Modelagem da transferência de calor de ambientes subterrâneos no programa de simulação EnergyPlus

Resende, Bruna Cristina; Souza, Henor Artur de; Gomes, Adriano Pinto

doi:10.1590/s1678-86212019000100299

Bruna Cristina Resende

Universidade Federal de Ouro Preto Ouro Preto - MG - Brasil

Henor Artur de Souza

Universidade Federal de Ouro Preto Ouro Preto - MG - Brasil

Henor Artur de Souza Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Escola de Minas | Universidade Federal de Ouro Preto | Tel.: (31) 3559-1533 Ramal 1482 | E-mail: henorster@gmail.com

Adriano Pinto Gomes

Instituto Federal de Minas Gerais Ouro Preto - MG - Brasil

Bruna Cristina Resende

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Escola de Minas | Universidade Federal de Ouro Preto | Morro do Cruzeiro, s/n | Ouro Preto - MG - Brasil | CEP 35400-000 | Tel.: (32) 99904-0604 | E-mail: brunacresende@yahoo.com.br

Henor Artur de Souza

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Escola de Minas | Universidade Federal de Ouro Preto | Tel.: (31) 3559-1533 Ramal 1482 | E-mail: henorster@gmail.com

Adriano Pinto Gomes

CODADES | Instituto Federal de Minas Gerais | Rua Pandiá Calógeras, 898, Campus Ouro Preto | Ouro Preto - MG - Brasil | CEP 35400-000 | Tel.: (31)3559 2277 | E-mail: adriano.gomes@ifmg.edu.br

Fechamento	Composição
Paredes do porão	Argamassa + Tijolo + Argamassa
Paredes do pavimento superior	Argamassa + Tijolo + Argamassa
Piso do porão	Laje de concreto + Argamassa + Piso cerâmico
Piso do pavimento superior	Argamassa + Laje de concreto + Argamassa + Piso cerâmico
Teto do pavimento superior	Argamassa + Laje de concreto + Forro de madeira
Telhado	Telha cerâmica
Janelas	Vidro refletivo de 6 mm de espessura
Portas	Compensado
Cobertura do solo	Grama curta

Material	Espessura (cm)	Propriedades termofísicas¹ 1 propriedades termofísicas dos materiais obtidas de acordo com a norma NBR 15220-2 (ABNT, 2005a), onde k é a condutividade térmica, ρ é a densidade do material e cp é o calor específico do material; e			Fechamento² 2 propriedades termofísicas dos fechamentos obtidas conforme recomendações da norma NBR 15220-3 (ABNT, 2005b), onde U é a transmitância térmica e CT é a capacidade térmica.	U (W/m²K)	C_T (kJ/m²K)
Material	Espessura (cm)	k (W/mk)	ρ (kg/m³)	c_p (J/kgk)		U (W/m²K)	C_T (kJ/m²K)
Argamassa	2,5	1,15	2.000	1.000	Parede	2,28	168
Tijolo	10	0,9	1.600	920	Parede	2,28	168
Concreto laje	10	1,75	2.400	1.000	Laje	4,40	240
Piso cerâmico	1,5	1,05	2.000	920	-	70	27,6
Forro de madeira	1	0,2	1.400	100	Cobertura	2	32
Telha cerâmica	1	1,05	2.000	920	Cobertura	2	32
Portas de compensado	3,5	0,15	550	2.300	-	4,3	44,3

ZONA BIOCLIMÁTICA 3 (São Paulo, SP)
Estação	Te¹ 1 Te é a temperatura externa do ar. máxima diária (ºC)	Te mínima diária (ºC)	Amplitude diária de temperatura (ºC)	Te bulbo úmido (ºC)	Radiação solar (Wh/m²)	Nebulosidade (décimos)
Verão	31,9	-	9,2	21,3	5.180	6
Inverno	-	6,2	10	13,4	4.418	6

Material		Propriedades Termofísicas¹ 1 as propriedades termofísicas fornecidas por Oke (1995).
Material		Densidade (kg/m³)	Calor específico (J/kg.K)	Condutividade térmica (W/m.K)
Solo Argiloso	Seco	1.600	890	0,25
Solo Argiloso	Saturado	2.000	1.550	1,58

