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UNIVERSIDADE DE CUIABÁ

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE CUIABÁ

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS AMBIENTAIS

ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO DE TROCADOR DE CALOR

TERRA-AR (EAHE) POR MEIO DE PROTÓTIPOS NA CIDADE DE SINOP-MT NO

BIOMA AMAZÔNIA

LUÍS ANTÔNIO SHIGUEHARU OHIRA

Orientador: Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

CUIABÁ - MT

2015



PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS AMBIENTAIS



BIOMA AMAZÔNIA

LUÍS ANTÔNIO SHIGUEHARU OHIRA

Dissertação apresentada ao Programa

de Pós-Graduação em Ciências

Ambientais da Universidade de Cuiabá,

como parte dos requisitos para

obtenção do título de Mestre em

Ciências Ambientais.

Orientador: Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão

CUIABÁ - MT

2015

FICHA CATALOGRÁFICA

Catalogação na Fonte

Ficha Catalográfica

Valéria Oliveira dos Anjos

Bibliotecária – CRB1/1713

O37a Ohira, Luís Antônio Shigueharu.

Análise comparativa de desempenho de trocador de calor terra-ar (EAHE) por meio

de protótipos na cidade de Sinop-MT no Bioma Amazônia / Luís Antônio Shigueharu Ohira

– Cuiabá, 2015.

67 f. : il.

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências

Ambientais da Universidade de Cuiabá - Unic.

Orientador: Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão.

1. Geofísica. 2. Geotermia. 3. Temperatura. I. Título.

CDU 551.525



Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais

FOLHA DE APROVAÇÃO

TÍTULO: ANÁLISE COMPARATIVA DE DESEMPENHO DE TROCADOR DE

CALOR TERRA-AR (EAHE) POR MEIO DE PROTÓTIPOS NA CIDADE DE

SINOP-MT NO BIOMA AMAZÔNIA

AUTOR: LUÍS ANTÔNIO SHIGUEHARU OHIRA

Dissertação de Mestrado defendida e aprovada em 24 de setembro de 2015, pela

comissão julgadora.

_________________________________________________

Prof. Dr.-Ing. Marlon Leão - Orientador

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas – UNEMAT

Programa de Ciências Ambientais – UNIC

________________________________________________________________________

Profa. Dra. Marta Cristina de Jesus Albuquerque Nogueira - Examinadora Interna

Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia – UFMT

Programa de Ciências Ambientais - UNIC

________________________________________________

Prof. Dr. Carlo Ralph De Musis – Examinador Interno

Programa de Ciências Ambientais - UNIC

_______________________________________________

Prof. Dr.-Ing. Ernesto Kuchen – Examinador Externo

Instituto Regional Planeamiento y Hábitat - UFSJ

______________________________________________________

Prof. Dra. Luciane Cleonice Durante – Examinadora Externa

Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia – UFMT

CUIABÁ – MT, 24 de setembro de 2015

DEDICATÓRIA

Dedico este singelo trabalho a todos aqueles que

de alguma forma acreditam que podem contribuir

para a melhoria da condição humana e o

desenvolvimento da humanidade ............

AGRADECIMENTOS

Sou grato ao Grande Arquiteto do Universo, meus antepassados, meus pais, meu irmão

e a minha companheira Marluce Mafra pelas contribuições e companheirismo.

A todos os meus professores desde 1972 da EMJDS, da ETFSP, da UnG, do CBMSC e

da Pós-Graduação da UNIC de Sinop.

Ao meu orientador e amigo, professor Marlon Leão pela oportunidade e credibilidade,

e aos professores membros da banca: Marta Cristina de Jesus Albuquerque Nogueira, Carlo

Ralph De Musis, Ernesto Kuchen e Luciane Cleonice Durante, pelas preciosas contribuições.

A todos os professores do Programa de Ciências Ambientais da UNIC e do Programa

de Física Ambiental da UFMT em especial Carlo Ralph De Musis, Osvaldo Borges Pinto Junior

e Bruno Abdalla dos Santos, que com dedicação e paciência, compartilharam cada qual os seus

conhecimentos.

A UNEMAT, por acolher-me como docente e discente, por ceder suas instalações neste

estudo, e aos professores e alunos desta instituição: Arnaldo Taveira Chioveto, João Carlos

Machado Sanches, André do Amaral Penteado Bíscaro, André Luiz Machado, Anne Maiara

Seidel Luciano, Karen Wrobel Straub, Marines Orlandi Taveira Chioveto, José Maria

Tanganelli Junior, Giovani Vinicius Merlin, Nelson Klaus Foppa, Thales Tati Gonçalves

Vicente, Thiago Wronski Bueno e Caroline Indayara Leite Milhorança.

Aos meus amigos e colegas: Caio Medina, Guilherme Garrido, Alex Cesar dos Santos,

Jean Fábio Costa, Alexandre Vieira e também a todos que, sempre de forma prestativa,

contribuíram com seu tempo, conhecimento e senso de equipe.

iii

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

1.1. PROBLEMÁTICA .............................................................................................................. 1

1.2. JUSTIFICATIVA ................................................................................................................ 2

2. REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................................. 4

2.1. ENERGIA ELÉTRICA ....................................................................................................... 4

2.2. ZONEAMENTO BIOCLIMÁTICO BRASILEIRO ........................................................... 6

2.3. CLIMA E LOCALIZAÇÃO DO MUNICÍPIO DE SINOP ................................................ 8

2.4. VENTILAÇÃO ................................................................................................................. 10

2.5. INÉRCIA TÉRMICA DO SOLO ...................................................................................... 10

2.6. SISTEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR EAHE ............................................. 11 2.6.1 Fluido líquido ou ar ......................................................................................................... 11 2.6.2 Sistema aberto e fechado ................................................................................................. 12

2.6.3 Captação horizontal e vertical ......................................................................................... 12

2.7. FATORES DE INFLUÊNCIA NO SISTEMA EAHE ..................................................... 13

2.7.1 Clima ............................................................................................................................... 13 2.7.2 Profundidade .................................................................................................................... 14 2.7.3 Tipos de Solo ................................................................................................................... 14

2.7.4 Cobertura do solo ............................................................................................................ 14

2.8. CARACTERÍSTICAS DOS TUBOS EAHE .................................................................... 15

2.8.1 Material ............................................................................................................................ 15 2.8.2 Diâmetro .......................................................................................................................... 15

2.8.3 Comprimento ................................................................................................................... 15 2.8.4 Distância entre tubos ....................................................................................................... 15

2.8.5 Velocidade do ar .............................................................................................................. 16

2.9. ARDUÍNO ......................................................................................................................... 16 2.9.1 Hardware ......................................................................................................................... 16 2.9.2 Software ........................................................................................................................... 17

3. MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................. 18

3.1. ETAPA 1 - IDENTIFICAÇÃO DE TEMPERATURAS DE UM PERFIL DE SOLO .... 21 3.1.1 Montagem da Caixa de dados .................................................................................... 21

3.1.1.1 Preparo e montagem inicial da Caixa de dados .......................................................... 22

3.1.1.2 Montagem de placas organizadoras ............................................................................ 22

3.1.1.3 Hardware – Arduinos e Shields .................................................................................... 23 3.1.1.4 Montagem do Data logging shield V1.0 e painel de LCD ........................................... 24 3.1.1.5 Montagem da fonte de energia da Caixa de dados ...................................................... 24 3.1.1.6 Montagem final da Caixa de dados .............................................................................. 25 3.1.1.7 Software - Arduino ....................................................................................................... 25

3.1.2 Calibração de sensores .................................................................................................... 25 3.1.2.1 Equipamento de referência ........................................................................................... 26 3.1.2.2 Calibração de sensores ................................................................................................ 26

3.1.3 Montagem de sensores no Tubo guia .............................................................................. 27

iv

3.1.3.1 Tubo guia com cabo blindado de 3 vias e tubo de PVC Ø60mm marrom ................... 28

3.1.3.2 Tubo guia com de cabo de rede de 8 vias cat 6 e tubo de PVC Ø40mm ...................... 29 3.1.4 Instalação do Tubo guia com sensores ............................................................................ 30 3.1.4.1 Perfuração do poço ...................................................................................................... 30 3.1.4.2 Montagem e instalação ................................................................................................. 31 3.1.5 Medição e coleta de dados ............................................................................................... 33

3.2. ETAPA 2: INSTALAÇÃO DE EAHE E AVALIAÇÃO DE TROCA TÉRMICA ......... 33 3.2.1 Preparo dos tubos de ferro e PVC ................................................................................... 35 3.2.3 Adaptação e montagem de ventiladores .......................................................................... 37 3.2.3.1 Ventilador A – Automotivo de 12V com 3 velocidades ................................................ 38 3.2.3.2 Ventilador B – Ø400mm exaustor industrial ................................................................ 39

3.2.3.3 Ventilador C – Ø300mm exaustor industrial com saídas simples (C1) e dupla (C2) .. 40 3.2.3.4 Ventilador D – Ø150mm Cooler .................................................................................. 41

3.2.3.5 Ventilador E – Ø125mm exaustor para banheiros ....................................................... 41

3.2.4 Medição e coleta de dados com termo anemômetro........................................................ 42

3.3. ETAPA 3: DESEMPENHO DO EAHE EM EDIFICAÇÕES ......................................... 42 3.3.1 Conexão dos tubos EAHE na Edificação EAHE............................................................. 43 3.3.2 Adequação e preparo dos protótipos ............................................................................... 44

3.3.3 Calibrações ...................................................................................................................... 44 3.3.3.1 Confortímetros .............................................................................................................. 44

3.3.3.2 Protótipos de edificação ............................................................................................... 45 3.3.4 Dados climatológicos ...................................................................................................... 45 3.3.5 Medições de desempenho dos tubos EAHE em protótipos de edificação ....................... 46

4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................ 47

4.1. ETAPA 1 – IDENTIFICAÇÃO DE TEMPERATURAS DE UM PERFIL DE SOLO ... 47

4.1.1 Calibração dos sensores DS18B20 e DHT22 .................................................................. 47 4.1.2 Leitura de dados e ocorrências ........................................................................................ 47

4.1.3 Sensores DHT22 de superfície e sensores DS18B20 blindados...................................... 48

4.2. ETAPA 2: INSTALAÇÃO DE EAHE E AVALIAÇÃO DE TROCA TÉRMICA ......... 50 4.2.1 Desempenho de Ventiladores .......................................................................................... 50 4.2.1.1 Ventilador A .................................................................................................................. 50

4.2.1.2 Ventilador B .................................................................................................................. 51 4.2.1.3 Ventilador C – C1 e C2 ................................................................................................ 52 4.2.1.4 Ventilador D ................................................................................................................. 52 4.2.1.5 Ventilador E .................................................................................................................. 52 4.2.2 Avaliação do Ventilador A .............................................................................................. 52

4.2.3 Avaliação dos Ventiladores B, C, D e E ......................................................................... 53 4.2.4 Perda de Carga ................................................................................................................. 54

4.3. ETAPA 3 – DESEMPENHO DO EAHE EM EDIFICAÇÕES ........................................ 55 4.3.1 Tubo EAHE de ferro........................................................................................................ 55 4.3.2 Tubo EAHE de PVC ....................................................................................................... 57 4.3.3 Tubos EAHE ferro + PVC ............................................................................................... 58

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 60

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 63

v

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Geração elétrica por fonte no mundo - 2009 - 18.980 TWh ...................................... 5

Figura 2 - Zoneamento Bioclimático Brasileiro Fonte: ABNT, (2003) ..................................... 6

Figura 3 - Zonas de 9 a 16 – temperaturas médias anuais entre 20 e 26°C ................................ 7

Figura 4 - Classificação Climática de Mato Grosso (adaptado) ................................................. 8

Figura 5 - Mapa de localização do Município de Sinop (adaptado pelo autor).......................... 9

Figura 6 - (A) Sistema EAHE com liquido fechado e (B) Sistema EAHE aberto com ar ....... 12

Figura 7 - (A) Sistema aberto e (B) Sistema fechado .............................................................. 12

Figura 8 - (A) Modelo Horizontal e (B) Modelo Vertical ........................................................ 13

Figura 9 - Placa do Arduino ...................................................................................................... 17

Figura 10 - Localização dos protótipos no Campus da UNEMAT Sinop ................................ 18

Figura 11 - Fluxograma das três etapas e a conclusão ............................................................. 19

Figura 12 - (A) Em fase de projeto, (B) Tubo guia com sensores e (C) Caixa de dados ......... 20

Figura 13 - (A) Implantação dos tubos EAHE de ferro e PVC e (B) Medição na saída do tubo

EAHE de PVC .......................................................................................................................... 20

Figura 14 - (A) Edificação normal e Edificação EAHE e (B) Confortímetros instalados ....... 21

Figura 15 - (A) Caixa de ferramentas normal, (B) Furos e cortes e (C) Vista interna ............. 22

Figura 16 - (A) Placa virgem, (B) Montagem frontal e (C) Montagem do verso .................... 23

Figura 17 - Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 e Data logging shield V1.0 ...................... 23

Figura 18 - (A) Arduíno Mega 2560 + Data logging, (B) Arduíno Uno R3 + Data logging e (C)

Painel LCD 84x48 Nokia 5110 desmontado ............................................................................ 24

Figura 19 - Data logging shield V1.0 (A) Lado inferior, (B) Lado superior e (C) Com painel de

LCD .......................................................................................................................................... 24

Figura 20 - (A) Teste da placa, (B) Conexões para bateria, Arduinos e rede e (C) Detalhe da

ligação ....................................................................................................................................... 25

Figura 21 - (A) Cabos organizados na placa, (B) Bateria + placas e (C) Montagem final ...... 25

Figura 22 - Confortímetro modelo HD 32.1 ............................................................................. 26

Figura 23 - (A) Sensor HP3275, (B) Sensor TP3227K e (C) Sensor HP3201 ......................... 26

Figura 24 - (A) Confortimetro HD32.1, (B) Suporte, sensores e Caixa de dados e (C) Suporte

de madeira, sensores a serem calibrados e sensores de referência à direita ............................. 27

Figura 25 - (A) Sensor DS18B20, (B) Sensores lados “A” e “B” e (C) Sensores DHT22 ...... 27

Figura 26 - (A) Solda com estanho, (B) Isolamento individual Ø3mm e (C) Sensor com cabo

extendido .................................................................................................................................. 28

vi

Figura 27 - (A) Furo “A”, (B) Furo “A” e “B” com sensores DS18B20 e (C) Cabos com

conectores “tipo Mike” ............................................................................................................. 29

Figura 28 - (A) Tubo de PVC Ø 60mm marrom x tubo de PVC Ø 40mm branco e (B) Teste

final do Tubo guia .................................................................................................................... 29

Figura 29 - (A) Cabo de rede de 8 vias cat 6 com suporte interno, (B) Cabo de rede e de dados

soldados com estanho e protegidos com isolante líquido e (C) Cabos isolados com termo retrátil

Ø3mm ....................................................................................................................................... 30

Figura 30 - (A) Ponteira de aço galvanizado e (B) Tubos de PVC Ø 50mm ........................... 31

Figura 31 - (A) Início da perfuração, (B) Utilização de água para perfuração e (C) Finalização

da perfuração ............................................................................................................................ 31

Figura 32 - Procedimento de colocação do Tubo guia Ø40mm com os sensores de temperatura

blindados ................................................................................................................................... 32

Figura 33 - (A) Tubo com sensores aterrado e (B) Amostras do solo recomposto .................. 32

Figura 34 - (A) Passagem de cabos pelo tubo de PVC Ø100mm, (B) Tubo guia com sensores

de superfície e (C) Conexão dos cabos tipo “Mike” na Caixa de dados .................................. 33

Figura 35 - Locação dos protótipos de edificação e tubos EAHE na UNEMAT ..................... 34

Figura 36 - (A) Pintura dos tubos de ferro, (B) Tubos no LEEE da UNEMAT e (C) Montagem

dos tubos EAHE ....................................................................................................................... 35

Figura 37 - (A) Tubo de ferro com curva em PVC e (B) Corte de tubo de ferro ..................... 36

