo de energia por GSHP e por tipo de constru o dados Ap ndice B 219 coletados a cada 15 minutos Resultados apresentados em janeiro de 1997 indicaram uma economia de 25 600 000 kWh em consumo de eletricidade ou 32 em um ano meteorol gico t pico A economia de g s natural foi estimada em 260 000 therms ano Tomados individualmente a redu o de consumo de energia de cada planta de GSHP depende de v rios fatores inclusive o equipamento pr vio existente nas resid ncias Onde era utilizado g s natural para aquecimento de ambie
14. 2 2 00 T Le C 103 A al e gd E C 103 Ap ndice C 258 Para uma cavidade equivalente ao caso 1 e taxa de transfer ncia na superf cie da cavidade usando a equa o C 102 de 1 Btu h sqft no solo A ap s 1 semana At ser de 1 65 F e depois de 2 meses de 3 65 F No solo B os valores s o respectivamente 3 70 F e 8 80 F Deve se notar que somente na cavidade esf rica poss vel chegar realmente ao estado estacion rio diferentemente do trocador planar infinito ou do tubo longo isolado Pela equa o C 103 podemos observar que o trocador esf rico pode chegar a um verdadeiro estado estacion rio quando t muito grande e que no exemplo dado pode ser obtido em poucos anos Na realidade para os dois outros tipos de trocadores planar infinito e tubo longo e isolado n o existe um estado estacion rio verdadeiro comportamento do Trocador de Calor Esf rico raio 10 ft quanto a retirada de calor 14 000 1 200 12 000 1 000 10 000 E z 0 800 a E E S a E 8 000 5 P 2 a 0 600 o 2 O 6 000 2 tipo de solo a a ELE on Leia TT ELLE Li 0 400 4 000 penne nam ma nn 1 tipo de solo a 0 200 2 000 1 tipo de solo b 0 000 0 000 111 21 4 5 6 amp 71 8 9 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 Tempo dias Figura C 6 Trocador de calor esf rico a taxa constante de troca de calor em sua superf cie caso 1 e diferen a de temperatura a taxa const
15. Ap ndice C 278
16. Ei Figura 2 5 Varia o percentual de I X em fun o da varia o de a E varia o percentual de alfa Cap tulo 2 57 2 7 M todos para obten o da Difusividade Os valores de difusividade do solo podem ser obtidos a partir de diferentes formas e m todos como mostrado por Beck BEC 88 e Horton et al HOR 83 Um destes m todos considerado de boa acur cia e rapidez chamado M todo da Agulha de Prova Needle Probe Method descrito por Larson LAR 88 e Herzen HER 59 utiliza uma ou mais agulhas de prova em cujo interior s o colocados um fio resistor para aquecimento e um thermistor para registrar a temperatura durante o transiente de aquecimento da agulha de prova imersa no meio em que se quer medir a condutividade t rmica As propriedades t rmicas do solo t m sido estudadas pelas mais diversas reas e para as mais diversas finalidades e a vari vel mais comumente medida a temperatura do solo Posicionando os sensores a profundidades convenientes em geral profundidade de instala o do sistema GSHP os valores de condutividade e difusividade t rmica podem ser obtidos como subproduto do mapeamento do comportamento t rmico do solo de uma dada regi o O m todo de ondas de temperatura proposto por Ingerssol ING 54 faz uso da propaga o das ondas de calor no subsolo provenientes das mudan as de esta o do ano O acompanhamento das sen ides de temperatura do solo em diferentes profundidad
17. No solo a in rcia anula completamente qualquer efeito de curto per odo das componentes clim ticas 3 2 Curvas de Temperatura do Ar fornecidas pelo IAG A figura 3 14 mostra os dados de temperatura externa coletados sob a copa da rvore pr xima sala 8 do pr dio dos alunos e a compara o com os valores esperados de uma sen ide te rica constru da com os par metros caracter sticos das condi es ambientais do IEE Pela figura fica evidente a impossibilidade de us los como compara o com os dados obtidos no solo Cap tulo 3 70 fig 2 16 Curva de temperatura ambiente ajustada linha cont nua e dados obtidos de temperatura do ar externo triangulos no IEE 03 97 A 02 98 Temperatura graus C 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200 dias de 03 97 a 10 00 Figura 3 14 Pontos experimentais de temperatura ambiente obtidos pelo sensor instalado sob a copa da arvore proxima a sala 8 do pr dio dos alunos do PIPGE comparado com a curva teorica esperada m at i r l T A B sen ap onde A 21 C B 5 C P per odo de um ano ou 365 dias e t tempo Os dados de temperatura do ar fornecidos pelo IAG foram inseridos em um programa gr fico cujo resultado apresentado na figura 3 15 Observa se que as oscila es de alta freq ncia per odos de alguns dias resultante de altera es bruscas de temperatura ainda n o permitem uma avalia o detalhada dos par metros que i
18. O para x lt 0 Neste caso os limites ser o x7 e FONTES DE CALOR Este conceito foi inicialmente desenvolvido por Lord Kelvin para considerar fontes ou sumidouros de calor em uma duas ou tr s dimens es Se uma quantidade de energia t rmica subitamente depositada em um ponto ou rea ou volume este ponto ou rea ou volume torna se uma fonte instant nea de energia Se por outro lado esta energia depositada continuamente temos uma fonte cont nua ou permanente de energia t rmica Seja por exemplo Q unidades de energia t rmica gerada instantaneamente por unidade de rea de um plano em um corpo infinito ou mesmo uma rea de sec o ce 39 transversal de uma haste longa Se o material tem um calor espec fico c e densidade 66 99 p uma unidade de energia t rmica aumentar a temperatura de uma unidade de volume de 1 cp graus A quantidade S Q C 19 cp chamada de for a da fonte instant nea Se Q unidades s o produzidas em cada unidade de tempo ent o Ap ndice C 232 s 2 C 20 cp a for a da fonte permanente FONTE PLANA DE CALOR Seja um plano x sobre o qual uma fonte instant nea de energia t rmica gerada os planos paralelos a s o isotermas e se espalha na espessura AX Ent o sua temperatura ser Q Ea graus C 21 coAA A Tomando se a equa o C 15 modificando a ordem de integra o e calculando se uma de
19. Oj e o 4nK z R 41K atz R As curvas relativas s tr s situa es consideradas s o mostradas na figura C 10 taz iR AT Z pN T C117 Varia o de temperatura para tubo curto isolado a taxa de transfer ncia de calor retirada de calor constante 3 2 5 E E E 8 8 8 8 8 8 8 M 2 m E 21 5 N s E a 2 2 2 2 2 2 w uuu ge eo o 8 o 6s L 1 4 A A A A A A A A A A A A A do ee a x K ooo 0 0 5 10 15 20 25 dist ncia ao centro do tubo ft Figura C 10 Diferen a de temperatura para tubo trocador de calor curto e isolado a taxa de transfer ncia de calor constante Q 1 Btu h ft Di metro do tubo 2 polegadas Comprimento do tubo 40 p s 12 2 metros comparado com tubo infinito de mesmo di metro As seq ncias de pontos d o a diferen a de temperatura para pontos sobre a superf cie do tubo em v rias dist ncias a partir do meio com as seguintes condi es SOLO A sequ ncia I 168 horas J estado estacion rio K tubo infinito SOLO B L 168 horas M estado estacion rio N tubo infinito As constantes do solo s o as mesmas definidas para se avaliar os trocadores planares e esf ricos Ap ndice C 266 Pode se notar na figura C 10 que os casos estudados ap s 168 horas de iniciada a opera o de troca de calor as quedas ou subidas de energia no tubo s o praticamente as mesmas do tubo infinito exceto nos ltimos 30 cent metro
20. T To em fun o da fra o de gua K 5 0 0 0 0 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 0 006 0 007 difusividade m2 h em fun o da fra o volum trica de agua do solo Figura 5 1 Comportamento de T To 9 em fun o da difusividade t rmica onde 0 a fra o de gua do solo Cap tulo 5 117 5 4b em v fra o s lida Estudo semelhante executado para T Sd xa ou seja a diferen a de temperatura em fun o da difusividade tendo como par metro fundamental a fra o volum trica s lida da composi o do solo Das equa es 5 2b e 5 3b temos C 1 3 a 10 10 5 7 e 2D r 4D r 16 D O In E PO RA O r 8 a t 18 0 t T I 5 8 o 2 7 1 3 0 10 10 0 oe diferen a de Temperatura em fun o da difusividade r 0 0189m D 2m t 720 horas Q 10W m L 100m 4 0E 01 3 5E 01 K 3 0E 01 2 5E 01 2 0E 01 1 5E 01 1 0E 01 To em fun o da fra o s lida T 5 0E 00 0 0E 00 0 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 0 006 0 007 difusividade t rmica m2 h em fun o da fra o s lida do solo Figura 5 2 Comportamento de T To ys em fun o da difusividade t rmica onde vs a fra o volum trica de s lido no solo O ponto observado corresponde a a 0 001 m2 h e T To 20 K A condutividade t rmica obtida pelo modelo tem o valor kys 0 51 W m K fra o volum trica de s lido Cap tulo 5 118 5 4c Em fun o de n fra
21. chamado de diferencial de temperatura e nada mais que uma abrevia o de T To 1 a diferen a entre a temperatura no ponto em considera o na maioria dos casos a superf cie do trocador e a temperatura inicial e uniforme do solo Dois tipos diferentes de solo ser o considerados K 1 2 condutividade t rmica Btu h ft F solo A 4 c 0 45 calor espec fico a press o constante Btu lb F p 102 densidade Ib ft Lo 0 261 difusividade t rmica f h x 0 4 condutividade t rmica Btu h ft F soloB 4 c 0 3 calor espec fico a press o constante Btu lb F p 100 densidade Ib ft La 0 0133 difusividade t rmica ft h Trocador Planar Superf cie Plana e Placa Plana Consideraremos os dois casos poss veis uma superf cie plana com fluxo de calor perpendicular superf cie e somente na dire o positiva de x e uma placa plana em que o fluxo se d nas duas dire es positivo e negativo de x As dimens es s o tais que os efeitos de bordas ser o desprezados o arranjo de tubos em um plano com pequeno espa amento entre eles pode ser aproximado para um trocador planar Ap ndice C 290 Caso 1 Temperatura constante na superf cie do trocador Aqui a equa o para taxa de fluxo de calor por unidade de rea torna se KAT Tat C 98 O E para uma superf cie plana mantida ao diferencial de temperatura constante de 1 F acima ou abaixo da temperatura do solo a
22. conjunto com o Instituto de Arquitetura para alimentar e complementar uma base de dados de clima chamado AMeDAS Automated Meteorological Data Acquisition System Este programa conta com 840 pontos de medi es espalhados por todo o pa s Cada um deles cobre uma rea de 21km MAT 99 com medidas realizadas na interface solo ar a 1 e a 3 metros de profundidade Entre outros usos estas medidas s o utilizadas para aumentar a acuracila de um programa de simula o das temperaturas do subsolo que servem de suporte ao dimensionamento de sistemas geot rmicos de condicionamento de ambiente Cap tulo 1 39 e Shonder e Beck SHO 00 desenvolveram um m todo de determina o local das propriedades f sicas do solo baseado em modelo num rico de transfer ncia unidimensional de calor Para isto enterrado no solo um tubo dobrado em forma de U em que de um lado fornecida gua aquecida e no outro medida a temperatura de sa da Estimando se alguns par metros obt m os valores de condutividade t rmica e posteriormente comparam com os valores obtidos atrav s de dois outros m todos Line Source Method e Cylinder Source Method e Estudo sistem tico de campo para modelar a rela o entre a umidade e condutividade t rmica do solo foram executados por Evett EVE 94 e Anandakumar et al ANA 01 mediram simultaneamente as temperaturas do solo subsolo fluxo de calor no solo radia o solar temperatura do ar e velocidade do v
23. dios GRUPO 1 REDU O DA ENERGIA INCIDENTE SOBRE AS CONSTRU ES 1 1 Redutores de radia o solar incidente orienta o do edif cio protetores solares de face norte e corredor de face sul 1 2 Estudo da reflet ncia solar e emit ncia de infravermelho no telhado dos pr dios como forma de redu o da carga t rmica nos Interiores Fluxo incidente Fluxo refletido Fluxo reemitido em LV Filme Refletivo r Fluxo transmitido figura A 1 Barreira radiante no forro Fluxo transmitido para o interior da sala Ap ndice A 143 1 3 Uso de barreira radiante sobre o forro Pretende se quantificar o impacto da barreira radiante pela medida de v rias temperaturas e do consumo de eletricidade antes e depois de sua Instala o na parte inferior do forro 1 4 Filtro de radia o luminosa com corte de parte do vis vel e infra vermelho Fluxo incidente Filtro da clarab ia painel duplo com solu o de CuSO Fluxo transmitido Fluxo luminoso transmitido para Figura A 2 Clarab ia com filtro de infra o interior da sala vermelho M todo de avalia o monitoramento atrav s de sensores de temperatura dispostos no telhado forro e interior da sala 1 5 Sistema de ventila o de ar independentes no Interior das salas e no forro A ventila o do tico pode ser usada para remo o de calor e umidade No ver o esta ventila o usada para remo o do ar super
24. gua em sua composi o deve ser o principal fator a deix lo mais pr ximo de um ou outro destes tipos 5 2 2 Medidas de difusividade t rmica Os valores de difusividade t rmica obtidos pelos dois primeiros m todos o de atenua o e o de deslocamento de fase a partir do estudo comparativo da evolu o da temperatura do ar e do solo est o em tima concord ncia entre si Ambos os m todos s o chamados de Harmonic Equation por Horton et al e considerados como os m todos de avalia o de difusividade mais recomendados dos seis m todos estudados por ele HOR 83 O terceiro m todo aqui tratado chamado de Agulha de Prova apesar de partir de conceitos diversos envolver medidas com solo mido e o mesmo solo seco e pulverizado tamb m forneceu valor semelhante aos anteriores de onde se conclui que ao menos no local e nas condi es em que se deram as medidas os m todos convergem para um mesmo valor indicando que o valor de difusividade t rmica m dio do solo nesta rea deve ser o obtido nos resultados 4 4 4 B e 4 K Se os valores de temperatura do solo e do ar s o dispon veis os m todos de atenua o e deslocamento de fase certamente s o os mais simples para obten o de difusividade t rmica A obten o da condutividade t rmica pode ser feita a partir da utiliza o de um dos muitos m todos descritos para este fim muito embora todos se refiram a medidas a pequena profundidade at poucas dezenas de
25. o destas propriedades termof sicas que depois foram introduzidas nas equa es de dimensionamento Cap tulo 1 40 e Bare Surface o Vegetated Cover E Unknown Surface Condition 154 Bare and Vegetated Cover Capitulo 1 41 Como n o foram encontradas informa es sobre sistemas GSHP instalados no Brasil e tamb m n o foram encontradas na literatura informa es sobre as propriedades termof sicas de solo este trabalho prop e se a a Estudar um sistema simplificado para mapear o comportamento t rmico do solo ao longo do ano b Obter os valores de difusividade t rmica de um local determinado IEE USP diretamente das medidas de campo atrav s do acompanhamento da temperatura do subsolo com term metros digitais sensor de temperatura LM335 e o uso das equa es descritas por Ingerssol e Zobel em Heat Conduction with Engineering Geological and Other Applications ING 54 equa es 11 e 1 2 c Avaliar a possibilidade de reprodu o em outros s tios d Completar o levantamento das propriedades termof sicas com as medidas em laborat rio para determinar a condutividade t rmica e densidade do solo e Verificar o grau de concord ncia com os valores obtidos nas medidas de campo f Avaliar a influ ncia da condutividade e difusividade t rmica sobre um sistema de troca t rmica enterrada no subsolo Para verificar a potencialidade do sistema GSHP a baixa profundidade as medidas de propried
26. s Gradua o em Energia PIPGE dentro deste Instituto Os pr dios seriam utilizados como Laborat rio de Conforto Ambiental e as interven es realizadas ao longo do tempo que se mostrassem eficientes seriam incorporadas estrutura dos pr dios 1 1 Proposta Original Seguindo uma tend ncia mundial levada pela necessidade de um melhor aproveitamento tanto do espa o f sico quanto da energia necess ria manuten o do bem estar dos usu rios o estudo das condi es de conforto para o ser humano no ambiente constru do tem se desenvolvido bastante no Brasil Em particular o estudo do conforto t rmico e luminoso com a necess ria difus o dos resultados aos profissionais da rea e sociedade em geral t m se mostrado de grande import ncia pois n o raro as edifica es constru das apresentam problemas de umidade excessiva falta de ventila o ilumina o natural quase ausente temperaturas excessivamente altas ou excessivamente baixas demonstrando assim a falta de condi es m nimas de conforto e causando problemas de sa de para os usu rios e deteriora o das constru es Com a reorienta o por parte de setores da sociedade da pol tica de produ o e consumo energia em particular de eletricidade causada principalmente pela escassez de recursos tem se buscado uma maior efici ncia no uso desta mat ria prima justificando o surgimento inclusive dentro das Universidades de laborat rios de pesquisa que se d
27. sabemos pela lei de Ohm U IxR que se mantivermos a diferen a de potencial constante na resist ncia e variarmos a resist ncia que em fun o da temperatura a intensidade de corrente variar inversamente com a resist ncia No nosso caso os term metros a resist ncia el trica RTD s o mais adequados para medir varia o de temperatura ambiente Alguns RTD tem a precis o de 0 010 0 062 C a 0 C S o extremamente est veis tendo uma perda de 0 1 C ano e em alguns modelos de 0 0025 C ano Figura A 30 Term metro a resist ncia Fio de Platina el trica RTD N cleo de Al ou Ag 7 10 CARACTER STICA DOS TRANSMISSORES Intensidade luminosa e Radi metros Os fotodiodos s o polarizados inversamente fornecendo uma corrente nula no amplificador Ao ser exposto luz surge uma baixa corrente proporcional Ao passar pelo amplificador a corrente sofre um determinado ganho fornecendo na sa da uma corrente de 4mA 20mA 0 valor da corrente de sa da padr o para todos os sistemas de aquisi o Umidade O sensor de umidade altera sua capacit ncia de acordo com a quantidade de gua absorvida Esta capacit ncia medida atrav s de um medidor de imped ncia A imped ncia altera a corrente que passa pelo amplificador fornecendo uma corrente de sa da padr o Ap ndice A 178 Velocidade do ar A eletr nica do anem metro fio quente mant m a temperatura do filamento constante atrav s d
28. ximo aos 35 C Eliminou tamb m os picos de minima temperatura que ocorrem durante o inverno por vezes chegando a 5 ou 6 C J a curva que representa a temperatura do solo mais pr xima do que realmente ocorre pois o solo atua como um buffer que despreza as oscila es de alta frequ ncia figura 5 5 Pela figura a curva representativa da temperatura ambiente situa se quase que totalmente dentro da regi o de conforto definida pelo term metro de bulbo seco de 19 C a 29 C Considerando apenas esta curva n o haveria necessidade de condicionamento de ambiente com sistema de refrigera o apenas uma pequena faixa de tempo apresenta necessidade de aquecimento A realidade que h uma demanda por refrigera o nos dias quentes de ver o que n o mostrado na figura 5 5 mas pode ser observado no conjunto de figuras 4 1 em que ocorrem os m ximos de temperatura e outra de aquecimento nos minimos de temperatura no inverno A quase estabilidade t rmica observada no solo a 2 metros de profundidade situando o dentro da regi o de conforto t rmico indica que a conex o por meio de um sistema GSHP entre o ambiente constru do e o solo pode passar esta estabilidade t rmica para dentro da constru o O qu o pr ximo este comportamento t rmico dentro do pr dio vai ficar do comportamento t rmico do solo depende fundamentalmente do dimensionamento e qualidade do sistema GSHP montado para fazer a troca t rmica entre
29. 08 term 4 6 21 8 99 10 04 11 26 12 5 13 35 14 59 15 99 17 62 18 29 19 6 22 22 11 26 84 21 48 32 94 34 84 79 62 76 32 73 63 63 53 57 71 51 85 45 75 42 76 39 58 36 43 32 08 30 05 term 5 6 98 9 27 9 82 11 21 12 87 13 58 14 36 15 7 16 61 18 19 15 21 3 22 04 27 41 2 88 33 12 35 78 64 79 79 73 79 63 63 58 17 51 52 46 2 42 12 39 99 36 06 33 42 31 08 term 6 6 22 9 1 10 03 11 33 11 57 13 52 14 42 15 66 16 81 17 96 19 64 21 16 23 35 28 58 27 52 33 25 35 05 78 77 76 08 74 31 64 2 57 12 51 2 45 4 42 49 39 92 36 69 32 39 31 01 term 7 7 09 9 53 10 39 11 89 12 42 13 95 15 23 15 81 16 85 18 2 19 78 21 54 22 53 27 28 28 13 32 29 34 98 78 76 76 3 74 13 63 5 57 13 51 31 45 65 43 41 38 94 36 74 33 76 31 65 term 8 8 83 10 25 11 49 12 82 13 73 14 77 15 97 17 06 18 09 19 8 21 68 22 33 26 62 27 32 31 82 34 77 79 74 76 71 74 17 62 81 57 08 51 79 46 09 42 55 39 19 36 17 32 52 30 11 Cap tulo 3 dispers o dos term metros eletr nicos em compara o com o term metro de Hg fig 3 11 90 80 70 a 60 eterm 1 mterm 2 D E 50 A term 3 Er x term 4 pa x term 5 40 ET term 6 E term 7 E a o 30 term 8 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 10 80 90 term metro de Hg graus C Cap tulo 3 67 Term metro a 1 4 Term metro sobre o Term metro sob o piso T
30. 120 CHP dy 451 5 562 Portland O kW h kW h Cooling Heating ASHP 513 6 6 ASHP 8 0 6 6 6 VARIABE SPEED 2 4 7 Gil P eta ates 3 549 GH P high eft Tabela B 1 Compara o entre diferentes sistemas em 3 localidades dos EUA SOU 98b onde ASHP Air Source Heat Pump GHP Ground Source Heat Pump Ap ndice B 212 Os valores mostrados s o de consumo em kWh por ano para cada um dos diferentes sistemas de acoplamento com o ar e com o solo B 11 PROJETO E INSTALA O DE SISTEMAS O arranjo e instala o das bombas de calor geot rmicas nos EUA est o se dando com o acompanhamento da ASHRAE cuja finalidade a normatiza o de equipamentos e processos envolvidos Equipamentos e programas de computador que ajudam no dimensionamento destes sistemas podem ser obtidos atrav s da IGSHPA International Ground Source Heat Pump Association www igshpa okstate edu ou a GHPC Geothermal Heat Pump Consortium Inc GEO 98d mas a escolha de um determinado arranjo vertical horizontal espiral expans o direta etc local de instala o do trocador com o solo subsolo lago po o etc devem ser baseadas no estudo do custo do ciclo de vida associadas s limita es pr ticas Por exemplo a instala o de sistemas verticais em geral feita devido a limita o de terreno dispon vel em contraste com o sistema horizontal que mais barato mas requ
31. 73 Bullard E Basic Theories Geothermal Energy Review of Research and Development UNESCO Paris Fran a 1973 CAM 91 Campbell G S Calissendorf C and Williams J H Probe for Measuring Soil Specific Heat using a Heat Pulse Method Soil Sci Soc Am J 55 291 293 1991 CAM 98 Campbell G S and Norman J M An Introduction to Environmental Boiphysics Springer Verlag N Y 2 ed 1998 CAM 01 Camargo R comunica o pessoal com cess o de dados de temperatura ambiente do IAG USP gua Funda do per odo 1997 2000 2001 CAM 91a Campbell G S Callissendorff C Williams J H Probe for measuring soil speci c heat using a heat pulse method Soil Science Society of America Journal 55 291 293 1991 CAR 47 Carslaw H S e Jaeger J C Conduction of Heat in Solids Claredon Press Oxford caps 1 2 3 7 8 9 11 and app L 1947 Refer ncias 131 CLO 98 Closed Loop Ground Source Design Oklahoma State University http www geoexchange org dsgntool grldes4 htm acesso em 1998 DIC 01 Dickinson M H and Fanelli M What is Geothermal Energy http www iga igg cnr it geothermal php International Geothermal Association Acessoem 2001 ECI 88 Tabela de Calibra o do Term metro de Resist ncia ECIL S A Produtos e Sistemas de Medi o e Contr le cap2 pp 3 1988 ELB 96 Elberling L E Bourne R C ACT Project Results Maximizing Residential Energy Efficiency Proce
32. 84 Foram realizadas medidas com a s lica padr o e outro com amostra de solo duas vezes cada uma a fim de verificar poss veis discrep ncias devido a histereses e ou reten o de energia t rmica no interior do calor metro Os valores obtidos s o mostrados em tabela e gr ficos de onde se pode extrair os valores de AT e a partir deles os valores de calor espec fico do solo tudo isto apresentados no pr ximo cap tulo Figura 3 24 Fotografia do equipamento de medi o de calor espec fico Figura 3 25 Detalhe do Calorimetro utilizado juntamente com o termistor See Capitulo 3 85 Cap tulo 3 86 CAP TULO 4 Resultados Obtidos S o apresentadas as medidas de temperatura do solo e medidas de temperatura ambiente fornecidas pelo IAG tratamento de dados e compara o dos dois conjuntos calculada a difusividade por defasagem e atenua o de onda Atrav s de amostra de solo coletado no IEE s o medidas em laborat rio do IAG a condutividade calor espec fico e densidade do solo O resultado do c lculo de difusividade obtido pela rela o entre condutividade calor espec fico e densidade comparado com os resultados obtidos atrav s do m todo de Onda de Calor 4 1 Temperatura do Solo O acompanhamento de temperatura do solo edif cio e entorno foi realizado durante 1997 e uma parte de 1998 Os dados coletados durante todo o tempo de opera o do sistema s o mostrados separadamente no
33. B 21 Foto dos trocadores de calor em forma de lloop em um lago antes de seu afundamento INT 98 B 3 Sistemas Abertos Os Sistemas de troca t rmica abertos utilizam a gua local como agente de troca de energia em contraste com o sistema fechado que utiliza um l quido intermedi rio Na literatura algumas vezes chamado de Ground Water Source Heat Pumps para diferenci los dos sistemas que fazem troca de energia t rmica com o solo chamados de Ground Source Heat Pumps Consistem de uma fonte de extra o de gua que pode ser um lago po o artesiano ou mesmo um rio e um sistema de despejo desta gua que pode tamb m ser um lago rio po o ou mesmo despej la na superf cie desde que haja escoadouro adequado A gua pode ser bombeada diretamente para a bomba de calor gua gua ou gua ar ou passando por um trocador de calor intermedi rio conectado bomba de calor por uma tubula o de Ap ndice B 200 circuito fechado As figuras B 22 B 23 B 24 e B 25 FED 98c mostram os poss veis arranjos deste sistema 28 Single Well Open loop 2f Double Well Open loop Figura B 22 Sistema aberto com fonte em Figura B 23 Sistema aberto com coleta de po o artesiano e descarga em dreno lago ou gua em um po o e descarga em outro TIO 29 Surface Water Open loop g a o a oo Pa a Filter screen Figura B 24 Sistema aberto com fonte e Figura B 25 Ilustra o de um sistema
34. Centro de Estudos de Energia Aplicada ao Setor de Constru o e Meio Ambiente EMA XXI GRUPO 6 CONSTRU ES COMPLEMENTARES 6 1 Constru o de oficina de suporte ao projeto e montagem da sala de controle e seguran a predial GRUPO 7 SISTEMAS DE AQUISI O DE DADOS 7 1 Levantamento detalhado do sistema de aquisi o de dados necess rio para monitora o de todas as vari veis necess rias ao nosso estudo executado pelo colaborador Gianfranco M Polga i 3 O ESTUDO DA EFICI NCIA ENERG TICA E CONFORTO AMBIENTAL preocupa o com estes aspectos est presente em todo o mundo pois a rela o entre a produ o de energia com todo o nus incorporado e seu consumo sem crit rios tem provocado um aumento desproporcional nos gastos com gera o e distribui o de energia Introdu o 26 bem como um impacto ambiental ainda n o totalmente contabilizado mas seguramente de grandes propor es como o aquecimento global Na Alemanha desde o in cio dos anos 80 um cons rcio entre o Governo Federal e a Associa o dos Carpinteiros Alem es vem trabalhando no programa Cost efficient Buildings e como produto deste cons rcio Borsch Laaks and Pohlmann Bor 96 desenvolveram um projeto de construtivo chamado Casa com triplo E Efici ncia energ tica Econ mica e Ecol gica onde s o apresentados v rios conceitos de arquitetura de constru es de baixo consumo energ tico com manuten o do con
35. Entretanto para resolve la necess rio conhecer os valores das tr s vari veis C k e q denominadas de Propriedades T rmicas do Solo Cap tulo 2 44 2 2 Propriedades T rmicas do Solo As tr s vari veis s o Capacidade t rmica Condutividade e Difusividade t rmicas 2 2 1 Capacidade T rmica volume constante C Raz o entre a quantidade de energia t rmica fornecida ao corpo e o correspondente acr scimo de temperatura J m K que depende da composi o e densidade vide tabela 2 1 meio _ Densidade__ Calor especifico__ Capacidade t rmica bem O am Ra 1 16 10 2 00 10 50 300 1920 7 50 10 2 00 10 2 2 2 Condutividade T rmica do solo k Quantidade de energia t rmica transferida atrav s de uma unidade de area em uma unidade de tempo submetida a um gradiente de temperatura de um grau J m K s que depende do tipo e propor o das part culas constituintes do solo umidade do tamanho forma e arranjo espacial tabelas 2 2 2 3 2 4a e 2 4b Condutividade T rmica o amics Tabela 2 2 Condutividade t rmica para ar e gua l quida e gelo A Jo gua G S Gelo pi S O Cap tulo 2 45 2 2 3 Difusividade T rmica a E a raz o entre a condutividade t rmica e a capacidade t rmica e mede a rela o entre a capacidade do meio neste caso o solo em conduzir energia t rmica e sua capacidade de acumula la O 2 5 C 2 3 Classif
36. Grupo 3 29 Grupo 4 26 Grupo 5 26 Grupo 7 26 1 3 O estudo da efici ncia energ tica e conforto ambiental 26 1 4 Propostas Implementadas I 8 Cap tulo 1 Aspectos Gerais 31 1 1 Energia Geot rmica 31 1 2 Comportamento Geral da Temperatura no Subsolo 33 1 3 Uso da Energia Geot rmica de Baixa Densidade Energ tica 36 1 4 Uso da Energia Geot rmica em Sistemas de Condicionamento de Ambiente 37 Cap tulo 2 O Solo e Suas Propriedades Termof sicas 43 2 1 O Solo 43 2 1 1 Transfer ncia de Calor por Condu o 43 2 2 Propriedades T rmicas do Solo 45 2 2 1 Capacidade T rmica volumar 45 2 2 2 Condutividade T rmica do Solo 45 Sum rio I 2 2 3 Difusividade T rmica 46 2 3 Classifica o de Solo e Rochas 46 2 4 Rela o entre propriedades termof sicas e o dimensionamento de trocadores de calor no subsolo 48 2 5 Comportamento das Propriedades Termofisicas com as Fra es Volum tricas de Umidade de S lido e de Ar 52 2 6 Influ ncia dos valores obtidos das propriedades termof sicas nas Equa es de Dimensionamento de GSHP 56 2 7 M todos para obten o da Difusividade 58 CAP TULO 3 Sistema Aquisi o e Equipamentos Experimentais para Coleta de Dados 61 3 1 Sistema de Aquisi o de Dados de Temperatura e Loca o dos Term metros 61 3 1 1 Calibra o dos Term metros 62 3 1 2 Instala o dos term metros 63 3 1 3 Medidas de Temperatura 68 3 2 Curvas de Temperatura do Ar fornecidas pelo IAG 70 3 3 C lculo d
37. M8 DAY OF YEAR 1993 DAY OF YEAR 1993 Figuras 2 1 Conte do de gua no arranjo TDR Time Domain Reflectrometry As precipita es de chuva aparecem nos dias 304 316 317 e 346 De cima para baixo as linhas representam as profundidades 0 2m 0 15m 0 1m 0 06m 0 04m e 0 02m Cap tulo 2 52 DAY 305 DAY 336 meg ARRAY ae ARRAY 2 0 0 1 0 2 0 3 0 4 i 8 1 a 03 0 4 WATER CONTENT m m WATER CONTENT m m Figuras 2 2 Perfil de conteudo de agua no periodo de interesse em dois arranjos distantes 0 4m um do outro A varia o da umidade tem como consequ ncia uma altera o da condutividade t rmica cujo comportamento obviamente depende tamb m das outras vari veis citadas No estudo de Abu Hamdeh ABU 00 em Effect of tillage treatments on soil thermal conductivity for some Jordanian clay loam and loam soils verificou se que o comportamento da condutividade t rmica do solo a 20 cent metros de profundidade para dois tipos de solo cultiv veis clay loam e loam e tr s tipos distintos de tratamento arado de disco arado de grade e sem tratamento apresentaram varia o de quase 200 na sua condutividade t rmica figuras 2 3a e 2 3b Estudos recentes mostram que ao menos em solos com textura m dia as propriedades t rmicas est o mais fortemente relacionadas com a varia o da fra o volum trica de ar nos poros do solo que a varia o da fra o volum trica de gua ou de s lido
38. P Medi o de Vaz o Instec 1991 Ap ndice A 184 Ap ndice B BOMBAS DE CALOR ACOPLADAS AO SOLO Uma Revis o Uma bomba t rmica tem este nome devido a sua habilidade de bombear ou mover energia t rmica de um lugar para outro Nada mais que um dispositivo acionado mecanicamente que absorve energia t rmica de baixa qualidade baixa temperatura em um determinado local concentra a via compressor alta qualidade ou alta temperatura e a transfere para outro Ela n o produz energia t rmica por si mesmo mas se houver uma fonte de energia t rmica em que esteja conectada como por exemplo uma massa d gua ou o solo pode mover esta energia para outro lugar o Interior de uma casa por exemplo Bomba de calor apenas uma outra maneira de se referir aos Dispositivos de Refrigera o familiares ao nosso cotidiano como os condicionadores de ar refrigeradores m quinas de sorvete etc Estes dispositivos de refrigera o podem aquecer ou refrigerar um determinado ambiente como se nota no refrigerador dom stico que refrigera os alimentos em seu Interior e passa a energia t rmica retirada dos alimentos para a cozinha atrav s dos dutos posicionados atr s da unidade de refrigera o Todos os equipamentos de refrigera o ou Bombas de Calor produzem refrigera o e aquecimento simultaneamente As fontes e ou dep sitos de energia t rmica mais comuns das quais as bombas de calor podem transferir energia s o O Ar
39. Paj he e E e Ta od a S lt 7 o a e k i a 5 a F 1 l See E a ref ra K Fa dh a i a il p E LA m z mm p a f a page fe T oe i o 04 Te g E a a a E a E a ih Of jaf de Do an a Guia Ad i Ss os oF 50 01 03 05 04 OF 04 07 00 01 02 04 04 05 06 OF OG 01 02 03 US i meme Pim m i th rm rr h Wa imm m mn dm mo Fig 2 4 Comportamento da condutividade T rmica aqui chamada de A capacidade t rmica C e difusiidade t rmica o em fun o da gua 8 s lidos v e ar v presentes no solo para 4 tipos de solo de textura m dia OCH D1 Cap tulo 2 55 2 6 Influ ncia dos valores obtidos das propriedades termof sicas nas Equa es de Dimensionamento de GSHP Como descrito no princ pio de funcionamento de sistemas GSHP Ap ndice B a transfer ncia de energia t rmica entre o pr dio e o solo provoca um aumento ou queda da temperatura do solo causada pela transfer ncia de energia t rmica do ou para o tubo enterrado no solo Esta altera o da temperatura no solo estimada pela Kelvin line source Theory na forma da equa o 90 do ap ndice C Dimensionamento de sistemas GSHP D ii a DE q Ot dp Im CP 2 9a dna p E 20K 2 04 que tamb m pode ser reescrita na forma j levando em conta o efeito da interface ar solo e aplicando o m todo do espelho descrito no ap ndice C r r 1000 FO
40. a partir de uma fonte instant nea de calor localizada num plano de espessura infinitesimal A energia t rmica em um ponto P do s lido se espalhando pela vizinhan a pode ser entendido da seguinte forma suponha uma regi o com raio R e temperatura inicial To medida que se diminui o raio R para valores pequenos pr ximos de zero aumenta se o valor de To de forma que o valor de Q permane a finito Escrevendo Q a energia t rmica em uma esfera muito pequena de raio R na forma Q T cp zR C 62 A solu o da equa o de Fourier equa o C 50 para um fluxo radial equa o C 59 ja substituindo o valor de To encontrado na equa o C 62 dara 507 h Ary f 4 r n T _ d Ae MT dA C 63 4c pR mi 0 0 reescrevendo Ap ndice C 242 2 2 2n 7 2 2A 2 20 E DO exer Te g 4 4 De Oe E o fy a E a 2Arn ana 4 dt C 64 Como uma vari vel de integra o muito pequena limitada entre 0 e R e R50 a equacao C 64 pode ser simplificada para 1 24rm pr C 65 De forma similar podemos tratar o argumento da segunda integral em C 63 Ent o a express o para T fica R R pa SOM sr Ad 2Arn dA Ad 2Arn dA C 66 o 4coR m 2r 0 0 _ 30n ge AR rn AcoR a2r 3 C 67 onde lan amos m o da defini o de coeficiente de difusividade e da equa o C 19 Note que T tem um valor diferente de zero em todo o espa o mesmo quando t infinitamente pequeno o
41. a profundidade de interesse Estudo sistem tico a partir da metodologia proposta por Ochsner et al OCH 01 em que as propriedades termof sicas sejam estudadas a partir das fra es s lida l quida e g s dos componentes do solo mas com a composi o s lida rigidamente controlada propor o em que os minerais entram em sua composi o pode mostrar uma correla o mais forte que a observada aqui Parikh et al PAR 79 verificaram um aumento do valor de difusividade de um solo sit loam de 0 0022 cm7 s em solo seco a 0 0042 cm s a 30 de umidade em volume Acima deste valor de umidade a difusividade permaneceu constante Apesar da grande depend ncia da difusividade t rmica com a umidade a elimina o da umidade de nossa amostra de solo para a medida em laborat rio estranhamente n o provocou diferen a significativa no resultado de difusividade Como o regime de umidade ao longo do ano influi diretamente no valor de difusividade t rmica e sua varia o ser maior na superf cie que a 2 metros de profundidade o comportamento da umidade tamb m deve ser estudado como forma de prever as oscila es anuais com o regime de chuvas O acompanhamento de temperatura em per odo maior poder dizer se a difusividade e condutividade t rmicas s o afetadas e em que Intensidade pelo per odo de chuvas a esta profundidade de 2 metros Mostrou se que a difusividade t rmica m dia de um dado s tio pode ser obtida de maneira f cil e c
42. a difusividade t rmica est relacionada com a condutividade t rmica pela equa o 3 2 k amp 3 2 p c necess rio determinar os valores da densidade e do calor espec fico do solo para obter se o valor de difusividade 3 3 2 C lculo da Densidade da Amostra de Solo do IEE USP A avalia o de densidade do solo do IEE USP foi feita atrav s da medida de massa de um volume determinado tomando se como amostra um cilindro de terra de 145mm de altura por 98mm de di metro comumente chamado de testemunho retirado do ponto x 9 2 me y 7 7 m a aproximadamente 40 cm de profundidade no dia 09 04 02 Normalmente se faz coleta de testemunhos em v rios pontos e v rias profundidades do terreno como forma de levar em conta as flutua es de densidade provocadas por diferentes composi es do solo Como a densidade depende fortemente da umidade do solo que varia espacialmente e tamb m ao longo do ano regime de Cap tulo 3 80 chuvas etc deveria se fazer coleta em v rios pontos e v rias profundidades de solo e a partir da obter se a densidade m dia do solo local Dada a impossibilidade experimental foi feita apenas uma coleta para obten o da estimativa da densidade do solo Usou se um tubo de PVC de Pex 100mm e Pin 98mm h 145mm que foi enterrado no solo ap s este ser descoberto at a profundidade de 35 cm Entretanto ocorreu uma deforma o do tubo ao pressiona lo contra o solo formando em uma de suas extrem
43. aberto acoplado rejeito no mesmo lago FED 95c a gua corrente Em condi es ideais o sistema aberto o mais econ mico dos sistemas geot rmicos WA T 99 V rios fatores devem ser considerados ao se projetar um sistema de troca t rmica aberto Um deles a qualidade da gua pois o trocador prim rio entre a gua que vem do reservat rio e o sistema refrigerante pode tornar se dep sito de sujeira sofrer entupimento ou corros o Outro a disponibilidade de gua suficiente para que o sistema funcione adequadamente 5 4 a 10 8 litros por minuto por ton de refrigera o 0 027 a 0 54 litros s kw segundo FED 95d O terceiro fator diz respeito descarga da gua utilizada que pode estar submetido a limita es devido a poss veis Impactos ambientais Dependendo de sua configura o o sistema aberto pode gastar mais energia el trica para bombeamento que outras configura es de troca t rmica com o solo mas Ap ndice B 201 em condi es ideais pode ter o custo do ciclo de vida mais econ mico entre todos os arranjos poss veis Rejeito de gua A gua que passou pelo circuito aberto e teve sua temperatura mudada requer um local para ser despejada Devido ao custo de se constru o do po o de retorno costuma se despej la na superf cie ou logo abaixo desta Entretanto algumas situa es podem n o permitir este recurso a Rejeito de superf cie a maneira mais f cil de despejo da gua Po
