Hipocriocausto Geosolar (Criocausto) Criocausto.net Tecnologias Sustentáveis de Aquecimento, Arrefecimento e Geração Eléctrica Março 2011 © Miguel Santos

Hipocriocausto Geosolar(Criocausto)

Criocausto.net Tecnologias Sustentáveis de Aquecimento, Arrefecimento e Geração Eléctrica

Março 2011 © Miguel Santos 2009

Descrição geral

Introdução Histórica O nome

O nome é um descritivo do sistema, em homenagem ao primeiro sistema de climatização desenvolvido em Roma nos tempos da República, por Sérgio Orata em ~25 AC – o Hipocausto. O nome hipocausto indica literalmente “calor por baixo” (grego hypokausis) e é uma adaptação de Sérgio Orata do sistema de aquecimento dos banhos já usado na Grécia, e de que ainda restam vestígeos arqueológicos em Olímpia, Delfos e Vovins.

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Introdução Histórica - O Hipocausto Este hipocausto de Sérgio Orata era um sistema que na

linguagem de climatização dos nossos dias poderiamos designar como pavimento e paredes radiantes. O sistema desenvolvia-se a partir de um “piso técnico” enterrado (o hipocausto) com uma abertura para o exterior onde se encontrava instalada uma caldeira a lenha (praefurnium), nela entrando o ar do exterior que era aquecido transformando-se em gases de combustão (T~400-600ºC).

Descrição geral

Introdução Histórica - O Hipocausto

Estes gases de combustão, movimentavam-se neste piso técnico, atingindo toda a área em planta do edifício pois embebidas nas paredes dos pisos superiores encontravam- se condutas circulares ou rectangulares de argila cozida (tubuli) como as visíveis numa villa romana próxima de Viena de Austria. Encimando as paredes encontrvam-se chaminés que recolhiam os gases dos tubuli permitindo o escape dos gases da combustão após uma extensa entrega térmica ao edifício.

Descrição geral


Foi estimado nos dias de hoje, que a saída dos gases não excedia os 40ºC, o que significa um rendimento térmico elevadíssimo. Esta tecnologia estendeu-se a todos os confins do Império e da qual podemos ainda ver o seu rasto também no nosso país, seja nas ruínas de Conímbriga seja nas de Pizões, Beja (foto acima).

Descrição geral


A energia usada na movimentação do sistema, tal como a usada na ventilação natural dos edifícios dos séculos XIX e inícios do séc. XX era a diferença de densidades entre o ar interior (ou os gases de combustão) e o ar exterior - o “efeito chaminé”.

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A grande limitação clássica deste sistema é a sua aplicação no verão em que o “efeito chaminé” tem eficácia “negativa” (Ti<Text) não produzindo qualquer efeito de ventilação. Por esta razão e em virtude das temperaturas do norte da Europa no verão serem mais moderadas, foi onde historicamente o sistema foi mais desenvolvido, e onde chegou a ter concretizações mais importantes.

Descrição geral


A grande limitação clássica deste sistema é a sua aplicação no verão em que o “efeito chaminé” tem eficácia “negativa” (Ti<Text) não produzindo qualquer efeito de ventilação. Por esta razão e em virtude das temperaturas do norte da Europa no verão serem mais moderadas, foi onde historicamente o sistema foi mais desenvolvido, e onde chegou a ter concretizações mais importantes.

Descrição geral

Introdução Histórica - Exemplos

Darei quatro exemplos, um do séc.XIX, outro do início do séc XX e dois mais recentes. Como veremos mais à frente estes sistemas tem na europa um interregno de cerca de um século, o século XX, o século da electricidade. Estes sistemas só começam a ser “repescados” no norte da Europa nos finais do século XX e inícios do século XXI por via da crise do custo da energia.

Descrição geral Introdução Histórica - Exemplos

A prisão de Pentonville, Londres – 1840

Como se pode observar na imagem ao

lado, o ar vinha do exterior por um túnel (ou vários) sendo de seguida lavado e corrigido termicamente por forma a que se atingisse o valor de temperatura julgado adequado para introdução nas celas. Seguidamente era conduzido por courettes até às celas donde saía por efeito de chaminé pelas courettes de exaustão até ao sótão onde era conduzido ao exterior por uma chaminé.