Figura 38 - (A) Início da escavação com marcos de delimitação e (B) Serviço de escação

mecânica concluído .................................................................................................................. 36

Figura 39 - (A) Verificação de profundidade e (B) Ajustes de nivelamento dos tubos EAHE 37

Figura 40 - (A) Tubos EAHE de ferro (cinza) e PVC (branco) instalados e (B) Trabalho manual

de aterramento em camadas intercaladas com irrigação .......................................................... 37

Figura 41 - (A) Placa de adaptação, (B) Tubos e conexões de PVC e (C) Ventilador A em teste

de vazão de ar ........................................................................................................................... 38

Figura 42 - Ventilador B montado com interruptor e dimmer na versão inicial ...................... 39

Figura 43 - (A) Ventilador B Ø400mm com cone reduzido e (B) Com extravasor lateral ...... 40

Figura 44 - (A) Ventilador C1 com saída simples e (B) Ventilador C2 com saída dupla ........ 40

Figura 45 - Ventilador D (A) Cooler de Ø150mm com cone de redução para Ø100mm e (B)

Em campo ................................................................................................................................. 41

Figura 46 - Ventilador E (A) Medição de velocidade e (B) Teste em campo .......................... 42

Figura 47 - Planta e corte da Edificação EAHE ....................................................................... 43

vii

Figura 48 - (A) Saída dos tubos EAHE de ferro e PVC, (B) Tubo de saída de ar quente do lado

interno e .................................................................................................................................... 44

Figura 49 - (A) Substituição e reparos em telhado e (B) Complementação de forro de PVC . 44

Figura 50 - Calibração de confortímetros ................................................................................. 45

Figura 51 - Confortímetros na Edificação EAHE e ao fundo na Edificação normal ............... 45

Figura 52 - Estação Vantage Pro2 (A) Console e (B) Conjunto de sensores ........................... 46

Figura 53 - Temperaturas médias e amplitudes em profundidades com sensores ................... 49

Figura 54 - Amplitudes térmicas nas profundidades com sensores.......................................... 50

Figura 55 - Temperaturas: na Edificação EAHE com Tubo EAHE de ferro, na Edificação

Normal e externa ...................................................................................................................... 56

Figura 56 - Temperaturas: na Edificação EAHE com Tubo EAHE de PVC, na Edificação

Normal e externa ...................................................................................................................... 57

Figura 57 - Temperaturas: Edificação EAHE com Tubo EAHE de ferro+PVC, Edificação

Normal e externa ...................................................................................................................... 59

viii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Capacidade instalada de geração de energia elétrica no mundo em GW - 10 maiores

países em 2012 ........................................................................................................................... 4

Tabela 2 - Capacidade instalada de fontes alternativas no mundo em GW – 10 maiores paises

em 2012 ...................................................................................................................................... 6

Tabela 3 - Valores da condutividade e difusividade térmica do solo para diversas condições 14

Tabela 4 - Tabela de identificação de protótipos ...................................................................... 18

Tabela 5 - Calibração de sensores ............................................................................................ 47

Tabela 6 - Variação de temperatura ambiente de um dia ......................................................... 48

Tabela 7 - Temperaturas máximas, mínimas, médias e amplitude térmica .............................. 49

Tabela 8 - Ventilador A - Temperaturas e velocidades ............................................................ 53

Tabela 9 - Ventiladores B, C1, C2, D e E - Velocidades, trocas e potências ........................... 53

Tabela 10 - Ventilador A - Trocas pode ar por hora e perda de carga ..................................... 54

Tabela 11 - Ventiladores B, C1, C2, D e E - Temperaturas e velocidades .............................. 55

Tabela 12 - Tubo EAHE de ferro ............................................................................................ 56

Tabela 13 - Tubo EAHE de PVC ............................................................................................. 58

Tabela 14 - Tubos EAHE de Ferro + PVC ............................................................................... 59

ix

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANTAC – Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído

EAHE – Earth-to-Air-Heat-Exchanger (trocador de calor terra-ar)

EPE – Empresa de Pesquisa Energética

GPS – Global Positioning System (sistema de posicionamento global)

IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

INMET – Instituto Nacional de Meteorologia

ISO – International Organization for Standardization (organização internacional para

padronização)

LCD – Liquid Crystal Display (painel de cristal líquido)

LEEE – Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da UNEMAT

NBR – Norma Brasileira

PVC – Policloreto de Polivinila

SD – Memória flash com base no padrão TransFlash da marca SanDisk

UFMT – Universidade Federal do Mato Grosso

UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina

UNEMAT – Universidade do Estado de Mato Grosso

UNIC – Universidade de Cuiabá

x

RESUMO

OHIRA, L.A.O. Análise comparativa de desempenho de trocador de calor terra-ar (EAHE) por

meio de protótipos na Cidade de Sinop-MT no Bioma Amazônia. Cuiabá - MT, 2015 67p.

Dissertação (Mestrado em Ciências Ambientais) – Programa de Ciências Ambientais, Universidade de

Cuiabá/UNIC.



BIOMA AMAZÔNIA

Atualmente uma das maiores preocupações quanto ao consumo de energia é o aumento do uso

de condicionadores de ar para o conforto térmico. Este estudo foi desenvolvido na região central

da Cidade de Sinop, localizado no Bioma Amazônia ao norte do Estado de Mato Grosso (MT),

região com temperaturas próximas a 40°C. Esta pesquisa é inédita devido a forma de coleta de

dados por meio de Arduínos e protótipos, pois inexistem trabalhos empíricos na área de

geotermia nessa região, e até mesmo no país que fizeram uso deste meio. O sistema de tubos

enterrados (Earth to Air Heat Exchanger - EAHE), técnica que consiste na troca térmica do ar

com o solo para a redução de temperatura, utiliza recursos do meio ambiente externo para o

ambiente interno construído, conciliados à eficiência energética. Para cumprir o objetivo de

analisar comparativamente o desempenho das trocas térmicas do ar em protótipos com e sem o

sistema de tubos enterrados EAHE, realizou-se uma pesquisa bibliográfica que forneceram os

conceitos e elementos necessários para a obtenção de dados quantitativos. Foi necessário a

validação de dados desde a identificação das temperaturas de perfil do solo para determinação

da profundidade adequada de instalação dos tubos EAHE (ferro e PVC) e mensurar o

desempenho do sistema, até o comparativo entre os protótipos. A abordagem da pesquisa é

exploratória e descritiva. Concluiu-se que, o potencial do sistema EAHE existe, com

resfriamento de até 9,7°C constatado na diferença de temperaturas do ar no ambiente interno e

do ar na saída do tubo EAHE, e entre protótipos de edificação EAHE e edificação normal a

diferença foi de 1,8°C. A diferença de temperaturas entre 9,7°C e 1,8°C é o potencial a ser

explorado em novos estudos.

Palavras-chave: Eficiência energética; Geotermia; Renovação de ar; Protótipos; Arduino.

xi

ABSTRACT

OHIRA, L.A.O. Comparative analysis of earth-air heat exchanger (EAHE) performance

through prototypes in Sinop-MT in the Amazon Biome. Cuiabá - Brazil, 2015 67p. Dissertation

(Master in Environmental Sciences) - Program of Environmental Sciences, Cuiabá University

/ UNIC.

Currently one of the biggest concerns regarding the energy consumption is the increased use of

air conditioners to provide thermal comfort. This study was carried out in the centre of Sinop

city, located in the Amazon Biome at the north of Mato Grosso, a region in which the

temperatures can come close to 40°C. This research is unique once the data collection was made

through Arduino and prototypes. In Brazil, there are no research with measurements on actual

installations applying geothermal energy for cooling buildings. The Earth to Air Heat

Exchanger - EAHE is a technique in which the exchange of heat with the ground could be used

for cooling or heating. The system uses passive features of the external conditions to increase

energy efficiency and indoor air quality in the built environment. In order to accomplish the

objective of analysing the performance of air heat exchange in prototypes with and without

EAHE, an extensive literature review was investigated to provide the concepts and elements

necessary to obtain quantitative data. It was necessary to validate data from identifying the soil

temperature profile for determining the proper depth of EAHE tubes (steel and PVC)

installation and measuring system performance to a comparison between the prototypes. The

approach of the research is exploratory and analytical. This paper concludes that there is a

potential for use of the EAHE system, reaching a cooling of 9.7°C between the difference of

the indoor air temperature and the outlet air temperature from the tubes. In addition, between

the prototypes with and without the EAHE there was a maximum difference of 1.8°C regarding

the indoor air temperature. This disparity of 9.7°C and 1.8°C is the potential to be explored in

further research.

Keywords: Energy efficiency; Geothermal energy; Air renewal; Prototypes; Arduino.

1

1. INTRODUÇÃO

1.1. PROBLEMÁTICA

Atualmente a crise energética no mundo e no Brasil está relacionada diretamente ao

aumento do consumo de energia em todos os setores. Por outro lado, modelos energéticos como

energia atômica e térmica, têm sido duramente questionados devido aos acidentes e suas

consequências, assim como, o uso de combustíveis fósseis que podem ser extintos e causam

poluição ao meio ambiente.

No Brasil, construções de novas usinas hidrelétricas são criticadas por ambientalistas

devido ao grande impacto causado ao meio ambiente. As hidrelétricas existentes correm o risco

de não terem água suficiente nos reservatórios para gerar a energia necessária. A construção de

usinas termelétricas para suprir a demanda, tem elevado o custo final além da poluição causada

pela queima de combustíveis fósseis como petróleo e carvão mineral.

A larga utilização dos "sistemas de iluminação e climatização artificial" na construção

civil, "agravou-se com a crise de energia da década de 70 e com o aumento da população nos

centros urbanos na década de 80" (LAMBERTS et al., 1997, p. 18).

No início do ano de 2000, Tolmasquim (2000) já previa a crise de energia elétrica de

2001 quando observou que, entre 1990 e 2000 o consumo cresceu 49%, enquanto a capacidade

instalada foi expandida em apenas 35%.

Modelos de arquitetura “moderna”, produzida por modismo, importados de forma

indiscriminada, juntamente com habitações de interesse social projetados e construídos com

prioridade em obterem maior margem de lucro, comprometem a qualidade de vida de seus

usuários com construções inabitáveis sem o uso de iluminação e climatização artificial.

Nesse sentido, é mais barato investir em campanhas de economia de energia pois os

investimentos necessários passam a ser dos consumidores e fabricantes para produzirem

equipamentos mais eficientes (GELLER, 1994).

Com o desenvolvimento do setor industrial, aumento da concorrência e acesso à

importação, os produtos tornaram-se mais acessíveis para faixas maiores da população que

dentre outros eletrodomésticos, passaram a consumir também condicionadores de ar para

compensar o desconforto térmico produzido pela má arquitetura e ou construção.

Ao considera esse importante parâmetro, se faz necessário elaborar projetos para

construção de edificações que priorizam conceitos de eficiência energética. Desse modo, “a

eficiência energética pode ser entendida como a obtenção de um serviço com baixo dispêndio

2

de energia" (LAMBERTS et al., 1997, p. 14).

Uma estratégia que pode ser utilizada é o sistema Earth-to-Air-Heat-Exchanger

(EAHE), o qual incide na troca da temperatura do ar com a terra por intermédio de tubos

enterrados, a fim de aquecer (no inverno) ou arrefecer (no verão) o ar que deverá ser fornecido

à edificação (ASCIONE, et al., 2011).

No Brasil, o potencial por métodos passivos ou ativos de arrefecimento como o sistema

EAHE é pouco explorado, possui poucos investimentos e estudos sobre sua viabilidade.

Segundo Fonseca et al. (2014), os principais motivos para a pouca utilização no Brasil é a falta

de dados de caracterização da temperatura do solo e do custo de implementação.

Esta pesquisa irá buscar dados por meio de protótipos e Arduínos para obter respostas

desde a temperatura do solo, implantação dos tubos EAHE, até o comparativo entre protótipos

de edificação e analisar o desempenho do sistema EAHE para viabilização na cidade de Sinop-

MT.

1.2. JUSTIFICATIVA

A pesquisa do sistema EAHE é de extrema relevância, principalmente no Estado de

Mato Grosso, no Bioma Amazônia, região de características climáticas rigorosas e que não

apresenta até o momento nenhum estudo na área de geotermia para conforto térmico a fim de

minimizar o efeito da ação antrópica.

Com a necessidade de atender a grande demanda de energia e ao mesmo tempo

implementar um modelo de matriz energética menos poluente, faz-se relevante a discussão do

tema de utilização consciente dos recursos naturais por intermédio de planejamento estratégico

que envolva governos, ambientalistas, empresas energéticas e universidades com investimento

em pesquisas, na busca de novas fontes de energia renovável e de tecnologias mais eficientes.

A partir dessa contextualização, avaliar-se-á a técnica de tubos enterrados para

resfriamento do ar em edificações. Esta técnica pressupõe em contribuir para a redução da

temperatura no ambiente construído, reduzir o consumo de energia para climatização e

consequentemente aumentar o conforto térmico e a qualidade do ar fornecido aos usuários.

Na literatura técnica brasileira, a maior parte dos estudos sobre este tema são teóricos

e desenvolvidos com o uso de softwares de simulação termoenergéticos sem a devida validação

empírica, a exemplo de Horbach (2010), Hollmuller et al. (2005) e Schulz (2011). Musskopf

(2006) foi o único autor a trabalhar e coletar dados com o uso de protótipo, entretanto o universo

da amostra foi relativamente limitado. A maioria das instituições acadêmicas de pesquisa,

3

concentram-se no sul do país e normalmente desenvolvem estudos envolvendo o clima local.

Esta pesquisa é inédita, pois é pioneira na obtenção de dados de forma empírica e

também na utilização de software e hardware livres – Arduíno. Os estudos tiveram início em

agosto de 2014, com término previsto para agosto de 2015. Os protótipos utilizados para os

experimentos desta pesquisa foram instalados nas dependências da Universidade do Estado de

Mato Grosso (UNEMAT), Campus Sinop, os recursos tecnológicos de utilização de software e

hardware livres foram orientados por professores do Programa de Pós-Graduação em Ciências

Ambientais da UNIC e Ciências da Computação e Física Ambiental da UFMT, os instrumentos

utilizados para a maior parte da coleta de dados foram cedidos pelo Laboratório de Eficiência

Energética em Edificações (LEEE) da UNEMAT e os demais equipamentos e materiais que

compõem esta pesquisa foram custeados com recursos próprios.

O objetivo geral deste trabalho é analisar comparativamente o desempenho de trocador

de calor terra-ar EAHE por meio de protótipos na cidade de Sinop-MT, no Bioma Amazônia.

Para atingir esse objetivo, foram determinados os seguintes objetivos específicos:

a) Identificar as temperaturas e amplitude térmica de um perfil de solo a partir da

superfície até a profundidade de 10,0m;

b) Realizar estudo comparativo de desempenho entre tubos EAHE de ferro e PVC e

de ventiladores para este sistema;

c) Realizar estudo comparativo de desempenho em protótipos de edificação com e sem

o sistema EAHE;

4

2. REFERENCIAL TEÓRICO

O solo é usado pelo homem de forma direta desde os tempos mais remotos para atender

o conforto térmico de sua habitação, para adaptar-se construiu abrigos enterrados, dessa forma

o solo funciona como sistema de proteção contra as intempéries e isolante térmico.

Historicamente e num período de tempo anterior ao século XIX, as propriedades

térmicas do solo foram utilizadas de forma natural, após esse período, com os avanços

tecnológicos e melhor conhecimento do subsolo é que se permitiu aprimorar e aperfeiçoar a

utilização da geotermia (TRILLO; ANGULO, 2008). Posteriormente aos anos 90 houve um

grande desenvolvimento da geotermia com o aumento de pesquisas sobre as propriedades

térmicas do solo em profundidades próximo à superfície (CRUZ, 2013). Atualmente a

geotermia pode contribuir para a redução do consumo de energia elétrica para climatização de

habitações.

2.1. ENERGIA ELÉTRICA

Os desafios para a sobrevivência da humanidade em um futuro próximo, estão

relacionados a produção de alimentos, água e energia.