44. aqui apresentado Fez se uma simula o em computador de um sistema de troca t rmica com o solo que funcionasse de forma quase passiva ou seja sem a utiliza o de bomba de calor O sistema faria troca t rmica com o solo e pr dio de forma natural e para aumentar sua efici ncia dentro do pr dio previu se ventila o for ada sobre o trocador de calor Este sistema apesar de poss vel mostrou se invi vel economicamente dada a grande rea de troca t rmica necess ria no solo e dentro do pr dio A medida das propriedades termof sicas do solo fundamental ao dimensionamento de sistemas de bombas de calor acopladas ao solo e s o elas que definem as dimens es do equipamento disposto no solo Este estudo mostra quais s o os par metros importantes que devem ser levados em conta e sugere m todos mais convenientes para sua medida N o se tem muito claro qual seria o impacto no Brasil da implanta o de sistemas de GSHP uma vez que a demanda por sistemas de condicionamento de ambiente Pelas caracter sticas do sistema GSHP nos locais onde a utiliza o de sistemas de refrigera o ou aquecimento indispens vel certamente h economia de energia el trica Como as condi es ambientais e sociais brasileiras solo clima h bitos de usu rios etc s o completamente diferentes das encontradas nos EUA a suposi o de economia de 30 ou mais de energia el trica pode n o ser verdade e por isto a quantidade de energi
45. atrav s da constru o Nas figuras B 5 e B 6 s o mostrados os diagramas de funcionamento dos sistemas fechados de refrigera o e aquecimento Cooling Mode Heating Mode al y A Figura B 7 apresenta um desenho esquem tico da bomba de calor no modo aquecimento de ambiente A v lvula revers vel permite que se altere o sistema para refrigera o do ambiente Na figura B 8 apresentado um desenho esquem tico de um sistema completo com todas as tubula es HEATING MODE HEAT EXCHANGER CONDENSER REVERSING WALVE HEAT EXCHANGER EvaP ORATORY GASEOUS REPLACEMENT COMPRESSOR EARTH CONNECTION FLUID EXPANSION LIQUID REFRIGERANT DE CE Figura B 7 Esquema do arranjo entre a bomba de calor e os loops associados retirado de GEO 98a Ap ndice B 191 Patent Pending OENERTRAN Ap ndice B ENERTRAN INC London Ontario Canada Phone 519 GGG 2075 Fax 519 BRE 2310 email newey emnetcomca Figura B 8 Desenho esquem tico de um sistema completo Abstract Mustration Only Not intended as Installation Guide Title Enertran Geothermal amp Heat Recovery Ventilation System cfw PHVV All Rights Reserved Enettran Inc 1997 RDUS amp HRS7 CDR 192 Existe uma grande variedade de configura es do sistema fechado que podem genericamente ser divididos em tr s grupos B 2 2 Sistemas fechados verticais B 2 3 Sistemas fechados horizonta
46. cent metros At o momento n o se tem relato na literatura um arranjo experimental que de forma simples e pr tica seja capaz de determinar a condutividade na profundidade de instala o do sistema GSHP A Cap tulo 5 111 determina o da capacidade t rmica de um corpo pode ser obtida alternativamente por k ae interm dio da rela o 3 2 onde p c C capacidade t rmica desde que se C conhe a o valor de a O calor espec fico do solo pode ser determinado pelo m todo do calor metro e a densidade por gravimetria como utilizado aqui A capacidade t rmica pode ser obtida atrav s de medidas diretamente no solo como em Kluitemberg et al KLU 93 Apesar da simplicidade do arranjo experimental do m todo Harmonic Equation aqui utilizado em que o valor m dio local da difusividade aparece naturalmente h o inconveniente de se fazer um furo profundo em torno dos 2 metros sob a superficie de modo a posicionar o term metro na profundidade padr o de instala o de sistemas GSHP horizontais O uso do m todo descrito por Kluitemberg que consta de uma agulha aquecedora paralela ao outra com um termopar para obten o da capacidade t rmica com alta precis o pode ser o melhor caminho para avalia o da condutividade t rmica mas necess rio alguma adapta o no equipamento para que se consiga levantar este valor na mesma profundidade de medida da difusividade 5 3 Dimensionamento do sistema de
47. da fam lia Braun foi instalado em seus quase 800 metros quadrados de rea um sistema vertical de GSHP para condicionamento de ambiente O sistema consta de cinco furos com 45 metros de profundidade e capacidade de refrigera o de 5 tons divididos em duas unidades O condicionamento da parte principal do pr dio feito pelo GSHP enquanto que o aquecimento complementar da rea de trabalho feito por resist ncias el tricas Ap s a instala o do sistema a conta de energia para aquecimento caiu de US 85 dia no inverno de 1985 para US 10 dia no inverno seguinte A economia anual est na casa dos US 7 900 00 o que significa que o sistema se paga em menos de 3 anos S o relatados tamb m outros benef cios que foram obtidos com o retrofit melhoria do controle de distribui o do ar e da umidade diminui o de risco de inc ndio e aumento da rea til devido elimina o da fornalha e do reservat rio de leo mostrado na tabela B 3 os resultados obtidos e a compara o com o sistema convencional Comparative Economics Costs Conventional GHP System System Capital Cost 19 750 40 810 Heat pumps amp equipment collectors N A 35 650 amp installation with ducting improvements Resistance heating for basement N A Combustion furnace with installation 19 750 and electric air conditioning 10 950 Tabela B 3 Estudo comparativo e
48. de luz desligado Entretanto a tecnologia de SPI requer grande campo de vis o e as mob lias e divis rias podem prejudicar sua opera o Sensores m ltiplos podem ser utilizados nos espa os grandes e a montagem no forro pode ser necess ria para uma detec o efetiva Detec es falsas podem ocorrer quando a unidade colocada perto de sistemas de ar condicionado devido as mudan as de temperatura nos arredores do campo de vis o Sensores ultra s nicos SU emitem onda sonora de baixa intensidade e alta frequ ncia 20 a 40 kHz detectando o movimento a partir das mudan as no padr o de reflex o do som Quando a assinatura ac stica do espa o alterada o dispositivo manda um sinal para o sistema de ilumina o Se nenhum movimento detectado dentro de um Ap ndice A 156 per odo estabelecido a ilumina o desligada Estes sensores podem cobrir grandes reas inclusive com divis rias Entretanto podem ser sens veis a falsos sinais como movimentos de ar ventiladores de teto etc O terceiro tipo de sensores de presen a chamado h brido ou unidade de tecnologia dual usam ambas as tecnologias SPI e SU com inten o de se ter uma detec o mais confi vel Podem eliminar quase totalmente os sinais falsos tem grande sensibilidade e podem admitir time delays pequenos mas tem custo elevado A diminui o dos intervalos de tempo para desligamento do sistema e o liga desliga frequente podem afetar a rotina
49. de profundidade com extremos de temperatura de 32 C e 8C e m dia anual em torno de 20 C curvas sin dicas t picas da superf cie do solo e do subsolo em S o Paulo temperatura na superf cie do solo temperatura no subsolo a 2 metros de profundidade Temperatura graus C 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 tempo em dias Figura C 14 Comportamento tipico da temperatura da superficie do solo e a resposta do subsolo a 2 metros de profundidade na cidade de S o Paulo calculado a partir da equa o C 119 Somando se os efeitos de taxas de absor o ou deposi o de energia t rmica vari veis do efeito de superf cie e da varia o sin dica da temperatura ao longo do ano pode se calcular o comportamento esperado da temperatura do subsolo para qualquer tipo e em qualquer regi o do planeta desde que se conhe am os par metros necess rios Seja por exemplo um tubo de 2 5 cm de di metro 1 polegada enterrado a 1 83 metros 6 p s de Ap ndice C 272 profundidade do solo tipo a cuja superf cie tem uma varia o sin dica de temperatura que vai de 25 F em 1 de fevereiro portanto hemisf rio norte a 75 F em 1 de agosto m dia de 50 F e amplitude de 25 F ligado a um sistema de troca t rmica para aquecimento de ambiente que retira 7 1 Btu h ft durante o m s de outubro 15 1 Btu h ft durante o m s de novembro 23 5 Btu h ft em dezembro 25 9 em janeiro 23 0 em fevereiro e 18 4 Btu
50. do ferro nela dissolvido sedimentos em suspens o tamb m podem causar entupimentos Um po o usado para suprimento e descarga de gua chamado de Sistema Turbulento a gua trazida do fundo do po o atrav s de uma bomba submersa localizada pr xima ao fundo Atrav s da tubula o passa pela bomba de calor e Ap ndice B 202 reinjetada na parte superior do po o onde ira resfriar ou aquecer dependendo do uso que se tenha feito dela A descarga deve ser feita adequadamente para permitir que a gua atinja a temperatura ambiente antes de ser reintroduzida no sistema estabilizando se termicamente Nos EUA a estimativa de troca t rmica de que a cada 33 metros de po o se consiga uma tonelada de refrigera o Maiores detalhes sobre o sistema aberto cuidados na constru o do po o bombeamento problemas ambientais etc podem ser consultados em GRO 98 Um resumo dos pr s e contra na instala o do sistema aberto seria Vantagens Projeto simples requer menos perfura es do solo que o sistema fechado possibilidade de obten o de maior efici ncia termodin mica uma vez que a gua que chega bomba de calor est temperatura do solo enquanto no sistema fechado o fluido circulante est em uma temperatura intermedi ria entre o solo e o ambiente constru do Pode ser combinado com suprimento de gua pot vel e ou Irriga o Desvantagens Sujeito a legisla o local estadual e federal referentes a uso de
51. dos ocupantes de salas adjacentes e prejudicar a vida das l mpadas e reatores Os sensores de ocupa o tem despertado o interesse de pr dios e de concession rias de energia el trica pelo baixo custo de implanta o e alto potencial de economia de energia Nos EUA a American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers ASHRAE estima uma economia m dia de 30 com o uso desta tecnologia em pr dios comerciais ASH 89 V rios estudos tem sido publicados nos EUA indicando bom potencial de economia de energia com a instala o destes dispositivos Em uma situa o de ilumina o comandada por controle de ocupa o a opera o de ilumina o pelo usu rio surge como fator determinante do potencial de economia de energia Geralmente a redu o do consumo de energia para ilumina o por sensores de presen a segue aproximadamente a taxa de ociosidade da sala A economia de energia depende da responsabilidade dos usu rios em desligar a ilumina o de reas desocupadas Para estudar o potencial real de economia de energia e a participa o do comportamento dos usu rios de pr dios no resultado final Floyd et al FLO 96 utilizaram tr s situa es diferentes em tamanho comportamento dos ocupantes densidade e estrat gias de controle um pr dio de escrit rios pequeno e duas escolas b sicas Para se calcular o impacto da utiliza o dos sensores o consumo de energia foi acompanhado antes e depois da instal
52. em nossa volta A Terra sobre n s Ou mesmo grandes massas de gua Existem dois tipos de bombas de calor Bombas de Calor de ciclo aberto que realizam trabalho diretamente sobre a fonte de temperatura baixa ou alta Bombas de calor de ciclo fechado que utilizam fluido de trabalho em um ciclo Rankine fechado com v lvulas de expans o Este fluido de trabalho chamado refrigerante como os CFC s Praticamente todos os sistemas de refrigera o aquecimento atualmente operam com o princ pio de vapor compress o fechados o que significa que a energia t rmica a ser removida e transportada de um lado para outro acompanhado por processos alternados de evapora o e compress o de um fluido conveniente O estado f sico deste refrigerante Ap ndice B 185 1 e se est no estado l quido ou de vapor imposto por um compressor que tem a fun o de variar a press o deste fluido expansion valve figura Bl Esquema gen rico de funcionamento de uma bomba de calor HOW 98 Compressor O ar condicionado para resid ncias igual aos que s o encontrados normalmente no mercado remove energia t rmica de dentro da casa deslocando a para o exterior muitas vezes de um ambiente interno mais frio para o ambiente externo mais quente O processo de eleva o a partir de baixas temperaturas para valores por vezes acima de 80 C e transfer ncia para outro local envolvem ciclos de expans o evapora o co
53. equa o deslocando se a escala de T Se a temperatura inicial varia com a dist ncia do tubo o efeito do tubo deve ser adicionado s mudan as que ocorrer o com o tempo devido ao gradiente inicial ou seja somamos as duas solu es Se existem mais que um tubo a temperatura em um ponto qualquer dever ser a somat ria dos efeitos de cada tubo naquele ponto Ap ndice C 253 M todo da Imagem especular Se um tubo ou tubos est pr ximo superf cie do solo mantido zero grau o problema pode ser resolvido imaginando se que para cada temperatura positiva ou negativa na posi o x existe uma temperatura igual e negativa ou positiva na posi o x Em outras palavras se existir uma distribui o de energia t rmica no lado negativo de x de valor id ntico e sinal oposto ao do lado positivo o fluxo de calor dever ser tal que mantenha a temperatura no plano yz continuamente com o valor zero Se a superf cie for refrat ria ao calor a solu o pode envolver a suposi o de uma imagem positiva Se a superf cie estiver submetida a varia es de temperatura a temperatura em um determinado ponto ser a soma dos efeitos dos tubos com a superf cie mantida a zero graus mais o efeito da varia o sazonal no ponto Se Q n o constante mas varia m s a m s a integral da equa o C 90 dever ser feita por partes Por exemplo se desejamos saber o efeito ao final de 3 meses de opera o utilizamos a soma d
54. externa term metro a 0 03 metros de profundidade que j a Tyuperficie deve acompanhar simultaneamente a evolu o da temperatura externa term metro sob o piso da casa para acompanhar a temperatura do ar no colch o de ar formado sob a constru o 1 term metro que participou de 2 conjuntos de medidas primeiro sobre o piso da casa e mais tarde remanejando para a ilumina o zenital da sala vizinha sala 7 term metro a 1 4 metros de altura do piso dentro da sala que acompanha a temperatura na altura da cabe a do usu rio da sala 1 na clarab ia de ilumina o zenital dentro da sala term metro externo sem prote o alguma sob a copa da rvore em frente da sala figura 3 12 Capitulo 3 63 Temp C Figura 3 3 Reta de calibra o term metro 1 TERMOMETRO 1 Temp C CR 0 9998248 R 0 9996497 a 264 76 b 96 28 2 83 2 93 3 03 313 3 23 3 33 3 43 Volts V Figura 3 5 Reta de Calibra o term metro 3 TERMOMETRO 3 CR 0 9998156 R 0 9996312 a 269 82 b 98 88 2 81 2 91 3 01 3 11 3 21 3 31 3 41 Volts V Cap tulo 3 Temp C Temp C Figura 3 4 Reta de calibra o term metro 2 TERMOMETRO 2 CR 0 9998248 R 0 9996496 a 264 91 b 96 16 2 84 2 94 3 04 3 14 3 24 3 34 3 44 Vo ts V Figura 3 6 Reta de Calibra o term metro 4 TERMOMETRO 4 CR 0 9997598 R 0 9995197 a 265 64 b 96 84 2 82 292 3 02 312 3 22 3 32 3 42 Vo ts V
55. fios a alimenta o e o sinal compartilham do mesmo par de fios A temperatura transmitida pela varia o do consumo do transmissor modulando se a corrente tipicamente na faixa de 4 a 20mA Os transmissores a dois fios t m sido utilizados em processos Industriais para acoplar os sensores aos instrumentos de medida e Ap ndice A 179 controle desde da d cada de 60 Sua evolu o ao longo do tempo minimizou problemas causados por flutua es da alimenta o ru do do terra e Interfer ncia eletromagn tica Dever ser utilizado o transmissor de 2 fios por causa das caracter sticas de qualidade do sinal 7 11 SISTEMA DE AQUISI O Sistema de aquisi o para no m nimo 64 pontos de leitura anal gica tendo a facilidade de expandir o numero de leituras Os amplificadores de entradas devem trabalhar com n veis de sinais na faixa de 4mA 20mA 0 10 Volts e 10 Volts Os conversores A D ser o de 12 Bits fornecendo um precis o de 3 91uA 2 44mV e 4 88mV respectivamente aos sinais de entrada N o existe a necessidade do tempo de convers o seja r pido j que as varia es de sinais s o lentas Como dever o ser utilizados sensores de presen a v lvulas e equipamentos que operam com sinais digitais h a possibilidade de acrescentar estas vari veis ao sistema A comunica o entre o sistema e o computador deve ser serial usando as interfaces de comunica o padr o isto RS232 e ou RS485 Ap s levanta
56. intervalo de 15 minutos cap tulo 4 te Figura 4 1c Terceira parte do conjunto de dados ocer ed E a qn Fane oT PEN KM v 2 0 o Sees aes es oa ae 853068883 KEEFE Lt ann n E GvSOL Ss 6ZOL SP mrj LZvOl SS p r o L966 E 7 T 16201 Be 6296 2 4 e M nRa au 5 lt 2626 e A 67001 n SS SS S968 S SZ66 z DE gt A SS 98 L086 O LOES n ue g 5 E o ecos E x J 9 Ti z a ZYG E o ay n a 19 _ a a o 5 Tr Q o o a L8L6 2 e a L99 L ESET gt a E o so s06 5 E 60 9 es A ss oe E 1165 O 6088 gt a Es SY99 me S898 q T EE ELES lt SS 9S8 5 i P L867 ge z 7 O SE meZ e Leve o a E amo 649 OY E ko n SE a eles Q j E LIEY n ara O SS am 6818 S86 5908 2 aa ly6L q E e ILZES ne e de E D D m E e om Lg o 686z S a a co O on ES 1992 2 5 E 6994 E or STE Gzez lt oo SS ss Gpvz a 664 LZEZ D o S L991 e MS E PF Z642 ae 6ZEl L LOL N 5 i 166 E Es e E 669 o S E 599 SS Gzg9 ioe AE EEE eE en E ER LOZ9 SH L LO O LO O LO Py o LO O LO O LO O LO N 99 m N N N 9 sneib esngejodus 9
57. medidas posi o 5 299 8 299 6 y 0 3181Ln x 298 12 R 0 9881 299 4 E 299 2 y 0 3389Ln x 297 83 gt R 0 9839 o FE E E 299 0 298 8 298 6 10 100 1000 tempo s Figura 4 14 Gr fico de temperatura k x t s obtido pelo termistor NTC na ponta de prova 2 medidas no furo 5 e respectivas fun es das assintotas Pela equa o 3 1 tem se os valores de rm dados pelo coeficiente das 70 assintotas obtidas em cada um dos furos posi o 1 posi o 2 posi o 3 posicao 4 posi o 5 0 56 0 44 0 39 1 10 0 86 1 46 0 30 0 52 m dia 0 95 m dia 0 35 m dia 0 33 m dia 0 65 0 19 H grande discrep ncia entre os valores encontrados para pe tanto entre 70 posi es diferentes como entre s ries de medidas em uma mesma posi o Este fato j era esperado uma vez que h flutua es na composi o do solo quando se comparam posi es diferentes e de grau de umidade de uma medida para outra medidas realizadas na mesma posi o cap tulo 4 100 Tomando se estes resultados e fazendo a m dia e a incerteza deste valor associada aos valores m ximos e minimos 1 0 68 0 27 0 35 mK 4 F Anak Os valores medidos na agulha aquecida por efeito Joule sao Ifio aquecedor 7 37 4 MA Rijo aquecedor 361 5 O Paquecimento 0 51 W Raio da sonda r 4 55 10 mm Comprimento da sonda L 6 37 10 mm A pot nci
58. nico mec nico com o programa BLAST do Corps of Engineers O custo total do sistema foi de US 1 087 000 00 sendo US 215 000 00 s para as bombas t rmicas custo unit rio m dio de US 1 671 00 O sistema implantado foi comparado com duas outras alternativas Variable Air Volume VAV e Multizone MZ Os custos envolvidos s o mostrados na tabela B 4 Comparison of HVAC System 25 Year Life Cycle Initial Recurring Repair Total amp Investment M amp R Replacement LCC NetPW Cost Costs Geothermal Heat Pump 387 555 46 51 Variable air Volume 525 768 250 496 783 916 Reheat Multizone 124 56 122 011 2 428 436 Tabela B 4 Compara o de custos entre o sistema GSHP instalado e duas outras alternativas Ap ndice B 217 B 12 2 3 Phillips 66 Service Station GEO 98a7 A empresa americana Phillips Petroleum Co adotou o sistema GSP em um de seus postos de gasolina em Prarie Village Kansas para fornecer energia t rmica para descongelamento dos acessos ao posto no Inverno produ o de gua quente e irradia o de calor para as baias de lavagem de autom veis O sistema adotado consiste de 10 furos verticais 100 metros de profundidade uma bomba de calor COP 3 3 5 e EER 11 6 13 5 de 5 tons Apesar do custo de US 25 000 00 a US 35 000 00 acima dos sistemas tradicionais a empresa conta com retorno do investimento j no f
59. nos EUA para alguns tipos de solo al m de mostrar os deslocamentos da sen ides de temperatura com a profundidade do solo Cap tulo 1 34 Temperature in F 220 10 Tm 10 20 ee er ee ee ee ee ee Pee ie h sa a fave ee Pe pera aL l O Wet Soil hj Average Soil Light Dry Soil Figural 3 a h h MN n a By depth Ground Surface x 2 fi a amp ft Undisturbed Ground Temperature F Moist Soil 120 160 200 240 280 320 360 Day of the Year Figura 1 3 a Varia o de Temperatura do solo medido nos EUA Figura 1 3 b Sen ides de temperatura em v rias profundidades a partir da superf cie mostrando os deslocamentos dos m ximos com a profundidade FED 98 Al m do ciclo anual de temperatura o solo submetido ao ciclo di rio e ao associado s mudan as clim ticas Estas varia es est o confinadas proximidade da superficie os ciclos di rios extremamente importantes nos projetos arquitet nicos e na Cap tulo 1 35 agricultura t m penetra o de aproximadamente 0 5m enquanto que o das mudan as clim ticas da ordem de 1 m de profundidade N o se tem conhecimento de estudos semelhantes realizados no Brasil mas espera se que ao menos na regi o sudeste de clima tipicamente tropical a temperatura m dia do solo seja maior e as amplitudes de varia o sejam menores que as observadas nos EUA e Canad A tabela 1 2 apresenta os val
60. o lago ou da ordem de 36 Btu h m ou aproximadamente 1 dos ganhos com radia o solar No modo aquecimento o sistema estar retirando aproximadamente 90 000 Btu h ou 23 Btu h m ou 50 do que perderia por irradia o para o ambiente em uma noite de c u claro com 14 C de diferen a entre a Tsuperficie do lago Tambiente ASH 95f A rede de tubos do sistema fechado de troca t rmica acoplado a lago semelhante ao sistema acoplado ao solo Tubos de liga o com di metro maior entre a bomba de calor e o arranjo de espirais mergulhadas na gua s o utilizados como forma de diminuir sua perda de carga vide figuras B 18 B 19 B 20 e B 21 Para diminuir a interfer ncia t rmica entre os loops pode se espalh los pelo lago Pode se tamb m fazer feixes de loops e mergulh los ou numa solu o intermedi ria loops abertos como na figura B 20 i WATER SOURCE j b CIRCULATION P PUMP RETURN SUPPLY HEADER HEADER LAKE SURFACE Fig 17 Spread Coil Loop Figura B 18 Tubos de polietileno em loops Figura B 19 Loop fechado em feixe duplo no espalhados de forma dispersa pelo fundo do lago NEW 98 lago ASH 95b Ap ndice B 199 Headers 7 _ Figura B 20 Arranjo de tubos de polietileno em feixes de loop fechados passo de rosca aberta e passo de rosca fechada ASH 95h ower Loop fl ee Cinder Block B TIGHT BUNDLE COIL WITH SPACERS Figura
61. o subsolo o que diferencia o sistema de bomba de calor geot rmicos dos sistemas tradicionais ar ar tendo vasta gama de varia es no projeto e instala o que podem economizar ainda mais energia e reduzir custos de Instala o As mais Importantes varia es s o B 4 1 Torre de Refrigera o Suplementar Onde a refrigera o de ambiente a principal demanda do sistema o tamanho do sistema colocado no subsolo pode ser reduzido pela instala o de uma torre de L refrigera o Esta torre instalada no circuito por meio de um trocador de calor Ap ndice B 204 chapa trocadora de calor entre o acoplamento com a terra e a bomba de calor agindo como um pr refrigerante do fluido que segue em dire o terra diminuindo desta forma a carga t rmica de refrigera o exigida do subsolo Um estudo de viabilidade econ mica deve ser efetuado para saber se este arranjo concorre para a redu o dos custos do sistema geot rmico Cooling Tower Figura B 27 Sistema suplementar Torre de Refrigera o 3 way Valve 9506033 2 B 4 2 Conexao com coletor solar Em climas frios onde a carga de aquecimento o principal fator o sistema de troca de calor geot rmico pode ser conectado a um aquecedor solar para gua diretamente ou por meio de trocadores de calor Este painel aumenta a disponibilidade de fluido aquecido reduzindo a rea de solo necess ria para o funcionamento adequado do sistem
62. os dois O dimensionamento e efici ncia da bomba t rmica utilizada dimensionamento e efici ncia do sistema de troca t rmica dentro do pr dio efici ncia de troca t rmica do l quido utilizado no circuito fechado bomba de calor trocador t rmico no solo efici ncia da interface bomba de calor trocador t rmico no solo efici ncia de troca t rmica do tubo de polietileno enterrado no solo e seu correto dimensionamento s o elementos fundamentais para definir a capacidade de troca t rmica global do sistema GSHP O conhecimento da carga t rmica a ser rejeitada ou admitida juntamente com dimensionamento e efici ncia do sistema GSHP permite avaliar numericamente o potencial de condicionamento do conjunto ambiente constru do sistema GSHP Cap tulo 5 123 5 6 Caminhos para Avalia o de Potencial de Troca T rmica com o Solo Os problemas enfrentados as solu es encontradas e os resultados obtidos permitem elaborar um conjunto de proposi es para investiga o de potencial de troca t rmica dispon vel no solo a b d o m todo de onda de calor permite avalia o adequada da difusividade t rmica do solo sem a necessidade de instala o de dois sensores de temperatura a profundidades diferentes Apenas um sensor de temperatura no solo na profundidade adequada e um de temperatura ambiente desde que este esteja dentro dos padr es de medidas meteorol gicas s o suficientes As amostras
63. placa e o computador de poss veis transientes de alta tens o que causam lhes danos Filtro Tem a fun o de eliminar sinais que possam prejudicar as medi es Alimenta o Tem a fun o de fornecer um sinal de tens o ou corrente em que o transdutor possa trabalhar Termopar Fig A 20 Diagrama de transmissao do sinal Ap ndice A 169 7 4 PLACA DE AQUISI O E CONTROLE A placa converte controla e gerencia a interface entre o condicionador e o computador Transformando medidas e comandos em sinais que sejam compreendidos tanto por um ou por outro A placa constitu da pelos seguintes elementos Multiplex Gerencia um ou mais canais de entrada ou sa da de sinais anal gicos e A D ou D A Converte sinais anal gicos em digitais ou vice versa e I O Digital Portas de entrada ou sa da que trabalham com sinais digitais e Interface de Comunica o Efetua a troca de dados ou comandos entra a placa e o computador MULTIPLEX Multiplex liga v rias entradas e sa das anal gicas atrav s de chaves endere adas pelo computador ao conversor A D e D A reduzindo o custo de urtiliza o de v rios conversores pois estes geralmente t m alto custo A D e D A Os conversores s o as pe as fundamentais no sistema de aquisi o tendo a responsabilidade de definir a taxa de convers o a precis o e resolu o do sinal convertido I O DIGITAL Geralmente num sistema de aquisi o e controle h necess
64. pode se avaliar apenas a ordem de grandeza da diferen a T To em fun o da difusividade t rmica Um levantamento mais detalhado controlando se a composi o das fra es integrantes do solo principalmente a fra o s lida que mais vari vel deve proporcionar um estudo mais refinado e uma determina o mais apurada de suas propriedades termof sicas em fun o de suas vari veis fundamentais 0 vs e na Ainda assim a alta variabilidade da composi o do solo impede uma determina o segura de suas propriedades termof sicas e por isto verificado em toda a literatura de GSHP que a avalia o precisa do potencial de troca t rmica do solo s poss vel com medidas no local e na profundidade em que se pretende implantar o sistema Desta forma se houver necessidade de mapeamento do comportamento t rmico do solo e obten o das propriedades termof sicas em uma rea grande uma solu o Interessante a associa o com outras reas de conhecimento interessadas na mesma regi o por exemplo trabalho conjunto com geof sicos e ou ge logos fazendo uma combina o de arranjos experimentais que possibilitem atender s necessidades dos grupos de pesquisa envolvidos Apenas com inser o de um term metro digital associado a um datalogger este m todo pode ser estendido a outros s tios e o comportamento t rmico e a difusividade t rmica do solo podem ser obtidos como subproduto de outras pesquisas 5 5 Potencial de C
65. por unidade de tempo por unidade de comprimento a diferen a de temperatura dist ncia R na superf cie do tubo por exemplo desta linha 0 oO are a sr R dade id C 114 Quando esta equa o aplicada temperatura da superf cie do tubo de boa acur cia ou exatid o somente no caso ee gt 20 da mesma forma que na equa o de line source z R Wat Se lt 1 a equa o C 114 toma a forma 1 e 7 12at 160a t Q a tye R R 1 l 2R 2 z aT O Gee eae aa O C 115 4k z IZ R J rat Dot 160a t 3 Lx pe a 16002 CV 5 7 L Em casos normais quando R e onde L o comprimento do tubo e L lt ot condi o que acarreta um erro menor que 1 Se L 2 Jat este erro sobe para 3 a equacao C 115 reduz se a o L L 4 6lo Ami SR R a mat AT C 116 Ap ndice C 265 7 que a diferen a de temperatura na superf cie pr xima ao centro do tubo finito Esta equa o pode fornecer por exemplo a temperatura na superf cie pr xima ao centro de um tubo de 2 polegadas e comprimento de 1 metro ap s poucos dias de opera o com um erro desprez vel Embora n o exista um estado estacion rio de temperatura no caso de um tubo isolado infinito ele poss vel no tubo finito embora leve um tempo substancial para chegar a este estado Colocando se t na equa o C 114 ou na C 115 obt m se
66. por evapora o para refrigera o do pr dio n mero 2 O sistema de refrigera o por evapora o tem por princ pio a diminui o da temperatura de um dado l quido medida que ele evapora Estes sistemas podem ser de alta efici ncia energ tica adequado pol tica de preserva o ambiental e significativamente barato para o uso em climas secos Alem da alta efici ncia energ tica tamb m podem reduzir o pico de consumo energ tico Com o aumento das press es para que se diminua o uso de clofluorcarbonos CFC e melhoria da qualidade do ar a substitui o de equipamentos de refrigera o por sistema evaporativo torna se cada vez mais interessante O efeito da redu o direta ou indiretamente dos sistemas de refrigera o por equipamentos t rmicos reduz os custos de opera o preserva os recursos naturais e diminui a polui o ambiental HER 96 Existem v rias configura es poss veis dos sistemas de refrigera o evaporativos a Refrigera o evaporativa direta RED b Refrigera o evaporativa indireta REI c Refrigera o evaporativa indireta multiest gios REIM d Refrigera o evaporativa direta indireta REDI e Refrigera o mecano evaporativa indireta RMEI Ap ndice A 146 O sistema RED envolve o processo de evapora o de gua em um fluxo de ar que est em contato com gua circulante usando um bico de spray meio mido ou combina o dos dois Psicrometricamente o processo adiab t
67. profundidade A bomba de calor associada uma ECONAR 5 ton GeoSource Heat Pump Este sistema foi instalado logo ap s a constru o da resid ncia por isto n o h compara o de consumo e gasto em moeda corrente com sistema anterior A conta m dia mensal de energia el trica de US 44 64 com uma demanda de 5 000 C dia de aquecimento e 470 C graus dia de refrigera o B 12 1 2 Energy Crafted Homes in Connecticut GEO 98f A Empresa Northest de Hartford Connecticut promove um programa chamado Energy Crafted Homes ECH onde oferece assist ncia t cnica e descontos em certos casos para que pessoas construam suas casas com equipamentos de alta efici ncia A avalia o do projeto feita em conjunto propriet rio concession ria de eletricidade com a finalidade de se encontrar o sistema mais eficiente e vantajoso economicamente Por isto muitos construtores t m optado pela instala o de sistemas de GSHP Um destes a resid ncia dos Palmers em East Hampton de 325 m de rea condicion vel com demanda calculada de 49 614 Btu h de aquecimento e 30 568 Btu h de refrigera o Foram instalados uma bomba de calor de 4 2 ton da empresa WaterFurnace e um sistema de troca com o solo composto por dois furos verticais de 83 metros de profundidade e 300 metros de tubo de polietileno Os custo envolvidos na instala o foram US 10 541 em equipamentos e dutos de GSHP US 8 742 nas perfura es dos loops perfazendo um t
68. que as condi es ambientais forem desfavor veis ao conforto No caso de Ap ndice A 148 falta de energia fotovoltaica baixa insola o chuva etc o sistema aciona a alimenta o por energia hidrel trica O monitoramento do sistema permite o calculo de sua efici ncia e economia de energia da rede el trica fig A 5 Mesa com sistema de ventila o e trocadores de calor Ap ndice A 149 Painel solar de alimenta o da bomba d gua e do ventilador Caixa superior do trocador de calor Serpentina do trocador de calor Caixa inferior do trocador de calor Bomba de calor Bomba d gua do trocador de calor com o solo Serpentina do trocador de calor com o solo No 1 Solo a 2m temperatura 20 C Fig A 6 Sistema fotovoltaico associado ao trocador de calor Ap ndice A 150 2 4 Sistema de troca de calor com o ambiente utilizando caixa de pedras ispositivo para de pedras como d 1Xa de uma ca dade t rmica 1 da capac L inercia e Utiliza o da te 1en icionamento de amb cond Sa da de ar quente vo f P oc P N f oe fm war fm Entrada de Ar Frio Vi EEEE TEETE AEREE TT AEREE T SHEHE nano n na aaa n aaa on nana an anna RREO ERHET T AEREE TE AEETI HER EHETE E EHHE ETETE rr THIET E tirir THIET E rir FHETT E grrr FHETT E irr THIET E qir FHETT TETE ER grrr THEE ER trr THEE E qrr FHETT ETE E
69. que implica que a energia t rmica propagada aparentemente com velocidade infinita Verdade ou n o o fato que qualquer dist rbio t rmico transmitido com grande velocidade atrav s do meio embora esteja continuamente perdendo muita energia para o meio pois tem que aquece lo medida que passa por ele de forma que a quantidade de Ap ndice C 243 energia transportada pela onda t rmica que percorre uma determinada dist ncia em um em um intervalo de tempo muito pequeno seja tamb m pequena Da mesma forma que a dedu o de C 28 podemos escrever a express o para a temperatura a uma dist ncia r de uma fonte permanente de calor depositando Q unidades de energia por segundo iniciado t segundos atr s ie a A e r 2 dr C 69 ERA 72 0 Fazendo a transforma o da equa o C 45 e trocando x por r temos fz S L zle dB C70 3 B AaKr n 2cOn ar e dp rm Usando a equa o C 20 T e dB C 71 ona J colocando t na equa o C 71 T 2 se C 72 4rar Amcpar 4nkKr Que a temperatura no estado estacion rio em um s lido infinito onde Q unidades de energia s o entregues em um ponto por unidade de tempo Ap ndice C 244 Se uma fonte permanente ao inv s de ser constante de for a g substitu da por uma cp de for a vari vel f t temos 1 3 Lla mzy ae o g 7 2 dr C 73 8720 ou 1 f r 2 T 5 tt er dp C 74 o 405 Para
70. rea geralmente levam instala o de sistemas verticais fechados S o feitos furos no solo com profundidade de 70 a 100 metros com um coeficiente aproximado de 42 metros de profundidade por cada tonelada de refrigera o e separa o entre estes furos de 3 a 8 metros dependendo das caracter sticas de solo e de projeto O arranjo horizontal fechado utilizado apenas em pequenos pr dios e quando existe grande rea dispon vel para escava o como o caso das resid ncias t rreas O sistema horizontal aberto pouco utilizado devido s condi es especiais que devem ser cumpridas para sua instala o Os sistemas de grande capacidade em especial os verticais fechados e os sistemas abertos devem ser precedidos de estudos hidrogeol gicos que incluam a Usos principais da gua do subsolo b Geologia da rea e como ser sua inter rela o com os sistemas de troca t rmica instala o e opera o c Posi o e n mero de usu rios da gua do subsolo nas proximidades d Se o sistema retirar gua qual a taxa permitida e Observa o dos programas governamentais de prote o do len ol fre tico Ap ndice B 206 B 6 VANTAGENS DO SISTEMA B 6 1 Consumo de Energia O primeiro benef cio das bombas de calor geot rmicas a redu o no uso de energia el trica para condicionamento de ambientes A rea no ambiente constru do necess ria sua instala o consideravelmente menor que os sistemas conve
71. s do cart o o usu rio presente na sala e os hor rios de entrada e sa da Auxilia tamb m no controle de ilumina o e no sistema de condicionamento do ambiente complementando as informa es dos sensores de presen a Deve ser instalado um padlock para cada sala tanto no pr dio 1 quanto no pr dio 2 Ap ndice A 163 o _ rere CCEE SEMED Sanne oy PME of Qa Sowing Demio Effect fig A 16 economia de with behavioral n changa energia Giang ae In behador devido aos UEM houraj Po H hbuis sensores de presen a iibi hema mh io TEA inet g d en J 4 Micho adhd anya orh integradores de consumo de energia Equipamentos que medem o consumo de energia diferencial e integral a serem instalados nos pr dios para o acompanhamento das altera es de consumo de energia com a instala o dos equipamentos propostos Devem ser instalados medidores de consumo do pr dio todo e de consumo por sala Todas as informa es sobre comportamento de equipamentos de ilumina o sensores de presen a padlocks sistemas de condicionamento de ar etc ser o centralizadas em um micro computador dedicado coleta de dados Atrav s de softwares adequados devem ser feitas as interpreta es dos dados colhidos Ap ndice A 164 Integradores de consumo de energia Sensores de temperatura Sistema de Trocas Sensores de t rmicas velocidade do ar Sistema de Caixa de pedras aquisi o de dados calor ON Sensore
72. sistema GSHP na resid ncia dos Palmers B 12 1 3 Scenic St George Utah GEO98g A construtora MBM de Utah USA adotou o sistema GSHP como forma de aumentar a efici ncia energ tica de suas constru es Para convencer os clientes n o familiarizados com o sistema esta empresa paga o primeiro ano de contas de energia el trica para aquecimento e refrigera o de suas resid ncias Um dos casos relatados o de uma constru o de 340 m isolamento t rmico R 21 janelas de vidro duplo e v rias outros dispositivos de conserva o t rmica que resultaram em uma demanda de bomba de calor de 2 1 2 ton conectada a um sistema vertical de troca de calor com o solo que nesta regi o de St George da ordem de 70m de furo vertical por ton de refrigera o O sistema tem um COP de 3 5 e uma raz o de efici ncia energ tica Energy Efficiency Ratio EER de 13 5 No caso de aquecimento este sistema de 80 a 100 mais eficiente que o sistema de troca com o ar e em modo refrigera o de 30 a 40 mais eficiente Outros estudos de caso de aplica o de GSHP em resid ncias dispon veis na literatura s o Esperanza Del Sol GEO 98h Ap ndice B 215 Garden East Apartments South Australia GEO 98 Hillside Oaks East Dallas Texas GEO 98 Millenium House 1995 GEO 98k B 12 2 Setor Comercial B 12 2 1 Braun s Bicycle Store Kitchener Ont rio GEO 98 Na reforma da loja de bicicletas
73. sua densidade melhor a avalia o do comportamento t rmico do sistema Nenhum fator isoladamente mais importante para o sucesso de um projeto de sistema de troca t rmica com o solo que a taxa de transfer ncia de energia t rmica entre o equipamento de acoplamento e o solo circundante E ela que define qu o pr xima a temperatura de retorno do fluido que faz troca de calor estar da temperatura do solo Assim o conhecimento do comportamento t rmico do solo ao longo do ano fundamental no desempenho destes equipamentos de condicionamento ambiental pois s o afetados diretamente pelo potencial de troca entre o fluido de circula o e o solo As propriedades fisicas do solo composi o densidade grau de umidade temperatura caracter sticas t rmicas s o os principais fatores que determinam o dimensionamento e efici ncia destes equipamentos Cap tulo 1 38 Para simplifica o a resist ncia t rmica descrita como a resist ncia t rmica entre o fluido circulante no tubo enterrado e o solo circundante incluindo a o comportamento de todo o sistema no subsolo fluido equipamentos de condu o e acoplamento tubos e solo do entorno De forma geral o solo tem um fator dominante na resist ncia t rmica global e por isto esta resist ncia t rmica global s vezes chamada de resist ncia do solo ou resist ncia de campo A partir das caracter sticas de comportamento do solo do ambiente externo e do ambiente constr