Descrição geral Introdução Histórica -

Exemplos A prisão de Pentonville, Londres –

1840

Como já referi atrás os sistemas que trabalham com base no efeito de chaminé têm um comportamento negativo na época quente, razão pela qual desde cedo se percebeu que estes sistemas carecem dum complemento para a movimentação do ar nos dias quentes. Em Pentonville 1840. o sistema eleito para colmatar esta característica do efeito chaminé foi a instalação duma fogueira no sótão que elevasse a temperatura do ar interior o suficiente para auxiliar a ventilação nestas alturas.

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Introdução Histórica - Exemplos Vienna Hofburg (CdL) – 1902 O “Corps de Logis” do Hofburgo em Viena é hoje um museu,

em que foi decidido estudar e reabilitar o sistema de ventilação natural original. Para o efeito foi instalada instrumentação que permitiu verificar o seu funcionamento passado um século de existência e instalar alguns equipamentos que permitiram uma melhoria do desempenho (substituição dos ventiladores originais).

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Introdução Histórica - Exemplos Vienna Hofburg (CdL) – 1902

O sistema compreende uma entrada de ar vinda de um parque adjacente (através de um túnel) e comunica com um túnel-labirinto na cave para compensar os valores de temperatura e humidade exteriores. Da cave o ar é levado por efeito chaminé em condutas grandes até às salas de exposição. Qualquer acréscimo de temperatura dentro das salas fluirá para o exterior por diferença de temperatura. Quando tal não ocorre como por exemplo no verão, 4 ventiladores que encimam as quatro torres do edifício asseguram a continuidade do circuito do ar.

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Introdução Histórica - Exemplos Vienna Hofburg (CdL) – 1902 Os resultados demonstraram a extrema eficácia e

estabilidade térmica do edifício mantida por mais de 100 anos com base em princípios extremamente simples e para aplicações exigentes como as museológicas.

Descrição geral

Introdução Histórica - Exemplos Vienna Hofburg (CdL) – 1902 Este edifício, devido à sua massa muito elevada que lhe

propociona uma estabilidade térmica ímpar permite que todo o processo seja feito com base num valor de 1 renovação por hora. sistema compreende uma entrada de ar vinda de um parque adjacente (através de um túnel) e comunica com um túnel-labirinto na cave para compensar os valores de temperatura e humidade exteriores. Da cave o ar é levado por efeito chaminé em condutas grandes até às salas de exposição. Qualquer acréscimo de temperatura dentro das salas fluirá para o exterior por diferença de temperatura. Quando tal não ocorre como por exemplo no verão, 4 ventiladores que encimam as quatro torres do edifício asseguram a continuidade do circuito do ar.

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Introdução Histórica - Exemplos Mediå School - Grong, Norway – 1998

Esta é uma escola para crianças dos 6 aos 13 anos, com uma ocupação que varia entre as 175 e as 224 pessoas. O sistema projectado para trabalhar entre temperaturas de -25ºC e 25ºC funciona com apoio de ventilação mecânica no verão em situações pontuais, funcionando a maior parte do tempo por recurso a efeito de chaminé. Possui um túnel para fazer a alimentação de ar exterior e proceder a algum temperamento do ar exterior. Tem um sistema de aquecimento ambiente nos espaços para fazer face às temperaturas extremas.

Descrição geral

Introdução Histórica - Exemplos Zero Energy Buiding (Institute of Engineering of Tribhuvan ) ~ 2000

Um exemplo de um hipocriocausto geosolar já existente, (de um modelo diferente do que aqui se propõe) e numa escala de moradia individual é a ZEB do Instituto de Engenharia de Tribhuvan no Nepal que contém alguns dos elementos ora propostos. Possui um túnel a 4m de profundidade que tempera o ar exterior aquecendo-o e arrefecendo-o, fornecendo o ar aquecido/arrefecido por baixo para os vários espaços. Possui também uma componente solar na chaminé – chaminé solar, mas recorre ainda em grande parte do tempo à ventilação mecânica por via das perdas de carga introduzidas pelos sistemas de filtragem. A chaminé solar, só por si não consegue gerar os diferenciais de pressão suficientes para motorizar a ventilação.

