( PDF ) Desenvolvimentode um calorímetro paradeterminaçãodofator solar de vidros e janelas

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Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)

Centro Tecnológico (CTC)

Departamento de Engenharia Civil (ECV)

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC)

DEIVIS LUIS MARINOSKI

DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO PARA

DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR DE VIDROS E JANELAS

Florianópolis

Fevereiro de 2010

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DEIVIS LUIS MARINOSKI

DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO PARA

DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR DE VIDROS E JANELAS

Tese submetida à Universidade Federal de Santa Catarina

como requisito parcial, exigido pelo Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGEC, para a

obtenção do Título de DOUTOR em Engenharia Civil

Área de concentração: Construção Civil

Orientador: Prof. Roberto Lamberts, PhD

Florianópolis, 25 de fevereiro de 2010.

Catalogação na fonte pela Biblioteca Universitária da

Universidade Federal de Santa Catarina

M339d Marinoski, Deivis Luis

Desenvolvimento de um calorímetro para determinação do fator

solar de vidros e janelas [tese] / Deivis Luis Marinoski ; orientador,

Roberto Lamberts. – Florianópolis, SC, 2010. 298 p.: il., grafs.,

tabs., plantas.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro

Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.

Inclui referências

1. Engenharia civil. 2. Fator solar. 3. Calorímetro. 4. Medição em

campo. 5. Vidros e janelas. I. Lamberts, Roberto. II. Universidade

Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em

Engenharia Civil. III. Título.

CDU 624

Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC

Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil - PPGEC

DESENVOLVIMENTO DE UM CALORÍMETRO PARA

DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR DE VIDROS E JANELAS

DEIVIS LUIS MARINOSKI

Tese julgada adequada para a obtenção do Título de DOUTOR

em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGEC da

Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC

---------------------------------------------------------------

Profª. Dra. Janaíde Cavalcante Rocha - Coordenadora do PPGEC

---------------------------------------------------------------

Prof. Roberto Lamberts, PhD - Orientador e Moderador

---------------------------------------------------------------

Prof. Dr. Saulo Güths - Co-Orientador

COMISSÃO EXAMINADORA:

---------------------------------------------------------------

Prof. Fernando Oscar Ruttkay Pereira, PhD - ARQ/UFSC

---------------------------------------------------------------

Prof. Dr. José A. Bellini da Cunha Neto - EMC/UFSC

---------------------------------------------------------------

Profª. Dra. Lucila Chebel Labaki - FEC/UNICAMP

--------------------------------------------------------------

Prof. Dr. Nathan Mendes - EMC/PUC-PR

AGRADECIMENTOS

Aos meus pais Luiz e Lecir e à minha irmã Ana Kelly, pelo grande

incentivo e apoio.

Ao Prof. Roberto Lamberts pela orientação e amizade.

Ao Prof. Saulo Guths pela co-orientação e grande disposição em ajudar.

A todos os colegas do Laboratório de Eficiência Energética em

Edificações (LabEEE) pela ótima convivência e troca de conhecimento.

Aos colegas do Laboratório de Meios Porosos e Propriedades termo-

físicas (LMPT), em especial Alexandre e Damian.

Aos demais professores, colegas e funcionários do Programa de Pós-

graduação em Engenharia Civil (PPGEC) e a todos aqueles que, direta

ou indiretamente, colaboraram com o desenvolvimento desta pesquisa e

também com a minha formação.

Aos laboratórios LabEEE, LMPT, LabTermo, pela disponibilidade do

espaço físico, empréstimo de equipamentos, fornecimento de dados e

suporte técnico.

As empresas Cebrace e HunterDouglas pela doação de amostras.

Ao CNPq, CAPES, FEESC e FURNAS pelo financiamento do trabalho

através do pagamento de bolsas de estudo e aquisição de material.

Sobretudo a Jeová Deus, o grandioso criador do universo – Revelação

(Apocalipse) 4:11.

iii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.................................................................................VII

LISTA DE TABELAS ..................................................................................XI

LISTA DE QUADROS..............................................................................XIII

LISTA DE SÍMBOLOS.............................................................................XIV

RESUMO................................................................................................XVII

ABSTRACT...........................................................................................XVIII

1 INTRODUÇÃO ...............................................................................1

1.1 CONTEXTO DE ESTUDO: JANELAS E O CONSUMO DE ENERGIA......................1

1.2 MOTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA ...............................................................4

1.3 OBJETIVOS.........................................................................................6

1.3.1 Objetivo geral....................................................................................6

1.3.2 Objetivos específicos .........................................................................6

1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO...................................................................7

2 REVISÃO DE LITERATURA .........................................................9

2.1 FUNDAMENTOS DA MEDIÇÃO DE GANHO DE CALOR APLICADOS AOS

CALORÍMETROS SOLARES .....................................................................9

2.2 SISTEMAS DE MEDIÇÃO DE GANHO DE CALOR SOLAR EM JANELAS .............11

2.2.1 Simulador solar ...............................................................................11

2.2.2 UF-ASHRAE Solar calorimeter ........................................................17

2.2.3 MOWITT (Mobile Window Thermal Test Facility).............................21

2.2.4 Queen’s solar calorimeter .................................................................25

2.2.5 Fenestration Radiometer (Radiômetro de abertura)..............................28

2.3 ESTIMATIVA DO FATOR SOLAR ATRAVÉS DE PROPRIEDADES ÓPTICAS........31

2.4 NORMALIZAÇÃO PARA DETERMINAÇÃO E CÁLCULO DO FATOR SOLAR.......35

2.5 SÍNTESE DO CAPÍTULO E DISCUSSÃO.....................................................37

3 PROJETO, CONSTRUÇÃO E INSTRUMENTACÃO DO

CALORÍMETRO ..........................................................................39

3.1 PROJETO DO CALORÍMETRO ................................................................39

3.1.1 Dimensionamento dos absorvedores de calor......................................39

3.1.1.1 Cavidade principal (CP)...........................................................................39

3.1.1.2 Cavidade secundária (CS) ........................................................................41

3.1.2

Dimensionamento do sistema de resfriamento.....................................42

3.1.2.1 Unidade condensadora..............................................................................43

3.1.2.2 Reservatório 43

3.1.2.3 Modificações............................................................................................44

3.1.3 Dimensionamento do trailer de abrigo................................................46

3.1.4 Distribuição elétrica e hidráulica .......................................................48

3.1.5 Sensores de monitoramento ..............................................................49

3.1.6 Sistema de aquisição de dados e controle............................................51

3.2 FABRICAÇÃO DOS COMPONENTES E MONTAGEM DO CALORÍMETRO ...........54

3.2.1 Fabricação dos absorvedores de calor.................................................54

3.2.1.1 Cavidade principal (CP)...........................................................................54

3.2.1.2 Cavidade secundária (CS) ........................................................................56

3.2.2 Fabricação do sistema de resfriamento...............................................56

3.2.3 Fabricação do trailer de abrigo ..........................................................58

3.2.4 Desenvolvimento do sistema de aquisição e controle...........................59

3.2.5 Montagem do calorímetro.................................................................60

3.3 CALIBRAÇÃO E INSTALAÇÃO DOS SENSORES DE MONITORAMENTO............67

3.3.1 Piranômetros...................................................................................68

3.3.2 Anemômetros..................................................................................74

3.3.3 Fluxímetros.....................................................................................76

3.3.4 Termopares e termistor.....................................................................80

3.3.5 Medidores de vazão .........................................................................86

3.3.6 Medidor de coeficiente de convecção.................................................88

3.3.7 Calorímetro solar.............................................................................90

4 CALIBRAÇÃO DO CALORÍMETRO: PRIMEIRA FASE ...........93

4.1 VIDRO DE REFERÊNCIA.......................................................................93

4.2 COEFICIENTES DE TROCA DE CALOR (H)................................................94

4.3 TESTE INICIAL COM O CALORÍMETRO....................................................94

4.3.1 Medição com a cavidade principal (CP) .............................................94

4.3.1.1 Condições gerais.......................................................................................94

4.3.1.2 Resultados 97

4.3.2 Medição com a cavidade secundária (CS).........................................103

4.3.3 Considerações sobre o teste inicial...................................................106

4.4 SEGUNDA SÉRIE DE TESTES ...............................................................107

4.4.1 Medição com a cavidade principal (CP) ...........................................107

4.4.1.1 Condições gerais.....................................................................................107

4.4.1.2 Resultados 108

4.4.2 Medição com a cavidade secundária (CS).........................................111

4.4.2.1 Condições gerais.....................................................................................111

4.4.2.2 Resultados 112

4.4.3 Considerações sobre a segunda série de testes...................................114

5 CALIBRAÇÃO DO CALORÍMETRO: SEGUNDA FASE ..........117

5.1 NOVO MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR.......................117

5.1.1 Determinação do Fator Solar na cavidade principal (FScp).................120

5.1.2 Determinação do Fator Solar na cavidade secundária (FScs)...............121

5.2 NOVA CONDIÇÃO DE CONTROLE DE TEMPERATURA NAS CAVIDADES........122

5.3 VARIAÇÃO NA TEMPERATURA DAS CAVIDADES ....................................124

5.4 MODELO MATEMÁTICO....................................................................127

5.5 ANÁLISES PARAMÉTRICAS................................................................133

5.5.1 Diferença de temperatura cavidade-vidro .........................................133

5.5.2 Coeficientes de troca......................................................................138

5.5.3 Perdas de calor ..............................................................................146

5.6 NOVAS MEDIÇÕES COM O VIDRO DE REFERÊNCIA..................................149

5.7 CONSIDERAÇÕES SOBRE A ETAPA DE CALIBRAÇÃO ...............................166

6 TESTES COM DIFERENTES VIDROS E

PROTEÇÕES SOLARES ............................................................169

6.1 VIDROS .........................................................................................169

6.1.1 Amostras utilizadas........................................................................169

6.1.2 Resultados de FS ...........................................................................171

6.1.2.1 Vidro verde 6mm....................................................................................172

6.1.2.2 Vidro prata 8mm ....................................................................................176

6.1.2.3 Vidro incolor 6mm.................................................................................180

6.1.2.4 Considerações sobre os resultados de FS para os vidros ........................183

6.2 PROTEÇÕES SOLARES INTERNAS ........................................................188

6.2.1 Amostras utilizadas........................................................................188

6.2.2 Resultados de FS ...........................................................................190

6.2.2.1 Persiana horizontal (branca)...................................................................191

6.2.2.2 Persiana horizontal (preta)......................................................................192

6.2.2.3 Cortina rolô 194

6.2.2.4 Considerações sobre os resultados de FS para as proteções internas......197

6.3 PROTEÇÕES SOLARES EXTERNAS........................................................198

6.3.1 Amostras utilizadas........................................................................198

6.3.2 Resultados de FS ...........................................................................200

6.3.2.1 Considerações sobre os resultados de FS para as proteções externas.....206

6.4 ANÁLISE DAS INCERTEZAS................................................................208

6.4.1 Incerteza no resultado da CP...........................................................209

6.4.2 Incerteza no resultado da CS...........................................................212

6.4.3 Resumo geral dos resultados das medições.......................................214

7 COMPARAÇÕES COM O WINDOW6 E COM O MODELO

MATEMÁTICO ..........................................................................219

7.1 WINDOW6 E MODELO MATEMÁTICO...............................................219

7.2 MODELAGEM .................................................................................219

7.3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES.........................................................224

7.3.1 Vidros ..........................................................................................224

7.3.2 Proteções solares internas ...............................................................228

7.3.3 Proteções solares externas...............................................................228

7.4 RESUMO DAS COMPARAÇÕES ENTRE FS..............................................230

8 CONCLUSÕES ...........................................................................235

8.1 SÍNTESE GERAL E OUTRAS CONSIDERAÇÕES.........................................235

8.2 LIMITAÇÕES DA PESQUISA ................................................................239

8.3 SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS .............................................241

REFERÊNCIAS.........................................................................................243

ANEXOS ...................................................................................................249

vii

FIGURA 1-1. FLUXOGRAMA GERAL DO DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO ........................8

FIGURA 2-1. CORTE DO TRANSDUTOR DE FLUXO DE CALOR A GRADIENTE TANGENCIAL

(GÜTHS ET AL., 1998) .....................................................................................10

FIGURA 2-2. APLICAÇÃO DOS TRANSDUTORES............................................................10

FIGURA 2-3. PASSAGEM DO FLUIDO PELA SUPERFÍCIE DE ABSORÇÃO E VARIAÇÃO NA

TEMPERATURA DE ENTRADA E SAÍDA ...............................................................11

FIGURA 2-4. ESQUEMA INTERNO DO CALORÍMETRO

(HARRISON E VAN WONDEREN, 1994) ............................................................12

FIGURA 2-5. ESQUEMA DO LOCAL DE TESTE (HARRISON E VAN WONDEREN, 1994) ...13

FIGURA 2-6. VARIAÇÃO ANGULAR DA FONTE DE RADIAÇÃO

(HARRISON E VAN WONDEREN, 1998) ............................................................16

FIGURA 2-7. UF - ASHRAE SOLAR CALORIMETER ( SEECL, 2000)..........................17

FIGURA 2-8. ESQUEMA DO SISTEMA DE FUNCIONAMENTO DO CALORÍMETRO

(TSENG E GOSWAMI, 2001).............................................................................18

FIGURA 2-9. SISTEMA MOWITT MOSTRANDO AS DUAS CÂMARAS OPERANDO DE

FORMA INDEPENDENTE (LBNL, 2007).............................................................21

FIGURA 2-10. CORTE TRANSVERSAL DAS CÂMARAS DO MOWITT (LBNL, 2007) ....22

FIGURA 2-11. INTERIOR DE UMA DAS CÂMARAS (LBNL, 2007)..................................22

FIGURA 2-12. SISTEMA DE CONTROLE DA TEMPERATURA DE UMA DAS CÂMARAS DO

MOWITT (LBNL, 2007) ...............................................................................22

FIGURA 2-13. VISTA EXTERNA DO CALORÍMETRO (A) E CORTE ESQUEMÁTICO (B)

(COLLINS E HARRISON, 2004). ........................................................................25

FIGURA 2-14. FENESTRATION RADIOMETER (PEREIRA, 1992).....................................29

FIGURA 2-15. RADIÔMETRO DE ABERTURA DESENVOLVIDO NA UFSC

(MACEDO, 2002).............................................................................................29

FIGURA 2-16. CONFIGURAÇÃO GERAL DA MEDIÇÃO UTILIZANDO O RESFRIAMENTO POR

CIRCULAÇÃO DE ÁGUA (MARINOSKI ET AL., 2007)...........................................30

FIGURA 2-17. ESQUEMA DOS ÂNGULOS DE ROTAÇÃO DO SCANNING RADIOMETER

(PAPAMICHAEL ET AL., 1988 - ADAPTADO) ......................................................32

FIGURA 2-18. TESTE UTILIZANDO O SCANNING RADIOMETER (LBNL, 2007) ...........32

FIGURA 2-19. VISTA FRONTAL E LATERAL DA BLACK BOX

(TSENG E GOSWAMI, 2001).............................................................................33

FIGURA 2-20. ESQUEMA DE POSICIONAMENTO DOS PIRANÔMETROS (VISTA FRONTAL E

LATERAL) (TSENG E GOSWAMI, 2001).............................................................33

FIGURA 3-1. DESENHO ESQUEMÁTICO DA CAVIDADE PRINCIPAL (COTAS EM MM) ........41

FIGURA 3-2. DESENHO ESQUEMÁTICO DA CAVIDADE DE SECUNDÁRIA

(COTAS EM MM)...............................................................................................42

FIGURA 3-3. DESENHO ESQUEMÁTICO PARA MONTAGEM DO BANHO TÉRMICO.............44

FIGURA 3-4. BANHO TERMOSTÁTICO PARA A CAVIDADE SECUNDÁRIA ........................45

FIGURA 3-5. ESQUEMA DA DISTRIBUIÇÃO INTERNA DOS COMPONENTES

(

VISTA EM PLANTA, SEM ESCALA) ....................................................................47

FIGURA 3-6. ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE AQUISIÇÃO E CONTROLE52

FIGURA 3-7. COMPOSIÇÃO DA CAVIDADE COM SERPENTINAS APLICADAS NA FACE

EXTERNA (PEÇAS LATERAIS) ...........................................................................55

viii

FIGURA 3-8. VISTA DO LADO EXTERNO DA CAVIDADE E REFORÇO

ESTRUTURAL DO FUNDO..................................................................................55

FIGURA 3-9. VISTA DO LADO INTERNO DA CAVIDADE .................................................55

FIGURA 3-10. DETALHE DO ISOLAMENTO TÉRMICO EM LÃ DE VIDRO E

CAIXA PROTETORA ..........................................................................................55

FIGURA 3-11. VISTA POSTERIOR DA CAVIDADE SECUNDÁRIA JÁ MONTADA

(DETALHE DA SERPENTINA) .............................................................................56

FIGURA 3-12. VISTA FRONTAL DA CAVIDADE SECUNDÁRIA

(DETALHE DO PLANO DE COLAGEM DOS FLUXÍMETROS)...................................56

FIGURA 3-13. SERPENTINA E RESISTÊNCIAS AQUECEDORAS NO

INTERIOR DO RESERVATÓRIO ...........................................................................57

FIGURA 3-14. SISTEMA CONDENSADOR 1,5HP ...........................................................57

FIGURA 3-15. VISTA GERAL DO BANHO TÉRMICO........................................................57

FIGURA 3-16. ESTRUTURA DO TRAILER (PERFIS METÁLICOS) ......................................58

FIGURA 3-17. MOLDURAS DE MADEIRA NAS ABERTURAS PARA AS CAVIDADES............58

FIGURA 3-18. VISTA EXTERNA DO TRAILER ACABADO ................................................59

FIGURA 3-19. INTERFACE DE COMUNICAÇÃO..............................................................60

FIGURA 3-20. INTERFACE DE MONITORAMENTO .........................................................60

FIGURA 3-21. FLUXOGRAMA DA SEQUÊNCIA DE MONTAGEM DO CALORÍMETRO ..........62

FIGURA 3-22. SISTEMA CONDENSADOR INSTALADO NA PLATAFORMA

DIANTEIRA DO TRAILER ...................................................................................63

FIGURA 3-23. RESERVATÓRIO INSTALADO NO INTERIOR DO TRAILER .........................63

FIGURA 3-24. VISTA EXTERNA DA CAVIDADE PRINCIPAL JÁ INSTALADA NO TRAILER...63

FIGURA 3-25. PINTURA DA CAVIDADE PRINCIPAL .......................................................63

FIGURA 3-26. DETALHE INTERNO DA CAVIDADE SECUNDÁRIA JÁ INSTALADA NO

TRAILER..........................................................................................................64

FIGURA 3-27. VISTA EXTERNA DA INSTALAÇÃO DA CAVIDADE SECUNDÁRIA

(SEM O VIDRO) ................................................................................................64

FIGURA 3-28. QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO ELÉTRICA ...................................................65

