Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são dispositivos usados para melhorar o condicionamento térmico de ambientes construídos. Eles funcionam através da ventilação do ar por um ou mais dutos enterrados, utilizando o solo como fonte ou sumidouro de calor. Em virtude da defasagem entre as temperaturas do ar e das camadas superficiais da Terra, é possível resfriar o ar no verão e aquecê-lo no inverno. Seus princípios de operação baseiam-se na mecânica dos fluidos e transferência de calor, áreas onde a teoria Construtal tem sido usada para melhorar o desempenho, ou reduzir imperfeições, de vários sistemas térmicos, após uma estratégica análise de suas geometrias (ou de seu design), também chamada de método Design Construtal que se fundamenta na lei construtal. Dessa lei, projetos em engenharia devem começar, por exemplo, descobrindo as arquiteturas que facilitam o escoamento entre uma fonte pontual e um volume, ou vice-versa. Explorando esses conceitos para TCSA, onde a corrente é o calor que flui entre os dutos e o solo, esta tese objetiva centralmente avaliar o desempenho térmico desses dispositivos em função de possíveis desenhos de suas estruturas. Particularmente, isso foi feito: (1) usando um duto e variando seu diâmetro e vazão de ar; (2) inserindo novos dutos, até um total de cinco, mantendo a vazão de ar constante, e estudando diversas disposições geométricas. Numericamente, foram empregados dois modelos testados e validados a partir de dados experimentais, que foram simulados no código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT, o qual baseia-se em métodos de volumes finitos. As geometrias e malhas foram geradas no software GAMBIT. Dos resultados numéricos, esta tese também avançou desenvolvendo novos modelos para o conceito de potencial térmico instantâneo, que é uma medida das diferenças de temperatura entre a saída e a entrada dos dutos de TCSA. Descobriu-se que estes modelos podiam ser simplificados em termos de funções senoidais, facilitando análises e definições analíticas subsequentes, criando um quadro resumo para grandes volumes de dados simulados. Das avaliações dos resultados nos estudos com um duto, foram encontradas faixas para a obtenção de rendimentos térmicos anuais estimados em pelo menos 80%, com mudanças no diâmetro e/ou vazão do ar. Analisando múltiplos dutos, foram reveladas melhorias significativas de rendimento com: (1) o aumento no número de dutos; (2) a redução, até certos limites, da razão entre os espaçamentos verticais e horizontais entre eles; (3) a ampliação da razão entre o volume da instalação e o volume do domínio computacional. Destaca-se, ainda, que em todos os casos foram calculados balanços energéticos, com a estimativa das taxas (e quantidade) de calor trocado, bem como da energia elétrica consumida pelos ventiladores, mostrando sua viabilidade no condicionamento de ar com redução do consumo de energia elétrica. / The Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices used to improve the thermal conditions of built environments. They work by blowing the air inside buried ducts to use the soil as heat source or sink. Due to a phase difference between the air and ground temperatures, it is possible to cool the air in the summer and heat it in the winter. These operating principles are based on the areas of fluid mechanics and heat transfer, where the Constructal theory has been used to improve the performance, or reduce imperfections, of several thermal systems, after a strategic evaluation of their geometries (or their design), also called Constructal Design method, which is anchored by the constructal law. From this law, engineering projects should begin, for example, finding the architectures which ease the flow between a source point and a volume, or vice versa. Bringing these concepts to EAHE, where the current is the heat which flows between the ducts and the soil, this thesis mainly aims to assess the thermal performance of EAHE due to possible designs of their layouts. Particularly, this was done by: (1) adopting one duct and varying its diameter and/or the air flow; (2) using up to five ducts, keeping the air flow constant, and studying various geometric shapes. Numerically, two models were used, which have been tested and validated from experimental data, and the simulations were done in the CFD software FLUENT, which is based in the finite volume methods. The geometries and meshes were generated by the software GAMBIT. From the numerical results, this thesis also pursued developing new models for the concept of the instantaneous thermal potential, which is a measure of the temperatures differences between the ducts outlet and inlet. It was found that these models can be simplified in terms of sinusoidal functions, helping analysis, definitions, and creating a framework to summarize large volumes of simulated data. From the evaluation of the data in the studies with one duct, ranges for changes in their diameter and/or air flow were found to obtain at least 80% of estimated annual efficiency. Analyzing multiple ducts, significant improvements in efficiency were also obtained by: (1) increasing the number of ducts; (2) reducing, to some extent, the ratio between their vertical and horizontal spacings; (3) increasing the ratio between the installation volume and the computational domain. It should also be highlighted that in all cases the energy balances were computed, to find the rates (and amounts) of exchanged heat, as well as the electric energy consumed by the fans, showing the economic viability of using EAHE as devices for air conditioning.