A Concepção-Base do Sistema A grande diferença e novidade em relação aos sistemas referidos na introdução

histórica situa-se ao nível da motorização térmica do sistema, bem como ao nível de integração com outras especialidades.

Ao contrário dos sistemas norte-europeus que necessitam claramente de aquecimento ambiente para além do pré-aquecimento/pré-arrefecimento do ar exterior, a sinergia que pode e deve ser criada em Portugal entre a massa térmica dos edifícios, um rigoroso tratamento da envolvente exterior e a capacidade de produção de calor dos paineis solares térmicos – hoje com tecnologias bastante fiáveis permite encarar pela primeira vez com confiança, a utilização da energia solar térmica em aplicações não tradicionais, sem os receios que existiram outrora. Assim, deverão ser criadas condições através do aquecimento/arrefecimento do ar novo e contacto deste com a estrutura interior do edifício, para que não sejam necessários sistemas adicionais de climatização.

1. Aquecimento de Águas Quentes Sanitárias2. Correcção Térmica do Ar Novo3. Motorização Térmica do sistema de ventilação4. Conversão Termo-Eléctrica da energia excedentária

Componente Solar1. Aquecimento Invernal2. Arrefecimento Estival

Componente Geo

Descrição geralHipocriocausto Geosolar

A Concepção-Base do Sistema O princípio novo deste hipocriocausto geosolar, baseia-se na

complementaridade das várias utilizações possíveis da energia solar térmica, a saber;

1. Aquecimento de Águas Quentes Sanitárias para banhos, cozinha, lavandaria etc. (todo o ano)

2. Correcção Térmica do Ar Novo (aquecimento) após a passagem nos túneis (de acordo com a variação dos graus-dia de aquecimento).

3. Motorização Térmica do sistema de ventilação na época quente contrariando assim a limitação própria dos sistemas de efeito chaminé. (de acordo com a variação dos graus-dia de arrefecimento).

4. Conversão da energia excedentária acumulada em cada momento por meio de turbinas com ciclo orgânico de Rankine (ORC) e geradores com ligação à rede eléctrica nacional e consequentes benefícios decorrentes da venda de energia.



Componente Geo


A Concepção-Base do Sistema As necessidades instantâneas destas quatro utilizações serão geridas a partir do

sistema de Gestão Técnica Centralizado, que decidirá a cada momento quais das componentes devem ser previligiadas.

Existirão sempre sistemas de backup que permitirão obviar a qualquer falha do sistema ou de fracos níveis de insolação, nomeadamente:

Caldeiras para manutenção (garantia) da temperatura mínima no acumulador solar primário

Ventilador Mecânico de apoio ao permutador de sótão (Ventilador Térmico) – 1 por Chaminé de exaustão

Ventilador Mecânico de apoio à insuflação em caso de despressurização do edifício – 1 por cada túnel.

O sistema ORC funcionará para aproveitar o pico mais elevado de temperatura destes colectores bem como para dissipar a energia excedentária de mais elevada temperatura após a satisfação dos restantes utilizadores do circuito primário (permutadores de sótão, permutadores de cave e diversas subestações AQS.



Componente Geo


A Concepção-Base do Sistema Este sistema hidráulico (Solar) atrás descrito será complementado pelo sistema

de pré-aquecimento/pré-arrefecimento pelo solo (Geo) com a utilização de túneis de admissão de ar novo (ar exterior) que aquecerão o ar frio no inverno e arrefecerão o ar quente no verão.

As temperaturas no solo abaixo dos 4m de profundidade têm um carácter de estabilidade ao longo do ano o que transforma esta zona num óbvio candidato à permuta de energia gratuita com o ar exterior uma vez que afortunadamente a temperatura do solo está sempre do lado certo para a climatização, o aquecimento do ar frio no inverno e o arrefecimento do ar quente no verão. Para além disto as flutuações que ainda existem a quatro metros são de alguma forma virtuosas, o que faz com que a 4m, devido ao atraso na função como se pode ver no gráfico, o solo encontra-se ligeiramente mais quente no inverno, e ligeiramente mais frio no verão.