74. sua umidade e cobertura vegetal da profundidade e da m rcia t rmica al m da varia o das esta es do ano Pode se considerar esta fina camada da crosta terrestre como um coletor solar de grande capacidade e grande in rcia t rmica armazenando o calor que atinge sua superf cie nos dias quentes de ver o e perdendo a noite e nos meses frios A profundidades maiores que 5 ou 6 metros temperatura praticamente n o muda durante o ano os valores aproximam se da temperatura m dia anual local A pequenas profundidades dependendo das caracteristicas citadas na figura 1 pode situar se entre dezenas e centenas de metros esta energia armazenada no solo chamada de energia geot rmica de fonte solar ou energia geot rmica de baixa densidade energ tica 1 2 Comportamento Geral da Temperatura no Subsolo Em termos gerais as varia es de temperatura do ar e da superf cie do solo podem ser descritas pela equa o Zat to T T A cos 1 1 onde T a temperatura da superficie do solo em um dado instante t T a temperatura m dia no per odo envolvendo um ou mais ciclos completos A a diferen a entre a temperatura m xima e m nima da superficie do solo ou do ar no per odo t o Instante considerado to o Intervalo de tempo de um ciclo completo Se o subsolo tem propriedades termof sicas constantes em uma determinada profundidade x a temperatura induzida ao longo de uma varia o c clica dada por
75. t 0 e u 0 em r 0 Se tomarmos T positivo u positivo e a solu o parecida com a equa o C 48 UsandoA como vari vel de integra o e lembrando que quando t 0 gt w Af A np apne i et da C 55 Vz o e com as substitui es Ap ndice C 240 B A r n ou A E r C 56 e B A mMn ou E AN C 57 7 temos r _ 4 Canta net dp je aot Eo edp C58 El j Que a solu o de T para uma fonte puntual com a condi o de contorno C 53 Se a temperatura inicial To constante dentro de uma esfera de raio R contida no s lido infinito e zero fora deste raio a temperatura ser dada por TE nal mca sa pee a C 59 r ou com as substitui es C 56 e C 57 R r n R r n di Cane dB J Cre ee a C 60 r cujo resultado da o valor de T para qualquer ponto exceto r O onde ha uma descontinuidade mas que pode ser avaliada por diferencia o o que da Ap ndice C 241 lio y OR 7 g ERI gy C 61 Va e a fun o M x a integral de probabilidade FONTES E DEP SITOS DE CALOR CAR 47 Se Q unidades de energia t rmica s o instantaneamente geradas em um ponto no interior de um s lido que est a zero grau ocorrer um fluxo radial de calor e a temperatura em qualquer ponto deste corpo poder ser descrita em termos do tempo t e da dist ncia r a partir deste centro este caso an logo ao descrito acima onde t nhamos um fluxo linear
76. taxa de transfer ncia de calor no solo 4 ap s 1 semana 168 horas ser de 0 323 Btu h ft e ap s dois meses 0 111 Btu h ft No solo B os valores correspondentes ser o 0 151 Btu h ft e 0 051 Btu h ft Na placa plana os valores de taxa de transfer ncia de calor ser o os mesmos para as mesmas dimens es mas como a placa plana tem o dobro de rea de troca ter o dobro de transfer ncia de calor Caso 2 Taxa de transfer ncia Constante Neste caso a varia o de temperatura dada por B 20 at kA AT C 99 onde o fator 2 indica que a placa irradia dos dois lados Para um trocador de calor em forma de placa plana de grandes dimensoes no solo A com taxa de transfer ncia de Btu h ft ou 1 200 Btu h em uma placa de 20x30 ft teremos um AT de 1 97 F ap s uma semana e 5 80 F ap s 2 meses enquanto que para o solo B teremos respectivamente 4 20 F e 12 4 F Estas curvas s o apresentadas na figura C 5 Ap ndice C 256 Taxa de transfer ncia Btu h sqft 0 90 25 comportamento do Trocador de calor Planar quanto a retirada de calor 0 80 20 0 70 0 60 15 3 E 0 50 2 solo B D 9 gt E 0 40 Me 109 2 soloA o 0 30 0 20 5 0 10 1 soloA 1 solo B 0 00 7 7 7 7 7 7 H 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dias Figura C 5 Trocador de calor Planar Taxa de transfer ncia de calor com da superf cie de troca a temperatura constante e difere
77. taxa de ventila o de ticos Anais do I encontro nacional de conforto no ambiente constru do Associa o Nacional de Tecnologia do Ambiente Construido Porto Alegre RS 41 1990 Refer ncias 138 LAR 88 Larson T H Thermal Measurement of Soils Using a Multineedle Probe with a Pulsed Point Source Geophysics 53 2 266 70 1988 LUB 68 Lubimova E A Thermal History of the Earth em The Earth s Crust and Upper Mantle Amer Geophys Mon Ser 13 63 77 1968 MAR 98b Maritime Geothermal Ltd Manufacturers of Nordic Geothermal Heat Pumps http www discribe ca nordic rclosdloopartpage htm acessoem 1998 MAT 99 Matsumoto S Yoshino H Akasaka H A Program for Ground Temperature Data Generation Based on the Expanded AMeDAS Weather Data CD Roms http hvac okstate edu pdts bs99 papers pa 17 pdtf acesso em 1999 MOH 98 Mohanty B P Shouse M T van Genuchten M T Spatio Temporal Dynamics of Water and Heat in a Field Soil Soil amp Tillage Research 47 133 1998 NEI 95 McNeil C S L Crawford T K Eggerton B Vertical Borehole Groundloop Heat Pump Installation Advanced Building Newsletter Royal Architectural Institute of Canada pp 1 vol 1 n 8 1995 NEW 98 New Jersey Heat Pump Council What are Ground Source Geothermal Heat Pumps http www njhpc org njh_grnd html acessoem 1998 NOR 98 Nordic Geothermal Heat Pump System http www discribe ca nordic dxheatcyc
78. testar a efici ncia e avalia o da rela o custo benef cio dos sensores de presen a e dois sistemas de controle de ilumina o Foram testadas quatro estrat gias diferentes nos sessenta e tr s escrit rios escolhidos sempre utilizando lumin rias fixadas no teto de 3 bulbos com l mpadas T8 A maioria das salas possui 2 lumin rias Configura o Standard Chaveamento de ilumina o de duplo n vel com sensor de presen a Este tipo de chaveamento permite ao usu rio controlar o n vel de ilumina o com dois Interruptores de parede o primeiro liga o bulbo central de cada lumin ria o outro liga as duas l mpadas restantes Foram utilizados sensores de presen a modelo Ap ndice A 160 DT100L Watt Stoppers tecnologia dual para desligar a ilumina o se a sala estiver vazia O tempo de espera foi regulado entre 6 e 21 minutos dependendo do comportamento da sala _aumimary of Results from Three Case Jfudies of Uccupancy sensor Re front Pude Ti Floor Awal Ft Lizhtng Load kW sensor Tore Delay min Baselre Arial Light kWh Estimated Anmal savings kWh Installed Cost Savings Puldmg 200 Small office 5 000 ay 15 mumutes intial T mimites nal 12 509 12 509 1 084 20150 2 354 LO Lro 34 7 Lea Horthaes t Elementary Elementary school Se 000 110 0 10 mimites 246 48 26 420 5087 11 Fellsmere Elmermtary Elementary school 35 000 0 12 15 mimtes ini
79. tubos verticais acoplados Custo unit rio US 5 110 ton d lares de 1994 B 9 6 Uma estimativa do U S Army Corps of Engineers avaliou o custo total de GSHP entre os valores de US 2 000 ton e US 2 450 ton d lares de 1991 Entretanto existe uma tend ncia de queda de custos medida que a demanda por sistemas cres a e as t cnicas de instala o se aprimorem Esta redu o de custos a meta principal da International Ground Source Heat Pump Association IGSHPA e do Geothermal Heat Pump Consortium GHPC Como forma de baratear e normatizar o uso dos sistemas de GSHP o governo americano via EPRI Electric Power Research Institute Palo Alto CA tem publicado o Demand Side Management DSM que em 1993 j contava com 133 programas espec ficos de incentivo e suporte t cnico mantido pelas empresas distribuidoras de energia el trica O boletim do FED 98 j contabilizava 2 321 DSM em 666 utilit rias Os descontos oferecidos por estes programas variam de US 15 a US 600 por tonelada de refrigera o com uma m dia de US 190 ton e descontos de US 100 a US 2 000 por unidade de GSHP e m dia de US 538 unidade Alem disto existem operadoras que possuem programas de descontos que n o levam em conta o tipo de tecnologia que empregado apenas a economia que o sistema proporciona B 10 A ECONOMIA A economia de energia e financeira depende das particularidades de cada caso Em m dia nos EUA os sistemas GSHP t m potencial d
80. usado para calcular diretamente a velocidade do ar via Equa o de King A equa o afirma que a raz o do calor perdido proporcional a diferen a da temperatura entre o filamento e o ar multiplicado pela raiz quadrada da velocidade do ar Equa o de King H A BW Ty Ta A 1 Onde A e B s o constante H Quantidade de Calor T Temperatura do Filamento T Temperatura do Ar Va Velocidade do Ar E AD Fil Ta pf o transmissor Fig A 26 Resist ncias el tricas funcionando como Anem metro de baixa Var Ap ndice A 175 Para a medida de velocidade do vento na parte externa dever ser usada uma turbina que se desloca com a passagem do ar A velocidade convertida num sinal de onda quadrada no qual a fregii ncia proporcional a esta velocidade Unidade Km h m s ft min mph AR 3 gt gt lt gt s Figura A 27 Anem metro para Var externo Termometria Nas medidas da temperatura ser o usados v rios tipos de sensores e transdutores Utilizaremos um corpo negro de rea conhecida acondicionado num recipiente em v cuo de forma a eliminar os outros meios de transmiss o de calor condu o e convec o O poder emissivo do corpo negro proporcional quarta pot ncia de sua temperatura absoluta Lei de Stefan Boltzmann Ecn oT onde o 5 7 x 10 w m K A 2 Camara acuo Corpo Figura A 28 ne ro Ter m metr O T baseado no p H H prin
81. zenital obstruindo a passagem de luz de uma delas sensores de presen a Os sensores de presen a tamb m chamados de ocupa o ou de movimento t m um potencial significativo de redu o do consumo de energia pelo desligamento de equipamentos el tricos quando um recinto normalmente ocupado pelo usu rio fica vazio Ele pode ser utilizado para controlar uma grande variedade de equipamentos mas a forma de uso mais comum o controle de ilumina o em pr dios comerciais Os fabricantes destes equipamentos afirmam que a economia de energia est na faixa de 15 a 85 embora existam poucas pesquisas publicadas que d em respaldo a esta magnitude de redu o de consumo A performance e economia de energia destes equipamentos est o relacionadas diretamente com a pot ncia dos equipamentos a serem controlados efici ncia dos m todos de controle comportamento dos usu rios e uso adequado dos sensores Os sensores passivos de infravermelho SPI detectam a diferen a na radia o de ondas longas infravermelho entre o objeto e o fundo No sensor uma lente composta divide a rea monitorada em zonas triangulares quando ocorre uma mudan a na temperatura infravermelha em uma determinada zona tal como a produzida pelas m os de uma pessoa isto interpretado como um movimento e o sistema de luz acionado Se nenhum movimento detectado em um determinado espa o de tempo tipicamente ajust vel de 30 segundos a 30 minutos o sistema
82. 2000 m dulo especifico para utilizar com transdutores 6 SCXI 1140 Amplificador de 8 canais sinal de entrada de tens o ganho 1 500 e utiliza aquisi o sample hold 7 SCXI 1141 Amplificador de 8 canais sinal de entrada de tens o ganho 1 100 utiliza um filtro passa baixa program vel 8 SCXI 1124 6 canais de sa da anal gica 9 SCXI 1160 16 canais de sa da utilizando rel s 2A 250Vac ou 30Vdc 10 SCXI 1161 8 canais de sa da utilizando rel s 8A 125 Vac 64 250Vac e 5A 30Vdc 11 SCXI 1162 32 canais de entrada digital TTL e CMOS 12 SCXI 1162HV 32 canais de entrada digital TTL CMOS e 240 Vac Vdc 13 SCXI 1163 32 canais de sa da digital TTL e CMOS 14 SCXI 1163R 32 canais de sa da digital Rel Todos os racks devem utilizar o m dulo SCXI 1200 que cont m 4 canais diferenciais de entrada anal gica com as caracter sticas e Conversor de 12 Bits e Ganho de 1 100 e Sinal de entrada O a 10 Volts ou 5 Volts e 2 canais de sa da anal gica e 24 canais de entrada ou sa da digital e Contador e timer O m dulo SCXI 1200 respons vel pela convers o dos dados e controla os m dulos instalados no mesmo rack Junto com o SCXI 1200 dever ser instalado o m dulo SCXI 2400 respons vel pela comunica o entre o sistema e o computador Ap ndice A 181 O SCXI 2400 utiliza duas interfaces seriais RS232 e RS485 O RS232 pode ser ligado em qualquer computador enquanto que o RS485 necessita um conver
83. 98v Geoexchange Information Center Northwest Louisiana Juvenile Detention Center http www ghpc org cases cs0062 htm acesso em 1998 GEO 98w Geoexchange Information Center Federally Sentenced Women s Facility Truro Nova Scotia http www ghpc org cases cs0082 htm acesso em 1998 GEO 98x Geoexchange Information Center Cambria County Prison Pennsylvania http www ghpc org cases cs0067 htm acesso em 1998 GEO 98y Geoexchange Information Center Daily Family YMCA Oklahoma http www ghpc org cases cs0017 htm acesso em 1998 GEO 98z Geoexchange Information Center Daniel Boone High School Washington County Tennessee http www ghpc org cases cs0090 htm acesso em 1998 GEO 98al Geoexchange Information Center Paint Lick Elementary School Kentucky http www ghpc org cases cs0030 htm acesso em 1998 GEO 98a2 Geoexchange Information Center Bob McMath School Richmond B C Canad http www ghpc org cases cs0075 htm acesso em 1998 GEO 98a3 Geoexchange Information Center Great Bridge Middle School South Virginia http www ghpc org cases cs0023 htm acesso em 1998 Refer ncias 135 GEO 98a4 Geoexchange Information Center Applications of Geothermal Heat Pumps http www ghpc org cases agr sect htm acessoem 1998 GEO 98a5 Geoexchange Information Center Horticultural Uses of GeoExchange Heat Pumps
84. AT 1 F No solo A teremos para At 1 dia 24h Q 3 4Btu h ft w 3 23 Btu h sqft Em 30 dias os valores serao Q 1 98 Bt h ft w 1 88 Btu h sqft O gr fico abaixo mostra as curvas de transfer ncia de calor em fun o do tempo para dois diametros de tubos e os dois tipos de solo acima descritos Tubo isolado com temperatura constante na superficie 8 000 7 000 E 6 000 Z co gt 5 000 o de 1 polegada de di metro no solo A E w E 4 000 Ro c 2 o 3 000 o o gt x lt Go 2 000 tubo de 1 pol solo B tubo de 4 pol de solo A 1 000 Di es tubo de 4 pol solo B 0 000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 tempo dias Figura C 7 Curvas de taxa de transfer ncia de calor em fun o de t para 2 di metros de tubo e dois tipos de solo Ap ndice C 261 Caso 2 Taxa de Transfer ncia de Calor constante Como j demonstrado a equa o que descreve este caso a equa o C 90 C 90 p RF a d EEO ec L y g dna P 27a 20K B 2x Nat r 2V at Esta equa o apropriada para os casos em que o tempo bastante longo e o di metro do tubo pequeno Caso contr rio tempo pequeno e grande em geral quando de lt 20 0 uso da equa o de fonte de calor linear cont m uma discrep ncia apreci vel Jaeger JAE 42 apresenta um desenvolvimento matem tico que apesar de m
85. MARCIO MAIA VILELA ESTUDO DE METODO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAR A POTENCIALIDADE DO USO DE ENERGIA GEOTERMICA A BAIXA PROFUNDIDADE Trabalho apresentado ao programa Interunidades de p s Gradua o em Energia EP FEA IEE IF da Universidade de S o Paulo para obten o do T tulo de Doutor em Energia Orientador Prof Dr Ualfrido Del Carlo S O PAULO 2004 AUTORIZO A REPRODU O E DIVULGA O TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETR NICO PARA FINS DE ESTUDO OU PESQUISA DESDE QUE CITADA A FONTE Vilela Marcio Maia Estudo de m todo experimental para determinar a potencialidade do Uso de energia geot rmica a baixa profundidade 278p fig Tese Doutorado Programa Interunidades de P s Gradua o em Energia da Universidade de S o Paulo 1 Energia Geot rmica 2 Troca T rmica com o solo 3 Difusividade T rmica 4 Temperatura do Solo Esta vers o difere da tese depositada e aprovada na defesa qual foram incorporadas modifica es sugeridas pela comiss o examinadora devidamente verificadas e aprovadas pelo orientador Agradecimentos A id ia Inicial era fazer um agradecimento gen rico a todos mas depois do primeiro nome os outros acabam aparecendo inevitavelmente Espero que me perdoem se cometer alguma injusti a esquecendo algu m Ent o l vai Ao Prof Ualfrido pela orienta o Ao Prof Fag e Prof Zerbini pelas discuss es e sugest es per
86. T rrer THETH rr FHH prr THH trr THEE rrr THETH trr THETH grr FHH t prr HTHH n rrr HERIEEIEE grrr HEERE rtrt HERH CR HERH rT ERR grrr HERH trt HERETER DR HERET TET aonaanaaan anna aan anna onda na onda nana aa on nana anna nano na nano n nana Anna aan ana aonaanaaon aa nada dana on aa aa onda nadando ana aa anna nano nano nana anna ERR HERR rrr HERH rrr HERH T trr HERRER rrt ED a EEEE Pedras Aquecidas por Efeito Estufa ta o solar Rad N GQ O E U Figura A 7 Detalhes da caixa de de pedras para armazenamento de energia t Ite x a no to de ambiente ia e aquecimen durante o d 151 Ap ndice A Noite Dia Figura A 8 Detalhes da caixa isolada termicamente preenchida com pedras que mantida aberta no per odo noturno para esfria las Durante o dia a caixa fechada para refrigerar a edifica o 2 4 Uso no interior das paredes do pr dio de salas de aula de material isolante termo ac stico e prote o por quebra sol das paredes face norte pr dio Salas de Aula Ap ndice A 152 Superf cie de cor clara alta taxa de reflex o Fig A 9 Prote o da fachada norte com isolante t rmico Ap ndice A Argamassa armada 2 5 cm Compensado 1 cm Camada de ar 4 cm L de vidro 5 cm Placa de gesso 1 2 cm Dire o dos raios solares no dia mais critico Parede protegida Fig A 10 Prote o por quebra sol das paredes da face norte 153 2 5 Const
87. X com a transforma o P C 29 2 a t 7 temos para valores positivos de x T C 30 aa p pe a onde pode ser substitu do por fe fe cujos valores podem ser avaliados xy xn atrav s de tabelas de integrais Para valores negativos de x o limite superior c0 dando os mesmos valores de T quando x positivo De C 26 podemos concluir que a quantidade total de energia t rmica em qualquer tempo exatamente igual quantidade original Q por unidade de rea da sec o de C 19 e C 26 a quantidade de energia t rmica em um elemento dx ser Te pdx qe dx C 31 IT e a quantidade total de energia no corpo pode ser obtida por 00 One j Tcodx e dx C 32 pe que com a substitui o xn 6 C 33 obtemos Ap ndice C 235 Ones T dE C 34 J cpdx id dg 0 C 34 O que confirma a afirmativa acima Para se obter o instante t em que se tem o maximo de temperatura basta derivar T em rela o a t na equa o C 26 e igualar a zero 2 Ra e a C 35 t ly dot 2t dando 2 x C 36 24 l e colocando C 36 em C 26 temos finalmente L 2 C 37 xv 270 Em corpos semi infinitos com temperatura inicialmente igual a zero em que sua superficie limite ao inv s de ter temperatura constante tem 7 dependente do tempo necess rio o uso de um artif cio em que se cria uma fonte negativa de
88. _ UX 10056 ia i 2x kl 2 70 CL ou por unidade de comprimento de tubo QU X a 2 90 T T o LRAG onde 7 27 ni k a C condutividade t rmica do solo em W m K T temperatura do solo a uma dist ncia r do tubo K To temperatura do solo n o perturbado K q taxa de energia t rmica depositada ou retirada do tubo em watts Q taxa de energia t rmica depositada ou retirada por metro de tubo em W r raio do tubo em m D profundidade em que est localizado o tubo a partir da superf cie em m a difusividade t rmica em m7 h Cap tulo 2 56 C capacidade t rmica em J K m L Comprimento do tubo em metros 00 ape r e I X 2 10 x 2Vat p 2Vat e 2 11 Zoli T t tempo et varia de Oat Para valores de X maiores que 0 2 a integral I X reduz se a vide figura C 12 e subsequentes no ap ndice C 2 4 X In 2 0 2886 2 12 Se o di metro do tubo fixado em 1 polegadas r 1 89 10 metros e a 0 001 m h a r T Aaw e e condi o NET lt 0 2 satisfeita se t gt 2 32 horas condi o geralmente satisfeita AL A figura 2 5 apresenta a varia o de I X em fun o de a desde valores 50 menores que o valor medido at 100 maiores Varia o percentual de I X em rela o varia o percentual de alfa valor medido de alfa 0 001 m2 h varia o percentual de I X
89. a o dos dispositivos que consistiam de l mpadas fluorescentes T12 com reatores magn ticos O consumo foi monitorado em um datalogger multicanal varredura a cada dez segundos e armazenamento da m dia a cada 15 minutos Os dados foram transmitidos automaticamente para um computador via Ap ndice A 157 modem e linha telef nica dedicada Ap s um per odo de amostragem de seis meses pr modifica o do sistema no Fl rida Solar Energy Center Cabo Canaveral foram instalados 23 sensores SPI e SU Devido a problemas com o mau funcionamento de alguns sensores que acusavam falso sinal positivo falsa presen a de pessoas na sala o sensor ligava a ilumina o e o total de economia n o passou de 7 Ap s a substitui o de tr s destes sensores a altera o da posi o e sensibilidade de um outro sensor que detectava a fonte de calor de uma impressora laser acusando falso positivo e a diminui o do tempo de espera para desligar a ilumina o de 15 minutos par 7 minutos a economia total chegou a 20 fig A 12 ALANE SO Pre oad Post Pernod fod Poles Comparsiive Lighting Demand Pootes E E F E E Ta Da RAT fig A 12 demanda de ilumina o em pr dio estudado pelo Florida Solar Energy Center Comportamento diverso do esperado foi encontrado nos finais de semana onde o consumo de energia foi maior que o consumo antes da instala o dos dispositivos O motivo era que antes das altera es o usu rio
90. a temperatura de bulbo mido insola o velocidade e dire o de vento temperaturas de entrada e sa da da gua no GSHP fluxo energia el trica consumida pelas bombas de calor e pelo pr dio tem sido feito desde sua instala o No ano de 1995 ainda com a instala o incompleta j reportada uma economia de 1 25 milh es de kWh e redu o de 725 kW de pico na esta o de refrigera o ver o de abril de 1994 a setembro de 1994 Espectros t picos de temperatura ambiente temperatura de entrada e sa da de gua dos tubos fluxo pot ncia retirada e depositada no solo e insola o coletados no R S College s o mostrados a seguir 1 El o a Es F E Figura B 38 Acompanhamento da temperatura ambiente ao longo do dia 15 15 min GEO 00 12 6 a Figura B 39 Acompanhamento da temperatura dos tubos de entrada e saida ao longo do dia 15 15 min C GEO 00 Ap ndice B 225 Pon AEW kml eed Insolaticm w m La D O m o 100 150 Fig B 41 Acompanhamento da pot ncia depositada ou retirada do solo em kilowats GEO 00 Fig B 42 Acompanhamento da insola o no solo em watt m GEO 00 Mais estudos de caso acerca de GSHP em escolas podem ser encontrados em por exemplo GEO 98a1 GEO 98a2 GEO 98a3 B 12 6 APLICACOES DE GSHP NA AGRICULTURA Embora o GSHP seja muito pesquisado para condicionamento de espa os constru dos v rios outro
91. a conservada depende de avalia o p s instala o do sistema O funcionamento adequado dos sistemas GSHP por sua vez depende de qu o apuradas s o as defini es de seus par metros dimensionais que dependem da avalia o o mais precisa poss vel das propriedades termof sicas do solo em especial de sua difusividade t rmica Para este fm o sistema de medidas de temperatura para acompanhamento do comportamento t rmico do solo ao longo do ano mostrou se simples e adequado podendo Cap tulo 6 125 servir de padr o a ser utilizado em outros locais para mapeamento do solo em regi es maiores O cons rcio com outras reas de conhecimento para estudo das propriedades f sicas do solo pode ser um fator de barateamento de pesquisas e amplia o dos conhecimentos sobre o solo Os resultados da medida da difusividade pelos m todos de atenua o de fase deslocamento de fase e o refinamento do deslocamento de fase com ajuste de curva apresentaram uma excelente concord ncia entre si o mesmo ocorrendo com as medidas realizadas nos laborat rios do IAG USP Apesar do resultado obtido pelo atraso na onda de calor no solo ser da mesma ordem de grandeza do resultado pela atenua o observou se que a complexidade das vari veis atmosf ricas dificulta o ajuste senoidal caso do ajuste senoidal de Tso com chi quadrado muito baixo As principais influ ncias observadas ocorrem em uma oscila o com per odo aproximadamente cinco vez
92. a uso do INFOENER Figura 1 3 pr dio 3 Salas de Aula Os tr s pr dios t m caracter sticas construtivas semelhantes eucalipto tratado com produtos qu micos especiais para assegurar sua durabilidade base em sistema plataforma suspenso por pilotis deixando os pr dios suspensos altura de 1 metro impedindo o contato com a umidade do solo introdu o 23 paredes ocas tipo balloon frame madeira na parte externa e placa de gesso na parte interna 11 5 cm de espessura toral prote es solares de face norte e sul beiral na face norte e corredor com parede protetora na face sul como forma de atenuar os efeitos de aquecimento direto das paredes por raios solares e evitar o surgimento de fungos devido ao contato da gua de chuva com o madeiramento das constru es Com estas constru es poss vel fazer uma abordagem da quest o construtiva em conjunto com o enfoque energ tico 1 Economia de energia na constru o uso e manuten o da edifica o com redu o do impacto ambiental pela utiliza o de materiais construtivos com menor quantidade de energia agregada industrialmente redu o de entulho reutiliza o e ou reciclabilidade dos materiais 2 Manuten o do conforto ambiental com baixo custo energ tico 3 Alta qualidade do produto com baixo custo financeiro A abordagem da quest o energ tica em pr dios sist mica devendo aproveitar e controlar a energia consumida com todo
93. a com o solo Por isto a necessidade de efetuar medidas que representem o mais pr ximo poss vel os valores destas propriedades na regi o que se pretende implantar sistemas de GSHP Ground Source Heat Pump vide defini es no ap ndice B pagina 4 Cap tulo 2 47 2 4 Rela o entre propriedades termofisicas e o dimensionamento de trocadores de calor no subsolo Os sistemas de bombas de calor geot rmicas podem ser descritos pela equa o que relaciona a condutividade t rmica do solo e a taxa de energia t rmica trocada em um trocador de calor no subsolo 2ak L T T x 2 6 onde gq Taxa de energia trocada W k Condutividade t rmica do solo W m K L Comprimento do tubo enterrado no subsolo m T temperatura de sa da do liquido K To temperatura de entrada K X Soap 2 7 r 2 at r dist ncia entre o eixo central do tubo trocador de calor e a posi o onde se mede a temperatura a difusividade t rmica do solo t tempo desde o in cio de opera o do sistema de troca r b 2 8 2 a t T T vari vel de tempo com limites 0 et Os resultados obtidos dos valores de condutividade e difusividade t rmica calor espec fico e densidade do solo s o utilizados nas equa es que dimensionam os sistemas de Cap tulo 2 48 troca t rmica com o solo cujas rela es est o descritas pelas equa es 2 6 2 7 e 2 8 A vari vel termofi
94. a da rvore pr xima sala 8 do pr dio dos alunos do PIPGE comparado 2 com a curva te rica esperada 7 A B sn Z azr onde A 21 C B 5 C P per odo de um ano ou 365 dias e t tempo 71 Figura 3 15 Temperatura m dia di ria do ambiente medido no IAG USP Agua Funda entre 1997 e 2000 72 Figura 3 16 Arranjo da agulha de prova 73 Figura 3 17 Arranjo eletr nico associado ao thermistor do Figura 3 18 Esquema de aquecimento da agulha de prova 74 Figura 3 19 Distribui o espacial dos furos de medida da condutividade e difusividade t rmica do solo do IEE USP 76 Figura 3 20 Curva de calibra o do term metro ECIL e seus par metros de ajuste 77 Figura 3 21 Arranjo experimental para calibra o do thermistor NTC banho maria HAAKE NK22 71 Figura 3 22 Curva de calibra o em T do Thermistor 79 Figura 3 23 Arranjo esquem tico do equipamento para medida de calor espec fico laborat rio de geof sica do IAG USP 84 Figura 3 24 Fotografia do equipamento de medi o de calor espec fico 85 Figura 3 25 Detalhe do Calor metro utilizado juntamente com o thermistor 85 Figura 4 la Perfil de T x t nos oito sensores de temperatura distribu dos no solo e no pr dio doa alunos do PIPGE 1 parte 88 Lista de Figuras VI Figura 4 1b Conjunto de dados do segundo ter o do per odo 88 Figura 4 lc Terceira parte do conjunto de dados 89 Figura 4 2a Perfil de T x tempo em 3 profundidades de solo e o comportamento da tem
95. a de troca com o solo e elevando sua efici ncia Figura B 28 Sistema conectado a coletor solar Solar Collector B 4 3 Extratores de Calor Desuperheating E instalado no circuito refrigerante para aproveitar a energia t rmica conduzida pelo g s refrigerante a alta temperatura Este sistema de recupera o de energia pode suplementar ou algumas vezes substituir os sistemas de aquecimento de Ap ndice B 205 gua convencionais principalmente no modo refrigera o quando a produ o de rejeitos maior B 5 DOM NIOS DE APLICA O A grande maioria dos sistemas geot rmicos utiliza se de m ltiplas unidades de bombas t rmicas acopladas com circuito de gua formando conjuntos com a capacidade desejada muito embora seja poss vel tamb m a constru o de sistemas com grandes bombas de calor a partir de compressores centr fugos de at 19 5 milh es de Btu h As unidades individuais que variam de 1 a 10 tons alguns chegando a 15 tons s o conectadas a um circuito fechado comum instalado na terra Sistemas comerciais de grande capacidade podem ser obtidos pelo uso de v rias unidades pequenas cada uma respons vel pelo controle de uma zona Como a capacidade de refrigera o dos sistemas comerciais instalados em escolas pr dios de escrit rios e de apartamentos s o substancialmente maiores que os sistemas residenciais e frequentemente localizados em regi es de alta densidade de constru o a falta de
96. a dissipada na agulha de prova por unidade de comprimento ser 9 sA On Win 4 6 juntando 4 F e 4 6 k 0 92 W m K 50 4 H 4 4 2 C lculo da Densidade da Amostra de Solo do IEE USP Pelos resultados obtidos em 3 4 e 3 B pode se calcular a densidade volum trica do solo p 1 73 10 Kg m 2 2 4 1 4 4 3 Calor Especifico do Solo O resultado das medidas de temperatura da silica e do solo acondicionados no calorimetro e submetidos individualmente ao aquecimento por efeito Joule por uma resist ncia el trica sao mostrados na tabela 4 2 Tamb m sao mostradas as curvas constru das para cada um dos casos suas linhas de tend ncia e os respectivos AT cap tulo 4 101 S lica Mm s lica Calibra o do thermistor 632 81 x 0 1096 U obtido nas medidas de difusividade P aplicada P aplicada 1o Conjunto de medidas 1o Conjunto de medidas 20 Conjunto t minutos R Ohm T K R Ohm T K R Ohm T K 920 299 5 868 4 301 4 8 4 5 919 9 299 5 86 2 301 5 8 2 2 917 6 299 6 867 301 5 871 8 916 299 299 299 7 ligado 299 8 ligado 300 1 ligado 300 6 883 8 883 8 880 8 867 6 854 8 300 9 300 9 ligado 301 0 ligado 301 5 ligado 302 0 866 9 301 5 301 5 871 6 301 5
97. a em 3 medidas sequenciais no furo 1 e respectivas fun es das assintotas Temperatura x tempo e ass ntota 2 conjuntos de medidas posi o 2 326 0 324 0 y 0 4431Ln x 321 19 PERO R 0 9608 320 0 318 0 gt E 5 316 0 QU mae y 1 4566Ln x 307 68 R 0 9906 312 0 310 0 308 0 10 100 1000 tempo s Figura 4 11 gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo termistor NTC na ponta de prova em 2 medidas sequenciais no furo 2 e respectivas fun es das assintotas cap tulo 4 98 Temperatura x tempo e assintota 2 conjuntos de medidas posi o 3 301 6 301 4 y 0 3933Ln x 299 23 301 2 R 0 9945 301 0 300 8 g E and y 0 2961Ln x 299 31 R 0 9911 E 300 4 300 2 300 0 299 8 299 6 10 100 1000 tempo s Figura 4 12 gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo termistor NTC na ponta de prova 2 medidas sequenciais no furo 3 e respectivas fun es das assintotas Temperatura x tempo e assintota 1 conjunto de medida posi o 4 314 0 313 0 y 1 1047Ln x 307 55 R 0 9949 312 0 a 311 0 3 D Q E 310 0 309 0 308 0 307 0 10 100 1000 tempo s Figura 4 13 gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo termistor NTC na ponta de prova 1 medida no furo 4 e respectiva fun o da assintota cap tulo 4 99 Temperatura x tempo e assintota 2 conjuntos de
98. a neste intervalo de temperaturas foram constru das as retas de calibra o com seus coeficientes de reta e coeficientes de correla o mostrados nas figuras 3 3 a 3 10 Os resultados das retas de calibra o de cada sensor de temperatura foram introduzidos no sistema de aquisi o de dados por meio de software constru do em Qbasic Assim o sistema eletr nico est pronto para funcionar como medidor de temperatura de oito canais independentes Para verificar a qualidade das medidas de cada term metro eletr nico e qu o bem eles representam um dado valor de temperatura foram feitas no mesmo equipamento de banho maria medidas simult neas de temperatura destes term metros comparadas com o term metro de merc rio tabela 3 1 A curva de dispers o mostrada na figura 3 11 apresentando bom acordo entre os term metros eletr nicos e o de merc rio em todas as faixas de temperatura que nos interessam 3 1 2 Instala o dos term metros Os term metros colocados no solo foram dispostos num perfil vertical sob a sala 8 do pr dio dos alunos do PIPGE enquanto a maioria dos outros foram dispostos na parte interna desta sala com o seguinte arranjo vide figura 3 12 term metro enterrado no solo a 2 metros de profundidade que a profundidade padr o encontrada na literatura para instala o de sistemas GSHP horizontais 1 term metro a 1 metro de profundidade onde j se deve esperar influ ncia significativa da temperatura
99. a utilizada para avalia o de sua densidade foi pulverizada com granula o igual ou inferior a 0 149mm 100 mesh na escala Tyler ABNT homogeneizada mecanicamente e seca em estufa a 50 C por 24 horas que implica na obten o de um valor de calor espec fico m dio da mistura mineral que comp e a amostra sem a presen a de gua Al quotas com massa entre 20g e 50g s o introduzidas no calor metro e ap s o estabelecimento do equil brio t rmico entre o calor metro e a amostra uma quantidade de energia t rmica AQ dissipada na resist ncia aquecedora do equipamento por um intervalo de tempo At em geral da ordem de um minuto Admitindo que o calor metro seja adiab tico a varia o de temperatura em seu interior ser dado por AQ E mc AT 3 4 onde E capacidade calor fica do calor metro c calor espec fico da amostra m massa da amostra A capacidade calorifica do calor metro E pode ser determinada substituindo se a amostra por al quota de um padr o de s lica fundida S10 amorfa granulada que possui calor espec fico bem determinado e dispon vel na literatura Cs tica amorfa 740 J kg K a 25 C Entretanto como o calor metro n o perfeitamente adiab tico ele perde uma pequena parte da energia t rmica gerada de seu interior para o exterior Assim para um calor metro real a equa o 2 4 deve ser substitu da por AQ E mc AT 9 3 5 onde Capitulo 3 82 ATmax temp
100. ades termofisicas do solo do IEE foram utilizadas como estudo de caso g Definir quais s o os par metros importantes para determina o das potencialidades de sistemas GSHP Cap tulo 1 42 CAP TULO 2 O Solo e suas Propriedades Termof sicas 2 1 O Solo Os fatores que determinam o comportamento t rmico do solo podem ser agrupados em tr s categorias vari veis meteorol gicas de subsolo e de superficie onde por conven o definiremos solo como constitu do de superficie ar solo e tudo o que est abaixo disto chamado de subsolo As diferen as regionais de larga escala na temperatura do subsolo s o oriundas principalmente das vari veis meteorol gicas como radia o solar temperatura do ar e precipita o par metros que afetam as taxas de energia t rmica transferidas de ou para o subsolo e a atmosfera Varia es locais de temperatura s o causadas por diferen as de solo caracter sticas de superf cie e propriedades termofisicas do subsolo A temperatura do solo varia continuamente em resposta s mudan as no regime meteorol gico que age na interface atmosfera solo e s mudan as nos processos de troca de energia com o meio influindo nas taxas e dire es dos processos f sicos troca de massa com a atmosfera por ex evapora o tipos e taxas de rea es qu micas e processos biol gicos Os efeitos destes fen menos s o propagados no solo atrav s de uma s rie de processos de transporte complex
101. ais complicado cobre todos os casos Para um tubo transferindo calor taxa de Q Btu h ft a diferen a de temperatura AT entre a temperatura inicial do solo e o ponto sob considera o dado por Meet 6s C 110 K K onde l e dB G z p _J pB Y 8 I DY ae C 111 G J ETA PEV CB J B Y ph P C 111 C 112 e Ap ndice C 262 F par C 113 ou seja quando p 5 estamos avaliando a temperatura no ponto distante 5R do centro do tubo Os valores para p 1 s o os da superf cie do tubo Os valores de G z p tamb m podem ser encontrados em tabelas para v rios valores de z e para p 1 2 5 e 10 A Figura C 8 mostra as curvas calculadas a partir da line source theory equa o C 90 Diferen a de Temperatura Trocador de Calor Isolado e taxa de transfer ncia de calor retirada de calor Constante tubo 4 solo B delta T Fahrenheit Tubo 4 solo A tubo 1 solo B tubo 1 solo A tempo dias Figura C 8 Curvas de diferen a de temperatura do solo para dois tipos de tubo e dois tipos de solo Na figura C 9 feita uma compara o entre a line source theory e as integrais mais precisas desenvolvidas por Jaeger equa o C 110 em um per odo de 48 horas Nota se Ap ndice C 263 diferen a de temperatura graus Fahrenheit que para os solos estudados que representam um intervalo extenso d
102. amb m pode servir de marcador para a tomada de tempo necess ria ao c lculo da difusividade t rmica Teriamos ent o al m do m todo de atenua o de onda e do deslocamento de fase a partir de um pico ou do vale de onda mais um que poder amos denominar veranico atrasadico Mesmo com uso das ferramentas matem ticas dispon veis como o ajuste de curvas feito no Origin a determina o exata da amplitude e da fase a partir dos dados experimentais de temperatura do solo e do ar ainda bastante prejudicada pelas varia es clim ticas sendo esta determina o a maior fonte de incerteza no c lculo da difusividade t rmica pelo m todo de onda de calor Quanto maior a s rie hist rica dispon vel melhor a precis o na determina o dos par metros de ajustes das curvas e melhor sua exatid o Nosso sistema de aquisi o de dados funcionou de forma adequada por aproximadamente 1 ano com frequentes quedas no fornecimento de energia el trica e a consequente perda de dados Ao final deste per odo com a queima do ADC o equipamento tornou se inoperante em definitivo Assim a coleta de dados restringe se apenas a este intervalo de tempo em que o equipamento fez o monitoramento dos oito sensores de temperatura Com o equipamento funcionando adequadamente seria poss vel o acompanhamento da temperatura do subsolo em v rios pontos definindo uma rea maior de estudo al m de permitir a constru o de mapas de temperatura do su
103. ante caso 2 Caso 1 escala esquerda taxa de transfer ncia w quando At 1 OF Caso 2 escala esqueda diferen a de temperatura At quando a taxa de transfer ncia w 1 Btu h sqft 5 Nia p la equa o 102 pode ser rescrita como e d p cuja integral chamada integral de probabilidade tabelada O ey Sy Ap ndice C 259 Trocador em forma de Tubo longo Caso 1 Temperatura da superf cie do tubo constante A teoria para o caso de troca t rmica em um tubo longo e isolado foi demonstrada por Jaeger JAE 42 e Carslaw CAR 47 A taxa de troca de energia t rmica Q Btu h ft para um tubo longo e isolado mantido a um AT constante acima ou abaixo da temperatura do solo dado por O KATF z C 104 e a taxa de calor por unidade de rea w Btu h sqft KAT F z 27R onde ee ee mw Jo B CB B onde VA es Re cd pe AR De Dede DA 6 C 105 C 106 C 107 as C 108 chamada de fun o de Bessel de primeira classe de ordem zero e Y f lim sen pr Ap ndice C J B cos px J_ P C 109 260 chamada de fun o de Bessel de segunda classe de ordem zero ou de fun o de Weber ou ainda de fun o de Neumann Neste caso designada por No p SPI 92 As fun es F z da equa o C 107 podem ser encontradas em tabelas Como exemplo de c lculo suponhamos um tubo de 4 in de di metro ou r 0 167 ft e