Mês	Temperatura do solo (ºC)¹ 1 dados obtidos pelo arquivo climático de São Paulo.	Mês	Temperatura do solo (ºC)¹ 1 dados obtidos pelo arquivo climático de São Paulo.
Janeiro	20,5	Julho	17,2
Fevereiro	21,5	Agosto	16,2
Março	21,7	Setembro	15,9
Abril	21,5	Outubro	16,5
Maio	20,1	Novembro	17,6
Junho	18,6	Dezembro	19,1

Grupos de Simulação		Variações	Observações
1	Ativação do Basement	Basement acionado internamente e Basement acionado externamente com os mesmos dados de entrada.	Nas duas situações o pré-processador Basement é executado uma única vez e os resultados são comparados.
2	Variação dos modelos encontrados no EnergyPlus	(a) Fornecendo a temperatura do solo informada pelo arquivo climático SoilTemp (b) Utilizando o pré-processador Basement:Basement (c) Utilizando o modelo FiniteDifference do GroundDomain: Gdomain:FD (d) Utilizando o modelo Kusuda e Achenbach do GroundDomain: Gdomain:KA (e) Utilizando o modelo Xing do GroundDomain: Gdomain:Xing	Para o caso (a) a temperatura genérica da Tabela 4 é inserida no objeto GroundTemperature do EnergyPlus. Para o caso (b) o Basement é acionado internamente. Todos os procedimentos adotados neste grupo são especificados na seção "Métodos de simulação no EnergyPlus".
3	Influência do solo	O solo argiloso é testado para duas situações distintas: seco e saturado.	A Tabela 3 informa as propriedades termofísicas do solo analisado.

Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Name	Gdomain
Ground Domain Depth (m)	15	Valor relatado por Shipp, Pfender e Bligh (1981)SHIPP, P. H.; PFENDER, E.; BLIGH, T. P. Thermal Characteristics of a Large Earth Sheltered Building (Parts 1 and 2). Underground Spaces 6, p. 53-64, 1981. como limite inferior onde se estende a influência térmica no solo.
Aspect Ratio	1,63	Relação entre altura e largura do ambiente subterrâneo.
Perimeter Offset (m)	5
Soil Thermal Condutivity (W/m.K)	0,25	Valores estabelecidos na Tabela 3 para um solo argiloso seco.
Soil Density (kg/m³)	1.600
Soil Specific Heat (J/kg.K)	890
Soil Moisture Content Volume Fraction (%)	30
Soil Moisture Content Volume at Saturation (%)	50
Undisturbed Ground Temperature Model Type	Site:GroundTemperature:Undisturbed:FiniteDifference (subgrupo (c)),Site:GroundTemperature:Undisturbed:KusudaAchenbach (subgrupo (d))ouSite:GroundTemperature:Undisturbed:Xing (subgrupo (e))
Undisturbed Ground Temperature Model Type	Gdomain:FD (subgrupo (c)), Gdomain:KA (subgrupo (d)), Gdomain:Xing (subgrupo (e))
Evapotranspiration Ground Cover Parameter	1	Valor recomendado para grama curta.
Basement Floor Boundary Condition Model Name	BasementFloorOSCM
Horizontal Insulation	No	Não existe isolamento horizontal (laje em contato com o solo).
Horizontal Insulation Material Name
Horizontal Insulation Extends
Perimeter Horizontal Insulation Width (m)	0,1
Basement Wall Boundary Condition Model Name	BasementWallOSCM
Vertical Insulation	No	Não existe isolamento vertical (paredes em contato com o solo).
Vertical Insulation Material Name
Vertical Insulation Depth (m)	2,3
Simulation Timestep	timestep
Mesh Density Parameter	4
*Dados de entrada do GroundTemperature:Shallow*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
January - December Surface Ground Temperature	Valores mensais de temperatura externa do ar fornecidos pelo arquivo climático de São Paulo.
*Site:GroundTemperature:Undisturbed:FiniteDifference (subgrupo (c))*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Name	Gdomain:FD
Soil Thermal Condutivity (W/m.K)	0,25	Valores estabelecidos na Tabela 3 para um solo argiloso seco.
Soil Density (kg/m³)	1.600
Soil Specific Heat (J/kg.K)	890
Soil Moisture Content Volume Fraction (%)	30
Soil Moisture Content Volume at Saturation (%)	50
Evapotranspiration Ground Cover Parameter	1	Valor recomendado para grama curta.
*Site:GroundTemperature:Undisturbed:KusudaAchenbach (subgrupo (d))*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Name	Gdomain:KA
Soil Thermal Condutivity (W/m.K)	0,25	Valores estabelecidos na Tabela 3 para um solo argiloso seco.
Soil Density (kg/m³)	1.600
Soil Specific Heat (J/kg.K)	890
Average Soil Surface Temperature (C)		Valores omitidos por falta de dados. Neste caso, o programa utiliza os dados fornecidos no objeto GroundTemperature:Shallow para calcular os parâmetros.
Average Amplitude of Surface Temperature (ΔC)
Phase Shift of Minimum Surface Temperature (dia)
*Site:GroundTemperature:Undisturbed:Xing (subgrupo (e))*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Name	Gdomain:Xing
Soil Thermal Condutivity (W/m.K)	0,25	Valores estabelecidos na Tabela 3 para um solo argiloso seco.
Soil Density (kg/m³)	1.600
Soil Specific Heat (J/kg.K)	890
Average Soil Surface Temperature (C)	21,1	Valores definidos por Xing (2014)XING, L. U. Estimations of Undisturbed Ground Temperatures Using Numerical and Analytical Modeling. Stillwater, 2014. 406 f. Tese (Doutorado em Filosofia) - Oklahoma State University, Stillwater, 2014. para a cidade de São Paulo.
Soil Surface Temperature Amplitude 1 (ΔC)	-3,3
Soil Surface Temperature Amplitude 2 (ΔC)	0,8
Phase Shift of Temperature Amplitude 1 (dia)	19
Phase Shift of Temperature Amplitude 2 (dia)	-8
*SurfaceProperty:OtherSideConditionsModel*
Campos de entrada	Valores adotados	Valores adotados
Name	BasementWallOSCM	BasementFloorOSCM
Type of Modeling	UndergroundPiping	UndergroundPiping
Type of Modeling	SystemSurface	SystemSurface.