FIGURA 3-29. PONTO DE LUZ NO TETO........................................................................65

FIGURA 3-30. LIGAÇÃO DA BOMBA E BARRILETE COM REGISTROS DE

CONTROLE DE FLUXO DA CP............................................................................65

FIGURA 3-31. ISOLAMENTO DAS TUBULAÇÕES E DAS CAVIDADES ...............................65

FIGURA 3-32. CAMINHO PERCORRIDO PELA ÁGUA (A); VISÃO EXTERNA DO MISTURADOR

(B); DIVISÓRIA INTERNA (C); ISOLAMENTO DO MISTURADOR DEPOIS DE

INSTALADO NO TRAILER (D).............................................................................66

FIGURA 3-33. LAYOUT DA INSTALAÇÃO DOS COMPONENTES DO SISTEMA

DE AQUISIÇÃO E CONTROLE .............................................................................67

FIGURA 3-34. CONFIGURAÇÃO DA CALIBRAÇÃO DOS PIRANÔMETROS .........................69

FIGURA 3-35. DETERMINAÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR PARA CALIBRAÇÃO DOS

PIRANÔMETROS (DIA 21/11/2007, CÉU CLARO) ................................................71

FIGURA 3-36. DETERMINAÇÃO DE RADIAÇÃO SOLAR PARA CALIBRAÇÃO DOS

PIRANÔMETROS

(DIA 03/12/2007, CÉU PARCIALMENTE NUBLADO) ...................73

FIGURA 3-37. TÚNEL DE VENTO UTILIZADO PARA CALIBRAÇÃO DOS ANEMÔMETROS...75

FIGURA 3-38. CURVA DE CALIBRAÇÃO DO ANEMÔMETRO 1 (INTERNO) .......................75

FIGURA 3-39. CURVA DE CALIBRAÇÃO DO ANEMÔMETRO 2 (EXTERNO) ......................75

FIGURA 3-40. NUMERAÇÃO DOS FLUXÍMETROS, VISTA EXTERNA FRONTAL .................76

FIGURA 3-41. GEL NA FACE DO FLUXÍMETRO (A), RESISTÊNCIA APLICADA SOBRE O GEL

(B), MANTA TÉRMICA ACIMA DA RESISTÊNCIA (C), ARRANJO COMPLETO (D)......77

FIGURA 3-42. ESQUEMA DE CALIBRAÇÃO DOS FLUXÍMETROS.....................................78

FIGURA 3-43. CURVA DE CALIBRAÇÃO DO FLUXÍMETRO 1..........................................79

FIGURA 3-44. CONFIGURAÇÃO PARA CALIBRAÇÃO DOS TERMOPARES .........................81

FIGURA 3-45. CURVA DE CALIBRAÇÃO DOS TERMOPARES...........................................82

FIGURA 3-46. TESTE COM DOIS TERMOPARES NO INTERIOR DO BANHO .......................83

FIGURA 3-47. VARIAÇÃO NAS TEMPERATURAS MEDIDAS PELOS TERMOPARES.............84

FIGURA 3-48. INCERTEZA NA MEDIDA DO ∆T DA ÁGUA NA ENTRADA E

SAÍDA DA CAVIDADE........................................................................................84

FIGURA 3-49. CURVA DE CALIBRAÇÃO DO TERMISTOR ...............................................85

FIGURA 3-50. EXEMPLO DA FIXAÇÃO DOS TERMOPARES (A); EXEMPLO DE PROTEÇÃO

DOS TERMOPARES QUANDO EXPOSTOS À RADIAÇÃO SOLAR (B); ENTRADA PARA

MEDIÇÃO DA TEMPERATURA DO AR (C); JUNTA DE REFERÊNCIA

DOS TEMOPARES (D) .......................................................................................86

FIGURA 3-51. MEDIDOR E HASTE ARTICULADA (A); CONJUNTO MONTADO NA

POSIÇÃO DE USO (B).........................................................................................88

FIGURA 3-52. MEDIDOR DE COEFICIENTE DE CONVECÇÃO INSTALADO NO

CALORÍMETRO.................................................................................................90

FIGURA 3-53. VISTA EXTERNA DO CALORÍMETRO EM FUNCIONAMENTO (A, B) ............91

FIGURA 4-1. TMCP E TEMPERATURA DO AR EXTERNO (TAR EXT)

DURANTE A MEDIÇÃO ......................................................................................98

FIGURA 4-2. VARIAÇÕES DE TEMPERATURA NAS FACES DA CAVIDADE PRINCIPAL

(OBS.: A NOMENCLATURA DE POSICIONAMENTO DAS FACES SUPÕE O

OBSERVADOR LOCALIZADO ATRÁS DA CAVIDADE) ...........................................98

FIGURA 4-3. DIFERENÇAS DE TEMPERATURA ENTRE O AR EXTERNO

E TMCP E ENTRE A ÁGUA NA ENTRADA E SAÍDA DA CAVIDADE PRINCIPAL.......99

FIGURA 4-4. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DO VIDRO DA CAVIDADE PRINCIPAL........100

FIGURA 4-5. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DO AR NO INTERIOR DA CAVIDADE

PRINCIPAL .....................................................................................................100

FIGURA 4-6. CALOR RETIRADO PELO FLUIDO NA CAVIDADE PRINCIPAL .....................101

FIGURA 4-7. FATOR SOLAR MEDIDO NO PRIMEIRO TESTE DE CALIBRAÇÃO

(ÂNGULO DE INCIDÊNCIA ~ 45°).....................................................................103

FIGURA 4-8. RESULTADOS DO PRIMEIRO TESTE COM A CAVIDADE SECUNDÁRIA ........105

FIGURA 4-9. TMCP E TEMPERATURA DO AR EXTERNO (SEGUNDO TESTE)..................108

FIGURA 4-10. VARIAÇÕES DE TEMPERATURA NAS FACES DA CP (SEGUNDO TESTE)...109

FIGURA 4-11. FATOR SOLAR MEDIDO NO SEGUNDO TESTE DE CALIBRAÇÃO

(ÂNGULO DE INCIDÊNCIA ~ 60°).....................................................................110

FIGURA 4-12. DIFERENÇAS DE TEMPERATURA ENTRE O AR EXTERNO E TMCP E ENTRE

A ÁGUA NA ENTRADA E SAÍDA DA CAVIDADE PRINCIPAL (SEGUNDO TESTE).....111

FIGURA 4-13. FATOR SOLAR MEDIDO NA CS (SEGUNDO TESTE)................................113

FIGURA 4-14. VARIAÇÃO DE TEMPERATUR NA CS (SEGUNDO TESTE)........................113

IGURA 4-15. FENÔMENO DA PASSAGEM DO FLUXO DE CALOR DEVIDO

À DIFERENÇA DE TEMPERATURA DO AR .........................................................116

FIGURA 5-1. CONDIÇÕES PARA A COMPOSIÇÃO DOS TERMOS DA

EQUAÇÃO GERAL DO FS.................................................................................119

FIGURA 5-2. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA DO BANHO NOS QUATRO

TESTES LISTADOS NA TABELA 5-1..................................................................124

FIGURA 5-3. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA DA CP E DO VIDRO ......................125

FIGURA 5-4. VARIAÇÃO DO FS MEDIDO NA CP.........................................................125

FIGURA 5-5. VARIAÇÃO DA TEMPERATURA MÉDIA DA CS E DO VIDRO ......................126

FIGURA 5-6. VARIAÇÃO DO FS MEDIDO NA CS.........................................................126

FIGURA 5-7. ESQUEMA DE REPRESENTAÇÃO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR NAS

CAVIDADES (SEM ESCALA).............................................................................130

FIGURA 6-1. DIMENSÕES DA LÂMINA (BRISE HORIZONTAL)

– FONTE: HUNTERDOUGLAS..........................................................................199

FIGURA 7-1. OPÇÕES DE CÁLCULO SELECIONADAS NO W6........................................220

FIGURA 7-2. EXEMPLO: CONSTRUÇÃO DAS PROTEÇÕES SOLARES NO W6...................222

FIGURA 7-3. ESQUEMA DE REDUÇÃO DO ESPAÇAMENTO ENTRE AS LÂMINAS.............223

FIGURA 7-4. EXEMPLO DE MONTAGEM DOS SISTEMAS TRANSPARENTES ....................223

TABELA 3-1. DIMENSÕES PREVISTAS PARA A ABERTURA DA

CAVIDADE PRINCIPAL (CP)..............................................................................40

TABELA 3-2. QUADRO DE CARGAS DO CALORÍMETRO .................................................48

TABELA 3-3. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DA BOMBA DE RECALQUE .........................49

TABELA 3-4. SENSORES DE MONITORAMENTO ............................................................50

TABELA 3-5. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PIRANÔMETRO

KIPP&ZONEN MODELO CM-21........................................................................50

TABELA 3-6. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DOS MEDIDORES DE VAZÃO.......................51

TABELA 3-7. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO PIRANÔMETRO

KIPP&ZONEN MODELO CM22.........................................................................69

TABELA 3-8. CONSTANTES DE CALIBRAÇÃO DOS PIRANÔMETROS FABRICADOS NO

LMPT (CÉU CLARO)........................................................................................70

TABELA 3-9. INCERTEZA NA CALIBRAÇÃO DOS PIRANÔMETROS PARA CÉU ABERTO .....71

TABELA 3-10. CONSTANTES DE CALIBRAÇÃO DOS PIRANÔMETROS FABRICADOS NO

LMPT (CÉU PARCIALMENTE NUBLADO)...........................................................72

TABELA 3-11. INCERTEZA NA CALIBRAÇÃO DOS PIRANÔMETROS PARA CÉU

PARCIALMENTE NUBLADO ...............................................................................73

TABELA 3-12. INCERTEZA NA CALIBRAÇÃO DOS ANEMÔMETROS ................................76

TABELA 3-13. CONSTANTES DE CALIBRAÇÃO DOS FLUXÍMETROS................................80

TABELA 3-14. VARIAÇÃO ENTRE OS VALORES DE ∆T MEDIDO E ∆T DA CURVA

AJUSTADA NA CALIBRAÇÃO DOS TERMOPARES .................................................82

TABELA 3-15. VARIAÇÃO ENTRE OS VALORES DE TEMPERATURA MEDIDA

E CALCULADA (CURVA AJUSTADA) NA CALIBRAÇÃO DO TERMISTOR .................85

TABELA 3-16. DETERMINAÇÃO DA VAZÃO NA CAVIDADE PRINCIPAL ..........................87

TABELA 4-1. PROPRIEDADES ÓPTICAS DO VIDRO INCOLOR 3MM (CARAM, 2002).........94

TABELA 5-1. VARIAÇÃO NA TEMPERATURA MÉDIA DO BANHO TÉRMICO ...................123

TABELA 5-2. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM O VIDRO INCOLOR 3MM ..........................163

TABELA 5-3. AJUSTE DO FS PARA ∆T(TC-TVE) = -5°C............................................164

TABELA 5-4. AJUSTE DO FS PARA ∆T(TC-TVE) = -10°C..........................................165

TABELA 6-1. PROPRIEDADES ÓPTICAS DO VIDRO (CARAM, 2002) .............................170

TABELA 6-2. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM O VIDRO VERDE 6MM..............................175

TABELA 6-3. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM O VIDRO PRATA 8MM..............................179

TABELA 6-4. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM O VIDRO INCOLOR 6MM ..........................182

TABELA 6-5. COMPARAÇÃO ENTRE FS MÉDIO MEDIDO NA CP E CS..........................183

TABELA 6-6. FAIXAS DE ∆T CAVIDADE-VIDRO EM FUNÇÃO DA

ABSORÇÃO DO VIDRO ....................................................................................186

TABELA 6-7. COMPARAÇÃO ENTRE O FS MEDIDO E TEÓRICO (TESTES COM VIDROS)..187

TABELA 6-8. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM AS PROTEÇÕES SOLARES INTERNAS .........196

TABELA 6-9. COMPARAÇÃO ENTRE O FS MEDIDO E TEÓRICO

(

TESTES COM PROTEÇÕES INTERNAS) .............................................................198

TABELA 6-10. RESUMO DAS MEDIÇÕES COM AS PROTEÇÕES SOLARES EXTERNAS ......205

TABELA 6-11. COMPARAÇÃO ENTRE O FS MEDIDO E TEÓRICO

(TESTES COM PROTEÇÕES EXTERNAS) ............................................................207

xii

TABELA 6-12. INFORMAÇÕES PARA ESTIMATIVA DA INCERTEZA NO

FS MEDIDO NA CP.........................................................................................210

TABELA 6-13. INCERTEZA NO FS MEDIDO NA CP (VIDROS).......................................211

TABELA 6-14. INCERTEZA NO FS MEDIDO NA CP (PROTEÇÕES SOLARES)..................212

TABELA 6-15. INFORMAÇÕES PARA ESTIMATIVA DA INCERTEZA NO

FS MEDIDO NA CS.........................................................................................213

TABELA 6-16. INCERTEZA NO FS MEDIDO NA CS (VIDROS).......................................214

TABELA 6-17. RESUMO GERAL DAS MEDIÇÕES COM OS VIDROS (CP) ........................215

TABELA 6-18. RESUMO GERAL DAS MEDIÇÕES COM OS VIDROS (CS) ........................216

TABELA 6-19. RESUMO GERAL DAS MEDIÇÕES COM AS PROTEÇÕES SOLARES............217

TABELA 7-1. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS MODELO MATEMÁTICO

(VIDROS NA CP)............................................................................................225

TABELA 7-2. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS MODELO MATEMÁTICO

(VIDROS NA CS)............................................................................................226

TABELA 7-3. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS W6 (VIDROS NA CP)........................227

TABELA 7-4. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS W6 (VIDROS NA CS) ........................227

TABELA 7-5. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS W6 (PROTEÇÕES INTERNAS).............229

TABELA 7-6. COMPARAÇÃO FS MEDIÇÃO X FS W6 (PROTEÇÕES EXTERNAS)............229

xiii

QUADRO 5-1. VARIAÇÃO PARAMÉTRICA DO ∆T CAVIDADE-VIDRO

(VIDRO INCOLOR 3MM)..................................................................................134

QUADRO 5-2. VARIAÇÃO PARAMÉTRICA DO ∆T CAVIDADE-VIDRO

(VIDRO VERDE 6MM) .....................................................................................136

QUADRO 5-3. VARIAÇÃO PARAMÉTRICA DO H

INT

/(H

INT

EXT

) (VIDRO INCOLOR 3MM) 139

QUADRO 5-4. VARIAÇÃO PARAMÉTRICA DO H

INT

/(H

INT

EXT

) (VIDRO VERDE 6MM)....141

QUADRO 5-5. VARIAÇÃO PARAMÉTRICA DO HINT/(HINT+HEXT)

PARA ∆T(TC-TVE) = -10°C...........................................................................144

QUADRO 5-6. ANÁLISE PARAMÉTRICA DAS PERDAS DE CALOR..................................147

QUADRO 5-7. MEDIÇÕES NA CP (VIDRO INCOLOR 3MM)...........................................150

QUADRO 5-8. MEDIÇÕES NA CS (VIDRO INCOLOR 3MM)...........................................156

QUADRO 6-1. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP (VIDRO VERDE 6MM)...................172

QUADRO 6-2. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CS (VIDRO VERDE 6MM)...................173

QUADRO 6-3. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP (VIDRO PRATA 8MM) ...................176

QUADRO 6-4. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CS (VIDRO PRATA 8MM) ...................177

QUADRO 6-5. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP (VIDRO INCOLOR 6MM)................180

QUADRO 6-6. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CS (VIDRO INCOLOR 6MM)................181

QUADRO 6-7. DETALHES DAS AMOSTRAS DE PROTEÇÕES SOLARES INTERNAS ...........189

QUADRO 6-8. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP

(PERSIANA HORIZONTAL - BRANCA - 45°).......................................................191

QUADRO 6-9. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP

(PERSIANA HORIZONTAL - PRETA - 45°)..........................................................192

QUADRO 6-10. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP (ROLÔ - BRANCA)......................194

QUADRO 6-11. POSICIONAMENTO DAS LÂMINAS E INSTALAÇÃO

DO BRISE NO CALORÍMETRO...........................................................................199

QUADRO 6-12. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP

(BRISE HORIZONTAL BRANCO - 45°) – BANHO “OFF”.......................................202

QUADRO 6-13. RESULTADOS DE FS MEDIDO NA CP

(BRISE HORIZONTAL BRANCO - 45°) – BANHO “ON”........................................203

QUADRO 7-1. RESUMO DAS COMPARAÇÕES ENTRE FS (VIDROS NA CP) ....................231

QUADRO 7-2. RESUMO DAS COMPARAÇÕES ENTRE FS (VIDROS NA CS) ....................232

QUADRO 7-3. RESUMO DAS COMPARAÇÕES ENTRE FS (PROTEÇÕES INTERNAS).........233

QUADRO 7-4. RESUMO DAS COMPARAÇÕES ENTRE FS (PROTEÇÕES EXTERNAS) ........234

xiv

Abreviações

adap = adaptado(a);

Âng Inc = Ângulo de incidência (°);

CS = Cavidade secundária;

CP = Cavidade principal;

DesvPad = Desvio Padrão;

Flux = fluxímetro;

FS = Fator Solar (adimensional);

FSmed = Fator Solar medido;

FS teórico = Fator Solar teórico;

Horiz = Horizontal

Rad = Radiação solar (W/m²);

Tempo med = Tempo de medição (min);

var = Variação;

W6 = Window6;

Momenclatura

difuso

= Absorção do vidro para a radiação solar difusa (adimensional);

face

ou A

face_n

= Área da face da cavidade do calorímetro (m²);

= Área de janela exposta à radiação (m

);

T_faces

= Área total das faces da cavidade (m²);

água

= Calor específico da água (J/l K);

FACE

= Temperatura da face da cavidade principal em (°C);

CS fundo = Temperatura média da cavidade secundária (°C);

DT ou ∆

∆∆

∆T = Diferença de temperatura;

brise

Fator Solar do Brise (adimensional);

FScp = Fator Solar medido na cavidade principal (adimensional);

FScs = Fator Solar na cavidade secundária;

med

= Fator solar medido (adimensional);

Flux

= Resultado do ganho de calor de cada fluxímetro (W/m

);

h = Coeficientes de troca de calor (W/m²K)

= Coeficiente de troca por convecção (W/m²K);

ext

= Coeficiente de troca de calor global externo (W/m²K);

int

= Coeficiente de troca de calor global interno (W/m²K);

horiz

= Coeficiente de troca de calor global na superficie horizontal (W/m²K);

= Coeficiente de troca radiante (W/m²K);

vert

= Coeficiente de troca de calor global na superficie vertical (W/m²K);

_trailer

= Coeficiente de troca de calor superficial total no trailer (W/m²K);

flux

= Constante de calibração do fluxímetro (W/mV);

pir

= Constante de calibração do piranômetro (W/m²/mV);

Qcp = Fluxo de calor na cavidade principal através da amostra (W);

Qcp

faces

= Calor perdido através das paredes da cavidade (W);

Qcp

faces

= Calor perdido através das paredes da cavidade (W);

Qcp

= Calor perdido através das bordas de fixação (W);

Qcp

fluid

= Calor removido pelo fluido do sistema de resfriamento (W);

Qcp

equi

= Calor gerado pelos equipamentos internos (W);

= Fluxo (ganho ou perda) de calor devido à diferença de temperatura do ar

no lado interno e externo da amostra (W);

conv

= Densidade de fluxo de calor transferida da superfície interna da cavidade

devido ao efeito convectivo gerado pelo ar enclausurado (W/m

);

flui

= Densidade de fluxo de calor removido pela passagem do fluido (água)

pelas serpentinas (W/m2);

med

= Densidade de fluxo de calor quantificada pelo calorímetro (W/m

);