Componente Geo




Componente Geo


Em termos médios anuais, a temperatura no planeta poucos metros abaixo do solo, varia entre os 7ºC e os 23 ºC. O exemplo que se vê na figura respeita a Katmandou e ao ZEB atrás descrito. Como se pode observar a amplitude das variações vai diminuindo com a profundidade estabilizando por volta dos 4-5 m num valor médio que como se vè na figura anda cerca dos 20ºC. Este valor deverá ser confirmado em cada caso aquando do projecto de execução, mas os valores deverão variar no país entre os 15 e os 18ºC. Serão estas as temperaturas que irão servir de referência para o que será expectável encontrar após a passagem do ar exterior em velocidade reduzida no túnel após percorrer toda a sua extensão. Serão expectáveis saltos térmicos no ar após este percurso da ordem dos 10ºC, quer no inverno (aquecimento), quer no verão (arrefecimento) para as situações de maior afastamento da temperatura média.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – O Inverno

Suponhamos um dia de inverno com uma temperatura exterior de 4ºC, e uma temperatura do solo a 4m de profundidade de 18 ºC. O ar vai entrar no sistema na Torre Fria, descendo até uma profundidade inferior aos 4m e começando a dirigir-se através do túnel para a base do edifício. A velocidade média de deslocação do ar no túnel será de 0,5 m/s dando tempo a que o ar em contacto com as paredes possa ir aquecendo de forma progressiva. Aproximando-se gradualmente do valor de referência. Passados ~70m de percurso o ar atingiu uma temperatura de 14ºC, sendo seguidamente filtrado (F7) numa secção alargada no fim do túnel para manter a baixo nível as perdas de carga. É altura deste ar, assim pré-aquecido e filtrado ser corrigido termicamente até uma temperatura tal que possa manter os espaços a condicionar numa temperatura de cerca de 20ºC. O valor a que este ar deverá ser aquecido vai depender do número de renovações/hora que estiverem a ser atingidas, os níveis de isolamento da envolvente e o grau de carregamento térmico da estrutura.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – O Inverno

O local onde será aquecido, a seguir à zona de filtragem, será ocupado por um permutador de calor o Permutador de Cave com muito baixa perda de carga do lado ar, que terá uma capacidade nominal suficiente para provocar um salto térmico de 20ºC no ar que foi entretanto pré-aquecido no túnel. Ou seja, na hipótese que estamos a descrever este permutador de cave deverá fazer subir o ar que se encontrava a 14ºC para os 34ºC, não significa que o vá fazer, mas deverá ter essa capacidade.

O ar encontra-se agora, pré-aquecido pela terra, aquecido pelo sol, filtrado e corrigido termicamente (aquecido de novo por energia de proveniencia solar) em condições de ser fornecido aos espaços. O seu fornecimento será feito através de plenos de betão isolados que correrão ao longo do edifício (ao nível das fundações) e que alimentarão as courettes frias que irão alimentar espaços ou grupos de espaços. A velocidade de referência à entrada destes plenos será a mesma do túnel (0,5 m/s). Seguidamente este ar irá ascender na courette indo desembocar numa grelha.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – O Inverno Este ar, após percorrer o espaço climatizando-o, será retirado em zona oposta do espaço a

nível alto, por grelhas entrando então para as courettes quentes. Estas grelhas deverão garantir uma área livre de passagem que garanta uma velocidade igual ou inferior aquela que o ar trazia na courette.

O ar que sobe na courette quente ao chegar ao sótão desemboca numa conduta-pleno, isolada ou não isolada, consoante o isolamento superior da envolvente se encontre por cima da lage de pavimento do sótão ou seja parte da própria cobertura. O ar nesta conduta, por sua vez, desemboca na base da Chaminé ou Torre Quente onde irá encontrar o permutador de sótão desligado nesta altura do ano. Ao chegar à base da chaminé este ar a, suponhamos 22ºC, começará a sua ascenção por efeito de chaminé até ao exterior, passando pelo ventilador mecânico desligado, motorizado pelo forte diferencial de temperatura com o exterior DT= 22ºC-4ºC = 16ºC. No caso de o caudal se tornar excessivo os Registo de Admissão à Chaminé introduzirão uma perda de carga que garanta o caudal desejado sem ter que ser desperdiçada energia de proveniência solar no permutador de cave, energia esta, que poderá ser utilizada de forma rentável na conversão em energia eléctrica por meio da Turbina ORC. Estes RM permitirão ainda o zonamento por fachada do edifício por meio da actuação diferencial dos respectivos RM.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – O Verão

