Materiais de mudança de fase (PCM) no condicionamento passivo de habitações no semiárido brasileiro
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/23114 |
Resumo: | This work aims to study external walls of naturally conditioned houses in the context of the Brazilian Semiarid. It specifically focuses on the promotion of thermal inertia by applying materials with large latent heat energy storage capacity, the Phase Change Materials – PCM. The research has an exploratory nature and a quantitative approach, with literature review, computer simulation and data collection and systematic analysis as methodological procedures. It relies on whole-building thermal energy simulation software (specifically EnergyPlus 9.2) and weather data files, as well as statistical tools for data analysis and visual algorithmic programming platforms for the automation of computational processes (Grashopper + Ladtbug + Honeybee). The simulations take into account a computational model of a room in a multifamily housing of social interest, simulating specific material properties, internal loads and window opening routine. The thermal properties of the Octadecane (C18H38) were used as reference for the PCM simulations, considering its phase change hysteresis. From the model of the referred room and weather files of Brazilian Semiarid municipalities, energy flow and surface temperature data of the external walls were obtained, as well as the estimation of the annual Comfort Percentage (adaptive model). In the analysis, for each municipality, three factors were taken into account regarding the implementation of the PCM into the walls: orientation (position according to external or internal faces); PCM layer thickness (5 to 20 mm range, with 5 mm interval); and melting temperature (19 to 31 °C range, with 2 °C interval). The results of the simulations for each combination of factors were compared to the result of a room without PCM. Under the studied circumstances, the results showed that: external walls with PCM on exterior surfaces present greater Thermal Inertia, with effective reduction of heat gains; the walls with 20mm PCM layer showed greater Thermal Inertia; greater Thermal Inertia on walls does not imply increment of environmental comfort, being estimated that near 23% of the municipalities in the Brazilian Semiarid region is not benefited from the use of PCMs; and that the Annual Average Temperature is a more determinant climatic factor than the Average Daily Amplitude in the prediction of the contribution of PCMs to increase the comfort. Despite not presenting optimistic results regarding the use of PCMs in the studied context, this work contributes to the expansion of the scope of studies on the application of PCMs in tropical contexts, taking into account a naturally ventilated environment and embracing the reality of Brazilian social housing. Finally, the study is an addition to the hitherto reduced number of studies that simulate the effects of PCM hysteresis on building's thermal performance with EnergyPlus. |
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Materiais de mudança de fase (PCM) no condicionamento passivo de habitações no semiárido brasileiroMaterial de mudança de faseInércia térmicaSemiárido brasileiroSimulação termo energética do edifícioConforto adaptativoHisterese de mudança de fasePhase change materialThermal inertia. Brazilian semiaridWhole-building thermal-energy simulationAdaptive comfortPhase change hysteresisCNPQ::CIENCIAS SOCIAIS APLICADAS::ARQUITETURA E URBANISMOThis work aims to study external walls of naturally conditioned houses in the context of the Brazilian Semiarid. It specifically focuses on the promotion of thermal inertia by applying materials with large latent heat energy storage capacity, the Phase Change Materials – PCM. The research has an exploratory nature and a quantitative approach, with literature review, computer simulation and data collection and systematic analysis as methodological procedures. It relies on whole-building thermal energy simulation software (specifically EnergyPlus 9.2) and weather data files, as well as statistical tools for data analysis and visual algorithmic programming platforms for the automation of computational processes (Grashopper + Ladtbug + Honeybee). The simulations take into account a computational model of a room in a multifamily housing of social interest, simulating specific material properties, internal loads and window opening routine. The thermal properties of the Octadecane (C18H38) were used as reference for the PCM simulations, considering its phase change hysteresis. From the model of the referred room and weather files of Brazilian Semiarid municipalities, energy flow and surface temperature data of the external walls were obtained, as well as the estimation of the annual Comfort Percentage (adaptive model). In the analysis, for each municipality, three factors were taken into account regarding the implementation of the PCM into the walls: orientation (position according to external or internal faces); PCM layer thickness (5 to 20 mm range, with 5 mm interval); and melting temperature (19 to 31 °C range, with 2 °C interval). The results of the simulations for each combination of factors were compared to the result of a room without PCM. Under the studied circumstances, the results showed that: external walls with PCM on exterior surfaces present greater Thermal Inertia, with effective reduction of heat gains; the walls with 20mm PCM layer showed greater Thermal Inertia; greater Thermal Inertia on walls does not imply increment of environmental comfort, being estimated that near 23% of the municipalities in the Brazilian Semiarid region is not benefited from the use of PCMs; and that the Annual Average Temperature is a more determinant climatic factor than the Average Daily Amplitude in the prediction of the contribution of PCMs to increase the comfort. Despite not presenting optimistic results regarding the use of PCMs in the studied context, this work contributes to the expansion of the scope of studies on the application of PCMs in tropical contexts, taking into account a naturally ventilated environment and embracing the reality of Brazilian social housing. Finally, the study is an addition to the hitherto reduced number of studies that simulate the effects of PCM hysteresis on building's thermal performance with EnergyPlus.