104. ao funcionamento de um sistema de condicionamento tradicional em que as trocas t rmicas s o feitas diretamente no ar os chamados sistemas ar ar O apoio e Incentivo dos rg os federais como DOE e NREL garantiram nos EUA mais de 1 milh o de sistemas implantados No caso do sistema el trico americano que destina aproximadamente metade da energia gerada para processos que envolvam aquecimento e ou refrigera o de materiais subst ncias ou ambiente esta economia de energia apreci vel A ocorr ncia de sistemas de condicionamento acoplados ao solo d se principalmente em pa ses com invernos rigorosos e mais alto poder aquisitivo como EUA e alguns pa ses da Europa sendo usados principalmente para aquecimento mas n o exclusivamente e at o momento n o h disponibilidade na literatura de nenhum relato de sistemas de condicionamento de ambiente acoplados ao solo no Brasil A conex o entre a bomba de calor e o solo feita atrav s de redes de tubos polietileno ou polibutileno por onde passa um l quido geralmente gua que conduz a energia t rmica retirada ou depositada no solo ou no ambiente constru do Cap tulo 1 37 Devido grande capacidade e in rcia t rmica o solo atua como um amortecedor e retardador das varia es de temperatura do ambiente servindo desta forma como fonte de calor nos meses frios e dep sito de calor nos meses quentes Um resumo do estado da arte do funcionamento dos dispo
105. aquecido pela telha e no inverno usada para remo o da umidade que penetra atrav s do forro e que de outra forma poderia vir a condensar quando em contato com a telha fria LAM 90b A taxa de Ap ndice A 144 ventila o est normalmente associada ao uso de aberturas na cumeeira Quando estas aberturas est o associadas a aberturas sob o beiral pode se aproveitar a convec o para aumentar a taxa de ventila o na exist ncia de vento ou para propici la quando h calmaria Figura A 3 O sistema de ventila o das salas com clarab ia de abertura regul vel al m de sistema de entrada de ar pela porta Na parte superior da clarab ia colocado um filtro solar com painel de vidro duplo contendo solu o de Sulfato de cobre CuSO Ap ndice A 145 1 6 Dimeriza o da ilumina o natural e artificial Sistema de controle de ilumina o natural e artificial que permita manter a ilumina o sobre o plano de trabalho dentro de uma faixa previamente definida GRUPO 2 CONDICIONAMENTO DO AMBIENTE INTERNO 2 1 Sistema de troca t rmica com o solo Implanta o de um sistema horizontal de troca t rmica localizado no solo associado a uma bomba de calor para condicionamento de uma das salas do pr dio dos Alunos Utiliza o do equipamento para estudos das propriedades termof sicas do solo do potencial de troca t rmica consumo de energia e demais par metros relevantes 2 2 Sistema de troca de calor
106. artir do circuito integrado LM335 e conectados ao ADC de oito canais ligado a um microcomputador PC286 Parte do equipamento mostrado na figura 3 1 Es Figura 3 1 fonte de tens o e placa de aquisi o de 8 canais Cap tulo 3 61 3 1 1 Calibra o dos Term metros As calibra es foram realizadas com um misturador aquecedor de gua cedido por empr stimo pelo laborat rio did tico IFUSP onde s o simultaneamente mergulhados os oito sensores de temperatura Este equipamento de banho maria possui uma resist ncia el trica e um misturador de gua o que permite a eleva o da temperatura da gua gradativa e homogeneamente de forma a obter estabilidade de temperatura no novo valor escolhido Quando submetido a uma ddp o circuito LM335 tem como caracter stica uma queda de tens o proporcional temperatura do ambiente a que est submetido Comparando se os valores de tens o com valores de temperatura pode se fazer uma calibra o deste circuito e faz lo funcionar como um term metro digital Foi utilizado para este fim um term metro de merc rio com d cimo de grau de precis o tamb m cedido por empr stimo pelo mesmo laborat rio did tico Partindo de uma mistura gua g lo pr ximo a 0 C foram feitas as medidas de tens o do sistema figura3 2 at temperaturas de aproximadamente 80 C Figura 3 2 equipamento utilizado para calibra o dos term metros Cap tulo 3 62 Conclu da a varredur
107. as ao solo ou bomba de calor geot rmica lt 32 C Figura 1 1 Perfil de temperatura do solo com 1000 ft DEPTH rela o a profundidade do solo ASH 95 50 a 210 390 570 750 TEMPERATURE F A gradiente de temperatura quase normal B Gradiente de alta condutividade C e D Temperatura resultante de fluxo convectivo A tabela 1 1 ASH 95 mostra alguns usos industriais da energia geotermica de baixa temperatura nos Estados Unidos Tabela 1 1 Usos industriais de Geotermia nos EUA aa Temperatura da apliaca o sistemas fonte o i graus F graus 130 170 104 a 181 NO Ql D Q N N aquecimento de esgoto avanderia os esidrata o de vegetais 270 crescimento de cogumelos 235 aquecimento de estufa 95 a 210 aquicultura Do 61 a 205 a 200 47a 190 IN IN O CO oO mah pa q mah CG a oO O1 Q O co OO O O do O oO oO Oo Q Oo O O CO ixivia o de terra em mina de ouro Tabela 1 1 Usos mais comuns da energia geot rmica de baixa temperatura nos EUA Q D O Q O D 3 o D Q o O O eg lo de rodovias Do Ds 2 186 a 238 0 O ad a D Cap tulo 1 32 A pequenas profundidades algumas dezenas ou centenas de metros a temperatura do solo sofre influ ncia direta do clima da regi o da temperatura m dia anual do ar da temperatura do ar na superficie do tipo de solo
108. as medidas in loco 5 2 Resultados Obtidos Determinado o local para a instala o do trocador de calor do sistema GSHP necess ria a realiza o de medidas das propriedades termofisicas mais apuradas de modo a refinar o dimensionamento do sistema proposto tendo como condicionantes o custo total da obra e da efici ncia pretendida no sistema GSHP a ser instalado Um m todo bastante preciso mas de investimento alto descrito por Shonder e Beck SHO 00 que consiste em enterrar se um tubo longo centena de metros acoplado a uma fonte de calor e um l quido circulante de modo que o equipamento simule um sistema GSHP Al m de fornecer os valores das propriedades t rmicas do solo este m todo auxilia na verifica o dos outros par metros envolvidos no dimensionamento do sistema O m todo de onda de calor n o simula experimentalmente o sistema GSHP mas pode fazer uma razo vel avalia o semi emp rica e sua precis o depende apenas de qu o bem as vari veis termofisicas sejam medidas 5 2 1 Medidas de Laborat rio Em fun o dos recursos existentes que impedem a medida da condutividade t rmica no ponto de medida da difusividade t rmica a 2 metros de profundidade os Cap tulo 5 109 pontos de medida de condutividade t rmica pelo M todo da Ponta de Prova realizados no IEE foram escolhidos de forma a cobrir toda a rea de interesse implanta o do sistema GSHP Est claro que esta quantidade de pontos
109. atura ao longo do ano no ponto 2 p s de profundidade amplitude m xima de 34 F e outro em 22 p s amplitude m xima de 4 F foi poss vel obter se a difusividade a do solo atrav s da equa o obtida a partir da solu o da equa o de Laplace em 1 dimens o que d a m xima varia o de temperatura T ane e ore ar C 118 onde w foi substitu do por 27 P P o per odo 8766 horas ou 1 ano Tr range de temperatura ou varia o m xima para um dado ponto sob a superf cie To a amplitude ou metade da varia o maxima de temperatura na superf cie x profundidade ou diferen a de profundidades a difusividade O resultado obtido por este m todo a 0 028 ft dia est em bom acordo com outros m todos realizados para efeito de compara o mostrando a validade do mesmo A partir da difusividade poss vel calcular se a condutividade e o calor espec fico Efeito da Migra o de Umidade do Solo A difus o de umidade no solo das regi es mais quentes para as mais frias bem conhecida e provavelmente devido s diferen as de press o de vapor de uma regi o para a outra Em uma regi o com um tubo absorvedor de calor a queda de temperatura provoca um aumento da umidade e consequentemente de sua condutividade Ao contr rio nas proximidades de um tubo emissor de calor dever ocorrer uma queda de condutividade A difusividade nao Ap ndice C 2177 dever ter uma altera o significativa
110. atura nos EUA 32 Tabelal 2 Profundidade de penetra o dos ciclos di rio e anual de temperatura para diferentes tipos de solo 36 Tabela 2 1 Valores de densidade calor espec fico e capacidade t rmica para algumas subst ncias 45 Tabela 2 2 Condutividade t rmica para ar e gua l quida e gelo 45 Tabela 2 3 propriedades termof sicas de alguns materiais encontrados no solo 50 Tabela 2 4a Valores t picos de propriedades termof sicas de alguns tipos de solo 50 Tabela 2 4b continua o Valores t picos de propriedades termof sicas de alguns tipos de solo com e sem umidade e incluindo tamb m rocha e concreto 21 tabela 3 1 dispers o dos term metros digitais em rela o ao term metro de Hg 66 Tabela 3 2 Dados de calibra o fornecidos pelo fabricante do term metro 76 Tabela 3 3 Calibra o em T do Thermistor NTC 78 Tabela 4 1 Temperatura do solo em fun o do tempo fornecido pela agulha de prova em 5 pontos diferentes no IEE USP 97 Tabela 4 2 Dados de temperatura obtidos no calor metro a partir de uma amostra padr o de S lica e do Solo do IEE USP para c lculo de calor espec fico 102 Tabela 5 1 Formas de controle clim tico sobre a carta bioclim tica 121 Lista de Tabelas IX INTRODU O Originalmente este trabalho parte de uma proposta maior chamada de EMA XXI submetida ao IEE USP durante a constru o dos pr dios em madeira de reflorestamento que serviriam de sede do Programa Interunidades de P
111. bsolo Possibilitaria tamb m o estudo do comportamento das propriedades termof sicas nos eixos ortogonais paralelos superf cie do solo As incertezas envolvidas nas medidas de temperatura foram relativamente altas 0 3K mas a n o uniformidade do solo tornou praticamente desprez vel esta influ ncia na determina o de sua difusividade t rmica Outra limita o de nosso sistema de aquisi o foi o numero de pontos dispon veis para medi o de temperatura Como foi projetado para estudar o comportamento t rmico Cap tulo 5 108 dentro do pr dio constru do para abrigar os estudantes do PIPGE houve disponibilidade de apenas 3 canais para tomada de dados de temperatura do solo Para reduzir as perdas nos cabos de liga o entre transdutores e sistema operacional os medidores foram posicionados pr ximos constru o o que limitou a abrang ncia em rea das medidas realizadas No cap tulo 2 que trata das caracter sticas gerais do solo foram apresentados tabelas que relacionam tipos de solo com valores de propriedades termofisicas tabelas 2 4 Estes valores s o m dias aproximadas pois como a composi o qualitativa e quantitativa de um determinado tipo de solo muito vari vel e dificil de se avaliar visualmente as tabelas geralmente s o utilizadas como guias para obten o grosseira dos valores das caracter sticas termof sicas e se h demanda por avalia o mais refinada o nico meio atrav s d
112. c pio do A y O transmissor corpo negro Ap ndice A 176 A medida por bulbo seco usa o princ pio da lei de Boyle Charles isto a press o de um g s proporcional temperatura se mantivermos constante o volume do g s A medida por bulbo mido baseada na expans o volum trica onde a expans o proporcional ao volume inicial e varia o da temperatura tubo de bourdon porteiro Za fixa o figura A 29 a A mostraclar 2 i Term metro de A bulbo mido bulbo capilar N o foi encontrado no mercado um medidor de bulbo seco ou mido que possa ser ligado a um sistema de aquisi o j que os medidores geralmente s o mec nicos necessitam serem lidos e os seus valores anotados da a necessidade de se construir um medidor que efetue esta liga o com o sistema As outras medidas ir o utilizar termistores term metros de resist ncia e componentes especiais O termistor um dispositivo semicondutor de eletricidade cuja resist ncia diminui com o aumento da temperatura enquanto nos metais puros a resist ncia aumenta proporcionalmente temperatura Geralmente os termistores s o xidos de metais como cobalto n quel mangan s e outros A resist ncia el trica de um fio de um metal puro varia proporcionalmente com a temperatura A rela o Ro R x 1 Ax At Ap ndice A 177 onde A o coeficiente de temperatura do material a ser usado Por outro lado
113. calor ou reservat rio de calor de mesma pot ncia mas disposta simetricamente fronteira E o chamado dubleto Ap ndice C 236 E figura C 1 representa o espacial do dubleto Devemos ent o encontrar a solu o da equa o C 1 com as condi es de contorno Fg quando t 0 C 38a e T F t emx 0 C 38b Se uma fonte e um reservat rio de calor ou fonte negativa de igual for a S s o aproximados entre si mas mantendo constante o produto entre S e a dist ncia 2b entre eles esta combina o no limite chamada de dubleto de for a Sg 2bS Utilizando se a equa o C 25 podemos escrever a express o para a temperatura em qualquer ponto x devido ao dubleto instant neo localizado na origem com as duas fontes distantes b de cada lado Isto 5 b x b x DS o ta g A C 39 2 mat 5 b x bx bx oa 4at e 2at g2 C 40 yT xo o w como e x C 41 2 3 Ap ndice C 237 bx bx Fazemos na equa o C 40 a expans o dos termos e e e dividimos por b e fazemos b 50 ie hen x l o termo em par ntesis torna se quando b gt 0 Assim ot 2 X Dah o C 42 Em um dubleto permanente de for a constante S localizado na origem com os eixos na dire o x temos a composi o dos efeitos de cada elemento do dubleto S 4 dz que agiu previamente no tempo t T em que 7 a vari vel de tempo limitada entr
114. ci ncia dos varios sistemas deve ser feita de maneira apropriada pois podem variar com a aplica o carga fonte ou dep sito de calor etc Nos EUA foram desenvolvidos tr s padr es aceitos universalmente para teste de efici ncia de bombas t rmicas para condi es de temperatura e opera o espec ficas Ap ndice B 209 Obviamente as classifica es obtidas a partir destas normas n o necessariamente refletem a efici ncia do sistema sob condi es de opera o sazonais devendo se fazer as corre es apropriadas aos valores obtidos B 8 1 ARI Standard 320 Bombas de calor ar gua Estas normas aplicam se aos mecanismos de compress o e bombas de calor gua ar residencial comercial e industrial movidas a eletricidade B 8 2 ARI Standard 325 Bombas de calor geot rmicas Ground Water Source Aplicam se aos mecanismos de compress o e bombas de calor geot rmicas com fonte de calor a partir de massa de gua B 8 3 ARI Standard 330 Bombas de Calor Geot rmicas de Sistema Fechado Ground Source Closed Loop Heat Pumps Aplicam se aos mecanismos de compress o e bombas de calor geot rmicas com troca t rmica ar gua de sistema fechado O l quido circulante no sistema fechado uma solu o com 15 em peso de HCI gua B 9 CUSTOS DE IMPLANTA O V rios par metros influem de forma significativa no custo total do sistema capacidade do equipamento tipo refrigerante sistema de distribui o d
115. como bom reservat rio ou fonte de calor Estas propriedades variam com sua composi o localiza o e profundidade Esta energia t rmica estocada ou retirada do solo comumente chamada Energia Geot rmica 1 1 Energia Geot rmica De acordo com Dickinson et al DIC 01 Energia Geot rmica definida como a energia t rmica contida no interior da Terra que gera fen menos geol gicos em escala planet ria sendo tamb m utilizado para indicar a parte da energia t rmica dispon vel no interior do planeta que pode ou poderia ser retirado e explorado pelo homem Acredita se BUL 73 que a fonte de energia fundamental seja por decaimento radiativo no interior do planeta De fato os modelos mais recentes sup em que h gera o continua de calor no interior do planeta atrav s do decarmento radiativo de is topos de U U Th e K LUB 68 Somando se a esta energia radiog nica outras fontes concorrem em propor es n o muitas claras com o aquecimento do interior do planeta p ex a energia primordial devida ao acr scimo de massa do planeta De qualquer forma sabe se desde os anos 80 que o calor gerado no interior do planeta e o calor dissipado da Terra para o espa o n o est o em equil brio e que nosso planeta esta em escala geol gica vagarosamente esfriando Atrav s do movimento de placas tect nicas e de atividade vulc nica parcelas desta energia podem concentrar se perto da superf cie do planeta A en
116. como fonte de energia t rmica durante o inverno e como Ap ndice B 187 dep sito de energia t rmica durante o ver o estando sujeita a grandes varia es de temperatura tanto da fonte quanto do dep sito de energia afetando sua efici ncia A pequena capacidade t rmica do ar se comparada a outros ve culos gua por exemplo tornam as bombas t rmicas ar ar as menos eficientes entre os diferentes tipos de bombas t rmicas hoje dispon veis A gua de um lago ou o pr prio subsolo oferecem condi es mais favor veis uma vez que a temperatura nesta regi o permanece mais ou menos constante ao longo de todo o ano e a capacidade t rmica muito maior que a do ar A estabilidade da temperatura do subsolo utilizada para diminuir as varia es sazonais de temperatura ambiente servindo adequadamente como fonte de energia no inverno e dep sito de energia no ver o e tornando se desta forma uma importante op o aos m todos convencionais de aquecimento e refrigera o Sua natureza d bia altamente atrativa em regi es com grandes varia es de temperatura por isto sua dissemina o em larga escala nos EUA As bombas de calor conectadas ao solo n o s o id ia nova com patentes desta tecnologia que datam de 1912 na Su a Um dos sistemas de bomba t rmica conectada ao solo mais antigos o do pr dio central da United Iluminating em New Haven Connecticut em opera o desde 1930 Embora bem estabelecido na rea rura
117. conjunto de figuras 4 1a 4 1b e 4 1c apresentados em uma planilha EXCEL95 ao todo 110 dias n o cont nuos ao longo de aproximadamente 1 ano com medidas a cada 15 minutos a partir de 04 04 97 Os resultados obtidos do perfil de temperatura do solo s o apresentados separadamente em 2 partes nas figuras 4 2a e 4 2b onde os term metros localizados no solo a 3 cm 1 metro e 2 metros de profundidade s o comparados com a temperatura externa medida sob a copa da rvore Observa se a grande amplitude de varia o da temperatura ambiente em contraste com as oscila es do solo que diminui medida que a profundidade aumenta O term metro localizado a 3 cm de profundidade acompanha as varia es de temperatura externa mas com forte atenua o em sua amplitude A 1 metro de profundidade a oscila o di ria desaparece permanecendo apenas a oscila o de grande per odo A escala de tempo utilizada j permite a observa o da oscila o da onda com per odo anual tamb m j pode se observar a diminui o da amplitude em compara o com o term metro a 3 cm de profundidade O deslocamento de fase ainda nao est evidente A 2 metros de profundidade o comportamento da temperatura ainda mais discreto Na escala utilizada a temperatura j mostra a forte influ ncia da in rcia t rmica do solo Em todos os term metros localizados no solo verificaram se oscila es de alta frequ ncia com per odos menores que um dia A 3 cm de prof
118. contrados no solo BOS 85 FiW m C 0 25 0 14 0 60 0 025 2 23 Thermal Resistivity Thermal Conductivity Material h ft F Btu C m W Btu h F W7C m Loose dry sand 3 03 1 75 0 33 0 57 Moist clay 1 38 1 56 o 0 9 0 72 0 64 TeS Tati Sandy clay moist 1 38 1 56 0 8 0 9 0 72 0 64 1 25 7 91 Compacted sand 1 38 1 56 9 0 9 O 72 0 64 Etg T2177 Cinder fill 1 38 1 56 2 00 0 29 0 5 Capitulo 2 Tabela 2 4a Valores t picos de propriedades termofisicas de alguns tipos de solo BOS 85 50 Cap tulo 2 Material Descriptor Dense Rock Average Rock Dense Solid Heavy Heavy Light Light Concrete Masonry Soil Damp Soil Dry Soil Damp Soil Dry Thermal Conductivity J Btu h tt F W m C 2 00 1 40 1 00 0 75 0 50 0 20 3 46 2 42 1 73 1 30 0 865 0 346 Thermal Diffusiyit t t h m h 0 050 0 00465 0 040 0 00372 0 033 0 00307 0 025 0 00232 0 020 0 00186 0 011 0 00102 Specific Density 3 Heat lb ft kg m Btu 1b F kJ kg C 200 3200 0 20 0 84 175 2800 0 20 0 84 150 2410 0 20 0 84 143 2290 0 21 0 88 131 2100 0 23 0 96 125 2000 0 20 0 84 100 1600 0 25 1 05 90 1440 0 20 0 84 51 2 5 Comportamento das Propriedades Termof sicas com as Fra es Volum tricas de Umidade de S lido e de Ar O grande n mero de va
119. d Source Heat Pump Association The Source http www igshpa okstate edu Publications source 1995 9508 aug95 htm Earth Acessoem 1995 Refer ncias 137 INT 98 International Ground Source Heat Pump Association Ground source heat pumps Frequently Asked Questions http ourworld compuserve com homepages davenrgman geotfaq htm last updated 4 98 Acesso em 1998 JAE 42 Jaeger J C Proc Roy Soc Edinburgh 61 233 1942 JAE 58 Jaeger J C The Measurement of Thermal Condutivity and Difusivity with cylindrical probes Trans Am Geophys Union 39 708 710 1958 KAV 92a Kavanaugh S K Demand and Energy Study of High EfficiencyHeating and Cooling Equipment in Oregon Presented at Ground Source HeatPumps A Natural for the Northwest Portland OR Sponsored by OregonInstitute of Technology Geo Heat Center Klamath Falls OR 1992 KAV 92b Kavanaugh S K 1992b Demand and Energy Study of High Efficiency Heating and Cooling Equipment in Georgia Geo Heat Center Quarterly Bulletin Vol 14 No 1 Oregon Institute of Technology Geo Heat Center Klamath Falls OR 1992 KIK 85 Kikoin I K Kik in A K Fisica 2 Imprenta Mosc Mir 1985 KLU 93 Kluitenberg G J Ham M Bristow K L Error analysis of the heat pulse method for measuring the volumetric heat capacity of soil Soil Science Society of America Journal 57 1444 1451 1993 LAM 90b Lamberts R Simula o num rica da
120. das sequenciais no furo 3 e respectivas fun es das assintotas 99 Figura 4 13 Gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo thermistor NTC na ponta de prova medida no furo 4 e respectiva fun o da assintota 99 Figura 4 14 Gr fico de temperatura k x t s obtido pelo thermistor NTC na ponta de prova 2 medidas no furo 5 e respectivas fun es das assintotas 100 Lista de Figuras VU Figura 4 15 Curva de Temperatura em fun o do tempo em um calor metro com amostra de S lica submetida a aquecimento por Efeito Juole pr 15 minutos 103 Figura 4 16 Curva de Temperatura em fun o do tempo em um calor metro com amostra de Solo submetido a aquecimento por Efeito Juole pr 15 minutos 104 Figura 5 1 Comportamento de T To o em fun o da difusividade t rmica onde 0 a fra o de gua do solo 107 Figura 5 2 Comportamento de T To em fun o da difusividade t rmica onde vs a fra o volum trica de s lido no solo 108 Figura 5 3 Comportamento de T To na em fun o da difusividade t rmica onde na a fra o volum trica de ar no solo 109 Figura 5 4 Carta Bioclim tica adotada em S Paulol constru da sobre o diagrama psicom trico 111 Figura 5 5 Regi o de conforto t rmico term metro de bulbo seco envolvendo as curvas de temperatura do ar e do solo a 2 metros de profundidade 112 Lista de Figuras VIII Lista de Tabelas Tabela p gina Tabela 1 1 Usos mais comuns da energia geot rmica de baixa temper
121. de Potencial de Troca T rmica com o Solo 124 CAP TULO 6 Conclus es e Propostas de Continua o do trabalho 125 6 1 Conclus es 125 6 2 Propostas de Continua o do trabalho 128 CAP TULO 7 REFER NCIAS 129 Ap ndice A Propostas de Sistems para condicionamento de Ambiente e Sistemas 143 Ap ndice B BOMBAS DE CALOR ACOPLADAS AO SOLO Uma Revis o 185 Ap ndice C Dimensionamento de sistemas GSHP 229 Sum rio HI Sum rio IV Lista de Figuras Figura pagina Figura 1 1 Pr diol para uso dos professores de P s Gradua o 22 Figura 1 2 Pr dio 2 Para uso do INFOENER 23 Figura 1 3 Pr dio 3 Salas de Aula 23 Figura 1 1 Perfil de temperatura do solo com rela o profundidade do solo a2 Figural 2 Depend ncia da amplitude de varia o de temperatura com a profundidade na cidade de Ottawa Canad 34 Figura 1 3 a Varia o de Temperatura do solo medido nos EUA 35 Figura 1 3 b Sen ides de temperatura em v rias profundidades a partir da superficie mostrando os deslocamentos dos m ximos com a profundidade 35 Figura 1 4 Temperaturas m dias anuais do solo e amplitudes medidos nos EUA 41 Figuras 2 1 Conte do de gua no arranjo TDR Time Domain Reflectrometry 52 Figuras 2 2 Perfil de conte do de gua no per odo de interesse em dois arranjos distantes 0 4m um do outro 53 Figura 2 3a Efeito do tratamento de solo loam para cultivo sobre a condutividade t rmica do solo em fun o da umidade a uma profundidade d
122. de medida da condutividade t rmica do solo pr ximo superf cie n o substitui a medida na posi o de interesse mas o melhor que se conseguiu obter com os equipamentos dispon veis O aquecimento da agulha de prova em contato com o solo pode provocar altera o do contato f sico metal solo e consequentemente o contato t rmico devido altera o da umidade do meio Para verificar poss veis discrep ncias no c lculo da condutividade causadas por influ ncia deste m todo foram realizadas mais que uma medida em alguns pontos Os resultados foram utilizados para calcular o valor m dio de re e quando mM poss vel o desvio da m dia Com um valor m dio para cada um dos cinco pontos de medida foi ent o encontrado um valor m dio de e para a rea em quest o As 7 discrep ncias entre valores encontrados nas medidas efetuadas num mesmo ponto podem ser atribu das a estas mudan as de caracter sticas f sicas por influ ncia do processo de medi o Entretanto as diferen as observadas entre os pontos devem ter forte influ ncia da n o homogeneidade do solo e sua consequente variabilidade de propriedades f sicas Os cuidados tomados nas medidas de calor espec fico e densidade do solo terminaram por fornecer valores com pequena margem de incerteza Deve ser ressaltado que o c lculo de densidade do solo foi executado com o teor de umidade exatamente igual ao do momento da coleta da amostra de solo j a medida de cal
123. de onda quadrada 7 1 Btu outubro JL 15 1 Btu novembro 23 5 Btu dezembro 25 9 Btu janeiro 23 Btu fevereiro 18 4Btu mar o Aplicando se ent o a equa o C 90 em cada intervalo a queda de temperatura do solo m s a m s dado por 7 1 0 0417 0 0417 12 2 Se S a ae mosto C 120 Ap ndice C 275 ae nlf 0 0417 Jf 0 0417 J ast 0 0417 E eS 27e 2Va 60 24 2Va 30 24 L 2Va 30 24 1 si aa a resem C 121 18 4 0 0417 12 AP En sem ee C 122 aie meee ati E m provocando uma altera o na curva de temperatura do solo que mostrado na figura C 18 temperatura sin dica do ar e do subsolo a 6 p s 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 termperatura graus F 20 000 Temperatura do solo a 1 8metros 6 __ Temperatura do solo a 6 com retirada de calor 10 000 0 000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 tempo em dias Figura C 18 Simula o do comportamento senoidal do solo sujeito apenas s varia es clim ticas e com retirada de calor com valores fixos e diferentes m s a m s durante seis meses Condi es do solo descritas acima Ap ndice C 216 M todo para c lculo de Difusividade o Wagley e Randolph realizaram medidas de temperatura a v rias profundidades com o uso de termopares ao longo de um per odo de 1 ano ou 8766 horas Com a obten o das varia es m ximas de temper
124. de ser em tanque lago rio ou qualquer outra massa de gua Cada escolha tem suas vantagens e desvantagens Qualquer que seja a forma necess rio requerer permiss o das autoridades para coloc lo em opera o Deve se garantir que o m todo escolhido n o provoque eros o e ou sedimenta o descarga de gua maior que recarga do aq fero etc causando danos ao ambiente A gua pode ser despejada numa bacia onde possa infiltrar na terra de prefer ncia solo arenoso ou de cascalho Este tipo de rejeito requer grande rea dispon vel Outra possibilidade descarregar a gua em galerias pluviais com permiss o da prefeitura local op o remota devido s limita es do sistema de galerias o que tem a desvantagem de n o repor o aquifero b Rejeito para o subsolo Retorna se a gua para o aq fero por inje o em po o vertical conservando seu volume no subsolo e reduzindo problemas ambientais Quando retornada ao mesmo aq fero geralmente mant m a mesma qualidade e quantidade de gua inicialmente dispon vel Pode se tamb m utilizar drenos horizontais que encaminhem a gua para o subsolo Como os sistemas de troca t rmica alteram a temperatura da gua podem ocorrer algumas mudan as qu micas na gua reinjetada por exemplo mudan as na press o ou porcentagem de CO dissolvido podendo causar precipita o de minerais com o conseqiiente entupimento do sistema A aera o da gua pode aumentar a oxida o
125. de solo levadas a laborat rio para medida da densidade condutividade t rmica e calor espec fico mostraram se tamb m adequadas apesar da amostra passar pelo tratamento de secagem para elimina o de umidade e tratamento mec nico para uniformiza o A elimina o da umidade provocou altera es na condutividade calor espec fico e densidade em propor es cujo efeito foi o cancelamento m tuo deste efeito no numerador e denominador Para evitar poss veis problemas com o n o cancelamento do efeito sugere se o desenvolvimento de um novo m todo com a disposi o de um term metro e um circuito aquecedor a uma dist ncia adequada um do outro todos na mesma profundidade de solo e assim proceder se o calculo da condutividade t rmica e calor espec fico do solo sem retirada e tratamento de amostra Avalia o do impacto provocado no solo pela estocagem ou dep sito de energia t rmica atrav s da equa o de dimensionamento no solo de sistema GSHP Utiliza o dos resultados obtidos no item c para dimensionamento do sistema de troca t rmica completo incluindo todos os dispositivos externos ao solo Cap tulo 5 124 CAP TULO 6 Conclus es e Propostas de Continua o do trabalho 6 1 Conclus es A montagem do sistema de aquisi o de dados de temperatura no Pr dio dos alunos do PIPGE e os resultados ali originados possibilitaram o estudo de algumas quest es relacionadas ao condicionamento do ambiente entre as quais o estudo
126. desligava imediatamente as luzes quando sa da da sala e ap s a instala o dos sensores havia um tempo extra de ilumina o por Ap ndice A 158 conta do tempo de espera Outro motivo que o usu rio movendo se pelo pr dio ativa mais l mpadas do que ocorre quando o controle manual No caso deste edif cio apesar das altera es n o terem se mostrado economicamente vi veis per odo de amortiza o do investimento de 18 2 anos este trabalho importante para o estudo dos fatores que afetam a performance dos sensores de presen a em instala es de pequena escala Em outro trabalho no Northwest Elementary School Pasco County Fl rida aproximadamente 33 salas de aula 7 salas de escrit rio e uma cafeteira foram equipadas com um total de 46 SPI a economia m dia encontrada foi de 10 8 com per odo de amortiza o de 3 6 anos a taxa de 28 Este resultado foi considerado excelente pelos autores posto que a escola ja possu a antes das altera es um sistema de ilumina o eficiente e operado com responsabilidade No terceiro estudo de caso no pr dio do Fellsmere Elementary School Florida um total de 59 sensores foram instalados com a expectativa de se obter uma redu o significativa nos 17 de participa o da ilumina o na conta total de energia el trica A primeira an lise mostrou um aumento do consumo nos dias de aula de aproximadamente 21 e nos dias sem aula de diminui o de 20 Um esfor o posterio
127. didor ficou altamente suscept vel s varia es Mesmo com a inadequa o das medidas de Tambiente tomadas no IEE elas foram utilizadas como elemento comparativo para demonstrar a diferen a de comportamento oscilat rio entre Tambiente Tsolo Usou se ent o as medidas de temperatura ambiente coletadas no IAG USP para identifica o dos par metros da curva peri dica anual mas os dados brutos apresentaram um espectro sujo com influ ncia de oscila es de curto per odo como se pode perceber com a figura 3 15 Somente ap s um tratamento matem tico com m dia m vel de 30 dias que obt m se uma curva quase lisa como a da figura 4 4 tentou se v rios intervalos para a m dia m vel e o de 30 dias foi o que se mostrou o mais adequado no compromisso alisamento x manuten o das informa es Na curva tratada ainda est presente um ru do nos vales correspondentes ao inverno em todos os anos aqui apresentados 1997 1998 1999 e 2000 Cap tulo 5 107 Segundo profissionais da rea de meteorologia estes ru dos recorrentes chamados veranicos ainda carecem de estudos para seu entendimento CAM 01 mas sua exist ncia tamb m provoca reflexos na onda de calor que se propaga desde o ambiente externo at o subsolo como pode ser observada nas medidas de temperatura do solo a 2 metros de profundidade figura 4 5 Caso este efeito esteja sempre presente no comportamento clim tico de S o Paulo ele t
128. do Bomba de Calor com fonte t rmica no solo ou em ingl s Ground Source Heat Pump que denominaremos GSHP 2 2 Sistema de troca de calor por evapora o para refrigera o do pr dio n mero 2 2 3 Pain is fotovoltaicos associados a mini ventiladores e bomba d gua para o sistema GSHP 2 4 Caixa de pedras para dep sito de calor frio 2 5 Uso de material isolante termo ac stico l de rocha no interior das paredes do pr dio 3 de salas de aula 2 6 Constru o do lago reservat rio de gua de chuva para consumo em sanit rios e no sistema de refrigera o por evapora o Pain is fotovoltaicos para movimenta o de bomba d gua do lago caixas d gua e oxigena o GRUPO 3 SISTEMAS DE CONTROLE DE EQUIPAMENTOS 3 1 Sistema de controle autom tico assistido por computador para aumento da efici ncia energ tica dos equipamentos instalados no pr dio Sistema de aquecimento Sistema de ventila o Sistema de ar condicionado Sensores de presen a Introdu o 25 Sistema de controle de ilumina o artificial e natural fechaduras eletr nicas Integradores de consumo de energia l mpadas de baixo consumo energ tico e alta efici ncia GRUPO 4 SISTEMA DE COMBATE A INC NDIO 4 1 Uso do lago artificial como parte do sistema de combate a inc ndio do conjunto arquitet nico gua coletada de chuva sistemas de detec o de inc ndio GRUPO 5 ENSINO E DIVULGA O 5 1 Cria o do
129. do GSHP instalado no Daniel Boone High School Tennessee Ap ndice B 222 Descri o rea da escola 53 000 m bomba de calor 300 ton sistema GSHP trocadores com o solo 320 furos cada um com 50m de profundidade cada furo com 100 m de tubo de polietileno de 3 4 Daniel Boone High School Annual Energy Use 4 000 6000 E 5500 j 5000 3 000 4500 4000 2 500 co Se 3500 mi on 2 000 3000 2 5 ci 2500 4 500 T 000 C 1 000 1500 1000 500 500 O o 93 94 94 95 95 96 96 37 School Year E kWh Used CO Degree Days Heating L Degree Days Cooling Mote SO CE The system operated on approximate by 2 3 of the GH during construction Figura B 33 Rela o entre uso de energia graus dia durante dois anos antes do retrofit e dois anos ap s o retrofit incluindo 1 ano em que o sistema funcionou somente com parte do equipamento de troca de calor devido a atrasos no cronograma de instala o dos mesmos Daniel Boone High School Annual Energy Cost 750 000 6000 5500 200 000 5000 4500 ra 4000 mm 150 000 S500 Ci cs 3000 ae ess 100 000 7500 gt 2000 C 1500 50 000 1000 500 O O 93 94 94 95 95 96 95 47 school Year E cost LJ Degree Days Heating Degree Days Cooling Figura B 34 Rela o entre custo de energia graus dia durante dois anos antes do retrofit e dois anos ap s o retrofit incluindo 1 ano em que o sistema funcionou somente com parte do equipame
130. dos para acompanhamento da evolu o de temperatura do solo do ar externo e da parte interna do pr dio entrou em opera o funcionando de forma adequada por aproximadamente 1 ano Este sistema que consta de uma placa de aquisi o de oito canais obtida por empr stimo do IEE uma fonte de tens o montada no Laborat rio de Sistemas Fotovoltaicos LSF IEE e um microcomputador 286 disponibilizado pelo Servi o de Inform tica do Instituto foi respons vel pela obten o dos dados de temperatura do solo apresentados neste trabalho A falta de padroniza o de acordo com os Laborat rios de Meteorologia do equipamento para coleta dos dados de temperatura externa for ou a utiliza o de informa es de Temperatura do Ar na cidade de S o Paulo fornecidas pelo IAG Medidas complementares para avalia o das propriedades termofisicas do solo tamb m foram executadas em laborat rios do IAG Este trabalho tem como objetivo medir as propriedades termof sicas do solo no IEE USP avaliar o impacto que elas causam no dimensionamento de sistemas de troca t rmica conectadas ao solo e estudar caminhos que facilitem o desenvolvimento de m todos para dimensionamento destes sistemas Introdu o 29 Introdu o 30 CAP TULO 1 Aspectos Gerais A utiliza o do subsolo como fonte e ou reservat rio de calor para sistemas de condicionamento de ambiente leva em conta as propriedades de in rcia e capacidade t rmica do solo que o caracterizam
131. e preenche as porosidades do solo pode ser encontrada em Ochsner et al OCH 01 e dada por C p v c VC P C 8 5 1 onde ps densidade da parte s lida do solo Vs fra o volum trica de s lido cs calor espec fico da parte s lida Ow densidade da parte l quida agua Cap tulo 5 113 Cy calor espec fico da gua 0 fra o volum trica de gua Se fosse poss vel uma parametriza o univoca da difusividade t rmica em fun o destes par metros fundamentais bastaria apenas correlaciona las para determinar a depend ncia da condutividade com a difusividade t rmica o que pela figura 2 4 obviamente n o o caso A partir do conjunto de dados apresentados na figura 2 4 pode se fazer uma tentativa de correla o entre estes pontos para obten o dos par metros Alguns comportamentos est o claramente definidos como lineares como o caso dos gr ficos A x Vs A x Na C x 0 C x na a x Vs e a x na Os restantes est o espalhados de forma nao muito definida caso dos gr ficos A x 0 C x vs e a x 0 Observa o o autor substitui k por para representar a condutividade t rmica Por suposi o o comportamento linear em todas as fun es em rela o a seus par metros fundamentais e assim tem se as retas aproximadas C 1 46 10 5 2a C 1 6v 10 5 2b C 3 2 n 10 5 2c a 0 10 5 3a a 2 v 10 5 3b a l n 10 5 30 Estudando caso a caso a infl
132. e 0 e t t o tempo passado desde o in cio de emiss o Temos ent o t z T Ak femea t t dr C 43 4 Ta 0 Se ao inv s de termos um dubleto de for a constante S tivermos um vari vel y t 2 T Es voe t Di C 44 escrevendo x i BrE ou seja de Tae ge C 45 temos Ap ndice C 238 1 q pe 2 eT dp a C 46 T Jve 5 Je p Supondo um dubleto de for a w 2aF t localizado na origem temos Es fro ef dp C 47 Vai 408 que uma solu o para a equa o C 1 e satisfaz as condi es de contorno C 38a e C 38b Se a temperatura inicial do solido semi infinito f x ao inv s de zero a solu o pode ser obtida somando se C 47 equa o T 7 f K e dB J re xje dp C 48 onde 5 4 x n C 49 Que a solu o de T quando a temperatura inicial do corpo f x e na fronteira zero FONTE DE CALOR EM UM PONTO FLUXO RADIAL DE ENERGIA T RMICA TEMPERATURA INICIAL DADA COMO FUN O DA DIST NCIA AO PONTO Neste caso as isotermas ao inv s de serem planos s o esf ricas O Laplaciano de T expresso em termos de r ser Ap ndice C 239 1007 V T C 50 r Or e as equa es de Fourier 2 TL Wf C 51 ot r or ou 2 o rT ar O a C 52 Ot Or com a condi o inicial T f r quando t 0 C 53 Se fizermos u rT nossa equa o diferencial se reduzir a Ou Oru Daep C 54 Ot or l onde u rf r quando
133. e 20 cm 54 Figura 2 3b Efeito do tratamento de solo clay loam para cultivo sobre a condutividade t rmica do solo em fun o da umidade a uma profundidade de 20 cm 54 Figura 2 4 Comportamento da condutividade T rmica aqui chamada de capacidade t rmica C e difusividade t rmica a em fun o da gua 0 s lidos vs e ar va presentes no solo para 4 tipos de solo de textura m dia 55 Figura 2 5 Varia o percentual de I X em fun o da varia o de a 57 Figura 2 6 Comportamento de T To em fun o da difusividade 59 Figura3 1 Fonte de tens o e placa de aquisi o de 8 canais 61 Figura 3 2 Equipamento utilizado para calibra o dos term metros 62 Figura 3 3 Reta de calibra o term metro 1 64 Figura 3 4 Reta de calibra o term metro 2 64 Figura 3 5 Reta de calibra o term metro 3 64 Lista de Figuras V Figura 3 6 Reta de calibra o term metro 4 64 Figura 3 7 Reta de calibra o term metro 5 65 Figura 3 8 Reta de calibra o term metro 6 65 Figura 3 9 Reta de calibra o term metro 7 65 Figura 3 10 Reta de calibra o term metro 8 65 Figura 3 11 Dispers o dos term metros eletr nicos em compara o com o term metro de Hg 67 Figura 3 12 Desenho esquem tico do posicionamento dos sensores de temperatura 68 Figura 3 13 Perfil de T x tempo uma medida a cada 15 minutos durante 2 dias 69 Figura 3 14 Pontos experimentais de temperatura ambiente obtidos pelo sensor instalado sob a cop