Tabela 1 - Capacidade instalada de geração de energia elétrica no mundo em GW - 10 maiores países em 2012

2008 2009 2010 2011 2012

∆%

(2012/2011)

Part. %

(2012)

Mundo 4.529,50 4.727,70 4.964,50 5.204,70 5.550,50 6,60 100,00

1 - China 796,20 876,70 972,70 1.082,50 1.174,30 8,50 21,20

2 – EUA 988,30 1.003,20 1.016,90 1.030,60 1.063,00 3,20 19,20

3 - Japão 254,40 257,00 259,50 261,20 293,30 12,30 5,30

4 – Índia 173,00 185,20 203,50 233,50 254,70 9,10 4,60

5 - Rússia 222,80 224,10 228,10 231,60 234,40 1,20 4,20

6 - Alemanha 129,30 136,20 142,20 147,90 177,10 19,70 3,20

7 - Canadá 126,40 131,60 132,20 132,80 135,00 1,70 2,40

8 - França 86,30 87,80 90,00 92,90 129,30 39,10 2,30

9 – Itália 77,00 79,80 84,70 96,50 124,20 28,70 2,20

10- Brasil 102,90 106,60 113,30 117,10 121,00 3,30 2,20

Outros 1.820,70 1.889,10 1.967,70 2.026,70 1.844,10 -9,00 33,20

Fonte: EPE (2015)

A necessidade, consumo e geração de energia elétrica de acordo com dados da

Empresa de Pesquisa Energética (EPE), aumenta a cada ano conforme dados apresentados em

seu anuário de 2015 com dados do ano de 2012, de acordo com a Tabela 1 dos dez países que

mais geram energia elétrica no mundo. Nesta tabela o Brasil aparece na décima posição com

5

2,2% de participação na geração de energia no mundo no ano de 2012 com aumento de

produção de 3,3% em relação ao ano de 2011.

O gráfico da Figura 1, demonstra que 80,2% da energia gerada no mundo (térmica e

nuclear), são por fontes não renováveis, estas fontes produzem grande quantidade de resíduos

sólidos, gasosos e radioativos.

Figura 1 - Geração elétrica por fonte no mundo - 2009 - 18.980 TWh

Fonte: EPE (2012)

Atualmente há a necessidade de atender ao aumento da demanda de consumo de

energia, e ao mesmo tempo, manter o atual modelo de matriz energética brasileira como uma

das mais limpas do mundo, com o uso consciente dos recursos naturais.

Na

Tabela 2 é possível observar a capacidade instalada de fontes alternativas dos dez

países no mundo que mais investem em fontes de energia renováveis como a geotermia, solar

fotovoltaica, eólica, biomassa, marés, ondas e resíduos. Segundo dados da EPE de 2015, o

Brasil ocupou a nona posição com participação de 2,6% do total gerado por fontes alternativas

no mundo no ano de 2012, com crescimento de 13,0% em relação ao ano de 2011.

Os dados da

Tabela 2 enfatizam que, no planeta, os grandes países consumidores de energia são os

que mais investem em fontes alternativas. No Brasil, a geração de energia pelo sistema eólico

está sendo ampliado, mas ainda apresenta modesta participação na matriz energética nacional.

O sistema solar é muito utilizado para aquecimento de água, a geração de energia por placas

6

fotovoltaicas ainda é incipiente devido ao seu elevado custo e falta de incentivo por parte do

governo.

Tabela 2 - Capacidade instalada de fontes alternativas no mundo em GW – 10 maiores paises em 2012

2008 2009 2010 2011 2012

∆%

(2012/2011)

Part. %

(2012)

Mundo 200,60 242,00 286,80 377,50 459,70 21,80 100,00

1 – EUA 39,40 49,40 54,70 62,60 78,90 25,90 17,20

2 - Alemanha 36,00 43,10 52,80 63,00 72,90 15,80 15,90

3 - China 15,00 19,30 36,40 56,30 72,50 28,70 15,80

4 - Espanha 20,70 23,80 16,30 26,90 30,60 13,60 6,60

5 – Itália 6,40 8,90 12,50 23,40 29,10 24,50 6,30

6 – Índia 11,80 13,20 15,70 20,00 23,20 15,90 5,00

7 - França 5,00 6,40 8,60 12,50 14,50 16,10 3,20

8 - Reino Unido 5,20 6,40 7,60 10,70 13,80 29,30 3,00

9 - Brasil 5,50 6,30 8,90 10,50 11,80 13,00 2,60

10-Canadá 5,60 7,40 8,30 10,10 11,20 11,60 2,40

Outros 50,10 57,70 65,10 81,60 101,20 24,00 22,00

Fonte EPE (2015)

2.2. ZONEAMENTO BIOCLIMÁTICO BRASILEIRO

O Brasil ocupa a quinta posição em extensão territorial dos países no mundo, é cortado

pelas Linhas do Equador e do Trópico de Capricórnio, com grande variedade climática, foi

dividido pela ABNT, por meio da NBR 15220-3: Zoneamento Bioclimático Brasileiro (ABNT,

2003).

Figura 2 - Zoneamento Bioclimático Brasileiro

Fonte: ABNT, (2003)

7

O Zoneamento Bioclimático Brasileiro divide o Brasil em 8 zonas bioclimáticas de

acordo com as temperaturas máximas e mínimas, e as médias de umidade do ar. O município

de Sinop encontra-se na zona 8 do Zoneamento Bioclimático Brasileiro, conforme indicado na

Figura 2.

Segundo Roriz (2012), membro da Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente

Construído (ANTAC), este procedimento resultou em zonas de baixa homogeneidade climática

e em um número total de zonas insuficiente para refletir a diversidade climática do Brasil, e

assim propôs uma revisão da NBR15220-3 com dados do Instituto Nacional de Meteorologia

(INMET).

Esta revisão utilizou uma base de dados com quase o dobro do número de municípios

utilizados na NBR15220-3, considerou dados mais específicos de: latitude, longitude, distância

do lugar e o Oceano Atlântico, temperaturas e amplitudes térmicas, o território brasileiro foi

dividido em 233.455 células quadradas, cada uma com aproximadamente 6km de lado, com

dados interpolados pelo método Kriging. Os 5.564 municípios brasileiros foram classificados

em 20 zonas bioclimáticas.

Nesta revisão, o município de Sinop encontra-se na Zona Bioclimatica 12 com

temperatura média anual de 25,64°C, diferença entre a maior e a menor temperatura média

mensal de 2,9°C, média anual de amplitude térmica de 11,28°C, diferença entre a maior e a

menor amplitude térmica mensal de 8,2°C e código B1E2, conforme indicado na Figura 3.

Figura 3 - Zonas de 9 a 16 – temperaturas médias anuais entre 20 e 26°C

Fonte: Roriz, (2012)

8

2.3. CLIMA E LOCALIZAÇÃO DO MUNICÍPIO DE SINOP

A classificação climática do Estado de Mato Grosso é representada pela Figura 4, a

qual apresenta duas unidades climáticas: I - Clima Equatorial Continental com estação seca

definida (3 a 5 meses) e II – Clima Tropical Continental alternadamente úmido e seco. Essas

unidades são ainda divididas em subunidades de acordo com características referentes à

temperatura, pluviosidade e altitude (MAITELLI, 2005).

De acordo com a Figura 4, os municípios que se encontram nos domínios da

subunidade I-B, apresentam temperaturas médias anuais entre 24,3° e 26,8°C além de total

pluviométrico entre 1.800mm e 2.200mm, com período de seca nos meses de abril a setembro

(MAITELLI, 2005).

O município de Sinop tem sua localização ao norte do Estado de Mato Grosso, com as

coordenadas, Latitude: 11° 52’ 23” Sul e Longitude: 55º 29’ 54” Oeste (IBGE, 2013). Possui

uma altitude média de 380 metros, as coordenadas se situam entre a Linha do Equador e o

Trópico de Capricórnio, o que caracteriza o clima como equatorial quente úmido com chuvas

concentradas nos meses de verão e apresenta período de seca de seis meses e precipitação anual

de 2.500mm e a temperatura média anual é de 24,2ºC (MAITELLI, 2005).

Figura 4 - Classificação Climática de Mato Grosso (adaptado)

Fonte: (MAITELLI apud MARAFON; LEÃO, 2014)

9

A cobertura vegetal está representada pela mata de transição em uma subdivisão

denominada floresta ombrófila aberta e pelo cerrado. A área está localizada na unidade

geomorfológica denominada Planalto dos Parecis e sua estrutura geológica compreende a Bacia

Sedimentar dos Parecis. A rede hidrográfica corresponde à Bacia do Rio Teles Pires, afluente

do Rio Tapajós pertencente à Bacia Amazônica (MAITELLI, 2005).

Nesse sentido e de acordo com Marafon e Leão (2014), o município encontra-se na

região conhecida como Amazônia Legal e está localizada no Bioma da Amazônia, mas também

sofre influência também do Bioma do Cerrado e, devido a isso, o clima é considerado por

muitos autores como sendo de transição, conforme indicado na Figura 4.

A localização da sede do município de Sinop, encontra-se a cerca de 500 km de

distância ao norte da capital Cuiabá, tendo como principal via de acesso terrestre a BR 163 e

possui o segundo maior aeroporto do estado de Mato Grosso, Figura 5. De acordo com o Censo

Demográfico de 2010 do IBGE a população recenseada era de 113.082 habitantes e a extensão

territorial é de 3.942 km², sendo que a área urbana ocupa cerca de 50 km² e concentra 83 % da

população municipal (IBGE, 2013).

Figura 5 - Mapa de localização do Município de Sinop (adaptado pelo autor)

Fonte: IBGE, 2014; PORTAL MT, 2015

10

2.4. VENTILAÇÃO

A ventilação é a introdução ou remoção de ar de um ambiente, proporciona a

diminuição da temperatura, melhora o conforto térmico, renova e mantém a qualidade do ar e

serve como estratégia de resfriamento, de origem natural ou mecânica (FIGUEIREDO, 2007).

A ventilação natural é o fluxo de ar por aberturas existentes ou planejadas na

edificação, por meio da diferença de pressão. Na ventilação mecânica o fluxo de ar ocorre de

maneira forçada por intermédio de sistemas de ventilação ou de condicionadores de ar. Outra

diferença entre os modelos de ventilação é o consumo energético, porém a finalidade é trazer

conforto ao usuário e renovar o ar ambiente utilizando técnicas naturais (passivas) ou técnicas

artificiais (ativas) (FROTA; SCHIFFER, 2001).

Técnica ativa é um conjunto de tecnologias integrados à edificação, como a utilização

de condicionadores de ar. O sistema passivo pode ser considerado como um conjunto de

técnicas e metodologias construtivas que visa tirar proveito das condições ambientais onde a

edificação está inserida (RIO, 2011).

A utilização da técnica passiva na ventilação tem como finalidade a climatização do

ambiente sem a utilização de condicionadores de ar e também a redução do consumo energético

(SCHULZ, 2011). Nesse contexto devemos considerar as condicionantes ambientais tais como:

orientação solar, vegetação, utilização do solo, energia solar e direção do vento.

2.5. INÉRCIA TÉRMICA DO SOLO

O solo em pequenas profundidades possui um gradiente de temperatura que varia

muito pouco durante o dia. Também apresenta uma defasagem em relação a temperatura do ar,

ou seja, o solo se encontra quente durante o inverno e frio durante o verão (LETTI, 2012).

Segundo Brown e Dekay (2001) esse atraso térmico é em torno de dois a três meses, e essa

propriedade é conhecida como inércia térmica.

A inércia térmica faz com que o solo funcione como um grande capacitor térmico que

armazena calor no verão e libera no inverno (LETTI, 2012). A partir do conhecimento dessa

propriedade, o solo passa ser utilizado nas edificações de forma direta ou indireta.

O solo é usado de maneira direta desde os tempos mais remotos, onde o ser humano

construía abrigos enterrados, dessa forma, o solo funciona como sistema de proteção contra as

intempéries e isolante térmico. A utilização dos princípios da propriedade térmica do solo,

unido aos conceitos da geotermia, passam a ser empregados de forma indireta como um

11

trocador de calor para arrefecer ou aquecer ambientes, surge desta forma, um novo sistema de

ventilação para as edificações. Os principais meios de utilização do solo de forma indireta são

dados pela aplicação de bombas de calor, ventilação natural pelo subsolo e ventilação por tubos

enterrados (LETTI, 2012).

2.6. SISTEMA TROCADOR DE CALOR TERRA-AR EAHE

O subsolo é considerado uma fonte de energia. A exploração dessa fonte de energia

acontece através da utilização de trocadores de calor. Os trocadores de calor consistem em um

sistema de tubos enterrados que utilizam de maneira direta as propriedades térmicas do solo, e

as propriedades físicas de troca de calor (CRUZ, 2013).

Países pioneiros nessa tecnologia como a Áustria, Alemanha, Suíça e Estados Unidos

possuem maior desenvolvimento na área. Cruz (2013) ao explorar o conhecimento do sistema,

fez um estudo sobre aplicações bem-sucedidas pelo mundo. A Áustria possui duas grandes

obras consideráveis Torre Uniqa e o Túnel de Lainze, ambas utilizam captação vertical por

meio de estacas, na Alemanha o edifício do Centro de Energia Solar possui 200 estacas que

suprem 20% do consumo com aquecimento e 100% do consumo com arrefecimento, na Suíça

a tecnologia é bem difundida em residências unifamiliares, nos Estados Unidos há vários

exemplos como o Aeroporto de Portland e o Richard Stockton College.

Na América do Sul existem trabalhos realizados na área de geotermia com ar

(MUSSKOPF, 2006), na Argentina, Kuchen e Mattioli (2014) apresentam uma proposta para

conservação do patrimônio e desenvolvimento turístico sustentável no território de San Juan,

utilizam no sistema a água como fluido para aquecimento e arrefecimento.

2.6.1 Fluido líquido ou ar

A água é o fluido líquido mais comum em sistema com bomba de calor, na Figura 6

(A), tubos são instalados no sentido horizontal. O ar é outro fluido muito utilizado para fazer a

troca térmica, a exemplo da obra Aldo Leopold Legacy Center em Toronto, no Canadá, Figura

6 (B), esse sistema pode assumir diversas configurações que variam de acordo com as condições

do local e das necessidades de uso.

12

Figura 6 - (A) Sistema EAHE com liquido fechado e (B) Sistema EAHE aberto com ar

Fonte: Groen Energy (2012); (ALTER, 2008)

2.6.2 Sistema aberto e fechado

No sistema aberto, Figura 7 (A), o ar externo é insuflado de forma natural (passiva) ou

mecânica (ativa) com a utilização de um ventilador, o ar passa pela tubulação e é injetado na

edificação, a vantagem deste modelo é a renovação constante do ar e a desvantagem é a

influência da temperatura do ar exterior.

No sistema fechado, Figura 7 (B), o ar circula constantemente pela tubulação devido

a ventilação mecânica, o ar é captado de dentro do ambiente, passa pelo tubo EAHE e retorna

ao ambiente, a vantagem deste modelo é o aproveitamento da temperatura do ar ambiente e a

desvantagem é a não renovação do ar, por isso é menos utilizado.

Figura 7 - (A) Sistema aberto e (B) Sistema fechado

Fonte: Ozgener (2011)

2.6.3 Captação horizontal e vertical

O modelo de captação pode ser definido de acordo com a área disponível de terreno

para implantação das tubulações, que pode ser da forma horizontal ou vertical.

13

No modelo horizontal, Figura 8 (A), os tubos são enterrados a pequenas profundidades,

à cerca de 0,5m a 3,0m da superfície. A profundidade é determinada pelo clima e o número de

tubos a serem enterrados varia de acordo com o volume de ar a ser climatizado (CRUZ 2013).

O modelo vertical, Figura 8 (B), alcança maiores profundidades, segundo Cruz (2013)

as principais vantagens da disposição vertical em relação a horizontal é menor área de terreno

ocupada, menor degradação da superfície do solo, temperatura do solo mais estável, porém a

principal desvantagem é o custo mais elevado.

