Princípio Construtal como Metodologia de Design de um Painel Radiante

Abstract

Os sistemas radiantes oferecem uma alternativa, ou complemento, aos sistemas de ventilação integrantes na climatização de espaços para a obtenção de conforto térmico. O uso destes sistemas garante poupanças energéticas, permite trocas diretas de calor por radiação térmica entre superfícies, num mercado que consome cerca de 40% da energia mundial proveniente de fontes não renováveis.O principal objetivo deste trabalho consiste na aplicação do Princípio Construtal como ferramenta de design e otimização em sistemas radiantes. O Princípio Construtal estuda e explica as configurações presentes na natureza e tenta transpor esses conhecimentos para aplicações de engenharia.O estudo teórico permitiu comparar qualitativamente e quantitativamente estruturas dendríticas de árvore entre linhas paralelas, de diâmetro variável e de diâmetro constante, com um painel radiante comercializado pela Zehnder e um painel radiante otimizado pelo Princípio Construtal.A rede de diâmetros variáveis apresentou uma redução de 90% no peso em relação ao painel da Zehnder no entanto ficou aquém nos parâmetros termofluídicos. Em relação ao painel otimizado pelo Princípio Construtal foi possível aumentar 33% a potência térmica trocada com o escoamento com um aumento de 39.5% na queda de pressão.Com a rede de diâmetros constantes foi possível obter uma redução na queda de pressão de 42% em relação à rede de diâmetros variáveis, 19.2% ao painel otimizado pelo Princípio Construtal e de 36% ao painel comercializado pela Zehnder. Nos restantes parâmetros apresentou o mesmo comportamento que a rede de diâmetros variáveis.O estudo experimental de uma rede de diâmetros constantes permitiu não só avaliar o seu desempenho térmico mas também as dificuldades técnicas na sua construção. Os ensaios experimentais realizados permitiram avaliar o efeito do caudal no tempo de resposta do painel onde se concluiu que este diminui para caudais mais elevados.Esta abordagem ao dimensionamento de sistemas radiantes necessita de maior exploração de forma a minimizar as dificuldades técnicas à sua aplicação prática e contribuir para o desenvolvimento tecnológico dos sistemas de painéis radiantes.

Radiant panels offer an alternative, or complement, to the forced ventilation systems which are an integral part in the climatization systems in order to obtain thermal comfort. These systems grant energy savings as they allow direct heat transfer among surfaces in a 40% world energy, from non-renewable sources, consuming market.The main goal is to apply the Constuctual Law when designing radiant systems. The Constuctual Law studies and explains the nature existing structures and applies those knowledge’s in engineering.The theoretical study allowed quantitative and qualitative comparisons between dendritic structures, with variable diameter and constant diameter, of line to line trees, a panel commercialized by Zehnder and a radiant panel optimized by the Constuctual Law.With the variable diameter structure was possible to decrease 90%, regarding the Zehnder panel, the weight of the system, but it came short on the other termofluidic parameters. When it came to the optimized panel, an 33% increase in the heat transfer, associated with a 39.5% increase in the pressure drop, was achieved. The constant diameter structure followed the same behavior but it was possible to achieve a 42% decrease in the pressure drop in comparison with the variable diameter structure, 19.2% with the Zehnder and 36% with the optimized panel.In the experimental study was accessed not only the thermal performance of the dendritic structure but also its construction difficulties. The tests conducted showed that functioning mass flow as a profound effect in the system delay time, being smaller for higher values of mass flow.This innovative approach to the design of radiant panels needs further exploration in order to surpass the technical difficulties in the construction of its networks and to have a meaningful contribute in the technological development of the radiant systems.