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given the high thermal capacity of water and its higher thermal conductivity compared to that of air,
an innovative system that uses a buried water tank (WT) as an earth-to-water heat exchanger
(EWHE) was designed. Considering RE can absorb / release a large amount of thermal energy while
continuously exchanging heat with the soil, the system becomes more resilient. The use of
geothermal energy source by means of a RE as a heat exchanger reduces some technical limitations
presented by the earth-to-air system. In addition, coupling this system with Photovoltaics (PV)
generation, the demand for electric energy of the building for air conditioning is considerably
reduced. The objective of this work was to calculate the size of an EWHE system, powered by PV,
for conditioning the air of a residential building. The experimental results are presented and
discussed in this paper. A EWHE prototype was installed and studied in southern Brazil, and a
simulation to conditioning the air of a popular building was performed in the software
EnergyPlus
.
The results indicate that the use of a RE as an earth-to-water heat exchanger is an interesting
technique for a natural air conditioning system for residential buildings.
Keywords:
Renewable energy in buildings; Geothermal energy; Photovoltaics; Natural air
conditioning; Energy Efficiency; Sustainability
1. INTRODUÇÃO
A oscilação da temperatura no solo decresce com a profundidade, consequentemente sua
temperatura é praticamente independente da variação diária e, em profundidades entre 5 a 9 m, a
temperatura não perturbada do solo é equivalente à temperatura média anual do ar ambiente.
Devido a sua grande inércia térmica, o solo pode ser considerado uma fonte ou sumidouro de calor,
onde sua temperatura é maior que a do ambiente no inverno e menor no verão. Isto apresenta uma
grande oportunidade para o condicionamento térmico natural de edificações, acoplando-as ao solo.
Trocadores de calor terra-ar (EAHE) são uma técnica bem fundamentada para o condicionamento
de edificações por meio da inércia térmica do solo. EAHE têm sido avaliados para climatizar
edificações e estufas de cultivo (DHALIWAL e GOSWAMI, 2009, JAIN, DILIP e TIWARI, 2002 e
KRARTI e KREIDER, 1994). Neste sistema, o ar é conduzido por tubos horizontalmente enterrados
por meio de ventiladores de corrente alternada, ocorrendo troca de calor entre o ar e o solo em torno
das paredes dos tubos em razão da diferença de temperatura entre eles. Nesse sistema, o ar é o
elemento que limita a troca de calor, pois sua condutividade térmica é de 0,026 W m
-1
°C
-1
(ARGIRIOU
et. al
., 2004), enquanto que a do solo varia, conforme composição e teor de humidade,
entre 0.9 W m
-1
°C
-1
a 2.0 W m
-1
°C
-1
(INCROPERA, 2011 e PROTOLAB, 2015).
Sistemas de climatização natural podem ser utilizados para reduzir a amplitude da oscilação da
temperatura das edificações por meio da ventilação, proporcionando o equilíbrio da temperatura
com um outro meio mais estável ao longo do tempo (HYDE, 2008). Assim, para modelos com
ventilação forçada, o consumo dos ventiladores em função do tempo de operação é um elemento
relevante. Outro aspecto dos EAHE é que, devido à alta resistência térmica do solo, a diferença de
temperatura entre o ar e o solo se reduz gradualmente devido a saturação térmica do solo,
reduzindo a capacidade do sistema trocar calor (NIU
et al.,
2015). Ainda, a abertura das trincheiras
para enterrar os tubos e os custos para sua limpeza e manutenção são relativamente elevados. A
limpeza se faz necessária devido à possibilidade de proliferação de patógenos (TAMVAKOLOGOS
et. al
., 2015, SANTAMOURIS, 2006, e LI
et. al
., 2009).
Como alternativa ao sistema EAHE é possível o uso de reservatórios de água enterrados (EWHE)
no lugar dos dutos enterrados. O uso da água assegura uma melhor taxa de troca térmica, uma vez
que sua condutividade é de 0,6 W m
-1
°C
-1
(CHOI
et, al
., 1995), em torno de 23 vezes maior que a
do ar. Ainda, devido à alta capacidade térmica da água e sua propriedade convectiva, ela pode,