= Densidade de fluxo de calor trocada em onda longa entre a superfície

interna da cavidade e o vidro (W/m

);

perdas

= Densidade de fluxo de calor perdido para o ar pelas faces externas da

cavidade, e pelo contato das bordas com a estrutura do trailer (W/m

);

radα

αα

 = Densidade de fluxo de calor absorvido pelo vidro devido à incidência de

radiação solar (W/m

);

radτ

ττ

= Densidade de fluxo de calor transmitida através do vidro devido à

incidência de radiação solar (W/m

);

ref

= Densidade de fluxo de calor (onda curta) refletido pela superfície interna

da cavidade (W/m

);

= Taxa de fluxo de massa de água da cavidade principal (l/s);

N ou Nk = Parcela da fração absorvida que é reemitida para o interior do

ambiente (adimensional);

res

= Potência dissipada na resistência aquecedora (W);

Rad

= Radiação solar incidente no plano de medição (W/m

= Resistência térmica na interface da superfície externa do isolante da

cavidade e o ar externo (m²°K/W);

car

= Resistência térmica da câmara de ar formada no interior da cavidade

(m²°K/W).

ext

= Resistência superficial externa (m²K/W);

int

= Resistência superficial interna (m²K/W);

ou R

isolante

= Resistência térmica do isolante térmico da cavidade (m2°K/W);

= Resistência térmica superficial entre o isolamento e o ar no interior do

trailer (m²K/W);

Tcp

= Resistência térmica total entre o ar no interior da cavidade principal e o

ar externo (m

K/W);

= Resistência térmica superficial entre o isolamento e o interior do trailer

(m2°K/W);

= Resistência térmica do vidro (m2°K/W);

flux

= Sinal de resposta do fluxímetro (mV);

SHGC(D) = Fator Solar do vidro para radiação difusa (adimensional);

xvi

pir

= Sinal de resposta do piranômetro (mV);

t = Coeficiente “t-Student”;

= Temperatura do ar (°C);

ARext

= Temperatura do ar externo (°C);

ARtr

= Temperatura do ar no interior do trailer (°C);

brise

= Parcela de radiação solar que passa através do brise de forma difusa

(adimensional);

ou T

CAVIDADE

= Temperatura média da cavidade (°C ou K);

car

= Temperatura na câmara de ar no interior da cavidade (°C);

= Temperatura média da cavidade (°C);

c_face_n

= Temperatura média de cada face da cavidade (°C);

ci =

Temperatura superfície interna da cavidade

disfuso

= Transmissão do vidro para a radiação solar difusa (adimensional);

flux

= Temperatura do fluxímetro (°C);

isi

= Temperatura da superfície interna do isolamento (°C);

ise

= Temperatura da superfície externa do isolamento (°C);

TMCP = Temperatura média da cavidade principal (°C);

TMCS = Temperatura média da cavidade secundária (°C);

trailer

= Temperatura do trailer (°C ou K);

= Temperatura na superfície externa do vidro (°C ou K);

= Temperatura da superfície interna do vidro (°C ou K);

VIDRO

= Temperatura média do vidro (°C);

viz

= Temperatura da vizinhança (°C ou K);

face

= transmitância térmica total da face (W/m²K);

u(G) = Incerteza da grandeza G;

Var ext = Velocidade do ar externo (m/s);

∆

∆∆

∆T

= Diferença de temperatura da água entre a entrada e saída da cavidade

principal (°C);

∆

∆∆

∆T

cp_ar

= Diferença de temperatura entre o ar no interior da cavidade principal e

o ar no meio exterior (°C);

∆

∆∆

∆T

face

= Diferença de temperatura a temperatura da face e o ar (°C);

Letras gregas

αα

α= Absortância a radiação solar do vidro (adimensional);

∆

∆∆

∆ = Diferença;

εε

= Emissividade da superfície interna da cavidade (adimensional);

εε

= Emissividade da superfície interna do vidro (adimensional);

θ =

θ = θ =

θ = Ângulo de incidência (°);

σσ

σ = Constante de Stefan-Boltzmann igual a 5,67.10

-8

(W/m²K

);

ττ

τ = Transmitância a radiação solar do vidro (adimensional);

xvii

MARINOSKI, Deivis Luis. Desenvolvimento de um calorímetro para

determinação do fator solar de vidros e janelas. 2010. 298p. Tese

(Doutorado) – Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de

Santa Catarina, Florianópolis, SC, Brasil.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um calorímetro utilizado para

determinar o Fator Solar de vidros e janelas completas, com ou sem elementos

de proteção solar. O Fator Solar é um índice adotado internacionalmente como

parâmetro de comparação entre estes elementos de fechamento. Este índice tem

um valor adimensional que varia de 0 a 1, e representa a fração da energia solar

que é transmitida diretamente, mais a parcela absorvida pela janela e

posteriormente reemitida para o interior da edificação. O desenvolvimento do

calorímetro inclui o seu projeto, construção, detalhamento da instrumentação e

calibração, além de medições do Fator Solar para diferentes elementos. O

calorímetro possui dois sistemas de medição de ganho térmico: um em função

da diferença de temperatura do líquido de resfriamento da cavidade principal

(usada para testes com elementos em escala real), e um outro sistema para a

cavidade secundária, que quantifica o calor adquirido através de vidros por meio

de transdutores de fluxo de calor. Durante a etapa de calibração, uma nova

metodologia de controle para a medição utilizando o calorímetro foi proposta. A

partir daí foram testados 4 tipos de vidros, cada um deles simultaneamente nas

duas cavidades (vidro monolítico incolor 3mm, incolor 6mm, verde 6mm, e

prata laminado 8mm). Também foram realizadas medições na cavidade

principal com três tipos de proteções solares internas (persiana metálica branca

45°, persiana metálica preta 45°, rolô branco) e uma proteção externa (brise

horizontal metálico branco 45°). Todos os testes foram realizados sob condições

ambientais reais, com os elementos posicionados verticalmente e orientados

para o norte. Os resultados do Fator Solar medido foram comparados com

valores teóricos calculados através da norma ISO 9050 para o caso dos vidros.

Já para as proteções solares, foram adotados como parâmetros de comparação

valores obtidos com base no ASHRAE Fundamentals (2005). Os resultados

obtidos em campo também foram comparados com os resultados de simulações

realizadas com um modelo matemático e no Software Window6. A incerteza de

medição (absoluta) foi em média de ±0,04 na cavidade secundária e de ±0,12 na

cavidade principal. Em geral, os valores experimentais encontrados

apresentaram boa concordância com os valores teóricos. Assim, o calorímetro

pode ser utilizado para fins de pesquisa ou como alternativa para verificação de

Fator Solar de novos produtos que não estejam cobertos pelos processos de

cálculo apresentados nas normalizações existentes.

Palavras-chave: Fator Solar, Calorímetro; Medição em campo; Vidros e

Janelas.

xviii

MARINOSKI, Deivis Luis. Development of a calorimeter for determination

of Solar Factor of glazing and windows. 2010. 298p. Thesis (Doctorate) –

Civil Engineering Departament, Federal University of Santa Catarina,

Florianópolis, SC, Brazil.

This work presents the development of a calorimeter used to determine the

Solar Factor of glazing and windows, including or not shading devices. Solar

Factor is an index used around the world for comparing thermal performance of

fenestrations. This index has a non-dimensional value between 0 and 1, and it

represents the solar energy fraction that is directly transmitted added of the

portion absorbed by the window and re-emitted towards the inside of the

building. The development of the calorimeter includes project, construction,

instrumentation particularities, calibration and Solar Factor measurements in

different elements. The calorimeter has two systems of thermal gain

measurement: the first one depends on the temperature difference of fluid used

for refrigeration of main chamber test (employed to tests with elements in full

scale); the second system is applied in a secondary chamber, where heat flux

transducers are used to measure the solar gain through fenestration. During the

calibration stage, a new method for calorimeter measurement control was

applied and tested. After this, four types of glass were tested at the two

chambers (monolithic 3mm clear glass, 6mm clear glass, 6mm green glass, and

laminated 8mm silver neutral). Measurements were also performed using the

main cavity with three types of internal shading devices (metal venetian blind

with white horizontal slats at 45°, metal venetian blind with black horizontal

slats at 45°, white roller blind) and one external (metal white horizontal slats at

45°). All the tests were conducted under real outdoor conditions. The surface of

measurement was always maintained in vertical position and on the north

orientation. For glass products, the results of Solar Factor measurements were

compared with theoretical values determinate by ISO 9050. As for the shading

devices, values based on ASHRAE Fundamentals (2005) were adopted as

parameters for comparison. Also, the experimental values were compared with

simulations developed using a mathematical model and the Window6 software.

The uncertainty of measurement (absolute) was on average ±0.04 for the

secondary cavity and ±0.12 in the main cavity. In general, the experimental

values presented good agreement with the theoretical values. Thus, the

calorimeter can be used for research purposes or as an alternative to determine

Solar Factor of new products, which are not covered by the calculation

procedures presented in the existing standardization.

Keywords: Factor Solar, Calorimeter; Outdoor measurement; Fenestrations.

1.1 C

ONTEXTO DE ESTUDO

JANELAS E O CONSUMO DE

ENERGIA

Mergulhando no universo da engenharia e dos desafios da

tecnologia atual, a preocupação com a eficiência energética tem se

mostrado um dos focos de inquietação para a sociedade dos nossos

tempos. O estudo do consumo de energia associado às edificações tem

aberto um leque para uma grande variedade de análises e melhorias.

Estas englobam desde o caráter macro, tais como aplicações em projeto,

construção, ocupação e condicionantes externos, até chegar aos limites

chamados “inferiores”, como as propriedades intrínsecas de cada

elemento ou material utilizado.

De maneira geral, cada um dos elementos ou materiais

utilizados nas edificações tem a sua importância para a formação de um

ambiente que atenda as necessidades humanas, sejam elas relativas à

segurança, estética, conforto ou consumo de energia. No entanto,

existem alguns destes elementos que ocupam uma posição distinta do

ponto de vista da relação entre suas funcionalidades e o ambiente

construído. Dentro desta categoria, estão incluídas as janelas e aberturas

da edificação.

As janelas e aberturas podem ocupar desde uma pequena fração

da área da fachada ou até mesmo chegar a compor grandes paredes

envidraçadas, constituindo a maior parte do envelope construtivo. Por

isso, em muitos casos, elas são consideradas um elemento dominante na

aparência da edificação. A variedade de formas, cores e materiais

utilizados permitem modificações na aparência e na estética

arquitetônica. Além dos fatores estéticos, as aberturas apresentam

originalmente outras funções, tais como permitir a passagem da luz e a

ventilação. Também é reconhecida a sua influência psicológica ao

promover satisfação, saúde e produtividade para os ocupantes (Carmody

et al., 2004).

No entanto, com a evolução da tecnologia, algumas dessas

funções passaram a ser supridas através de sistemas artificiais, visando o

conforto e a manutenção de condições ambientais estáveis de moradia e

trabalho. Deste modo, atrelaram-se diretamente as janelas e aberturas ao

uso e também aos custos com energia.

Exemplos quantitativos do impacto das aberturas sobre o

consumo de energia podem ser observados através de diversas

pesquisas, realizadas principalmente nos EUA. Frost et al. (1996)

estimaram que no ano de 1994 existia neste país uma área de janelas de

aproximadamente 1,77 bilhões de metros quadrados no setor residencial,

que era responsável pelo consumo de 1,7.1015 BTU/ano (498

TWh/ano). Destes, 1,3.1015 BTU/ano (76,5%) eram usados para

aquecimento e 0,4.1015 BTU/ano (23,5%) para resfriamento.

Nesta mesma época, acreditava-se que as janelas do setor

residencial dos EUA geravam um custo adicional de energia de US$ 9,3

bilhões/ano. Estudos do LBNL (Lawrence Berkeley Nacional

Laboratory – University of California) supunham que se todas as janelas

compradas entre os anos de 1996 e 2010 (15 anos) incorporassem

camadas de baixa emissividade (low-E), gás de baixa condutividade e

outras tecnologias, este mesmo gasto poderia ser reduzido em até 25%,

ou seja, mais de U$ 2 bilhões/ano em 2010 (Carmody et al., 1996).

A partir de avaliações mais recentes, Carmody et al. (2004)

mencionam que os edifícios comerciais dos EUA são responsáveis por

16% do consumo de energia do país, o que corresponde a 15,4

quadrilhões (Peta

) de BTUs/ano de um total de 92,6 (respectivamente,

4.513 TWh e 27.138 TWh). Desta parcela, as janelas são responsáveis

por 1,1 PBTUs/ano (322 TWh) consumidos com resfriamento e

aquecimento em edifícios comerciais, enquanto a iluminação artificial

representa 3,83 PBTUs/ano (1.122 TWh). Assumindo que 25% da

energia utilizada com iluminação artificial poderia ser substituída pela

iluminação natural se as janelas fossem aplicadas adequadamente (cerca

de 0,96 PBTUs/ano ou 280 TWh), estima-se que as janelas de edifícios

comerciais somem aproximadamente 2 PBTUs/ano (602 TWh) do

consumo anual, ou seja, mais do que 2% do consumo total anual do

país

. Com base nestes valores, verifica-se que as janelas representam

Peta (P) representa o valor de 10

Comparação com o consumo total anual de energia elétrica em alguns países do mundo (IEA,

2006):

Alemanha

Austrália

Brasil

China

França

Japão

Reino Unido

579,9

224,9

359,6

2.054,6

478,1

1.031,3

371,3

TWh

(Ano Base 2004)

mais de 12% de toda a energia utilizada nos edifícios comerciais dos

EUA. Se o setor residencial for incluído nestes cálculos, as janelas

seriam então responsáveis por um total de 5 PBTUs/ano (1.465 TWh),

ou mais de 5% da energia consumida anualmente no país.

Restringindo o assunto apenas aos efeitos das trocas térmicas

envolvidas, é notório que os ganhos e perdas de calor através das janelas

representam parcelas importantes das cargas de resfriamento e

aquecimento dos ambientes. Ainda nos EUA, estima-se que, em média,

estas trocas correspondam a 31% da carga de resfriamento e 17% da

carga de aquecimento em edifícios comerciais. Já no caso de

construções residenciais, estes números seriam de 34% e 23%,

respectivamente (Winkelmann, 2001).

Por sua vez, a radiação solar incidente nas janelas é um fator

muito significativo sobre o consumo de energia gerado pelas cargas de

resfriamento e aquecimento. Reilly e Hawthorne (1998) realizaram um

estudo avaliando a influência da transmitância térmica e do ganho de

calor solar através de janelas sobre o consumo de energia com

condicionamento de ambientes residenciais em duas cidades dos EUA.

Estima-se que, para o caso da cidade de Baltimore (aquecimento

predominante), somente o ganho de calor solar através de janelas

compõe aproximadamente 15% da energia utilizada para

condicionamento. Já para a cidade de Miami (resfriamento

predominante), o ganho de calor solar é responsável por 37% do

consumo de energia com condicionamento.

Li e Lam (2000), por meio de estudos e simulações energéticas

de edifícios comerciais na cidade de Hong Kong, também mostraram

que o consumo de energia com ar condicionado está entre 50% e 60%

do uso total de energia elétrica. Neste caso o ganho de calor solar,

principalmente por aberturas, foi o maior responsável pela carga de

resfriamento.

Tendo em vista estes números, países como EUA, Canadá,

Reino Unido, Suécia, Austrália e outros, têm desenvolvido, nos últimos

anos, iniciativas que visam minimizar os custos com o consumo de

energia atribuído às aberturas. Os governos destes países têm investido

em projetos de pesquisas com o objetivo de compreender melhor os

processos físicos de transmissão de luz e calor através das janelas,

buscando, inclusive, determinar as propriedades dos materiais que as

compõem. As linhas de pesquisa têm se subdividido em estudos na área

teórica, experimental, desenvolvimento de softwares e elaboração de

normas. Estes conhecimentos têm dado suporte para algumas ações,

como a criação de sistemas de certificação, onde índices de desempenho

energético dos produtos colocados no mercado são avaliados e

proporcionam um indicativo para sua melhor aplicação em relação à

eficiência energética.

1.2 M

OTIVAÇÃO E JUSTIFICATIVA

Principalmente em regiões de clima quente, o ganho de calor solar

é um dos maiores responsáveis pelo aumento da carga térmica no

interior da edificação. Arasteh (1995) descreve um consenso sobre o

assunto ao mencionar que o controle do ganho de calor solar é muito

importante para o projeto de edificações eficientes devido aos seguintes

fatores:

• Cada vez mais residências e edifícios estão sendo construídos

com sistemas de condicionamento de ar;

• Ganhos solares em edifícios de climas quentes contribuem para

o aumento da carga de resfriamento;

• O sistema elétrico atinge seu pico de demanda em períodos de

verão, quando as cargas de resfriamento são mais significativas.

Desta maneira, observa-se que as construções brasileiras se

enquadram claramente nesta situação, sofrendo uma grande influência

do calor solar transmitido através das aberturas.

No Brasil, de uma maneira geral, a preocupação com o impacto

no consumo de energia que as aberturas causam ainda é incipiente. As

normas voltadas para o setor são, em sua maioria, relacionadas a

aspectos construtivos das janelas. Praticamente inexistem normas

nacionais relacionadas à eficiência energética de janelas.

No entanto, no ano de 2007, uma medida oficial foi aplicada

neste sentido. O MME (Ministério de Minas e Energia), através da

Eletrobrás/Procel, implementou uma regulamentação, inicialmente

voluntária, para certificação de níveis de eficiência energética em

prédios comerciais e públicos. Dentro desta regulamentação, o

conhecimento das propriedades das janelas e seus componentes passa a

ser essencial para a avaliação global da eficiência energética dos

edifícios.

Uma destas propriedades é o Fator Solar (FS), conhecido

internacionalmente como Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). O Fator

Solar é um dos mais importantes índices de desempenho energético de

janelas e aberturas. Este índice representa a fração de ganho térmico

devido à radiação solar que a abertura transmite diretamente, somada à

parcela que é absorvida e re-emitida pela própria abertura para o interior

da edificação. Sua definição é expressa na equação [1.1], onde τ e α são

propriedades ópticas (transmitância e absortância) de cada elemento, e N

é a fração de fluxo de calor absorvido que chega ao interior da

edificação (ASHRAE, 2005). Estas propriedades ópticas, por sua vez,

são dependentes do ângulo de incidência (θ) e do comprimento de onda.

O Fator Solar é dado como um número adimensional entre 0 e 1. Este

valor pode ser especificado apenas para o vidro ou ser indicado para

todo o conjunto da janela.

),(),(),(

λθαλθτλθ

NFS +=

[1.1]

Este tipo de informação, associada à simulação computacional e

outros processos de análise, possibilita a elaboração de projetos de

edificações melhores e mais eficientes.

Mas a criação de modelos matemáticos para determinar o ganho

de calor solar e o Fator Solar para algumas situações é difícil, devido ao

grande número de variáveis envolvidas, uma vez que cada tipo de janela

e proteção solar tem características específicas que precisam ser

consideradas.

Mesmo assim, muitos esforços têm sido realizados com o

objetivo de caracterizar o fenômeno. Klems (1994a, 1994b, 2002),

Collins (2002) e Collins e Harrison (2004a) desenvolveram métodos

para estimar o ganho de calor solar através de aberturas com proteções

solares. Atualmente, alguns destes modelos matemáticos de cálculo têm

sido implementados através de programas computacionais, mas estes

apresentam limitações, especialmente quando se deseja avaliar janelas

com elementos de sombreamento. Deste modo, medições diretas são

importantes para comparar e validar os resultados calculados (Klems et

al. 1996; Collins, 2002; Collins e Harrison, 2004b).