134. e 3 integrais onde Q em cada um dos trechos a m dia do m s correspondente Os limites destas Integrais ser determinado pelo tempo entre o inicio e fim de cada intervalo Apesar do uso muito difundido do ar ou da gua como fontes ou como meio para rejeito de calor o meio mais comumente dispon vel e com o maior potencial como fonte dep sito de calor o solo deve se deixar claro que o uso do solo como fonte reservat rio de calor n o tem nenhuma conex o com o chamado calor interno da Terra Para obten o desta fonte devemos ir a milhares de metros abaixo da superf cie Em cada metro c bico de solo comum tem se uma capacidade t rmica da ordem de 2 850kJ 2700 Btu ou aproximadamente 680 kcal ou seja a quantidade de energia t rmica que obtida com a diminui o de temperatura desta massa de 1 K Desta forma pode se extrair de um bloco de solo de 15 x 15 x 14 m rebaixado em 16 C 30 F o equivalente em calor da combust o de 4 toneladas de carv o Obviamente que impratic vel a refrigera o de um bloco de terra com estes par metros mas o exemplo serve como ilustra o do potencial dispon vel no solo Ap ndice C 254 Trocadores de Calor no Solo Existem dois casos de import ncia pr tica que devem ser estudados a Trocadores com temperatura constante na superf cie b Trocadores com taxa de transfer ncia de calor constante Neste tratamento ser feito o uso constante do valor AT que
135. e Condutividade e Difusividade pelo m todo da Agulha de Prova 72 3 3 1 Arranjo Experimental 15 3 3 2 C lculo da Densidade da Amostra de Solo do IEE USP 80 3 3 3 Calor espec fico do solo 81 3 3 3 1 Arranjo Experimental 84 CAP TULO 4 Resultados Obtidos 87 4 1 Temperatura do Solo 87 4 2 Curva de Temperatura ambiente fornecida pelo IAG 91 4 3 C lculo de difusividade do solo pelo m todo de onda de calor 92 4 3 1 Por Atenua o da Onda 92 4 3 2 Por Deslocamento de Fase 93 4 3 3 Ajuste de curva por Chi quadrado 94 4 4 Medidas de Condutividade e Difusividade T rmica do Solo pelo M todo de Agulha de Prova Densidade por gravimetria e Calor Espec fico pelo Calorimetro 96 Sum rio II 4 4 1 Condutividade T rmica 96 4 4 2 C lculo da Densidade da Amostra de Solo do IEE USP 101 4 4 3 Calor Espec fico do Solo 101 CAP TULO 5 An lise e discuss o de resultados 107 5 1 Aquisi o de Dados 107 5 2 Resultados Obtidos 109 5 2 1 Medidas de Laborat rio 109 5 2 2 Medidas de difusividade t rmica 111 5 3 Dimensionamento do sistema de troca t rmica imerso no solo a partir do valor de difusividade t rmica obtido experimentalmente 112 5 4 Constru o de fun es de correla o entre a e C 113 5 4a Em 0 fra o de gua 114 5 4b em vs fra o s lida 118 5 4c Em fun o de na fra o de ar 119 5 4d Combina o de todos os fatores 120 5 5 Potencial de Condicionamento 120 5 6 M todo para Avalia o
136. e ar sistema de controle configura o da tubula o sistema de acoplamento com o solo etc Para Ilustrar as varia es de pre o envolvidas no custo de instala o dos sistemas GSHP s o mostrados alguns exemplos de instala es de diversos tipos tamanhos e usos B 9 1 Stockton State College localizado em Pomona NJ onde foi feito um retrofit do sistema que totalizou 1 655 tons 5 826 kW a um custo total de US 5 246 000 US 3 170 ton em d lares de 1993 A instala o recebeu incentivos e descontos reduzindo o capital empregado para US 135 000 B 9 2 WaterFurnace empresa de GSHP projetou um sistema com loops fechados de polietileno submersos em um lago para um pr dio de escrit rios localizado em Fort Wayne Indiana USA O sistema totaliza 134 tons 471 7 kW a um pre o declarado de US 239 800 com custo de US 1 790 ton d lares de 1991 Ap ndice B 210 B 9 3 Salem Community College localizado em Carney s Point New Jersey USA fez uma substitui o retrofit do sistema de 160 tons de refrigera o a um custo de US 284 000 com um valor m dio de 1 775 ton a d lares de 1993 B 9 4 Paint Lick Elementary School localizada em Garrard County Kentucky USA instalou um sistema de 123 tons 433 kW a um custo de 3 090 ton d lares de 1992 B 9 5 Maywood Elementary School localizada em Hammond Indiana USA com 250 tons 880 kW a um custo total de 1 277 190 O sistema consiste de 74 bombas de calor e 244
137. e redu o do consumo de energia no modo refrigera o de 30 a 50 e no modo aquecimento de 20 a 40 quando comparado aos sistemas ar ar FED 98 Um estudo preparado em 1987 para o DOE U S Department of Energy estima economia de energia dos sistemas de Ap ndice B 211 bombas de calor geot rmicas que v o de 17 a 42 comparadas com sistemas ar ar e dependendo da regi o e do tipo de instala o Embora existam v rias t cnicas para avaliar o consumo anual de energia de um sistema GSHP desde m todos manuais atrav s de estimativas at m todos computacionais todas elas s o baseadas nas normas referidas anteriormente O Federal Technology Alerts FED 98 publica o do US Department of Energy apresenta uma estimativa de consumo de energia dos equipamentos de GSHP atrav s de uma ferramenta anal tica chamada Bin Method que um procedimento de c lculo feito em forma de tabela Kavanaugh KAV 92 KAV 92a e SOU 98b desenvolveu simula o para 3 estudos de caso comparativos com equipamentos diferentes em 3 regi es com climas diferentes nos EUA Os valores s o baseados em constru es novas de acordo com as legisla es de efici ncia energ tica vigentes Atlanta Georgia kW h kW h Cooling Heating 3 409 7 396 VARIABE SPEED 2 499 5 540 ASHP ASHP GH Pe 2 599 236 Spokane WA kW h kW h kW h Cooling Heating DHW ASHP 773 11 475 4
138. e tipos de solo e para tubos de at 4 de di metro os per odos maiores que 1 dia fornecem resultados da line source muito pr ximos das integrais de Jaeger os erros n o excedem a ordem de 2 A rigor o crit rio para erro igual ou menor que 2 ue gt 20 Este crit rio em geral funciona tamb m para pontos distantes do tubo R permanecendo como raio do tubo tubo isolado a taxa constante de transfer ncia de calor retirada de calor solo A integral de Jaeger tubo de 1 integral de Jaeger tubo de 4 line source theory tubo de 4 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 tempo horas Figura C 9 Compara o entre os resultados de diferen a de temperatura entre a line source equation e as integrais de Jaeger para tubos longos isolados e taxa de transfer ncia de calor constante Q 1 Btu h ft Cabe observar que toda esta teoria desenvolvida aplica se somente no caso de tubo infinitamente longo Quando se utiliza comprimentos de tubo usuais importante avaliar a magnitude das discrep ncias envolvidas Ap ndice C 264 Tubos curtos A diferen a de temperatura em um ponto distante r de uma fonte puntual em um tempo t ap s o in cio de emiss o ou absor o de q unidades de energia t rmica por unidade de tempo dado pela equa o C 70 AT E fe dB C 70 a a 2Vat Em uma fonte linear alinhada com a dire o z emitindo Q unidades de energia t rmica
139. e um lado para outro pode ser v rias vezes maior que a energia necess ria para fazer o dispositivo funcionar fazendo destes sistemas uma op o mais barata que as de aquecedores de ambiente por efeito Joule Ap ndice C 251 Nas opera es de bombas de calor para aquecimento refrigera o s o necess rios meios externos de onde se possam retirar depositar calor Em algumas Instala es utilizado o ar externo em outros s o utilizador reservat rios de gua ou mesmo gua corrente mas tem se tornado muito comum em pa ses do hemisf rio norte em especial os EUA a utiliza o do subsolo como fonte reservat rio de calor Isto significa a instala o de um consider vel comprimento de tubos geralmente polietileno de baixa densidade por onde o fluido respons vel pelas trocas t rmicas ira circular com bom contato t rmico com a terra ou rocha no subsolo Ao se utilizar a equa o para fonte linear equa o C 90 devemos ter em mente a O tubo deve ser longo o suficiente para que o fluxo de calor seja todo ele normal ao tubo radial b Ao inv s de termos uma fonte sorvedouro de calor linear na realidade temos de fato um formato cil ndrico de raio rz ent o devemos recorrer s equa es C 91 e C 92 uma vez que o problema da fonte linear emitindo absorvendo Q unidades de energia t rmica por unidade de tempo por unidade de comprimento da fonte para valores de r iguais ou a 17 ee 2 2 sup
140. e um sensor de temperatura associado a um amplificador que controla a corrente que passa por ele O outro sensor de temperatura colocado numa certa dist ncia fornecer a temperatura do ar ap s o filamento Os dois sinais s o comparados e a diferen a elevada ao quadrado indica a velocidade do ar Como no caso anterior a sa da padr o Devido ao movimento do ar o anem metro a turbina sofre um deslocamento que gera uma frequ ncia A fregii ncia proporcional velocidade convertida em tens o e depois em corrente de sa da de 4mA 20mA Termometria Os transmissores de temperatura transformam a vari vel medida proporcional temperatura em sinais el tricos Podem ser classificados em dois grupos transmissor inteligente e anal gico Os transmissores inteligentes s o constru dos utilizando microprocessadores que gerenciam varias fun es n o encontradas no transmissor comum Uma delas a comunica o com outras unidades remotas ou com o sistema de aquisi o realizada atrav s de comunica es padr es RS232 RS485 etc Com rela o alimenta o os transmissores anal gicos s o encontrados com dois tr s e quatro fios Nos transmissores a quatro fios h dois fios para alimenta o e dois para o sinal eventualmente isolados Nos transmissores a tr s fios h um fio comum outro para alimenta o e o terceiro para o sinal el trico proporcional vari vel de medida Nos transmissores a dois
141. e um sistema GSHP associado a um sistema de coleta de dados que permita acompanhar o sistema funcionando Estudos sistem ticos podem permitir estudar procedimentos para implementar sua efici ncia avalia o da economia de energia envolvida custo do ciclo de vida etc Como s o inter relacionadas a implementa o das outras propostas apresentadas fundamental para que se tenha uma avalia o global do impacto de todos os equipamentos e sistemas na economia de energia do pr dio Em particular as interven es no forro criando se barreiras t rmicas e implementando o sistema de ventila o por convec o devem concorrer para aproximar o ambiente s condi es de conforto reduzindo desta forma a necessidade de uso de condicionadores de ar Cap tulo 6 128 CAP TULO 7 REFER NCIAS ABU 00 Abu Hamdeh N H Effect of tillage Treatments on Soil Thermal Conductivity for some Jordanian Clay Loam and Loam Soils Soil amp Tillage Research 56 145 2000 ANA 01 Anandakumar K Venkatesan R Prabha T V Soil Thermal Properties at Kalpakkam in Coastal South India Proc Indian Acad Sci Earth Planet Scie 110 3 239 245 2001 ASH 82 ASHRAE Handbook Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers Atlanta 1982 ASH 89 ASHRAE Standard 90 1 Energy Efficient Design of New Buildings Except New Low Rise Residential Buildings American Society of Heating R
142. edicam exclusivamente ao estudo dos problemas relacionados ao conforto ambiental e conserva o de energia Introdu o 21 O Laborat rio do IEE USP Foi proposta a implanta o de um programa de conserva o de energia em edifica es no Instituto de Eletrot cnica e Energia da Universidade de S o Paulo IEE USP tendo como meta o desenvolvimento de pesquisas em projetos de arquitetura bioclim tica equipamentos para conserva o de energia como por exemplo sistemas de aquecimento e refrigera o e minimiza o do impacto ambiental cujo objeto de estudo um conjunto de tr s pr dios com estrutura de madeira de reflorestamento eucalipto constru dos dentro do pr prio Instituto 1 de baixa densidade ocupacional ocupado pelos professores do Programa de P s Gradua o em Energia posteriormente ocupado pelos alunos do programa pr dio 1 figura 1 1 1 de m dia densidade ocupacional ocupado pelo INFOENER um banco de dados de Energia cuja fun o concentrar e suprir a sociedade com informa es da rea energ tica pr dio 2 figura 1 2 1 de alta densidade ocupacional a ser utilizado por salas de aula do Programa de P s Gradua o em Energia pr dio 3 figura 1 3 Figura 1 1 pr diol para uso dos professores de P s Gradua o di AM Rida o tao md a E bi Hy DE ese x aT iz ae nta a ee ES s semen i Es E cad Introdu o 2 Figura 1 2 pr dio 2 Par
143. edida a cada 15 minutos durante 2 dias Cap tulo 3 69 Do gr fico 3 13 observa se que 1 Como esperado a temperatura do solo mostrou se constante ao longo dos dois dias de observa o sensores dispostos a 2m e Im de profundidade 2 Na interface solo ar a temperatura come a a oscilar juntamente com as varia es de temperatura ambiente com pequena atenua o na amplitude sensor disposto a 3 cm sob o solo 3 Na caixa de ar no espa o entre a casa e o solo o comportamento da temperatura j est mais pr ximo da temperatura externa com uma diferen a para baixo da ordem de 10 graus cent grados 4 Os sensores dispostos no ch o a 1 4 metros dentro da sala e no duto de ilumina o zenital mostram o perfil de temperatura dentro da sala al m de mostrar os resultados do sensor deslocado para o duto de ilumina o zenital da sala 7 A pequena diferen a de temperatura observada entre os dutos de ilumina o nas salas 7 e 8 foram atribu das contribui o t rmica oriunda do maior n mero de pessoas que frequentam a sala 8 em compara o com a sala 7 5 O sensor de temperatura externo mostra as varia es de temperatura dependentes do vento chuva e cobertura de nuvens As curvas de temperatura externa do duto de ilumina o e do sensor sob o piso exibem claramente as oscila es provocadas pelo vento e pelas nuvens Dentro da sala este efeito praticamente desaparece devido prote o das paredes
144. edings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 1 81 1996 ERE 01 Consumer Energy Information EREC Fact Sheets Energy Efficiency and Renewable Energy Network US Department of Energy http www eren doe gov erec factsheets geo_heatpumps html acesso em 2001 EVE 94 Evett S R TDR Temperature Array for Analysis of Field Soil Thermal Properties in Proceedings of the Symposium on time Domain Reflectometry in Environmental Infrastructure and Mining Applications Sep 7 9 Northwestern University Evanston Illinois 1994 FED 98 Federal Technology Alert Ground Source Heat Pumps Applied to Commercial Facilities U S Department of Energy http www pnl gov fta 2_ground htm 10 acesso em 1998 FED 98c Federal Technology Alert Ground Source Heat Pumps Applied to Commercial Facilities U S Department of Energy http www pnl gov fta 2_ground htm 6 acesso em 1998 Refer ncias 132 FLO 96 Floyd D B Parker D S Sherwin J R Measured Field Performance and Energy Savings of Occupancy Sensors Three Case Studies Proceedings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 4 97 1996 GEO 98a Geothermal Heat Pump Consortium s http www ghpc org public series diagram 1 gif acessoem 1998 GEO 98b Geoexchange Informatio
145. efrigerating and Air Conditioning Engineers Atlanta GA 1989 ASH 95 ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 1995 ASH 95b ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 14 1995 ASH 95c ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 20 1995 ASH 95d ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 20 1995 Refer ncias 129 ASH 95e ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 23 1995 ASH 95f ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications Heat Transfer in Lakes American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 23 24 1995 ASH 95h ASHRAE Handbook of Heating Ventilating and Air Conditioning Applications Closed Loop Lake Coil in Bundles American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers 29 24 1995 ASH 97 American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineering
146. elo Calor metro A difusividade t rmica pode ser calculada pela equa o 3 2 desde que se tenha dispon vel as medidas de condutividade densidade e calor espec fico do solo 4 4 1 Condutividade T rmica As medidas temperatura do solo em fun o do tempo de aquecimento para c lculo de condutividade t rmica do solo pelo m todo de agulha de prova s o apresentadas na tabela 4 1 onde s o mostradas as medidas em 5 posi es diferentes cap tulo 4 96 posi o 1 Temperatura K posi o posi o 3 posi o posi o 5 medida 1 m1 m1 Tabela 4 1 Temperatura do solo em fun o do tempo fornecido pela agulha de prova em 5 pontos diferentes no IEE USP A partir destas tabelas foram constru dos os gr ficos para obten o do coeficiente da assintota dada pela equa o 3 3 em todas as medidas realizadas cap tulo 4 97 Temperatura x tempo e ass ntota 3 conjuntos de medidas posi o 1 316 0 y 0 565Ln x 312 41 315 0 R 0 98 y 0 8554Ln x 310 57 R 0 9755 314 0 313 0 5 a y 0 5239Ln x 309 92 E 3120 R 0 9896 311 0 q 4at 310 0 T In 2 47k Ba 309 0 10 100 1000 tempo s Figura 4 10 grafico de Temperatura K x t s obtido pelo termistor NTC na ponta de prov
147. em dez anos de aproximadamente US 100 000 00 B 12 5 ESCOLAS B 12 5 1 Daniel Boone High School Washington County Tennessee GEO 98z Ap s avalia o de varias alternativas para a substitui o do sistema de condicionamento ambiental pr existente a dire o da Daniel Boone High School optou pela implanta o de um sistema GSHP modular e fluxo de bombeamento vari vel que permite al m da escolha de que reas ser o condicionadas a entrada sa da gradativa de cada um dos dois pares de bombas de circula o de fluido de duas velocidades Um sistema microprocessado controla as bombas e v lvulas instaladas no sistema permitindo a obten o de performance otimizada sem necessidade de utiliza o de caros e complexos variadores de velocidade Alem disto o projeto um sistema aberto no sentido que permite redimensionamento no caso de expans o f sica e ou de alunos atualmente 1 100 com a simples adi o de mais m dulos no sistema conectando o ao sistema atrav s de v lvulas previamente instaladas As figuras B 32 B 33 e B 34 mostram o layout do sistema de troca t rmica com o solo e as avalia es de economia de energia observadas ila te He amg eS Nr AP Sytem tree 7007 uh ao a Ta 6 YvS HP r 2740 HP Two Speed F urn pes Typic Bore field poa tine J20 Vertical Eior holes 206 oresfsecdon 150 ft deep PE pipe 16 sections Fig B 32 Esquema b sico do sistema de troca t rmica
148. emos a sigla GSHP como sua denomina o gen rica Os acoplamentos dos sistemas GSHP com o solo est o divididos em tr s categorias cada uma das quais com suas caracter sticas pr prias que afetam diretamente sua performance e portanto o consumo de energia equipamentos perif ricos necess rios custos de instala o e manuten o B 2 Sistema fechado Closed loop systems B 3 Sistema aberto Open loop systems B 4 Sistema de Expans o direta Direct expansion systems ou DX Systems A escolha do sistema mais adequado de acoplamento com o solo depende das condi es geogr ficas espa o dispon vel quantidade de aquecimento e ou refrigera o desejada e custo do ciclo de vida do sistema Independentemente do sistema o fluxo energ tico pode ser esquematizado como segue fig B 4 retirado de um caso particular o sistema DX mas que v lido para todos os modos B 2 1 Sistemas fechados Linhas Gerais Os sistemas GSHP fechados consistem de tr s circuitos fechados circuito de subsolo circuito refrigerante e circuito de distribui o de refrigera o aquecimento O circuito fechado de subsolo formado por uma rede subterr nea selada de tubos de pl stico polietileno ou polibutileno de alta densidade de alta resist ncia mec nica e boa condutibilidade t rmica dispostos horizontalmente em valas ou trincheiras ou verticalmente em furos ou po os Estes tubos de paredes finas atuam como trocadores de calor transf
149. ento em dois locais de Kalpakkam para estimar os valores de difusividade condutividade e capacidade t rmicas por seis m todos diferentes entre eles os m todos de Equa o de Amplitude e Equa o de Fase que ser o utilizados neste trabalho Como observado no ap ndice B em algumas situa es particulares quando os sistemas GSHP s o comparados aos sistemas tradicionais os primeiros podem n o apresentar uma economia significativa de energia que justifique sua implanta o Condi es f sicas do espa o que sofrer condicionamento t rmico h bitos dos usu rios condi es clim ticas externas e caracteristicas f sicas do solo s o fatores que podem inviabilizar o projeto Como as propriedades termof sicas s o o principal fator no dimensionamento dos sistemas GSHP elas devem ser avaliadas com muito cuidado Uma avalia o incorreta pode comprometer todo o dimensionamento do conjunto e tornar economicamente invi vel sua implanta o Como se pretendia instalar um prot tipo de sistema GSHP na sala 8 do pr dio dos alunos do PIPGE as medidas de propriedades termof sicas do solo seriam executadas durante a perfura o para instala o do sistema Isto permitiria fazer um mapeamento destas propriedades em toda a regi o de implanta o do equipamento com o consequente ajuste fino das equa es de dimensionamento do sistema GSHP Como n o se conseguiu viabilizar sua implanta o foi desenvolvida uma metodologia para medi
150. er grande rea para coloca o dos tubos de polietileno B 12 USO RESIDENCIAL COMERCIAL E OUTROS DAS BOMBAS DE CALOR GEOT RMICAS Estudos de Caso Os sistemas de GSHP t m uma rea de aplica o bastante vasta com aplica es nos USA que v o de residenciais escolas pr dios de escrit rios quart is militares pris es penitenci rias indo at o setor rural Os sistemas instalados come am em aproximadamente 1 tonelada de aquecimento refrigera o GEO 98c como nas casas de fam lias de militares em Pensacola Naval Air Station at sistemas de mais de 1600 tons de refrigera o V rios estudos de caso est o dispon veis na literatura especialmente na internet GEO 98d de onde provem a maioria dos casos relatados a seguir Eles ser o divididos pela capacidade de deslocamento t rmico em Residencial Comercial Escolas Instala es Federais Institui es Penais e um caso n o usual de bomba de calor associada a um loop aberto de gua em um navio de passageiros Ap ndice B 213 B 12 1 Instala es Residenciais B 12 1 1 Geothermal Confort In Minnesota Princenton MN GEO 98e Resid ncia de aproximadamente 300 m localizada no meio do estado do Minnesota onde as temperaturas variam durante o ano de 32 C e 95 de umidade a 28 C no inverno O sistema de troca t rmica com o solo instalado consiste de cinco loops horizontais de polietileno 1000 metros de tubo em uma rea de 300m x 26m a 2 5 metros de
151. eratura m xima atingida pelo calor metro ap s a inje o da quantidade de energia t rmica AQ q a quantidade de energia t rmica perdida para o exterior at o instante em que T max atingido Apesar desta quantidade de energia t rmica ser pequena devido a pr pria constru o do calorimetro ela constitui uma fonte de erro sistem tico que pode ser minimizado quase eliminado fazendo se medidas relativas de calor espec fico em que se compara a varia o de temperatura do calor metro na presen a de uma amostra AT com a varia o de temperatura do calor metro na presen a de um padr o de calor espec fico ATp o que resulta em AQ E m c AT 9 3 6 AQ E m c AT 9 3 7 onde a refere se a amostra p refere se ao padr o Reorganizando os termos e dividindo uma pela outra resulta m A C P c 8 AQ o QO ai Pp o Pa 3 8 m m AL AT AT AT Se Pa Pb forem pequenos e AT e AT compat veis os efeitos de perda de energia t rmica praticamente se anulam Assim pode se escrever com boa aproxima o A o ale 1 AG AL 3 9 m m AT AT Com este procedimento al m do quase total cancelamento do efeito de perda de energia t rmica a medida comparativa dispensa a necessidade de calculo da capacidade calorifica Capitulo 3 83 do calor metro A precis o na avalia o do calor espec fico fica submetida apenas a precis o na medida das grandezas e
152. ergia tamb m transferida das camadas inferiores da crosta para a superficie por meio de condu o e convec o de fluido em regi es onde exista a presen a de gua e ou lava Devido s varia es da atividade vulc nica decaimento radiativo condutibilidade das rochas e do fluido circulante a uma determinada profundidade diferentes regi es t m diferentes fluxos energ ticos da crosta para a superficie bem como diferentes temperaturas Os valores de gradiente de temperatura com a profundidade comumente encontrados variam tipicamente de 9 a 45 C para cada 1000 metros dependendo das caracter sticas geof sicas da regi o Um perfil da temperatura com a profundidade retirado da ASHRAE mostrado na figura 1 1 Cap tulo 1 31 A Energia Geot rmica normalmente classificada como renov vel e sustent vel Renov vel descreve a propriedade da fonte energ tica Sustent vel descreve o modo como a fonte utilizada Segundo a ASHRAE os usos de fontes geot rmicas podem ser divididas em tr s categorias gerais vide tamb m tabela 1 1 1 Alta temperatura gt 150 C usada principalmente para gera o de eletricidade Abaixo desta temperatura em geral a gera o de eletricidade n o economicamente vi vel 2 Baixa temperatura lt 150 C utilizada em aplica es de uso direto processos que requeiram energia t rmica compat vel com as temperaturas da fonte geot rmica 3 Aplica es com bomba de calor acoplad
153. erindo energia t rmica de ou para o meio em que est o imersos O loop Ap ndice B 189 preenchido com um fluido circulante que ganha ou perde energia t rmica ao longo de seu caminho dependendo da diferen a de sua temperatura com o solo circundante Quando em modo refrigera o do ambiente constru do h aumento da temperatura do fluido circulante que transfere energia para o meio Se h demanda por aquecimento ocorre uma queda de temperatura no fluido e energia absorvida do meio Os sistemas fechados utilizam bombas hidr ulicas para circular o fluido entre a bomba de calor e o loop Como o sistema fechado e selado n o h intera o direta com gua do meio externo e o trocador de calor da bomba de calor n o est sujeito a dep sitos de minerais e algas A NORDIC DX Geothermal Heat Pump System Energy Input Solar Geothermal Storage system Earth s Mass Extraction z Rejection system DX heat pump Dustribution system Ductwork andor Infloor Heatine HORDO DO to WATER HORDO Tpl oo Fig B 4 fluxo energ tico gen rico de um sistema de bomba de calor geot rmico NOR 98 O loop refrigerante consiste de tubos de cobre que cont m o fluido refrigerante que circula pela bomba de calor evaporador e condensador CFC ou seus derivados O terceiro Ap ndice B 190 loop consiste de um sistema de ar for ado ou de transporte de gua para a distribui o de ar aquecido ou refrigerado
154. eriores a rz equivalente aquele da fonte cil ndrica de raio r emitindo Q e unidades de energia por unidade de comprimento do cilindro Ou seja as equa es C 91 C 92 e mais as equa es C 78 e C 79 s o nossas novas condi es de contorno A fun o f r t Ole tem a forma caracter stica em fun o de t Figura C 3 Forma caracteristica da 1 ffun o MORKA Ap ndice C 252 Fazendo se as substitui es em t podemos verificar que a fun o assume o valor 0 018 ap s quinze minutos 0 37 ap s 1 hora e 0 81 ap s cinco horas Ap s algum tempo a diferen a entre nossa fun o e um valor fixo de taxa de energia t rmica absorvida Q torna se desprez vel Por outro lado a depend ncia em r tem a forma 2 2 nn Figura C 4 Q Forma caracteristica da ffun o f Q e O que confirma a id ia de que em uma fonte receptor de calor bidimensional linha a taxa de energia t rmica cedida absorvida fixa O Mas a medida que se aumenta o raio a taxa de energia t rmica trocada vai caindo at chegar a valores desprez veis para valores muito grandes de r A equa o C 90 sujeita s condi es acima para r 217 e supondo tubo simples em um meio Infinito fornecer temperaturas iniciais iguais a zero em qualquer ponto do meio Se o meio estiver com temperatura inicial acima de zero digamos 20 C este valor dever ser somado s temperaturas obtidas com esta
155. erm metro externo Term metro a 3 cm sob o solo Figura 3 12 Desenho esquem tico do posicionamento dos sensores de temperatura Term metro a 1 0m sob o solo No Term metro a 2m sob o solo O programa executado em Qbasic realiza a cada 15 minutos uma varredura em 3 1 3 Resultado das Medidas de Temperatura todos os term metros coletando um conjunto de 500 medidas na frequ ncia do micro de cada um calcula as respectivas m dias evitando assim os problemas de flutua o inerentes ao equipamento eletr nico arquiva e plota o resultado em tela Estes resultados s o gravados em disquete para posterior an lise em programas adequados dispon veis em microcomputadores mais potentes Para salvar os dados em disquetes necess rio interromper a coleta de dados entrar com os comandos de salvamento e depois reinicializar a aquisi o Para evitar muitas interrup es no sistema adotou se a rotina de efetuar salvamento de dados uma vez por semana Como na poca o sistema n o estava equipado com sistema no break as frequentes quedas de energia el trica provocaram perda de alguns Cap tulo 3 68 conjuntos de dados interrompendo sequ ncias cont nuas Entretanto como se observa nos resultados isto n o prejudicou a linha de tend ncia do comportamento t rmico do solo Como j mencionado a falta de estabelecimento de um padr o de medi o semelhante aos laborat rios de meteorologia fez com que o term metro externo in
156. erruptor simples permite que o usu rio ligue e desligue a ilumina o mas n o permite ajuste de intensidade que controlada automaticamente pela fotoc lula Estas salas tamb m est o equipadas com sensores de presen a Foram utilizados cinco dataloggers TF32 associados aos sensores para monitorar o consumo de energia utilizada para ilumina o Alem disto foi acompanhado de perto por meio de visitas peri dicas o comportamento dos usu rios quanto ao consumo de energia para ilumina o e a influ ncia dos dispositivos instalados nas mudan as comportamentais ocorridas ao longo do per odo de estudo Na fig A 15 s o mostrados os gr ficos constru dos a partir dos dados de cada grupo de ocupa o nos dias teis da semana dreroge Ocorre efe Dage Profiles dp me gf Dor cea Sha POL Pindar Dagurin e iii ge mom wm WwW we D E H Paf o ME Hy eo Dy glia om x ot r I i Moo TE E all 13 TE no a Peer 4H Urt dido pe Send OF dine Paenoant ar bara Hola seh ey rly Ap ndice A 162 Calculou se a economia gerada pelos sensores de ocupa o em horas por ano comparando o tempo que as luzes estavam ligadas enquanto a sala estava desocupada no grupo de controle e no grupo com configura o standard O grupo de controle diz quanto tempo as luzes est o ligadas nas salas sem controle de presen a e o grupo standard quanto tempo as luzes est o ligadas enquanto a sala est desocupada
157. es com suas caracter sticas f sicas distintas apresentam uma defasagem e atenua o da onda de calor no ponto mais profundo em rela o temperatura do ponto com menor profundidade Em particular o ponto de menor profundidade pode ser externo ao solo podendo se ent o utilizar as medidas de temperatura do ar como refer ncia para obten o dos par metros envolvidos na defasagem e na atenua o da onda no ponto de interesse de medida no subsolo Os valores de amplitude m xima da temperatura ambiente e de temperatura do solo a uma determinada profundidade ao longo do ano s o inseridas na equa o C 118 do ap ndice C T are Va ate Ver 2 13 onde w foi substitu do por 27 P Capitulo 2 58 P per odo 365 dias ou 8766 horas x profundidade metros To amplitude ou metade da varia o m xima de temperatura na superf cie C Tr varia o m xima observada na temperatura a uma profundidade x C a difusividade m h ou m dia E o valor de difusividade naturalmente pode ser obtido A obten o da defasagem da onda no solo pode ser feita por compara o entre as fun es de temperatura do ar dado pela eq 1 1 e do solo dado pela eq 1 2 e novamente a difusividade pode ser obtida A curva que representa a varia o de T To em fun o do valor de a mostrado na figura 2 6 Observa se que pequenas varia es na avalia o da difusividade t rmica do solo podem provocar grandes altera es
158. es menor que o per odo anual e com um ru do de temperatura no inverno vide figuras 4 4 4 5 e 4 6 indicando veranicos peri dicos fen meno este aparentemente ainda n o estudado A complementa o das medidas das propriedades termof sicas do solo pelo m todo de onda de calor com as medidas realizadas nos laborat rios do IAG tamb m mostrou boa concord ncia com os resultados de campo mesmo com a elimina o da umidade da amostra de solo para medida de sua capacidade t rmica Os modelos que prev em as caracter sticas do solo e determinam suas propriedades termof sicas podem apresentar erros de avalia o t o grandes que terminam por inviabilizar o dimensionamento de sistemas GSHP refor ando a necessidade de medidas in situ destas propriedades Todos os m todos encontrados de medidas das propriedades termof sicas s o para aplica o pr ximos superf cie do solo 20 30 cm no m ximo M todos como o de duas agulhas de comprimento 28 mm uma com aquecedor e outra com sensor de temperatura ambas enterradas nos solo a uma distancia de 6 mm uma da outra proposto por Bristow et al BRI 94 podem ser adaptados e utilizados para medida de campo da capacidade t rmica do solo Abu Hamdeh ABU 00 utilizou o m todo de agulha nica de comprimento 170mm para determinar a condutividade t rmica do solo o que ainda Cap tulo 6 126 apresenta resultados de capacidade t rmica na superf cie do solo n o atingindo
159. eus par metros de ajuste Termistor NS Term metro NTC calibrado ECIL gua destilada em banho maria com temperatura controlada Figura 3 21 arranjo experimental para calibra o do termistor NTC banho maria HAAKE NK22 Cap tulo 3 I7 calibra o em R do termistor R termist R term metro transforma o de R do calibra o ECIL Temperatura graus K termistor Ohm em fun o de T 2 9834x 258 444 273 15 632 81 x 0 1096 105 47 287 2 287 0 106 35 289 0 289 4 107 31 291 9 292 0 109 04 296 4 296 0 110 298 9 299 1 111 25 112 54 113 36 114 31 117 99 descida 116 09 114 9 113 31 111 92 110 59 108 87 Tabela 3 3 Calibracao em T do Termistor NTC Capitulo 3 78 calibra o em Temperatura do termistor 330 0 325 0 320 0 315 0 310 0 305 0 T K 300 0 295 0 y 632 81x 196 R 0 9998 290 0 285 0 280 0 275 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 R Termistor Ohm Figura 3 22 Curva de calibra o em T do Termistor Cap tulo 3 79 Com a determina o das linhas de tend ncia das curvas T x t obt m se atrav s da equa o q Aat E 4 7 k nf on o coeficiente q 3 3 4 m k ER onde q pot ncia el trica dissipada na ponta de prova k condutividade t rmica do meio solo Como
160. fornece medidas de resist ncia em fun o do tempo proporcionais temperatura Estes valores s o anotados e depois introduzidos num programa gr fico de computador As medi es foram realizadas em 19 04 2001 na regi o compreendida entre os pr dios do Cenbio Salas de Aula e Salas de P s Graduandos do IEE descrito na figura 3 19 A amostragem do solo foi realizada em cinco posi es distintas e em algumas destas posi es foi feita mais que uma amostragem A calibra o foi feita em duas etapas a Com utiliza o da tabela de calibra o tabela 3 2 fornecida pelo fabricante do term metro de resist ncia ECI 88 obt m se a curva e par metros correspondentes temperatura x resist ncia do term metro de platina mostrados na figura 3 20 b O term metro de platina j calibrado foi mergulhado em gua destilada no aparelho de banho maria com temperatura controlada marca HAAKE NK22 figura3 21 juntamente com o termistor NTC para proceder sua calibra o Os resultados obtidos podem ser observados na tabela 3 3 Para verifica o de exist ncia ou n o de histereses as medidas foram realizadas subindo gradativamente a temperatura at um valor m ximo e depois descendo da mesma forma figura3 22 Com a correspond ncia entre a temperatura do term metro de platina e a resistividade do Termistor a ponta de prova est calibrada para transformar valores de resist ncia el trica em temperatura Os resultados obtidos e
161. forto interno A simples substitui o sem altera o do projeto arquitet nico original tem demonstrado que se pode obter economia significativa de energia No trabalho de Elberling et al ELB 96 foram avaliadas quatro resid ncias tr s pr dios comerciais e um s tio agr cola obtendo redu o de consumo de energia sem abrir m o do conforto da ordem de 60 Elizabeth Titus TIT 96 por sua vez fez um estudo mais detalhado deste comportamento utilizando como estudo um grupo de 26 casas selecionadas N o somente o acompanhamento do consumo p s altera o da resid ncia foi efetuado mas tamb m o impacto destas altera es nos h bitos dos moradores onde se verificou o surgimento de novas necessidades e novos procedimentos como a Instala o por parte dos moradores de equipamentos n o previstos e ou a dificuldade de adapta o com equipamentos j instalados A simples substitui o de equipamentos por outros mais econ micos modifica o estrutural das paredes etc n o garante o m ximo de economia de energia Tem se que levar em conta tamb m os h bitos ou a mudan a de dos moradores Por isto a conclus o de Titus de economia de eletricidade da ordem de 25 em contraste com os valores verificados por Elberling Como diz a autora Tecnologias imovativas tais como termostatos fotossens veis e bombas t rmicas para aquecimento de gua domestico n o s o apropriados para todo o tipo de usu rio As tecnologias de
162. h ft em mar o Pelo m todo do espelho teremos um tubo enterrado a 1 8 metros de profundidade 6 e outro eq idistante acima da superf cie do solo d 1 1 superf cie do solo figura C 15 Tubo enterrado no solo a 1 8 metros de profundidade 6 p s e seu respectivo espelho sim trico superf cie do solo A equa o que d o comportamento do solo sem interfer ncia dada por ie elo van C 119 a onde A temperatura m dia do solo x 6 1 8m p1 fase inicial Ap ndice C 243 t tempo tgias x 24 horas o 20 o 20 P 8766horas a difusividade do solo A 0 0261 ft7 h Toto 50 25 0 495 sen 0 0172t 4 01 onde t dado em dias T B T sen g wt C 120 onde B temperatura m dia do ar 2 fase inicial logo T 50 25 sen 4 71 7 16 10 que nos fornece a seguinte curva sen ides Tare Tsolo sem deposi o ou retirada de calor para solo com difusividade de 0 0261 ft2 h 80 70 a Le 60 50 40 temperatura Farenheit 30 20 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 tempo dias Figura C 16 curvas de temperatura do solo e do ar para uma regi o com temperatura m dia 50 F e amplitude de 25 F e difusividade do solo de 0 0261 ft h Ap ndice C 274 As retiradas de energia t rmica s o calculadas de acordo com o per odo em que foram efetuadas que neste caso se parecem com peda os
163. http www ghpc org cases cs0030 htm acesso em 1998 GEO 98a6 Geoexchange Information Center Water Source Heat Pump Prove Their Mettle on the Water http www ghpc org cases cs0045 htm acesso em 1998 GEO 98a7 Geoexchange Information Center Phillips 66 Service Station http www ghpc org cases cs0013 htm acesso em 1998 GEO 00 Geoexchange Information Center Richard Stockton College of New Jersey http vulcan geo phys stockton edu main_geo html acesso em 2000 GHA 85 Ghauman B S Lal R Thermal Conductivity Thermal Diffusivity and Thermal Capacity of some Nigerian Soils Soil Sci 139 74 80 1985 GLI 96 Glicksman L R Taub S Energy Efficiency of Occupant Controlled Heating Ventilating and Air Conditioning Systems for Office Buildings Proceedings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 4 125 1996 GRO 98 Ground Source Heat Pump Manual Commonwealth of Pennsylvania Department of Environmental Protection pp 3 http www dep state pa us dep deputate w sm WSM_DWM SrceProt HeatPump gshpttoc htm acesso em 1998 GUI 97 Guia para Express o da Incerteza de Medidas Primeira Edi o Brasileira do Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement Sociedade Brasileira de Metrologia INMETRO e ABNT 1997 Refer ncias 136 HER 59 Herzen R Von Maxwell A E The