Figura 8 - (A) Modelo Horizontal e (B) Modelo Vertical

Fonte: Manutenção & Suprimentos (2012); Ambiente Bio (2012)

2.7. FATORES DE INFLUÊNCIA NO SISTEMA EAHE

Todas as variáveis a seguir devem ser consideradas no dimensionamento do sistema

EAHE, para isso foram desenvolvidos modelos matemáticos e softwares capazes de simular o

desempenho do sistema.

2.7.1 Clima

O clima é resultado de fatores ambientais globais e locais, portanto o clima de uma

área é composto pelos fatores e elementos climáticos; dentre os elementos do clima, os que

mais afetam o conforto humano são a temperatura e a umidade do ar, e dentre os fatores

climáticos, os que mais afetam são a radiação solar e a ventilação, assim, o clima “é a feição

característica e permanente do tempo, constante e previsível” (BARBIRATO et al., 2007, p.

21).

14

2.7.2 Profundidade

Quanto maior a profundidade maior será a capacidade térmica do solo. Dessa maneira

o gradiente de temperatura do solo varia de acordo com a profundidade, porém a temperatura

do solo se mantem constante mesmo em profundidades baixas. A profundidade ideal para tubos

de aquecimento é em torno de 2,0m a 4,0m e para tubos de arrefecimento a profundidade varia

entre 0,5m a 1,5m (SANTAMOURIS et al., 1996 apud MUSSKOPF, 2006).

2.7.3 Tipos de Solo

O tipo de solo interfere diretamente na transferência de calor do sistema. Quanto maior

a condutividade maior a troca de calor (MUSSKOPF, 2006). A Tabela 3 mostra os valores de

condutividade e difusividade térmica para diversas condições de solo disponível no Energy

Plus, solos mais úmidos possuem maior capacidade de condução.

Segundo Soares (2013) apud Merlin (2015) o solo de Sinop o solo de Sinop pode ser

considerado pesado saturado pois a cota do lençol freático se encontra a 2,5m em período de

estiagem e a 0,8m em períodos chuvosos.

Tabela 3 - Valores da condutividade e difusividade térmica do solo para diversas condições

Condições do solo Ks (W/mK) 𝜎s x 𝟏𝟎−𝟕 (m²/s)

Solo pesado, saturado 2,42 9,04

Solo pesado, molhado 1,30 6,45

Solo pesado, seco 0,865 5,16

Solo leve, seco 0,346 2,80

Fonte: Energy Plus (2010)

2.7.4 Cobertura do solo

A temperatura do solo próximo a superfície sofre forte influência da temperatura do

ar, o solo possui uma defasagem de temperatura em relação ao ar e funciona como um capacitor

térmico, armazena calor durante períodos quentes e libera em períodos frios. Além da

temperatura, umidade, vento e radiação solar, os níveis de pluviosidade, e o tipo de cobertura

do solo, também interferem no sistema (BARBIRATO et al., 2007).

15

2.8. CARACTERÍSTICAS DOS TUBOS EAHE

2.8.1 Material

Em seu trabalho de pesquisa, Schulz (2011), simula o desempenho de três materiais

diferentes de tubos: Aço, concreto e plástico com condutividade térmica de 45,3W/mK,

1,8W/mK e 0,2W/mK, respectivamente. Mesmo que o aço tenha uma condutividade bem

maior, o desempenho em relação ao concreto é semelhante. A escolha do material pode ser

definida de acordo com o custo-benefício.

2.8.2 Diâmetro

Em uma semana de temperatura elevada na cidade de Porto Alegre-RS, Schulz (2011)

chega à conclusão que, quanto maior o diâmetro do tubo maior a temperatura de saída. Esse

resultado era esperado, pois o aumento do diâmetro diminui o coeficiente de convecção no tubo.

Brown e Dekay (2001) obtiveram a mesma conclusão e determinam que o diâmetro ideal para

o sistema está entre 0,20m a 0,30m.

2.8.3 Comprimento

O aumento do comprimento do tubo faz com que aumente o tempo de transferência de

calor entre o ar e o solo e melhora o desempenho do sistema. Horbach (2010) simula diversos

comprimentos de tubo e conclui que em um determinado momento em tubos muito compridos

há um ponto de saturação, ou seja, ar e solo entram em equilíbrio térmico. Brown e Dekay

(2001) determinam comprimentos entre 10,0m a 90,0m.

2.8.4 Distância entre tubos

Com a aplicação do sistema EAHE a temperatura do solo é alterada, devido a troca

térmica se faz necessário uma distância adequada entre os tubos enterrados horizontalmente

para que não afetem a capacidade do sistema. Brown e Dekay (2001) indicam que a distância

ideal é de 3,0m entre os tubos, porém vários outros estudos citam casos com distâncias menores

que chegam a 0,50m como no caso de (RALEGAONKAR et al., 2014).

16

2.8.5 Velocidade do ar

A velocidade do ar dentro do tubo influência de maneira direta no sistema, pois a

velocidade interfere nos coeficientes de convecção. Brown e Dekay (2001) concluíram que a

velocidade indicada para o sistema é entre 2,5m/s a 8,0m/s, pois velocidades maiores aumentam

o aquecimento ou arrefecimento total, porém reduz o tempo de troca térmica.

2.9. ARDUÍNO

Arduino é uma plataforma com um microcontrolador de prototipagem de código aberto

baseado em hardware e software de fácil utilização. Desde um novato ou estudante até um

usuário avançado podem executar tarefas simples ou complexas de acordo com suas

necessidades e desafios por ser simples e acessível. É possível introduzir ao Arduino um

conjunto de instruções em seu microcontrolador e transformá-lo em uma saída para ativar

diversas funções como motores, relês, sensores de luz, sensores de temperatura, diodos a laser,

alto-falantes e microfones dentre outras inúmeras funções. (ARDUINO, 2015).

Professores e alunos utilizam Arduino para construção de instrumentos científicos que

necessitam de um microcontrolador, para provar princípios de química e física, ou a iniciação

em programação e robótica. O Arduino é uma ferramenta chave, flexível, de baixo custo para

ensinar e de fácil utilização para conceitos básicos de eletrônica e de programação. Qualquer

pessoa - crianças, amadores, artistas, programadores - pode começar a utilizar seguindo apenas

instruções de um kit, ou compartilhamento de ideias on-line com outros membros da

comunidade Arduino. (ARDUINO, 2015).

2.9.1 Hardware

Todas as placas Arduino são completamente open-source, que capacita os usuários a

construí-los de forma independente e, eventualmente, adaptá-los às suas necessidades

específicas. Os projetos das placas Arduino são publicados sob licença da Creative Commons,

para que os designers de circuito experientes possam fazer a sua própria versão do módulo,

estendendo-o e melhorá-lo (ARDUINO, 2015).

O fato do hardware do Arduino possuir um conjunto de soquetes ou pinos,

representados na Figura 9, permite que se desenvolvam placas adicionais, chamadas de Shields,

expandindo assim as funcionalidades dessa arquitetura, como por exemplo, adicionando

17

receptores GPS, telas de LCD, conexão de rede Ethernet e drive para cartão de memória do tipo

SD (PEREIRA, 2013).

Figura 9 - Placa do Arduino

Fonte: (ARDUINO, 2013 apud PEREIRA, 2013)

2.9.2 Software

O Software de desenvolvimento do Arduino é também open-source executável em

Windows, Macintosh OSX, Linux e sistemas operacionais, sendo que a maioria dos sistemas de

microcontroladores são limitados ao Windows. O Software Arduino (IDE) é fácil de ser

utilizado por iniciantes, e suficientemente flexível para usuários avançados (ARDUINO, 2015).

O idioma pode ser expandido através de bibliotecas C++, e as pessoas que querem

entender os detalhes técnicos pode avançar para a linguagem de programação C AVR no qual

é baseado (ARDUINO, 2015).

18

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Os protótipos objeto desse estudo estão instalados no Campus da UNEMAT,

localizado na região central da cidade de Sinop, conforme indicado na Figura 10.

Figura 10 - Localização dos protótipos no Campus da UNEMAT Sinop

Fonte: Autoria própria (2015); Portal MT (2015); Google Earth (2015)

Os dados foram coletados para esta pesquisa por meio de protótipos que são modelos

experimentais. Cada protótipo projetado e construído, recebeu um nome próprio simplificado

para facilitar a identificação conforme Tabela 4:

Tabela 4 - Tabela de identificação de protótipos

PROTÓTIPO NOME PRÓPRIO

Tubo guia com sensores de temperatura Tubo guia

Caixa de conectores e coletora de dados Caixa de dados

Tubo trocador de calor terra-ar EAHE de ferro Tubo EAHE de ferro

Tubo trocador de calor terra-ar EAHE de PVC Tubo EAHE de PVC

Ventilador 12 V com 3 velocidades Ventilador A

Ventilador industrial Ø400mm com dimerização Ventilador B

Ventilador industrial Ø300mm com dimerização Ventilador C

Ventilador tipo Cooler Ø150mm Ventilador D

Ventilador Ø125mm Ventilador E

Edificação de alvenaria com os tubos EAHE Edificação EAHE

Edificação de alvenaria sem os tubos EAHE Edificação normal

Fonte: Autoria própria (2015)

19

O trabalho foi desenvolvido em três etapas, as quais foram identificadas e realizadas

na seguinte sequência:

Etapa 1 – Identificação de temperaturas de um perfil de solo para determinar a

profundidade de instalação dos tubos EAHE;

Etapa 2 – Instalação dos tubos trocador de calor terra-ar EAHE de ferro e PVC e

avaliação do desempenho de troca térmica para utilização na Edificação EAHE;

Etapa 3 – Comparativo entre Edificação EAHE e Edificação normal.

Cada etapa é desenvolvida por protótipo específico que fornece dados e parâmetros

para a etapa seguinte, Figura 11.

Figura 11 - Fluxograma das três etapas e a conclusão


20

As três etapas são descritas de forma sucinta:

Etapa 1 – Identificação de temperaturas de um perfil de solo: por meio do Tubo guia

com 10,0m e 30 sensores, as temperaturas do solo são identificadas e determina-se a

profundidade adequada para implantação dos tubos EAHE da Etapa 2, na Figura 12 (A) é

possível observar o estudo em fase de projeto, na Figura 12 (B) o Tubo guia de PVC com

sensores de temperatura dividido em quatro partes para facilitar a montagem e na Figura 12 (C)

a Caixa de dados.

Figura 12 - (A) Em fase de projeto, (B) Tubo guia com sensores e (C) Caixa de dados


Etapa 2 – Instalação dos tubos trocadores de calor terra-ar EAHE: o Tubo EAHE de

PVC, 30,0m (branco) e o Tubo EAHE de ferro, 30,0m (cinza) foram enterrados em

profundidade determinada na Etapa 1, implantados na Edificação EAHE, Figura 13 (A), para

insuflar ar com temperatura próxima a temperatura do solo após troca térmica, Figura 13 (B).

Figura 13 - (A) Implantação dos tubos EAHE de ferro e PVC e (B) Medição na saída do tubo EAHE de PVC


21

Etapa 3 – Comparativo entre Edificação EAHE e Edificação normal: duas edificações

idênticas foram utilizadas para comparativo de desempenho. Na Figura 14 (A) observa-se a

Edificação normal à esquerda e a Edificação EAHE à direita, o ar é insuflado pelo ventilador

sob o guarda sol. A Figura 14 (B) mostra os confortímetros instalados nas duas edificações.

Figura 14 - (A) Edificação normal e Edificação EAHE e (B) Confortímetros instalados


A seguir, as três etapas são descritas de forma detalhada quanto a função e

instrumentação:

3.1. ETAPA 1 - IDENTIFICAÇÃO DE TEMPERATURAS DE UM PERFIL DE SOLO

Para identificação de temperaturas de perfil do solo foram utilizados sensores de

temperatura blindados DS18B20 e também sensores de temperatura e umidade DHT22, a

metodologia foi embasada em Pereira (2013) com a utilização de hardware e software

desenvolvidos com Arduino. A execução desta etapa é descrita na sequência em cinco partes:

- Montagem da Caixa de dados;

- 3.1.2 Calibração de sensores;

- 3.1.3 Montagem de sensores no Tubo guia;

- 3.1.4 Instalação do Tubo guia com sensores;

- Medição e coleta de dados.

3.1.1 Montagem da Caixa de dados

As temperaturas do solo foram coletadas por meio do Tubo guia com sensores de

temperatura com os cabos conectados à Caixa de dados. Os cabos de alimentação fase (+),

22

neutro (-) e dados são organizados por placas; os dados são processados por Arduinos acoplados

a placas Data logging com cartões tipo SD onde se armazenam os dados. A construção e

montagem da Caixa de dados seguem a seguinte sequência:

- 3.1.1.1 Preparo e montagem inicial da Caixa de dados;

- 3.1.1.2 Montagem de placas organizadoras;

- 3.1.1.3 Hardware – Arduinos e shields;

- 3.1.1.4 Montagem do Data logging shield V1.0 e painel de LCD;

- 3.1.1.5 Montagem da fonte de energia da Caixa de dados;

- 3.1.1.6 Montagem final da Caixa de dados;

- 3.1.1.7 Software - Arduino.

3.1.1.1 Preparo e montagem inicial da Caixa de dados

A Caixa de dados em chapa metálica é inicialmente uma caixa de ferramentas normal

com dimensões de 50,0cmx15,5cmx15,0cm (comprimento, largura e altura), Figura 15 (A),

foram executados cortes e furos para entrada de 30 conectores macho “tipo Mike” (15 do lado

“A” e 15 do lado “B”), sendo 28 para sensores de temperatura blindados DS18B20 e 2 para

sensores de temperatura e umidade DHT22, Figura 15 (B), pode-se observar o interior da Caixa

de dados na Figura 15 (C).

Figura 15 - (A) Caixa de ferramentas normal, (B) Furos e cortes e (C) Vista interna


3.1.1.2 Montagem de placas organizadoras

Os conectores macho são ligados a três placas organizadoras: sensores do lado “A”,

sensores do lado “B” e sensores de superfície lados “A” e “B”, essas placam separam os 3 cabos

23

fase (+), neutro (-) e dados de cada sensor.

Cada uma das placas para sensores blindados do lado “A” e lado “B” foram conectadas

a um Arduino Mega 2560 e um Data logging shield V1.0, os sensores de superfície lados “A”

e “B” foram conectados a um Arduino Uno e a um Data logging shield V1.0, totalizando três

conjuntos para organização dos cabos para a coleta de dados a serem armazenados em cartões

do tipo SD. Na sequência é possível observar, o lado frontal de uma placa virgem, Figura 16

(A), montagem frontal, Figura 16 (B) e montagem do verso de uma placa organizadora de

cabos, Figura 16 (C).

Figura 16 - (A) Placa virgem, (B) Montagem frontal e (C) Montagem do verso


3.1.1.3 Hardware – Arduinos e Shields

Os equipamentos utilizados para processamento e armazenamento de dados foram:

dois Arduinos Mega 2560 e um Arduino Uno R3, três Data logging shield V1.0 e três painéis

LCD 84x48 Nokia 5110, indicados na Figura 17 individualmente.

Figura 17 - Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 e Data logging shield V1.0


24

A Figura 18 identifica os dois conjuntos utilizados para coleta de dados, Arduíno Mega

2560 acoplado a um Data logging shield, Figura 18 (A), Arduino Uno R3 acoplado a um Data

logging shield, Figura 18 (B), e um painel LCD antes da montagem para ser acoplado ao Data

logging, Figura 18 (C).

Figura 18 - (A) Arduíno Mega 2560 + Data logging, (B) Arduíno Uno R3 + Data logging e (C) Painel LCD

84x48 Nokia 5110 desmontado


3.1.1.4 Montagem do Data logging shield V1.0 e painel de LCD

Os três Data logging shield V1.0 utilizados foram preparados para receberem painéis

de LCD 84x48 Nokia 5110 para visualização de dados, Figura 19.

Figura 19 - Data logging shield V1.0 (A) Lado inferior, (B) Lado superior e (C) Com painel de LCD


3.1.1.5 Montagem da fonte de energia da Caixa de dados

A energia de entrada da Caixa de dados passa por uma placa eletrônica utilizada em

sistema de cerca elétrica doméstica, faz a conversão de 127V para 12V acoplada a uma bateria

de 12V e 7A que pode manter a Caixa de dados por 12 horas sem energia na rede.

