Com a crise do petróleo, ocorrida na década de 1970, as tecnologias híbridas foram concebidas como uma alternativa energética; no entanto, sua aplicação também passou a ser impulsionada por questões ambientais, pois impactam menos o meio ambiente ao utilizar fontes de energia renováveis para a sua atuação, diferentemente dos combustíveis fósseis.

Na literatura sobre sistemas híbridos, os estudos mais recorrentes são aqueles que tratam sobre análises de desempenho, questões técnicas e econômicas de tecnologias híbridas que envolvem propostas de eólico-diesel, fotovoltaico-diesel, fotovoltaico-eólico e fotovoltaico-térmico. Portanto, cabe intensificar as pesquisas ligadas ao coletor solar, já que é um sistema simples e capaz de converter a energia solar em térmica para o aquecimento de água. Essa função pode ser aprofundada e explorada para fins que avancem em prol do conforto térmico e da eficiência energética no ambiente construído.

Desenvolver um sistema híbrido é complexo por diversos aspectos como, por exemplo, a multifuncionalidade, a qual exige um intenso estudo sobre variáveis, operação e a interação das diferentes partes que compõem a proposta, pois essas partes — distintas umas das outras — necessitam funcionar em benefício do conjunto, envolvendo constantes ajustes e experimentações com vistas ao aperfeiçoamento do modelo.

Nesse contexto, o sistema híbrido proposto nesse estudo provém da utilização da multifunção do brise, que é um dispositivo de proteção solar amplamente usado nas edificações por seu impacto térmico, controle da iluminação natural e o forte caráter compositivo.

Observou-se a potencialidade de atribuição de mais uma utilidade, tirando-se partido de todas essas características e o fato de esse dispositivo estar naturalmente exposto à radiação solar para torná-lo um brise-placa solar, uma fonte de captação de energia solar para o aquecimento da água.

Desse modo, a pesquisa compreendeu a elaboração e avaliação de um sistema híbrido que parte do brise, transformando-o em uma placa solar para o aquecimento da água de consumo. No entanto, a proposta avançou em busca da capacidade de climatizar os ambientes, incorporando-se ao brise-placa um módulo térmico que condiciona termicamente os ambientes por meio de serpentinas nas quais circula água aquecida e arrefecida.

Todas as soluções inseridas na proposta resultaram em um sistema híbrido solar e geotérmico, composto por subsistemas que operam conjuntamente com base na energia solar e nas condições do solo para promover o aquecimento da água e o condicionamento térmico de ambientes, sendo uma estrutura extremamente versátil.

Apresentação do sistema híbrido

Na representação esquemática do sistema híbrido, destaca-se que a proposta não envolve o detalhamento hidráulico ou mecânico, mas que se trata de uma especificação da operação e os subsistemas envolvidos no processo de aquecimento da água de consumo e climatização do ambiente.

As mostram de maneira esquemática a operação do sistema híbrido em situações de temperatura operativa interna inferior a 18°C e superior a 26°C, respectivamente.

Sistema híbrido em condição de temperatura operativa inferior a 18°C
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Sistema híbrido em condição de temperatura operativa superior a 26°C
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Verifica-se que a caixa d´água é responsável por fornecer a água fria para o boiler e que a água do boiler circula pelo SCS, possibilitando o aquecimento da mesma. Essa circulação somente ocorre quando a temperatura da água no SCS é superior à água no boiler.

O SCS compreende os brises na forma de placas solares, pois corresponde a um elemento arquitetônico de proteção solar, naturalmente exposto à radiação, visando aproveitar a energia térmica incidente e transferi-la para a água.

O fluido aquecido pelo SCS é retido no boiler, que distribui a água quente para o chuveiro e para o SCM a fim de que esse opere a calefação no ambiente.

A estrutura do SCM tem duas funções, ou seja, além da circulação da água quente proveniente do boiler, também permite a circulação da água fria do SCG, cuja temperatura é influenciada pelo solo, pois o fluido percorre dutos enterrados horizontalmente.

