Analysis of Thermal Comfort of the Building Envelope Using an Earth-Air Heat Exchanger

Abstract:

The constructive elements of a building influence the demand for electrical energy, and optimal decisions can be assessed with the support of software that measures this building's demand more accurately. The objective of this research is to assess the thermal behavior of a residential dwelling located in bioclimatic zone 2 in the southern region of Brazil, seeking energy sources that contribute to improving thermal comfort. The study utilizes parameters that reduce the thermal demand for cooling and heating by installing an earth-air heat exchanger (EAHE) in the prolonged occupancy enviroments (POEs) within the building. The results obtained in the EnergyPlus software show that the adaptive comfort of the model with the Earth-Air Heat Exchanger (EAHE), compared to without it, reduces cold discomfort by 5.4% and increases thermal comfort in the building by 5.2%. Analyzing the annual temperatures of the spaces with the EAHE, it is observed that the outlet temperature of the EAHE duct remains at an average of 23.6°C and 23.8°C for the living room and bedrooms, respectively. From an energy perspective, the electrical energy consumption of the building was reduced by 29.8% when using the EAHE.

• Periodical: Defect and Diffusion Forum (Volume 435)
• Pages: 91-100
• DOI: https://doi.org/10.4028/p-5o95Fd
• Online since: September 2024
• Authors: Michele Soares Netto*, Ruth da Silva Brum, Joseane da Silva Porto, César Oropesa Avellaneda
• Keywords: Earth-Air Heat Exchanger (EAHE), EnergyPlus, Numerical Simulation, Parameters

References

[1] Information on https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-(2022)

[2] M. González-Eguino, Energy poverty: An overview, Renewable and Sustainable Energy Reviews. 47 (2015) 377-385.

DOI: 10.1016/j.rser.2015.03.013

[3] G.M.F. Simões, S.M. Leder, Energy poverty: The paradox between low income and increasing household energy consumption in Brazil, Energy and Buildings, 268 (2022).

DOI: 10.1016/j.enbuild.2022.112234

[4] A.C.T. Mendonça, D.A. Bastos, W.G. Martins, Proposta de revisão dos parâmetros urbanísticos e atualização de tópicos do código de obras visando um melhor desempenho térmico das edificações residenciais em Itaperuna/RJ, Revista Interdisciplinar Pensamento Científico, 6 (2020).

[5] F.C. Ferreira, Procedimento de avaliação de conforto ambiental e eficiência energética aplicado a um caso típico da Rede Estadual de Escolas Públicas de Minas Gerais, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, 2006.

DOI: 10.24873/j.rpemd.2018.11.236

[6] R.W. Müller, Energetic eficiency and thermal comfort study of a universitary building by EnergyPlus simulartion, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2013.

DOI: 10.24243/jmeb/3.5.207

[7] J.M.S.C. Morais, L.C. Labaki, CFD as a tool applied in simulation of indoor natural ventilation by wind forces: case study in vertical typologies in the Social Housing Program "My house, My life", Ambiente Construído, 17 (2017) 223-244.

[8] R. Lamberts, L. Dutra, F.O.R. Pereira, Eficiência Energética na Arquitetura, third ed., Eletrobras/Procel, Rio de Janeiro, 2014.

[9] A.C. Ruas, Avaliação de conforto térmico: contribuição à aplicação prática das normas internacionais. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 1999.

DOI: 10.47749/t/unicamp.1999.176253

[10] R. Lamberts, A.A. Xavier, Conforto Térmico e Stress Térmico. Laboratório de Eficiência Energética em Edificações, Universidade Federal de Santa Catarina, 2011.

DOI: 10.11606/d.16.2008.tde-21012010-161120

[11] S.F. Ahmed, M.M.K. Khan, M.T.O. Amanullah, M.G. Rasul, N.M.S. Hassan, A parametric analysis of the cooling performance of vertical earth-air heat exchanger in a subtropical climate. Renewable Energy, 172 (2021) 350-367.

DOI: 10.1016/j.renene.2021.02.086

[12] E.S.B. Nóbrega, Analytical approach for thermal analysis of earth-air heat exchangers in the city of Pelotas/RS, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Modelagem Matemática, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2021.

DOI: 10.21475/ajcs.18.12.06.pne1087

[13] J. Vaz, Estudo experimental e numérico sobre o uso do solo como reservatório de energia para o aquecimento e resfriamento de ambientes edificados, Tese de Doutorado, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2011.

DOI: 10.21041/conpat2023/v2pc9959

[14] M.K. Rodrigues, R.S. Brum, J. Vaz, L.A.O. Rocha, E. dos Santos, L. Isoldi, Numerical investigation about the imporvement of the thermal potential of an earth-air heat exchanger (EAHE) employng the constructal design method, Renewable Energy, 80 (2015) 538-551.

DOI: 10.1016/j.renene.2015.02.041

[15] J. Lund, B. Sanner, L. Rybach, R. Curtis, G. Hellstrom, Geothermal (Ground-source) heat pumps - A world overview, Geo-Heat Center Quart Bulletin, 25 (2004).

[16] M.K. Rodrigues, F.S. Coswig, K.R. Camargo, R.S. Brum, L.A.O. Rocha, J. Vaz, E.D. dos Santos, L.A. Isoldi, Study of the termal potential of earth-air heat exchanger in two types of soils in the Rio Grande city (RS), Revista Brasileira de Energias Renováveis. 6 (2017) 489-506.

DOI: 10.5380/rber.v6i3.52994

[17] A. Pakari, S. Ghani, Numerical evaluation of the thermal performance of a near-surface earth-to-air heat exchanger with short-grass ground cover: A parametric study, International Journal of Refrigeration, 125 (2020) 25-33.

DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2020.12.034

[18] J.A. Pouey, Projeto de edificação residencial unifamiliar para a Zona Bioclimática 2 com avaliação termoenergética por simulação computacional, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, 2011.

DOI: 10.21475/ajcs.17.11.03.pne219

[19] R. Dalbem, J.R. Freitas, E.G. da Cunha, Passivhaus concept applied to brazilian climate, Revista de Arquitetura IMED, 4 (2015) 26-36.

DOI: 10.18256/2318-1109/arqimed.v4n1p26-36

[20] T.R. Oke, Boundary layer climates, second ed., Routledge, 1988.

[21] V.F. Hermes, J.V.A. Ramalho, L.A.O. Rocha, E.D. dos Santos, W.C. Marques, J. Costi, M.K. Rodrigues, L.A. Isoldi, Further realistic annual simulations of earth-air heat exchangers installations in a coastal city, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 37 (2020).

DOI: 10.1016/j.seta.2019.100603

[22] R.S. Brum, Modelagem Computacional de Trocadores de Calor Solo-Ar, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, 2013.

DOI: 10.18605/2175-7275/cereus.v10n2p12-25