Na sequência, a placa eletrônica é testada com multímetro, Figura 20 (A), identificação

dos fios para a bateria fase (+) e neutro (-), o fio fase (+) do interruptor com retorno para os

Arduinos, o fio neutro (–) dos Arduinos e o cabo duplo a ser ligado em uma tomada 127V,

Figura 20 (B), e detalhe da ligação, Figura 20 (C).

25

Figura 20 - (A) Teste da placa, (B) Conexões para bateria, Arduinos e rede e (C) Detalhe da ligação


3.1.1.6 Montagem final da Caixa de dados

Montagem final da Caixa de dados com os conectores macho tipo “Mike” acoplados

a placas organizadoras, Figura 21 (A), Caixa de dados com a bateria posicionada, Figura 21

(B), e a finalização com Arduinos, Data logging e placa conversora 127V/12V instalada na

bateria, Figura 21 (C).

Figura 21 - (A) Cabos organizados na placa, (B) Bateria + placas e (C) Montagem final


3.1.1.7 Software - Arduino

A programação dos Arduinos em linguagem “C++” com tempo inicial de leitura a cada

5 minutos, foram criados para coleta de temperaturas de sensores blindados DS18B20 lados

“A” e “B” e outro para os dois sensores de temperatura e umidade DHT22 de superfície.

3.1.2 Calibração de sensores

Todos os sensores de temperatura digitais blindados DS18B20 e os sensores de

superfície que coletam dados de temperatura e umidade DHT22 foram calibrados previamente

com o confortímetro modelo HD 32.1 da Marca Delta OHM.

26

3.1.2.1 Equipamento de referência

Confortímetro modelo HD 32.1 da marca Delta OHM com certificado de calibração

do fabricante vigente de um ano, Figura 22, equipado com os sensores HP3275, Figura 23 (A),

TP3227K, Figura 23 (B) e HP3201, Figura 23 (C).

Figura 22 - Confortímetro modelo HD 32.1


Figura 23 - (A) Sensor HP3275, (B) Sensor TP3227K e (C) Sensor HP3201


3.1.2.2 Calibração de sensores

Para se obter as mesmas condições ambientais de comparação, entre os sensores de

referência HP3275 e TP3227K instalados em um tripé, Figura 24 (A), e aqueles a serem

calibrados, DS18B20 e DHT22, Figura 24 (B), foi construído um suporte de madeira indicado

na Figura 24 (C).

Em todos os cabos de sensores foram soldados em sua extremidade um conector fêmea

“tipo Mike” para conexão com a Caixa de dados.

27

Figura 24 - (A) Confortimetro HD32.1, (B) Suporte, sensores e Caixa de dados e (C) Suporte de madeira,

sensores a serem calibrados e sensores de referência à direita


Foram calibrados 28 sensores DS18B20 e 2 sensores DHT22 durante 24 horas no dia

15/02/2015.

3.1.3 Montagem de sensores no Tubo guia

A coleta de dados de temperaturas do solo foi executada por meio do Tubo guia com

sensores de temperatura digitais blindados DS18B20, Figura 25 (A), dois sensores de

temperatura para cada profundidade, identificados como lado “A” e “B”, formam dois sistemas

paralelos e independentes, um principal “A” e um reserva “B”, para garantir a coleta de dados

em caso de possível pane em algum dos sensores conforme indicado na Figura 25 (B). Na

superfície foram instalados 2 sensores de temperatura e umidade DHT22 “A” e “B”, em abrigo

protegido de intempéries como indicados na Figura 25 (C).

As profundidades determinadas para medição foram de 0,00m - 0,20m - 0,50m - 1,00m

- 1,50m - 2,00m - 2,50m - 3,00m - 4,00m - 5,00m - 6,00m - 7,00m - 8,00m - 9,00m e 10,00m,

totalizando 14 profundidades diferentes com 28 sensores DS18B20 e 2 sensores de superfície

DHT22.

Figura 25 - (A) Sensor DS18B20, (B) Sensores lados “A” e “B” e (C) Sensores DHT22


28

Duas montagens do Tubo guia foram executadas devido a problemas técnicos

apresentados na primeira montagem:

- A primeira montagem do Tubo guia apresentou problemas no teste final, falha na

transmissão de dados dos sensores nas profundidades maiores que 5,0m, devido a este problema

fez-se necessário a correção do mesmo;

- A segunda montagem do Tubo guia foi instalada com a substituição dos cabos, mas

após a instalação apresentou problemas de leitura de dados do lado “B” nas profundidades

maiores que 5,0m e posteriormente o lado “A” apresentou o mesmo problema.

Com os dados coletados para análise, determinou-se a profundidade para instalação

dos tubos EAHE da Etapa 2. No fluxograma da Figura 11 é possível observar a necessidade de

exumação e reparo do Tubo guia para correção deste protótipo. A montagem detalhada dos dois

Tubos guia, são descritos nos itens 3.1.3.1 e 3.1.3.2.

3.1.3.1 Tubo guia com cabo blindado de 3 vias e tubo de PVC Ø60mm marrom

Esta montagem utilizou cabo blindado de três vias, fase (+), neutro (-) e dados, para

cada sensor ligado individualmente à Caixa de dados. Cada sensor DS18B20 possui um metro

de cabo que foi complementado com cabo blindado, unidos por solda com estanho, Figura 26

(A), isolados individualmente com mangueiras termo retrátil de Ø3mm, Figura 26 (B), e todos

protegidos posteriormente com outra mangueira termo retrátil de Ø6mm, Figura 26 (C), na

extremidade oposta ao sensor foi instalado um conector fêmea “tipo Mike” que faz a conexão

com a Caixa de dados.

Figura 26 - (A) Solda com estanho, (B) Isolamento individual Ø3mm e (C) Sensor com cabo extendido


Na Figura 27 é possível observar a sequência de instalação de sensores DS18B20 no

tubo guia desde o primeiro furo do lado “A”, Figura 27 (A), alinhamento do furo “B”, Figura

27 (B), passagem de um guia para puxar o cabo com o sensor, fixação, vedação, organização,

proteção dos sensores durante o manuseio do tubo até a passagem de todos os cabos e instalação

29

do conector fêmea “tipo Mike”, Figura 27 (C).

Figura 27 - (A) Furo “A”, (B) Furo “A” e “B” com sensores DS18B20 e (C) Cabos com conectores “tipo Mike”


Ao executar o teste final com os sensores instalados no Tubo guia, observou-se que os

sensores das profundidades 5,00m – 6,00m – 7,00m – 8,00m – 9,00m e 10,00m não transmitiam

dados. Concluiu-se que, a transmissão de dados não foi estabelecida devido ao comprimento

do cabo.

Em teste com um cabo de rede (cat 5e) com 12,00m, verificou-se uma transmissão de

dados satisfatória, a partir deste resultado, foi adotado a utilização do cabo de rede (cat 6) que

além de possuir melhores características técnicas, possui também um elemento estrutural

interno.

3.1.3.2 Tubo guia com de cabo de rede de 8 vias cat 6 e tubo de PVC Ø40mm

A montagem com o cabo de rede de 8 vias (cat 6), possibilitou a transmissão de dados

dos sensores mais distantes e contribuiu para a diminuição da quantidade de cabos que resultou

na redução de peso e do diâmetro do tubo de 60mm para 40mm, Figura 28 (A). Após a

montagem dos sensores no tubo, o sistema foi testado e conectado à Caixa de dados e aprovado

para instalação, Figura 28 (B).

Figura 28 - (A) Tubo de PVC Ø 60mm marrom x tubo de PVC Ø 40mm branco e (B) Teste final do Tubo guia


30

A sequência da Figura 29, mostra parte do processo utilizado em uma emenda de cabo

de rede de 8 vias (cat 6) e seis cabos blindados de três vias, desde a separação, Figura 29 (A),

descascamento, solda com estanho 0,50mm, isolante líquido, Figura 29 (B), isolados

individualmente com mangueiras termo retrátil Ø3mm, Figura 29 (C), fita isolante e uma

camada de adesivo poliuretano PU.

Figura 29 - (A) Cabo de rede de 8 vias cat 6 com suporte interno, (B) Cabo de rede e de dados soldados com

estanho e protegidos com isolante líquido e (C) Cabos isolados com termo retrátil Ø3mm


Nesta montagem utilizou-se a via de cor laranja como fase (+), cor laranja e branco

como neutro (-) e as outras 6 vias para dados, desta forma um cabo de 8 vias foi utilizado para

os sensores do lado “A” nas profundidades de 10,00m – 9,00m – 8,00m – 7,00m – 6,00m e

5,00m, outro para os sensores de 4,00m – 3,00m – 2,50m – 2,00m – 1,50m e 1,00m e outro para

0,50m e 0,20m. Para o lado “B” foi adotado o mesmo critério de montagem.

3.1.4 Instalação do Tubo guia com sensores

A execução da perfuração do poço e a instalação do Tubo guia, foram executadas em

duas etapas descritas nos itens 3.1.4.1 e 3.1.4.2.

3.1.4.1 Perfuração do poço

A perfuração para a instalação do Tubo guia foi realizada junto ao Laboratório de

Eficiência Energética em Edificações (LEEE) da UNEMAT, sendo o poço perfurado

externamente a parede sul. O furo foi executado com uma ponteira de aço galvanizado, Figura

30 (A) e 12,0m de tubo de PVC branco para esgoto Ø50mm divididos em 4 peças de 3,0m cada

para facilitar a execução, Figura 30 (B).

31

Figura 30 - (A) Ponteira de aço galvanizado e (B) Tubos de PVC Ø 50mm


A execução da perfuração foi orientada e acompanhada por professor da área de

geotecnia. O procedimento consiste em, inicialmente utilizar a ponteira de aço para cavar até

aproximadamente 0,50m, Figura 31 (A), após essa profundidade, injetar água por mangueira

no interior do tubo que é socado e levantado constantemente sendo a terra do furo expulsada

pela água, Figura 31 (B), até atingir a profundidade determinada, Figura 31 (C).

Figura 31 - (A) Início da perfuração, (B) Utilização de água para perfuração e (C) Finalização da perfuração


3.1.4.2 Montagem e instalação

Ao atingir a profundidade adequada de 11,00m, com previsão de pequeno

desmoronamento, após a perfuração, o tubo de Ø50mm utilizado para a perfuração foi retirado

e substituído pelo Tubo guia de Ø40mm e 10,50m de comprimento com sensores de

temperatura, conforme indicado na Figura 32.

32

Figura 32 - Procedimento de colocação do Tubo guia Ø40mm com os sensores de temperatura blindados


O tubo com sensores foi posicionado e posteriormente aterrado com terra da respectiva

profundidade e água, ou seja, foi realizada a recomposição do perfil original do solo, de forma

alternada até o nivelamento com a superfície do solo, Figura 33(A). Foram coletadas amostras

do solo recomposto nas profundidades de: 0,20m – 2,00m – 4,00m – 6,00m – 8,00m e 10,00m

conforme indicação na Figura 33 (B).

Figura 33 - (A) Tubo com sensores aterrado e (B) Amostras do solo recomposto


Após aterramento do tubo com sensores, a parede do LEEE foi perfurada e um tubo

de PVC Ø100mm foi conectado para fazer a ligação e a proteção dos cabos entre o Tubo guia

dos sensores e o lado interno do laboratório, observado na Figura 34 (A). Os sensores de

superfície DHT22 para medição de temperatura e umidade “A” e “B”, foram instalados ao lado

do Tubo guia, conforme Figura 34 (B). Os conectores fêmea “tipo Mike” dos sensores foram

conectados a Caixa de dados após passarem pelo tubo de PVC Ø100mm, conforme Figura 34

(C).

33

Figura 34 - (A) Passagem de cabos pelo tubo de PVC Ø100mm, (B) Tubo guia com sensores de superfície e (C)

Conexão dos cabos tipo “Mike” na Caixa de dados


3.1.5 Medição e coleta de dados

O Tubo guia, Figura 34, é um protótipo que foi desenvolvido com finalidade de se

obter dados para a identificação de temperaturas de um perfil do solo. Conforme descrito no

item 2.3, o clima na região de Sinop é bem definido com seis meses de seca entre abril e

setembro e seis meses de chuva entre outubro e março. O período de coleta de dados ocorreu

em época de chuva entre os dias 27/02/2015 a 06/03/2015. Devido ao problema com o Tubo

guia e o tempo limitado disponível para realização desta pesquisa não foi possível a coleta de

dados do período de seca.

O programa desenvolvido em linguagem C++ para Arduino foi desenvolvido para

registro de temperaturas a cada 5 minutos para se obterem gráficos com temperaturas médias

semanais.

3.2. ETAPA 2: INSTALAÇÃO DE EAHE E AVALIAÇÃO DE TROCA TÉRMICA

As características dos tubos para este projeto foram determinadas de acordo com

informações em estudos anteriores (Horbach, 2010; Hollmuller et al., 2005, Schulz, 2011 e

Musskopf, 2006).

Por se tratar de um estudo empírico, os requisitos para a escolha dos tubos foram:

aplicabilidade de implantação em construções em áreas urbanas, viabilidade econômica,

disponibilidade no mercado e eficiência do sistema.

Os três principais tipos de materiais de tubos estudados para definir esta pesquisa

foram: ferro galvanizado, cerâmico e PVC com condutividade térmica de 52W/m.K, 1,2W/m.K

e 0,17W/m.K respectivamente (PROTOLAB, 2008). Os tubos selecionados foram: de ferro pela

34

melhor condutividade e de PVC pelo custo e disponibilidade no mercado. O tubo cerâmico foi

descartado pela dificuldade de compra na região, instalação, preço e logística.

Devido ao elevado custo do tubo de aço galvanizado (R$92,00/m), optou-se pelo tubo

de chapa de aço carbono com espessura de 1,52mm (R$23,00/m), assim como a curva de 90°

em chapa (R$95,00/unid.), substituída pela curva curta de PVC (R$15,00/unid.).

O diâmetro de 100mm foi definido, pelas relações entre: disponibilidade no mercado

x custo e volume interno de ar no tubo x área de parede do tubo.

O comprimento de 30,0m foi definido a considerar a implantação do sistema em lotes

urbanos, permitir o estudo de utilização de tubos com comprimentos menores e maior variação

de velocidade do ar para a troca térmica.

A distância adotada entre tubos foi de 0,50m, conforme estudo de caso realizado por

Ralegaonkar et al. (2014) na Índia.

O projeto de implantação dos tubos EAHE foi definido a partir da locação dos

protótipos de edificação já existentes e do espaço físico disponibilizado pela UNEMAT. As

extremidades de saída dos tubos EAHE de ferro e de PVC foram instaladas na Edificação

EAHE, devido a necessidade de abrigo para medição de velocidade do ar na saída do tubo e

posterior estudo comparativo na Etapa 3 desta pesquisa. A implantação dos tubos EAHE é

demonstrada na Figura 35, e apresenta a área ocupada pelos tubos EAHE, a qual não recebeu

nenhuma cobertura de superfície do solo.

Figura 35 - Locação dos protótipos de edificação e tubos EAHE na UNEMAT


35

As etapas para a construção, instalação e medição a partir destes protótipos, tem sua

sequência descrita pelas seguintes etapas:

- Preparo dos tubos de ferro e PVC;

- Escavação, instalação dos tubos de ferro e PVC e aterramento;

- Adaptação e montagem de ventiladores;

- Medição e coleta de dados com termo anemômetro.

3.2.1 Preparo dos tubos de ferro e PVC

Os tubos de ferro receberam tratamento de limpeza e pintura com esmalte sintético

industrial na cor cinza dos lados externo e interno, Figura 36 (A), e, posteriormente foram

transportados para o LEEE da UNEMAT, Figura 36 (B), para a montagem do sistema, Figura

36 (C).

Figura 36 - (A) Pintura dos tubos de ferro, (B) Tubos no LEEE da UNEMAT e (C) Montagem dos tubos EAHE


A montagem do Tubo EAHE de ferro com 30,0m de comprimento no sentido

horizontal utilizou 5,5 barras de 6,0m e 15 curvas curtas de PVC, coladas com adesivo

poliuretano PU, Figura 37 (A), toda montagem dos tubos EAHE foi executada no LEEE, Figura

37 (B).