Nesse caso, se a temperatura operativa registrar abaixo de 18°C, a bomba de circulação é acionada para que o módulo térmico libere calor ao ambiente. No mesmo momento é aberta a válvula de retenção que vai para o boiler, enquanto a válvula de retenção existente no circuito da geotérmica continua fechada; assim o fluido aquecido vindo do boiler percorre a serpentina liberando calor e retorna ao reservatório térmico.

Quando é acusada temperatura acima de 26°C, a bomba do circuito da geotérmica — SCG é ligada e, ao mesmo tempo, a válvula de retenção desse circuito se abre, circulando a água nos dutos enterrados a fim de se obterem temperaturas mais baixas no fluido e permitindo que o SCM percorra a água em condições para a remoção do calor no ambiente.

Destaca-se que os dutos enterrados contam com a elevada inércia térmica do solo para promover o resfriamento.

As bombas presentes no sistema híbrido foram determinadas a partir da altura de recalque, altura de sucção, perdas de carga, diâmetro interno da tubulação, comprimento e vazão. Incorporou-se ao sistema híbrido uma bomba de calor com potência de 340W para auxiliar no aquecimento da água e também na circulação do fluido.

As tabelas apresentam as características dos subsistemas, bomba de calor e boiler presentes no sistema híbrido e os materiais e propriedades termofísicas do módulo térmico.

Características dos subsistemas
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Materiais e propriedades termofísicas do módulo térmico
Elaboração dos autores com base na NBR 15220: desempenho térmico de edificações [ABNT, 2003]

Os modelos de brise foram definidos de acordo com a orientação solar, sendo aplicado a Norte o brise horizontal com uma área coletora horizontal de 9,6m² e, nas orientações Leste, Oeste, Nordeste e Noroeste, o brise vertical, área coletora vertical de 10,56m².

Perspectivas do caso base com brise-placa horizontal e vertical
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Corte do brise-placa horizontal e planta baixa do brise-placa vertical
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Para a determinação dos ângulos definitivos aplicados nos brises-placas verificou-se, por meio de simulações computacionais, a eficiência e o impacto sobre os graus-hora de aquecimento (GHA), devido à variação da radiação incidente na superfície da janela. Essas diretrizes resultaram na adoção dos seguintes ângulos para o SCS: Norte α 30°, Leste β -50°, Oeste β 50°, Nordeste β -50° e Noroeste β 55°.

Características do caso base

O modelo utilizado nas simulações baseou-se no Case 600 da norma Ashrae Standard 140 (1), observa-se que o Case 600 conta com duas janelas e cada uma possui 6m², no entanto, para o estudo optou-se por transformá-las em uma única área envidraçada com 12m².

Caso base
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Materiais e propriedades termofísicas do caso base
Elaboração dos autores com base em Air Infiltration Calculation Techniques–An Applications [Berkshire, 1986]

O sistema híbrido também foi avaliado em um caso base com envoltória menos isolada termicamente, porém não houveram resultados satisfatórios de conforto térmico.

Simulações computacionais

Foi utilizado o software EnergyPlus 8.9.0 para as simulações computacionais, com o auxílio do Sketchup 17 Make e do plugin Euclid 0.9.3 para a interface gráfica. Consideraram-se os dados climáticos da cidade de Santa Maria-RS, representados pelo Solar and Wind Energy Resource Assessment — Swera.

A cidade de Santa Maria RS, pertencente à Zona Bioclimática Brasileira 2, apresenta clima subtropical úmido (temperado), caracterizado por estações bem definidas — inverno e verão — com condições extremas, além de possuir grande amplitude térmica diária chegando a variações de até 10°C (2).

O caso base foi considerado sem usuário e sem potência instalada em equipamentos e iluminação para que não houvesse interferência nos resultados.

Diante disso, o ambiente padrão foi posicionado nas orientações Norte, Leste, Oeste, Nordeste e Noroeste a fim de verificar as condições reais do espaço sem e com a intervenção do sistema híbrido. Para isso, obteve-se a temperatura operativa para o cálculo dos graus-hora de resfriamento (GHR) e aquecimento (GHA), calculados com a utilização das Equações 1 e 2, as quais foram determinadas de acordo com o RTQ-R (3) e Marcio José Sorgato (4), respectivamente.

