Transwalls: modelagem ótica, de transferência de calor e análise térmica de sistemas vidro-água-vidro

Abstract

Esta pesquisa avalia modelos óticos, de transferência de calor e o desempenho térmico de transwalls sistemas especulares transparentes de vidro preenchidos de água que apresentam a característica espectroseletiva de transmitir luz natural, filtrar calor da radiação solar além de alta capacidade térmica. São analisadas lâminas de água entre 2mm e 10cm e cenários ambientais característicos de regiões de clima quente. A metodologia se divide em três etapas que englobam (I) o ensaio espectrofotométrico e caracterização ótica de transwalls com líquidos transparentes; (II) análise de incerteza de modelos óticos de múltiplas reflexões e (III) análise de sensibilidade de modelos de transferência de calor pelo método transiente de seções finitas, além do desempenho térmico de variadas configurações de transwalls. Os resultados reforçam o desempenho espectroseletivo da água, alta absorção radiante nas primeiras seções do líquido e que transwalls transferem mais luz e menos calor que o vidro duplo. Transwalls com 2mm de água tem transmissão solar de 68.9% com transmissão visível de 87.9%. No caso de 10mm de lâmina de água, a transmissão solar foi de 64.1% e 88% de transmissão visível. Corrobora-se a importância do aumento do número de interreflexões para precisão ótica, a baixa sensibilidade da imprecisão dos valores de refletância vidro-líquido , mas alta para vidro-ar e, principalmente, a importância da precisão do coeficiente de absorção molar. A alternância entre modelos de transferência de calor impactou na temperatura da água sem interferir no balanço térmico, exceto quando considerado troca radiante entre os vidros ou negligenciado o efeito convectivo da água. Observou-se inexpressivo atraso térmico de transwalls delgadas, mas atenuação térmica considerável. Exceto para a lâmina de água de 2mm, houve constância nos valores de Fator solar equivalente mesmo modificando-se o cenário ambiental e a orientação solar O Fator solar equivalente para 100mm de lâmina de água variou entre 51.68% e 49.04%; entre 55.44% e 52.46% para 50mm; entre 63.11% e 58.22% para 10mm e apresentou demasiada variação para a lâmina de 2mm de água: entre 72.63% e 59.42%. Confirma-se o potencial espectroseletivo das transwalls e a redução não linear da transmissão solar com o aumento da espessura da água. Recomenda-se futuros experimentos em campo para validar os resultados das simulações realizadas.

Abstract : This research evaluates the performance of optical and heat transfer Transwalls models and its resulting thermal performace. Transwalls can be described as a transparent and specular double glazing system filled with water. It features spectral selective behavior by transmitting light, but controlling heat gain besides its high thermal capacity. Water sections from 2mm to 10cm have been tested in different hot climate scenarios. The method has been divided in 3 steps which are (I) spectrophotometric tests for optical description of transparent liquids; (II) optical uncertainty analysis of multiple reflection models and (III) transwall s sensitivity analysis applying Transient Heat Balance Model (THBM) for thermal performance simulation of different transwall s sections. The results have reaffirmed the spectral selective behavior of water with higher solar radiation absorbance in its first millimeters. In comparison with double glazing panels, transwall models deliver more light and transfer less heat than double glazing panels. Transwalls with 2mm water section have 68.9% of solar and 87.9% of visible transmittance. When increasing the water section to 10mm, the values are 64.1% of solar and 88% of visible transmittance. Regarding Transwall s optical precision, it has been noticed the importance of increasing the number of multiple reflections; the low sensitivity of \"glass-liquid\" reflectance values uncertainty, but high for \"glass-air\" and, especially, the importance of adopting precise absorption coefficient values. No big difference has been observed in heat balance results from thermal models even though temperatures in the sections were significantly different from one model to another. There are only two exception: models considering radiation exchange between the glazings and when disregarding water convective behavior. Thermal performance results highlighted the importance of irradiation angle variation dependency when modeling optical absorption. It highlights also a considerable thermal attenuation behavior of transwalls, but no expressive thermal lag. Except for 2mm water sections, the equivalent solar heat gain coefficient (Fsolar) used in this research has achieve similar values for the same water thickness regardless of climate and solar orientation conditions. The Fsolar for a 100mm water width transwall varied from 51.68% to 49.04%; between 55.44% and 52.46% for 50mm; from 63.11% to 58.22% for 10mm and a high variation for 2mm water transwalls: from 72.63% to 59.42%.It has been confirmed the spectral selective behavior of transwalls and the non-linear reduction of solar transmittance when increasing water thickness. Further studies should carry in situ experiments to validate the simulations ran in this dissertation.