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESEste trabalho possui como objeto de estudo paredes externas de habitações condicionadas naturalmente no contexto do Semiárido Brasileiro. Foca, especificamente, na promoção de Inércia Térmica para resfriamento a partir da aplicação de materiais com grande capacidade de armazenamento de calor latente, os Materiais de Mudança de Fase ou Phase Change Materials (PCM). A pesquisa possui natureza exploratória e abordagem quantitativa, cujos procedimentos metodológicos constituem a revisão de literatura, simulação computacional e coleta e análise sistemática de dados. Essa se ampara em softwares de simulação termo energética do edifício (especificamente o EnergyPlus 9.2) e dados de arquivos climáticos, bem como ferramentas estatísticas para análise de dados e plataformas de programação visual de algoritmos para automatização de processos computacionais (Grashopper + Ladtbug + Honeybee). As simulações levaram em conta o modelo computacional de um quarto em um edifício multifamiliar de interesse social, simulando propriedades de materiais, cargas internas e rotina de abertura de janelas específicas. As propriedades térmicas do Octadecano (C18H38) foram utilizadas como referência para o PCM das simulações, considerando sua histerese de mudança de fase. A partir do modelo do quarto e de arquivos climáticos de municípios do Semiárido Brasileiro, dados de fluxo energético e temperatura superficial das paredes externas foram obtidos, bem como o cálculo da estimativa do Percentual de Conforto anual (modelo adaptativo). Nas análises de cada município, três fatores foram levados em conta quanto à implementação do PCM às paredes: orientação (posição nas faces externa ou interna); espessura da camada PCM (5 a 20 mm, com intervalo de 5 mm); e temperatura de fusão (19 a 31 °C, com intervalo de 2 °C). Os resultados das simulações para cada combinação de fatores foram comparados ao resultado de um quarto com paredes sem PCM. Nas circunstâncias estudadas, os resultados demonstraram que: paredes externas com PCM na face exterior apresentam maior Inercia Térmica, com efetiva redução dos ganhos de calor; as paredes com camada PCM 20mm apresentaram maior Inércia Térmica; uma maior Inércia Térmica nas paredes não guarda relação direta com o aumento de conforto ambiental, estimandose que cerca de 23% dos municípios do Semiárido Brasileiro sejam prejudicados com o uso de PCMs; e que a Temperatura Média Anual é um fator ambiental mais determinante que a Amplitude Diária Média na predição da contribuição dos PCMs para o Incremento do Conforto. Apesar de não apresentar resultados otimistas quanto à incorporação de PCMs no contexto estudado, este trabalho contribui com a ampliação do escopo de estudos sobre aplicação de PCMs em contextos tropicais, levando em conta um ambiente condicionado por meio da ventilação natural e abarcando a realidade das habitações de interesse social brasileiras. O estudo também constitui uma adição ao até então reduzido número de pesquisas que simulam o efeito da histerese de PCMs sobre o desempenho térmico do edifício com o programa EnergyPlus.Universidade Federal da ParaíbaBrasilArquitetura e UrbanismoPrograma de Pós-Graduação em Arquitetura e UrbanismoUFPBMelo, Aluísio Braz dehttp://lattes.cnpq.br/3447158889058518Silva, Carlos Alejandro NomeLattes não recuperado em 09/06/2022Sousa, Diego Aristófanes Dias de2022-06-14T18:27:11Z2021-09-012022-06-14T18:27:11Z2020-11-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/23114porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2022-08-09T14:00:45Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/23114Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2022-08-09T14:00:45Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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This work aims to study external walls of naturally conditioned houses in the context of the Brazilian Semiarid. It specifically focuses on the promotion of thermal inertia by applying materials with large latent heat energy storage capacity, the Phase Change Materials – PCM. The research has an exploratory nature and a quantitative approach, with literature review, computer simulation and data collection and systematic analysis as methodological procedures. It relies on whole-building thermal energy simulation software (specifically EnergyPlus 9.2) and weather data files, as well as statistical tools for data analysis and visual algorithmic programming platforms for the automation of computational processes (Grashopper + Ladtbug + Honeybee). The simulations take into account a computational model of a room in a multifamily housing of social interest, simulating specific material properties, internal loads and window opening routine. The thermal properties of the Octadecane (C18H38) were used as reference for the PCM simulations, considering its phase change hysteresis. From the model of the referred room and weather files of Brazilian Semiarid municipalities, energy flow and surface temperature data of the external walls were obtained, as well as the estimation of the annual Comfort Percentage (adaptive model). In the analysis, for each municipality, three factors were taken into account regarding the implementation of the PCM into the walls: orientation (position according to external or internal faces); PCM layer thickness (5 to 20 mm range, with 5 mm interval); and melting temperature (19 to 31 °C range, with 2 °C interval). The results of the simulations for each combination of factors were compared to the result of a room without PCM. Under the studied circumstances, the results showed that: external walls with PCM on exterior surfaces present greater Thermal Inertia, with effective reduction of heat gains; the walls with 20mm PCM layer showed greater Thermal Inertia; greater Thermal Inertia on walls does not imply increment of environmental comfort, being estimated that near 23% of the municipalities in the Brazilian Semiarid region is not benefited from the use of PCMs; and that the Annual Average Temperature is a more determinant climatic factor than the Average Daily Amplitude in the prediction of the contribution of PCMs to increase the comfort. Despite not presenting optimistic results regarding the use of PCMs in the studied context, this work contributes to the expansion of the scope of studies on the application of PCMs in tropical contexts, taking into account a naturally ventilated environment and embracing the reality of Brazilian social housing. Finally, the study is an addition to the hitherto reduced number of studies that simulate the effects of PCM hysteresis on building's thermal performance with EnergyPlus. |
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