GHR = ∑ (To — 26°C) (1)
GHA = ∑ (18°C — To) (2)

Nas quais:

GHR: indicador de graus-hora para resfriamento;
GHA: indicador de graus-hora para aquecimento;
To: temperatura operativa.

Os indicadores GHRe GHA,representam, respectivamente, os graus-hora de desconforto por calor e por frio, os quais são determinados pela soma das diferenças das temperaturas operativas horárias que excedem os limites de conforto para calor e frio acima especificados.

Realizou-se simulação horária anual, a fim de se obterem dados de temperatura ambiental e da água. Dessas simulações, foram extraídos os resultados de dias denominados típicos de inverno e verão — dia 7 de julho e dia 20 de fevereiro, respectivamente. As datas definidas apresentaram temperaturas externas considerando os dias típicos de inverno e verão que correspondem a um nível de probabilidade de 10% (5).

Para obtenção do consumo de energia elétrica, foi executada simulação anual. Desse modo, o período de análises do trabalho compreendeu resultados específicos, provenientes de uma verificação mais precisa a partir dos dias típicos, e amplos, mediante dados anuais ligados à eficiência energética e conforto térmico.

Parâmetros de simulação: subsistema de captação solar — SCS

A modelagem dos brises em forma de placa solar foi mediante a ferramenta Shading que permitiu posicioná-los, definir dimensões e inclinações.

Os coletores do tipo placa plana foram configurados nos objetos SolarCollector:FlatPlate:Water e SolarCollectorPerformance:FlatPlate. No SolarCollectorPerformance:FlatPlate foi inserida a área do coletor, vazão de 35l/h (6), além das características térmicas e ópticas do coletor.

Especificações do coletor solar SCS
Elaboração dos autores com base em Coletores solares térmicos (aplicação banho) [Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia, 2020]

Os dados da bomba foram inseridos no objeto Pump:VariableSpeed, cujo funcionamento acontece quando há ganho útil de calor, para isso foi considerado o objeto AvailabilityManager:DifferentialThermostat, o qual permite que o subsistema funcione somente quando há aquecimento no coletor, ou seja, trata-se de um sensor locado no coletor e no boiler que controla o acionamento da bomba do SCS.

No objeto WaterHeater:Mixed foi configurado o reservatório térmico, sendo determinado um boiler de 500l locado sobre a cobertura.

Parâmetros de simulação: subsistema de climatização módulo térmico — SCM

Incluiu-se na simulação os algoritmos ConductionTransferFunction e ConductionFiniteDifference para modelagem de transferência de calor em superfícies.

A superfície térmica foi configurada no objeto Construction:InternalSource presente no grupo Surface Construction Elements, compreendeu as especificações dos materiais.

No objeto ZoneHVAC:LowTemperatureRadiant:ConstantFlow o módulo térmico é relacionado à zona térmica e a superfície da zona em que o subsistema está localizado. O fluxo é constante e a temperatura da água é variável. Observa-se que esse objeto também possui campos que permitiram configurar a bomba de calor.

Inseriram-se na simulação os algoritmos SurfaceConvectionAlgorithm:Inside e SurfaceConvectionAlgorithm:Outside, que estão ligados à transferência de calor por convecção em superfície interna e externa, respectivamente, sendo adotado os modos padrões do programa. Como também, o objeto HeatBalanceAlgorithm com o ConductionTransferFunction, sendo responsável pela transmissão de calor por condução e considera apenas o calor sensível (7).

O objeto GroundHeatExchanger:HorizontalTrench foi selecionado como a fonte para a água arrefecida, esse objeto compreende o subsistema de climatização geotérmica — SCG que é composto por tubulações horizontais.

As temperaturas médias mensais do solo na profundidade de 4,5m foram incluídas no objeto Site:GroundTemperature:Deep que permite especificar as temperaturas de solos profundos.

Temperatura média mensal do solo
Elaboração dos autores com base em Instrumentação eletrônica para levantamento do perfil g [UFSM, 2014, p. 97]

As propriedades termofísicas dos tubos enterrados e do solo foram inseridas no GroundHeatExchanger:HorizontalTrench, observa-se que as informações do solo também foram aplicadas no objeto Site:GroundTemperature:Undisturbed:KusudaAchenbach.

