Study on the application of cool paintings for the passive cooling of existing buildings in Mediterranean climates

Building roofs play a very important role in the energy balance of buildings, especially in summer, when they are hit by a rather high solar irradiance. Depending on the type of finishing layer, roofs can absorb a great amount of heat and reach quite high temperatures on their outermost surface, which determines significant room overheating. However, the use of highly reflective cool materials can help to maintain low outer surface temperatures; this practice may improve indoor thermal comfort and reduce the cooling energy need during the hot season.This technology is currently well known and widely used in the USA, while receiving increasing attention in Europe. In order to investigate the effectiveness of cool roofs as a passive strategy for passive cooling in moderately hot climates, this paper presents the numerical results of a case study based on the dynamic thermal analysis of an existing office building in Catania (southern Italy, Mediterranean area). The results show how the application of a cool paint on the roof can enhance the thermal comfort of the occupants by reducing the operative temperatures of the rooms and to reduce the overall energy needs of the building for space heating and cooling.

Energy savings in buildings or UHI mitigation? Comparison between green roofs and cool roofs

The intensification of the Urban Heat Island effect (UHI) is a problem that involves several fields, and new adequate solutions are required to mitigate its amplitude. The construction sector is strictly related with this phenomenon; in particular, roofs are the envelope components subject to the highest solar irradiance, hence any mitigation strategy should start from them and involve their appropriate design process. For this purpose, cool materials, i.e. materials which are able to reflect a large amount of solar radiation and avoid overheating of building surfaces have been deeply analyzed in the last years both at building and urban scales, showing their benefits especially in hot climates. However, green roofs also represent a possible way to cope with UHI, even if their design is not straightforward and requires taking into account many variables, strictly related with the local climatic conditions. In this context, the present paper proposes a comparison between cool roofs and green roofs for several Italian cities that are representative of different climatic conditions. In search of the most effective solution, the answers may be different depending on the perspective that leads the comparison, i.e. the need to reduce the energy consumption in buildings or the desire to minimize the contribution of the UHI effect.

Proper evaluation of the external convective heat transfer for the thermal analysis of cool roofs

Cool materials are characterized by high solar reflectance and high thermal emittance; when applied to the external surface of a roof, they make it possible to limit the amount of solar irradiance absorbed by the roof, and to increase the rate of heat flux emitted by irradiation to the environment, especially during nighttime. However, a roof also releases heat by convection on its external surface; this mechanism is not negligible, and an incorrect evaluation of its entity might introduce significant inaccuracy in the assessment of the thermal performance of a cool roof, in terms of surface temperature and rate of heat flux transferred to the indoors. This issue is particularly relevant in numerical simulations, which are essential in the design stage, therefore it deserves adequate attention. In the present paper, a review of the most common algorithms used for the calculation of the convective heat transfer coefficient due to wind on horizontal building surfaces is presented. Then, with reference to a case study in Italy, the simulated results are compared to the outcomes of a measurement campaign. Hence, the most appropriate algorithms for the convective coefficient are identified, and the errors deriving by an incorrect selection of this coefficient are discussed.

Modeling study of the aspect ratio influence on urban canopy energy fluxes with a modified wall-canyon energy budget scheme

The influence of the aspect ratio (building height/street canyon width) and the mean building height of cities on local energy fluxes and temperatures is studied by means of an Urban Canopy Model (UCM) coupled with a one-dimensional second-order turbulence closure model. The UCM presented is similar to the Town Energy Balance (TEB) model in most of its features but differs in a few important aspects. In particular, the street canyon walls are treated separately which leads to a different budget of radiation within the street canyon walls. The UCM has been calibrated using observations of incoming global and diffuse solar radiation, incoming long-wave radiation and air temperature at a site in So Paulo, Brazil. Sensitivity studies with various aspect ratios have been performed to assess their impact on urban temperatures and energy fluxes at the top of the canopy layer. In these simulations, it is assumed that the anthropogenic heat flux and latent heat fluxes are negligible. Results show that the simulated net radiation and sensible heat fluxes at the top of the canopy decrease and the stored heat increases as the aspect ratio increases. The simulated air temperature follows the behavior of the sensible heat flux. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evaluation of a PVT Air Collector