Suponhamos um dia de verão com uma temperatura exterior de 34ºC, e uma temperatura do solo a 4m de profundidade de 18 ºC. O ar vai entrar no sistema na Torre Fria descendo até uma profundidade de 4m e começando a dirigir-se através do túnel para a base do edifício. A velocidade média de deslocação do ar no túnel será de 0,5 m/s dando tempo a que o ar em contacto com as paredes possa ir arrefecendo de forma progressiva. Aproximando-se gradualmente do valor de referência. Passados ~70m de percurso o ar atingiu uma temperatura de 24ºC, sendo seguidamente filtrado (F7) numa secção alargada no fim do túnel para manter a baixo nível as perdas de carga, indo passar seguidamente pelo permutador de cave desligado nesta altura do ano.

O ar encontra-se agora, pré-arrefecido pela terra, e filtrado, em condições de ser fornecido aos espaços. O seu fornecimento será feito através dos plenos de betão isolados que correrão ao longo do edifício (ao nível das fundações) e que alimentarão as courettes frias que irão alimentar espaços ou grupos de espaços. A velocidade de referência à entrada destes plenos será a mesma do túnel (0,5 m/s). Seguidamente este ar irá ascender na courette indo desembocar numa grelha.

Descrição geral


Este ar, após percorrer o espaço climatizando-o, será retirado em zona oposta do espaço a nível alto, de novo, através de grelhas entrando então para as designadas courettes quentes. Estas grelhas deverão garantir uma área livre de passagem que garanta uma velocidade igual ou inferior aquela que o ar trazia na courette.

O ar que sobe na courette quente ao chegar ao sótão desenboca numa conduta-pleno, isolada ou não isolada, consoante o isolamento superior da envolvente se encontre por cima da lage de pavimento do sótão ou seja parte da própria cobertura. O ar nesta conduta, por sua vez, desemboca na base da Chaminé (Torre Quente) onde irá encontrar o permutador de sótão que irá potenciar a o funcionamento do efeito chaminé, mesmo nesta altura do ano.

Descrição geral


Ao chegar à base da chaminé este ar a, suponhamos 27ºC, encontra neste momento um diferencial negativo de 7ºC relativamente ao ar exterior Text=34ºC que irá ser invertido em sinal e aumentado após a passagem no permutador. Este permutador de sótão deverá ser dimensionado por forma a poder imprimir um salto térmico de 30 ºC ao ar interior por forma a garantir sempre um diferencial fortemente positivo em relação ao exterior. O ar assim aquecido com recurso a energia solar, começará a sua ascenção por efeito de chaminé até ao exterior, motorizado pelo forte diferencial de temperatura DT= 57ºC-34ºC = 23ºC. No caso de o caudal se tornar excessivo bastará diminuir a potência disponível no permutador de sótão, diminuindo o DT com o exterior. Se por condições de falha de energia solar o caudal obtido não for suficiente, será o mesmo garantido com recurso a um ventilador mecânico, estando assim sempre garantido o funcionamento do sistema. O zonamento por fachada do edifício será feito na entrada da chaminé por meio da actuação diferencial dos respectivos RM.

Este ar, após percorrer o espaço climatizando-o, será retirado em zona oposta do espaço a nível alto, por grelhas entrando então para as courettes quentes. Estas grelhas deverão garantir uma área livre de passagem que garanta uma velocidade igual ou inferior aquela que o ar trazia na courette.