Os calorímetros solares são dispositivos comumente utilizados

nas pesquisas relacionadas com a avaliação de desempenho térmico de

janelas. Através destes sistemas, é possível a realização de medições

para determinar a quantidade de calor que cruza o plano da janela sob

condições reais de utilização ou situações específicas de teste. Em

alguns casos, os resultados das medições são utilizados para auxiliar o

processo de certificação de janelas.

No Brasil, a Universidade Federal de Santa Catarina tem

continuamente dedicado esforços para o desenvolvimento de

dispositivos experimentais de medição de ganho de calor solar, visando

a caracterização de sistemas de aberturas (Pereira, 1993; Pereira et al.,

1999; Macedo e Pereira, 2003). Marinoski et al. (2005, 2007) deram

continuidade a esta linha de pesquisa, apresentando o aperfeiçoamento

de uma bancada de testes já existente. Este último estudo é utilizado

como base para construção de um novo equipamento de medição

calorimétrica através de aberturas, conforme proposto nos objetivos

deste trabalho. O desenvolvimento do novo calorímetro faz parte de um

projeto de pesquisa financiado pelo programa de P&D

FURNAS/ANEEL.

A normalização internacional prevê o uso de calorímetros para

situações em que os procedimentos matemáticos não descrevem de

maneira satisfatória o fenômeno da passagem da radiação pela abertura

(Ex: proteções solares, envidraçamentos inovadores, formas prismáticas

ou curvas, películas holográficas, etc.). Assim, tendo em vista a

significância das janelas para o conforto e eficiência energética das

edificações brasileiras e o fato de não existir nenhum dispositivo

nacional que viabilize testes de determinação do Fator Solar destes

elementos em condições reais, destaca-se mais uma vez a necessidade

do desenvolvimento deste trabalho.

1.3 O

BJETIVOS

1.3.1 Objetivo geral

Projetar e construir um calorímetro solar para teste de janelas

em tamanho real, e desenvolver um método de determinação do Fator

Solar aplicado ao equipamento.

1.3.2 Objetivos específicos

• Calibrar o calorímetro e os sensores utilizados;

• Desenvolver um método de determinação do Fator Solar

aplicado ao calorímetro.

• Determinar o Fator Solar de alguns tipos de vidros e proteções

solares comumente utilizados nas edificações brasileiras;

• Verificar comparativamente os resultados de Fator Solar

determinados com o calorímetro frente a valores obtidos através

de processos matemáticos e computacionais.

1.4 E

STRUTURA DO TRABALHO

Neste primeiro capítulo, chamou-se a atenção para a

importância das aberturas nas edificações, tendo como foco o consumo

de energia. Também foram apresentadas as justificativas e a motivação

da pesquisa, bem como os seus objetivos. Já o capítulo dois traz uma

revisão da literatura nacional e internacional, abordando diferentes

métodos e sistemas de medição do ganho de calor e procedimentos para

determinação do Fator Solar de janelas.

No terceiro capítulo são descritas as considerações de projeto

do calorímetro, fabricação e montagem dos diversos componentes

utilizados, bem como a calibração e instalação de sensores de

monitoramento das variáveis ambientais e outras grandezas.

No quarto e quinto capítulos são expostas, respectivamente, a

primeira e a segunda fase de calibração do calorímetro. Estas duas fases

incluem: os testes iniciais com o calorímetro, a metodologia de

determinação do FS, alterações necessárias no sistema de controle,

considerações sobre a física da transferência de calor através dos vidros,

o desenvolvimento de um modelo matemático e resultados de FS para o

vidro de referência utilizado nos testes de calibração.

O capítulo seis apresenta os resultados da determinação do FS

realizada com o calorímetro para alguns tipos de vidros e proteções

solares internas e externas. Também são estimadas as incertezas nos

valores de FS obtidos nestas medições. Depois disso, no sétimo capítulo,

os valores de FS encontrados experimentalmente são comparados com

valores obtidos através de processos de cálculo matemático e

computacional.

Por fim, as conclusões e considerações finais sobre a pesquisa

são apresentadas no capítulo oito. A seguir, a Figura 1-1 mostra um

fluxograma geral com as etapas executivas do estudo e a sua

distribuição ao longo do texto deste documento.

Figura 1-1. Fluxograma geral do desenvolvimento do estudo

Capítulo 3

Capítulos 4 e 5

Capítulo 6

Capítulo 7

2.1 F

UNDAMENTOS DA MEDIÇÃO DE GANHO DE CALOR

APLICADOS AOS CALORÍMETROS SOLARES

Dois processos de medição são normalmente aplicados para

determinar o ganho de calor solar através de uma janela: o método

fluximétrico e o método calorimétrico por diferença de temperatura.

O método fluximétrico utiliza um sensor plano (fluxímetro),

composto pelo agrupamento de dezenas de micro termopares que geram

um sinal proporcional à diferença de temperatura devido ao fluxo de

calor transmitido. O sensor é instalado no lado oposto à radiação solar

incidente na amostra de teste (janela) e quantifica a fração da radiação

solar que atravessa este elemento.

Um exemplo deste tipo de sensor é o transdutor " a gradiente

tangencial" descrito por Güths (1994) e Güths et al. (1995). Esse

transdutor é construído a partir de técnicas de fotogravura, possuindo

uma termopilha a eletrodos depositados (cobre/constantan) disposta

paralelamente à superfície de medição (Figura 2-1). Assimetrias físicas

na forma de pinos metálicos provocam diferenças de temperatura sobre

a termopilha gerando uma tensão proporcional ao fluxo de calor. A

espessura desse sensor é de 300

m, apresentando uma resistência

térmica de aproximadamente 6 x 10

-4

K/W. A Figura 2-2 mostra a

aplicação dos transdutores sobre uma base plana.

Figura 2-1. Corte do transdutor de fluxo de calor a

gradiente tangencial (Güths et al., 1998)

Figura 2-2. Aplicação dos transdutores

Já no processo calorimétrico, o ganho de calor é quantificado

através da remoção do calor absorvido por uma superfície também

posicionada no lado oposto à radiação solar incidente sobre a amostra de

teste (janela). Esta remoção se dá por meio da passagem (contato) de um

fluído, normalmente a água, pela superfície de absorção. Não havendo

mudança de fase no fluído, o valor do calor específico da água (Cp)

pode ser mantido constante, e o calor removido (q) é então quantificado

com base na vazão mássica (ṁ) e na diferença entre a temperatura

média (∆T) do fluido na entrada e na saída da superfície de contato. Este

é o mesmo princípio básico associado aos trocadores de calor, que

correlaciona estas variáveis na forma matemática q=ṁCp ∆T (Incropera

e DeWitt, 2003). A Figura 2-3 apresenta um esquema do processo de

remoção do calor por meio da passagem do fluido.

Figura 2-3. Passagem do fluido pela superfície de absorção e

variação na temperatura de entrada e saída

2.2 S

ISTEMAS DE MEDIÇÃO DE GANHO DE CALOR SOLAR EM

JANELAS

2.2.1 Simulador solar

Entre os anos de 1988 e 1989, o governo canadense, através do

NRC (Natural Resources Canada), patrocinou o desenvolvimento de um

protótipo e também de um procedimento de medição para determinar o

FS e a transmitância térmica através de janelas. Desde então,

melhoramentos no equipamento foram feitos, e em 1992 os testes com

diferentes modelos de aberturas passaram a ser efetivamente realizados.

Radiação

Solar (OC)

Radiação

Térmica (OL)

Convecção

AMOSTRA

(vidro, etc)

ISOLANTE

ABSORVEDOR

DE CALOR

FLUIDO

(entrada)

FLUIDO

(saída)

)

REMOÇÃO

DO CALOR

Harrison e Van Wonderen (1994) apresentam um trabalho

descrevendo a utilização de um simulador solar para determinar, em

laboratório, o valor do FS em diferentes modelos de janelas.

Posteriormente, os resultados foram comparados a valores obtidos com

um programa computacional.

Para realizar as medições, primeiramente as amostras são

montadas em um calorímetro para janelas. O calorímetro é posicionado

em uma câmara com condições ambientais controladas. Do lado

externo, a amostra (janela) é irradiada, em um ângulo fixo, por uma

única fonte (lâmpada) que proporciona índices de radiação entre 150 e

1100 W/m

. Esta lâmpada é combinada com um sistema de refletores

que proporciona radiação uniforme sobre a área da amostra e uma

distribuição espectral próxima a solar (Figura 2-4 e Figura 2-5).

Figura 2-4. Esquema interno do calorímetro

(Harrison e Van Wonderen, 1994)

Figura 2-5. Esquema do local de teste

(Harrison e Van Wonderen, 1994)

O desempenho da janela é diretamente medido com base no

balanço interno de energia da célula – equação [2.1]. O fluxo de energia

através da janela e da câmara (Q

net

) é a soma da energia extraída da

placa absorvedora (Q

abs

), do calor que sai através das paredes da célula

) e das paredes que suportam a janela (Q

), menos a potência

dissipada internamente pelos equipamentos (P

inputs

inputsmwcwabsnet

PQ+Q+Q=Q −

[2.1]

O fator de desempenho térmico da janela (

), que corresponde à

fração do fluxo de calor incidente que é admitida pela mesma, é definido

na equação [2.2]:

=η

net

[2.2]

Onde:

net

= Fluxo de energia através da janela (W);

= Área da janela (m

);

G = Irradiação solar (W/m

Em estudos prévios sobre o método, Harrison e Dubrous (1990)

apud Harrison e Van Wonderen (1994) desenvolveram uma análise de

regressão relacionando simultaneamente o FS e a transmitância térmica

da janela (U

). Neste estudo, o fator de desempenho é determinado em

diferentes condições climáticas (com G variando de 200 a 1000 W/m

diferença de temperatura (

∆

T) fixa em 40°C). A regressão é do tipo

linear, definindo o FS como a intersecção da linha de regressão com o

eixo das ordenadas, e U

igual à inclinação da reta, como mostra a

equação [2.3]:

∆T

UFS=η

.−

[2.3]

Para isolar FS, busca-se a condição em que o

∆

T/G seja nulo e,

conseqüentemente,

 represente o próprio FS. Desta forma, para

realização do experimento a opção encontrada foi manter a diferença de

temperatura através da janela igual a zero.

Através de simulação computacional foi realizada uma

verificação da influência das mudanças das condições ambientais de

teste sobre o FS. Como ferramenta, foi utilizado o software VISION3

(Wright, 1992). Este programa tem como padrão as condições

ambientais de teste estabelecidas em norma pela CSA (Canadian

Standards Association). As condições da CSA estabeleciam:

• Temperatura interna de 21°C;

• Temperatura externa de –18°C;

• Coeficiente de convecção exterior de 30 W/m2K;

• Irradiação solar de 783 W/m2K;

• Distribuição do espectro solar conforme a ASTM AM1.5

(ASTM, 1987).

Estas condições foram alteradas, aplicando-se as novas

condições de teste, que são as seguintes:

• Temperatura interna de 21°C;

• Temperatura externa de 21°C;

• Coeficiente de convecção exterior de 20 W/m2K;

• Irradiação solar de 783 W/m2K;

• Distribuição espectral da lâmpada.

Diferentes tipos de vidros foram analisados no programa

VISION3, verificando-se que as variações dos resultados do FS,

comparando a condição padrão (CSA) e a condição do método de teste

eram pequenas.

Um total de nove amostras foram testadas, todas com vidros

duplos e o mesmo modelo de esquadria, porém com diferentes tipos de

vidros (claro, reflexivo, verde, e Low-e). Em média, a incerteza dos

valores da medição foi de ± 4,9%. A variação entre os resultados

medidos e calculados de FS foi considerada pequena, com uma

diferença média igual a 0,03.

Levando-se em consideração a influência da distribuição

espectral sobre os valores de FS para alguns tipos de vidro, foi

desenvolvido um fator de ajuste para corrigir parte do erro causado pelo

uso da lâmpada em lugar da radiação solar. O ajuste dos valores

medidos segundo a distribuição espectral da ASTM reduziu

significativamente a diferença entre os valores obtidos pelo método de

teste e a simulação. De maneira geral, observou-se que os efeitos

causados no FS, pelo uso da lâmpada para substituir a radiação solar,

foram pequenos em janela com vidros claros ou coloridos, mas foram

significativos para janelas com vidro espectralmente seletivos.

Quatro anos mais tarde, Harrison e Van Wonderen (1998)

apresentaram um novo trabalho, dando continuidade ao estudo anterior.

Novamente o simulador solar é utilizado para medir valores de FS em

diferentes modelos de aberturas comercialmente disponíveis (inclusive

com proteções solares), comparando os resultados medidos com valores

de simulação computacional.

A novidade foi um melhoramento do equipamento, permitindo

a variação do ângulo de incidência da radiação. A variação angular da

altura solar foi possibilitada através do movimento vertical da lâmpada

(fonte de radiação), montada sobre um elevador. Com isso, as amostras

foram diretamente irradiadas até um ângulo de 30° com a horizontal, e

para ângulos maiores que este valor foi utilizado um sistema de espelhos

refletores (Figura 2-6). Já a variação azimutal é conseguida pela rotação

da célula calorimétrica sobre um eixo vertical no interior da câmara

climatizada.

O estudo buscou verificar a dependência angular do FS para

algumas amostras de vidro com e sem proteções solares tipo veneziana e

cortina. Foi analisado também o potencial de programas computacionais

para simular unidades envidraçadas complexas. Usando as propriedades

ópticas dos materiais previamente medidas, os sistemas de aberturas

foram simulados utilizando o programa VISION4 (Wright, 1994). Os

valores de FS calculados pelo programa foram comparados aos valores

medidos através do método de teste proposto. Como o programa

VISION4 não havia sido desenvolvido para utilizar dispositivos de

controle solar, foi assumida uma simplificação, onde se considerou estas

proteções como sendo vidros translúcidos ou opacos.

Figura 2-6. Variação angular da fonte de radiação

(Harrison e Van Wonderen, 1998)

Para as unidades compostas apenas por vidros ou com cortinas

tipo “roller shade” com o perímetro selado, os valores medidos e

calculados de FS apresentaram uma boa concordância. Isso mostrou,

para efeito de simulação, que é possível supor determinados tipos de

sistema de sombreamento como uma camada de vidro translúcido ou

opaco. Porém, para venezianas com perímetro aberto, os resultados

mostraram variação significativa (chegando a valores de FS 25% acima

do encontrado do caso com perímetro selado). Este resultado foi

atribuído ao efeito da convecção natural que aumenta a transferência da

energia absorvida pelas palhetas para o interior do calorímetro, e

também à reflexão da luz em função da orientação e da cor das palhetas.

A aplicação do programa para estes casos de sistemas complexos foi

restrita devido a limitações teóricas e limitações do modelo de cálculo

de transferência de calor.

2.2.2 UF-ASHRAE Solar calorimeter

O UF-ASHRAE Solar calorimeter é um equipamento utilizado

para medir o ganho de calor solar através de aberturas. O nome origina-

se do fato de o equipamento ter sido doado pela ASHRAE para a

Universidade da Flórida, em 1961, onde ele foi instalado e recalibrado,

entrando em funcionamento em 1962. Antes disso, o calorímetro já

operava desde sua construção, em 1945, no laboratório de pesquisas da

ASHVE (American Society of Heating and Ventilating Engineers –

como era conhecida a ASHRAE até 1954) em Cleveland, Ohio

(McCluney, 1991; SEECL, 2000).

Tseng e Goswami (2001) realizaram um estudo utilizando o

calorímetro solar para medir o FS de amostras de janelas fornecidas pela

NFRC, onde o princípio de funcionamento do equipamento é descrito.

O calorímetro é constituído de um absorvedor cilíndrico cortado

por um plano metálico com uma abertura para fixação da amostra. O

dispositivo está montado sobre um sistema de eixos e rodas que permite

a movimentação e rotação do equipamento (Figura 2-7).

Figura 2-7. UF - ASHRAE Solar calorimeter ( SEECL, 2000)

O equipamento conta com um sistema de circulação de água

para remover o calor transmitido para o interior da câmara isolada

termicamente. Durante a medição, a temperatura e a massa do fluxo de

água são ajustados para remover o calor absorvido e manter a

temperatura interna do calorímetro em um nível constante,

preferencialmente igual à temperatura ambiente.

A tubulação de circulação de água é soldada a uma placa de

cobre, que forma a superfície de absorção, e ambas são pintadas com

tinta preta. As paredes da câmara também são de cobre escurecido. Já as

laterais e a parte posterior são altamente isoladas por uma camada de 4

polegadas de espuma de isocianeto injetado. A face externa do

isolamento é coberta por alumínio pintado de branco. A fim de

determinar o calor residual perdido através do isolamento, é colocada

uma placa de poliestireno rígido de condutividade conhecida e com

sensores entre o metal de absorção e o isocianeto para verificar a

diferença de temperatura (Figura 2-8).

Legenda:

1. Amostra

(janela ou painel de vidro)

2. Isolamento térmico

3. Camada de monitoramento do

fluxo de calor

4. Tubulação de água

5. Bomba de velocidade constante

6. Aquecedor elétrico ajustável

7. Medidor de fluxo

8. Máquina de refrigeração

Figura 2-8. Esquema do sistema de funcionamento do calorímetro

(Tseng e Goswami, 2001)

O ganho de calor solar (Q

SHG

) através da abertura no

calorímetro é dado pela equação [2.4], através do balanço térmico entre

o calor removido pela circulação de água (Q

out

), o fluxo de calor através

do painel frontal (Q

), o fluxo de calor através da abertura ou janela

), e o fluxo de calor através da paredes da célula do calorímetro

walls

wallswspoutSHG

QQQQQ +++=

[2.4]

Já o calor removido pelo sistema de circulação de água (Q

out

)

pode ser calculado através da equação [2.5]:

TCpmQ

out

∆= ..

[2.5]

Onde:

= Taxa de fluxo de massa de água no sistema (kg/s);

Cp = Calor específico da água (J/kgK);

∆

T = Diferença de temperatura entre a água que entra e sai do

calorímetro (°C).

O fluxo de calor através do painel frontal (Q

) pode ser

calculado pela equação [2.6]:

spoutspinspspsp

RTTAQ

/).(

−=

[2.6]

Onde:

= Área do painel (m

);

sp,in

= Temperatura do lado interno do painel (°C);

sp,out

= Temperatura do lado externo do painel (°C);

= Resistência térmica do painel (m

K/W).

O fluxo de calor através de abertura (Q

) em condições de

regime permanente é dado pela equação [2.7]:

).(.

ambencwfenw

TTAUQ −=

[2.7]

Onde:

fen

= Coeficiente de transmitância térmica total da abertura (W/m

K);

= Área da abertura (m

);

enc

= Temperatura no interior da câmara (°C);

amb

= Temperatura externa (°C).

Para condições de regime permanente, o fluxo de calor

transmitido através das paredes laterais da célula do calorímetro (Q

walls

)

é dado pela equação [2.8]:

∑

∆













= ).(.

xxwalls

[2.8]

Onde:

k = Condutividade térmica do material (W/mK);

δ = Espessura do isolamento (m);

= Área de uma parede “x” da célula (m

);

∆T = Diferença de temperatura entre o lado interno e externo de uma

parede “x” da célula (°C).