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada. / The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors.

Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são dispositivos usados para melhorar o condicionamento térmico de ambientes construídos. Eles funcionam através da ventilação do ar por um ou mais dutos enterrados, utilizando o solo como fonte ou sumidouro de calor. Em virtude da defasagem entre as temperaturas do ar e das camadas superficiais da Terra, é possível resfriar o ar no verão e aquecê-lo no inverno. Seus princípios de operação baseiam-se na mecânica dos fluidos e transferência de calor, áreas onde a teoria Construtal tem sido usada para melhorar o desempenho, ou reduzir imperfeições, de vários sistemas térmicos, após uma estratégica análise de suas geometrias (ou de seu design), também chamada de método Design Construtal que se fundamenta na lei construtal. Dessa lei, projetos em engenharia devem começar, por exemplo, descobrindo as arquiteturas que facilitam o escoamento entre uma fonte pontual e um volume, ou vice-versa. Explorando esses conceitos para TCSA, onde a corrente é o calor que flui entre os dutos e o solo, esta tese objetiva centralmente avaliar o desempenho térmico desses dispositivos em função de possíveis desenhos de suas estruturas. Particularmente, isso foi feito: (1) usando um duto e variando seu diâmetro e vazão de ar; (2) inserindo novos dutos, até um total de cinco, mantendo a vazão de ar constante, e estudando diversas disposições geométricas. Numericamente, foram empregados dois modelos testados e validados a partir de dados experimentais, que foram simulados no código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT, o qual baseia-se em métodos de volumes finitos. As geometrias e malhas foram geradas no software GAMBIT. Dos resultados numéricos, esta tese também avançou desenvolvendo novos modelos para o conceito de potencial térmico instantâneo, que é uma medida das diferenças de temperatura entre a saída e a entrada dos dutos de TCSA. Descobriu-se que estes modelos podiam ser simplificados em termos de funções senoidais, facilitando análises e definições analíticas subsequentes, criando um quadro resumo para grandes volumes de dados simulados. Das avaliações dos resultados nos estudos com um duto, foram encontradas faixas para a obtenção de rendimentos térmicos anuais estimados em pelo menos 80%, com mudanças no diâmetro e/ou vazão do ar. Analisando múltiplos dutos, foram reveladas melhorias significativas de rendimento com: (1) o aumento no número de dutos; (2) a redução, até certos limites, da razão entre os espaçamentos verticais e horizontais entre eles; (3) a ampliação da razão entre o volume da instalação e o volume do domínio computacional. Destaca-se, ainda, que em todos os casos foram calculados balanços energéticos, com a estimativa das taxas (e quantidade) de calor trocado, bem como da energia elétrica consumida pelos ventiladores, mostrando sua viabilidade no condicionamento de ar com redução do consumo de energia elétrica. / The Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices used to improve the thermal conditions of built environments. They work by blowing the air inside buried ducts to use the soil as heat source or sink. Due to a phase difference between the air and ground temperatures, it is possible to cool the air in the summer and heat it in the winter. These operating principles are based on the areas of fluid mechanics and heat transfer, where the Constructal theory has been used to improve the performance, or reduce imperfections, of several thermal systems, after a strategic evaluation of their geometries (or their design), also called Constructal Design method, which is anchored by the constructal law. From this law, engineering projects should begin, for example, finding the architectures which ease the flow between a source point and a volume, or vice versa. Bringing these concepts to EAHE, where the current is the heat which flows between the ducts and the soil, this thesis mainly aims to assess the thermal performance of EAHE due to possible designs of their layouts. Particularly, this was done by: (1) adopting one duct and varying its diameter and/or the air flow; (2) using up to five ducts, keeping the air flow constant, and studying various geometric shapes. Numerically, two models were used, which have been tested and validated from experimental data, and the simulations were done in the CFD software FLUENT, which is based in the finite volume methods. The geometries and meshes were generated by the software GAMBIT. From the numerical results, this thesis also pursued developing new models for the concept of the instantaneous thermal potential, which is a measure of the temperatures differences between the ducts outlet and inlet. It was found that these models can be simplified in terms of sinusoidal functions, helping analysis, definitions, and creating a framework to summarize large volumes of simulated data. From the evaluation of the data in the studies with one duct, ranges for changes in their diameter and/or air flow were found to obtain at least 80% of estimated annual efficiency. Analyzing multiple ducts, significant improvements in efficiency were also obtained by: (1) increasing the number of ducts; (2) reducing, to some extent, the ratio between their vertical and horizontal spacings; (3) increasing the ratio between the installation volume and the computational domain. It should also be highlighted that in all cases the energy balances were computed, to find the rates (and amounts) of exchanged heat, as well as the electric energy consumed by the fans, showing the economic viability of using EAHE as devices for air conditioning.

