Earth-Air Heat Exchangers are devices installed on buildings to reduce electrical energy consumption with air conditioner systems. They consist of buried ducts where the air is blown and induces heat exchange with the surrounding soil. Aiming to develop a consistent numerical simulation approach to study its behavior, this research allies the usage of Standard Penetration Test (SPT) and Era-Interim as part of the computational methodology. The results indicate that the proposed methodology can be adequately adopted, allowing the soil properties assignment from SPT reports, the prescription of inlet air temperature, and soil surface temperature from ERA/Interim data.
This article applies the constructal design method to analyze how to improve the thermal performance of earth-air heat exchangers (EAHE) composed by four ducts. The paper evaluates two types of arrangements for which the centers of the ducts take the shape of rectangles and diamonds. Under volumetric constraints, the vertical Sv and horizontal Sh spacings between the ducts are left free to vary. The objective is to maximize the magnitude of the EAHE instantaneous thermal potential P which is an average of the differences between the temperatures at the ducts outlets and inlets at any instant of time. The temperature fields are computed through numerical simulations, adopting a verified and validated three-dimensional model. Among the results, this work shows how the design can raise by 11% the annual thermal efficiency of the EAHE.
Simulação Numérica de Trocador de Calor Solo-Ar Constituído por Formas Geométricas Complexas Numerical simulation of Earth-Air Heat Exchanger Constituted by Compound Geometric Shapes RESUMO O Trocador de Calor Solo-Ar (TCSA) é aplicado para promover uma melhoria da condição térmica no interior de edificações. O objetivo deste estudo é avaliar a influência da forma geométrica da instalação do TCSA em seu desempenho através de parâmetros construtivos e operacionais. Para isso, 5 instalações de TCSA são analisadas empregando a simulação numérica e métodos analíticos. Os resultados mostram que a presente técnica permite uma análise multiobjetivos, levando em consideração as restrições físicas e geométricas do sistema e fornecendo uma contribuição prática, ao levar em consideração aspectos de design e operacionais do TCSA, e uma contribuição teórica na modelagem de turbulência.
<div><p class="SPabstract">O trocador de calor solo-ar (TCSA) é um dispositivo utilizado para a melhoria da condição térmica de ambientes construídos, contribuindo na diminuição no consumo de energia elétrica dos equipamentos tradicionais de condicionamento de ar. Assim, os objetivos deste trabalho são de avaliar a influência da condição de contorno térmica de fluxo prescrito nulo no potencial térmico (PT) do TCSA, que é imposta nas superfícies laterais do domínio computacional, e de estudar a efeito do tipo de condição de contorno térmica imposta na superfície inferior do domínio computacional no tempo de processamento da simulação numérica de um TCSA. Para isso, um modelo computacional, validado e verificado, desenvolvido no software FLUENT, que é baseado no Método dos Volumes Finitos (MVF), foi empregado. Os resultados mostraram que o PT das instalações de TCSA analisadas é afetado para um espaçamento horizontal, entre o duto e a parede do domínio computacional, inferior a 2,00 m. Além disso, foi observado que a utilização da condição de contorno de temperatura prescrita imposta na superfície inferior do domínio computacional contribuiu para a redução do tempo de processamento da simulação numérica em 18%, quando comparada com a utilização da condição de contorno térmica de fluxo prescrito nulo.</p></div>
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