UTILIZAÇÃO DE CHAMINÉS SOLARES E TROCADORES DE CALOR TERRA-AR PARA REDUÇÃO DE CUSTOS COM REFRIGERAÇÃO

Abstract

n recent years, the increase in extreme weather events has become increasingly evident, largely caused by human activity. The global concern about the unchecked consumption of fossil fuels has led to the integration of sustainability concepts in various areas, including in the routine of the population and industrial processes. Heating and cooling processes for air and water account for approximately 49% of the total energy consumption of buildings worldwide. To reduce this thermal load, there are passive ventilation and cooling methods, such as the solar chimney and the earth-air heat exchanger (EAHE), which can be combined to amplify their individual benefits. This study aimed to analyze the viability of combining a 2-meter deep EAHE and a 1.6-meter tall solar chimney system as a sustainable alternative to reduce energy costs associated with cooling/heating. The potential for soil cooling in North Dakota, USA, was evaluated due to the soil monitoring history for agriculture and the ease of obtaining historical data. Based on this information, the solar chimney and EAHE system were dimensioned and specified, and their operation was simulated using data collected from meteorological stations in North Dakota. The analysis of the results included the mass flow rate of air induced by the solar chimney, the air temperature at the heat exchanger outlet, which could be used for total or partial cooling depending on the housing characteristics, and the thermal capacity of the soil for cooling or heating the air. To evaluate the energy consumption reduction in cooling and heating, the thermal load from the interaction between the climate and the dwelling was also simulated and the thermal load that the chimney could add to or remove from the system was calculated. The necessary climatic conditions for the system’s operation were identified, and it demonstrated a noteworthy reduction in energy consumption. This reduction was observed in 50% of cases during winter and in 66% of cases during summer. This improvement led to an energy consumption decrease ranging from 25% to 50%.In summary, this study presents a sustainable solution to reduce energy consumption in building cooling processes by combining passive cooling techniques such as the solar chimney and EAHE and using the thermal capacity of the soil.

Nos últimos anos, tem sido cada vez mais evidente o aumento de eventos climáticos extremos, que são causados, em grande parte, pelo ser humano e suas atividades. A crescente preocupação mundial com o consumo desenfreado de combustíveis fósseis tem levado a inserção do conceito de sustentabilidade em diversas áreas, inclusive na rotina da população e nos processos industriais. Processos de aquecimento e resfriamento de ar e água são responsáveis por cerca de 49% do consumo total de energia das edificações em todo o mundo. Para reduzir essa carga térmica, existem métodos de ventilação e refrigeração passiva, como a chaminé solar e o trocador de calor terra-ar (EAHE), que podem ser combinados para amplificar seus benefícios individuais. Este estudo teve como objetivo analisar a viabilidade da combinação de um EAHE de 2 metros de profundidade e um sistema de chaminé solar de 1,6 metros de altura, como uma alternativa sustentável para reduzir os custos de energia associados ao resfriamento/aquecimento. Para isso, foi avaliado o potencial de refrigeração do solo no estado de Dakota do Norte, nos Estados Unidos, devido ao histórico de monitoramento do solo para a agricultura e à facilidade de obtenção de dados históricos. A partir dessas informações, o sistema chaminé solar e EAHE foi dimensionado e especificado, e seu funcionamento foi simulado com dados coletados nas estações meteorológicas de Dakota do Norte. A análise dos resultados incluiu a vazão mássica de ar induzida pela chaminé solar, a temperatura do ar na saída do trocador de calor, que poderá ser utilizado para refrigeração total ou parcial, dependendo das características da habitação, e a capacidade térmica do solo para arrefecer ou aquecer o ar. Para realizar a avaliação da redução do consumo de energia em refrigeração e aquecimento, foi simulado também a carga térmica proveniente da relação do clima com a habitação e calculado a carga térmica que a chaminé poderia inserir ou remover desse sistema. Foram identificadas as condições climáticas essenciais para a utilização do sistema, o qual demonstrou uma redução significativa no consumo de energia. Durante o inverno, essa redução foi observada em 50% dos casos, enquanto no verão atingiu 66% dos cenários avaliados. Essa melhoria resultou em uma diminuição no consumo de energia, variando entre 25% e 50%. Em resumo, este estudo apresenta uma solução sustentável para reduzir o consumo de energia em processos de resfriamento de edificações, por meio da combinação de técnicas de refrigeração passiva, como a chaminé solar e o EAHE, e a utilização da capacidade térmica do solo