O FS é

então

determinado como sendo a razão entre o ganho

de calor solar (QSHG) e a radiação incidente (Qisr). A radiação

incidente é, por sua vez, calculada pela multiplicação da área da janela

pela densidade de radiação solar que chega até ela no momento da

medição.

Foram realizadas medições utilizando o calorímetro para

inclinação da amostra (vidro incolor 6,4mm) igual a 45° e 90°, com

ângulo de incidência de radiação entre 20° e 30° e intensidade mínima

de radiação de 630W/m

. Os testes nas duas inclinações (45° e 90°)

foram divididos em três subgrupos baseados na diferença entre a

temperatura interna e externa do calorímetro: pequena diferença de

temperatura (

∆

T < 1,7°C); média diferença de temperatura (1,7°C <

∆

< 6.7°C); e grande diferença de temperatura (

∆

T > 6,7°C).

Analisando a influência da inclinação da amostra, verificou-se

que quando a diferença de temperatura era pequena, os valores medidos

para 45° e 90° (em média 0,80 e 0,82 respectivamente) ficaram bastante

próximos. Os resultados indicaram que a diferença entre os valores do

SHGC nos dois casos é de aproximadamente 2,5%. Esta diferença

corresponde a um valor próximo ao desvio padrão das medições, por

isso os autores concluíram que o efeito da inclinação dentro deste

intervalo não é significativo.

Os resultados das medições mostraram também que a diferença

de temperatura entre o ar no interior e no exterior do calorímetro tem

grande influência sobre o resultado do FS. Quando a diferença de

temperatura é menor que 1,7°C, o valor do FS medido para 45° e 90° de

inclinação é de 0,80 e 0,82, respectivamente. Para diferença de

temperatura média (1,7°C <

∆

T < 6.7°C), os valores de FS encontrados

variam entre 0,78 e 0,68. Já quando a diferença de temperatura é alta

(

∆

T > 6,7°C), os valores de FS, tanto para a inclinação de 45° como 90°,

decrescem significativamente, ficando em torno de 0,60.

2.2.3 MOWITT (Mobile Window Thermal Test Facility)

O MOWITT é um dispositivo construído na Universidade da

Califórnia, pelos pesquisadores do Lawrence Berkeley National

Laboratory (LBNL), para verificar e estudar o desempenho de janelas,

vidros e dispositivos de sombreamento sob condições reais de utilização

(Klems e Warner, 1992; Klems e Kelley, 1996; Klems et al., 1996;

LBNL, 2007)

O sistema caracteriza o fluxo líquido de energia em função do

tempo, medidas de temperatura, incidência de radiação solar e das

condições de vento às quais estão expostas as amostras de janela. O

MOWITT é composto por um par de calorímetros instalados em um

“container” sobre rodas, o que possibilita sua movimentação.

Trata-se de um equipamento baseado em transdutores de fluxo

de calor que medem a energia transmitida através da abertura, operando

em escala real. O sistema é composto de duas grandes câmaras, cobertas

por fluxímetros, dispostas lado a lado, onde é fixada a abertura que será

testada e uma abertura de referência (Figura 2-9, Figura 2-10 e Figura

2-11). A abertura de referência é composta apenas por um vidro claro

com espessura de 3mm.

Figura 2-9. Sistema MOWITT mostrando as duas câmaras operando

de forma independente (LBNL, 2007)

Figura 2-10. Corte transversal das câmaras

do MOWITT (LBNL, 2007)

Figura 2-11. Interior de

uma das câmaras

(LBNL, 2007)

Cada cavidade tem sua superfície externa mantida à temperatura

constante por um complexo sistema de circulação de ar ao redor das

câmaras de teste, conforme mostrado na Figura 2-12.

Após o desenvolvimento de um método matemático para

estimar o ganho de calor solar em janelas com proteções solares, o

MOWITT foi utilizado para comparar os resultados calculados com

medições diretas (Klems e Warner, 1992; Klems, 1993).

Figura 2-12. Sistema de

controle da temperatura de

uma das câmaras do

MOWITT (LBNL, 2007)

Inicialmente, um scanner radiométrico foi usado para medir a

transmissão e reflexão de radiação nos elementos que compõem o

sistema de abertura. Então, um processo de cálculo matemático, que

considera inter-reflexões, é aplicado para determinar as propriedades de

transmissão e a absorção da radiação entre as camadas (vidros). Estas

propriedades são depois combinadas com as medições das frações de

fluxo de calor emitidas por elementos específicos, estimando assim o

resultado do Fator Solar. A expressão utilizada para representar o Fator

Solar (FS) da abertura é, então, dada pela equação [2.9]:

NFS

[2.9]

Onde:

Transmitância

Absortância

= Fração da radiação solar absorvida por um elemento e transmitida

para o interior do ambiente.

Reconhecendo que existe uma dependência do FS em relação

ao ângulo de incidência (

θ)

, ao ângulo azimutal (

φ)

e também ao

número de camadas que compõem a abertura,

foi realizada uma

generalização da equação [2.9]. A equação [2.10] apresenta esta

generalização para alguns tipos de aberturas, onde, T

representa a

transmitância direcional do sistema e N

e A

são, respectivamente, as

frações de fluxo para o interior e a absortância em cada uma das “i”

camadas.

∑

fiifH

ANTFS

),(),(),(

φθφθφθ

[2.10]

Observou-se que T

e A

são valores puramente ópticos,

dependendo de propriedades como o comprimento de onda e refletância,

mas não da temperatura. Já N

é um valor calorimétrico que pode

depender da geometria do sistema, da temperatura das camadas, da

temperatura dos arredores, da temperatura e movimentação do ar e da

intensidade da radiação solar.

Em parte do mesmo estudo, foram realizados testes com o

MOWITT para avaliar estas frações N

. Isso foi realizado através da

colocação de dois sistemas idênticos em câmaras separadas, sendo que

sobre um determinado elemento de um deles (por exemplo, uma

veneziana) é dissipada uma potência elétrica conhecida para simular um

aumento na absortância solar. Esta potência elétrica causa uma variação

no fluxo de calor medido na primeira câmara, que é comparado ao fluxo

de calor do sistema na segunda câmara (mais detalhes em Klems e

Kelley, 1996). Para uma verificação teórica das frações N

é aplicada a

equação [2.11], que relaciona o fluxo líquido de calor medido (W),

transmitância térmica (U), área exposta (A), temperatura do ar externo

), temperatura do ar interno (t

), Fator Solar (FS), radiação solar

incidente (I

) e potência dissipada (P), todos em função do tempo (t).

)()()()]()()[()(

tPNtAItFStTtTUAtW

++−=

[2.11]

Nas verificações diretas do Fator Solar, a equação [2.11]

também é utilizada, excluindo-se o termo que considera as frações de

fluxo (NiP(t)).

Para o caso de uma janela de vidros duplos incolores com uma

proteção solar interna branca translúcida, o valor do FS obtido pelo

método matemático proposto foi de 0,33±0,04, e o valor medido com o

MOWITT foi de 0,36±0,04 para um ângulo de incidência médio de

aproximadamente 47°. Os dois resultados de FS (calculado e medido),

além de apresentarem uma boa concordância entre si, também

mostraram ter uma boa aproximação com o valor tabelado no ASHRAE

Handbook (versão 1989) para o mesmo tipo de sistema, que era de 0,35

para um ângulo de incidência de 30°.

Mais tarde, Klems et al. (1996) apresentaram novas

comparações de resultados de FS de janelas com proteção solar (neste

caso um vidro duplo com uma veneziana interna a 45°) pelo método de

cálculo desenvolvido anteriormente (Klems, 1993) e medições

realizadas com o MOWITT.

Neste estudo, os valores encontrados nas medições mostraram

significativa similaridade com os correspondentes valores obtidos

através do método de cálculo. O intervalo dos ângulos de incidência dos

valores de FS obtidos nas medições foi de 15° a 75°, sendo que os

valores calculados reproduziram a tendência angular dos resultados dos

testes com o MOWITT. Plotando os resultados do FS medido em função

do ângulo de incidência, a variação máxima observada em relação à

curva ajustada pelo método de cálculo foi de 0,10.

Assim, os resultados dos testes realizados com o MOWITT

auxiliaram na validação do método de cálculo proposto por Klems

(1993). Este método, por sua vez, serviu de base para um

equacionamento de cálculo do FS em aberturas com proteções solares,

que foi utilizado na atualização da versão 2001 do Handbook of

fundamentals da ASHRAE (Klems, 2002).

2.2.4 Queen’s solar calorimeter

Collins e Harrison (2004a) descrevem o procedimento de

medição utilizado para testes de amostras de janelas com proteções

solares internas. O aparato de medição utilizado é um calorímetro solar

(Figura 2-13) com um controle computacional que segue a

movimentação do sol. O equipamento está localizado no Departamento

de Engenharia Mecânica da Universidade de Queens, Kingston, em

Ontário, Canadá.

Figura 2-13. Vista externa do calorímetro (A) e corte esquemático (B)

(Collins e Harrison, 2004).

Próximo ao calorímetro, uma estação climática mantém a

instrumentação para medição de velocidade, direção do vento,

temperatura e umidade. Dois piranômetros são fixados diretamente na

face frontal do calorímetro (medição de radiação direta e difusa) e

termopares são utilizados para determinar de temperatura do ar e das

superfícies.

A energia que penetra através da abertura do calorímetro (Q

input

)

é determinada através do balanço térmico entre os ganhos, perdas e

geração interna de calor. Para uma área projetada da janela (A

) e da

transmitância térmica (U

), a taxa instantânea de energia é calculada

através da equação [2.12] como a diferença entre o fluxo de calor e as

perdas devido à diferença de temperatura interna e externa:

foiffinput

ATUAIFSQ ....

∆−=

[2.12]

Onde:

∆Ti,o = Diferença de temperatura através da janela (°C);

I = Radiação incidente (W/m²);

Aplicando o mesmo conceito de fator de desempenho (

)

proposto por Harrison e Van Wonderen (1994), é possível isolar o Fator

Solar reescrevendo a expressão anterior na forma da equação [2.13]:

IAf

finput

∆

−==

[2.13]

O fator de desempenho pode ser, então, graficamente

representado plotando valores instantâneos em uma curva de

 versus

∆

i,o

/I , onde a intersecção da reta obtida por regressão linear com o

eixo das ordenada (onde

∆

i,o

/I = zero) representa o valor do FS.

Já há alguns anos, este dispositivo vem sendo utilizado em

pesquisas realizadas no Canadá sobre o desempenho de janelas.

Inicialmente, Collins e Harrison (2001a) utilizaram o calorímetro em um

estudo sobre a influência da geometria da cortina e da variação do

ângulo de inclinação do calorímetro (com a vertical), sobre as frações de

fluxo de calor emitidas por uma veneziana de alumínio devido à

absorção da radiação solar. Neste estudo, o calorímetro foi colocado em

um ambiente interno com condições ambientais controladas

(temperatura e velocidade do ar) e resistências aquecedoras foram

fixadas nas lâminas da veneziana para simular a absorção da radiação

solar. Durantes os testes, os ângulos de inclinação do calorímetro foram

modificados entre valores de 0° (vertical) e 75°, em intervalos regulares

de 15°. Já o fechamento das lâminas da veneziana foi ajustado para

ângulos de -45°, 0°, 45° e 70°.

Os resultados das medições demonstraram que existe pouca

variação no valor das frações de fluxo devido à alteração do ângulo de

fechamento das lâminas da veneziana. No entanto, quando o ângulo de

fechamento da lâmina é elevado e o ângulo de inclinação do calorímetro

também é elevado, as perdas para o exterior aumentam, reduzindo a

fração de fluxo de calor para o interior. O espaço entre as venezianas e o

vidro também mostrou ser significativo, sendo que a alteração deste

espaço de 17mm para 20mm gerou um aumento de 15% no valor das

frações de fluxo. Outro resultado importante deste mesmo estudo, é que

a queda do valor das frações de fluxo para o interior é muito pequena

(menos de 2%) para a variação angular do calorímetro entre 0° (vertical)

e 60°. Já para ângulos acima de 60°, esta variação se torna mais

significativa.

Neste mesmo ano, Collins e Harrison (2001b) publicaram outro

trabalho utilizando o calorímetro em medições onde são determinados

valores de FS e transmitância térmica de uma amostra de janela com

vidro incolor 6,4mm e uma proteção solar interna. Foram verificadas as

variações destes valores em função da alteração do ângulo de inclinação

da amostra de 90° (vertical) para 45°. A amostra é um pano de vidro

incolor com uma tela de alumínio pintada de preto instalada

internamente como elemento de proteção solar.

O resultado final do FS obtido com a análise estatística dos

valores, determinados em sete diferentes dias de medição foi, para o

caso da amostra na vertical igual a 0,71±0,01, e para a inclinação de 45°

igual a 0,67±0,01. Esta redução no valor do FS foi atribuída,

primariamente, às mudanças nas frações de fluxo de calor emitidas pela

proteção solar. A variação dos resultados é explicada devido ao aumento

da presença do ar quente na interface entre o vidro e a proteção, o que

eleva as perdas para o exterior. Os autores concluem mencionando que

em casos de janelas comerciais, os efeitos observados no FS são

menores devido à menor absorção do calor nos elementos de proteção

solar. Assim, no pior caso, a redução em uma medida de FS realizada a

45° será de no máximo 5%.

Três anos mais tarde, Collins e Harrison (2004a) apresentaram

resultados de medições em uma janela de vidros duplos incolor 3mm

com uma veneziana horizontal interna. Foram determinados valores de

ganho de calor solar e transmitância térmica, sendo as proteções solares

testadas em três diferentes ângulos de inclinação das lâminas (0°, 45°, -

45°) e também em dois ângulos de incidência da radiação solar (30°,

45°). As venezianas foram divididas em dois tipos, uma com alta

refletância (branca) e outras com alta absortividade (preta). Em todos os

casos, as proteções solares proporcionaram uma redução no ganho de

calor solar variando de 5% a 40%. Já o efeito sobre a transmitância

térmica mostrou ser pouco significativo.

2.2.5 Fenestration Radiometer (Radiômetro de abertura)

Pereira e Sharples (1991), tendo por base o dispositivo proposto

por Bauman et al. (1986), chamado de Integrating Window Pyranometer

(IWP), desenvolveram um sistema experimental de medição da radiação

solar transmitida através de aberturas em modelos com escala reduzida.

Este dispositivo (IWP) consiste basicamente em um medidor de

fluxo de calor na forma de uma placa pintada de preto e posicionada

atrás da janela. Um ventilador é instalado atrás desta placa, resfriando e

forçando a passagem do calor através do sensor. Pereira e Sharples

(1991) e Pereira (1992) realizaram algumas modificações no IWP,

empregando um novo sensor. Este novo sensor é baseado na integração

de múltiplas junções termoelétricas sobre uma fina folha condutora.

Através da técnica de circuito impresso, usada no processo de

eletrodeposição, foi possível produzir em torno de 1.400 termopares

numa área de 0,01m

. O novo sensor, associado a um ventilador mais

potente, apresentou melhores resultados, medindo fluxos radiantes

menores que 100 W/m

e reduzindo o tempo do sinal de resposta.

Por ser um dispositivo térmico, o novo sistema gera um sinal de

saída proporcional à diferença de temperatura, sendo sensível à radiação

em onda curta e onda longa. Além disso, o dispositivo mede a radiação

solar transmitida diretamente e retransmitida (calor absorvido) pelos

vidros, sendo a soma destes valores igual ao ganho de calor solar.

Assim, este aparelho foi classificado como um radiômetro (Figura 2-14).

Neste estudo, inicialmente foi realizada uma calibração do

radiômetro através de uma comparação com os resultados obtidos

utilizando um solarímetro. Posteriormente, para realização da medição

do ganho de calor solar, foram utilizados três diferentes tipos de

sistemas em escala: 1°) vidros duplos, 3mm, sem proteção (referência);

2°) vidro duplo com prateleira de luz reflexiva externamente; 3°) vidro

duplo com brises horizontais pintados de branco. As medições foram

realizadas em condições reais de céu em dois dias diferentes. Uma

análise do resultado possibilitou perceber a tendência do decréscimo do

Fator Solar com o aumento do ângulo de incidência. Os valores

encontrados de coeficientes de sombreamento e Fator Solar foram

também comparados a valores apresentados por outros autores e pela

ASHRAE, mostrando-se bastante próximos a estes (variação menor que

10%).

Dez anos depois, Macedo (2002) e Macedo e Pereira (2003)

apresentam uma descrição da construção e montagem do um novo

equipamento baseado no sistema de medição do Fenetration

Radiometer.

Um protótipo foi construído em uma caixa metálica com saídas

de ar em todo o perímetro e duas aberturas frontais com dimensões de

20cm x 20cm (Figura 2-15). Sobre a primeira abertura é colocado o

sistema de sombreamento ou outro elemento a ser analisado, e na

segunda um material de referência (normalmente um vidro simples,

3mm).

Figura 2-14. Fenestration

Radiometer (Pereira, 1992)

Figura 2-15. Radiômetro de

abertura desenvolvido na UFSC

(Macedo, 2002)

Foram então realizados testes com seis diferentes tipos de

elementos de aproveitamento da iluminação natural. Estes elementos

foram caracterizados termicamente através da determinação do Fator

Solar em dias e horários específicos. Durante este estudo, foram

encontradas variações significativas (entre 13% e 24%) nas constantes

de calibração dos sensores (transdutores de fluxo de calor a gradiente

tangencial), quando determinadas por métodos de calibração em

laboratório e em campo.

Esta questão conduziu, mais tarde, a realização de outro estudo

buscando melhorar a precisão dos resultados obtidos com o radiômetro.

Marinoski (2005) e Marinoski et al. (2007) realizaram testes em campo

e calibração dos sensores de fluxo de calor utilizados no radiômetro,

aplicando um vidro incolor de 3mm. Os resultados dos testes iniciais

demonstraram a existência de erros no valor do Fator Solar medido

chegando a 19%, e também a ocorrência de elevação da temperatura da

chapa de suporte dos sensores. Após um processo cuidadoso de

calibração em laboratório, o erro médio encontrado no Fator Solar caiu

para 5,4%. Neste momento, o radiômetro utilizava um sistema de

dissipação de calor através de ventiladores que insuflam o ar

diretamente na face posterior da chapa de suporte dos sensores. A

elevação da diferença de temperatura entre a chapa e o ar impede a

passagem do fluxo de calor através dos sensores, gerando erros na

medição. Então foram realizados novos testes utilizando um sistema de

resfriamento por circulação de água (Figura 2-16), montado sob a chapa

de suporte dos sensores.

Através de um ajuste na temperatura de controle da água que

circula no sistema, a diferença média de temperatura entre a chapa de

suporte dos sensores e o ar caiu abaixo de 1°C, e o erro médio verificado

no resultado do Fator Solar medido foi de apenas 0,94%. Desta forma,

verificou-se que a elevação da temperatura da chapa de suportes dos

sensores acima da temperatura do ar está diretamente associada a erros

nos resultados do fluxo de calor ou do Fator Solar determinado com o

radiômetro de abertura.