Propriedades termofísicas do cobre e solo
Elaboração dos autores com base na NBR 15220: desempenho térmico de edificações [ABNT, 2003]

Com o programa CalcSoilSurfTemp do Energyplus foi possível obter a temperatura média do solo junto à superfície, a amplitude de variação da temperatura da superfície do solo e a constante de fase da superfície do solo. Considerou-se a condição pesada e úmida, pois trata-se de solo argiloso e com capacidade de retenção de umidade (8), além da situação de um solo descoberto e úmido (9).

Temperatura da água de banho obtida com o sistema híbrido

As figuras e tabelas apresentam a temperatura da água no boiler e a temperatura da água de banho, ambas foram obtidas a partir da operação do SCS.

Quanto à temperatura da água no boiler, observa-se pela figura que, com o SCS voltado para Norte, resultou na temperatura mínima de 26°C e no período da tarde foi possível aproximar-se da temperatura ideal, registrando 38°C.

O SCS a Leste promoveu temperaturas na ordem de 20°C a 24°C, a Oeste de 20°C a 29°C. A Nordeste apontou 23°C a 30°C e na posição Noroeste resultou em 23°C a 33°C nos momentos de aquecimento do fluido, horários em que o SCS está em operação.

Verificou-se a temperatura da água de banho, desse modo, a tabela ilustra a temperatura da água nos principais horários de banho, a temperatura da água na caixa d’água e também a temperatura ideal da água de banho no inverno, com foco no dia típico dessa estação.

Temperatura da água no boiler a partir da operação do SCS
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Temperatura da água de banho para dia típico de inverno
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Analisa-se que, com a presença do SCS, a temperatura da água de banho na parte da manhã varia de 20°C a 28°C; a diferença máxima de 20°C em relação à temperatura ideal da água acontece no caso com SCS a Leste. Se forem comparados os dados do SCS com a temperatura da água fria, observa-se que o SCS promoveu temperaturas superiores em 7°C a 15°C, nas situações com SCS a Leste e Norte, respectivamente.

Nos banhos noturnos, obteve-se de 23°C a 37°C. A maior diferença entre a temperatura ideal da água é igualmente com o SCS locado a Leste, equivalente a 17°C; já em relação à temperatura da água da caixa d’água, com o SCS é possível atingir temperaturas da água de banho acima de 10°C e que podem chegar até 24°C.

Diante disso, observa-se a representatividade do SCS para um aquecimento prévio da água de consumo, sendo verificados valores satisfatórios de temperatura da água tanto para os banhos noturnos quanto para os banhos matinais.

Temperaturas do sistema com a bomba de calor
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Constata-se que a temperatura da água do boiler no caso a Norte registrou de 21°C a 33°C, a Leste ficou na ordem de 19°C a 22°C, a Oeste resultou em 20°C a 26°C, a Nordeste apontou 20°C a 25°C e a Noroeste 20°C a 28°C. Esses dados revelam que a operação do SCM reduziu em até 5°C a temperatura da água no boiler, a qual foi previamente aquecida pelo SCS.

No entanto, mesmo que o SCM ocasione a redução na temperatura da água, destaca-se que a bomba de calor proporcionou um acréscimo de até 7°C na temperatura do fluido; sem esse equipamento auxiliar a temperatura da água permaneceria entre 17°C a 30°C. Também se verifica que a temperatura da água no boiler está 6°C a 10°C acima da temperatura da água fria.

Consumo anual de energia do chuveiro elétrico com e sem o apoio de SCS

Para analisar o consumo anual de energia, inicialmente foi feita a investigação do consumo energético do chuveiro elétrico apoiado pelo SCS, comparando-o com uma situação em que somente o chuveiro elétrico atua no processo de aquecimento da água para o banho. A tabela 8 ilustra o comparativo do consumo de energia anual entre o sistema híbrido com apoio do chuveiro elétrico — CH e apenas o chuveiro elétrico.

Consumo de energia elétrica do chuveiro com SCS e somente chuveiro
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Constatou-se que o SCS combinado ao chuveiro elétrico promove uma redução de 78% a 97% no consumo energético. Esses dados revelam que o SCS, posicionado em qualquer orientação solar, é capaz de reduzir a demanda de energia elétrica para o aquecimento da água, tornando-se válida a utilização desse elemento presente na edificação também em benefício da eficiência energética.