164. ica o do Solo e das Rochas FED 98 O fator mais importante para o projeto e opera o adequada de um sistema de troca t rmica com o solo a taxa de troca de calor entre o equipamento solo e rochas que o envolvem A condutividade t rmica do solo e rochas o fator que determina o projeto do sistema de trocas seu tamanho e a rea de troca t rmica necess ria afetando diretamente no custo de equipamento e instala o As propriedades termof sicas do solo podem ser caracterizadas pelo tipo de sua composi o sendo bastante comum encontrar tabelas destas propriedades a partir desta classifica o Segundo a Electric Power Research Institute EPRI a classifica o do solo inclui areia grossa cascalho lama fina argila fina e terra preta mistura de areia lama e argila cada uma com propriedades t rmicas espec ficas A classifica o de rochas dividida em nove grupos geol gicos tamb m utilizada nos EUA outra classifica o dada pela ASHRAE Na tabela 2 2 mostrada uma classifica o de solos e rochas valores m dios que normalmente utilizada pelas empresas prestadoras de servi os americanas CLO 98 Estes valores s o normalmente usados para calcular tanto as dimens es ideais para que o sistema de troca t rmica funcione de forma conveniente como para a an lise econ mica do sistema De uma forma geral as propriedades termof sicas do solo podem ser agrupadas de acordo com a classifica o do solo A cla
165. ico j que o calor sens vel removido do fluxo de ar para evaporar gua resulta em aumento do calor latente Portanto o RED n o reduz a carga total no fluxo de ar apenas troca uma forma de carga por outra fig A 4 Manta porosa umedecida por tubos furados Entrada de ar Agua de aspers o cujo n vel mantido com b ia Hg A 4 Sistema direto evaporador RED O sistema REI refrigera o ar sem aumentar a taxa de umidade absoluta do ar Este processo utiliza dois fluxos de ar separados que nunca se misturam ou t m contato direto Um dos fluxos o mido passa atrav s do processo de refrigera o por evapora o direta e Ap ndice A 147 resfriado e umidificado O segundo fluxo o fuxo processado passa atrav s de um trocador de calor ar ar adequado trocando calor com o fluxo frio e mido do primeiro est gio A refrigera o indireta de est gio nico rebaixa a temperatura do ar processado at a temperatura de bulbo mido do fluxo mido que geralmente o ar ambiente Aumentando o n mero de est gios aumenta se sua performance A performance global do sistema multiest gios depende da efici ncia individual de cada refrigerador de evapora o e dos processos de troca de calor A tecnologia de refrigera o evaporativa geralmente utilizada em climas secos A Integra o dos conceitos do sistema evaporativo com equipamentos de condicionamento de ar ventila o e aquecimento HVAC em ingl s aumenta o pote
166. icos usam o Labview para criar solu es que complementam a necessidade de suas aplica es Oferecendo um m todo de programa o onde graficamente voc usa objetos chamados Instrumentos Virtuais Vis este software proporciona uma flexibilidade de uma linguagem potente de programa o sem a dificuldade da mesma um m todo que utiliza diagramas de bloco na sua programa o Com Labview poss vel apresentar os resultados atrav s de um painel gr fico e Interativo al m de inumeros recursos para o manejo dos dados Transferir dados para o disco compartilhar dados com a rede entre aplica es e preparo dos informes Cont m mais de 500 bibliotecas de instrumentos Extensa biblioteca de analises para processamento de sinais estat stica aproxima o de curvas e analises complexas Comunica o entre os processos e entre redes usando DDE IAC e TCP IP Dispon vel em quase todos os sistemas operacionais existentes no mercado 7 12 Conclus o Foi feita uma ampla pesquisa entre fabricantes de sensores transmissores aquisi o de dados e softwares Na rea de instrumenta o h uma ampla diversidade de componentes para automa o industrial e limitada na rea cient fica no Brasil A maioria de equipamentos manuais e eventualmente ligados ao computador via interface serial RS232 o que limita a quantidade destes produtos que podem ser usados por um mesmo computador Procurou se fazer o sistema mais aberto poss
167. idade de acionar v lvulas efetuar contagens e monitorar movimento de portas janelas v lvulas etc INTERFACE DE COMUNICA O Interface de Comunica o liga a placa de aquisi o e controle ao computador atrav s de suas portas internas e externas Exemplo ISA PCI PCMCIA Macintosh NuBus Serial ou Paralela Ap ndice A 170 Computador Interface Figura A 21 Diagrama de tratamento do sinal 7 5 SOFTWARE O software desempenha um papel vital no desenvolvimento do sistema de aquisi o e controle Usa se no sistema para configurar controlar e ligar a placa de aquisi o e controle ao computador e facilitar a interface do usu rio ao sistema de aquisi o Como todos os softwares atuais eles trabalham com sistemas operacionais gr ficos isto sua programa o facilitada por cones gr ficos diminuindo a necessidade do usu rio ser um expert em programa o Figura A 22 Tela t pica do programa LAB VIEW Ap ndice A 171 7 6 DESCRI O DO PROJETO O projeto de aquisi o e controle est vinculado inicialmente ao pr dio de uso dos professores de p s gradua o hoje pr dio dos alunos do Programa podendo mais tarde ser expandido para os outros pr dios Este sistema ser o b sico para as outras Instala es diferindo somente no numero de vari veis a serem lidas ou controladas Seguiu se um roteiro para delinear o projeto ROTEIRO 1 Medidas a serem efetuadas 2 Caracter stica
168. idades um elips ide com menor 90MM Dmaio 102mm Desta forma temos duas reas a serem levadas em conta Asuperior 7 5 10 m A inferior 7 2 10 m A compara o entre o volume de um cilindro regular com as dimens es citadas e um cilindro com base elipsoidal com as dimens es acima apresenta uma diferen a de volume da ordem de 4 Como o cilindro tem uma das faces na forma circular e outra na forma el ptica a deforma o atingiu no m ximo at a metade do cilindro e de forma decrescente caindo esta diferen a para menos de 2 Portanto o volume total de terra V 1 1 10 m 2 3 A A massa de terra foi calculada medindo se a massa total do sistema terra tubo de PVC e depois subtraida a massa do tubo Meerra Mtotal Mtubo 2 029 1g 130 1 g 1899 g 0 8 3 B E a densidade volum trica do solo obtida pela raz o m V 3 3 3 Calor espec fico do solo metodologia encontrada em KIK 85 H diversos m todos dispon veis para se medir o calor espec fico e a capacidade t rmica do solo como o m todo de agulhas duplas descrito por Campbell et al CAM 91a que pode ser realizado no pr prio solo sem necessidade de lev lo a laborat rio e de alterar sua taxa de umidade O m todo do calor metro de aquecimento interno por resist ncia el trica aqui aplicado foi escolhido pela disponibilidade do equipamento Cap tulo 3 81 constru do nos laborat rios do IAG A amostra de solo a mesm
169. ific Fisherman Shipyard Segundo a empresa o sistema foi t o satisfat rio que pretendem equipar outros navios com este recurso Ap ndice B 221 Ap ndice B 228 Ap ndice Dimensionamento de sistemas GSHP Fluxo de Calor I dimens o Em uma dimens o a equa o de condu o de calor de Fourier dada por OT OT Q Ot Ox C 1 No caso de um s lido infinito em que o fluxo se d apenas na dire o x e todos os planos paralelos ao plano yz s o superf cies isotermas a temperatura inicial dada como fun o da coordenada x a solu o da equa o C 1 deve satisfazer T fx quando t 0 C 2 Fazendo T e t C 3 2 Temos b ac c iy C 4 obtemos ent o Pelo g C 5 e T Me e C 6 mas COMO Ap ndice C 229 e cosyxtiseny C 7 combinando C 5 e C 6 por adi o e subtra o e escolhendo valores convenientes de L e M as solu es particulares Fae cos yt C 8 e fae sen yt C 9 C 8 e C 9 s o solu es particulares de C 1 para qualquer valor de y que n o fun o nem de x nem de t Multiplicando C 8 e C 9 por B e C fun es quaisquer de y obtemos uma soma de s ries infinitas do tipo T Bcosx Csinn e dy C 10 O 8 Que tamb m uma solu o da equa o diferencial j que ela linear e homog nea Fazendo t 0 a equa o C 10 fica uma f x Como o estudo dos problemas de condu o de calor no
170. ificativamente a rea de solo necess ria implanta o do sistema de troca No modelo vertical requer de 11 a 16 m de rea de Ap ndice B 203 terra por ton de refrigera o ou 2 6 a 4 m kW e profundidades m dias da trincheira de 2 7 a 3 7 metros A instala o horizontal t pica requer de 49 a 60 m de rea de terra por ton de refrigera o ou 11 9 a 14 5 m kW e 1 5 a 3 metros de profundidade Embora este arranjo seja extremamente eficiente apresenta desvantagens que devem ser levadas em conta como a grande quantidade de g s necess ria em sistemas dom sticos tipicamente 5 a 10 quilos de refrigerante e a baixa resist ncia do cobre ao solo cido que pode corro lo e provocar vazamento do CFC A energia t rmica emanada pelos tubos de cobre pode diminuir a umidade da envolt ria de solo reduzindo a efici ncia de troca t rmica e consequentemente sua performance O solo arenoso mido o mais adequado para o funcionamento deste sistema Segundo o Federal Technology Alerts FED 98 existe apenas um fabricante americano deste sistema com modelos que v o desde 24 000 Btu h at 60 000 Btu h de capacidade de refrigera o aquecimento 7 a 17 6 kW Aplica es de sistemas maiores requerem m ltiplas unidades conectadas eh Direct Expansion Figura B 26 Retrigant in Sistema de troca Copper Tubing t rmica de xpans o diteta no subsolo FED 98c Or Tobho B 4 VARIA ES O acoplamento com
171. imental 0 92 W m K apresentado no cap tulo 4 resultado 4 H fornece o resultado 5 A T T 13K O valor obtido pela parametriza o aproximada das equa es 5 2a e 5 3a e calculado na equa o 5 5 Kaprox Ca 0 58 W m K 5 C e na equacao 5 6b T To 17K 5 D Com diferen a de mais de mais de 30 entre o valor obtido experimentalmente e o valor obtido atrav s de parametriza o dos pontos do gr fico situa o esta que dificulta muito a discuss o a respeito de quanto uma varia o na difusividade implicaria na varia o de AT A figura 5 1 apresenta o aspecto geral do comportamento de AT em fun o da difusividade tendo como par metro fundamental a fra o volum trica de gua no solo O ponto observado na curva representa o valor medido experimentalmente a 0 001 m h e o correspondente valor de AT 17K A diferen a observada na condutividade t rmica medida experimentalmente com a calculada a partir das equa es 5 2 e 5 3 proveniente da dispers o dos pontos provocada pela grande variabilidade de solo pesquisado 4 grandes grupos conforme a figura 2 4 Uma pequena varia o na propor o dos componentes do solo quartzo por exemplo pode alterar significativamente suas propriedades t rmicas Cap tulo 5 116 diferen a de Temperatura em fun o da difusividade r 0 0189m D 2m t 720 horas Q 1 OW m L 100m 35 0 30 0 25 0 20 0 15 0 10 0
172. inal do segundo ano de instala o com a expectativa de redu o dos custos de eletricidade nos 20 anos de vida do equipamento se situarem na casa dos US 250 000 00 Varios outros estudos de caso no setor comercial estao disponiveis na literatura como Du Pont Medical Center Fort Wayne Indiana GEO 98n Holiday In Express Albany New York GEO 980 North Boneville City Hall North Boneville Washington GEO 98p B 12 3 Institui es Federais USA B 12 3 1 Geothermal Heat Pumps at Fort Polk Base Housing Louisiana GEO 98q GEO 98r e HUG 96 O Oak Ridge National Laboratory com apoio do U S Department of Defense DoD do U S Department of Energy DOE e a participa o da Louisiana State University U S Army Corps of Engineers Cold Regions U S Army Engineering and Support Center em Huntsville e a Co Energy Group realizaram o maior projeto de Instala o de GSHP relatado at o momento em Fort Polk uma unidade militar no centro oeste de Louisiana USA com aproximadamente 1000 km de escrit rios militares centros de treinamentos armaz ns pai is e um hospital al m de uma rea residencial onde moram 23 000 pessoas entre militares e familiares com 4003 unidades distribu das em 1296 pr dios O GSHP foi implantado na rea residencial cujas condi es Iniciais eram Aproximadamente 80 das resid ncias tinham bombas de calor ar ar e aquecedores de gua el tricos Ap ndice B 218 20 das resid ncias com a
173. incipalmente do c lculo de condutividade t rmica do solo Ainda assim o valor obtido compat vel com os obtidos anteriormente Cap tulo 4 105 Cap tulo 4 106 Cap tulo 5 An lise e discuss o de resultados 5 1 Aquisi o de Dados As equa es que descrevem o comportamento da temperatura do ar equa o 1 1 e o comportamento t rmico do solo a uma dada profundidade equa o 1 2 s o apenas representa es aproximadas modelos do que ocorre realmente na natureza As curvas das figuras 3 13 4 1 e 4 2 que representam o perfil de temperatura do ar e subsolo no IEE mostram grandes oscila es na temperatura do ambiente externo ao longo dos dia e dos meses provenientes de efeitos locais como cobertura de nuvens e vento e oscila es provenientes de escala global por exemplo as entradas de massa de origem equatorial e ou polar O resultado final destas influencias uma curva peri dica di ria do ar com oscila es em v rias frequ ncias totalmente diversa da esperada sen ide lisa Este efeito de larga escala est presente na curva de per odo anual figuras 4 2a e 4 2b evidenciado na figura 3 14 em que a periodicidade da temperatura do ar externo aparentemente desapareceu devido n o padroniza o do equipamento de coleta de dados segundo normas dos laborat rios meteorol gicos Como as medidas de temperatura externa foram tomadas no ponto sob a copa da rvore defronte sala 8 do pr dio dos alunos o me
174. is B 2 4 Sistemas fechados em lagos B 2 2 Sistemas fechados verticais Os sistemas GSHP verticais consistem geralmente de dois tubos de polietileno de pequeno di metro e alta densidade dispostos em furos verticais Estes tubos s o soldados termicamente no fundo da trincheira a jun es de retorno em forma de U figuras B 10 e B 11 Os di metros nominais destes tubos v o de 34 a 1 1 2 polegadas de di metro nominal A profundidades varia de 18 a 450 metros dependendo das condi es locais de perfura o e dos equipamentos dispon veis ASH 95b As vantagens dos sistemas GSHP verticais s o a Pequena varia o das propriedades t rmicas e de temperatura do solo a que est em contato b Requer pequena rea superficial de terra c Requer pequeno comprimento de tubo e pouca energia de bombeamento em compara o com sistemas horizontais d Tem a melhor performance em efici ncia entre os sistema dispon veis Desvantagem Alto custo de implanta o e necessidade de m o de obra mais especializada Ap ndice B 193 Figura B 10 Arranjo do sistema GSHP fechado vertical NEW 98 cee a e ro i i FE E F b 1 E E s E d o Soi S a a o A A Er tid To da am 1 4 z E a p mae N a O ee a EF m i a en gus a E w m pt m e r 3 E a af ra j j F Le je do ed u AIR OL IND OR COIL FAN REFRIGERANT TO MATER HEAT
175. l dos EUA o mercado deste tipo de dispositivo somente agora tem se expandido para aplica es urbanas e comerciais A vasta maioria das Instala es de bombas de calor geot rmica usa equipamentos que consistem de bombas de calor com troca t rmica com a gua Em 1985 apenas 14 000 bombas de calor geot rmicas estavam em opera o em edifica es residenciais e comerciais nos EUA Em 1990 saltou para 100 000 Em 1993 segundo a Air Conditioning and Refrigeration Institute ARI foram comercializadas outras 17 300 O Departamento de Energia dos EUA DOE estima que foram vendidas 40 000 unidades em 1994 A expectativa que em 2005 os EUA estejam instalando 400 000 unidades ano com uma quantidade acumulada de 2 milh es de equipamentos instalados ERE 01 As express es Bomba de Calor com fonte t rmica no subsolo Ground Source Heat Pump GSHP ou Bomba de Calor Geot rmica Geothermal Heat Pump GHP s o denomina es aplicadas a uma variedade de sistemas que usam o subsolo a gua do subsolo ou gua de superf cie como fonte e dep sito de energia t rmica ASH 95 Ap ndice B 188 Existem v rios nomes e siglas cunhados em ingl s para denominar cada uma destas varia es Al m dos termos GSHP ou GHP encontramos v rios outros GCHP Ground Coupled Heat Pump GWHP Groundwater Heat Pump SWHP Surface Water Heat Pump GS Ground Source Systems Etc Apenas como forma de facilitar a nomenclatura adotar
176. le htm acesso em 1998 OCH 01 Ochsner T E Horton R and Ren T A New Pesrpective on Soil Thermal Properties Soil Science Society of America Journal 65 1641 1647 2001 Refer ncias 139 PAR 79 Parikh R J Havens J A Scott H D Thermal diffusivity and conductivity of moist porous media Soil Science Society of America Journal 43 1050 1052 1979 PEZ 90 Pezent M C and Kavanaugh Development and Verifications of a Thermal Model of Lakes Used With Water Source Heat Pumps ASHRAE Transactions 96 1 574 82 1990 PIG 96 Pigg S Eilers M Reed J Behavioral Aspects of Lighting and Occupancy Sensors in Private Offices A Case Study of a University Office Building Proceedings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 8 161 1996 RIS 02 Risk D Kellman L Beltrami H Carbon Dioxide in Soil Profiles Production and Temperature Dependence Geophys Res Lett 29 6 10 291 2002 SFU 03 Soil Temperature and Heat flow http www sfu ca bquinton teaching geog311 11 soilthermal pdf acesso em 2003 SHO 00 Shonder J A Beck J V A New Method to Determine the Thermal Properties of Soil Formations from In Situ Fields Tests Report do Oak Ridge National Laboratory para U S DoE 04 2000 SOU 98b Sound Geothermal Co A Guide Showing Heating Savings using a GHP http www soundgt com compare ht
177. lise nossa fonte de energia o Sol Petr leo carv o g s biomassa e hidroel tricas s o formas de energia derivadas do Sol Devido grande massa da Terra aproximadamente metade da energia solar que chega at o planeta absorvida e estocada na geomassa NEI 95 O uso desta energia n o produz rejeitos e n o altera morfologicamente as caracter sticas do solo At o momento n o existem impactos ambientais negativos significativos associados s bombas de calor geot rmicas embora sua instala o possa ser afetada por regulamentos ou c digos de obra locais A instala o de equipamentos de condicionamento de ambiente mais Ap ndice B 208 eficiente reduz o consumo de eletricidade com a conseqiiente redu o de impacto ambiental devido diminui o da demanda de forma o de represas artificiais redu o do consumo de a o cimento de rejeitos radiativos no caso das usinas at micas ou de emiss o de particulado xidos de enxofre xidos de nitrog nio e di xido de carbono no caso de usinas t rmicas a combust vel f ssil O eventual aumento ou diminui o da temperatura do solo implica em altera es de pequena escala de tempo e geralmente em pequena amplitude Segundo o manual de GSHP GRO 98 as mudan as verificadas na gua de retorno s o menores que 5 C Como o aumento da temperatura do solo depende da massa de terra gua utilizada como reservat rio ou fonte de calor e fluxo do fluido a al
178. m Types of Systems acessoem 1998 SPI 92 Spiegel M R Manual de F rmulas M todos e Tabelas de Matem tica Makron Books do Brasil Editora Ltda 2 edi o p 211 1992 Refer ncias 140 TIT 96 Titus E Advanced Retrofit A Pilot Study In Maximum Residential Energy Efficiency Proceedings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 1 239 1996 WAT 99 WaterFurnace Geoth System http www waterfurnace com technology html acesso em 1999 WIL 03 Willians G P Gold L W CBD 180 Ground Temperatures Institute for Research in Construction National Research Council Canada http irc nrc cnrc gc ca cbd cbd180e html acessoem 2003 Refer ncias 141 Refer ncias 142 Ap ndice A PROPOSTAS DE SISTEMAS PARA CONDICIONAMENTO DE AMBIENTE E SISTEMAS COMPLEMENTARES A abordagem da quest o energ tica em pr dios deve ser feita em v rias frentes simultaneamente como o caso da ilumina o artificial associada com controle de temperatura umidade ventila o e ilumina o natural Mesmo quando tratamos apenas um par metro solu es combinadas podem produzir resultados mais eficientes que solu es individuais Com este enfoque s o apresentadas propostas de interven o utilizando v rios equipamentos e m todos alguns complementares e outros concorrentes na tentativa de minimizar o consumo de energia dentro dos pr
179. m 22 08 97 devido ao atraso e atenua es inerentes cap tulo 4 93 4 3 3 Ajuste de curva por Chi quadrado As incertezas envolvidas neste tipo de c lculo s o apreci veis e de dificil avalia o Como a composi o e teor de umidade do solo podem variar substancialmente ao longo do ano e localmente em profundidade estas varia es geralmente s o muito maiores que as incertezas dos c lculos A difusividade obtida em um determinado local pelos m todos de atraso e ou atenua o de onda representam um valor m dio de difusividade de uma determinada regi o e as varia es locais j devem estar embutidas neste valor m dio Uma tentativa de diminui o das incertezas foi feita com a introdu o de um ajuste senoidal por Chi quadrado executado com o programa ORIGIN cujos ajustes s o mostrados nas figuras 4 7 e 4 8 Na figura 4 8 observou se um ajuste de chi quadrado muito pequeno mostrando que a avalia o do ponto de m nimo da fun o est muito prejudicada numa avalia o grosseira pode se supor diferen as de v rios dias at semanas entre os dois m nimos A superposi o das duas curvas fornece a figura 4 9 Ajuste de curva senoidal aos dados experimentais de temperatura Data Data1_B Model senom arcio Chit2 DoF 0 78276 A 0 88094 0 01629 0 00007 1 89198 0 02675 3 55343 0 04982 19 80114 0 03639 O T a p Q 400 Tempo dias Figura 4 7 ajuste de c
180. ma e desta forma reduzir a energia el trica necess ria ao seu funcionamento figura B 17 ASH 95d A escava o para Instala o do arranjo horizontal permite a determina o mais f cil das propriedades do solo pois mais f cil sua inspe o e coleta de amostras para testes Vantagens do sistema horizontal a Custo de escava o menor que no sistema vertical b Maior facilidade t cnica de perfura o c Pequena taxa de transfer ncia de energia t rmica de ou para a terra por unidade de rea diminuindo os efeitos residuais da mudan a de temperatura do solo ao longo do ano Limita es do sistema horizontal a Area m nima necess ria maior que a do arranjo vertical o que em alguns casos impossibilita sua implanta o b Ressecamento do solo principalmente em longas estiagens podem reduzir a efici ncia de troca t rmica do sistema c Pedras ou outros tipos de barreiras podem impedir a escava o da trincheira Ap ndice B 197 Figura B 17 SERIES GROUND LOOP PARALLEL GROUND LOOP B 2 4 Sistemas Fechados em Lagos Grandes massas de agua como os lagos quando utilizados de maneira apropriada podem ser dep sitos e ou fontes de energia t rmica importantes No caso de refrigera o pode apresentar a melhor rela o custo x benef cio Em sistemas fechados a bomba de calor gua ar ligada ao tubo submerso dentro do qual circula o l quido que faz a troca t rmica sem c
181. measurement of Thermal Condutivity of Deep Sea Sediments by a Needle Probe Method Journal of Geophysical Research 64 10 1557 63 1959 HER 96 Hernandez G Katipamula S Spehar J and Pratt R G Analysis of Hybrid Cooling System at an ACT Pilot Demonstrative Site Proceedings from the 1996 amp 1994 ACEEE Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings American Council for an Energy efficient Economy 4 165 1996 HOR 83 Horton R Wierenga P J and Nielsen DR Evaluation of Methods for Determining the apparent Thermal Diffusivity of Soil Near the Surface Soil Science Society of America Journal 47 25 32 1983 HOW 98 How Stuff Works http www howstuffworks com ac htm acesso em 1998 HUA 03 Huang Z Zhang X Zheng G Gutterman Y Influence of Light Temperature Salinity and Storage on Seed Germination of Haloxylon ammodendron Journal of Arid Environ 55 453 564 2003 HUG 96 Hughes P J and Shonder J A Oak Ridge National Laboratory Geothermal Heat Pumps at Fort Polk Early Results Proceedings From the 1996 American Council for an Energy Efficient Economy Summer Studies on Energy Efficiency in Buildings published by ACEEE 1001 Conecticut Av N W suite 801 Washington DC 20036 1996 ING 54 Ingerssol L R Zobel O J Heat Conduction with Engineering Geological and other Apliccation Maple Press Co York Pennsylvania 1 154 1954 INT 95 International Groun
182. mento controlados pelos usu rios de pr dios de escrit rios tem mostrado potenciais de economia de energia de at 22 Neste estudo os ocupantes podem definir quais os limites do conforto local para sua rea de trabalho o que provoca uma n o uniformidade na distribui o de temperaturas no espa o condicionado e afetando diretamente o consumo global de energia Em reas n o ocupadas permitem se limites mais brandos de forma a reduzir a carga necess ria de condicionamento Glicksman sugere que estudos mais detalhados sobre o comportamento dos usu rios podem contribuir para a melhoria de design da constru o e dos sistemas de condicionamento Est prevista a Instala o em salas previamente escolhidas de sistemas interligados de detectores de presen a padlocks e Interruptores de luz No sistema de ilumina o est o sendo instaladas l mpadas fluorescentes e lumin rias de ltima gera o de baixo consumo de energia O sistema autom tico prev um medidor de n vel de aclaramento sobre o plano de trabalho que sempre que a ilumina o natural for inferior a 500 lux acione o sistema de Ilumina o Estes sistemas ser o comparados com o sistema manual onde o usu rio liga as l mpadas do mesmo tipo do sistema autom tico sempre que achar necess rio A partir da ser o feitos estudos de consumo de energia das salas munidas deste equipamento com as Ap ndice A 155 salas com controle manual e salas com e sem ilumina o
183. mento entre os tipos de equipamentos existentes foi escolhido o equipamento denominado SCXI fabricado pela National Instruments O sistema SCXI consiste de m dulos de condicionamento de sinal aquisi o de dados e de comunica o acondicionados num rack Os m dulos de condicionamento podem ser escolhidos entre os de entrada ou de sa da de sinal anal gico entrada ou sa da de sinais digitais O rack suporta 12 m dulos e j vem com alimenta o Ao utilizar o m dulo de comunica o RS485 o numero de racks dever ser de 31 elevando o total de m dulos poss veis para 310 Cada rack deve ter dois slots ocupados pelo m dulo de aquisi o e comunica o Existem 14 tipos de m dulos de condicionamentos poss veis de serem usados 1 SCXI 1100 Amplificador de 32 canais sinal de entrada de tens o ou corrente e um ganho de 1 2000 2 SCXI 1102 Amplificador de 32 canais sinal de entrada de tens o ou corrente ganho de 1 100 aceita termopar Ap ndice A 180 3 SCXI 1120 Amplificador de 8 canais isolados sinal de entrada de tens o ou corrente ganho de 1 2000 aceita sinal de 250 Volts e termopar 4 SCXI 1121 Amplificador de 4 canais isolados sinal de entrada de tens o ou corrente ganho de 1 2000 aceita sinal de 250 Volts e termopar e 4 fontes de tens o ou corrente para alimentar transdutores 5 SCXI 1122 Amplificador de 16 canais isolados sinal de entrada de tens o ou corrente ganho de 1
184. mpress o e condensa o O ciclo come a com o l quido refrigerante frio passando atrav s de uma v lvula de expans o vai para o estado gasoso e absorve energia t rmica do ambiente ent o pressurizado atrav s de um compressor el trico onde a temperatura do fluido elevada passando para a outra fase quando o fluido vai do estado de vapor a alta temperatura para l quido a baixa temperatura medida que perde energia t rmica para outro meio que pode ser o externo no caso de refrigera o Finalmente a v lvula de expans o permite que o fluido frio se expanda novamente e continua o ciclo Para o sistema funcionar como um aquecedor basta apenas reverter o ciclo ou mesmo virar o equipamento A geladeira residencial tem o mesmo princ pio de funcionamento com a diferen a que a parte fria envolvida por um inv lucro de isolante t rmico o gabinete da geladeira minimizando a entrada de energia t rmica Ap ndice B 186 expansion valve Figura B 2 Esquema de funcionamento de um aparelho de ar condicionado Cold air t o Hot air to outside de parede inside HOW 98 Compressor Compressor Expansion valve Inside Refrigerator Figura B 3 A geladeira esquema de funcionamento HOW 98 B 1 BOMBAS DE CALOR ACOPLADAS AO SOLO OU BOMBAS DE CALOR GEOT RMICAS Uma bomba de calor convencional que faz troca t rmica com o ar air source heat pump utiliza o ar ambiente
185. n a de temperatura a taxa de troca constante Curvas 1 escala esquerda taxa de transfer ncia w em fun o da diferen a de temperatura diferen a de temperatura entre a superficie do trocador e a temperatura inicial do solo AT 1 F Curvas 2 escala direita Diferen a de temperatura AT em fun o de taxa de transfer ncia 1 Btu h sqft Par metros solo a k 1 2 c 0 45 p 102 a 0 0261 solo B k 0 4 c 0 3 p 100 a 0 0133 Trocador de calor Esf rico ou cavidade esf rica Caso 1 Temperatura constante na superf cie da cavidade A equa o para o trocador de calor em forma de cavidade esf rica dada pela equa o R mol q 47kRAT 1 C 100 Ap ndice C 257 e A taxa de transfer ncia calculada como jee C 101 4R Por exemplo para uma cavidade de raio 10 ft e AT 1F a taxa de transfer ncia no solo A depois de uma semana de q 557Btu h w 0 443Btu h sqft e depois de dois meses 288Btu h e 0 229Btu h sqft respectivamente Para o solo B os valores correspondentes ser o 240 e 0 191 e 114 e 0 091 Caso 2 Taxa de Transfer ncia Constante A temperatura em um ponto intermedi rio r distante do centro em uma cavidade de raio R r gt R no qual a transfer ncia de calor para o meio dado taxa q difere da inicial de uma quantidade AT dada por ne K Page ore Je Pap C 102 Jr a Ta sa R quando r R a equa o C 102 reduz se a
186. n Center Grounded in good sense http www ghpc org public pub art grga art htm acessoem 1998 GEO 98c Geoexchange Information Center Lighthouse Terrace Housing Pensacola NAS http www ghpc org cases cs0077 htm acessoem 1998 GEO 98d Geoexchange Information Center Case Studies Directory http www ghpc org cases dircases htm acesso em 1998 GEO 98e Geoexchange Information Center Geothermal Confort In Minnesota Princenton MN http www ghpc org cases cs0021 htm acesso em 1998 GEO 98f Geoexchange Information Center Condo Commercial Development British Columbia http www ghpc org cases cs0057 htm acesso em 1998 GEO 98g Geoexchange Information Center Scenic St George Utah Viewing Low Energy Bills http www ghpc org cases cs0054 htm acesso em 1998 GEO 98h Geoexchange Information Center Speranza Del Sol http www ghpc org cases cs0019 htm acesso em 1998 GEO 98i Geoexchange Information Center Garden East Apartments South Australia http www ghpc org cases cs0036 htm acesso em 1998 Refer ncias 133 GEO 98 Geoexchange Information Center Hillside Oaks East Dallas Texas http www ghpc org cases cs0055 htm acesso em 1998 GEO 98k Geoexchange Information Center Millenium House 1995 http www ghpc org cases cs0018 htm acesso em 1998 GEO 98 Geoexchange Information Center Braun s Bic
187. na fun o T To T To em fun o da difusividade 1 0E 02 1 0E 01 T To K 1 0E 00 1 0E 01 difusividade em m2 h Figura 2 6 Comportamento de T To em fun o da difusividade Capitulo 2 59 A conveni ncia da avalia o da difusividade t rmica pelo m todo proposto fica evidente pois a medida da propriedade termofisica na profundidade de instala o do sistema GSHP fornece automaticamente o valor m dio naquela regi o evitando desta forma erros grosseiros no dimensionamento do sistema O comportamento t rmico do solo no Instituto de Eletrot cnica e Energia TEE USP foi levantado a partir de um sistema de aquisi o de dados montado no pr prio Instituto descrito a seguir Foram coletadas informa es de temperatura do solo a 2 metros de profundidade Tolo sob uma das salas de alunos do PIPGE ao longo de um ano Os dados de temperatura ambiente na cidade de S o Paulo Tambiente foram fornecidos pela Esta o Meteorol gica do Instituto Astron mico e Geof sico IAG USP localizado no bairro da Agua Funda no per odo de 1997 a 2000 CAM 01 As medidas pelo Needle Probe Method foram realizadas entre 1997 e 1998 nas depend ncias do IEE USP pr ximas as salas de alunos do PIPGE As medidas de condutividade t rmica e densidade do solo foram realizadas no IAG USP campus Butant a partir de amostras obtidas no IEE USP O resultado obtido para a difusividade t rmica pelo Needle Probe Me
188. nas salas com sensores A diferen a entre as duas nos d o impacto l quido provocado pelos controles dando uma m dia anual de 164 horas ou 14 do total anual utilizado pelo grupo de controle Para estimar quanto os sensores podem economizar se os usu rios n o alterarem seu comportamento na presen a dos controles usa se o fato de o grupo de controle possuir sensores de presen a que n o controlam as l mpadas Por simples contagem do tempo que as luzes permaneceram ligadas e o monitoramento indicava que o sensor havia dado o sinal de desligar a ilumina o pode se calcular o tempo que poderia ser economizado se os sensores estivessem conectados com as l mpadas dando um total de 234 horas Como o sensor n o atua sobre o controle de ilumina o acredita se que este resultado seja a economia total que se obt m sem que as pessoas percebam os dispositivos e por isto n o alterem seu comportamento A diferen a entre as duas estimativas d a magnitude da componente comportamental de economia de energia quando comandada por sensores de presen a 234 164 70 horas por ano ou 30 do total fig A 16 refor ando a id ia que o aspecto comportamental dos usu rios tem grande influ ncia sobre o potencial de economia de energia com utiliza o de sensores de presen a Fechaduras Eletr nicas Os padlocks fechaduras eletr nicas comandadas por cart es magn ticos auxiliam no sistema de seguran a do pr dio reconhecendo atrav
189. ncial de aplica o e as oportunidades de conserva o de energia para uma regi o geogr fica maior Em sistemas h bridos o sistema evaporativo de est gio nico ou o multi est gios Integrado em s rie com uma unidade de refrigera o de expans o direta sistema mec nico No sistema h brido testado por Hernandez et al HER 96 o qual tem um sistema evaporativo de duplo est gio associado a um sistema de refrigera o mec nico foi verificado que o sistema mec nico raramente era ligado mesmo durante o ver o Durante as horas de trabalho ao longo da semana 8 s 17 horas entre junho e setembro um dos compressores trabalhou 5 do tempo e o outro apenas 3 Isto indica que o sistema evaporativo de duplo est gio prov mais de 90 das necessidades anuais de refrigera o 2 3 Pain is fotovoltaicos associados a mini ventiladores e bomba d gua para o sistema de troca t rmica com o solo Instala o de pain is fotovoltaicos para fornecer energia aos mini ventiladores posicionados dentro das mesas de trabalho figuras A 5 e A 6 projetadas especialmente para uso nas salas em quest o O sistema de bombeamento de gua do equipamento de condicionamento tamb m deve ser acionado pelos mesmos pain is Este sistema deve ser h brido energia hidrel trica e fotovoltaica ligadas por uma interface eletr nica que decidir quando ser necess rio o uso da energia externa ao sistema O sistema deve entrar em opera o sempre
190. ncionais o que na maioria dos casos dispensa o uso de torres de refrigera o condensadores a ar boilers e ou queimadores al m de reduzir a necessidade de resist ncias suplementares Como o sistema instalado em um ambiente com pequenas varia es de temperatura dentro de uma massa de gua ou no subsolo n o est sujeito a estresses t rmicos o que garante sua durabilidade e baixa manuten o Al m disto usa menos g s refrigerante que um sistema convencional do mesmo porte Em sistemas fechados o circuito de gua virtualmente livre de manuten o apenas necessitando de manuten o de rotina nas bombas de circula o como em qualquer motor ou bomba d gua A menos que haja algum problema de vazamento necess rio apenas o monitoramento da temperatura press o e fluxo do l quido Nos sistemas abertos o po o requer manuten o como em qualquer po o d gua devendo se fazer o monitoramento rotineiro da temperatura press o e fluxo O trocador t rmico deve sofrer inspe o rotineira devido possibilidade de ac mulo de detritos e forma o de crostas B 6 2 Deslocamento do Pico de Consumo de Energia El trica Os resultados apresentados por Hughes et al HUG 96 mostram que al m da redu o dos picos de consumo de energia el trica dos sistemas GSHP em rela o aos sistemas tradicionais foi tamb m verificado um deslocamento destes picos em rela o ao tempo Em um dos casos estudados local 213
191. necessidades de Ilumina o matinal em dias de c u encoberto Estas aberturas acabam por provocar uma quantidade excessiva de luz durante uma parte do dia no per odo de sol no z nite com o consequente desconforto luminoso al m do desconforto t rmico uma vez que a clarab ia contribui para aumentar o calor no interior das constru es 1 4 Propostas Implementadas Para o presente trabalho a proposta fundamental de todo o conjunto apresentado no item 1 2 a constru o do sistema experimental de troca t rmica com o solo para condicionamento t rmico da sala 8 do pr dio ocupado pelos alunos do Programa A previs o era Instalar o sistema experimental de condicionamento de ambiente conectado ao solo e a partir dele fazer se os estudos de materiais m todos e efici ncia do sistema Com as dificuldades enfrentadas na obten o de financiamento para a plena instala o e funcionamento do projeto as metas iniciais foram proporcionalmente se reduzindo e os sistemas e equipamentos projetados n o foram instalados Apenas o sistema de condicionamento evaporativo proposto foi instalado no pr dio ocupado pelo INFOENER CENBIO ainda assim com problemas oriundos de defici ncia de instala o Introdu o 28 causando alto n vel de ru do dentro do pr dio problema este ainda n o corrigido fazendo com que o sistema fique praticamente inoperante Do sistema de troca t rmica com o solo proposto apenas o sistema de coleta de da
192. negativa do trocador neste caso tubular tomando se a superf cie lim trofe como espelho Como exemplo pode se supor um trocador tubular 2 54 cm de di metro ou 1 que absorve energia t rmica a uma taxa constante de 20 Btu h ft enterrado a uma profundidade de 76 cm 30 abaixo da superf cie do solo A O solo est inicialmente a uma temperatura de 10 C e sua superf cie mantida constantemente a 10 C Para se calcular a temperatura do solo depois de seis meses deve 2 54 se fazer a diferen a de duas integrais a primeira em r 5 1 2 e a segunda em r 152 4 cm 60 AT 15 8 3 2 12 6 F ou seja uma temperatura final de 50 12 6 37 4 F Ap ndice C 268 Sem esta corre o o valor obtido seria 50 15 8 34 2 F portanto mais de 3 F abaixo do valor com as corre es 00 n Observa o importante a integral I x Ge quando ve a 0 2 caso mais OL r 2Jat 2 4 X X 1 l i l comum se reduz a I x In z 0 2886 cuja curva demonstrada na figura x C 12 Na figura C 13 mostrada a depend ncia de I x x t I x In1 x x x 2 x4 8 0 2886 quando x lt 0 2 8 000 7 000 6 000 2 000 1 000 0 000 O O O lh 2 O N O O Co 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 x proporcional a 1 raiz de t Figura C 12 Comportamento da Integral I x em fun o de x quando x lt 0 2 Ap ndice C 269 I x xt 8 000 7 000
193. nergia t rmica saindo de um raio rr diferencia se a equa o C 90 com rela o ar oH r n a a C 91 Or olrnn Or 20k nm A taxa de energia t rmica saindo por unidade de comprimento do cilindro em um raio rz ser Q e nm Ee rim q 271 1 O e S cpe i C 92 27KY a Ver ou no caso mais geral dado pela lei de Fourier ASH 97 T q sp C 93 dr onde k condutividade t rmica A sec o de choque area normal ao fluxo dt dr gradiente de temperatura Caso Geral Podemos resumir os casos acima estudados na equa o geral Te rr C 94 a Ap ndice C 249 onde T a temperatura em um meio inicialmente a zero graus dist ncia r da fonte instant nea de for a S no tempo t ap s a libera o de energia n fluxo unidimensional 99 n 2 gt bidimensional 66 n 3 gt tridimensional As equa es C 94 s o conhecidas como as solu es fundamentais das equa es de condu o de calor Caso a fonte seja permanente a temperatura no tempo t ap s o inicio dada por stipe 00 O pm 00 T p e ap Bde ap C 95 on a rm On K rn onde 7 Oat a cp 2 a t T e Q expresso em W Btu h ou cal s para o caso tridimensional Wim Btu h ft ou cal s cm no caso de uma fonte ou reservat rio plano W m Btu h ft ou cal s cm no caso de fonte ou reservat rio linear Somente para n 3 poss vel ter se um es