A montagem do tubo EAHE de PVC com 30,0m de comprimento no sentido

horizontal, também utilizou 5,5 barras de 6,0m e 22 curvas curtas de PVC coladas com adesivo

plástico para tubos e conexões de PVC.

36

Figura 37 - (A) Tubo de ferro com curva em PVC e (B) Corte de tubo de ferro


3.2.2 Escavação, instalação dos tubos de ferro e PVC e aterramento

A área a ser escavada foi demarcada previamente para delimitar a escavação a ser

executada por meio mecânico, Figura 38 (A). Foi utilizada uma retroescavadeira por um

período de duas horas de serviço para abertura da vala com um metro de profundidade, o volume

escavado foi de aproximadamente 26,0m³, Figura 38 (B).

Figura 38 - (A) Início da escavação com marcos de delimitação e (B) Serviço de escação mecânica concluído


Após a conclusão da escavação mecânica, o aplainamento do solo foi executado

manualmente, os ajustes de profundidade, Figura 39 (A), e nivelamento dos tubos EAHE que

se fizeram necessários durante a montagem, foram executados com corpos de prova de

concreto, Figura 39 (B).

37

Figura 39 - (A) Verificação de profundidade e (B) Ajustes de nivelamento dos tubos EAHE


Após conclusão de instalação dos tubos EAHE, Figura 40 (A), o aterramento foi

executado de forma manual para preservar a integridade dos tubos e recompor as características

naturais do solo. Camadas de terra foram intercaladas com irrigação, Figura 40 (B), com o

objetivo de auxiliar na recuperação da umidade natural do solo e na compactação. Após o

aterramento, observou-se que restaram aproximadamente cinco por cento de terra, sendo que o

empolamento deste tipo de solo é de aproximadamente vinte por cento, desta forma concluiu-

se que a esta técnica de aterramento e compactação se mostrou eficiente. A superfície do solo

não recebeu cobertura de grama.

Figura 40 - (A) Tubos EAHE de ferro (cinza) e PVC (branco) instalados e (B) Trabalho manual de aterramento

em camadas intercaladas com irrigação


3.2.3 Adaptação e montagem de ventiladores

Para gerar deslocamento de ar nos tubos EAHE foi necessário criar um sistema de

insuflamento com a adaptação de ventiladores existentes no mercado. Inicialmente, dois

requisitos foram determinados para direcionar a escolha deste ventilador: força para insuflar o

38

máximo de ar nos tubos EAHE e ventilação sem a influência de calor gerado pelo motor

elétrico.

A busca por um ventilador que atendesse as necessidades deste estudo, culminou no

desenvolvimento de 5 protótipos de ventiladores que foram identificados da seguinte forma:

- Ventilador A – automotivo de 12V com 3 velocidades

- Ventilador B – Ø400mm exaustor industrial com dimerizador

- Ventilador C – Ø300mm exaustor industrial com saídas simples (C1) e dupla (C2)

com dimerizador

- Ventilador D – Ø150mm cooler

- Ventilador E – Ø125mm exaustor para banheiros

3.2.3.1 Ventilador A – Automotivo de 12V com 3 velocidades

O primeiro protótipo, foi um ventilador automotivo com duas entradas e duas saídas

sem contato direto com o motor. As duas saídas do ventilador convergem para uma câmara de

formato retangular, de modo que, uma placa de poliestireno sólido recortado e moldado faz a

transição para três saídas circulares, Figura 41 (A), e as conexões e tubos de PVC Ø75mm

convergem para um tubo de Ø100mm, Figura 41 (B).

O motor do ventilador automotivo possui controle para três velocidades e é alimentado

por uma bateria de 12V e 7A, uma placa eletrônica faz a conversão de 127V para 12V que

permite a utilização da rede elétrica, Figura 41 (C).

Durante os testes realizados entre os dias 29/06/2015 e 02/07/2015, observou-se que a

velocidade deste ventilador diminuiu e chegou a parar devido a superaquecimento.

Figura 41 - (A) Placa de adaptação, (B) Tubos e conexões de PVC e (C) Ventilador A em teste de vazão de ar


39

3.2.3.2 Ventilador B – Ø400mm exaustor industrial

Ao constatar a necessidade de um ventilador com resistência para testes de longa

duração, capacidade de insuflar ar com maior força e velocidade, foi desenvolvido um protótipo

a partir de um exaustor industrial com diâmetro de 400mm, e capacidade de vazão para exaustão

de 9.600m³/h (dados do fabricante), características condizentes para avaliar o desempenho do

sistema EAHE.

Para este exaustor industrial atender o objetivo, foram construídos duas peças de

redução: de Ø400mm para Ø150mm para a entrada e de Ø400mm para Ø100mm para a saída

de ar, Figura 42, o interruptor e o dimerizador para ajuste de velocidade foi instalado na

estrutura do equipamento.

Figura 42 - Ventilador B montado com interruptor e dimmer na versão inicial


Nos primeiros testes foram observados turbulência na câmara de entrada e baixo

rendimento mesmo na potência máxima. Para minimizar esta turbulência, o comprimento dos

cones de saída e entrada foram reduzidos, Figura 43 (A), a velocidade do ar aumentou, mas o

rendimento continuou baixo. Foi testado também com um extravasor lateral antes da entrada

do tubo EAHE, Figura 43 (B), mas não obteve melhor rendimento.

40

Figura 43 - (A) Ventilador B Ø400mm com cone reduzido e (B) Com extravasor lateral


A montagem e os testes com o Ventilador B ocorreram entre os dias 03/07/2015 e

10/07/2015, observou-se que, mesmo com grande potência, este ventilador não obteve o

rendimento necessário, portanto o resultado não foi satisfatório.

3.2.3.3 Ventilador C – Ø300mm exaustor industrial com saídas simples (C1) e dupla

(C2)

Após experiência com o Ventilador B, foi utilizado um exaustor industrial com

diâmetro de 300mm e vazão de exaustão de 1200m³/h (dados do fabricante), com motor menos

potente e menos geração de calor, diâmetro menor e menos perda na redução de diâmetro.

A versão inicial deste ventilador teve uma saída de Ø100mm, simples (C1), Figura 44

(A), já a segunda versão foi desenvolvida para duas saídas de Ø100mm, dupla (C2), Figura 44

(B), com objetivo de insuflar ar nos tubos de ferro e PVC simultaneamente para medições de

desempenho na Etapa 3.

Figura 44 - (A) Ventilador C1 com saída simples e (B) Ventilador C2 com saída dupla


41

A montagem e testes com o Ventilador C1 e C2 ocorreram entre os dias 11/07/2015 a

30/07/2015, com melhor rendimento que o Ventilador B, porém, sem alcançar a velocidade

necessária para avaliar o desempenho total dos tubos EAHE de ferro e de PVC.

3.2.3.4 Ventilador D – Ø150mm Cooler

Ao verificar grande perda de potência com a redução de diâmetro nos ventiladores B

e C para o tubo EAHE, foi testado um cooler de Ø150mm com capacidade de vazão de 240m³/h

(dados do fabricante). O Ventilador D não apresentou turbulência na medição de velocidade de

entrada do tubo, Figura 45 (A), porém no teste em campo, Figura 45 (B), não apresentou força

suficiente para empurrar o ar no tubo de 30,0m. Este ventilador foi montado e testado

paralelamente aos testes com o Ventilador C no período entre 15/07/2015 e 17/07/2015, sem

resultado satisfatório.

Figura 45 - Ventilador D (A) Cooler de Ø150mm com cone de redução para Ø100mm e (B) Em campo


3.2.3.5 Ventilador E – Ø125mm exaustor para banheiros

Ao testar o Ventilador D, foi disponibilizado pelo mesmo fornecedor, o Ventilador E

com características semelhantes e diâmetro menor, com capacidade de vazão de 145m³/h (dados

do fabricante). Este ventilador foi também montado e testado paralelamente aos testes com o

Ventilador C no período entre 15/07/2015 e 17/07/2015, sem resultado satisfatório para

deslocamento de ar em tubo com 30,0m de comprimento. Na Figura 46 (A), medição de

velocidade na entrada do tubo e na Figura 46 (B), teste em campo.

42

Figura 46 - Ventilador E (A) Medição de velocidade e (B) Teste em campo


3.2.4 Medição e coleta de dados com termo anemômetro

A metodologia proposta inicialmente utilizaria um ventilador com potência suficiente

para insuflar ar com velocidade superior ao máximo desempenho suportado pelos tubos EAHE,

a partir das velocidades de desempenho máximo nos tubos EAHE de ferro e PVC seria possível

determinar qual material é mais eficiente e também a obtenção de dados para análise do sistema.

A busca por um ventilador potente o suficiente para atender à necessidade deste estudo

fez com que vários ventiladores fossem testados com desempenhos diferenciados, mas nenhum

dos ventiladores testados obteve desempenho necessário.

3.3. ETAPA 3: DESEMPENHO DO EAHE EM EDIFICAÇÕES

Dois protótipos de edificação idênticos foram utilizados neste estudo, atendem as

exigências mínimas da norma NBR15575 (ABNT, 2013), construídos de modo mais próximo

às construções de habitação popular da região, utilizam paredes em tijolos cerâmicos com

reboco em ambos os lados com espessura total de 0,10m, piso em cimentado desempenado,

forro em PVC, cobertura em telha cerâmica de duas águas com inclinação de 35% e esquadrias

(porta e janela) de chapa metálica.

As estruturas (pilares, vigas e tesouras da cobertura) são metálicas, para permitir a

substituição de paredes, cobertura e forro para a realização de trabalhos futuros, motivo pelo

qual foi necessário reparo e ajustes para os dois protótipos ficarem idênticos nesta pesquisa.

As dimensões internas dos protótipos são 2,00mx2,00m com altura do pé direito de

2,70m, espessura de paredes 0,10m, projeção de beiral de 0,70m, porta 0,80mx2,10m e janela

1,00mx1,00m, na Figura 47 a planta e corte mostram os tubos EAHE da Edificação EAHE. As

43

posições dos protótipos seguem orientação da NBR 15575-1 (ABNT, 2013, p.34), com porta

para o norte, janela para o sul e paredes de vedação no leste e oeste, (LACO; LEÃO, 2013).

Figura 47 - Planta e corte da Edificação EAHE


A metodologia aplicada neste sistema segue à sequência descrita em três itens:

- Conexão dos tubos EAHE na Edificação EAHE

- Adequação e preparo dos protótipos

- Calibrações

3.3.1 Conexão dos tubos EAHE na Edificação EAHE

Os tubos EAHE de ferro e de PVC com Ø100mm foram instalados na Edificação

EAHE, primeiramente para servir de abrigo nas medições da Etapa 2. Na Etapa 3 a Edificação

EAHE é comparada à Edificação normal para verificação de desempenho dos tubos EAHE.

Observa-se no piso da Edificação EAHE a saída dos tubos EAHE de ferro (cinza) e PVC

(branco), Figura 48 (A), o tubo de Ø100mm para saída do ar quente na parte superior próximo

ao forro do lado interno, na Figura 48 (B), e do lado externo, Figura 48 (C).

44

Figura 48 - (A) Saída dos tubos EAHE de ferro e PVC, (B) Tubo de saída de ar quente do lado interno e

(C) Lado externo


3.3.2 Adequação e preparo dos protótipos

Foram necessários ajustes e correções para que os dois protótipos de edificação

utilizados ficassem iguais: substituição de telhas, Figura 49 (A), forros danificados, Figura 49

(B), e remoção de elementos utilizados em experimentos anteriores.

Figura 49 - (A) Substituição e reparos em telhado e (B) Complementação de forro de PVC


3.3.3 Calibrações

3.3.3.1 Confortímetros

Os dois confortímetros da marca Instrutemp, modelo ITWTG-2000, utilizados na

Edificação EAHE e na Edificação normal, foram previamente calibrados entre si por um

período de 24 horas com finalidade de verificar a dispersão, Figura 51, os procedimentos de

instalação e medição atendem a ISO 7726 (ISO, 1998).

45

Figura 50 - Calibração de confortímetros


3.3.3.2 Protótipos de edificação

Uma vez realizado a calibragem dos confortímetros, cada protótipo de edificação

recebeu um confortímetro por 24 horas, para realização de calibragem da Edificação EAHE

com a Edificação normal, Figura 51, antes da realização dos estudos comparativos.

Figura 51 - Confortímetros na Edificação EAHE e ao fundo na Edificação normal


3.3.4 Dados climatológicos

Para coleta dos dados climatológicos foi utilizado o equipamento empregado por

Sanches (2015) na metodologia de inserção do clima como critério para planejamento urbano,

com estação meteorológica fixa instalada no Campus da UNEMAT Sinop.

A estação meteorológica Vantage Pro2 do fabricante Davis Instruments é composta

por duas unidades principais, sendo um conjunto integrado de sensores e um console de

46

apresentação e registro dos dados obtidos. A comunicação entre essas duas unidades se dá

através de sistema “wireless” que tem alcance máximo de 300 metros (Davis Instruments, 2012

apud SANCHES, 2015).

Na tela do console, é possível visualizar os dados meteorológicos da estação, Figura

52 (A). Fornece ainda gráficos e alarmes de funções e permite a interface com um computador,

usando o software “WeatherLink”, disponibilizado pelo fabricante na aquisição do

equipamento.

Figura 52 - Estação Vantage Pro2 (A) Console e (B) Conjunto de sensores


O conjunto de sensores é composto por um coletor de chuva, sensores de temperatura

e umidade e anemômetro, Figura 52 (B). Completam esse conjunto um sensor de radiação solar,

adquirido separadamente, e uma central de coleta de energia solar com transmissor de dados.

Os sensores de temperatura e umidade são montados dentro de uma proteção contra

radiação de modo a minimizar seu impacto nas leituras dessas variáveis (SANCHES, 2015).

3.3.5 Medições de desempenho dos tubos EAHE em protótipos de edificação

O Ventilador C foi definido na Etapa 2 para ser utilizado na Etapa 3.

As coletas de temperaturas na Edificação EAHE e na Edificação normal foram

efetuadas durante 24 horas com a utilização do Ventilador C na velocidade máxima com:

- Dois tubos EHAE (ferro e PVC) conectados simultaneamente, Ventilador C2;

- Tubo EAHE de ferro, Ventilador C1;

- Tubo EAHE de PVC, Ventilador C1.

Os dados coletados nos protótipos de edificação e na estação meteorológica permitem

observar a influência da temperatura externa sobre o ambiente construído e também a eficiência

do sistema EAHE no ambiente interno, esta relação é verificada nos gráficos do ítem 4.3.

47

4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

4.1. ETAPA 1 – IDENTIFICAÇÃO DE TEMPERATURAS DE UM PERFIL DE SOLO

4.1.1 Calibração dos sensores DS18B20 e DHT22

Todos os sensores utilizados na Etapa 1 foram calibrados de acordo com a metodologia

descrita no item 3.1.2.2 e apresentaram resultados descritos na Tabela 5

Tabela 5 - Calibração de sensores

Referência 28,1 31,8 25,8 Referência 28,1 31,8 25,8

Sensores Média

(°C)

Máxima

(°C)

Mínima

(°C)

Erro

sensor

(°C)

Sensores Média

(°C)

Máxima

(°C)

Mínima

(°C)

Erro

sensor

(°C)

0,0 A 28,1 31,8 25,8 0,1 0,0 B 27,9 31,4 25,8 0,2

0,2A x x x x 0,2 B 28,0 31,6 25,9 0,1

0,5 A 28,0 31,7 25,7 0,1 0,5 B 27,9 31,5 25,7 0,2

1,0 A 28,0 31,8 25,8 0,1 1,0 B 28,0 31,6 25,9 0,1

1,5 A 28,1 31,8 25,8 0,0 1,5 B 28,1 31,7 25,9 0,0

2,0 A 28,1 31,8 25,8 0,0 2,0 B 28,0 31,6 25,8 0,1

2,5 A 28,1 31,9 25,8 0,0 2,5 B 28,0 31,6 25,8 0,1

3,0 A 28,1 31,9 25,8 0,0 3,0 B 28,0 31,6 25,8 0,1

4,0 A 28,1 31,9 25,8 0,0 4,0 B 28,0 31,6 25,8 0,1

5,0 A 28,1 31,8 25,8 0,0 5,0 B x x x x

6,0 A 28,1 31,8 25,8 0,1 6,0 B 28,0 31,5 25,8 0,2

7,0 A 28,2 31,9 25,9 0,1 7,0 B 27,9 31,5 25,8 0,2

8,0 A 28,0 31,7 25,8 0,1 8,0 B 28,1 31,7 25,8 0,1

9,0 A 28,1 31,8 25,8 0,0 9,0 B 28,0 31,5 25,8 0,2

10,0 A 28,0 31,7 25,7 0,1 10,0 B 28,1 31,6 25,8 0,0


A Caixa de dados não reconheceu duas unidades de sensores DS18B20 (0,2A e 5,0B)

dentre os 28 sensores DS18B20 e 2 DHT22 calibrados, os sensores foram descartados,

possivelmente por rompimento interno do cabo ou por defeito de fabricação.