Figura 2-16. Configuração geral

da medição utilizando o

resfriamento por circulação de

água (Marinoski et al., 2007)

2.3 E

STIMATIVA DO

ATOR

OLAR ATRAVÉS DE PROPRIEDADES

ÓPTICAS

Tendo por base o método da "Solar-Thermal Separation”,

desenvolvido por Klems et al. (1992, 1993, 1996, 2002),

matematicamente o Fator Solar de uma janela pode ser estimado através

de propriedades puramente ópticas somadas a frações térmicas. Assim, a

determinação de propriedades ópticas de elementos vítreos e proteções

solares é uma base para a caracterização da janela quanto ao ganho de

calor solar.

Por isso, já na década de 80, pesquisadores da Universidade da

Califórnia (EUA) iniciaram o desenvolvimento de um radiômetro na

forma de um grande scanner. O equipamento, chamado de Scanning

Radiometer ou Bidirectional Radiometric Scanner, foi utilizado para

verificar a transmitância e refletância bidirecional em janelas e seus

componentes.

O equipamento é composto basicamente por três elementos

principais: uma fonte de luz fixa, uma amostra montada sobre um plano

móvel e um detector móvel. Primeiramente, a fonte de luz é fixada em

frente à amostra. A amostra é montada sobre um plano com um sistema

de eixos que permite um movimento com dois graus de liberdade (giro).

A amostra pode ser rotacionada sobre um eixo vertical e sobre um eixo

horizontal para ajustar o ângulo de incidência. Desta maneira, é possível

cobrir todo o hemisfério de incidência de radiação. O detector pode ser

movimentado ao longo de um arco semicircular de 180°, que pode

descrever um movimento completo de revolução ao redor da amostra

(Figura 2-17).

Atualmente, o sistema de detecção utilizado é formado por três

elementos: um espelho coletor, uma esfera integradora e um par de

sensores. A radiação é coletada pelo espelho e focada na entrada da

esfera integradora que possui um sensor radiométrico e outro

fotométrico. Os sensores coletam dados de comprimento de onda e

intensidade de radiação refletida e transmitida pela amostra (LBNL,

2003). A Figura 2-18 apresenta um teste sendo realizado através do

Scanning Radiometer.

Os resultados encontrados com o Scanning Radiometer foram

utilizados para o incremento de novos métodos de estimativa do ganho

de calor solar e FS em aberturas complexas (tais como janelas com

venezianas) e também como suporte no desenvolvimento do sistema de

certificação de desempenho de janelas nos EUA.

Figura 2-17.

Esquema dos

ângulos de

rotação do

Scanning

Radiometer

(Papamichael et al.,

1988 - adaptado)

Figura 2-18.

Teste utilizando o

Scanning

Radiometer

(LBNL, 2007)

Em outro estudo, Tseng e Goswami (2001) realizaram medições

das propriedades ópticas solares com um dispositivo chamado “Black

Box”. O dispositivo consiste em uma caixa pintada de preto com uma

abertura de 1 x 1 metro para colocação da amostra (Figura 2-19). A

caixa está montada sobre um sistema de eixos que permite variar o

ângulo de incidência da radiação solar. Piranômetros são utilizados para

realizar a medição das propriedades, sendo posicionados em 3 pontos:

um em frente à amostra (para verificar a radiação total incidente); um no

interior da caixa, atrás da amostra (para determinar a radiação

transmitida); e um do lado externo da caixa, voltado para a amostra (a

Fonte

de luz

Detector

fim de determinar a parcela da radiação refletida) – Figura 2-20. Um

valor aproximado do FS pôde então ser estimado pela soma do valor da

transmitância mais a metade do valor da absortância à radiação solar da

amostra testada.

Figura 2-19. Vista frontal e lateral da Black Box

(Tseng e Goswami, 2001)

Figura 2-20. Esquema de posicionamento dos piranômetros

(Vista frontal e lateral) (Tseng e Goswami, 2001)

Além de serem aplicadas em metodologias de cálculo

complexas, as propriedades ópticas solares também são muito utilizadas

em cálculos simplificados do Fator Solar. Sokolay (2002) apresenta e

compara metodologias de cálculo de ganho de calor solar através de

aberturas utilizadas em três países (Austrália, Reino Unido e EUA),

além de expor gráficos com as propriedades ópticas e FS de alguns tipos

de vidros. Neste trabalho, é discutida a questão da fração do calor

absorvido pelo vidro e que passa para o interior do ambiente, onde o

valor de 1/3, em termos práticos, é considerado um valor representativo

para tal fração.

Fazendo um paralelo entre os métodos de estimativa do ganho

de calor solar nos três países, o autor destaca que no Reino Unido é

utilizado o procedimento da admitância, onde é calculado ganho de

calor para um ponto no centro do ambiente. Neste método, o valor da

fração de calor solar que penetra no ambiente é dependente da massa

térmica do ambiente, sendo apresentados valores para edificações leves

e pesadas. Nos EUA, atualmente tem sido usado o conceito do SHGC

(Solar Heat Gain Coefficient). Aqui o valor da fração de fluxo de calor

absorvida e reemitida para o interior da edificação depende das

condições ambientais (função da transmitância térmica e convecção). Já

na Austrália, o método adotado pela AIRAH (Australian Institute of

Refrigeration, Ar-conditioning and Heating) é o método da Carrier para

dimensionamento de ar condicionado, onde são apresentadas séries de

tabelas, sendo o ganho solar dado como a radiação solar multiplicada

pelo FS, que por sua vez é igual a

+ 0,4

No entanto, Sokolay (2002) destaca que todos estes métodos

são antigos e produzem apenas estimativas. Além disso, existem

também valores de FS disponíveis para dispositivos de proteção solar

externos, mas estes devem ser usados com cuidado. No caso de

proteções solares mais complexas, não existe um valor adequado para

representar o ganho de calor a partir das propriedades ópticas sem levar

em conta a questão da geometria.

No Brasil, Santos (2002) realizou um estudo onde foram

determinados valores de FS de diferentes tipos de elementos

transparentes para ângulos variados de incidência da radiação solar. Os

valores de FS foram calculados com base nas propriedades ópticas

(transmitância (T), refletância (R) e absortância (A)) obtidas a partir de

testes espectrofotométricos. O intervalo espectral utilizado nas medições

foi de 300 a 2000nm, sendo o FS para os diferentes ângulos de

incidência calculados pela equação FS=T+Ni.A, onde Ni é a parcela de

energia absorvida que vai para o interior da edificação. Aqui, Ni é dada

como a razão entre a transmitância térmica (U) e o coeficiente de

convecção externo (he) adotado, mesma simplificação apresentada pela

ASHRAE (2005) para o caso do vidro simples.

2.4 N

ORMALIZAÇÃO PARA DETERMINAÇÃO E CÁLCULO DO

ATOR

OLAR

Além dos métodos experimentais, atualmente existem

procedimentos normalizados de medição e cálculo do ganho de calor

solar e do Fator Solar. Alguns destes procedimentos de cálculo vêm

sendo implementados em programas computacionais.

Nos EUA, a NFRC (National Fenestration Rating Council)

apresenta um conjunto de normas voltadas para a determinação do FS e

aplicação deste índice na certificação de janelas. Os documentos NFRC

que tratam do ganho de calor solar através de aberturas são as normas

NFRC 200 (2004) e a NFRC 201 (2004).

A NFRC 200 apresenta um procedimento referenciado na

norma ISO 15099 (2003) para determinar o FS e a transmitância de luz

visível através de aberturas, para um conjunto de condições ambientais

ajustadas e apenas ângulo de incidência normal. O valor do FS total é

composto pelo somatório dos FS dos diversos componentes da janela

(no centro e nas bordas do vidro, nos divisores dos vidros e nas

esquadrias) ponderado em função das suas áreas. A norma estabelece

que programas computacionais autorizados pela NFRC podem ser

utilizados para determinar o FS e a transmissão de luz, e também para

calcular a transferência de calor através das esquadrias e de outros

componentes da janela.

Alguns tipos de aberturas não cobertos pela NFRC 200 (janelas

com sistema de sombreamento complexo; elementos com propriedades

não especulares; aberturas utilizando vidros que não são paralelos, tais

como vidros curvos, ondulados, entre outros) são avaliados através dos

procedimentos da NFRC 201.

Na NFRC 201 é apresentado um método de teste com diversas

instruções para a realização de medições de ganho de calor solar e para

determinação do FS através do uso de calorímetros. São analisados

aspectos que podem ser aplicados tanto a calorímetros expostos

diretamente à radiação solar (em campo), e também a calorímetros

utilizados em laboratório, submetidos à radiação artificial (por meio de

lâmpadas especiais que simulam o espectro solar). A norma apresenta o

conceito básico de funcionamento do calorímetro e a instrumentação

que necessita ser instalada para medir o ganho de calor solar. São dadas

recomendações para calibração dos instrumentos e a precisão necessária

nos resultados de cada sensor. São abordados procedimentos e cuidados

que devem ser observados durante a medição relacionados à instalação

da amostra e às condições gerais do teste. Também são descritos os

cálculos matemáticos necessários para determinar o FS através do

balanço térmico na célula calorimétrica.

As normas ISO 9050 (2003) e a ISO 15099 (2003) apresentam

procedimentos de cálculos para o FS e outros índices de desempenho

energético de vidros e janelas com pano envidraçado simples ou

múltiplos, e também algumas tipologias de proteções solares internas

(ex.: venezianas). Alguns destes modelos matemáticos normalizados,

associados com novos algoritmos, têm sido aplicados a programas

computacionais que permitem estimar o ganho de calor solar para

determinados modelos de janelas e condições ambientais específicas

(WIS, 2003; WINDOW5, 2002). A seguir, a equação [2.14] apresenta o

cálculo para estimar o FS conforme procedimento da ISO 9050:

qFS +=

[2.14]

Onde:

= Transmitância solar direta (adimensional);

= Fração de calor absorvida pelo vidro e retransmitida para o interior

(adimensional).

No caso do vidro simples, a fração de calor retransmitida para o

interior (q

) pode ser calculada através da equação [2.15] também

proposta pela ISO 9050:

[2.15]

Onde:

= Absortância solar da face externa do vidro (adimensional);

= Coeficiente de transferência de calor no lado interno do vidro

(W/m

K);

= Coeficiente de transferência de calor no lado externo do vidro

(W/m

K).

O “Handbook-Fundamentals” da ASHRAE (ASHARE, 2005)

também apresenta formulações para cálculo e tabelas de valores do FS

de janelas (inclusive contendo alguns tipos de proteções solares),

baseados nos estudos de desenvolvidos por Klems et al. (1992, 1993,

1996, 2002).

Já no Brasil não existe uma norma específica para determinar o

FS de vidros e janelas. A NBR 15220-2 (2005) apenas apresenta uma

forma simplificada de estimativa, aplicada a elementos transparentes ou

translúcidos. Nesta norma, o FS é dado pela equação [2.16]:

τα

RUFS

[2.16]

Onde:

U = Transmitância térmica do componente (W/m

K);

α = Absortância à radiação solar (adimensional em função da cor);

Rse = Resistência superficial externa (m

K/W).

τ = Transmitância à radiação solar.

2.5 S

ÍNTESE DO CAPÍTULO E DISCUSSÃO

Este capítulo apresentou uma seqüência de diferentes sistemas e

métodos de medição direta do ganho de calor solar em janelas. Também

foram descritos processos de cálculos do Fator Solar a partir das

propriedades ópticas dos elementos que compõem a abertura além de

serem mencionadas as principais normas relacionadas ao assunto

Analisando os sistemas de medição apresentados, foi possível

observar, de modo geral, que eles buscam determinar a parcela de ganho

de calor devido à radiação solar separadamente

ou seja, sem influência

do ganho devido à diferença de temperatura interna e externa. Quando

não é possível eliminar a diferença de temperatura, busca-se, então,

manter esta diferença constante, para que possa ser quantificada.

É possível dizer também, que os dispositivos de campo

representam melhor a realidade de utilização das aberturas

(especialmente os que mantêm o plano da janela próximo à posição

vertical). No entanto, estes necessitam de um cuidadoso monitoramento

das variáveis ambientais durante o período de teste, para que a

influência destas variáveis (radiação, velocidade do ar, ângulo de

incidência, etc.) possa ser considerada com maior significância nos

resultados.

Em todos os estudos, se destaca o ângulo de incidência da

radiação como uma das variáveis de maior influência sobre o Fator

Solar, uma vez que a variação deste modifica a quantidade de energia

que se propaga através do elemento vítreo ou da proteção solar.

Também a inclinação da janela instalada no calorímetro é um ponto de

preocupação, pois altera as trocas convectivas e, conseqüentemente, as

componentes da parcela absorvida, que são reemitidas para o interior e

exterior do calorímetro. Uma conclusão interessante é que medições

com venezianas devem ser feitas preferencialmente na vertical devido

ao efeito da convecção entre o vidro e as lâminas. Este efeito se torna

bastante significativo acima de 45° de inclinação do calorímetro.

Observa-se, inclusive, que o processo de medição mais utilizado é o

calorimétrico através de trocadores de calor com circulação de água em

um circuito fechado.

Assim, os calorímetros, de modo geral, têm contribuído no

desenvolvimento e no aperfeiçoamento de procedimentos de cálculo do

Fator Solar e na validação de softwares. Atualmente, estes

procedimentos de cálculo já estão em estágio avançado, com resultados

validados para um grande número de situações, inclusive para alguns

casos de janelas com proteções solares. Porém, a normalização

internacional (NFRC 201, por exemplo) ainda prevê o uso de

calorímetros para situações em que os procedimentos matemáticos não

descrevam de maneira satisfatória o fenômeno da passagem da radiação

pela abertura, tais como em aberturas com sistema de sombreamento

entre vidros, elementos com propriedades não especulares e aberturas

utilizando vidros que não são paralelos (curvos, ondulados, etc.).

3.1 P

ROJETO DO CALORÍMETRO

Devido à complexidade do projeto do dispositivo final, foram

elaborados subprojetos para cada um dos componentes básicos do

equipamento (absorvedores de calor, sistema de resfriamento, sistema de

monitoramento e trailer de abrigo), os quais são apresentados a seguir.

3.1.1 Dimensionamento dos absorvedores de calor

Para a construção do calorímetro proposto, foi determinada a

utilização de dois absorvedores de calor distintos. Estes componentes

são utilizados para remover o calor que passa através dos elementos que

serão testados durante as medições com o calorímetro.

O primeiro absorvedor foi denominado

“cavidade principal”,

uma vez que pode ser utilizado para medições até mesmo com janelas

completas (compostas por vidros, esquadrias e proteções solares) em

tamanho real. Já o segundo absorvedor foi denominado “cavidade

secundária”, pois é utilizado para verificar o ganho de calor através de

amostras menores e compostas por um elemento único e plano, como é

o caso de uma chapa de vidro. Os dois absorvedores foram fabricados

em cobre, visando conseguir maior rapidez nas trocas de calor em

função da elevada condutividade térmica do material.

3.1.1.1 Cavidade principal (CP)

Inicialmente, através de um estudo que levou em consideração o

efeito da convecção natural em câmaras enclausuradas (Marinoski et al.,

2006a), foi determinada a dimensão para a profundidade da cavidade

principal. O valor da profundidade adotada foi de 300mm. Esta

profundidade foi adotada pelo fato de que neste espaço o fenômeno

convectivo ocorre de maneira semelhante ao de um ambiente de maior

profundidade. A camada limite térmica calculada apresentou pouca

espessura mesmo quando a profundidade da cavidade era elevada (3cm

quando L=5m). Isto demonstrou que a adoção de profundidades

menores (neste caso 30cm) não interfere no desenvolvimento da camada

limite, segundo as condições de contorno analisadas. Esta profundidade

também permite que elementos de proteção solar internos sejam

instalados e testados. Além disso, a otimização da profundidade resulta

em um calorímetro mais compacto e reduz os custos de fabricação.

Já a dimensão do vão de abertura da cavidade principal, onde

será fixada a amostra de janela para teste, foi definida com base no

estudo apresentado por Lucini (2001), para padronização do vão de

esquadrias. Além disso, foi levada em consideração uma futura

aplicação dos sensores de fluxo de calor (transdutores de fluxo de calor

à gradiente tangencial), o que implica na adoção de medidas para a

cavidade com valores múltiplos das dimensões do sensor (10x10;

20x20; 30x30cm). Desta forma, foram adotadas as dimensões de

abertura da cavidade conforme mostra a Tabela 3-1.

Tabela 3-1. Dimensões previstas para a abertura da

cavidade principal (CP)

Vão modular (mm)

Largura = 1500

Altura = 1200

Nas paredes da cavidade, foi prevista uma tubulação hidráulica

de cobre, que será conectada ao sistema de circulação de água

responsável pelo resfriamento. O espaçamento entre tubos, necessário

para manter a temperatura homogênea ao longo da superfície, foi

definido com base em estudo preliminar (Marinoski et al., 2006b), sendo

fixada uma distância de 50mm de centro a centro.

A cavidade foi projetada com paredes planas em chapa de cobre

de espessura igual a 0,89mm, e tubos de cobre para circulação de água

com diâmetro nominal de 9,3mm, soldados paralelamente à maior

dimensão das chapas. Do lado externo, a cavidade foi isolada

termicamente através de uma camada de aproximadamente 70mm de lã

de vidro, aplicada sobre a estrutura de cobre.

Previu-se, também, que as bordas frontais da estrutura da

cavidade fossem fixadas, através de parafusos, a um acabamento em

madeira. O acabamento de madeira tem como objetivo proporcionar

resistência mecânica na fixação e isolamento térmico ao contato.

A Figura 3-1 mostra um desenho esquemático da cavidade

principal, e no ANEXO A pode ser observado o projeto executivo

completo para a construção da cavidade e também o detalhe de fixação

da mesma.

1200

300

Figura 3-1. Desenho esquemático da cavidade principal (cotas em mm)

3.1.1.2

Cavidade secundária (CS)

O dimensionamento da cavidade secundária foi determinado em

função de recomendações normativas e aspectos construtivos do

calorímetro A norma NFRC 201 (2004), no item 5.5.2.1B, recomenda

que no caso de amostra de vidro seja adotada uma dimensão de área

visível não inferior a 20” x 20” (aproximadamente 50cm x 50cm), com

o objetivo de reduzir a incerteza no resultado do Fator Solar medido.

Seguindo esta norma, foi adotada, na fabricação desta cavidade,

a dimensão mínima recomendada, de 50cm x 50cm. Para tal, foi

utilizada uma chapa de cobre com espessura de 3mm, na qual foi fixada

uma serpentina, também de cobre, na sua parte posterior, com diâmetro

externo de 9,3mm. Com base nestas dimensões, foram produzidos

transdutores que serão utilizados para quantificar o fluxo de calor pela

cavidade.

As bordas (laterais) da cavidade são fixadas em ripas de

madeira que têm a função de suporte para fixação da placa de cobre e

também de isolamento térmico. As ripas juntas totalizam uma espessura

de aproximadamente 18mm. Esta espessura foi adotada para reduzir os

efeitos da troca de calor por convecção interna entre a superfície do

material que está sendo testado (no caso um vidro) e a superfície do

fundo da cavidade, que absorve o calor.

Do lado externo, a cavidade também é isolada termicamente

através de uma camada de, aproximadamente, 70mm de lã de vidro

aplicada sobre a estrutura de cobre.

A Figura 3-2 mostra um desenho esquemático da cavidade

secundária, já o ANEXO B apresenta o projeto executivo completo para

a construção da mesma (OBS: Esta peça sofreu um reprojeto durante a

montagem do calorímetro, por isso a palavra “nova” é encontrada em

algumas notas do detalhamento do projeto executivo. O ANEXO B

apresenta a versão final de projeto da cavidade secundária).