A importância de métodos de projeto vem crescendo nos últimos anos à medida que sistemas sócio-técnicos complexos se tornam mais numerosos. Além da complexidade, o tamanho e o investimento financeiro destes sistemas amplificam a gravidade dos erros de projeto. O objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma metodologia de especificação e projeto que reduza o tempo e energia para desenvolver um sistema complexo cujas funções sejam conhecidas a priori, gerenciando em paralelo os riscos. O objetivo específico foi verificar a viabilidade econômica de usinas nucleares móveis de pequeno porte. Este trabalho adotou como princípio a lei construtal que prevê o sucesso de sistemas que facilitem os fluxos necessários à sua existência. Após a identificação dos fatores chave para facilitar o fluxo de informações, esta tese desenvolveu um conjunto de conceitos para facilitar o trabalho de engenharia. Aplicando tais conceitos, este trabalho desenvolveu sequências de atividades que descrevem o método proposto, sendo cada atividade detalhada por uma lista de requisitos. A demonstração das vantagens do método proposto foi feita por meio de análise de árvore de eventos e árvore de falhas. Usando o método, esta tese desenvolveu especificações e projetos em vários níveis (empresarial, usina, caldeira nuclear, circuito primário e gerador de vapor). Baseando-se em dados da marinha americana, esta tese desenvolveu um modelo de custo para reatores de pequeno porte. Concluiu que a energia nuclear pode ser competitiva se a potência elétrica média efetiva ao longo da vida útil ficar acima de 30MWe e se o tempo de vida útil for igual ou maior do que 60 anos. Tal fato decorre dos altos custos de aquisição que requerem uma vida longa para compensar o investimento e dos efeitos de economia de escala especialmente pronunciados para reatores a água pressurizada. / The importance of design methodologies has been growing in recent years as complex socio-technical systems become more common. In addition to complexity, the size and financial investment of these systems amplifies the severity of design errors. The general goal of this work was to develop a specification and design methodology that reduces the time and energy to develop a complex system whose functions are known a priori, managing the risks in parallel. The specific goal was to verify if small modular reactors could be economically possible. This work adopted as principle the Constructal law, that predicts the success of systems that ease the necessary flows to its existence. After finding the key factors to ease the flow of information, this work developed a set of concepts to ease the engineering work. Applying such concepts, this work developed sequences of activities that describe the proposed methodology. Lists of requirements gave guidance for each activity. Event tree and fault tree analyses showed the advantages of the proposed methodology. Using the methodology, this work developed specifications and designs at many product breakdown levels (enterprise, nuclear power plant, nuclear steam supply system, reactor coolant system and steam generator). Using data from US Navy, this work developed a cost model for small reactors. This work concluded that nuclear power may be competitive if average electrical power extracted during the life is larger than 30 MWe and if life time is superior to 60 years. The first condition is consequence of the high overnight costs of nuclear power. The second is consequence of the strong scale economy effects of pressurized water reactors.