A margem de erro admitida foi de 0,2°C, do total, 9 sensores não apresentaram

diferença de temperatura, 14 sensores apresentaram diferença de 0,1°C e apenas 5 sensores

apresentaram diferença de 0,2°C.

4.1.2 Leitura de dados e ocorrências

- Após 1 dia: Falha na leitura dos sensores dos lados “A” e ”B” nas profundidades 9,0m e

10,0m;

48

- Após 5 dias: Falha na leitura dos sensores do lado “B” nas profundidades 5,0m – 6,0m – 7,0m

e 8,0m;

- Após 15 dias: Falha na leitura dos sensores do lado “A” nas profundidades de 5,0m – 6,0m –

7,0m e 8,0m;

- Após 25 dias: Falha na leitura dos sensores dos lados “A” e “B” nas profundidades de 2,5m –

3,0m e 4,0m;

- Após 28 dias: Sensores do lado “B” em curto e sensores do lado “A” sem registro de leitura;

- Após 30 dias: Pane geral, o sistema parou de registrar dados e apresentou problemas em

hardware e software.

As falhas de leitura ocorreram devido a infiltração de água no interior do Tubo guia,

verificou-se que conforme o nível da água foi se elevando internamente, os cabos de sensores

entraram em curto e interromperam a leitura de dados de temperatura, em seguida o software

passou a não reconhecer as portas de entrada e posteriormente o hardware não aceitou a

introdução de nova programação. Foi constatado também danos nas placas de Arduino.

4.1.3 Sensores DHT22 de superfície e sensores DS18B20 blindados

Os dados da Figura 53 e Tabela 7 apresentam dados até a profundidade de 8,0m devido

a falha de leitura inicial nas profundidades de 9,0m e 10,0m.

Em um dia típico do período de chuva descrito no item 3.1.5, os sensores DHT22 de

temperatura de superfície e umidade, apresentaram amplitude térmica do ar de 16,1°C, as

maiores temperaturas foram registradas no período das 14h35m às 16h20m e as temperaturas

mínimas durante o período das 02h20m às 05h40m, outras temperaturas podem ser observadas

na Tabela 6.

Tabela 6 - Variação de temperatura ambiente de um dia

Temperatura máxima 38,4°C

Temperatura mínima 22,3°C

Temperatura média 26,7°C

Amplitude térmica 16,1°C


No mesmo dia, a Figura 53 e Tabela 7 apresentam dados da variação térmica do solo

de acordo com a profundidade, da maior amplitude (1,5°C) verificada na profundidade mais

superficial a 0,2m e da menor amplitude (0,06°C) em profundidades maiores.

49

A menor temperatura do solo foi de 25,1°C a 0,2m de profundidade, e a maior de

27,6°C nas profundidades de 6,0m – 7,0m e 8,0m, verifica-se que a temperatura do solo se torna

mais estável e mais elevada em maiores profundidades.

Figura 53 - Temperaturas médias e amplitudes em profundidades com sensores


Na Tabela 7 é possível verificar valores de temperaturas máximas, mínimas, médias e

a amplitude térmica da temperatura do solo, observa-se na profundidade de 1,0m, em destaque

a melhor relação entre a menor amplitude térmica x menor temperatura x menor profundidade,

sendo esta a profundidade a ser adotada para instalar os tubos EAHE da Etapa 2.

Tabela 7 - Temperaturas máximas, mínimas, médias e amplitude térmica

Profundidade

(m)

Temp.

Max. (C°)

Temp.

Min. (C°)

Temp.

Med. (C°)

Ampl.

Term. (C°)

0,2 26,62 25,12 25,87 1,50

0,5 26,37 26,19 26,28 0,18

1,0 26,62 26,56 26,59 0,06

1,5 26,81 26,75 26,78 0,06

2,0 27,00 26,87 26,94 0,13

2,5 27,06 27,00 27,03 0,06

3,0 27,12 27,06 27,09 0,06

4,0 27,31 27,19 27,25 0,12

5,0 27,37 27,25 27,31 0,12

6,0 27,62 27,5 27,56 0,12

7,0 27,62 27,56 27,59 0,06

8,0 27,62 27,56 27,59 0,06


25,84

26,32

26,58

26,77

26,9427,05 27,11

27,2527,31

27,54 27,60 27,57

25

25,5

26

26,5

27

27,5

28

0,2

0,5 1

1,5 2

2,5 3 4 5 6 7 8

Profundidades (m)

Tem

per

atu

ra d

o S

olo

°C

média

mínimo

máxima

50

A Figura 54 apresenta as amplitudes térmicas nas profundidades com sensores de

temperatura, verifica-se que, quanto maior a profundidade, menor a amplitude térmica.

Figura 54 - Amplitudes térmicas nas profundidades com sensores


4.2. ETAPA 2: INSTALAÇÃO DE EAHE E AVALIAÇÃO DE TROCA TÉRMICA

4.2.1 Desempenho de Ventiladores

- Ventilador A

- Ventilador B

- Ventilador C – C1 e C2

- Ventilador D

- Ventilador E

4.2.1.1 Ventilador A

O Ventilador A, é um ventilador de origem automotiva 12V que produz três

velocidades de entrada, 8,9m/s, 10,7m/s e 12,4m/s, que conectado ao Tubo EAHE de ferro teve

25,0

25,5

26,0

26,5

27,0

27,5

28,0

17 18 19 20 21 22 23 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16

Horário

Tem

per

atu

ra d

o s

olo

°C

8,0 (m)

7,0 (m)

6,0 (m)

5,0 (m)

4,0 (m)

3,0 (m)

2,5 (m)

2,0 (m)

1,5 (m)

1,0 (m)

0,5 (m)

0,2 (m)

51

velocidades de saída de 3,27m/s 3,93m/s e 4,91m/s e conectado ao Tubo EAHE de PVC teve

velocidades de saída de 3,5m/s, 4,17m/s e 4,97m/s.

Verifica-se na Tabela 8 que as três velocidades fornecidas pelo Ventilador A, não

foram suficientes para alterar a temperatura de saída dos tubos, o que impossibilita a

determinação do desempenho máximo dos tubos EAHE com 30,0m de comprimento. Durante

testes com maior tempo de funcionamento (aproximadamente cinco horas), o Ventilador A

“travou” devido a superaquecimento, este fato, e a limitação de velocidades, determinaram a

necessidade de um ventilador mais resistente, com maior potência e um dimerizador para

controle de vazão do ar.

4.2.1.2 Ventilador B

Após a montagem do Ventilador B, e efetuados os primeiros testes, foi verificado

turbulência e baixo rendimento, com velocidade de saída de 4,3m/s na potência máxima. Para

minimizar esta turbulência, o comprimento dos cones de saída e entrada foram reduzidos,

conforme Figura 43, logo, a velocidade aumentou para 5,5m/s na entrada, e na saída do Tubo

EAHE de ferro foi de 3,55m/s e no Tubo EAHE de PVC de 3,66m/s.

Em teste com extravasor lateral antes da entrada do tubo EAHE, na tentativa de

minimizar a turbulência, o desempenho diminuiu com velocidade de 1,94m/s na saída do Tubo

EAHE de ferro e de 1,98m/s na saída do Tubo EAHE de PVC. Ao final das medições com o

Ventilador B, verificou-se que a temperatura do ar de entrada sofreu interferência da

temperatura do motor devido a sua alta potência, pois a temperatura do ar no extravasor foi de

36,1°C, enquanto a temperatura ambiente era de 35,7°C.

Os dados apresentados na Tabela 9 foram coletados em um dia do período de seca,

entre os horários de 13h30m e 17h30m, neste período a temperatura externa variou

significativamente em 8,0°C.

O Ventilador B, fabricado para grande vazão de ar como exaustor, com 400mm de

diâmetro, não atendeu a necessidade da Etapa 2, devido ao baixo rendimento quando utilizado

como “insuflador”. Durante as medições verificou-se elevado nível de ruído, turbulência e

aquecimento do ar de entrada gerado pelo calor do motor. Devido ao alto consumo de energia,

aquecimento excessivo e baixo rendimento, a utilização do Ventilador B foi descartada.

52

4.2.1.3 Ventilador C – C1 e C2

O Ventilador C, com diâmetro de 300mm, na versão simples (C1) apresentou

velocidades máxima de entrada de 6,5m/s e de saídas no Tubo EAHE de ferro de 3,69m/s e no

Tubo EAHE de PVC de 3,72m/s, a versão dupla (C2) apresentou velocidades máximas de

entrada de 5,3m/s, e de saídas no Tubo EAHE de ferro de 2,51m/s e no Tubo EAHE de PVC

de 2,67m/s, simultaneamente.

A versão C1, obteve a melhor velocidade de entrada dentre os ventiladores testados.

A versão C2, obteve bom desempenho na vazão para dois tubos Ø100mm que proporcionou a

utilização do Tubo EAHE de ferro e do Tubo EAHE de PVC simultaneamente na Etapa 3. Este

foi o ventilador com melhor desempenho, mas também não conseguiu explorar o potencial

máximo dos tubos EAHE.

4.2.1.4 Ventilador D

O Ventilador D é um cooler de Ø150mm, que obteve velocidade de entrada de

3,32m/s, e de saída no Tubo EAHE de ferro de 2,00m/s e no Tubo EAHE de PVC de 2,09m/s.

Possui capacidade de vazão de 240m³/h (dados do fabricante).

4.2.1.5 Ventilador E

O Ventilador E, é um ventilador de alta rotação, baixo consumo, alto rendimento e

baixo nível de ruído, com capacidade de vazão de 145m³/h (dados do fabricante), apresentou

velocidade de entrada de 3,62m/s, e de saída no Tubo EAHE de ferro velocidade de 1,71m/s e

no Tubo EAHE de PVC 1,84m/s, mas não obteve bom desempenho nos testes efetuados.

4.2.2 Avaliação do Ventilador A

A coleta de dados, apresentados na Tabela 8, foi obtida em um dia do período de seca

no horário de 13h00m. As especificações do Ventilador A estão descritas no item 3.2.3.1.

A diferença de temperaturas do ar no interior da Edificação EAHE e na saída dos tubos

EAHE atingiu 8,6°C, conforme indicado na Tabela 8.

53

A velocidade de saída do ar no Tubo EAHE de PVC é, em média 4,78% maior que a

velocidade no Tubo EAHE de ferro. Esse percentual indica que o atrito do ar com a parede no

tubo de ferro é maior do que no tubo de PVC.

Tabela 8 - Ventilador A - Temperaturas e velocidades

Protótipos de

Ventiladores

Veloc.

de

Entr.

(m/s)

Temp.

Exter.

Amb.

(°C)

Temp.In

t. Edif.

EAHE

(°C)

Temp.

Saída

Ferro

(°C)

Temp.

Saída

PVC

(°C)

Veloc.

Saída

Ferro

(m/s)

Veloc.

Saída

PVC

(m/s)

A - 12V - velocidade 1 8,9 33,3 34,5 25,9 25,9 3,27 3,5

A - 12V - velocidade 2 10,7 33,3 34,5 25,9 25,9 3,93 4,17

A - 12V - velocidade 3 12,4 33,3 34,5 25,9 25,9 4,91 4,97


4.2.3 Avaliação dos Ventiladores B, C, D e E

A Tabela 9 apresenta dados fornecidos pelos fabricantes, que se comparados, o motor

do Ventilador B é 3,57 vezes mais potente, e a vazão é 8 vezes maior que o Ventilador C. Os

ventiladores B e C adaptados, não obtiveram desempenho satisfatório na utilização como

insufladores, possivelmente por serem concebidos para funcionarem como exaustores em

ambientes industriais.

O Ventilador D e o Ventilador E são boas opções para tubos EAHE com menor

comprimento devido as características desses equipamentos: dimensões reduzidas, baixo

consumo, baixo nível de ruído, custo menor e facilidade de instalação.

Tabela 9 - Ventiladores B, C1, C2, D e E - Velocidades, trocas e potências

Protótipos de

Ventiladores

Veloc. de

Entrada

(m/s)

Veloc.

Saida

Ferro

(m/s)

Veloc.

Saida

PVC

(m/s)

Trocas

de

ar/hora

ferro

Trocas

de

ar/hora

PVC

Potênc.

motor

(W)

Vazão

Fabr.

(m³/h)

RPM

B - Ø400mm c/ dim. 5,5 3,55 3,49 9,29 9,14 250 9.600 1.700

B - Ø400mm c/ extr./dim. 5,5 1,94 1,98 5,08 5,18 250 9.600 1.700

C1 - Ø300mm 1 saida 6,5 3,69 3,72 9,66 9,73 70 1.200 1.700

C2 - Ø300mm 2 saidas 5,3 2,51 2,67 6,57 6,99 70 1.200 1.700

D - Ø150mm cooler 3,32 2 2,09 5,24 5,47 32 240 2.000

E - Ø125mm exaustor 3,62 1,71 1,84 4,48 4,82 16 145 2.300

Média 6,72 6,89


O estudo comparativo de desempenho de ventiladores fez com que outros aspectos do

sistema EAHE, tivessem que ser observados nesta pesquisa:

a) Diferença de vazão devido ao atrito do ar com a parede dos tubos de ferro e PVC;

54

b) Perda de carga das conexões;

c) Relação entre potência de motor x insuflamento de ar em tubo EAHE;

d) Tipos e características de ventiladores – sucção e insuflamento.

4.2.4 Perda de Carga

Na Tabela 10 é possível observar que as trocas de ar por hora nos tubos de ferro e PVC

são em média de 10,79 trocas de ar por hora, e a média entre as perdas de carga dos Tubos

EAHE de ferro e EAHE de PVC, apresenta o valor de 61,42% da velocidade do ar.

Tabela 10 - Ventilador A - Trocas pode ar por hora e perda de carga

Protótipos de

Ventiladores

Trocas de

ar/hora

ferro

Trocas de

ar/hora

PVC

Perda

carga

EAHE

ferro (%)

Perda

carga

EAHE

PVC (%)

A - 12V - velocidade 1 8,56 9,16 63,26 60,67

A - 12V - velocidade 2 10,28 10,92 63,27 61,02

A - 12V - velocidade 3 12,85 13,01 60,40 59,91

MÉDIA 10,56 11,03 62,31 60,53


A perda de carga é calculada ao converter cada conexão em valor correspondente em

comprimento linear de tubo, desta forma é possível calcular a perda de carga de determinada

tubulação em comprimento sem conexões. O valor de 1,6m por conexão utilizada foi extraído

de apostila de instalações hidráulicas da UFSC.

De forma sintética, a perda de carga pode ser calculada a partir de:

a) Tubo EHAE de ferro - 30m + (15curvas x 1,6m) = 54,0m;

b) Tubo EAHE de PVC - 30m + (22curvas x 1,6m) = 65,2m.

Após cálculo, verificou-se que o Tubo EAHE de PVC é 20,74% mais comprido em

relação ao tubo de ferro. O Tubo EAHE de PVC teve em média 4,78% melhor rendimento que

o Tubo EAHE de ferro. Ao final conclui-se que o desempenho do tubo de PVC é 25,52% melhor

que o tubo de ferro.

