Objetivos: Este trabalho, abrangendo a área da transferência de calor e da mecânica dos fluidos, em seu desenvolvimento envolveu métodos analíticos, numéricos computacionais e experimentais (em ambiente de campo), com a finalidade de analisar o uso de trocadores de calor solo-ar, como estratégia para diminuir o consumo de energia convencional, no aquecimento ou resfriamento de ambientes construídos. Assim, um dos objetivos do estudo foi avaliar, com base em resultados experimentais, a performance do solo como um reservatório de energia, derivada da radiação solar. Buscou-se, pois, identificar parâmetros, procedimentos e condições favoráveis envolvendo esta estratégia. O outro objetivo do estudo foi, usando os softwares GAMBIT e FLUENT, modelar computacionalmente o escoamento do ar no trocador de calor solo-ar. Método: O estudo experimental e numérico foi precedido pela construção de uma edificação, especificamente concebida para a pesquisa, identificada como Casa Ventura. Em continuidade, foram enterrados dutos no solo, que conduziriam ar exterior e água (esta última por um período limitado) ao ambiente interno. No caso da condução de ar, o solo funcionaria como um reservatório de energia, aquecendo ou resfriando a ar. Já, no caso da condução de água, prevista com duto de baixa condutividade térmica, o solo funcionaria apenas como um protetor à radiação solar, para preservar as características térmicas da água, desde um reservatório, de onde a mesma era bombeada, até o interior da casa. Na Casa Ventura foram construídos dois ambientes centrais com características dimensionais e de envolvente equivalentes, constituindo os ambientes monitorados no processo, sendo um, na condição natural, referencial, sem renovação de ar, e o outro, com renovação de ar. Na parte experimental, o ar foi captado do ambiente externo e insuflado por um ventilador nos dutos enterrados, renovou o ar no interior deste último ambiente. Com ajuda de um fan-coil, colocado neste ambiente, o ar renovado trocou calor com a água. Por questões de dificuldades operacionais, o bombeamento de água funcionou por um período muito curto. Durante o experimento, que se desenvolveu por todo o ano de 2007, foram monitoradas e registradas, além da temperatura do solo e da água, a temperatura e a umidade: do ar externo, do ar nos ambientes internos e do ar em escoamento nos dutos enterrados, bem como a velocidade de escoamento nos mesmos. Resultados: De forma geral, o potencial do solo para aquecer foi maior do que o de resfriamento do ar injetado nos dutos enterrados. O potencial de aquecimento foi mais destacado nos meses de maio, junho, julho e agosto, e se mostrou maior que 3K. Para profundidades entre 2 e 3m, estima-se que o potencial possa ser superior a 8K. Por outro lado, o potencial de resfriamento foi maior nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro, mas foi baixo para pequenas profundidades (menos de um metro). Para resfriamento, este potencial pode chegar a 4K. Contribuições da pesquisa: Face aos resultados da pesquisa, diversas foram as suas contribuições, dentre as quais se destacam: a construção de um banco de dados experimentais sobre as propriedades e características do solo (índices físicos, difusividade térmica, capacidade térmica volumétrica, condutividade térmica, temperatura e umidade) e do ar ambiente (temperatura e umidade) para o município de Viamão, localizado na região sul do Brasil, e que pode ser usado para a continuidade desta pesquisa ou para a elaboração de novas pesquisas e projetos; e o desenvolvimento de uma metodologia para a modelagem computacional de trocadores de calor solo-ar, validada através dos dados experimentais citados acima, possibilitando, assim, o emprego deste procedimento numérico, para a elaboração de projetos ou novas pesquisas nesta área. / Purpose: The development of the present work, comprising the area of heat transfer and fluids mechanics involved analytical, numerical computational and experimental (in field environment) methods, with the purpose of analyzing the use of earth-to-air heat exchanger, as a strategy to reduce conventional energy consumption, for the heating or cooling of built environments. Thus, one of the study purposes was to evaluate, based on experimental results, the earth performance as an energy reservoir, derived from solar radiation incidence on the surface of the ground. We aimed, then, at identifying favorable parameters, procedures and conditions involving this strategy. The other study purpose was, using the GAMBIT and FLUENT softwares, computationally modeling the air flow in the earth-to-air heat exchanger. Method: The experimental and numerical study was preceded by the construction of a building, specially planned for the research, called Casa Ventura. As a follow-up, ducts were buried on the ground, to conduct external air and water (the latter one for a limited period) to the internal environment of the house. In terms of air conduction, the earth would work as an energy reservoir, heating or cooling the air. Concerning the water conduction, planned to use a duct of low thermal