500

Figura 3-2. Desenho esquemático da cavidade de secundária

(cotas em mm)

3.1.2 Dimensionamento do sistema de resfriamento

O sistema de resfriamento é necessário para remover o calor

que é adquirido através dos absorvedores. Este sistema de resfriamento

foi concebido no formato de um grande banho termostático, composto

por uma unidade condensadora, reservatório de água e resistências

aquecedoras. O controle de temperatura deste sistema é realizado por

um software específico que também gerencia a aquisição de dados dos

sensores de monitoramento. A seguir, é apresentado o dimensionamento

dos componentes do sistema de resfriamento e o seu esquema de

montagem.

3.1.2.1 Unidade condensadora

A partir da soma das áreas expostas da cavidade principal

(1,50m x 1,20m = 1,80m

) e da cavidade secundária (inicialmente de

0,60m x 0,60m = 0,36m

)

, foi determinada a área total exposta à

radiação solar, que é de 2,16m

Para uma condição de céu claro nos meses de verão, pode-se

adotar níveis de radiação solar médios próximos de 1000W/m

, em

função da posição do sol.

Supondo uma condição de ângulo de incidência da radiação

normal ao plano das amostras (pior caso) instaladas na face frontal das

cavidades, é possível determinar a carga térmica instantânea.

Multiplicando o valor da área total exposta das cavidades (2,16m

) pela

radiação incidente (1000W/m

), chega-se à carga térmica instantânea

estimada de 2160W.

Um valor típico de desempenho apresentado pela ASHRAE

(2000) para o caso de compressores pequenos (herméticos com potência

menor que 4kW) com gás R-22 (para temperatura de evaporação de

7,2°C e temperatura de condensação de 54,4°C) é de 2,93W/W

(térmico/elétrico).

Desta forma, desconsiderando as perdas no sistema é possível

prever um compressor com uma potência mínima de 737W (ou

aproximadamente 1,0HP). A partir desta estimativa, foi adotada para a

fabricação do banho térmico proposto uma unidade condensadora de

potencial nominal de 1,5HP (1118W).

3.1.2.2 Reservatório

A fim de dimensionar o reservatório de água para o sistema de

refrigeração, inicialmente foi determinado o volume de líquido

necessário para preencher as tubulações em todo o trecho de circulação

de água da cavidade principal e secundária. Foram quantificados para tal

os comprimentos das tubulações utilizadas.

Somando os volumes observados para as duas cavidades,

chega-se a um valor mínimo aproximado de apenas 20 litros. Porém,

devido à necessidade de homogeneização da temperatura do líquido que

entra e sai do reservatório em um circuito fechado, foi adotado um

Posteriormente, a dimensão da cavidade secundária foi reduzida para 50cm x 50cm, devido à

necessidade de ajuste no tamanho dos sensores de fluxo de calor. No entanto, a unidade

condensadora já havia sido dimensionada e fabricada com base na carga térmica determinada a

partir da área inicial.

volume de reservatório com capacidade para até 150 litros. As

dimensões internas definidas para a cuba foram de 40cm x 50cm x

80cm.

No interior do reservatório foi posicionada a serpentina de

resfriamento ligada ao sistema condensador. Também três resistências

aquecedoras de 1000W (cada) foram instaladas para realização do

controle da temperatura da água.

A Figura 3-3 apresenta o esquema de montagem do banho

térmico composto pelo sistema condensador e reservatório. O sistema

condensador é instalado externamente ao trailer que abriga o conjunto

completo do calorímetro (ver Item 3.1.3). Já a estrutura do reservatório é

fixada internamente, de onde partem as conexões para circulação de

água. Para o sistema condensador também foi prevista uma proteção

metálica contra as intempéries, sendo as dimensões definidas durante a

instalação.

Unidade

condensadora

1,5HP

Reservatório

Retorno da

água

(vai para bomba de

recirculação 1/2CV)

Serpentina

Saída de água

Isolante

térmico nas

laterais

Resistência

1000W

Conectores

Externos

Caixa metálica

de proteção da

unidade

condensadora

Tubulação

de cobre

Instalação Externa Instalação Interna

Figura 3-3. Desenho esquemático para montagem do banho térmico

3.1.2.3 Modificações

Como apresentado nos itens anteriores, a intenção inicial do

projeto do sistema de resfriamento era que este atendesse às duas

cavidades (CP e CS), simultaneamente. No entanto, testes posteriores

demonstraram a necessidade da utilização de um sistema de

resfriamento exclusivo para cada uma das cavidades. Por isso, um banho

térmico de menores proporções foi instalado para atender a cavidade

secundária.

Este segundo banho é um

sistema produzido em escala industrial e

distribuído pela empresa MicroQuímica

Ltda, modelo MQBMP - 01 (Figura

3-4). O equipamento permite a seleção

digital da temperatura da água com uma

resolução de 0,1°C, num intervalo de

trabalho entre -20°C e +150°C. A água

é armazenada em uma cuba com

capacidade para 9 litros, e a circulação

ocorre por meio de uma bomba com

uma vazão de aproximadamente 6

litros/min, permitindo uma boa

homogeneização da temperatura do

líquido. A potência total do conjunto é

de 1100W.

Figura 3-4. Banho

termostático para a cavidade

secundária

Ainda outra modificação importante foi realizada no banho que

faz o resfriamento da cavidade principal. O seu projeto previa

inicialmente três resistências aquecedoras de 1000W cada, usadas para

fazer o ajuste da temperatura da água por meio de um controle de PID.

Com a redução da carga térmica inicialmente prevista, devido à retirada

da cavidade secundária do circuito de resfriamento e também pelo fato

de que as amostras de teste (vidros, etc.) bloqueiam a passagem de

grande parte da energia incidente, foi necessária a instalação de mais

quatro resistências aquecedoras (2 x 1000W e 2 x 750W)4 para que o

balanço térmico de controle pudesse ser atingido. Estas quatro novas

resistências são mantidas ligadas ininterruptamente durante o

funcionamento do banho, enquanto que a potência dissipada pelas outras

três é controlada pelo sistema PID.

Nos testes com elementos onde o FS alcançou valores mais baixos (menores que 0,30), o

acionamento de mais duas resistências de 750W foi necessário para manter a estabilidade no

banho.

3.1.3 Dimensionamento do trailer de abrigo

Uma vez que a montagem do calorímetro envolve a utilização

de diversos componentes, foi definido que estes seriam abrigados em

um trailer. A opção pelo trailer foi baseada na facilidade de

movimentação que este tipo de veículo permite e também pela proteção

contra intempéries. Além disso, o custo de fabricação deste tipo de

abrigo para o sistema é reduzido, visto que o trailer é produzido em

escala comercial.

As dimensões principais adotadas para o trailer (altura x

comprimento x largura) foram determinadas a partir da definição das

características dos componentes internos (trocadores de calor e sistema

de resfriamento). Também foi levada em consideração a necessidade de

condições para movimentações internas durante a instalação,

monitoramento e manutenção dos sistemas.

Desta forma, optou-se pelo projeto e construção de um trailer

com dimensões de 190cm x 350cm x 160cm e com capacidade de carga

para aproximadamente 350kg. O ANEXO C mostra os desenhos das

vistas principais (frontal, lateral e superior) do trailer projetado.

Foram previstas no projeto duas portas traseiras de acesso,

também duas aberturas laterais (para os trocadores de calor: CP e CS), e

uma plataforma frontal. Sob o assoalho da parte traseira foram previstos

dois macacos para apoio e nivelamento. Na dianteira, foi prevista uma

roda auxiliar escamoteável para facilitar as movimentações. Toda a

estrutura é sustentada por um eixo simples e suspensão com feixe de

molas e amortecedores sobre rodas.

Para a fixação das amostras de janelas que serão testadas no

calorímetro, foi projetada uma moldura de madeira no perímetro da

abertura principal de medição. Esta moldura servirá como marco da

janela, e tem dimensões de 150cm x 120cm. Internamente, a moldura

também tem a função de dar suporte para a fixação da cavidade

principal. Também foi projetada uma moldura em madeira para a

fixação da cavidade secundária, com dimensões de 60cm x 60cm

(alterada mais tarde para 50cm x 50cm). A utilização da madeira como

material de fabricação da moldura foi admitida devido as suas

características de bom isolamento térmico, baixo peso e boa resistência.

O ANEXO C também mostra os detalhes para fabricação das duas

molduras citadas.

A Figura 3-5 apresenta um esquema do arranjo interno dos

diversos componentes (cavidades, banho térmico, ligações e sistema de

monitoramento) que compõem o sistema completo do calorímetro e

ficam alojados na parte interna e também na plataforma externa do

trailer.

Cavidade

Principal (CP)

Compressor

Bomba de

recirculação

Tubulações para

circulação de água

Sistema de aquisição

e controle

Cavidade Secundária (CS)

Registros

Cabeamento

(sistema de aquisição e controle)

1600

Banho Termostático

(para CP)

Saída

Retorno

3500

120 120 120

120

Banho Termostático

(para CS)

Cabeamento

(sistema de aquisição e controle)

450 1500 500 600 450

500

Figura 3-5. Esquema da distribuição interna dos componentes

(vista em planta, sem escala)

3.1.4 Distribuição elétrica e hidráulica

Para alimentar os equipamentos que estão abrigados no trailer,

foram previstas instalações elétricas no interior do calorímetro. A Tabela

3-2 mostra o quadro com as cargas previstas e as proteções (disjuntores)

adotadas. Já o projeto executivo destas instalações é apresentado no

ANEXO D.

Tabela 3-2. Quadro de cargas do calorímetro

N°

circ.

Nome Pot. (W)

Tensão

(V)

I (A)

Disjuntor

(A)

Fio

(mm²)

Banho

Termostático (CP)

3000 220 13,6 20 2,5

Tomadas Gerais +

Banho

Termostático (CS)

2500 220 11,4 15 2,5

Resistências

aquecedoras

3000 220 13,6 20 2,5

4 Bomba 600 220 2,7 10 2,5

Lâmpada +

Tomadas Gerais

1000 220 4,5 10 2,5

Total 10100

Ramal de entrada = fiação 6mm²

Já as ligações hidráulicas foram realizadas através da utilização

de mangueiras flexíveis de PVC reforçado por fios de poliéster (para

pressões médias), com diâmetro nominal de ¾ de polegada. A Tabela

3-3 apresenta as principais características técnicas da bomba utilizada

para forçar a circulação da água na cavidade principal (obs.: as

características da bomba utilizada no banho térmico da cavidade

secundária já foram descritas no item 3.1.2.3). Nas entradas de cada uma

das faces da cavidade principal são instalados registros de gaveta para

regulagem da vazão. Por fim, no retorno do líquido para os reservatórios

foi instalado um medidor de vazão na saída de cada uma das cavidades.

Os medidores de vazão permitem tanto a leitura direta, por meio de um

mostrador analógico, como também a leitura de um sinal digital para

determinação da vazão em um sistema de aquisição de dados

As novas resistências aquecedoras instaladas, conforme mencionado no item 3.1.2.3, foram

temporariamente ligadas a um circuito de alimentação elétrica externo.

Infelizmente não foi possível implementar a leitura digital das vazões devido a dificuldades

na interpretação do sinal e na compatibilidade com o sistema de aquisição de dados do

calorímetro.

Tabela 3-3. Características técnicas da bomba de recalque

Potência nominal Vazão máxima Diâmetro

¾ CV 3,2m

/h ¾“ (entrada e saída)

3.1.5 Sensores de monitoramento

Diversos sensores de monitoramento são utilizados para

verificar as condições ambientais e o fluxo de calor na estrutura do

calorímetro. A Tabela 3-4 apresenta uma lista com os tipos de sensores

aplicados na configuração final do calorímetro, bem como as

quantidades e pontos de instalação. A quantidade e o tipo de sensores

foram definidos em função das necessidades de informações para o

cálculo de ganho de calor e posteriores análises dos resultados.

Dois piranômetros são utilizados para determinação da radiação

solar. Um deles é instalado no plano de medição (plano de instalação da

amostra de vidro ou janela a ser testada), enquanto o outro é utilizado

para determinação da radiação global horizontal no momento da

medição (OBS.: apenas o valor da radiação solar no plano de medição é

utilizado como variável no cálculo do Fator Solar das amostras).

Na determinação da radiação incidente no plano de medição é

usado um piranômetro de precisão da marca Kipp&Zonen, modelo CM-

21, cujas características técnicas são apresentadas na Tabela 3-5. Já para

a determinação da radiação horizontal, é utilizado um piranômetro de

menor custo (tipo termopilha), fabricado no LMPT/UFSC (Laboratório

de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas da Universidade Federal

de Santa Catarina).

Para determinação direta do fluxo de calor, são empregados

quatro transdutores de fluxo de calor (fluxímetros). Os quatro sensores

têm dimensões de 25x25cm e são instalados na face frontal da cavidade

secundária. Estes sensores foram desenvolvidos pelo LMPT em

cooperação com uma universidade francesa (Université de Lille). O

processo de fabricação dos fluxímetros utiliza a fotogravura e a

confecção de termopares planares a eletrodos depositados. O princípio

de funcionamento do sensor é baseado no desvio das linhas de fluxo de

calor, gerando uma diferença de temperatura num plano tangencial ao

plano de medição (Güths, 1994).

Tabela 3-4. Sensores de monitoramento

Tipo de sensor Ponto de instalação Quantidade

Externo - plano horizontal 1

Piranômetros

Externo - plano de medição 1

Anemômetro

No interior da cavidade principal 1

Fluxímetros No interior da cavidade secundária 4

Na superfície externa da cavidade principal 6

Na superfície externa da cavidade secundária 1

Ar no interior da cavidade principal 3

Ar no interior da cavidade secundária 1

Ar externo 1

Na água de entrada e saída das cavidades 4

No tanque de água do banho termostático da CP

Nas bordas de fixação externas 6

No vidro (2 x na CP e 1 x na CS) 3

Termopares

Na esquadria da janela 1

Termistor Junção de referência dos termopares 1

Saída da cavidade principal 1

Medidor de

vazão

Saída da cavidade secundária 1

Medidor de coef.

de convecção

Plano de medição externo 1

Total

Tabela 3-5. Características técnicas do piranômetro

Kipp&Zonen modelo CM-21

Intervalo espectral de medição 305 -2800nm

Sensibilidade 7–17 (µV/ W / m²)

Tempo de resposta 5 s

Erro direcional (para 80° com 1000 W/m²) ± 10 W/m²

Erro de linearidade (0 - 1000 W/m²) ± 0.2 %

Variação de estabilidade (variação/ano) ± 0.5 %

Sensibilidade à mudança de temperatura

(-20 para 50 °C)

1 %

Incerteza na medição (totais horários) 2 %

A velocidade do ar no interior da cavidade principal e no

ambiente externo é verificada com o uso de dois anemômetros do tipo

fio quente e frio. Este sensor é produzido no LMPT sendo composto

por duas junções dependentes feitas com termistores de 30KΩ. Um

termistor envolto por um fio de constantan forma a junção quente. Este

fio de constantan recebe uma tensão e esquenta o termistor que fornece

um sinal elétrico. O outro termistor fornece um sinal proporcional à

temperatura ambiente. O ar incidente no constantan altera o sinal

recebido da junção quente, e assim é possível obter o valor da

velocidade do ar pela correlação entre a diferença de temperatura entre

as junções (Lopes et al., 2007a).

A temperatura em diversos pontos do calorímetro é verificada

através do uso de termopares do tipo T (bitola 24 AWG flexível). Estes

termopares apresentam resistência à corrosão e umidade, e seu limite de

utilização varia na faixa de temperatura entre -184°C e 370°C, com

limite de erro ± 0,5°C . Para fornecer a temperatura de referência na

junção dos termopares é utilizado um termistor do tipo NTC (20KOhm a

25°C), com precisão ± 0.03 °C e faixa de temperatura de aplicação de -

50°C até 300°C.

Os medidores de vazão são utilizados para verificar a vazão do

líquido que circula através das serpentinas das duas cavidades. Os dois

medidores utilizados são modelo Multijato ¾”, e foram adquiridos junto

à empresa Contécnica Ltda (Porto Alegre/RS). As características

técnicas dos medidores de vazão são apresentadas na Tabela 3-6.

Tabela 3-6. Características técnicas dos medidores de vazão

Vazão mínima Vazão máxima Diâmetro

0,030m

/h 3,0m

/h ¾“ (entrada e saída)

Ainda, para complementar o monitoramento do calorímetro, é

utilizado, durante os testes, um medidor de coeficiente de convecção (h)

construído com base na bancada experimental utilizada por Comunelo

(2006). Este medidor tem como princípio de funcionamento isolar o

valor de “h” através do conhecimento dos demais fatores (fluxo de calor,

área de troca e diferenças de temperaturas) aplicados à equação

fundamental da troca convectiva.

3.1.6 Sistema de aquisição de dados e controle

Para realizar a aquisição contínua dos dados durante o período

de medição é utilizado um sistema de condicionamento e gravação do

sinal gerado pelos diferentes sensores de monitoramento (ciclo completo

de leitura a cada 27 segundos). Este sistema foi desenvolvido pela

equipe de eletrônica do LMPT/UFSC, sendo usado com sucesso

também em outras aplicações de pesquisa, com a finalidade de aquisição

de dados.

Basicamente o funcionamento do sistema de aquisição segue a

seguinte lógica (Figura 3-6): inicialmente, os sinais em microvoltagem

são lidos individualmente nas placas de aquisição; estas placas, por sua

vez, estão ligadas a um multímetro digital que transmite o sinal por um

cabo serial para um micro computador; já os sensores que respondem

em baixa voltagem são lidos diretamente por um componente

intermediário desenvolvido no LMPT (chamado TUR), o qual também

controla as placas de aquisição; o TUR está ligado a uma placa mãe que

se comunica com um software específico no microcomputador; o

software, por sua vez, gerencia o armazenamento do sinal e realiza a

conversão para a as unidades típicas de cada variável.

Temperatura

Fluxo de calor

Radiação solar

Placas de

aquisição

Multímetro

digital

Software

(aquisição

e controle)

TUR

Placa

mãe

Fonte de

alimentação da placa

Tiristor

(controle da corrente)

TUR

Velocidade do ar

VARIÁVEIS

Resistências aquecedoras para

controle da temperatura do banho

P2 P3

Circuito elétrico de

alimentação

das resistências

Aquisição

Controle

Microcomputador

Figura 3-6. Esquema de funcionamento do sistema

de aquisição e controle

Além da aquisição de dados, o software também realiza o

controle da temperatura da água do reservatório do banho termostático,

que é utilizada para resfriamento da cavidade principal. Para o controle

da temperatura, a unidade condensadora do banho é mantida ligada

permanentemente (acionamento manual), sendo a temperatura de

controle atingida através do acionamento das resistências aquecedoras,

realizado pelo software.

O software com controle PID do banho termostático busca

atingir a condição da equação [3.1], onde a temperatura média da

cavidade (T

CAVIDADE

) deve ser igual à temperatura média do vidro

VIDRO

) que é a interface com o meio externo, mais uma diferença de

temperatura (

∆

T) definida para o teste. (OBS.: Mais detalhes sobre este

critério de controle serão analisados nos próximos capítulos).

TTT

VIDROCAVIDADE

∆+=

[3.1]

No caso da cavidade principal , a T

CAVIDADE

é renomeada como TMCP

(em ºC), que é definida através da equação [3.2] a seguir:

∑

)]).([(

nface

nfacenFACE

ACP

TMCP

[3.2]

Onde:

FACE

= Temperatura da face da cavidade principal em °C

(respectivamente de 1 até 6)

face

= Área da face da cavidade principal em m² (respectivamente de 1

até 6).

Já para a cavidade secundária, a

CAVIDADE

é renomeada como

TMCS, que corresponde à temperatura do fundo desta cavidade. No

entanto, neste caso, a condição estabelecida na equação [3.1] é obtida

através de controle manual realizado pelo operador que ajusta

diretamente a temperatura do banho (reduz ou eleva a temperatura da

água).

OBS.: Para efeito de monitoramento, o fundo da CP foi dividido em duas partes com áreas

iguais, sendo a temperatura de cada parte monitorada isoladamente. Assim, são somadas seis

faces para a CP (quatro laterais e duas de fundo).

3.2 F

ABRICAÇÃO DOS COMPONENTES E MONTAGEM DO

CALORÍMETRO

A fabricação dos principais componentes e a montagem do

calorímetro foram realizadas com base nos projetos executivos

apresentados nos ANEXOS A, B, C e D.

A seguir, é exibido um resumo com imagens e detalhes da

fabricação dos principais componentes utilizados no calorímetro. A

fabricação da maioria das peças foi terceirizada (com exceção do

sistema de aquisição e controle e dos sensores de fluxo de calor

produzidos no LMPT/UFSC, e da cavidade secundária construída no

LabTermo/UFSC), já o trabalho de montagem dos diferentes

componentes foi realizado no LMPT (com exceção do banho

termostático que foi montado pela própria empresa fornecedora).

3.2.1 Fabricação dos absorvedores de calor

3.2.1.1 Cavidade principal (CP)

A fabricação da cavidade principal foi realizada pela empresa

Solares Aquecimento Solar Ltda (Florianópolis/SC). A estrutura da

cavidade é formada por cinco peças: 4 laterais e o fundo. Estas peças

foram montadas através da soldagem, corte e dobra de chapas de cobre,

com espessura de 0,89mm. Nas faces externas da cavidade foi soldada

uma serpentina de tubos de cobre que fazem parte do sistema de

resfriamento que será utilizado. Esta configuração consiste em dois

tubos de maior diâmetro nas extremidades (22mm) e tubos de menor

diâmetro (9,3mm) espaçados regularmente a cada 50mm, ligados aos

tubos das extremidades (Figura 3-7).

Todas as serpentinas foram testadas contra vazamento, através

de ar comprimido, a uma pressão de 10 m.c.a (1Kgf/cm

). Sobre os

tubos de cobre aplicados ao fundo da cavidade, foi necessário adicionar

um tubo de maior diâmetro na diagonal. Este tubo tem apenas função

estrutural, uma vez que se observou, durante a construção, uma

excessiva deformação da peça que compõe o fundo da cavidade, em

função do peso da estrutura. Embora este reforço estrutural não tenha

sido previsto inicialmente, ele não causa nenhum prejuízo técnico para a

utilização do sistema de resfriamento previsto. A Figura 3-8 e a Figura

3-9 mostram a vista do lado externo e interno da cavidade já montada.

Envolvendo toda a superfície externa da cavidade, sobre a

serpentina de cobre, foi colocado um isolamento térmico formado por

uma camada de lã de vidro de aproximadamente 70mm de espessura. O

isolamento será preso ao corpo da cavidade após a colocação da mesma

no calorímetro e da instalação do sistema de resfriamento. O conjunto

cavidade e isolamento serão recobertos por uma caixa metálica de

proteção com pintura eletrostática na cor branca (Figura 3-10). Esta

caixa protetora será fixada diretamente na estrutura do calorímetro, não

tendo nenhum contato térmico com a cavidade.

Figura 3-7. Composição da

cavidade com serpentinas

aplicadas na face externa

(peças laterais)

Figura 3-8. Vista do lado externo

da cavidade e reforço estrutural

do fundo

Figura 3-9. Vista

do lado interno da cavidade

Figura 3-10. Detalhe do

isolamento térmico em lã de vidro

e caixa protetora

Reforço

estrutural

para o fundo

3.2.1.2 Cavidade secundária (CS)

A fabricação da cavidade secundária foi realizada no LabTermo

(Laboratório de Ciências Térmicas da UFSC). Para a fabricação da

cavidade, foi utilizada uma chapa de cobre com espessura de 3mm e

dimensões de 50cm x 50cm. Na parte posterior desta chapa, foi fixada

uma serpentina de cobre com diâmetro externo de 3/8”.

Esta chapa de maior espessura foi empregada para tornar

possível manter a planicidade necessária durante a colagem dos

fluxímetros na face frontal. Devido à espessura da chapa, o processo de

fixação da serpentina foi bastante difícil, sendo necessário um processo

de soldagem utilizando uma liga de fósforo e cobre (foscoper).

Esta estrutura completa é formada pela chapa de cobre presa a

uma esquadria de madeira, a ser posteriormente fixada no trailer. A

Figura 3-11 e a Figura 3-12 apresentam a cavidade secundária montada

conforme o projeto executivo.

Figura 3-11. Vista posterior da

cavidade secundária já montada

(detalhe da serpentina)

Figura 3-12. Vista frontal da

cavidade secundária (detalhe do

plano de colagem dos

fluxímetros)

3.2.2 Fabricação do sistema de resfriamento

A fabricação do banho térmico aplicado à cavidade principal foi

realizada pela empresa Matiola Refrigeração Ltda (São José – SC). O

reservatório de água foi fabricado em inox 304 número 24, obedecendo

às dimensões internas especificadas de 40cm x 50cm x 80cm, e sendo

protegido com isolamento de 60mm de poliestireno expandido,

externamente revestido por chapa epóxi pintada na cor branca.No

interior do reservatório, foi instalada uma serpentina de cobre e também

as três resistências aquecedoras previstas inicialmente (Figura 3-13). A

fiação de ligação das resistências ficou exposta na parte frontal do

reservatório, para que posteriormente esta fiação fosse conectada à

alimentação elétrica.

O sistema condensador utilizado para a refrigeração é da marca

Danfoss, modelo HCM018, com potência nominal de 1,5HP, e

alimentação 220V monofásica (Figura 3-14). O sistema tem dimensões

de 50cm x 70cm x 44,2cm, e peso de aproximadamente 45kg. A Figura

3-15 mostra a vista geral do banho térmico construído.

Figura 3-13. Serpentina e resistências

aquecedoras no interior do reservatório

Figura 3-14. Sistema

condensador 1,5HP

Figura 3-15. Vista geral do banho térmico

Ligação das

resistências

Retorno

da água

Saída da

água

Sistema

condensador

Serpentina

Resistência

aquecedora

3.2.3 Fabricação do trailer de abrigo

A fabricação do trailer foi realizada pela empresa Pirâmide

Reboques Indústria Metalúrgica Ltda (Joinville/SC). O chassi de

sustentação foi fabricado em perfis de viga U de 100mm galvanizado

(Figura 3-16). Já as molduras de madeira para fixação das cavidades e

das amostras de janela foram fabricadas em madeira de lei (Figura

3-17).

Figura 3-16. Estrutura do

trailer (perfis metálicos)

Figura 3-17. Molduras de madeira nas

aberturas para as cavidades

Para o fechamento lateral, foram empregadas chapas

galvanizadas com acabamento em pintura na cor branca, e para o

assoalho da parte interna foram utilizadas tábuas de madeira de lei. Já no

piso da plataforma externa, foram aplicadas chapas de aço galvanizado.

A Figura 3-18 mostra o acabamento final do trailer.

Figura 3-18. Vista externa do trailer acabado

3.2.4 Desenvolvimento do sistema de aquisição e controle

Além da ligação dos componentes físicos de aquisição e

controle (TURs, Placas, fontes, tiristor, multímetro, micro-computador e

cabeamento), um software específico é necessário para gerenciar o

funcionamento do sistema.

Uma versão beta deste software, em linguagem C++, foi

desenvolvida no LMPT para atender as necessidades do sistema de

aquisição e controle do calorímetro, segundo as definições do item 3.1.6

deste capítulo.

A Figura 3-19 apresenta a interface de comunicação entre o

programa e os dispositivos de aquisição (multímetro e placas mãe). Já

na Figura 3-20 é apresentada a interface de aquisição e controle. Esta

interface está organizada em 5 abas (janelas) para monitoramento da

cavidade principal, cavidade secundária, sistema de resfriamento,

variáveis ambientais e resultados. O sistema de aquisição foi testado e

apresentou um correto funcionamento na leitura do sinal gerado pelos

sensores conectados aos diferentes canais.

Figura 3-19. Interface de comunicação

Figura 3-20. Interface de monitoramento

3.2.5 Montagem do calorímetro

A montagem do calorímetro ocorreu a partir da fabricação de

cada um dos componentes descritos anteriormente. Alguns destes

componentes foram produzidos simultaneamente para acelerar o

processo de construção do calorímetro. O fluxograma abaixo (Figura

3-21) apresenta a seqüência de fabricação e montagem aplicada e

desenvolvida em seis etapas.

O primeiro componente a ser instalado no trailer de abrigo foi o

sistema de resfriamento (banho térmico). Esta instalação foi realizada

diretamente na empresa fornecedora, por se tratar de um trabalho

especializado.

O sistema condensador foi fixado através de parafusos sobre a

plataforma metálica na parte dianteira do trailer (Figura 3-22). O

posicionamento externo do sistema foi previsto para facilitar a

dissipação do calor retirado da água do reservatório e também para

reduzir o nível de ruído na área interna do trailer. Sobre o sistema

condensador foi montada uma cobertura em chapa metálica para

proteção contra as intempéries, além de grades laterais para evitar o

acesso de pessoas não autorizadas ou danos aos componentes.

O reservatório de água foi instalado do lado interno do trailer

junto à parede de fechamento da parte dianteira (Figura 3-23). Já a

fixação do reservatório foi realizada diretamente no piso de madeira do

trailer por meio de parafusos. Após isso, a tubulação do gás refrigerante

que passa pela serpentina no interior do reservatório foi conectada ao

sistema condensador e revestida com isolante térmico.

Figura 3-21. Fluxograma da sequência de montagem do calorímetro

O segundo componente a ser instalado no trailer de abrigo foi a

cavidade principal. Antes da fixação da estrutura de cobre, as bordas da

moldura de madeira (marco da janela) foram isoladas termicamente com

a aplicação de uma camada de poliestireno expandido.

Figura 3-22. Sistema condensador

instalado na plataforma dianteira

do trailer

Figura 3-23. Reservatório

instalado no interior do trailer

Depois disso, a cavidade foi fixada na moldura de madeira

através de parafusos auto-atarraxantes. A Figura 3-24 mostra a vista

externa da cavidade principal já instalada. Posteriormente, a superfície

interna da cavidade foi pintada com uma tinta de propriedades

conhecidas (absortividade e emissividade iguais a 0,95 e 0,86,

respectivamente) – Figura 3-25.

Figura 3-24. Vista externa da

cavidade principal já instalada no

trailer

Figura 3-25. Pintura da cavidade

principal

O terceiro componente instalado no trailer de abrigo foi a

cavidade secundária. Antes da instalação, foram soldados os conectores

de mangueira nas extremidades de entrada e saída da serpentina.

Também foram colados na superfície externa 4 sensores de fluxo de

calor, os quais foram previamente pintados com a mesma tinta já

mencionada.

No lado externo, foi também aplicado um isolante térmico

(poliestireno expandido com espessura de 15mm) no perímetro dos

sensores, para o ajuste das dimensões da cavidade (50x50cm). A Figura

3-26 mostra a configuração interna da instalação (ainda sem o

isolamento), enquanto a Figura 3-27 apresenta a visão externa da

cavidade secundária ainda sem o vidro.

Figura 3-26. Detalhe interno da

cavidade secundária já instalada

no trailer

Figura 3-27. Vista externa da

instalação da cavidade secundária

(sem o vidro)

Após a colocação das cavidades e do banho térmico, iniciou-se

o trabalho de montagem das instalações elétricas e hidráulicas.

O quadro de distribuição do sistema elétrico (Figura 3-28) foi

instalado na lateral do trailer oposta às cavidades. Este foi fixado sobre

uma chapa de madeira, onde posteriormente também foram instalados os

componentes do sistema de aquisição de dados. A alimentação do

quadro é realizada a partir de uma ligação externa subterrânea conectada

à fiação (espera) deixada sob o piso.

A fiação do sistema elétrico foi fixada de maneira aparente,

aproveitando o espaço formado pelos perfis metálicos que compõem a

estrutura do trailer, sendo o acabamento realizado com calhas de PVC.

O aterramento, por sua vez, foi ligado na própria estrutura do trailer, de

maneira que eventuais descargas elétricas sejam conduzidas para o solo

através dos apoios metálicos de sustentação do veículo (frontal e

traseiro).

Conforme estava previsto no projeto executivo, um ponto de

iluminação no teto (Figura 3-29) e uma tomada para ligação de um

ventilador (usado como exaustor/insulflador) junto à porta de entrada

foram instalados.

Figura 3-28. Quadro de distribuição

elétrica

Figura 3-29. Ponto de luz no

teto

O sistema hidráulico também foi montado, sendo realizadas as

conexões entre a entrada e a saída das serpentinas, de cada uma das

faces das cavidades aos respectivos registros e bombas. Tanto as

tubulações como as cavidades também foram isoladas termicamente

(Figura 3-30 e Figura 3-31).

Figura 3-30. Ligação da bomba e

barrilete com registros de controle

de fluxo da CP

Figura 3-31. Isolamento das

tubulações e das cavidades

Considerando que na cavidade principal há uma saída para cada

uma das 5 faces, e em cada saída a água se encontra em uma

temperatura diferente, um misturador foi instalado para garantir uma boa

homogeneização da água. Este dispositivo consiste em um tubo de PVC

com duas paredes divisórias, forçando a passagem da água em um

circuito tipo “Chicane” (Figura 3-32). Então a medição da temperatura

de água que passa pela CP é obtida após a passagem pelo misturador.

(a) (b)

Figura 3-32. Caminho percorrido pela água (a); visão externa do

misturador (b); divisória interna (c); isolamento do misturador depois

de instalado no trailer (d).

Em relação ao sistema de aquisição e controle, para facilitar a

operação e melhor acomodação de alguns dos equipamentos (multímetro

e micro computador), foi construída uma bancada de madeira fixada na

parede do trailer. Os demais componentes eletrônicos (TURs, placas,

fontes, tiristor) foram fixados na mesma placa de madeira onde já havia

sido instalado o quadro de distribuição elétrica. A Figura 3-33 mostra

disposição dos componetes do sistema de aquisição instalados no trailer.

Figura 3-33. Layout da instalação dos componentes do sistema de

aquisição e controle

3.3 C

ALIBRAÇÃO E INSTALAÇÃO DOS SENSORES DE

MONITORAMENTO

Antes da instalação dos sensores alistados na Tabela 3-4, foi

realizada a calibração destes dispositivos, conforme os procedimentos

descritos nos itens a seguir.

Para verificar a incerteza nos resultados da calibração dos

sensores, as diferenças entre os valores de referência (determinados com

o instrumento de referência) e do sensor calibrado (calculados a partir

das curvas ou coeficientes de calibração obtidos) são avaliadas

estatisticamente. A incerteza da calibração (u) é calculada como sendo o

desvio padrão (s) das variações encontradas. Neste caso, em que o

número de pontos de medição é pequeno (n<200), é necessário aplicar

um coeficiente de correção (t), conhecido como coeficiente t-Student,

para corrigir o desvio padrão (equação [3.3] e equação [3.4]). O

coeficiente t-Student, para uma distribuição normal, é tabelado em

função da probabilidade de enquadramento desejada (ex.: 90%, 95% ou

99% de confiança) e do número de amostras (Gonçalves, 2002). Então:

−

∑

)(

[3.3]

Onde:

= Valor de referência (determinado com o instrumento de referência);

= Valor do sensor calibrado (calculado a partir das curvas ou

coeficientes de calibração obtidos);

n = Número de observações;

= Número de restrições lineares.

E também:

).( stu

[3.4]

Sendo:

t = Coeficiente t-Student;

s = Desvio padrão.

3.3.1 Piranômetros

A calibração dos piranômetros é realizada a partir de uma

análise comparativa entre os valores de radiação solar medidos

simultaneamente pelos sensores utilizados no calorímetro e os valores

de referência medidos por um piranômetro de alta precisão

(kipp&Zonen CM22), utilizado na estação solarimétrica do

LABSOLAR (Laboratório de Energia Solar da UFSC). Durante a

calibração, todos os sensores são ajustados na mesma posição e sob as

mesmas condições ambientais. As características técnicas do

piranômetro de referência são apresentadas na Tabela 3-7.

No caso do sensor fabricado no LMPT, a calibração consiste na

obtenção de uma constante. O cálculo da constante de calibração do

instrumento segue a relação expressa na equação [3.5]:

pir

= Rad/S

pir

[3.5]

Onde:

pir

= Constante de calibração do piranômetro (W/m²/mV);

Rad = Radiação solar (W/m²);

pir

= Sinal de resposta do piranômetro (mV).

Tabela 3-7. Características técnicas do piranômetro

Kipp&Zonen modelo CM22

Intervalo espectral de medição 200 -3600nm

Sensibilidade 7–14 (µV/ W / m²)

Tempo de resposta 5 s

Erro direcional (para 80° com 1000 W/m²) < 5 W/m²

Erro de linearidade (0 - 1000 W/m²) ± 0.2 %

Variação de estabilidade (variação/ano) ± 0.5 %

Sensibilidade à mudança de temperatura (-20 para

50 °C)

0,5 %

Precisão ± 1 %

Portanto, a constante final (K

pir

) para piranômetro é obtida

como sendo a média dos valores calculados em um conjunto de leituras

simultâneas de radiação e tensão.

Todos os testes de

calibração dos piranômetros foram

realizados no plano horizontal,

como mostra a Figura 3-34. Além

do sensor kipp&zonen CM21, mais

dois sensores fabricados no LMPT

foram também calibrados. Na

Tabela 3-8 são apresentados os

valores das constantes de calibração

dos piranômetros fabricados no

LMPT e também os valores da

radiação medida com os

piranômetros kipp&Zonen CM21 e

CM22, em cada tempo de leitura, de

um dia de céu claro.

Figura 3-34. Configuração da

calibração dos piranômetros

As constantes médias encontradas respectivamente para o

piranômetro LMPT 1 e 2, tendo por base o valor da radiação medida

com o sensor do LabSolar, foram 924,900 W/m

/mV e 1089,148

W/m

/mV. No caso do CM21, a diferença média no valor da radiação

em relação ao LABSOLAR (CM22) foi de 3,1%. Com isso, a constante

original do CM21 (90,009 W/m

/mV) foi corrigida para 92,799

W/m

/mV.

Tabela 3-8. Constantes de calibração dos piranômetros fabricados no

LMPT (céu claro)

Horário

Piran.

LMPT

1 (mV)

Piran.

LMPT

2 (mV)

LabSolar

Kipp&Zo

nen CM22

(W/m²)

K 1

(W/m²/mV)

K 2

(W/m²/mV)

Kipp&Zon

en CM21

(W/m²)