Experimental and theoretical analysis of evaporative cooling using porous media on building roofs to reduce heat inflow

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Veiga, Arthur Pandolfo da
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/205890
Resumo: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.
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spelling Experimental and theoretical analysis of evaporative cooling using porous media on building roofs to reduce heat inflowEngenharia mecânicaCalorResfriamento evaporativoTelhadosDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2018.A crescente demanda energética devido ao uso de sistemas de climatização de ambientes motiva pesquisas em técnicas passivas para reduzir a sua necessidade. Uma dessas técnicas que vem apresentando bons resultados é o uso de resfriamento evaporativo em telhados, uma vez que pode reduzir o ganho térmico destes. Essa técnica combina com o uso conjunto de meios porosos, visto que podem absorver água duma fonte sem a necessidade do uso de trabalho adicional, devido à sua propriedade de capilaridade. Esta dissertação tem como objetivo explorar resfriamento evaporativo em meios porosos que possam ser usados como cobertura de telhados para reduzir o seu ganho térmico. Para isso, uma bancada experimental foi construída com o intuito de analisar a transferência de calor numa amostra representando um telhado em pequena escala. Testes foram feitos dentro e fora dum ambiente fechado com um meio poroso isolante e refletivo que poderia ser usado, seco ou molhado, como a cobertura dum telhado, para investigar se o resfriamento evaporativo é capaz de superar as propriedades térmicas menos favoráveis à redução do ganho térmico do meio molhado. Observou-se que o meio molhado pode ser mais efetivo e até funcionar como um sumidouro de calor sob condições ambientais favoráveis, especialmente baixa irradiação solar, temperatura e umidade do ar. Também foi observado que a inclusão duma laje adicional que aumenta a resistência térmica da amostra que simula um telhado aumenta a gama de condições nas quais o meio molhado é mais eficiente. Um modelo numérico foi desenvolvido e validado, com o qual é possível calcular o ganho térmico dum telhado real com ou sem resfriamento evaporativo. Com esse modelo, análises paramétricas foram conduzidas usando um telhado padrão e representativo para investigar a influência das propriedades térmicas do telhado e do meio poroso e das condições ambientais no desempenho térmico do telhado, especialmente considerando o seu comportamento quando com a cobertura do meio poroso molhado ou seco. Os resultados mostraram que o meio molhado foi mais eficiente numa ampla gama de condições e confirmaram as observações dos testes experimentais. Subsequentemente, simulações com dados meteorológicos de dias reais foram feitas, cujos resultados mostraram que, para o telhado analisado num dia quente e ensolarado, usar o meio poroso molhado como cobertura fê-lo ter apenas 20% do ganho térmico comparado à cobertura de telhas de argila comuns, o que representou uma redução média de quase 55 W/m², e ainda pôde reduzir o ganho térmico em 45% (12 W/m²) quando comparado com o mesmo meio mas seco. Resultados similares e promissores também foram obtidos na redução do pico do fluxo térmico. Mesmo quando as condições meteorológicas não eram favoráveis, o telhado com a cobertura molhada foi quase tão bom quanto a cobertura com o meio seco para reduzir o ganho térmico, portanto melhor que o telhado com a cobertura comum. O modelo foi usado para rodar simulações de longo-prazo com dados TMY para o verão de mais de 2500 locais ao redor do mundo, as quais corroboraram a eficiência do meio molhado na redução do ganho térmico para uma ampla gama de climas, com reduções médias no ganho de calor de até 20 W/m² quando comparado ao meio seco, que representam, para o telhado simulado de 117 m², 88% da capacidade de refrigeração dum ar-condicionado de 2637 W (9000 BTU/h). Em algumas regiões com condições climáticas mais frias, o telhado com a cobertura do meio poroso molhado apresentou inclusive perdas térmicas. As conclusões principais desta dissertação são que o uso de meios porosos molhados como cobertura de telhados é eficiente para reduzir significativamente a necessidade de climatização em construções e que tem um bom desempenho mesmo comparado com outras técnicas de resfriamento passivo, especialmente sob condições climáticas favoráveis.Abstract: The increasing energy consumption due to the usage of heating, ventilation, air-conditioning (HVAC) systems motivates research on passive techniques to reduce its necessity. One of these techniques that has been providing good results is the usage of evaporative cooling in roofs, since it may reduce the heat gain of the latter. This technique suits well with the combined usage of porous media since they are able to soak up water from a source without the necessity of work input, due to capillarity. This thesis aims to explore evaporative cooling in porous media used as roof covering to reduce the heat gain. With this intent in mind, an experimental setup to emulate heat transfer in a small-scale roof was built and indoor and outdoor test runs were conducted with a insulating, high albedo porous medium that could be used dry or wet as a roof covering to investigate whether evaporative cooling is able overcome the wet medium thermal properties, which are less favorable to reduce the heat gain. It was observed that the wet medium can be more effective and even act as a heat sink under favorable environmental conditions, especially low air temperature, humidity and solar irradiation. It was also observed that the inclusion of an additional slab that enhances the thermal resistance of the roof-like test sample increases the range of conditions in which the wet medium is more effective. A numerical model was conceived and validated that is able to calculate the heat gain of a real roof with or without evaporative cooling. With this model, parametric analyses were performed on a standard, representative roof to evaluate the influence of roof and porous medium thermal properties and weather conditions on the thermal performance of the roof, especially regarding its behavior when with dry and wet porous medium covering. The results have shown that the wet medium was more effective in a large range of conditions and confirmed the findings of the experimental tests. Thereafter, simulations with meteorological data from real days were run, whose outcomes showed that, for the analyzed roof on a hot, sunny day, the wet medium covering could have only 20% of the heat gain compared to a common clay tile covering during the day, which represented a mean reduction of almost 55 W/m², and could still to reduce in the heat gain in 45% (12 W/m²) when compared to its dry counterpart. Similar promising results were also found in the peak heat flux reduction. Even when weather conditions were not favorable, the roof with the wet covering was almost as good as its dry counterpart in reducing the heat gain, hence still better than a roof with a common covering. The model was employed to run long-term simulations with TMY data for the summer of more than 2500 locations around the world which corroborated the efficiency of the wet medium in reducing the heat gain for a large range of climates, with mean heat gain reductions of up to 20 W/m² when compared to the same roof with a dry covering, which accounted for, in the 117 m² simulated roof, for 88% of the refrigerating capacity of a 2637 W (9000 BTU/h) air-conditioner. In some regions with cooler climatic conditions, the roof with the wet medium presented even significant mean heat losses. The main conclusions of this thesis are that the usage of wet porous media as roof coverings is effective to significantly reduce the HVAC necessity in buildings and that it fares well even when compared with other passive cooling techniques, especially under favorable climatic conditions.Silva, Alexandre Kupka daUniversidade Federal de Santa CatarinaVeiga, Arthur Pandolfo da2020-03-31T14:21:31Z2020-03-31T14:21:31Z2018info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis464 p.| il., gráfs., tabs.application/pdf358806https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/205890engreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-03-31T14:21:31Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/205890Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-03-31T14:21:31Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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