GroundHeatTransfer:Control
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Name	Basement
Run Basement Preprocessor	Yes	Opção do tipo de pré-processador para determinar a temperatura do solo que é utilizado: Slab (simulação de lajes) e Basement (simulação de ambientes subterrâneos).
Run Slab Preprocessor	No
GroundHeatTransfer:Basement:SimParameters
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
F: Multiplier for the ADI Solution	0,1	Valor recomendado por Clements (2004)CLEMENTS, E. Three Dimensional Foundation Heat Transfer Modules For Whole-Building Energy Analysis. Pennsylvania, 2004. 133 f. Tese (Doutorado em Ciências) - Pennsylvania State University, Pennsylvania, 2004..
IYRS: Maximum number of yearly iterations	15	Número máximo de anos para encerrar a simulação caso não haja a convergência.
GroundHeatTransfer:Basement:MatProps
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
NMAT: Number of material in this domain	6	Campo que especifica o número de materiais presentes no ambiente subterrâneo cujas propriedades são especificadas.
Density for Foundation Wall (kg/m³)	1.600	Propriedades termofísicas dos materiais presentes no ambiente subterrâneo (paredes, laje em contato com o solo, teto do pavimento subterrâneo, as propriedades do cascalho utilizados como dreno entre as paredes e o solo e a madeira utilizada) e do solo. As propriedades dos materiais são as mesmas presentes na Tabela 1. As propriedades da madeira e do cascalho são os valores de referência fornecidos pelo EnergyPlus.
Density for Floor Slab (kg/m³)	2.400
Density for Ceiling (kg/m³)	2.400
Density for Soil (kg/m³)	1.600
Density for Gravel (kg/m³)	2.000
Density for Wood (kg/m³)	449
Specific heat for Foundation Wall (J/kg.K)	920
Specifc heat for Floor Slab (J/kg.K)	1.000
Specific heat for Ceiling (J/kg.K)	1.000
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
Specific heat for Soil (J/kg.K)	890	Propriedades termofísicas dos materiais presentes no ambiente subterrâneo (paredes, laje em contato com o solo, teto do pavimento subterrâneo, as propriedades do cascalho utilizados como dreno entre as paredes e o solo e a madeira utilizada) e do solo. As propriedades dos materiais são as mesmas presentes na Tabela 1. As propriedades da madeira e do cascalho são os valores de referência fornecidos pelo EnergyPlus.
Specific heat for Gravel (J/kg.K)	720
Specific heat for Wood (J/kg.K)	1.530
Thermal conductivity for Foundation Wall (W/m.K)	0,9
Thermal conductivity for Floor Slab (W/m.K)	1,75
Thermal conductivity for Ceiling (W/m.K)	1,75
Thermal conductivity for soil (W/m.K)	0,25
Thermal conductivity for Gravel (W/m.K)	1,9
Thermal conductivity for Wood (W/m.K)	0,12
GroundHeatTransfer:Basement:Insulation
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
REXT: R Value of any exterior insulation (m².K/W)	0,000001	Um valor de resistência térmica do material de isolamento próximo a zero é adotado para representar a situação simulada neste trabalho.
INSFULL: Flag: Is the wall fully insulated?	TRUE
GroundHeatTransfer:Basement:SurfaceProps
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
ALBEDO: Surface albedo for No snow conditions	0,26	Os valores adotados para a condição de solo com grama curta e coberto por neve são fornecidos em Oke (1995)OKE, T. R. Boundary Layer Climates. 2nd. ed. London: British Library, 1995. para o albedo, a emissividade e a rugosidade da superfície.
ALBEDO: Surface albedo for snow conditions	0,4
EPSLN: Surface emissivity No snow	0,95
EPSLN: Surface emissivity snow	0,99
VEGHT: Surface roughness No snow conditions (cm)	0,1
VEGHT: Surface roughness snow conditions (cm)	0,1
PET: Flag, Potential evapotranspiration on?	TRUE	Sub-rotina responsável por calcular a evapotranspiração na superfície do solo.
*GroundHeatTransfer:Basement:BldgData*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