194. nte e de gua a redu o do consumo de eletricidade foi menor que nas resid ncias providas de ar condicionado como era de se esperar A tabela B 5 mostra a varia o do consumo de energia pr e p s retrofit de algumas resid ncias Energy Savings by Feeder forTypical Meteorological Year Pre Retrofit Annual kWh Post Retrofit Annual kWh Percent Savings Savings Oo N gt 2 873 818 2 22 79 1 273 006 170 119 2 008 532 19 047 205 971 875 865 286 30 1 8 675 975 31 3 301 131 23 1 6 66 2 134 857 9 196 1 551 444 552 221 13 921 102 7 151 306 4 5 6 1 1 2 284 612 2 214 590 373 681 365 664 14 2 030 362 444 835 15 4 132 427 6 111 483 4 759 023 1 462 555 1 356 410 22 2 4 015 635 3 393 136 3 032 894 2 304 659 982 741 1 038 477 30 6 24 5 3 693 865 80 031 977 2 0 0 669 04 397 946 1 123 197 30 4 20 634 031 32 0 Tabela B 5 GEO 98q Economia de energia em varios casos de Fort Polk para um ano meteorol gico t pico elaborado pelo Oak Ridge National Laboratory Ap ndice B 220 A figura B 31 e tabela B 6 HUG 96 d o resultados obtidos em consumo de energia pr e p s retrofit em fun o da temperatura m dia di ria compara o entre diversos s tios e suas respectivas economias e acompanhamento do deslocamento dos picos de consum
195. nteressam amplitude fase e per odo Por isto o arquivo ainda passou por um tratamento matem tico para suavizar as oscila es de curto per odo e evidenciar as caracter sticas de per odo anual do comportamento clim tico Este tratamento o resultado obtido e a compara o com a curva de temperatura do solo ser o apresentados no pr ximo cap tulo Cap tulo 3 71 Dados de Temperatura do IAG Agua Funda m dia di ria i N A al Mh T 20 0 ut I i I HI E VI 1 TI Temperatura graus C m oO 6 0 15 05 96 01 12 96 19 06 97 05 01 98 24 07 98 09 02 99 28 08 99 15 03 00 01 10 00 19 04 01 dias Figura 3 15 Temperatura m dia di ria do ambiente medido no IAG USP Agua Funda entre 1997 e 2000 3 3 C lculo de Condutividade e Difusividade pelo m todo da Agulha de Prova A condutividade e a difusividade t rmica do solo foram medidas por outro m todo em que h medida direta no solo e atrav s de amostra retirada de solo e submetida a procedimentos de laborat rio Esta compara o serve para verificar a ac
196. nto de troca de calor Ap ndice B 223 Custos O custo total da substitui o foi or ado em US 451 000 00 Levando se em conta a economia de energia e manuten o do novo sistema e mais invers es feitas pela Cia El trica a dire o da escola calcula que o investimento ser pago entre 5 3 anos e 6 anos B 12 5 2 Richard Stockton College of New Jersey GEO 00 Caso extensivamente estudado o GSHP instalado no R S College consiste de 400 furos de 142 metros de profundidade e 1660 tons de refrigera o passando por tr s aqu feros diferentes Upper Cohansey Lower Cohansey e Rio Grande desenho esquem tico na figura B 35 eee Pioottca ceeol Furg a doadores Bapro l 45 i We A ne 2 a E E iT x i p Pansy bysse da E pF y f B J Pome Pumi Ra ain ae Porting Le i al aod Sere aa af m n a a a alh eee eerd RLE UIZ TRANGUIDN NA o E Lo SF romd ota iI Wei GONFINDS BED TREN 3 ME tee i EN z AH GRANDE j Brann eN E RelA Braai ZCHE Epi fi o i d Jie CIRFIAG REG Ep Fig B 35 Desenho esquem tico do sistema GHP instalado no Richard Stockton College NJ A fig B 36 e B 37 mostram o sistema de tubos de polietileno sendo montados Figura B 36 vista dos tubos laterais GEO 00 Ap ndice B 224 Fig B 37 tubo sendo descido ao po o GEO 00 O monitoramento das condi es clim ticas temperaturas interna e extern
197. ntra o de clorofila a Chl a clorofila b Chl b e assimila o de CO foram observados a 32 C nas fases pr flora o e flora o e 25 C nas fases subseqiientes Huang et al HUA 03 tamb m Cap tulo 1 36 observaram forte depend ncia da temperatura na germina o de um arbusto comum no noroeste da China Haloxylon ammodendron notando uma quase completa perda de germina o das sementes se as condi es ideais de temperatura e umidade na poca correta n o forem observadas Na rea de hidrologia de meso escala o conhecimento detalhado das propriedades termofisicas do solo contribui tamb m para aumentar a efici ncia e acur cia dos modelos de Circula o Geral MOH 98 Na rea energ tica em especial a de conserva o de energia o solo pode exercer um papel muito importante devido s suas caracter sticas termofisicas podendo ser utilizado em sistemas de condicionamento de ambiente como fonte ou reservat rio de energia t rmica 1 4 Uso da Energia Geot rmica em Sistemas de Condicionamento de Ambiente Equipamentos de condicionamento de ambiente constitu dos de bombas de calor conectados a grandes reservat rios t rmicos t m ganhado import ncia nos pa ses desenvolvidos devido caracter stica de economia no consumo de energia el trica e do menor custo de ciclo de vida do equipamento Estes sistemas apesar dos custos de implanta o maiores economizam em m dia 30 da energia el trica necess ria
198. ntre o sistema tradicional de condicionamento de ambiente e ap s o retrofit com o GSHP Ap ndice B 216 B 12 2 2 Corps of Engineers Headquarters Walla Walla Washington GEO 98m O sistema consiste de 129 bombas de calor ar gua com equipamentos que v o de 0 5 tons at 10 tons capacidade total de 286 tons de refrigera o e 1 8 10 BTU h de aquecimento S o conectados a um sistema de fechado de gua de 40 l s com o sistema de distribui o de gua da cidade atrav s de trocadores de calor que mant m o isolamento entre a gua que circula no pr dio e a gua de distribui o municipal O pr dio tem 10 000 m de rea constru da estrutura com efici ncia energ tica convencional obedecendo aos padr es do governo americano que de 40 000 Btu p quadrado ano Os principais consumidores de energia s o uma central de impress o o maior consumidor computadores pessoais para os ocupantes do pr dio e o sistema de condicionamento de ambiente Devido s cargas t rmicas existentes dentro do pr dio o sistema utilizado praticamente s para refrigera o Desta forma a gua devolvida ao sistema de distribui o da cidade tem temperatura mais alta do que a que n o passou pelo sistema de troca t rmica No projeto est previsto um m ximo de eleva o desta gua devolvida ao sistema de abastecimento da ordem de 5 5 C O estudo do LCC foi feito com o programa E20 II da Carrier Corporations e o projeto arquitet
199. nvolvidas na equa o 3 9 Cabe ressaltar que por melhor que seja a medida de uma amostra de solo ela dificilmente ir representar com precis o uma determinada rea de terra devido quantidade de vari veis envolvidas que podem alterar suas propriedades f sicas mudan as de composi o umidade atividade org nica etc Assim para a obten o de valores m dios representativos e com boa precis o da condutividade t rmica densidade e calor espec fico de uma dada regi o de solo por coleta de amostras deve se fazer um grande n mero de pontos de amostragem e a distribui o destes pontos deve ser homog nea 3 3 3 1 Arranjo Experimental O calor metro composto de uma ampola de garrafa t rmica envolvida por isolante t rmico em cujo interior foi introduzido um cilindro co de cobre envolvido por uma resist ncia el trica que se encarregar de aquec lo por dentro A amostra de material introduzida neste interior e o termistor logo em seguida garantindo que esteja no eixo do cilindro As medidas de corrente e tens o de uma fonte s o aplicadas na resist ncia e monitoradas por dois multimetros enquanto um terceiro multimetro utilizado para medir a resist ncia do termistor figuras 3 23 3 24 e 3 25 m Fonte de oe ra 7 al Ego calor metro tensao e EA amostra Figura 3 23 Arranjo esquem tico do equipamento para medida de calor espec fico laborat rio de geof sica do IAG USP Cap tulo 3
200. o em aquecimento e refrigera o ante 220 punis ao amp id Do Energy Oe LEA O DER Figura B 31 Consumo di rio de energia vs temperatura m dia E di ria para o s tio 219 a a i fa st REREN a a Ja ai a g io a ED ga aD a oo PR 7 ee E EA ae i a SR ha al all Enep ihri h um ja E 5L 15 40 40 c 5 bo wea Daly bcoouperabrd 3 L Copas on of Post Remot Jere COMA RON cee Cole woe d Pre Rete CRIS LA oe Tabela B 6 Compara o de consumo de energia pr e p s retrofit G09 34 9203 38 4176 57 EEDE 56 Mais casos de instala o de GSHP em bases militares nos EUA podem ser vistos em GEO 98s GEO 98t e GEO 98u Aplica es em pres dios podem ser consultados em GEO 98v GEO 98w e GEO 98x B 12 4 A Associa o Crist de Mocos YMCA em Bixby Oklahoma instalou com a coopera o da comunidade local um sistema GSHP de 92 tons de refrigera o e 10 600 metros de tubo de polietileno disposto horizontalmente sob a rea de estacionamento em seu pr dio de aproximadamente 3 700 m com piscina sala de aer bica pista de corrida gin sio e escrit rio O custo total foi de US 2 326 00 por ton GEO 98y A conta de energia el trica em um pr dio de caracter sticas Ap ndice B 221 semelhantes da ordem de US 5 000 00 por m s enquanto que neste n o mais de US 2 700 00 m s com uma previs o de economia de energia
201. o o Oo y y r D oe o Ea oe oO oO oe Oo y r s Nec Nas ie A an teeny sa a Sag Sa ey Sg Sate tans sae si ae apa isa a Sag a Jaa b Ja RE i i _ E RE _ _ o gt eo oO oO oO oO oO O oO oO oO O ap oO oO O O oO oO O oO oO oO oO tempo dias cap tulo 4 90 Tambiente i Tsoi a2m Tests alm Tsolo a 3cm 4 2 Curva de Temperatura ambiente fornecida pelo IAG Para colocar os dados de temperatura em uma forma conveniente fez se um tratamento de alisamento da curva aplicando um c lculo de m dia m vel de trinta dias apresentado na figura 4 4 Optou se por este intervalo de tempo porque em intervalos menores ainda era poss vel observar oscila es de frequ ncias indesejadas Com intervalo de tempo maior a curva come a a perder seu car ter oscilat rio com a consequente perda de informa o Temperatura do ar IAG Agua Funda m dia m vel de 30 dias 26 0 24 0 A 22 0 20 0 18 0 16 0 14 0 Temperatura graus C 12 0 10 0 8 0 6 0 15 05 96 01 12 96 19 06 97 05 01 98 24 07 98 09 02 99 28 08 99 15 03 00 01 10 00 19 04 01 dias Figura 4 4 Curva alisada das medidas de temperatura fornecidos pelo IAG USP gua Funda com m dia m vel de 30 dias Na figura 4 5 foram somados os dados fornecidos pelo IAG com os dados de temperatura do solo medidos no IEE a 2 met
202. o solo fundamental para o dimensionamento de sistemas de condicionamento de ambiente conectados a trocadores de calor posicionados no subsolo tamb m conhecidos como sistemas de condicionamento geot rmicos Para a realiza o do estudo destas propriedades foi montado um sistema de aquisi o de dados que permitiu a monitora o do comportamento t rmico do solo ao longo de um ano Estes dados associados coleta de amostras de solo possibilitaram o c lculo dos valores destas propriedades termof sicas Foi estudada a influ ncia destas propriedades sobre as equa es de dimensionamento de um sistema hipot tico de troca t rmica com o solo e estabeleceu se uma sequ ncia de procedimentos que contribuem para avalia o e dimensionamento de sistemas de condicionamento geot rmicos ABSTRACT The main factor to design closed loop using the ground as a heat source and or sink often referred as Ground Source Heat Pump Systems GSHP to space conditioning are the knowledge of the ground thermophysics properties An equipment to field measured values of soil temperatures were used to calculate and to study the thermophysics properties of soil during one year The thermophysics properties influence on Kelvin Line Source Equation was studied and procedures to evaluate and design of GSHP were described Sumario Pagina Introducao 21 1 1 Proposta Original 21 O laborat rio do IEE USP 22 1 2 Propostas 24 Grupo 1 24 Grupo 2 25
203. om boa precis o O desenvolvimento de um m todo com a mesma caracter stica que permita obter a condutividade ou a capacidade t rmica possibilitaria a determina o das tr s propriedades termof sicas fundamentais No c lculo do calor espec fico equa es 4 J1 e 4 J2 poder amos tomar qualquer um dos valores com representativos do calor espec fico uma vez que a pr pria variabilidade na composi o do solo apresenta oscila o que apresentem resultados muito diversos do valor obtido Acrescente se que as medidas efetuadas s o em solo seco artificialmente mas no caso do Campus USP S o Paulo uma rea pantanosa aterrada o solo geralmente cont m alto ndice de umidade Cap tulo 6 127 O valor de difusividade ou a condutividade t rmica substitu da na equa o de dimensionamento de sistema GSHP permite que se determine por exemplo o comprimento de tubo de polietileno de alta densidade r 0 0189m que deve ser empregado num sistema GSHP horizontal retirando 1000 W do pr dio e depositando o no solo a 2 metros de profundidade para que a temperatura na posi o do tubo sofra um aumento 6K ao final de um m s de uso comparado com a temperatura do solo em estado natural 6 2 Propostas de Continua o do trabalho Uma vez entendido o universo tecnol gico dos sistemas GSHP e demonstrada a capacidade de avalia o dos par metros envolvidos o pr ximo passo no PIPGE IEE USP a instala o na casa de madeira referida d
204. ondicionamento Na se o 3 2 Curva de Temperatura do ar fornecida pelo IAG a figura 3 14 mostra uma sen ide te rica constru da com os par metros caracter sticos das condi es Cap tulo 5 120 tros o A L Orica com os parame 0 torno ao conforto A compara oes para o Te tras regi L es necess rias nas ou conforto t rmico previsto para S o Paulo figura 5 4 A tabela 5 1 apresenta a regi o de caracter sticos do solo do IEE permite apresentar as duas curvas juntamente com a faixa de ambientais em S o Paulo A constru o de uma sen ide te conforto e as a aay apeprun ap ogg D D D m oy m EEBRRERABEE SARE SARS ARSE Pa RT ET es Te ae E BENE REBAR S ROE Eee e ERES eRe aes ERERENEAR EERE eee NA A eee eee SCOT ENTE n fa o A H a EEA H mA PS ee A AHH MIMI IMAGO Fr TRIAL TR Ta iT TR C8 see I E 30 Solar Passivo Zona de Aquecimento Solar Passivo Zona de Massa T rmica e Aquecimento Zona de Aquecimento Artificial ED jan AS SSR SE sane 20 Temperatura de bulbo seco C Descri o Zona de Conforto Zona de Ventila o Zona de Resfriamento Evaporativo Zona de Massa T rmica para Resfriamento Zona de Ar Condicionado Zona de Umidifica o 97 10 E q on oO O Ka N Q q que E N Q am N 5 fae E fae Ro fae fae O E o e qem m fae c
205. ontato direto da gua de circula o com o meio externo Em lagos profundos a estratifica o t rmica fornece um perfil de temperatura favor vel constru o de sistemas de refrigera o uma vez que as temperaturas no fundo s o bem mais baixas que na superf cie em alguns casos dispensando inclusive o uso da bomba de calor Balan o Energ tico Energia T rmica transferida para a massa de gua de um lago de tr s formas prim rias radia o do sol convec o do ar ambiente quando a temperatura do ar maior que a temperatura da gua e condu o a partir da terra A parte mais significativa dos ganhos energ ticos em um lago devido radia o solar respons vel por 80 a 90 de toda a energia nele depositada A evapora o a principal respons vel pelas perdas seguido pela irradia o para o ambiente principalmente nas noites de c u limpo breve discuss o sobre os processos de Ap ndice B 198 Configura es de loops horizontais paralelos e em s rie transfer ncia de calor pode ser vista em ASH 95e ou mais detalhadamente em PEZ 90 No hemisf rio norte a taxa m dia de ganho de energia t rmica devido radia o solar por metro quadrado de superf cie da ordem de 4 x 10 Btu hm Considerando se um lago com superf cie de 1 acre 4000 m conectado a um sistema de bomba de calor de 10 ton 120 000 Btu h no modo refrigera o o sistema rejeitar da ordem de 150 000 Btu h para
206. or espec fico demandou a elimina o de umidade pulveriza o dos gr os PD lt 0 149mm e homogeneiza o mec nica Assim os resultados de medidas apresentam boa precis o mas s o pouco representativas do real valor in situ uma vez que a umidade do solo altamente vari vel no espa o e no tempo A homogeneiza o por sua vez altera a caracter stica inicial do solo tornando o al m de homog neo tamb m isotr pico e com temperatura inicial uniforme condi es estas raramente encontradas na natureza BRI 93 Uma forma de se evitar todos o procedimentos de retirada de amostra do solo e altera o de seu teor de umidade a utiliza o do m todo de dupla agulha uma das quais equipada com uma resist ncia de aquecimento e outra com um termopar como descrito por Cap tulo 5 110 Campbell et al CAM 91 Tomando se alguns cuidados experimentais poss vel a determina o do calor espec fico e da capacidade t rmica com boa precis o KLU 93 Ainda assim com a utiliza o do m todo de agulha nica foi poss vel minimizar as incertezas envolvidas nas medidas realizadas em laborat rio de forma a garantir que as varia es locais das propriedades termof sicas do solo sempre sejam muito maiores que as incertezas provenientes das medidas de laborat rio O valor obtido de condutividade t rmica do solo k 0 92 W K m classifica o entre os denominados Heavy Soil Dry Heavy Soil Damp e Light Soil Damp A propor o de
207. ores aproximados de penetra o profundidade em que a amplitude cai para um cent simo da amplitude na superficie em que a penetra o no ciclo di rio calculada como 7 64 k C e no anual 19 1 vezes este valor juntamente com os efeitos provocados pela umidade para alguns diferentes tipos de solo K C Penetration Depth cm sec Day m Year m rocha 0 020 1 10 20 5 Tabelal 2 Profundidade Argila mida 0 015 0 95 18 0 de penetra o dos ciclos diario e anual de Areia umida 0 010 0 80 14 5 temperatura para Argila seca 0 002 0 40 6 5 ee podes l WIL 03 Arela seca 0 001 0 30 4 5 1 3 Uso da Energia Geot rmica de Baixa Densidade Energ tica O conhecimento das propriedades t rmicas do solo tem aplica es em varias areas de engenharia agronomia e ci ncia de solo A temperatura e umidade do subsolo pr ximo fronteira solo atmosfera governam os fluxos de gua e energia de baixo para cima e de cima para baixo que por sua vez exercem papel fundamental no balan o global de energia e gua e modulam as respostas dos processos biogeoquimicos do solo como por exemplo a produ o de CO BEL 03 RIS 02 e a germina o e crescimento de plantas GHA 85 Uma forte depend ncia da produ o de biomassa total em fun o da temperatura do solo m ximo em torno de 25 C e raz o de gr os biomassa total m ximo em torno de 18 C foi observada por M A Awal et al AWA 03 em uma planta o de amendoins Os m ximos de conce
208. os que tamb m s o afetados pelas propriedades do meio densidade volum trica umidade etc Os quatro principais modos de transfer ncia de energia no solo s o Radia o Convec o Condu o Calor latente O principal modo de transfer ncia por condu o t rmica As transfer ncias de calor por radia o convec o e mudan a de fase s o de import ncia secund ria 2 1 1 Transfer ncia de Calor por Condu o Cap tulo 2 43 E a transfer ncia de calor por difus o dentro do material descrita pela equa o de transporte linear ou primeira lei de condu o de calor de Fourier O fluxo de calor em um meio homog neo proporcional ao gradiente de temperatura q pee 2 1 dx Em condi es estacion rias gradiente de T constante no tempo a equa o de condu o de calor de Fourier suficiente Entretanto em condi es n o estacion rias ou transientes necess rio recorrer ao princ pio de conserva o de energia na forma de uma equa o de continuidade ING 54 O r Ot Ox Oy O onde c calor espec fico p densidade volum trica Cp p C Capacidade t rmica por unidade de volume A combina o das equa es de continuidade com a lei do Fourier resultam na segunda lei da condu o de calor cH eZ 2 3 dt dx dx fazendo k C a difusividade t rmica dT La 2 4 dt dx dx Esta equa o fundamental para qualquer modelamento de temperatura no solo
209. otal de US 19 541 Comparado com o or amento recebido pelo propriet rio do im vel de US 16 200 para instala o de um sistema de ar condicionado central e caldeira a leo o investimento inicial em GSHP US 3 341 maior Entretanto com o programa ECH o propriet rio recebeu descontos provenientes dos dispositivos estruturais instalados no im vel isolamento t rmico das paredes forro e piso janelas de vidro duplo preenchidas com arg nio e estanqueidade do ar interno conferiram US 9 por metro quadrado de constru o ou US 2 987 Como o sistema de GSHP funciona com uma bomba de duas velocidades Ap ndice B 214 com efici ncias diferentes foi calculada uma efici ncia m dia do sistema para calcular o desconto dado pelo programa por ton de GSHP US 713 ton ou um total de US 2 971 Logo o pre o final do equipamento foi de US 13 325 ou US 2 875 menos que o sistema tradicional que n o recebe incentivo algum Na tabela B 2 s o mostrados os custos estimados de opera o de v rios sistemas Water Domestic Total Htg Clg amp Total Heating Cooling Heating Energy Operating DHW Operating US 978 537 00 1 947 00 Fuel Back up Oil 1 162 00 572 00 2 142 00 1 025 00 572 00 2 013 00 2 983 00 537 00 4 376 00 Resistance Tabela B 2 Estimativa de custos de opera o do
210. ova termistor na agulha Bias medi o Figura 3 17 Arranjo eletr nico associado ao termistor Cap tulo 3 73 VARIAC 110 AC Fio de aquecimento na Fio de aquecimento na agulha Figura 3 18 Esquema de aquecimento da agulha de prova A teoria para determina o das propriedades t rmicas do meio a partir da agulha de prova desenvolvida em detalhes por Jaeger JAE 58 A fun o que d o comportamento de temperatura com o tempo mostrada em Herzen e Maxwell n 3 1 IC a onde t tempo q energia termica liberada por unidade de comprimento e por unidade de tempo k condutividade t rmica da amostra a a difusividade t rmica da amostra 3 2 Cp p densidade do solo c calor espec fico do solo a raio da agulha B constante 1 7811 Cap tulo 3 74 2 N Esta rela o v lida quando t suficientemente grande comparado a e tempos n o muito grandes abaixo da dezena de minutos devido aproxima o de meio infinito e fonte linear infinita de calor A agulha de prova introduzida no solo no local em que se pretende medir sua condutividade 3 3 1 Arranjo Experimental O equipamento usado nas coletas de dados para c lculo de condutividade e difusividade t rmica foi desenvolvido pelo departamento de Geof sica do IAG Com a introdu o da agulha no solo aquecimento e posterior acompanhamento da curva de temperatura dada pelo termistor ele
211. peratura do ar externo 89 Figura 4 2b Perfil T x t em 3 profundidades do solo e o comportamento do ar externo 90 Figura 4 3 Medidas experimentais da evolu o da temperatura do solo do IEE a 2 metros de profundidade 90 Figura 4 4 Curva alisada das medidas de temperatura fornecidos pelo AG USP gua Funda com m dia m vel de 30 dias 91 Figura 4 5 Superposi o dos dados experimentais de temperatura ambiente obtidos no IAG USP com os obtidos no subsolo do IEE USP a 2 metros de profundidade 92 Figura 4 6 Temperaturas m nimas do ambiente IAG USP gua Funda em 23 05 97 e do subsolo a 2 metros de profundidade do IEE USP em 22 08 97 devido ao atraso e atenua es inerentes 93 Figura 4 7 Ajuste de curva senoidal por chi quadrado feito pelo programa ORIGIN para a temperatura ambiente IAG USP 94 Figura 4 8 Ajuste de curva senoidal por chi quadrado feito pelo programa ORIGIN para a temperatura do solo a 2m IEE USP 95 Figura 4 9 Superposi o das curvas e ajustes senoidais de Tambiente e Tsolo a 2 metros 95 Figura 4 10 Gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo thermistor NTC na ponta de prova em 3 medidas sequenciais no furo 1 e respectivas fun es das assintotas 98 Figura 4 11 Gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo thermistor NTC na ponta de prova em 2 medidas sequenciais no furo 2 e respectivas fun es das assintotas 98 Figura 4 12 Gr fico de Temperatura k x t s obtido pelo thermistor NTC na ponta de prova 2 medi
212. r evidente n o s devido alta taxa de troca de calor mas tamb m porque a redu o da taxa de transfer ncia de calor com o tempo menor AS compara es nesta figura s o feitas tomando se como base a taxa de transfer ncia por unidade de rea de cada trocador Caso se deseje comparar 2 tipos de tubo tomando por padr o a taxa de transfer ncia por comprimento linear basta multiplicar o valor dado em rea por m vezes o di metro do tubo Desta forma podemos verificar que ap s 6 meses a taxa de transfer ncia de calor por unidade de comprimento Q do tubo de 4 sera da ordem de 1 25 vezes maior que o Q do tubo de 1 Se neste mesmo gr fico tamb m estivessem plotadas as curvas para o solo B que n o consta aqui para n o dificultar visualiza o do gr fico ver amos que ap s o primeiro dia esta diferen a seria maior ainda aproximadamente 1 7 Dai conclui se que ao utilizar tubos de pequeno di metro conveniente preencher se o v o no entorno do tubo com um material com a mais alta condutividade poss vel al m de garantir a boa ader ncia com o solo Efeito da Temperatura na Superf cie do Solo At o momento os trocadores de calor estudados n o t m recebido influ ncia da superf cie do solo Mas como discutido anteriormente se o trocador de calor posicionado a uma profundidade pequena em que haja efeito desta superf cie de separa o entre os meios deve se lan ar m o do M todo de Imagem
213. r na qual foram realizados reajustes dos sensores com a redu o do tempo de espera para desligamento do sistema de ilumina o realmente conseguiu reduzir significativamente o consumo mesmo assim ficou acima do consumo registrado antes da instala o dos dispositivos como pode ser visto na fig A 13 Os autores suspeitam que os motivos para tal aumento do consumo foram sensores emitindo sinais positivos falsos usu rios fazendo entrada moment neas nas salas o tempo demasiado longo de religamento do sistema intervalo de tempo do sistema entre o desligamento e religamento de no m nimo 11 segundos o que induziu alguns usu rios a modificarem o tempo de espera para o m ximo dispon vel 15 minutos Um resumo dos tr s estudos de caso apresentado na fig A 14 onde s o apresentados tamb m os balan os de consumo de energia ap s a instala o dos dispositivos Ap ndice A 159 Felismere Elementary Before and After the OC Installation Averape Weekday Livbting Usage at Fellsmerc E Post fatter OC tuning Em Pe E ey l Eai A T m E E z Ib F de oly ab 23 Time of Thay lr fig A 13 Demanda de energia em uma escola americana Outro importante trabalho de sistematiza o e avalia o da performance dos sensores de presen a foi realizado num pr dio de escrit rios dentro do campus da Universidade de Wiscousin em Milwaukee por Pigg et al PIG 96 O estudo foi concebido para
214. r condicionado central Aquecimento de ambiente e gua fornecidos por aquecedor a g s natural Em 1994 o U S Army fechou contrato com a Co Energy Group para a substitui o de todos os equipamentos de condicionamento de ambiente destas resid ncias em Fort Polk Descri o do Projeto As unidades de GSHP substitu ram 3 243 bombas de calor ar ar e 760 sistemas de ar condicionado central e aquecedores de g s natural Cada resid ncia conta agora com unidades de bomba de calor de 1 1 2 a 2 ton de refrigera o num total de 6 593 tons e uma m dia 1 65 tons por resid ncia Cada unidade de bomba de calor tem seu pr prio trocador de energia com a terra consistindo de 2 furos de 4 polegadas 10 cm entre 40 e 150 metros de profundidade no solo Foram feitos um total de quase 600 km de furos verticais e 1200 km de tubos de polietileno de alta densidade SDR 11 A empresa Co Energy Group que normalmente tem 12 funcion rios teve que contratar mais 150 empregados tempor rios para gerenciar as nove empresas contratadas para efetuar os furos com at 27 equipamentos fazendo furos simultaneamente perfurando de 75 a 80 furos e instalando at 20 bombas de calor por dia Uma das linhas de produ o da f brica de tubos de polietileno ficou ocupada por um ano inteiro somente para atender este pedido A raz o de efici ncia energ tica sazonal SEER que era de 7 a 8 passou ap s o retrofit para algo em torno de 15 5 O contrato de implanta
215. recursos h dricos necessidade de grande fluxo de gua trocadores de calor sujeitos a dep sito de impureza agentes corrosivos entupimentos ataque por bact rias Tipicamente o arranjo que requer maior energia mec nica para bombeamento tornando se muito grande se a bomba superdimensionada ou n o tem controle adequado Caso seja necess ria a reinje o de gua os custos tamb m aumentam B 4 Sistemas de Expans o Direta Cada um dos sistemas conectados ao solo descritos anteriormente utiliza um fluido de transfer ncia de energia entre o solo e o refrigerante O uso de um fluido Intermedi rio requer uma compress o maior na bomba de calor para obter diferen a de temperatura adequada ao funcionamento da cadeia de troca t rmica refrigerante fluido terra Requer tamb m uma bomba para circula o de gua entre a bomba de calor e o acoplamento com a terra Os sistemas de expans o direta operam da mesma forma que os sistemas fechados exceto que o loop no subsolo e o loop refrigerante est o combinados eliminando a necessidade do fluido intermedi rio de troca t rmica trocador de calor fluido refrigerante e bomba de circula o O loop de troca t rmica direta constru do com tubos de cobre 1 4 de polegada disposto diretamente no subsolo vertical ou horizontalmente embora tamb m se possa utilizar tubos de aco inox ou nylon O refrigerante CFC s ou seus derivados circula diretamente por este tubo reduzindo sign
216. ri veis presentes na determina o das propriedades do solo a dificuldade em acompanh las ao longo do tempo a grande variabilidade de composi o e o grau de umidade tornam os valores das propriedades termofisicas quase puntuais no sentido de o valor encontrado de uma determinada propriedade ser v lido apenas naquele ponto e em per odo de tempo restrito apesar de encontrar se na literatura generaliza es acerca destas propriedades numa tentativa de tomar valores m dios de um dado local e o conjunto destes valores poderem ser ajustados a fun es que descrevam as propriedades em meso ou macro regi es como em Matsumoto et al MAT 99 Uma demonstra o desta variabilidade pode ser observada nos estudos publicados por S R Evett EVE 94 mostrando que a composi o de gua no solo al m de variar com o regime de chuvas vide figuras 2 1 e 2 2 em que est o evidenciadas as precipita es nos dias 304 316 317 e 346 ainda apresenta varia o no perfil do solo as linhas das figuras 2 1 representam de cima para baixo as profundidades 0 15m 0 2m 0 1m 0 06m 0 04m e 0 02m Nas figuras 2 2 mostrada a quantidade de gua presente em dois arranjos distantes apenas 0 4 metros um do outro nos dias 305 e 336 Pode se notar que a composi o de gua no solo pode variar em dist ncias t o pequenas como os 40 cm verificados neste estudo 4 0 n E E ads 0 1 0 304 306 308 310 312 J14 316 378 JH JH 08 M0 H2 M4 346
217. rior 7 9 CARACTERISTICAS DOS TRANSDUTORES Intensidade luminosa Ser o utilizados fotodiodos que trabalhem em todos os comprimentos de onda de luz Geralmente estes sensores transformam a luz em tens o ou corrente Unidade Lux Lum m Ap ndice A Lente Fig A 23 Esquema de funcionamento Foto de um fotodiodo Diodo pro transimizsor 173 Radi metros Utiliza fotodiodos sens veis a comprimentos de ondas na faixa do Infravermelho e ultravioleta Unidade W m2 pio transmissor Fig A 24 Fotodiodos trabalhando na faixa de IR e UV Umidade O higr metro a ser utilizado um sensor capacitivo de oxido de alum nio Ao absorver a gua a imped ncia el trica do capacitor alterada de acordo com essa absor o Unidade WUR Umidade Relativa Fig A 25 g iq Sensor capacitivo transmissor funcionando como Higr metro Ap ndice A 174 Velocidade do ar Ser o usados dois tipos de transdutores um para medir a velocidade na parte interna da constru o e o outro para medir na parte externa A velocidade do ar na parte interna baixa havendo necessidade de se usar um transdutor especial Neste anem metro a rela o entre a resist ncia el trica e a temperatura de um fio usada para monitorar e regular a temperatura de um filamento aquecido exposto ao fluxo de ar A pot ncia necess ria para manter constante a diferen a entre a temperatura do ambiente e o filamento pode ser
218. ros de profundidade A utiliza o de valores de temperatura ambiente de local distinto de onde se realizou a coleta de temperatura do solo poderia provocar distor es no estudo das propriedades termofisicas uma vez que praticamente imposs vel garantir que as condi es ambientais sejam iguais Mas como a dois metros de profundidade o pr prio solo se encarrega de fornecer um valor m dio de temperatura local e a temperatura ambiente submetida ao c lculo de m dia m vel de 30 dias tem se a utiliza o nos dois casos de valores m dios que anulam as pequenas diferen as de varia o que possam ocorrem por estarem em s tios diferentes Al m do mais se estas diferen as fossem significativas certamente haveria discrep ncia entre os resultados cap tulo 4 91 da avalia o da difusividade do solo entre os m todos de atenua o e deslocamento de onda Como ser visto mais tarde esta diferen a n o foi verificada Temperatura do ar IAG USP m dia m vel de 30 dias e temperatura do solo a 2 metros de profundidade IEE USP temperatura graus C 01 01 97 01 03 97 01 05 97 01 07 97 01 09 97 01 11 97 01 01 98 01 03 98 01 05 98 01 07 98 01 09 98 01 11 98 01 01 99 01 03 99 01 05 99 01 07 99 01 09 99 01 11 99 01 01 00 01 03 00 01 05 00 01 07 00 01 09 00 01 11 00 o DO on Figura 4 5 Superposicao dos dados experimentais de temperatura ambiente obtidos no IAG USP com os obtido
219. ru o do lago reservat rio de gua de chuva para consumo dos sanit rios e do sistema de refrigera o por evapora o Pain is fotovoltaicos para movimenta o de bomba d gua do lago caixas d gua e oxigena o Sistema autom tico de controle do n vel da caixa d gua dos sanit rios Aera o continua da gua Lago artificial alimentado com gua de chuva Reserva t cnica de combate a inc ndio e reservat rio para alimenta o das caixas d gua de descarga dos vasos sanit rios Sistema de controle de n vel e vaz o Fig A 11 Lago artificial e sistema de controle de n vel e vaz o de gua Ap ndice A 154 GRUPO 3 SISTEMAS DE CONTROLE DE EQUIPAMENTOS 3 1 Controle autom tico assistido por computador para aumento da efici ncia energ tica dos seguintes sistemas e equipamentos instalados no pr dio Sistema de ventila o Sistema de ar condicionado Sensores de presen a Sistema de controle de ilumina o artificial e natural Fechaduras eletr nicas Integradores de consumo de energia l mpadas de baixo consumo energ tico e alta efici ncia Os sistemas de controle de equipamentos de condicionamento do ambiente constru dos t m um potencial de economia de energia el trica ainda n o explorado Trabalhos como o de Glicksman e Taub GLI 96 explorando as potencialidades de sistemas de condiciona
220. s OCH 01 o que implica que no estudo das propriedades t rmicas do solo tamb m se deve levar em conta a fra o de ar presente na amostra al m de avaliar em que propor o ela influi nas propriedades termof sicas figura 2 4 E obvio que apesar da correla o ser muito forte de ordens de grandeza menor que a influ ncia da parte s lida e l quida Cap tulo 2 53 fat io Figura 2 3a Efeito Err do tratamento de 307 solo loam para po cultivo sobre a condutividade os t rmica do solo em fun o da o 0 4 E umidade a uma D E03 profundidade de E 20 cm 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 Moisture Content m m no tillage measured e chisel tillage measured omen E no tillage modeled gt chisel modeled rotary modeled 0 9 l Figura 2 3b Efeito Z 0 8 do tratamento de E solo clay loam 0 para cultivo sobre a condutividade Fos t rmica do solo E 05 em fun o da 5 umidade a uma 0 4 profundidade de E 20 cm E 03 PJ 0 08 0 1 0 12 0 14 0 16 Moisture Content m m E no lilage measured e chisel tillage mewsured rotary tillage measured E mo tilage modeled S chisel modeled Fotary modeled Capitulo 2 54 3 j J T i H im mMm j Dim im a imo mM J a a sad boi iw ea Rel Th x Galt hopr a Lo Sait clap bam x 7 Pi nl lt 4 is a if ke ga 4 z Ea ot
221. s ou 1 p da extremidade do tubo Isto mostra que a teoria aplicada ao tubo infinito pode ser aplicada com boa aproxima o para tubos longos Pode se notar tamb m a dist ncia entre os valores do tubo ap s 168 horas quando comparado com o estado estacion rio sugerindo que o tempo necess rio para se chegar a este estado muito grande Compara o entre os Trocadores Para efeito comparativo entre os diferentes tipos de trocadores de calor estudados mostrado na figura C 11 o comportamento de cada um deles quanto a taxa de transfer ncia de calor por rea w de trocador Para isto est o plotados juntos os trocadores planar cavidade esf rica e tubos de 1 e 4 compara o de taxas de transf ncia de calor retirado por unidade de rea dos trocadores dos diferentes tipos abordados Planar Cavidade e Tubo tipo de solo A 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000 4 000 3 000 Taxa de transfer ncia w Btu h sqft 2 000 tubo de 4 1 000 cavidade esf rica 10 p s oe superficie plana o 0 20 60 80 100 120 140 160 180 200 tempo dias Figura C 11 Compara o de taxa de transfer ncia de calor por unidade de rea w para tr s tipos de trocadores planar cavidade esf rica e tubos longos e isolados de 1 e 4 a temperatura constante na superf cie Diferen a de temperatura AT 1 F Ap ndice C 267 A superioridade dos tubos trocadores de calo
222. s de Padlocks umidade Caixa de pedras frio Controle consumo d gua Sistema de Ilumina o Sensores de aici Sistema de p Ventila o Fig A 17 Sistema de controle dos equipamentos e sistemas de ventila o ar condicionado presen a consumo d gua e sensores de temperatura umidade radia o e integradores de energia instalados em sala climatizada Ap ndice A 165 GRUPO 4 SISTEMA DE COMBATE A INC NDIO 4 1 Uso do lago artificial como parte do sistema de combate a inc ndio do conjunto arquitet nico Conex o do lago ao sistema de detec o de inc ndio e o A Cu 060000 o o gt Caua cc E gt lt lt oo Es MD cc ME 7 Detetores salas dos alunos Comm Go Co se co Eos Cs Detetores centro de informa es energ ticas Fig A 17 Sistema de detetores de inc ndio Ap ndice A 166 GRUPO 5 ENSINO E DIVULGA O 5 1 Cria o do Centro de Estudos de Energia Aplicada ao Setor de Constru o e meio ambiente batizado de EMA XXI GRUPO 6 CONSTRU ES COMPLEMENTARES 6 1 Constru o de oficina de suporte ao projeto e montagem da sala de controle e seguran a predial GRUPO 7 SISTEMAS DE AQUISI O DE DADOS Levantamento detalhado do sistema de aquisi o de dados a ser instalado para monitoramento de todas as vari veis necess rias ao nosso estudo executado pelo colaborador Gianfranco M Polga 7 1 INTRODU O Com o uso Inten
223. s dos transdutores 3 Caracter stica dos transmissores 4 O sistema de aquisi o 5 O software 7 8 MEDIDAS A SEREM EFETUADAS A Intensidade luminosa Oito pontos distribu dos na parte frontal lateral e zenital do pr dio dos professores do PIPGE e um medidor de leitura m vel B Radi metros Dois pontos um ponto na face sul e o outro na face norte da casa C Umidade Um ponto na interface entra o solo e o ar na parte de baixo da casa Dois pontos um interno e outro externo D Fluxo do ar Dois pontos no duto de ilumina o zenital Um ponto no lado externo da casa E Termometria Quatro sensores de radia o Quatro sensores tipo bulbo seco Quatro sensores tipo bulbo mido Ap ndice A 172 trocador Cinco sensores para medida do perfil vertical das salas Quatro sensores para medidas externas Dois sensores para medidas internas da face norte e sul Sensores no sistema de troca de calor na mesa de trabalho vide projeto do Dois sensores para a temperatura do ar Dois sensores para a temperatura da gua Um sensor colocado no solo a 3 cent metros de profundidade Um sensor colocado no solo a 0 5 metro de profundidade no solo Um sensor colocado no solo a 1 5 metro de profundidade no solo Um sensor colocado no solo a 2 0 metro de profundidade no solo Dois sensores no tubo de gua um na entrada do solo e outro na sa da do solo Dois sensores no piso um na parte Inferior e outro na parte supe