Descrição geral


O ar que sobe na courette quente ao chegar ao sótão desemboca numa conduta-pleno,

isolada ou não isolada, consoante o isolamento superior da envolvente se encontre por cima da lage de pavimento do sótão ou seja parte da própria cobertura. O ar nesta conduta, por sua vez, desemboca na base da Chaminé ou Torre Quente onde irá encontrar o permutador de sótão desligado nesta altura do ano. Ao chegar à base da chaminé este ar a, suponhamos 22ºC, começará a sua ascenção por efeito de chaminé até ao exterior, passando pelo ventilador mecânico desligado, motorizado pelo forte diferencial de temperatura com o exterior DT= 22ºC-4ºC = 16ºC. No caso de o caudal se tornar excessivo os Registo de Admissão à Chaminé introduzirão uma perda de carga que garanta o caudal desejado sem ter que ser desperdiçada energia de proveniência solar no permutador de cave, energia esta, que poderá ser utilizada de forma rentável na conversão em energia eléctrica por meio da Turbina ORC. Estes RM permitirão ainda o zonamento por fachada do edifício por meio da actuação diferencial dos respectivos RM.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – A Meia-estação

Suponhamos um dia de meia-estação com uma temperatura exterior de 20ºC, e uma temperatura do solo a 4m de profundidade de 18 ºC. O ar vai entrar no sistema na Torre Fria, descendo até uma profundidade de 4m e começando a dirigir-se através do túnel para a base do edifício. A velocidade média de deslocação do ar no túnel será de 0,5 m/s dando tempo a que o ar em contacto com as paredes possa ir arrefecendo de forma progressiva. Aproximando-se gradualmente do valor de referência. Passados ~70m de percurso o ar atingiu a temperatura de referência de 18ºC, sendo seguidamente filtrado (F7) numa secção alargada no fim do túnel para manter a baixo nível as perdas de carga, indo passar seguidamente pelo permutador de cave desligado nesta altura do ano.

O ar encontra-se agora, pré-arrefecido pela terra, e filtrado, em condições de ser

fornecido aos espaços. O seu fornecimento será feito através dos plenos de betão isolados que correrão ao longo do edifício (ao nível das fundações) e que alimentarão as courettes frias que irão alimentar espaços ou grupos de espaços. A velocidade de referência à entrada destes plenos será a mesma do túnel (0,5 m/s). Seguidamente este ar irá ascender na courette indo desembocar numa grelha.

Descrição geral

Seguindo o caminho do ar no criocausto – A Meia-estação

Este ar, após percorrer o espaço climatizando-o, será retirado em zona oposta do espaço a nível alto, de novo, através de grelhas, entrando então para as designadas courettes quentes. Estas grelhas, deverão garantir uma área livre de passagem que garanta uma velocidade igual ou inferior aquela que o ar trazia na courette.

O ar que sobe na courette quente ao chegar ao sótão desenboca numa conduta-pleno, isolada ou não isolada, consoante o isolamento superior da envolvente se encontre por cima da lage de pavimento do sótão ou seja parte da própria cobertura. O ar nesta conduta, por sua vez, desemboca na base da Chaminé onde irá encontrar o permutador de sótão que irá potenciar a o funcionamento do efeito chaminé, nesta altura do ano. Ao chegar à base da chaminé este ar a, suponhamos 21ºC, encontra neste momento um diferencial de 1ºC relativamente ao ar exterior Text=20ºC que é insuficiente para garantir o efeito chaminé na magnitude desejada. Por isso este ar irá ser aquecido na sua passagem no permutador. O permutador de sótão deverá ser nesta circunstância imprimir um salto térmico que garanta apenas o caudal desejado. O zonamento por fachada do edifício será feito na entrada da chaminé por meio da actuação diferencial dos respectivos RM.

A Concepção-Base do Sistema



Componente Geo


Descrição geral

Explique o percurso a longo prazo a ser seguido

Objectivo a longo prazo

Indique o objectivo pretendido Defina o objectivo com maior detalhe

A situação actual

Descreva brevemente a situação actual

Desenvolvimento até ao presente

Desenvolvimento efectuado até à situação actual

Antecedentes importantes Previsões iniciais que acabaram por não se

concretizar Previsões iniciais que acabaram por se

concretizar

Alternativas potenciais

Refira as estratégias alternativas Enumere os prós e os contras de cada

estratégia Apresente uma previsão dos custos

Recomendação

Recomenda uma ou várias estratégias Mencione os resultados esperados Refira os passos seguintes a executar Delegue as diversas tarefas

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