COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº 175704

Carga de vento sobre coletores solares em habitações térreas de interesse social via simulação CFD Paulo José Schiavon Ara Daniel Setrak Sowny Racine Tadeu Araújo Prado Fernando Kurokawa

Palestra apresentado no Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído, 17., 2018, Foz do Iguaçu

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT

Av. Prof. Almeida Prado, 532 | Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 | CEP 01064-970

São Paulo | SP | Brasil | CEP 05508-901 Tel 11 3767 4374/4000 | Fax 11 3767-4099

www.ipt.br

CARGA DE VENTO SOBRE COLETORES SOLARES EM HABITAÇÕES TÉRREAS DE

INTERESSE SOCIAL VIA SIMULAÇÃO CFD

autores e instituição:

PAULO ARA, POLI-USP e IPT

DANIEL SOWMY, POLI-USP e IPT

RACINE PRADO, POLI-USP

FERNANDO KUROKAWA, POLI-USP

agradecimentos:

Co

nte

xtu

aliz

ação

:

• Energias renováveis em expansão na ME global (redução de custos, aumento da capacidade instalada, crescimento econômico e emissão GEE cada vez mais dissociados);

• Dentre as renováveis, a energia solar térmica (SHS – solar heating systems) em crescimento (+5% 2015 → 2016) porém desacelerado (especialmente na Europa e Estados Unidos), atingindo total de 456 GWth;

• Esse cenário do mercado SHS implica no aumento da competitividade: busca por elevar eficiência, durabilidade, baixa ocorrência de falhas, conformidade à programas de certificação (GE, SRCC, SK, PBE);

• Brasil: certificação compulsória de aquecedores solares desde 2017: testes p/ avaliação de conformidade:

• Testes: 10 obrigatórios + 2 opcionais

• Neste trabalho: teste de carga mecânica

Coletor solar em plano horizontal

Deve suportar no mínimo a carga de:

1 kPa

• Carga de 1kPa definida pela ABNT NBR 15747-2:2009 é derivada da tradução da norma europeia EN 12975-2:2006;

• No Brasil, a certificação é obrigatória e também é exigida para aquisição de aquecedores solares nos programas habitacionais (MCMV, CDHU, etc...) nacionais para implantação de HIS;

• As condições de carga mecânica no vidro de cobertura às quais os coletores estão sujeitos em HIS no Brasil não são as mesmas que as encontradas na Europa ou em outras aplicações. Então pergunta-se...

• o requisito ATUAL 1kPa é adequado para aquecedores que são instalados em HIS térreas no Brasil?

Perg

un

ta d

a p

esq

uis

a

Ob

jeti

vos:

Verificar se o requisito de resistência a 1kPa é

adequado para aquecedores que são instalados em HIS térreas no Brasil

Met

od

olo

gia:

• Construiu-se 4 tipologias usuais de HIS térreas em modelagem CAD 3D no software Design Builder V5.3.0.014. Todas as 4 tipologias possuem 36m² de área em planta, telhado 2 águas simétrico N/S, PD=2,6m. Aquecedor no centro geométrico do telhado norte e 4 inclinações de telhado 10°, 20°, 30° e 45°;

• Pelo software Design Builder utilizou-se o modulo de CFD (Fluido dinâmica computacional) para simular as pressões devidas ao vento próximas do aquecedor solar que resultam em cargas mecânicas no vidro do coletor.

• Simulação de 4 direções de vento (N-S, L-O, S-N, O-L) para cada um dos 4 telhados (10°, 20°, 30°, 45°). Para cada simulação foram posicionados 3 pontos de monitoramento sendo um no telhado norte sobre o coletor (Pn), outro no telhado sul (Ps) e Po (ponto não perturbado à barlavento). O terreno foi suposto plano e sem obstáculos próximos.

• O domínio computacional teve 8x a largura e o comprimento da casa e 3x a altura, e o escoamento do vento foi resolvido pelas equações de Navier-Stokes, continuidade e conservação de energia para a determinação numérica do escalar p (pressão) em cada volume finito do domínio. Para isso o domínio foi discretizado pelo esquema upwind em 295mil a 688mil elementos de malha prismáticos, com refinamento próximo à região do telhado e do coletor. Para regiões com Re alto foi utilizado modelo turbulência k-ε.

• Simulações em computador com 10,9 GB de memória disponível, 12 a 24h, convergência com ~25000 iterações até resíduo <10-3 para conservação de massa e <10-5 para demais grandezas.

Met

od

olo

gia:

• Simulação da carga mecânica positiva na cobertura do coletor, para cada cenário:

Simulação computacional ABNT NBR 6123:1998

Max(Vb) , S1 , S2 , S3

Pressão dinâmica

Vo , Pn , Po

Coeficiente de Pressão

Pressão no coletor = ~ 1 kPa

Res

ult

ado

s:

Res

ult

ado

s:

Carga máxima de compressão = 0,317 kPa

0,317 kPa

Co

ncl

usõ

es:

• Os valores de pressão por simulação CFD se mostraram em concordância com os valores da NBR 6123;

• Pressão positiva no telhado em que incide o vento e negativa para o telhado oposto;

• Quanto maior a inclinação do telhado, maior a pressão positiva;

• Maior ocorrência de pressões negativas (predomínio de sucção), apenas a partir de 30° ocorre compressão;

• O pior caso correspondeu a ~ 0,32 kPa de compressão (telhado de 45° e pior condição de vento N-S).

O requisito de resistência a 1kPa é cerca de 3x maior que a pressão atuante nas

condições mais criticas, e portanto pode ser considerado viável o ajuste do

requisito de 1kPa para as HIS térreas

Ref

erên

cias

:

Obrigado!

PAULO ARA, POLI-USP e IPT, paulo.ara@usp.br

DANIEL SOWMY, POLI-USP e IPT, dss@usp.br

RACINE PRADO, POLI-USP, racine.prado@usp.br

FERNANDO KUROKAWA, POLI-USP, fernando.kurokawa@usp.br