conductivity, the earth would only work as a protector from solar radiation, to preserve the water thermal characteristics, when flowing from the water reservoir, where it would be taken from, to the inside of the house. At Casa Ventura two central environments were built with similar dimensional and envelope characteristics, constituting the environments monitored in the process, in which, one in the natural and referential condition, without air renovation, and the other, with air renovation. In the experimental part, the air was captured from the external environment and inflated by a fan in the buried ducts, and it renovated the air inside this latter environment. With the help of a fan-coil, placed in this environment, the renovated air exchanged heat with the water flowing through the ducts. Due to some operational difficulties, the pumping of water lasted for a very short period. During the experiment, which lasted through the whole year of 2007, besides the water and earth temperature, the temperature and humidity of the following were also monitored and registered: the external air, the air in the internal environments and the air flowing in the buried ducts, as well as the flowing speed of the different fluids. Results: In a general way, the earth potential to heat was higher than the cooling of air injected in the buried ducts. The heating potential was higher in the months of May, June, July and August, doing so by more 3K. For depths between 2 and 3m, it is estimated that the potential might be over 8K. On the other hand, the potential for cooling was higher in the months of January, February and December, but it was low for low depths (less than a meter). For cooling, this potential may reach 4K. Research contributions: Considering the research results, several were the contributions, among which we highlight: the construction of an experimental database on the earth properties and characteristics (physical indexes, thermal diffusivity, volumetric heat capacity, thermal conductivity, temperature and humidity) and the environmental characteristics of the air (temperature and humidity) for the city of Viamão, located in Southern Brazil, and that may be used for the continuation of this research or for the elaboration of new researches and projects; and the development of a methodology for computational modeling of earth-to-air heat exchangers, validated through the experimental data mentioned before, enabling, therefore, the use of this numerical procedure for the elaboration of projects or new researches in this area.

Objetivos: Este trabalho, abrangendo a área da transferência de calor e da mecânica dos fluidos, em seu desenvolvimento envolveu métodos analíticos, numéricos computacionais e experimentais (em ambiente de campo), com a finalidade de analisar o uso de trocadores de calor solo-ar, como estratégia para diminuir o consumo de energia convencional, no aquecimento ou resfriamento de ambientes construídos. Assim, um dos objetivos do estudo foi avaliar, com base em resultados experimentais, a performance do solo como um reservatório de energia, derivada da radiação solar. Buscou-se, pois, identificar parâmetros, procedimentos e condições favoráveis envolvendo esta estratégia. O outro objetivo do estudo foi, usando os softwares GAMBIT e FLUENT, modelar computacionalmente o escoamento do ar no trocador de calor solo-ar. Método: O estudo experimental e numérico foi precedido pela construção de uma edificação, especificamente concebida para a pesquisa, identificada como Casa Ventura. Em continuidade, foram enterrados dutos no solo, que conduziriam ar exterior e água (esta última por um período limitado) ao ambiente interno. No caso da condução de ar, o solo funcionaria como um reservatório de energia, aquecendo ou resfriando a ar. Já, no caso da condução de água, prevista com duto de baixa condutividade térmica, o solo funcionaria apenas como um protetor à radiação solar, para preservar as características térmicas da água, desde um reservatório, de onde a mesma era bombeada, até o interior da casa. Na Casa Ventura foram construídos dois ambientes centrais com características dimensionais e de envolvente equivalentes, constituindo os ambientes monitorados no processo, sendo um, na condição natural, referencial, sem renovação de ar, e o outro, com renovação de ar. Na parte experimental, o ar foi captado do ambiente externo e insuflado por um ventilador nos dutos enterrados, renovou o ar no interior deste último ambiente. Com ajuda de um fan-coil, colocado neste ambiente, o ar renovado trocou calor com a água. Por questões de dificuldades operacionais, o bombeamento de água funcionou por um período muito curto. Durante o experimento, que se desenvolveu por todo o ano de 2007, foram monitoradas e registradas, além da temperatura do solo e da água, a temperatura e a umidade: do ar externo, do ar nos ambientes internos e do ar em escoamento nos dutos enterrados, bem como a velocidade de escoamento nos mesmos. Resultados: De forma geral, o potencial do solo para aquecer foi maior do que o de resfriamento do ar injetado nos dutos enterrados. O