Subsistema de climatização módulo térmico

Investigou-se o impacto do módulo térmico em situações de temperatura operativa inferior a 18°C. Para isso, ilustra-se os graus-hora de aquecimento do caso base sem e com a presença do sistema híbrido.

Graus-hora de aquecimento
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

O SCM inserido no caso base proporciona uma redução de 76% no desconforto por frio no caso base a Norte, 15% a Nordeste e 32% a Noroeste. No caso base a Leste e a Oeste, a redução do ganho térmico proveniente da janela — a partir do sombreamento ocasionado pelos brises-placas — e as condições oferecidas pelo SCM não foram suficientes para ocasionar conforto.

Constata-se que para otimizar os resultados do sistema, principalmente se implantado nas orientações solares Leste e Oeste, é válido considerar a presença do SCS também em outras janelas. Além disso, podem-se inserir os brises-placas sobre o fechamento opaco em outras orientações solares a fim de contribuir no aquecimento da água, ou inserir algum equipamento auxiliar para também aquecer o fluido.

Estabeleceu-se um comparativo entre um brise tradicional, constituindo um dispositivo apenas para o controle da radiação solar, e os brises-placas do SCS no intuito de analisar a influência de ambos sobre os graus-hora de aquecimento.

Impacto do brise tradicional e do SCS nos graus-hora de aquecimento
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Dessa forma, é possível observar que o SCS com sua dupla função conseguiu reduzir em 80% o desconforto por frio no modelo a Norte, 13% a Leste, 40% a Oeste, 57% a Nordeste e 66% a Noroeste. Ou seja, existiria mais desconforto térmico se o brise não tivesse a capacidade de aquecimento de água para climatizar o ambiente.

Impacto de uma bomba de calor acoplada ao sistema híbrido

No intuito de aumentar o aquecimento da água para o funcionamento da calefação do SCM, inseriu-se na proposta do sistema híbrido uma bomba de calor. Baseado nisso, ilustra-se os graus-hora de aquecimento do caso base com o sistema híbrido auxiliado pela bomba de calor.

Graus-hora de aquecimento com o sistema híbrido e a bomba de calor
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Analisa-se que o sistema híbrido com apoio da bomba de calor gera uma considerável redução do desconforto térmico anual por frio, sendo de 86% no caso base a Norte, 32% a Leste, 43% a Oeste, 61% a Nordeste e 72% a Noroeste, em comparação com o caso base sem SCM. Já em relação ao caso base apenas com SCM, a presença da bomba de calor no sistema conseguiu proporcionar no modelo a Norte uma redução de 42% do desconforto térmico, a Nordeste resultou em 54%, a Noroeste atingiu 58%, a Leste e Oeste foi de 40% e 43%, respectivamente, visto que nessas orientações apenas com o SCM não houve melhorias quanto ao conforto térmico.

Foram testadas bombas de calor com potência superior a 340W. Observou-se, nesse caso, que a redução no desconforto térmico por frio é crescente com o aumento da potência da bomba, porém isso ocasiona maior consumo de energia elétrica.

Subsistema de climatização módulo térmico e geotérmico

Quanto às situações de temperaturas superiores a 26°C, ilustra-se o indicador de graus-hora para resfriamento (GHR)do caso base sem e com a presença do SCS, SCM e SCG.

Graus-hora de resfriamento com o sistema híbrido
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

A aplicação do SCS possibilitou mitigar o desconforto por calor, obtendo-se 15% no modelo a Norte, 30% a Leste, 29% a Oeste, 16% a Nordeste e 17% a Noroeste. Essa diminuição ocorreu devido ao sombreamento causado pelos brises-placas sobre o fechamento transparente, atenuando os ganhos térmicos no ambiente.

O caso base, contando apenas com o SCM apoiado pelo SCG para climatizar o ambiente, conseguiu promover uma significativa redução do desconforto térmico por calor, sendo de 79% no caso base a Norte, 71% a Leste, 69% a Oeste, 75% a Nordeste e 72% a Noroeste.