DWALL: Wall thickness (m)	0,2	Espessura da parede e laje do cômodo subterrâneo, conforme apresentado nas Tabelas 1 e 2.
DSLAB: Floor slab tickness (m)	0,1
DGRAVXY: Width of gravel pit beside basement wall (m)	0,3	Espessura de cascalho adotado como material responsável pela drenagem de água ao redor das paredes e da laje do cômodo subterrâneo. Os valores adotados são os valores de referência do EnergyPlus.
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
DGRAVZN: Gravel depth extending above the floor slab (m)	0,3	Espessura de cascalho adotado como material responsável pela drenagem de água ao redor das paredes e da laje do cômodo subterrâneo. Os valores adotados são os valores de referência do EnergyPlus.
DGRAVZP: Gravel depth below floor slab (m)	0,1
*GroundHeatTransfer:Basement:Interior*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
COND: Flag: Is the basement conditioned?	FALSE	Sub-rotina que informa que o ambiente subterrâneo não é condicionado artificialmente.
HIN: Downward convection only heat transfer coefficient (W/m².K)	0,92	Os valores adotados são os valores de referência do EnergyPlus.
HIN: Upward convection only heat transfer coefficient (W/m².K)	4,04
HIN: Horizontal convection only heat transfer coefficient (W/m².K)	3,08
HIN: Downward combined (convection and radiation) heat transfer coefficient (W/m².K)	6,13
HIN: Upward combined (convection and radiation) heat transfer coefficient (W/m².K)	9,26
HIN: Horizontal combined (convection and radiation) heat transfer coefficient (W/m².K)	8,29
*GroundHeatTransfer:Basement:ComBldg* ¹ 1 requer uma simulação preliminar para determinar a temperatura interna para os 12 meses do ano. Os valores obtidos pela simulação preliminar são então adotados para executar a simulação principal da edificação analisada.
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
January average temperature (C)	17,3	Valores informados para a temperatura interna mensal do ambiente subterrâneo ao longo de um ano. Neste trabalho, o valor de referência do EnergyPlus (22 ºC)é adotado na simulação preliminar. Os dados de saída (temperatura interna do ambiente subterrâneo) fornecidos pela simulação preliminar são utilizados para obter a média ponderada levando-se em conta as temperaturas obtidas para cada zona de simulação e sua respectiva área (divisão da temperatura obtida para cada zona térmica x área de cada zona pela área total do ambiente subterrâneo). Os valores obtidos são então inseridos na simulação principal do modelo.
February average temperature (C)	23,7
March average temperature (C)	23,6
April average temperature (C)	22,5
May average temperature (C)	21,0
June average temperature (C)	19,6
July average temperature (C)	19,2
August average temperature (C)	19,8
September average temperature (C)	20,3
October average temperature (C)	20,7
November average temperature (C)	21,6
December average temperature (C)	22,7
Daily variation sine wave amplitude (ΔC)
*GroundHeatTransfer:Basement:EquivSlab*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
APRatio: The area to perimeter ratio for this slab (m)	1,63	Relação entre a área e o perímetro do ambiente subterrâneo.
EquivSizing: Flag	TRUE
*GroundHeatTransfer:Basement:EquivAutoGrid*
Campos de entrada	Valores adotados	Observações
CLEARANCE: Distance from outside of wall to edge of 3-D ground domain (m)	12	Valor estabelecido por Shipp, Pfender e Bligh (1981)SHIPP, P. H.; PFENDER, E.; BLIGH, T. P. Thermal Characteristics of a Large Earth Sheltered Building (Parts 1 and 2). Underground Spaces 6, p. 53-64, 1981. para definir a faixa de solo (distância) ao redor da edificação que deve ser considerada nas simulações.
SlabDepth: Thickness of the floor slab (m)	0,1	Dados referentes à geometria da edificação.
BaseDepth: Depth of the basement wall below grade (m)	2,3	Dados referentes à geometria da edificação.