potencial de aquecimento foi mais destacado nos meses de maio, junho, julho e agosto, e se mostrou maior que 3K. Para profundidades entre 2 e 3m, estima-se que o potencial possa ser superior a 8K. Por outro lado, o potencial de resfriamento foi maior nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro, mas foi baixo para pequenas profundidades (menos de um metro). Para resfriamento, este potencial pode chegar a 4K. Contribuições da pesquisa: Face aos resultados da pesquisa, diversas foram as suas contribuições, dentre as quais se destacam: a construção de um banco de dados experimentais sobre as propriedades e características do solo (índices físicos, difusividade térmica, capacidade térmica volumétrica, condutividade térmica, temperatura e umidade) e do ar ambiente (temperatura e umidade) para o município de Viamão, localizado na região sul do Brasil, e que pode ser usado para a continuidade desta pesquisa ou para a elaboração de novas pesquisas e projetos; e o desenvolvimento de uma metodologia para a modelagem computacional de trocadores de calor solo-ar, validada através dos dados experimentais citados acima, possibilitando, assim, o emprego deste procedimento numérico, para a elaboração de projetos ou novas pesquisas nesta área. / Purpose: The development of the present work, comprising the area of heat transfer and fluids mechanics involved analytical, numerical computational and experimental (in field environment) methods, with the purpose of analyzing the use of earth-to-air heat exchanger, as a strategy to reduce conventional energy consumption, for the heating or cooling of built environments. Thus, one of the study purposes was to evaluate, based on experimental results, the earth performance as an energy reservoir, derived from solar radiation incidence on the surface of the ground. We aimed, then, at identifying favorable parameters, procedures and conditions involving this strategy. The other study purpose was, using the GAMBIT and FLUENT softwares, computationally modeling the air flow in the earth-to-air heat exchanger. Method: The experimental and numerical study was preceded by the construction of a building, specially planned for the research, called Casa Ventura. As a follow-up, ducts were buried on the ground, to conduct external air and water (the latter one for a limited period) to the internal environment of the house. In terms of air conduction, the earth would work as an energy reservoir, heating or cooling the air. Concerning the water conduction, planned to use a duct of low thermal conductivity, the earth would only work as a protector from solar radiation, to preserve the water thermal characteristics, when flowing from the water reservoir, where it would be taken from, to the inside of the house. At Casa Ventura two central environments were built with similar dimensional and envelope characteristics, constituting the environments monitored in the process, in which, one in the natural and referential condition, without air renovation, and the other, with air renovation. In the experimental part, the air was captured from the external environment and inflated by a fan in the buried ducts, and it renovated the air inside this latter environment. With the help of a fan-coil, placed in this environment, the renovated air exchanged heat with the water flowing through the ducts. Due to some operational difficulties, the pumping of water lasted for a very short period. During the experiment, which lasted through the whole year of 2007, besides the water and earth temperature, the temperature and humidity of the following were also monitored and registered: the external air, the air in the internal environments and the air flowing in the buried ducts, as well as the flowing speed of the different fluids. Results: In a general way, the earth potential to heat was higher than the cooling of air injected in the buried ducts. The heating potential was higher in the months of May, June, July and August, doing so by more 3K. For depths between 2 and 3m, it is estimated that the potential might be over 8K. On the other hand, the potential for cooling was higher in the months of January, February and December, but it was low for low depths (less than a meter). For cooling, this potential may reach 4K. Research contributions: Considering the research results, several were the contributions, among which we highlight: the construction of an experimental database on the earth properties and characteristics (physical indexes, thermal diffusivity, volumetric heat capacity, thermal conductivity, temperature and humidity) and the environmental characteristics of the air (temperature and humidity) for the city of Viamão, located in Southern Brazil, and that may be used for the continuation of this research or for the elaboration of new researches and projects; and the development of a methodology for computational modeling of earth-to-air heat exchangers, validated through the experimental data mentioned before, enabling, therefore, the use of this numerical procedure for the elaboration of projects or new researches in this area.