Trocadores de Calor Solo-Ar (TCSA) são dispositivos usados para melhorar o condicionamento térmico de ambientes construídos. Eles funcionam através da ventilação do ar por um ou mais dutos enterrados, utilizando o solo como fonte ou sumidouro de calor. Em virtude da defasagem entre as temperaturas do ar e das camadas superficiais da Terra, é possível resfriar o ar no verão e aquecê-lo no inverno. Seus princípios de operação baseiam-se na mecânica dos fluidos e transferência de calor, áreas onde a teoria Construtal tem sido usada para melhorar o desempenho, ou reduzir imperfeições, de vários sistemas térmicos, após uma estratégica análise de suas geometrias (ou de seu design), também chamada de método Design Construtal que se fundamenta na lei construtal. Dessa lei, projetos em engenharia devem começar, por exemplo, descobrindo as arquiteturas que facilitam o escoamento entre uma fonte pontual e um volume, ou vice-versa. Explorando esses conceitos para TCSA, onde a corrente é o calor que flui entre os dutos e o solo, esta tese objetiva centralmente avaliar o desempenho térmico desses dispositivos em função de possíveis desenhos de suas estruturas. Particularmente, isso foi feito: (1) usando um duto e variando seu diâmetro e vazão de ar; (2) inserindo novos dutos, até um total de cinco, mantendo a vazão de ar constante, e estudando diversas disposições geométricas. Numericamente, foram empregados dois modelos testados e validados a partir de dados experimentais, que foram simulados no código comercial de dinâmica dos fluidos computacional, FLUENT, o qual baseia-se em métodos de volumes finitos. As geometrias e malhas foram geradas no software GAMBIT. Dos resultados numéricos, esta tese também avançou desenvolvendo novos modelos para o conceito de potencial térmico instantâneo, que é uma medida das diferenças de temperatura entre a saída e a entrada dos dutos de TCSA. Descobriu-se que estes modelos podiam ser simplificados em termos de funções senoidais, facilitando análises e definições analíticas subsequentes, criando um quadro resumo para grandes volumes de dados simulados. Das avaliações dos resultados nos estudos com um duto, foram encontradas faixas para a obtenção de rendimentos térmicos anuais estimados em pelo menos 80%, com mudanças no diâmetro e/ou vazão do ar. Analisando múltiplos dutos, foram reveladas melhorias significativas de rendimento com: (1) o aumento no número de dutos; (2) a redução, até certos limites, da razão entre os espaçamentos verticais e horizontais entre eles; (3) a ampliação da razão entre o volume da instalação e o volume do domínio computacional. Destaca-se, ainda, que em todos os casos foram calculados balanços energéticos, com a estimativa das taxas (e quantidade) de calor trocado, bem como da energia elétrica consumida pelos ventiladores, mostrando sua viabilidade no condicionamento de ar com redução do consumo de energia elétrica. / The Earth-Air Heat Exchangers (EAHE) are devices used to improve the thermal conditions of built environments. They work by blowing the air inside buried ducts to use the soil as heat source or sink. Due to a phase difference between the air and ground temperatures, it is possible to cool the air in the summer and heat it in the winter. These operating principles are based on the areas of fluid mechanics and heat transfer, where the Constructal theory has been used to improve the performance, or reduce imperfections, of several thermal systems, after a strategic evaluation of their geometries (or their design), also called Constructal Design method, which is anchored by the constructal law. From this law, engineering projects should begin, for example, finding the architectures which ease the flow between a source point and a volume, or vice versa. Bringing these concepts to EAHE, where the current is the heat which flows between the ducts and the soil, this thesis mainly aims to assess the thermal performance of EAHE due to possible designs of their layouts. Particularly, this was done by: (1) adopting one duct and varying its diameter and/or the air flow; (2) using up to five ducts, keeping the air flow constant, and studying various geometric shapes. Numerically, two models were used, which have been tested and validated from experimental data, and the simulations were done in the CFD software FLUENT, which is based in the finite volume methods. The geometries and meshes were generated by the software GAMBIT. From the numerical results, this thesis also pursued developing new models for the concept of the instantaneous thermal potential, which is a measure of the temperatures differences between the ducts outlet and inlet. It was found that these models can be simplified in terms of sinusoidal functions, helping analysis, definitions, and creating a framework to summarize large volumes of simulated data. From the evaluation of the data in the studies with one duct, ranges for changes in their diameter and/or air flow were found to obtain at least 80% of estimated annual efficiency. Analyzing multiple ducts, significant improvements in efficiency were also obtained by: (1) increasing the number of ducts; (2) reducing, to some extent, the ratio between their vertical and horizontal spacings; (3) increasing the ratio between the installation volume and the computational domain. It should also be highlighted that in all cases the energy balances were computed, to find the rates (and amounts) of exchanged heat, as well as the electric energy consumed by the fans, showing the economic viability of using EAHE as devices for air conditioning.