Nível de Desempenho	Verão	Inverno
Mínimo	T_i,max ≤ T_e,max	T_i,min ≥ (T_e,min + 3 ºC)
Intermediário	T_i,max ≤ (T_e,max- 2 ºC)	T_i,min ≥ (T_e,min + 5 ºC)
Superior	T_i,max ≤ (T_e,max- 4 ºC)	T_i,min ≥ (T_e,min + 7 ºC)

Temperatura da face externa das paredes e piso em contato com o solo (ºC)
Mês	Acionamento interno		Acionamento externo		Diferença (%)
Mês	Parede	Piso	Parede	Piso	Parede	Piso
Janeiro	14,6	13,4	14,6	13,4	0	0
Fevereiro	17,9	17,6	17,9	17,6	0	0
Março	18,2	17,8	18,2	17,8	0	0
Abril	17,6	17,1	17,6	17,1	0	0
Maio	16,4	16,0	16,4	16,0	0	0
Junho	15,4	15,0	15,4	15,0	0	0
Julho	15,0	14,7	15,0	14,7	0	0
Agosto	15,4	15,1	15,4	15,1	0	0
Setembro	15,8	15,4	15,8	15,4	0	0
Outubro	16,0	15,7	16,0	15,7	0	0
Novembro	16,7	16,3	16,7	16,3	0	0
Dezembro	17,6	17,2	17,6	17,2	0	0

Temperatura externa máxima do ar(ºC)	Temperatura interna máxima do ar no verão (ºC)
	SoilTemp	GroundDomain			Basement
	SoilTemp	GDomain:FD	GDomain:KA	GDomain:Xing	Basement
31,9	23,6	27,9	28,1	28,1	22,1
Temperatura interna mínima do ar	Temperatura interna mínima do ar no inverno (ºC)
	SoilTemp	GroundDomain			Basement
	SoilTemp	GDomain:FD	GDomain:KA	GDomain:Xing	Basement
6,7	15	11,1	11,3	11,4	16,3
Temperatura máxima nas interfaces no verão (ºC)
Interfaces	SoilTemp	GroundDomain			Basement
Interfaces	SoilTemp	GDomain:FD	GDomain:KA	GDomain:Xing	Basement
piso/solo	não calculado	24	24	24,3	17,8
paredes/solo	não calculado	24	24,4	25,5	18,2
Temperatura mínima nas interfaces no inverno (ºC)
Interfaces	SoilTemp	GroundDomain			Basement
Interfaces	SoilTemp	GDomain:FD	GDomain:KA	GDomain:Xing	Basement
piso/solo	não calculado	14,8	15,1	14,1	17,4
paredes/solo	não calculado	15,1	15,1	15,7	18,6

[1] Bruna Cristina Resende

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Escola de Minas | Universidade Federal de Ouro Preto | Morro do Cruzeiro, s/n | Ouro Preto - MG - Brasil | CEP 35400-000 | Tel.: (32) 99904-0604 | E-mail: brunacresende@yahoo.com.br

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Modelagem da transferência de calor de ambientes subterrâneos no programa de simulação EnergyPlus

Modelling of basement heat transfer in EnergyPlus simulation program

Resumo