Objetivos: Este trabalho, abrangendo a área da transferência de calor e da mecânica dos fluidos, em seu desenvolvimento envolveu métodos analíticos, numéricos computacionais e experimentais (em ambiente de campo), com a finalidade de analisar o uso de trocadores de calor solo-ar, como estratégia para diminuir o consumo de energia convencional, no aquecimento ou resfriamento de ambientes construídos. Assim, um dos objetivos do estudo foi avaliar, com base em resultados experimentais, a performance do solo como um reservatório de energia, derivada da radiação solar. Buscou-se, pois, identificar parâmetros, procedimentos e condições favoráveis envolvendo esta estratégia. O outro objetivo do estudo foi, usando os softwares GAMBIT e FLUENT, modelar computacionalmente o escoamento do ar no trocador de calor solo-ar. Método: O estudo experimental e numérico foi precedido pela construção de uma edificação, especificamente concebida para a pesquisa, identificada como Casa Ventura. Em continuidade, foram enterrados dutos no solo, que conduziriam ar exterior e água (esta última por um período limitado) ao ambiente interno. No caso da condução de ar, o solo funcionaria como um reservatório de energia, aquecendo ou resfriando a ar. Já, no caso da condução de água, prevista com duto de baixa condutividade térmica, o solo funcionaria apenas como um protetor à radiação solar, para preservar as características térmicas da água, desde um reservatório, de onde a mesma era bombeada, até o interior da casa. Na Casa Ventura foram construídos dois ambientes centrais com características dimensionais e de envolvente equivalentes, constituindo os ambientes monitorados no processo, sendo um, na condição natural, referencial, sem renovação de ar, e o outro, com renovação de ar. Na parte experimental, o ar foi captado do ambiente externo e insuflado por um ventilador nos dutos enterrados, renovou o ar no interior deste último ambiente. Com ajuda de um fan-coil, colocado neste ambiente, o ar renovado trocou calor com a água. Por questões de dificuldades operacionais, o bombeamento de água funcionou por um período muito curto. Durante o experimento, que se desenvolveu por todo o ano de 2007, foram monitoradas e registradas, além da temperatura do solo e da água, a temperatura e a umidade: do ar externo, do ar nos ambientes internos e do ar em escoamento nos dutos enterrados, bem como a velocidade de escoamento nos mesmos. Resultados: De forma geral, o potencial do solo para aquecer foi maior do que o de resfriamento do ar injetado nos dutos enterrados. O potencial de aquecimento foi mais destacado nos meses de maio, junho, julho e agosto, e se mostrou maior que 3K. Para profundidades entre 2 e 3m, estima-se que o potencial possa ser superior a 8K. Por outro lado, o potencial de resfriamento foi maior nos meses de janeiro, fevereiro e dezembro, mas foi baixo para pequenas profundidades (menos de um metro). Para resfriamento, este potencial pode chegar a 4K. Contribuições da pesquisa: Face aos resultados da pesquisa, diversas foram as suas contribuições, dentre as quais se destacam: a construção de um banco de dados experimentais sobre as propriedades e características do solo (índices físicos, difusividade térmica, capacidade térmica volumétrica, condutividade térmica, temperatura e umidade) e do ar ambiente (temperatura e umidade) para o município de Viamão, localizado na região sul do Brasil, e que pode ser usado para a continuidade desta pesquisa ou para a elaboração de novas pesquisas e projetos; e o desenvolvimento de uma metodologia para a modelagem computacional de trocadores de calor solo-ar, validada através dos dados experimentais citados acima, possibilitando, assim, o emprego deste procedimento numérico, para a elaboração de projetos ou novas pesquisas nesta área. / Purpose: The development of the present work, comprising the area of heat transfer and fluids mechanics involved analytical, numerical computational and experimental (in field environment) methods, with the purpose of analyzing the use of earth-to-air heat exchanger, as a strategy to reduce conventional energy consumption, for the heating or cooling of built environments. Thus, one of the study purposes was to evaluate, based on experimental results, the earth performance as an energy reservoir, derived from solar radiation incidence on the surface of the ground. We aimed, then, at identifying favorable parameters, procedures and conditions involving this strategy. The other study purpose was, using the GAMBIT and FLUENT softwares, computationally modeling the air flow in the earth-to-air heat exchanger. Method: The experimental and numerical study was preceded by the construction of a building, specially planned for the research, called Casa Ventura. As a follow-up, ducts were buried on the ground, to conduct external air and water (the latter one for a limited period) to the internal environment of the house. In terms of air conduction, the earth would work as an energy reservoir, heating or cooling the air. Concerning the water conduction, planned to use a duct of low thermal conductivity, the earth would only work as a protector from solar radiation, to preserve the water thermal characteristics, when flowing from the water reservoir, where it would be taken from, to the inside of the house. At Casa Ventura two central environments were built with similar dimensional and envelope characteristics, constituting the environments monitored in the process, in which, one in the natural and referential condition, without air renovation, and the other, with air renovation. In the experimental part, the air was captured from the external environment and inflated by a fan in the buried ducts, and it renovated the air inside this latter environment. With the help of a fan-coil, placed in this environment, the renovated air exchanged heat with the water flowing through the ducts. Due to some operational difficulties, the pumping of water lasted for a very short period. During the experiment, which lasted through the whole year of 2007, besides the water and earth temperature, the temperature and humidity of the following were also monitored and registered: the external air, the air in the internal environments and the air flowing in the buried ducts, as well as the flowing speed of the different fluids. Results: In a general way, the earth potential to heat was higher than the cooling of air injected in the buried ducts. The heating potential was higher in the months of May, June, July and August, doing so by more 3K. For depths between 2 and 3m, it is estimated that the potential might be over 8K. On the other hand, the potential for cooling was higher in the months of January, February and December, but it was low for low depths (less than a meter). For cooling, this potential may reach 4K. Research contributions: Considering the research results, several were the contributions, among which we highlight: the construction of an experimental database on the earth properties and characteristics (physical indexes, thermal diffusivity, volumetric heat capacity, thermal conductivity, temperature and humidity) and the environmental characteristics of the air (temperature and humidity) for the city of Viamão, located in Southern Brazil, and that may be used for the continuation of this research or for the elaboration of new researches and projects; and the development of a methodology for computational modeling of earth-to-air heat exchangers, validated through the experimental data mentioned before, enabling, therefore, the use of this numerical procedure for the elaboration of projects or new researches in this area.