Observa-se na Tabela 11, a diferença de temperaturas do ar no interior da Edificação

EAHE com as de saída dos tubos EAHE, atingiu 8,9°C com Ventilador C2.

55

Tabela 11 - Ventiladores B, C1, C2, D e E - Temperaturas e velocidades

Protótipos de Ventiladores

Veloc.

de

Entrada

(m/s)

Temp.

Exter.

(°C)

Temp.

Interna

Edif.A

(°C)

Temp.

Saída

Ferro

(°C)

Temp.

Saída

PVC

(°C)

Veloc.

Saida

Ferro

(m/s)

Veloc.

Saida

PVC

(m/s)

B - Ø400mm c/ dimerizador 5,5 34 35,1 26,5 26,6 3,55 3,66

B - Ø400mm c/ extr. lat. e dim. 5,5 35,7 35,9 27,2 27,2 1,94 1,98

C1 - Ø300mm 1 saida vel. max. 6,5 36,1 36,9 27,6 27,5 3,69 3,72

C2 - Ø300mm 2 saidas vel. max. 5,3 36,1 36,9 27,2 27,2 2,51 2,67

D - Ø150mm cooler 3,32 28,1 28,7 26,6 26,5 2 2,09

E - Ø125mm exaustor de banh. 3,62 28,1 28,7 26,7 26,4 1,71 1,84

MÉDIA

33,22 33,50 26,92 27,02


4.3. ETAPA 3 – DESEMPENHO DO EAHE EM EDIFICAÇÕES

O Ventilador C foi o que apresentou melhor desempenho na Etapa 2 para ser utilizado

na Etapa 3, com a possibilidade de utilização simultânea nos tubos EAHE de ferro e de PVC e

robustez para medições por longo período.

4.3.1 Tubo EAHE de ferro

A Figura 55 e Tabela 12, mostram a influência do Tubo EAHE de ferro na Edificação

EAHE, a partir das 12h00m até às 21h00m, a temperatura da Edificação EAHE passa a ser

inferior à da Edificação normal, o resfriamento com o tubo EAHE teve maior diferença de

temperatura às 16h00m. A partir das 21h00m até às 12h00m, num processo inverso, o tubo

EAHE passa a aquecer a Edificação EAHE com maior diferença às 6h00m.

A diferença de temperatura entre as edificações foi de até -0,78°C para resfriamento

durante o dia, e de 0,60°C de aquecimento durante a madrugada, constatando que a Edificação

EAHE passa a ter temperatura maior que a Edificação normal devido a influência do tubo

EAHE. A quantidade de trocas de ar do ambiente observados na Tabela 9, foi de 9,66 trocas

por hora.

Na Figura 55, pode-se determinar o horário de melhor desempenho do tubo EAHE

para resfriamento, que ocorre a partir das 12h00m até 21h00m.

56

Figura 55 - Temperaturas: na Edificação EAHE com Tubo EAHE de ferro, na Edificação Normal e externa


Tabela 12 - Tubo EAHE de ferro

Horário Edficação

EAHE (°C)

Edficação

Normal (°C)

Temperatura

do Ar Externo (°C)

Diferença

Temperatura (°C)

10:00 28,72 28,37 30,28 0,35

11:00 30,33 30,28 31,18 0,05

12:00 31,67 31,82 31,88 -0,15

13:00 32,68 33,10 32,88 -0,42

14:00 33,35 33,87 33,65 -0,52

15:00 33,58 34,30 33,57 -0,72

16:00 33,12 33,90 33,48 -0,78

17:00 32,12 32,53 32,30 -0,42

18:00 30,80 30,95 29,53 -0,15

19:00 29,48 29,57 26,87 -0,08

20:00 28,42 28,52 26,16 -0,10

21:00 27,77 27,77 26,18 0,00

22:00 27,15 27,03 25,73 0,12

23:00 26,57 26,40 24,97 0,17

00:00 26,07 25,90 24,48 0,17

01:00 25,60 25,25 23,67 0,35

02:00 25,12 24,60 22,82 0,52

03:00 24,55 23,98 22,15 0,57

04:00 24,02 23,45 21,72 0,57

05:00 23,62 23,02 21,37 0,60

06:00 23,47 22,87 21,37 0,60

07:00 24,30 23,78 23,13 0,52

08:00 26,32 25,72 26,32 0,60

09:00 28,40 27,92 29,50 0,48


Foi constatado que a influência do Tubo EAHE de ferro para resfriamento teve início

às 12h00m, a maior diferença de temperatura às 16h00m e neutralidade às 21h00m, de acordo

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°C)

Horário

Edificação EAHE Edificação Normal Temperatura do ar externo

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com dados apresentados na Tabela 12. As amplitudes térmicas foram de 10,11°C na Edificação

EAHE, 11,43°C na Edificação Normal e 12,28°C no ambiente externo.

4.3.2 Tubo EAHE de PVC

O Tubo EAHE de PVC obteve desempenho semelhante ao Tubo EAHE de ferro

conforme observado na Figura 56 com período de resfriamento durante o dia e aquecimento

durante a noite.

Neste gráfico, é possível observar que o período de resfriamento do Tubo EAHE de

PVC é das 11h00m às 00h00m, portanto maior, comparado ao Tubo EAHE de ferro que foi das

12h00m às 21h00m.

Figura 56 - Temperaturas: na Edificação EAHE com Tubo EAHE de PVC, na Edificação Normal e externa


Na Tabela 13 observa-se que a diferença máxima de temperatura para resfriamento

entre as edificações, às 14h00m, foi de -0,90°C com o Tubo EAHE de PVC, e, durante a

madrugada num processo lento, porém inverso, às 6h00m, aqueceu e atingiu 0,47°C.

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Horário


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Tabela 13 - Tubo EAHE de PVC


EAHE (°C)

Edficação

Normal (°C)

Temperatura

do Ar Externo (°C)

Diferença

Temperatura (°C)

10:00 30,55 30,50 33,48 0,05

11:00 32,18 32,45 34,65 -0,27

12:00 33,50 33,95 35,48 -0,45

13:00 34,28 35,07 36,02 -0,78

14:00 34,87 35,77 35,73 -0,90

15:00 35,37 36,17 35,28 -0,80

16:00 35,27 36,08 34,85 -0,82

17:00 34,33 35,02 33,23 -0,68

18:00 33,25 33,88 31,38 -0,63

19:00 32,13 32,68 29,85 -0,55

20:00 31,13 31,55 28,63 -0,42

21:00 30,10 30,50 27,82 -0,40

22:00 29,35 29,60 27,38 -0,25

23:00 28,62 28,70 26,68 -0,08

00:00 28,03 28,03 26,37 0,00

01:00 27,60 27,48 26,12 0,12

02:00 27,17 27,00 25,70 0,17

03:00 26,73 26,55 25,23 0,18

04:00 26,30 26,02 24,32 0,28

05:00 25,90 25,55 23,85 0,35

06:00 25,63 25,17 23,85 0,47

07:00 25,73 25,40 25,75 0,33

08:00 27,38 26,98 29,02 0,40

09:00 29,08 28,75 31,12 0,33


Em comparação com o Tubo EAHE de ferro, o de PVC obteve maior diferença de

temperatura para resfriamento, -0,78°C e -0,90°C, respectivamente, e menor diferença de

temperatura para aquecimento, 0,60°C e 0,47°C, respectivamente.

As amplitudes térmicas foram de 9,74°C na Edificação EAHE, 11,00°C na Edificação

Normal e 12,17°C no ambiente externo.

4.3.3 Tubos EAHE ferro + PVC

Na Figura 57 e na Tabela 14 observa-se maior diferença das temperaturas entre a

Edificação EAHE e a Edificação Normal para resfriamento e aquecimento em relação às

versões anteriores, diferença máxima de temperatura durante o dia de -1,88°C para resfriamento

e durante a madrugada de 1,07°C para aquecimento.

Os Tubos EAHE de ferro + PVC obtiveram melhor desempenho devido a maior vazão

de ar. Na Figura 57, observa-se a quantidade de trocas de ar por hora do ambiente, com 9,66

trocas do Tubo EAHE de ferro, com 9,73 trocas do Tubo EAHE de PVC e juntos 13,56 trocas

por hora.

59

Figura 57 - Temperaturas: Edificação EAHE com Tubo EAHE de ferro+PVC, Edificação Normal e externa


Tabela 14 - Tubos EAHE de Ferro + PVC


EAHE (°C)

Edficação Normal

(°C)

Tempreratura

do Ar Externo (°C)

Diferença

Temperatura (°C)

10:00 30,00 30,30 31,20 -0,30

11:00 31,43 32,15 33,30 -0,72

12:00 32,50 33,70 34,20 -1,20

13:00 33,23 34,78 34,70 -1,55

14:00 33,78 35,45 35,20 -1,67

15:00 33,93 35,68 35,40 -1,75

16:00 33,40 35,28 34,70 -1,88

17:00 32,60 34,03 34,00 -1,43

18:00 31,72 32,72 31,30 -1,00

19:00 30,67 31,55 29,40 -0,88

20:00 29,73 30,48 28,90 -0,75

21:00 28,92 29,40 27,90 -0,48

22:00 28,08 28,28 26,70 -0,20

23:00 27,53 27,55 25,80 -0,02

00:00 26,98 26,78 24,70 0,20

01:00 26,42 25,98 23,40 0,43

02:00 25,87 25,25 22,70 0,62

03:00 25,37 24,50 22,30 0,87

04:00 24,95 23,92 21,60 1,03

05:00 24,55 23,48 21,50 1,07

06:00 24,52 23,47 21,70 1,05

07:00 25,08 24,52 22,90 0,57

08:00 26,47 26,48 26,90 -0,02

09:00 28,62 28,78 30,10 -0,17


Os Tubos EAHE de ferro + PVC obtiveram juntos, maior período de resfriamento se

comparados isoladamente, na Tabela 14 identifica-se início do resfriamento às 8h00m até

depois das 23h00m. As amplitudes térmicas foram de: 9,41°C na Edificação EAHE, 12,20°C

na Edificação Normal e 13,90°C no ambiente externo.

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5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A identificação de temperaturas de perfil do solo incide na Etapa 1, devido a

particularidade do solo da cidade de Sinop que possui lençol freático aflorado, 0,8m em época

de chuva e 2,5m em época de seca, os cabos dos sensores de temperatura utilizados

apresentaram vários problemas técnicos relacionados com o isolamento da emenda e

comprimento para a transmissão de dados, a falha na vedação dos furos por onde passam os

cabos pode ter contribuído para a inundação do interior do Tubo guia.

A análise da exumação do Tubo guia poderá trazer dados para aprimorar e redefinir o

experimento desta etapa. O software também necessita de ajustes quanto ao registro de data e

hora. O hardware com Arduinos e Shields foram danificados e necessitam ser substituídos.

Acredita-se que, caso estes problemas sejam solucionados, possivelmente esse sistema poderá

ser utilizado também em outros tipos de solo.

Na Etapa 2 foram instalados os Tubos EAHE de ferro e de PVC, a necessidade de

insuflar ar pelos tubos EAHE culminou em uma pesquisa sobre ventiladores, nesta etapa foi

verificado também o desempenho da troca térmica do ar com o solo por meio dos tubos EAHE.

O ferro possui transmitância térmica de 52W/m.K e o PVC de 0,17W/m.K ou seja,

305 vezes maior, mas ambos enterrados em ambiente saturado o desempenho foi muito

próximo. O tubo de PVC apresentou melhor desempenho devido ao menor atrito do ar com a

parede do tubo. Na relação de custo x benefício, o tubo de PVC apresentou as principais

vantagens quanto ao custo, manuseio, resistência a corrosão, peso e disponibilidade no

mercado.

Encontrar um ventilador adequado que atendesse a necessidade desta pesquisa para

insuflamento de ar nos tubos EAHE, foi o maior desafio encontrado nesta etapa, chegou-se a

conclusão da necessidade de um estudo específico sobre ventiladores insufladores para tubos

com 30,0m de comprimento.

A partir dos resultados da Etapa 2 concluiu-se que, a utilização de tubos com menor

comprimento e a utilização de ventiladores de baixa potência, podem ser melhores na relação

custo x benefício x desempenho, que o potencial do sistema EAHE existe, pois, a troca térmica

entre o ar e o solo chegou a -8,6°C, e que o Tubo EAHE de PVC é 25,52% mais eficiente que

o Tubo EAHE de ferro.

Na Etapa 3 pôde-se concluir que o potencial do sistema EAHE aplicado em edificações

existe, pois, a diferença de temperatura de ar do ambiente interno e das saídas dos tubos EAHE

chegou a 9,7°C. Ao verificar dados das temperaturas apresentadas nas tabelas 12, 13 e 14,

61

verifica-se que quanto maior for a capacidade de resfriamento, maior é o período de

aproveitamento do sistema, verifica-se também que de noite a Edificação EAHE é mais quente

que a Edificação normal, sendo este sistema indicado para ser utilizado durante o dia em locais

quentes como a cidade de Sinop. A menor amplitude térmica na Edificação EAHE em relação

a Edificação normal e a temperatura externa indicam que uma edificação com o sistema EAHE

tende a ter a temperatura interna mais estável.

A diferença de temperatura apresentada entre a Edificação EAHE e a Edificação

normal foi de até 0,81°C com um tubo de PVC, e de 1,88°C com dois tubos (ferro + PVC).

Aumentar a quantidade de tubos ou o diâmetro e dimensionar o comprimento do tubo EAHE

de acordo com a velocidade do ar, são fatores que podem influenciar e melhorar o desempenho

do sistema, visto que, a diferença entre a temperatura interna da Edificação EAHE e a

temperatura de saída do ar nos tubos EAHE, é de aproximadamente 10°C.

A quantidade de trocas de ar interna proporcionada pelo sistema EAHE é um fator

muito importante a ser considerado, principalmente em ambientes com grande número de

pessoas, podemos considerar o potencial do sistema EAHE para renovar o ar em locais

climatizados com ar condicionado sem o aumento de consumo de energia.

62

TRABALHOS FUTUROS

ETAPA 1 – IDENTIFICAÇÃO DE TEMPERATURAS DE UM PERFIL DE SOLO

a) Exumação do tubo guia com sensores de temperatura e análise dos defeitos;

b) Construção de tubo guia para coleta de temperaturas de um perfil de solo: sensores,

hardware e software;

c) Instalação e operação de tubo guia: materiais e métodos padrão;

d) Caracterização de temperaturas do perfil de solo até 10m no período de 1ano;

e) Dados para validar simulação em softwares termoenergéticos.

ETAPA 2 – INSTALAÇÃO DE TUBOS EAHE E AVALIAÇÃO DE TROCA TÉRMICA

a) Dados para elaboração de um ábaco;

b) Pesquisa e desenvolvimento de ventiladores para tubos EAHE;

c) Ventilador solar para tubos EAHE;

d) Dados para validar simulação em softwares termoenergéticos;

e) Estudo comparativo com variação de comprimento, diâmetro, material e cobertura

de solo entre outros.

ETAPA 3 - COMPARATIVO ENTRE EDIFICAÇÕES COM E SEM TUBOS EAHE

a) Automatização de temperatura do sistema de tubos EAHE em ambiente

construído;

b) Dados para validar simulação em softwares termoenergéticos;

c) Estudo comparativo de consumo de energia elétrica: Ar condicionado x EAHE +

Ar condicionado.

63

REFERÊNCIAS

ABNT. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220:

Desempenho térmico de edificações. Rio de Janeiro – RJ – Brasil – 2003.

______________. NBR 15575: Edificações Habitacionais – Desempenho. Rio de Janeiro –

RJ – Brasil – 2013.

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<https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction>. Acesso em: 25 de set. de 2015.

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BARBIRATO, G. M.; SOUZA, L. C. L. de; TORRES, S. C. Clima e cidade: a abordagem

climática como subsídio para estudos urbanos. Maceió: EDUFAL, 2007.

BROWN, G.Z.; DEKAY, M. Sol, Vento e Luz: Estratégias para o Projeto de Arquitetura, 2°

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