A implantação do SCS e do SCG no caso base tornou-se uma solução extremamente satisfatória para a diminuição do desconforto térmico por calor no ambiente, possibilitando no caso a Norte 92%, 93% a Leste, 91% a Oeste e Nordeste, e 89% a Noroeste.

Quanto à variação da temperatura operativa no dia típico de verão (20 de fevereiro), exemplifica-se o caso base a Oeste nas seguintes situações: sem nenhum subsistema, apenas com o SCS, somente com o SCG e ambos os subsistemas inseridos no ambiente (SCS+SCM+SCG). Selecionou-se o caso base a Oeste, pois ele apresentou um elevado número de horas em desconforto por calor. 

Comparativo da temperatura operativa
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

A figura revela que o caso base sem nenhum subsistema registra temperaturas operativas na ordem de 29°C a 32°C. Com a presença do SCS, composto pelos brises-placas que protegem a janela, tem-se 28°C a 30°C, sendo uma redução de até 2°C na temperatura. Essa intervenção do SCS intensifica-se na parte da tarde, momento em que a radiação solar atinge a superfície envidraçada, ocasionando as maiores temperaturas no local.

Na situação de caso base apenas com SCM e SCG, obtêm-se temperaturas operativas de 26°C a 29°C, havendo uma diminuição de até 3°C na temperatura em relação ao caso base sem nenhum subsistema.

Por fim, a aplicação conjunta do SCS, SCM e SCG possibilitou temperaturas de 25°C a 27°C, sendo um total de 12 horas com temperaturas de até 26°C, atendendo ao limite máximo para a temperatura operativa do ambiente. Os subsistemas propiciaram uma redução de 4°C a 5°C na temperatura se equiparados com o caso base na ausência do SCS e SCG.

Desempenho do sistema híbrido

Destaca-se os resultados do consumo de energia elétrica do sistema híbrido comparando-o com o Split e chuveiro elétrico, ambos inseridos no caso base nas diferentes orientações solares. Observa-se que o consumo do Split provém do modo automático segundo os parâmetros do HVACTemplate:Zone:PTHP e com termostatos similares aos aplicados no sistema híbrido.

Consumo de energia elétrica do Split e do sistema híbrido
Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico [PPGEC UFSM, 2021]

Constata-se que se comparar o sistema híbrido com a situação de Split com chuveiro elétrico pode-se obter uma redução no consumo de energia elétrica de 62% a 80%. Com base nisso, verificou-se que em todos os casos avaliados o sistema híbrido foi mais econômico que a condição de Split e chuveiro elétrico avaliada no trabalho.

Considerações finais

O elemento construtivo que norteou a proposta foi o brise, que é um dispositivo de proteção solar amplamente inserido nas edificações por seu impacto térmico e estético, além do controle da iluminação natural. Desse modo, atribuiu-se ao brise mais uma função, que compreendeu o aproveitamento da energia térmica incidente sobre o mesmo para o aquecimento de água, a qual é destinada para consumo ou para calefação no módulo térmico, e esse mesmo módulo proporciona resfriamento de ambientes por meio da água que circula em dutos enterrados.

Os brises-placas atingiram o seu propósito de aquecimento de água para os banhos, pois foi possível alcançar temperaturas de 20°C a 37°C. Mesmo que o funcionamento do SCM interfira na temperatura da água do boiler reduzindo-a, a bomba de calor consegue auxiliar no aquecimento da água atenuado pela operação do SCM.

Observou-se que a calefação promovida pelo SCM, no modelo orientado a Leste e Oeste, não foi capaz de superar o impacto ocasionado pelo SCS; ou seja, a energia liberada pelo SCM não foi suficiente para suprir o ganho térmico minimizado pelo sombreamento decorrente dos brises-placas na área envidraçada.

A performance do SCM pode ser potencializada com a implantação da bomba de calor, a qual se revelou satisfatória. Pode-se também aumentar a área coletora do SCS a fim de obter mais aquecimento para a calefação.