224. s no subsolo do IEE USP a 2 metros de profundidade 4 3 C lculo de difusividade do solo pelo m todo de onda de calor 4 3 1 Por Atenua o da Onda A partir das fun es que descrevem o comportamento de Tar e Tso dadas pelas equa es T T sin wt 1 1 Ta Te Pe sin wt k D 1 2 a e dos valores extremos de temperatura retirados das duas curvas apresentadas na figura 4 5 calculou se as amplitudes de onda Do periodo de amostragem fornecido pelo IAG de 1997 a 2000 apenas o per odo 1997 foi utilizado para manter a correspond ncia entre as duas curvas To 3 9 C Tr 2 49 C x 2 metros capitulo 4 92 Obtendo se para difusividade a 0 001 m h 4 A 4 3 2 Por Deslocamento de Fase Usando os valores de minimo de temperatura ambiente e de temperatura do solo a 2 metros de profundidade figura 4 6 obt m se um atraso de At 9 dias 0 4997 x 2a 4 1 onde w 27 P P 8766 horas E um valor de difusividade a 0 001 m h 4 B compara o entre Temperaturas do ambiente IAG Agua Funda e Temperatura do solo a 2 metros de profundidade no solo medidas feitas no IEE Temperatura graus C 22 08 97 18 99 graus C 23 05 97 4 149 graus C 01 12 96 11 03 97 19 06 97 27 09 97 05 01 98 15 04 98 24 07 98 Figura 4 6 Temperaturas minimas do ambiente IAG USP Agua Funda em 23 05 97 e do subsolo a 2 metros de profundidade IEE USP e
225. s obriga a lan ar m o das fun es trigonom tricas como forma de reproduzir as equa es de condu o de calor e ao mesmo tempo atender as condi es de contorno Fourier desenvolveu um conjunto de equa es em s ries de senos e cosenos conhecidas como s ries de Fourier Estas s ries podem ser expressas em forma de integrais de s ries de cosenos representando a fun o f x na forma 1 00 oO f x fd cosy A x dy C 11 de se a ou como cos fun o par Ap ndice C 230 je f Ajda cosy A x dy C 12 A 00 0 que deve ser igual a C 10 o que implica que B x ro cos yAdA C 13 da 00 e C FA sinyada C 14 da 00 substituindo C 13 e C 14 em C 10 T E f e dy r cos y 4 x dA C 15 m 0 que a solu o procurada pois satisfaz C 1 e reduz se a f x quando t O Esta solu o pode ser simplificada e colocada em modo mais conveniente ING 54 T m x n r T fe ap C 16 Vx l x n Esta integral chamada de Integral de Probabilidade ou Fun o Erro quando seus limites s o de x a x l e m valores particulares de e onde fizemos Ap ndice C 231 1 1 Wat C 17 a chamado de coeficiente de difusividade que a raz o da condutividade k dividido pelo produto do calor espec fico c com a densidade p a 2 cp B 4 x C 18 Esta solu o pode ser aplicada nos casos em que f x To para x gt 0 e f x
226. s os recursos necess rios Em geral deve se atacar v rias frentes como o caso da ilumina o associada ao controle de temperatura umidade ventila o e radia o solar Mesmo quando tratamos apenas de um par metro solu es combinadas podem produzir resultados mais eficientes que solu es individuais Por isto a proposta de v rios sistemas alguns complementares e outros concorrentes como forma de minimizar o consumo de energia 1 2 PROPOSTAS A proposta de trabalho foi divida em 6 grandes grupos com inten o de cobrir todas as reas de interesse no Ap ndice A PROPOSTAS DE SISTEMAS PARA CONDICIONAMENTO DE AMBIENTE E SISTEMAS COMPLEMENTARES h um detalhamento destes t picos GRUPO 1 REDU O DA ENERGIA INCIDENTE SOBRE AS CONSTRU ES Introdu o 24 1 1 Redutores de radia o solar incidente orienta o do edif cio protetores solares de face norte e corredor de face sul 1 2 Estudo da reflet ncia solar e emissividade de infravermelho na face interna do telhado dos pr dios como forma de redu o da carga t rmica nos Interiores 1 3 Uso de barreira radiante sobre o forro 1 4 Filtro de radia o luminosa com corte do infra vermelho de parte do vis vel 1 5 Sistema de ventila o de ar independentes no interior das salas e no forro 1 6 Dimeriza o da ilumina o natural e artificial GRUPO 2 CONDICIONAMENTO DO AMBIENTE INTERNO 2 1 Sistema de troca t rmica com o solo denomina
227. s setores da sociedade podem se beneficiar desta tecnologia No setor agr cola varios sistemas ja se encontram em uso como em GEO 98a4 onde foi Instalado em Ont rio Canad um GSHP em estufas de sementes que fornece 36 tons de aquecimento para uma rea de 750 m economizando de 30 a 50 de energia Ap ndice B 226 quando comparada a uma mesma estufa aquecida com g s natural Tamb m em Ont rio existe um sistema de condicionamento por GSHP aplicado cultura de cogumelos onde o calor proveniente da decomposi o de produtos org nicos utilizados para produ o dos cogumelos Em Hammonton Nova Jersey USA a Fazenda Buffalo instalou em 1993 um sistema de refrigera o para seus 900 000 quilos de plantas blueberries a aproximadamente 2 C cortando 35 dos custos com refrigera o Na fazenda Fred bass em Franklinton Lousiana um sistema GSHP instalado desde 1990 tem mantido a temperatura do criadouro de pintinhos diminuindo as mortes prematuras principalmente por frio e desta forma aumentando a produ o e rentabilidade da fazenda Outras Iniciativas bem sucedidas podem ser observadas em GEO 98a5 B 12 7 UTILIZA O N O USUAL DE GSHP Navio de passageiro GEO 98a6 Um sistema aberto com gua do mar composto de 5 bombas de calor perfazendo um total de 23 tons de refrigera o est instalado no navio de cruzeiro de 65 metros de comprimento o Spirit of Columbia da empresa Seattle s Pac
228. sica mais comumente medida a condutividade t rmica k que juntamente com as demais vari veis necess rias ou seja o comprimento do tubo a temperatura do solo n o perturbado a temperatura do solo a uma dist ncia r depois do sistema ser posto em opera o e a integral I X podem ser substitu dos na equa o 2 6 para o dimensionamento do trocador de calor disposto no solo As medidas de temperatura do solo em qualquer profundidade desejada ficaram mais f ceis de serem obtidas com o desenvolvimento de sensores de estado s lido baratos e de alta qualidade que podem ser enterrados e descartados ap s o uso Estas medidas podem fornecer como subproduto o valor da difusividade t rmica naquela regi o e com uma pequena substitui o na equa o 2 6 tamb m pode ser utilizada para o dimensionamento do sistema de troca t rmica A tabela 2 3 apresenta as vari veis termof sicas referentes a alguns componentes mais comuns encontrados no solo As tabelas 2 4a e 2 4b apresentam valores t picos de propriedades termofisicas para alguns tipos de solo al m de rocha e concreto Cap tulo 2 49 Material Quartz Oranite Limestone Sandstone Mica Organic Materials Wet Dry Water Air lee Thermal Resistivity qo ie F Btu W m C 0 11 0 25 0 28 0 45 0 58 i470 4 00 7 00 1 65 40 0 0 448 Thermal Conductivity Bturh Tabela 2 3 propriedades termofisicas de alguns materiais en
229. sitivos e seu acoplamento com o solo s o feitos no ap ndice B Bombas de Calor Acopladas ao Solo Uma revis o O projeto de sistemas de tubos trocadores de calor enterrados no solo para fazerem a troca de energia t rmica entre o pr dio e o solo envolve fatores que dependem da constru o processos construtivos materiais utilizados disposi o destes materiais etc do clima local insola o regime de ventos umidade etc e das caracter sticas do solo uniformidade umidade cobertura vegetal difusividade condutividade Al m disto o projeto de um sistema de troca t rmica acoplado ao solo tem um compromisso entre performance e custo Um grande sistema vertical pode resultar em uma resist ncia t rmica relativamente baixa resultando em uma temperatura de retorno da gua a gua que volta para o Interior da constru o depois de fazer todo o percurso pelo subsolo que permita uma boa performance do equipamento Mas esta boa performance pode implicar em custos elevados de implanta o que acabam por inviabilizar o projeto Sistemas pequenos rasos e densos v rios tubos pr ximos podem oferecer baixos custos Iniciais mas devido baixa performance podem ter um consumo de energia el trica t o alto que os torna invi veis quando comparados com sistemas de condicionamento tradicionais Via de regra quanto maior o conhecimento das propriedades termofisicas do solo condutividade difusividade e calor espec fico al m de
230. sivo de computadores pessoais para pesquisa de laborat rio controle industrial testes e medi es indispens vel que o sistema de aquisi o seja compat vel com estes computadores O sistema de aquisi o basicamente constitu do pelos seguintes elementos Transdutor e Transmissores de Sinais e Placa de Aquisi o e Controle e Software Computador Pessoal Ap ndice A 167 7 2 TRANSDUTORES O transdutor transforma um fen meno f sico em um sinal el trico que possa ser lido pelo sistema de aquisi o Exemplo Termopar Strain Gauges Foto Diodo e outros Ap ndice A la ath e ral Region Ice Bath T IPC Me copper Metal 1 ES Metal 2 Fig A 19 Esquema de montagem de um transdutor 168 7 3 TRANSMISSORES DE SINAIS O sinal el trico fornecido pelo transdutor deve ser lapidado para que o sistema de aquisi o possa entende lo O transmissor de sinal pode amplificar isolar e filtrar o sinal melhorando a precis o da medida Em contrapartida o transdutor necessita do fornecimento de um sinal em tens o ou corrente que sofrer altera o de acordo com o prop sito da medida a ser efetuada Este sinal fornecido pelo transmissor Amplifica o Tem a fun o de amplificar sinais de baixo n vel para incrementar a resolu o e reduzir o ru do O sinal amplificado nunca pode ultrapassar o n vel m ximo de tens o que a placa de aquisi o aceita Isola o Tem a fun o de proteger a
231. sne4b esngesodus 89 tempo cada unidade corresponde a um intervalo de 15 minutos cap tulo 4 Figura 4 2b Perfil T x t em 3 profundidades do solo e o comportamento do ar externo 35 lll Es ive a rR MW oOlO U oO DW NOOO NOOO N OW DwWO NOO WHO N OMNn DOAN DOAN DAN DUNO NO LOANO O NO O m O Or CO O wt Au goDogo yt O O O N NOOQOOOTm re nT wonwnvwreuonowunonjogr kK O D oo r r r r r r e r e r r r re rm N tempo cada unidade corresponde a um intervalo de 15 minutos O que interessa instala o de um sistema GSHP a avalia o das propriedades termofisicas do solo na profundidade em que este equipamento ser instalado Como a profundidade padr o para sistemas GSHP horizontais da ordem de 2 metros o tratamento dos dados de temperatura do solo se restringe a esta profundidade A figura 4 3 apresenta a curva de temperatura do solo do IEE a 2 metros de profundidade no per odo de cerca de um ano Figura 4 3 Medidas experimentais da evolu o da temperatura do solo do IEE a 2 metros de profundidade Temperatura graus C KR KR N o co o o o o co co co co oD oO oD Oo Oo oO oO Oo oD oD oD Oo oO oD oO oO oO oO oO oO oD oD oD oD m Pia ee ig ba bees en bee ber a o ig ae ag me ers betas hig hen bia a a o a TN N m Tt LO co N O E N N 42 Tt LO o N O E N Oo Oo Oo oO E3 oe
232. sor de RS485 para RS232 para liga lo ao computador O RS485 tem a vantagem de ser uma interface de comunica o de multiponto e garantir uma transmiss o de dados a longa dist ncia em torno de 1 2 Km 4 000 ft Os dados somente ser o coletados e armazenados pelo computador conectado ao sistema SCXI Para o usu rio pesquisador ter acesso aos dados ser necess rio a utiliza o de uma senha Com o acesso liberado o pesquisador pode transferir os dados desejados ao seu computador e efetuar suas pr prias analises O computador do pesquisador dever ser ligado ao computador do sistema de aquisi o atrav s de uma rede denominada rede local O protocolo de comunica o da rede local ainda n o foi definido podendo utilizar uma rede j existente no PIPGE Entretanto aconselh vel a montagem de uma nova rede Os computadores dos pesquisadores por sua vez devem estar conectados na rede interna do PIPGE e atrav s do servidor o PIPGE se conecta internet INTERNET SERVIDOR REDE INTERNA USUARIO Oley Poe T LOCAL als TEMA DE E a Sire irene ii SEGURAN A da o peffe f ei Figura A 31 Rede de aquisi o de dados proposta Ap ndice A 182 7 12 O software O software representa uma peca fundamental no desenvolvimento de sistema de automa o Para gerenciar o nosso sistema de aquisi o foi escolhido o Labview software fornecido pel National Instruments Muitos engenheiros cientistas e t cn
233. ssifica o mais conhecida foi desenvolvida por Arthur Casagrande para resolver problemas de pavimenta o de aeroportos durante a II Cap tulo 2 46 Guerra Mundial tendo sofrido aprimoramentos ao longo dos anos Neste sistema de classifica o todos os solos s o identificados pelo conjunto de 2 letras a primeira indicando o tipo de solo e a segunda fornecendo informa o complementar a respeito do mesmo As 5 letras a seguir indicam os tipos de solos G gravel gravel S areia sand C argila clay M silte mo p em sueco O solo org nico organic As informa es complementares s o dadas pelas 4 letras a seguir W bem gradado well graded P pobremente gradado poorly graded H alta compressibilidade high compressibility L baixa compressibilidade O solo do IEE USP classificado como Argila org nica quatern ria comum nas v rzeas dos rios Pinheiros e Tiet As caracter sticas t rmicas de alguns materiais encontrados no solo s o mostradas na tabela 2 3 A tabela 2 4 apresenta valores t picos de propriedades t rmicas para alguns tipos de solo Certamente as propriedades termofisicas do solo podem ser avaliadas a partir das caracter sticas gerais de acordo com as classifica es apresentadas mas como esta avalia o muito grosseira e o solo geralmente apresenta grande varia o em sua composi o ela insuficiente para a utiliza o no dimensionamento dos sistemas de troca t rmic
234. stalado sob a copa da rvore apresentasse alto grau de flutua o o que tornou indecifr vel o car ter peri dico das medidas obtidas Por isto na avalia o da difusividade do solo pela compara o das ondas t rmicas do ambiente externo e do subsolo as medidas de temperatura ambiente foram substitu das pela serie hist rica de temperatura da cidade de S o Paulo cedida pelo IAG USP Em primeira an lise a compara o de temperatura do solo colhida no Butant com a temperatura externa colhida na gua Funda onde est localizada a Esta o Meteorol gica pode parecer inadequada mas como o que nos Interessa a forma do comportamento t rmico as eventuais diferen as instant neas de temperatura dos dois s tios distintos se dilui no processo metodol gico de compara o entre eles As temperaturas resultantes dos term metros instalados dentro da sala foram utilizadas para outras finalidades como por exemplo avaliar a in rcia e cargas t rmicas dentro do pr dio O acompanhamento de dois dias de medidas dos oito sensores instalados no IEE pode ser observado na figura 3 13 29 sob O piso T casa 1 4m duto ilum sala 7 externa solo 2m 25 e solo 1m solo 3 cm duto ilum Sala 8 27 23 21 A Temperatura graus C 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 unidades proporcionais ao tempo cada unidade 15 minutos Figura 3 13 Perfil de T x tempo uma m
235. sua interpreta o s o apresentados no pr ximo cap tulo Cap tulo 3 75 Casa de Madeira salas de p s graduandos X e nasic o e posi o 5 o nosic o 2 nosic o3 O nosicao 4 coordenadas das posicoes de medida x metros y metros 3 15 4 40 5 20 7 30 10 70 9 20 12 00 11 80 12 60 Tabela 3 2 Dados de calibra o fornecidos pelo fabricante do term metro ECI 88 Cap tulo 3 4 20 tabela de calibra o do Term metro de resist ncia de platina ECIL S A Pr dio laborat rios Figura 3 19 Distribui o espacial dos furos de medida da condutividade e difusividade t rmica do solo do IEE USP folheto Cap 2 pag3 Sensores p Medi o de temperatura Temperatura valor da fun o obtida graus C resist ncia 2 5834 R 258 44 Ohms 100 0 1 101 953 4 94538 103 904 9 985594 105 851 15 01547 107 795 20 0376 109 737 25 05457 111 675 30 0612 113 611 35 06266 115 543 40 05379 117 472 45 03717 119 399 50 01538 121 322 54 98326 123 243 59 94597 125 16 64 89834 76 calibra o do term metro de resist ncia de platina ECIL y 2 5834x 258 44 R 1 temperatura graus C Figura 3 20 Curva de calibra o do term metro ECIL e s
236. suas Integrais temos 7 f A x 2n T PE RA Eee eee C 22 em que a f substitu da por e os limites da integral reduzidos a e A AX coha uma vez que f 1 zero fora destes limites o que da S A A PE Tee jena C23 AINT 4 Fazendo o valor m dio da integral em e 1 entre os limite acima ser e 7 onde A lt lt AX temos T Nro C 24 IT Ap ndice C 233 quando AA 0 temos no limite p SN um C 25 Va onde a fonte de calor est num plano distante da origem Se deslocarmos este plano para a origem C 25 torna se pa SN e C 26 Que a temperatura de qualquer ponto em qualquer tempo se tivermos um fluxo linear de energia da fonte instant nea de for a S na origem e temperatura de todo o resto igual a zero no tempo zero Se temos uma fonte permanente de calor de for a constante S localizada em um plano distante da origem que come a a liberar energia t rmica em um corpo inicialmente a zero graus no tempo t 0 temos ent o em qualquer tempo posterior t a soma de cada efeito S S dt que agiu previamente no tempo t 7 onde 7 a vari vel de tempo com limites O e 1 De 25 temos ent o com o uso de C 17 4 E BOO fi iy dt C 27 ora T onde o a difusividade t rmica do meio Se a fonte permanente est na origem a express o C 27 fica Ap ndice C 234 ge Waar di C 28 ra Re
237. tado estacion rio Nos dois outros casos medida que t vai para infinito T aumenta indefinidamente Em pontos muito pr ximos fonte Ap ndice C 250 plana a temperatura aproximadamente proporcional raiz quadrada do tempo enquanto para a fonte linear a depend ncia mais lenta Se existirem v rias fontes de calor em um meio infinito a temperatura em um determinado ponto ser a soma dos efeitos de cada fonte separadamente As mesmas transforma es feitas nas equa es C 73 e C 74 quando se passou de uma fonte constante de for a constante S para uma vari vel de for a f t s o v lidas aqui tamb m No caso de uma for a instant nea o tempo t no qual a m xima temperatura atingida no ponto r determinada pelo m todo similar ao utilizado na equa o C 84 2 r t C 96 E 2na com a correspondente temperatura m xima E C 97 Fonte de Calor para Bombas de Calor As bombas de calor servem para o duplo prop sito de refrigerar ou aquecer massas gua ar ou qualquer outra subst ncia muito utilizada para fazer o aquecimento de ambientes constru dos no inverno e refriger los no ver o Trabalhando no ciclo termodin mico reverso como um refrigerador comum aplicando se energia para que o equipamento funcione ela absorve calor a partir de um corpo ou regi o quente e entrega o no recinto que pretende se aquecer opera o realizada no inverno Esta energia transportada d
238. tera o t rmica depender do projeto mas certamente ser bem menor que o valor de temperatura registrado na gua de retorno Entretanto recomend vel o monitoramento de vari veis que s o afetadas pela implanta o destes sistemas por exemplo pH condut ncia espec fica part culas dissolvidas e temperatura No Richard Stockton College Pomona New Jersey USA YOR 00 foi realizado um estudo de acompanhamento das mudan as no interior do solo e sua Influ ncia sobre os microorganismos a ela adaptados H indica o de mudan as no n mero e tipo de bact rias A pesquisadora acredita que este comportamento seja apenas de efeito local e que n o deva persistir fora do campo de instala o do equipamento de GSHP vertical Os sistemas horizontais devem ser instalados distantes de esgotos e fossas evitando eventuais problemas de contamina o do sistema e poss vel altera o de atividade biol gica devido modifica o do comportamento da temperatura pr ximo ao esgoto Quanto aos sistemas verticais recomend vel o isolamento do furo ou do po o com materiais de baixa permeabilidade para evitar a contamina o da gua do subsolo pela gua da superf cie mistura de aqu feros pelo fluxo dentro do furo e altera o das caracter sticas hidr ulicas do aquifero Isto poss vel pela adi o de uma barreira imperme vel envolvendo os tubos do sistema no subsolo B 8 EFICI NCIA DO SISTEMA A compara o de efi
239. thod foi ent o comparado com o obtido pelo M todo de Onda de Calor Cap tulo 2 60 CAP TULO 3 Sistema Aquisi o e Equipamentos Experimentais para Coleta de Dados O levantamento experimental do comportamento t rmico do solo exigiu a montagem de um sistema de aquisi o de dados de temperatura coleta de informa es por aproximadamente um ano uso dos dados de temperatura ambiente fornecidos por uma esta o meteorol gica al m de medidas complementares realizadas em laborat rio de geof sica As medidas de temperatura do solo foram obtidas atrav s de um sistema de aquisi o de dados montado e calibrado no IEE USP Os dados de temperatura ambiente foram cedidos pelo Departamento de Meteorologia do IAG USP Foram realizadas em laborat rios de Geofisica do Departamento de Geofisica do IAG USP as medidas de condutividade t rmica calor espec fico e densidade da amostra de solo colhidas no IEE USP 3 1 Sistema de Aquisi o de Dados de Temperatura e Loca o dos Term metros O sistema de aquisi o de dados de temperatura foi montado a partir de uma placa de aquisi o de oito canais tr s dos quais destinados a acompanhamento das temperaturas no solo uma posi o e tr s profundidades diferentes um canal para acompanhar o ar externo e mais quatro pontos destinados a medidas de temperatura do ar dentro das salas do pr dio ocupado pelos alunos do PIPGE Os oito medidores de temperatura foram constru dos a p
240. tial 7 mimtes final 108 004 15 444 15 446 Negative Hone These are direct savings Total savings are approximately 25 greater since HVAC imberactorw are included fig A 14 resumo dos tr s estudos de caso Grupo de controle Id ntico ao grupo standard mas com os sensores de presen a desligados do comando do sistema de ilumina o Se o usu rio esquece a ilumina o ligada ela ficar ligada Embora estes sensores n o controlem a ilumina o s o Importantes para o monitoramento de presen a das salas Como a configura o standard as salas do grupo de controle t m chaveamento dual Ilumina o autom tica de n vel duplo Os escrit rios usam um foto sensor no DT100L para chavear o bulbo central de cada lumin ria em resposta ao n vel de ilumina o natural da sala Um interruptor simples de parede permite ao usu rio controlar as l mpadas externas da lumin ria A l mpada central controlada exclusivamente pela Ap ndice A 161 fotoc lula acionando sempre que a luminosidade estiver baixa e a sala ocupada Todo o sistema fica ligado at a sala estar vazia e o tempo de espera se esgotar Ilumina o Cont nua Utiliza uma fotoc lula montada no teto e reator eletr nico dimeriz vel para ajuste cont nuo do n vel de ilumina o artificial em resposta ao n vel de Ilumina o natural da sala O reator permite dimeriza o da luz das l mpadas fluorescentes de 20 a 100 Um int
241. tinentes Aos Prof Chiquinho e Fernando do IAG pela inestimavel ajuda nas medidas geof sicas Ao Prof Kazuo Ueta e Prof Nemitala do DFN IF por terem ajudado a debulhar a f sica matem tica de um dos anexos Ao Cl udio e todos os amigos do laborat rio did tico do IF pelos equipamentos emprestados Ao pessoal das oficinas do DFN e Van Der Graaf e aos t cnicos do Pelletron pelo suporte Ao Serginho sempre disposto a ajudar com suas pondera es a superar as crises Novamente ao Serginho e Silvia que mesmo abarrotados de trabalho ajudaram na revis o Ao Julinho McDonald pela presteza A Rosana pela for a constante Ao Alexandre pelos bandej es filos ficos A Cristina Federico Ivo Fernando e todos aqueles que sofreram e sorriram juntos Enfim a todos pela amizade me suportando durante esta longa jornada e tamb m aqueles que n o suportaram e j n o agiientavam mais ouvir falar em trabalho de doutorado meus sinceros agradecimentos banca examinadora em especial Profa Dra Maria Akutsu e Prof Dr Adnei Melges de Andrade pelas pertinentes sugest es dadas reda o final deste trabalho Este trabalho foi impresso em papel reciclado O MELHOR DE CALVIN Bill Watterson APERCEBE DE QUE NADA E COMO EU SOU UMA PESSOA SIMPLES E CLARO COMO BE A O N O VOU NEM PENSAVA EM ULTIMA CORRER O CONHECIMENTO TOLHE E PARALISA RESUMO O conhecimento das propriedades termof sicas d
242. troca t rmica imerso no solo a partir do valor de difusividade t rmica obtido experimentalmente Com os valores das propriedades termof sicas obtidos experimentalmente e algumas suposi o de valores t picos para par metros dos sistemas GSHP horizontais poss vel uma avalia o das dimens es adequadas do equipamento localizado no solo e dos efeitos t rmicos que causa no meio Tomando o valor obtido de difusividade t rmica experimental e os valores arbitrariamente escolhidos de pot ncia total depositada no solo 1000 Watts comprimento do tubo de polietileno 100 metros Diabo 0 0189 m D profundidade 2 m T 1 m s 720 horas Cap tulo 5 112 Tem se pela a equa o 2 9b E 2 7 100 0 001 1726 1637 0 001 720 0 001 720 T a sea z eo a T T 13K 5 A ou alternativamente fixando T T 6K O tubo de Day 0 0189 m enterrado a 2 metros de profundidade dever ter um comprimento de L 203 metros 5 B Estes resultados s o valores padr o de sistemas GSHP encontrados na literatura 5 4 Constru o de fun es de correla o entre q e A utiliza o direta da difusividade t rmica na equa o 3 1b requer o conhecimento do comportamento da capacidade t rmica em fun o da difusividade A parametriza o da capacidade t rmica do solo com pequena propor o de mat ria org nica em fun o da fra o volum trica do solo fra o volum trica de gua e fra o volum trica de ar qu
243. u do pode se unir os tr s num nico sistema de forma que se possa fazer uma simula o de condicionamento do ambiente constru do e o respectivo comportamento do solo Naturalmente a temperatura do subsolo afeta diretamente a taxa de transfer ncia de calor A temperatura do subsolo varia com a profundidade clima ao longo do ano altitude de sua superf cie latitude propriedades do solo n vel de chuva condi es da superficie do solo inclusive vegeta o entre outros fatores V rias medidas de temperatura do solo est o dispon veis na literatura inclusive com isotermas constru das como na figura 1 4 onde mostrado um levantamento das temperaturas m dias anuais do subsolo e das amplitudes das varia es realizado nos EUA A maioria dos pontos coletada para a constru o destas 1sotermas foi obtida a partir da temperatura de sa da da gua em po os artesianos ou resultado de medidas a profundidades menores que 30 cm e por isto n o adequadas ao uso em sistemas de troca de calor conectados ao solo Medidas de temperatura no subsolo em um local espec fico s podem ser obtidas atrav s de medidas diretas embora v rios pesquisadores no mundo estejam trabalhando no desenvolvimento de modelos que possam avaliar a temperatura do subsolo em fun o do local do dia do ano e da profundidade e No Jap o um extenso programa de medida da temperatura do subsolo tem sido implementado pelo Minist rio da Educa o Ci ncia e Cultura em
244. u ncia das vari veis fundamentais sobre as grandezas C e a 5 4a Em 0 fra o de gua Cap tulo 5 114 A influ ncia de uma varia o da fra o volum trica de gua 0 sobre a fun o difusividade t rmica equa o 5 34 combinada com o comportamento da condutividade t rmica em fun o varia o da fra o volum trica da gua fornece C 1 4 2 10 10 5 4 e o produto C a Ca 1 4 a 10 10 5 5 Voltando a equa o de dimensionamento do sistema de troca t rmica com o solo equa o 2 9b T T g X a 2 9b DAkL 2 7 a C L associada com as equa es 2 12 e 5 4 obt m se a fun o de T x a relacionada apenas ao par metro fundamental 0 2 4 Oia EAE E xXx 2 8 ue T T 0 o Dalh4a do hoa of w t nf rapt r eo 2D Sat 2802 T T 5 6a 1 To 21 1 40 10 10 0 ae ou of m22 an A P 8a t 128 070 Par 5 6b TT 27 1 4 0 10 10 0 one Capitulo 5 115 cujo comportamento mostrado na figura 2 6 A aproxima o de comportamento linear nos pontos t o dispersos como observado na figura 2 4 a x 0 provoca uma grande incerteza na defini o do valor de condutividade na equa o 5 5 Assim a avalia o na varia o do valor de T T com a varia o do valor de difusividade t rmica do solo fica comprometida com a im precis o na determina o de a O valor da condutividade t rmica obtida experimentalmente Kexper
245. uma vez que o coeficiente de difusividade dado K por amp cp Ou seja com o aumento da umidade deve se observar tamb m um aumento ou diminui o do calor espec fico e aumento ou diminui o da condutividade de modo que os efeitos aproximadamente se anulam Apesar da complexidade dos efeitos envolvidos nesta quest o poss vel fazer se uma avalia o grosseira da influencia da umidade nos sistemas de trocas t rmicas por tubo A express o para o gradiente de temperatura pr ximo de uma fonte linear dada pela equa o C 91 EVA rim ap Cl A O E aaa C 91 Or O rn Or 20k rn 27K Se o gradiente plotado como fun o de r e integrado o resultado uma express o que reduz se equa o da integral de fonte linear line source integral TE dna B dp 1 rn S107 C 90 27a QTK ou seja a rea sob a curva d a diferen a de temperatura Se considerarmos que apenas a condutividade alterada pela mudan a da umidade e a difusividade mantida constante o novo gradiente pode ser plotado pelo aumento ou redu o do gradiente original na mesma raz o entre a velha e a nova condutividade Efeito do movimento de gua do subsolo Como demonstrado por ING 54 pp 269 o movimento de gua no subsolo d um efeito de aumento de troca t rmica da ordem de 20 quando a velocidade da gua da ordem de 3 mm por hora e para velocidades menores este efeito desprez vel
246. undidade esta oscila o esperada mas a metro de profundidade a varia o de curto per odo ja foi eliminada pela in rcia do solo Assim elas devem ser oriundas de ru dos no sistema de aquisi o cap tulo 4 87 N co N co 8 Es Es BE q Es lts E E E CF O a o TOON KH OY YN ah 2220208 afk amp S2008 283 228 2585562888 SLEE E EF B06 E LIZE L959 lt a coil VOLE pcrg a 2666 Lyeg 0682 pa 0v29 a lt q 822 egg LE o e 69c 6L6S Ee ja o O rat gi D e e cove E ae ara e E er SAP GGE EL a AO 5025 TS E A gt Sraz 3 a SS y lt i 8655 gt T 4 Ec lvlz E E za toys ee a veoz S z S veeg AFF D S E A eee ee Iqa Zc6 L a g PERAS e Oc8L 5 ES OZLS E a r E Ele m eLZl ds 5 E 90S lt lt ER c On K SS SS lt a 909L 3 o 4 9G6r e O c6el 8 n AAA s8cl 3 Geo lt a ss Pee Ko q F E S ae E 8ZSb IZOL is e Levy ee po 8 e pe bLep er oe 2 158 Q 202 DE cs osz O 001 E v j ev9 O c66 SSS age im 988 nas se E C m te ZZE Bp 2 9 gt se e qu _ fils Gite E Goce AA Lo ss a 801 cre m EE See o D q a 2 z e o a a a ado Ei 9 sneab eangessduo 9 sneib eungesoduio 88 tempo cada unidade corresponde a um
247. ur cia e reprodutibilidade de avalia o da difusividade t rmica pelo m todo de Ondas de Temperatura al m de confirmar a suposi o de que a compara o entre os dados de temperatura de solo e ar ambiente nestes dois s tios n o provocou altera o no resultado O m todo de determina o por transiente da Condutividade e ou Difusividade mais difundido o de fonte de calor cil ndrica Em particular o m todo de agulha de prova considera que o fluxo de calor proveniente do eixo em que se encontra a agulha se espalha no plano ortogonal de forma radial aproximando a fonte de calor como linear e infinitamente longa em um meio infinito em compara o com o tempo de medi o descrito por Herzen e Maxwell HER 59 Para agulhas t picas r 0 5 a 1 5mm o tempo de medida relativamente curto 2 a 3 minutos desde que a granula o da amostra seja pequena o suficiente para n o prejudicar o contato t rmico agulha amostra A sonda composta por uma nica agulha hipod rmica que envolve um enrolamento simples de fio aquecedor e um sensor de temperatura tipo termistor posicionado no Cap tulo 3 12 centro da agulha figura 3 16 A eletr nica associada sonda mostrada nas figuras 3 17 e 3 18 se o expandida fio aquecedor agulha Re TECCECELCECECECELCEE CET PE TEREREIIIIIS SELIC EEEEEEEEEEREE ISIS EEE EE hipod rmica plug de liga o el trica a o inox Figura 3 16 Arranjo da agulha de pr
248. urva senoidal por chi quadrado feito pelo programa ORIGIN para a temperatura ambiente IAG USP cap tulo 4 94 Data Data1_C Dados Model senom arcio experimentais Chit2 DoF 0 04651 R 2 0 94073 0 01547 1 10669 1 84214 20 81037 Temperatura C 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 Tempo dias Figura 4 8 ajuste de curva senoidal por chi quadrado feito pelo programa ORIGIN para a temperatura do solo a2m IEE USP O L 5 Am Q Tomando se os valores minimos das sen ides ajustadas Tempo para T dial66 minima Tempo para T dia235 minima capitulo 4 95 Com At 69 dias 0 387 x 4 2 a logo a 0 001 m h 4 C Os resultados apresentados em 4 A e 4 B mostram concord ncia entre si Com a utiliza o de ajuste de curvas o resultado apresentado em 4 C tamb m mostra boa concord ncia com os valores anteriores Uma incerteza na determina o dos valores m nimos das sen ides da ordem de 5 dias At 5 dias implicaria uma incerteza na determina o da difusividade t rmica da ordem de At 5 dias gt a 9 1 10 ou Aa de 9 4 D At 5 dias a 1 2 10 ou Aa de 20 4 E O que d uma id ia da sensibilidade do m todo para a avalia o da difusividade t rmica 4 4 Medidas de Condutividade e Difusividade T rmica do Solo pelo M todo de Agulha de Prova Densidade por gravimetria e Calor Espec fico p
249. vel mesmo que o hardware e software sejam da mesma empresa utilizando entre o conjunto sensor transmissor e o sistema de aquisi o sinais compat veis com todos os produtos conhecidos no mercado Ap ndice A 183 Tamb m procurou se tornar o sistema acess vel a todos os pesquisadores atrav s de uma rede interna que proporciona seguran a e acesso aos dados Com isso o pesquisador armazena analisa e gera um relat rio de acordo com suas necessidades podendo utilizar aplicativos mais adequados aos seus interesses Refer ncias espec ficas da eletr nica e do sistema de controle propostos l Luciano Sighieri Akiyoshi Nishinari Controle Autom tico de Processos Industriais 2 Edi o 1985 2 Douglas M Considine Process Instruments and Controls Handbook 8 Edi o 1987 3 Instrupedia 96 Your Interactive Encyclopedia for Instrumentation CD ROM National Instruments 1996 4 Instrupedia 97 Your Interactive Encyclopedia for Instrumentation CD ROM National Instruments 1997 5 W Stephen Woodward Portable Airspeed Measurement University of North Carolina Chapel Hill 1996 6 National Instruments Measuring Temperature with RTDs Tutorial 1996 7 Alexandre Sayar A Medicao de Temperatura nos Anos 90 Instec 1993 8 Luis C M Gomes Carlos A R da Silva M rio S rgio C da Silva Sistemas de Medi o de Temperatura Instec 1991 9 Juvenal Christov Marco A Ribeiro G rard Delm e Instrumentos
250. vem ser compat veis com o estilo de vida dos ocupantes A maioria dos conceitos apresentados na literatura s o v lidos para pa ses de clima temperado e as propostas n o s o integralmente aplic veis ao Brasil onde o clima tropical e ou equatorial determina necessidades de condicionamento diferentes dos pa ses de clima temperado frio Introdu o 27 As caracter sticas f sicas devido ao processo construtivo aplicado nos pr dios do PIPGE apresentam comportamento diferente das constru es tradicionais como por exemplo uma resposta r pida do ambiente interno s varia es clim ticas externas devido baixa capacidade t rmica e baixa in rcia t rmica que provoca um deslocamento da regi o de conforto t rmico que deve ser compensada com a utiliza o de equipamentos dispon veis no mercado como os sistemas de ar condicionado tradicionais grandes consumidores de energia el trica ou por meio do desenvolvimento de dispositivos de baixo consumo de energia e baixo custo de fabrica o e manuten o A baixa capacidade t rmica associada boa isola o t rmica sugere condicionamento com trocadores de calor de baixa pot ncia o que precisa ser confirmado experimentalmente Tamb m no sistema de ilumina o zenital aberturas existentes no teto das constru es permitindo a penetra o da luz e na ilumina o lateral das fachadas leste sul e norte o projeto sup e ilumina o natural suficiente para atender s
251. verificarmos se a equa o C 68 satisfaz a equa o C 52 diferenciamos rT em fun o de t e de r o 2 E a C 75 Ot 2t Aat OT _ _ Et C 76 Or r at 0 rT 3 r rT C 77 or 2 l o que verifica a equa o C 52 Supondo que a quantidade total de energia t rmica em qualquer tempo t igual a Q e levando em conta as condi es de contorno T 0 quando t C 78 Ap ndice C 245 T 0 quando t 0 exceto em r 0 C 79 podemos rescrever parte da equa o C 68 que contem f C 80 Quando t Qou o denominador infinito zerando C 80 Assim a quantidade total de energia t rmica dada por 00 E 3 ocT4mdr f o e Agr dr C 81 0 0 Va substituindo rn y C 82 o segundo membro fica 40 y n2 Ja p y dy 0Q C 83 verificando portanto a suposi o acima Para se calcular o tempo t em que a temperatura T atinge seu m ximo diferencia se a equa o C 68 em t e igualando a zero t C 84 Com a temperatura correspondente Ap ndice C 246 2 C 85 Fonte Linear Line Source Theory Uma fonte linear de calor pode ser pensada como uma s rie cont nua de pontos ao longo de uma linha infinita A magnitude de cada ponto O dz onde Q a energia liberada por unidade de comprimento da linha Similarmente sua for a S dz O efeito desta fonte linear instant nea em um meio Infinito Inicialmente em T
252. verificou se uma queda no pico de demanda de refrigera o de aproximadamente 50 e um deslocamento deste pico das 19 00h para 20 15h figura B 29 Em outro local local 218 verificou se tamb m uma queda de 50 no pico de consumo para aquecimento com deslocamento no tempo de 19 45h para 18 15h fig 1 35 Embora os picos de consumo de energia para aquecimento durante o inverno ocorram por volta das 6 00h neste local pesquisado os resultados preliminares s o um bom Indicativo do potencial de redu o do pico de demanda a ser explorado Ap ndice B 207 Ste 20S Electrical Demeuiad Pegk Coolie Dav Figura B 29 Consumo de eletricidade para refrigera o antes e depois da substitui o do sistema de condicionamento de ambiente HUG 96 nota foram executadas outras altera es nas constru es em estudo l mpadas de alta efici ncia melhoria de isolamento do forro etc jhe 218 Elecrrical Henne Penk Aerating i AVS a Figura B 30 Consumo de eletricidade para sa aquecimento antes e MM depois da substitui o do sistema de 5 af M condicionamento de RAW Qro ambiente HUG 96 mona nota foram pen a executadas outras altera es nas VA Ea constru es em estudo l mpadas de alta Porra efici ncia melhoria de 5 E isolamento do forro z a z z z E E a E etc g E f E E f f Ef f Tina of bay B 7 IMPACTOS AMBIENTAIS Em ltima an
253. ycle Store Kitchener Ont rio Canad http www ghpc org cases cs0014 htm acesso em 1998 GEO 98m Geoexchange Information Center Corps of Engineers Headquarters Walla Walla Washington http www ghpc org cases cs0071 htm acesso em 1998 GEO 98n Geoexchange Information Center Du Pont Medical Center Fort Wayne Indiana http www ghpc org cases cs0008 htm acesso em 1998 GEO 980 Geoexchange Information Center Holiday Inn Express Albany New York http www ghpc org cases cs0009 htm acesso em 1998 GEO 98p Geoexchange Information Center North Boneville City Hall North Boneville http www ghpc org cases cs0069 htm acesso em 1998 GEO 98q Geoexchange Information Center GeoExchange Saving Millions at Fort Polk Louisiana http www ghpc org cases cs0033 htm acesso em 1998 GEO 98r Geoexchange Information Center Fort Polk Base Housing Louisiana http www ghpc org cases cs00 htm acesso em 1998 GEO 98s Geoexchange Information Center Fort Irwin California http www ghpc org cases cs0032 htm acesso em 1998 Refer ncias 134 GEO 98t Geoexchange Information Center Marine Corps Air Station New River North Carolina http www ghpc org cases cs0078 htm acesso em 1998 GEO 98u Geoexchange Information Center Patuxent River Naval Air Station Maryland http www ghpc org cases cs0064 htm acesso em 1998 GEO

Estudo de método experimental para determinar a

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