Cette thèse porte sur l’analyse thermique et énergétique d’une fondation géothermique ventilée. A l’instar des échangeurs air-sol classiques (EAHE), celle-ci permet de rafraichir ou préchauffer selon la saison l’air destiné au renouvellement sanitaire des bâtiments. Face aux contraintes de rationalisation des consommations et aux exigences de confort thermique croissantes, ces systèmes passifs apparaissent comme étant prometteurs. Le principe de cette fondation est simple et similaire à celui des EAHE : faire circuler de l’air dans une conduite enterrée dans le sol (un à trois mètres) pour qu’il bénéficie - via convection - de l’inertie thermique du sol. La différence réside dans le fait que le canal dans lequel circule l’air n’est pas un tube en PVC ou aluminium mais fait partie intégrante de la structure du bâtiment, à savoir la fondation en béton armé. Ceci présente comme avantage majeur le gain de place lié à l’espace requis pour l’enfouissement des tuyaux. D’un point de vue thermique, la fondation échange non seulement de la chaleur avec le sol exposé aux sollicitations météorologiques mais aussi, et simultanément, aux sollicitations venant du bâtiment. De plus, la profondeur de la fondation – imposée par des raisons structurelles et économiques – est moindre que pour un EAHE traditionnel. Additionné au fait que le béton est poreux, la présence d’humidité peut fortement influencer la performance thermique de la fondation. Le présent travail propose donc d’étudier le comportement thermique complexe de cette fondation par deux approches. La première est expérimentale : un EHPAD équipé de deux fondations a été lourdement instrumenté et des données ont été accumulées sur plus d’un an. L’autre est numérique : deux modèles validés par comparaison avec les données expérimentales ont été développés. Le premier a vocation d’outil de dimensionnement, l’autre de compréhension fine des phénomènes physiques et prends en compte les transferts couplés de chaleur et de masse. / This thesis deals with the thermal and energy analysis of a geothermal ventilated fonudation. Similarly to earth-to-air heat exchangers (EAHE) this foundation enables, according to the season, to preheat or to cool down the air for the hygienic air change. Considering the energy consumption constraints and the buildings users thermal comfort desire, these systems appears to be relevant. The principle of this foundation is simple: to force the air to circulate in a hollowed beam buried into the ground (1 to 3m depth) so that it takes advantage - via convection - to the thermal inertia of the ground. The difference lays on the fact that the channel is not a plastic or aluminium pipe but it a part of the building structure, namely the reinforced concrete foundation. This induces a significant space gain, usually devoted to the pipe burying. From a thermal point of view, the foundation exchanges heat with both the soil beneath the building, and with the soil exposed to the weather thermal loads. Furthermore, the depth - imposed by structural and economical purposees - is lower than that of traditional EAHE. In addition to the fact that concrete is a porous material, the humidity content may strongly influence the thermal performance of the foundation. The current work thus proposes to study the complex thermal behaviour of this foundation in two ways. The first is experimental: an retirement home equipped with two foundation has been intensively instrumented and data recorded over more than one year. The other is numerical: two models validated against the experimental data have been developed. The first is intended to be a designing tool, the second a tool to allow a fine comprehension of the physical phenomenon and take into account coupled heat and moisture transfers.