Neste sentido, ressalta-se a versatilidade do sistema, porque ele pode ser aplicado sobre os fechamentos transparentes em uma ou mais orientações, assim como é possível inseri-lo sobre o fechamento opaco, tornando-se um revestimento, fachada ventilada ou detalhe de fachada, capaz de agregar compositivamente para a edificação.

Os dados de conforto térmico comprovaram a valia da dupla funcionalidade do módulo térmico do SCM para o condicionamento térmico. Inclusive a área de 2m² do módulo térmico adequa-se facilmente em muitos espaços.

O comparativo entre o brise tradicional e o brise-placa evidenciou o benefício da adoção do brise-placa. Mediante a sua dupla função térmica de aquecimento da água para a calefação, possibilitou a redução do desconforto por frio.

A aplicação conjunta do SCG e do SCS no caso base permitiu melhorias expressivas nas condições do ambiente nos períodos de calor. Comprovando o potencial existente no uso da alta inércia térmica do solo como uma estratégia de condicionamento térmico das edificações, como também a importância de agregar proteções solares nas aberturas.

Quanto ao consumo de energia elétrica, foi revelado que o sistema híbrido tem um baixo dispêndio de energia se comparado com uma situação de climatização por meio de ar condicionado modelo Split e chuveiro elétrico para aquecimento da água de banho.

No quesito abrangência de aplicação do sistema, deve ser considerado que o modelo foi avaliado em uma cidade com clima representado por verões e invernos rigorosos. Desse modo, se implantado em outro local com características mais amenas, os resultados serão ainda mais favoráveis.

Diante dessas circunstâncias, pode-se afirmar que o sistema híbrido se revelou uma solução viável considerando os requisitos aquecimento de água, conforto térmico e eficiência energética, além de ser uma alternativa que aproveita a radiação solar e as propriedades do solo, recursos definidos como naturais.

notas

NE — Este artigo foi baseado em SOARES, Roberta Mulazzani Doleys. Sistema híbrido solar e geotérmico para aquecimento de água e condicionamento térmico. Tese de doutorado. Santa Maria, PPGEC UFSM, 2021.

1
AMERICAN SOCIETY OF HEATING REFRIGERATING AND AIR CONDITIONING ENGINEERS. ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. Atlanta, 2017.

2
FLORES, Michelle Gomes. Geração da base climática de Santa Maria-RS para análise de desempenho térmico e eficiência energética de edificações. Dissertação de mestrado. Santa Maria, PPGEC UFSM, 2014.

3
INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, QUALIDADE E TECNOLOGIA. Requisitos técnicos da qualidade para eficiência energética de edifícios residenciais — RTQ-R. Brasil, 2012.

4
SORGATO, Marcio José. Desempenho térmico de edificações residenciais unifamiliares ventiladas naturalmente. Dissertação de mestrado. Florianópolis, PPGEC UFSC, 2009.

5
FLORES, Michelle Gomes. Op. cit.

6
Reservatório térmico de alta e baixa pressão. Heliotek, 2014 <https://bit.ly/3DyND7b>.

7
GINJEIRA, Ana Sara Gonçalves. Simulação e análise custo-benefício de sistemas energéticos para uma habitação unifamiliar em clima português, com foco em sistemas geotérmicos. Dissertação de mestrado. Lisboa, Universidade de Lisboa, 2010, p. 95.

8
REINERT, Dalvan; REICHERT, José; DALMOLIN, Ricardo; AZEVEDO, Antonio; PEDRON, Fabrício. Principais solos da Depressão Central e Campanha do Rio Grande do Sul. Guia de excursão. 2ª edição. Santa Maria, CCR UFSM, 2007.

9
CAMARGO, Mariela. Análise do desempenho de dutos enterrados para arrefecimento de uma habitação na zona bioclimática 2. Dissertação de mestrado. Santa Maria, PPGEC UFSM, 2017, p. 105.

sobre os autores

Roberta Mulazzani Doleys Soares é arquiteta, doutora, professora e coordenadora do curso de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões Campus Santo Ângelo.

Gihad Mohamad é engenheiro civil, doutor e professor do Departamento de Estruturas e Construção Civil do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria.

Joaquim Pizzutti dos Santos é engenheiro civil, doutor e professor do Departamento de Estruturas e Construção Civil do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria.