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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26303| Título: | Desempenho térmico de radiador protótipo para resfriamento radiativo noturno |
| Título(s) alternativo(s): | Thermal performance of prototype radiator for nocturnal radiative cooling |
| Autor(es): | Trento, Daniel Gustavo |
| Orientador(es): | Kruger, Eduardo Leite |
| Palavras-chave: | Radiadores Resfriamento Dinâmica de fluidos computacional Métodos de Simulação Conforto humano Edifícios - Propriedades térmicas Radiators Cooling Computational fluid dynamics Simulation methods Human comfort Buildings - Thermal properties |
| Data do documento: | 29-Jul-2021 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | TRENTO, Daniel Gustavo. Desempenho térmico de radiador protótipo para resfriamento radiativo noturno. 2021. Dissertação (Mestrado) Engenharia Civil) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2021. |
| Resumo: | Esta pesquisa tem foco na caracterização térmica de radiadores protótipos desenvolvidos e confeccionados para o aproveitamento do resfriamento radiativo noturno como estratégia passiva para edificações. Para tanto, a pesquisa comparou dados gerados por três métodos. Primeiro, o método analítico para quantificar o potencial teórico máximo que o resfriamento radiativo noturno atinge submetido às condições atmosféricas. Na sequencia, dados experimentais foram coletados durante funcionamento de um sistema piloto, que consistiu em uma superfície composta por módulos de radiadores noturnos protótipo com área total de 0,78 m², os quais estavam conectados a um reservatório de água principal com 200 l e um intermediário com 30 l. O sistema fechado tinha bombeamento de baixa potência, funcionando entre as 18h e 6h da manhã seguinte, entre os dias 9 e 12/02 de 2021. A terceira etapa consistiu em dados gerados por método numérico por meio de simulações computacionais em CFD (computational fluid dynamics), utilizando os mesmos dados ambientais coletados no experimento, com o objetivo de prever o desempenho térmico dos radiadores. Os resultados experimentais, quando comparados aos resultados analíticos e simulados, demonstraram por correlação de dados que o resfriamento teórico obtido pelo método analítico foi capaz de definir o potencial máximo de resfriamento radiativo noturno e os resultados simulados conseguiram prever o comportamento dos radiadores protótipos submetidos às mesmas condições climáticas. Foi identificado por meio das simulações em CFD que o modelo de radiador protótipo possuía uma acentuada queda de temperatura no início e estagnação de temperatura no restante de seu trajeto interno. Para a verificação deste comportamento térmico, foram coletadas termografias do sistema em funcionamento, as quais demonstraram que os dados simulados representavam tal fato. Foi proposta, com base nos resultados, uma mudança no desenho dos radiadores, alterando-os para canais paralelos, com menor trajeto interno. Foram utilizadas simulações computacionais para gerar dados deste cenário e o resultado foi a melhoria no desempenho térmico médio durante a noite de até 9.6%. Por fim, foi simulado um cenário com os radiadores alterados com comprimento de 3 metros de largura, onde foram simulados diferentes fluxos de água para o funcionamento do sistema. Concluiu-se que o uso de simulações CFD é uma alternativa viável para determinar a eficiência térmica de arranjos e desenhos de radiadores para resfriamento radiativo noturno. Com menores trajetos internos da água ocorre mais resfriamento com maior eficiência térmica e que dentre os fluxos de fluido simulados, seu aumento só proporciona melhoria no desempenho térmico quando a velocidade do vento é relevante. |
| Abstract: | This study focuses on the thermal characterization of prototype radiators developed and manufactured for nocturnal radiative cooling as a passive way of cooling buildings. For this purpose, the study had three phases. First, the analytical method helped to analyze the nocturnal radiative cooling potential of a surface exposed to the local atmospheric conditions. Then, a field experiment with a system made of 0.78 m² prototype radiators was developed. The panels were connected to a 200 l main water tank and an intermediate 30 l tank. The enclosed system also had a low power pump working from 18h and 6h in the following morning, between 9 and 12 February 2021. The third phase addressed a numerical method via computational fluid dynamics (CFD) simulations. The same environmental data collected in the field experiment were used as input to predict the radiators’ thermal behavior. The comparison of the experiment’s results to the analytical’s and the simulations’ ones by mean of correlational data analysis shows that the theoretical cooling achieved by the analytical method enabled the definition of the maximum nocturnal radiative cooling potential. Likewise, the simulations’ results allowed the prediction of the thermal behavior of the prototype radiators under the same climatic conditions. The CFD simulations also enabled the identification of a steep decline in temperature in the initial stretch inside the prototype radiator and its stagnation in the remaining water path. To verify such thermal behavior, thermal images were made of the working system that confirmed the simulation result. Thus, a change in the radiators’ design was proposed to ensure a shorter water path by adopting a parallel arrangement for the water channels. Computational simulations showed that this arrangement resulted in improved thermal performance of up to 9.6% during the nighttime. Finally, the new arrangement with 3 meters water path was simulated with different water flow rates. In conclusion, the study showed that the use of CFD simulations is a viable alternative to determine the radiators arrangement’s and design’s thermal efficiency for nocturnal radiative cooling. Shorter water paths within the radiator’s channels increase cooling rate and thermal efficiency and the increment in their length only improves thermal performance when the wind speed is relevant. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/26303 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil |
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