Hybrid Photovoltaic Thermal (PVT) collectors are an emerging technology that combines PV and solar thermal systems in a single solar collector producing heat and electricity simultaneously. The focus of this thesis work is to evaluate the performance of unglazed open loop PVT air system integrated on a garage roof in Borlänge. As it is thought to have a significant potential for preheating ventilation of the building and improving the PV modules electrical efficiency. The performance evaluation is important to optimize the cooling strategy of the collector in order to enhance its electrical efficiency and maximize the production of thermal energy. The evaluation process involves monitoring the electrical and thermal energies for a certain period of time and investigating the cooling effect on the performance through controlling the air mass flow provided by a variable speed fan connected to the collector by an air distribution duct. The distribution duct transfers the heated outlet air from the collector to inside the building. The PVT air collector consists of 34 Solibro CIGS type PV modules (115 Wp for each module) which are roof integrated and have replaced the traditional roof material. The collector is oriented toward the south-west with a tilt of 29 ᵒ. The collector consists of 17 parallel air ducts formed between the PV modules and the insulated roof surface. Each air duct has a depth of 0.05 m, length of 2.38 m and width of 2.38 m. The air ducts are connected to each other through holes. The monitoring system is based on using T-type thermocouples to measure the relevant temperatures, air sensor to measure the air mass flow. These parameters are needed to calculate the thermal energy. The monitoring system contains also voltage dividers to measure the PV modules voltage and shunt resistance to measure the PV current, and AC energy meters which are needed to calculate the produced electrical energy. All signals recorded from the thermocouples, voltage dividers and shunt resistances are connected to data loggers. The strategy of cooling in this work was based on switching the fan on, only when the difference between the air duct temperature (under the middle of top of PV column) and the room temperature becomes higher than 5 °C. This strategy was effective in term of avoiding high electrical consumption by the fan, and it is recommended for further development. The temperature difference of 5 °C is the minimum value to compensate the heat losses in the collecting duct and distribution duct. The PVT air collector has an area of (Ac=32 m2), and air mass flow of 0.002 kg/s m2. The nominal output power of the collector is 4 kWppv (34 CIGS modules with 115 Wppvfor each module). The collector produces thermal output energy of 6.88 kWth/day (0.21 kWth/m2 day) and an electrical output energy of 13.46 kWhel/day (0.42 kWhel/m2 day) with cooling case. The PVT air collector has a daily thermal energy yield of 1.72 kWhth/kWppv, and a daily PV electrical energy yield of 3.36 kWhel /kWppv. The fan energy requirement in this case was 0.18 kWh/day which is very small compared to the electrical energy generated by the PV collector. The obtained thermal efficiency was 8 % which is small compared to the results reported in literature for PVT air collectors. The small thermal efficiency was due to small operating air mass flow. Therefore, the study suggests increasing the air mass flow by a factor of 25. The electrical efficiency was fluctuating around 14 %, which is higher than the theoretical efficiency of the PV modules, and this discrepancy was due to the poor method of recording the solar irradiance in the location. Due to shading effect, it was better to use more than one pyranometer.

Estimativa do balanço térmico por radiação em vacas Holandesas expostas ao sol e à sombra em ambiente tropical

É apresentado um método para a estimativa do balanço térmico por radiação em vacas da raça Holandesa expostas ao sol e sob a sombra em uma pastagem, com o objetivo de estabelecer um padrão morfológico mais adequado para esses animais em região tropical. O método envolve a determinação das características do pelame (área de superfície de malhas negras, espessura da capa, comprimento e diâmetro dos pêlos, número de pêlos por unidade de área), temperatura da superfície da capa e da epiderme e variáveis ambientais (irradiância solar, temperatura do ar e de globo, vento). Foi determinada a quantidade de radiação de ondas curtas efetivamente transmitida através do pelame e que atinge as camadas profundas da epiderme. Demonstrou-se, por intermédio de um exemplo prático, que as áreas de pelame negro apresentaram balanço radiante mais elevado que as áreas brancas, mas estas últimas possuiam maior transmissividade para a radiação de ondas curtas. Animais predominantemente negros foram melhor protegidos contra a radiação de ondas curtas que os predominantemente brancos, especialmente quando a capa de pelame é pouco espessa (até 4 a 7 mm), mais adequada para ambientes tropicais.

Taxa de absorção atmosférica sobre as cidades de Botucatu-SP e Rio de Janeiro-RJ

O segundo satélite da Missão Espacial Completa Brasileira (SCD2/MECB) foi colocado em órbita em 23 de Outubro de 1998 e carrega a bordo um experimento de células solares. Célula solar de silício é um dispositivo semicondutor, que pode medir a intensidade da radiação visível e parte da radiação infravermelha (400-1100 nm). O experimento permite medir simultaneamente a insolação direta e parte da radiação solar que é refletida pela Terra para o espaço. Os dados do experimento célula solar são transmitidos em tempo real pela telemetria do satélite e recebidos pela estação terrestre em Cuiabá, MT-Brasil (16°S; 56°W). Este fato limita a cobertura espacial para um círculo sobre a América do Sul. O albedo planetário é obtido dentro desta cobertura e seus valores podem ser agrupados em períodos temporais (anual, sazonal ou mensal), ou podem ser estudados para várias localizações (latitude e longitude) durante a vida do satélite. O coeficiente de transmissão atmosférica ou índice de claridade (Kt), medido em estações meteorológicas na superfície da Terra, junto com o valor medido simultaneamente do albedo planetário, permite calcular o coeficiente de absorção atmosférica (Ka). O método desenvolvido neste trabalho para avaliar Ka considera que o albedo planetário é composto por duas partes: uma refletividade local e uma refletividade não local. Considerando este novo conceito, é definida uma taxa de absorção atmosférica (denominada Ra) que é a razão entre Ka e a potência de irradiância solar líquida, que não atravessou a atmosfera (100%-Kt). A taxa de absorção atmosférica assim definida é independente da cobertura de nuvens. O histograma de freqüência de Ra mostra os valores de 0,86±0,07 e 0,88±0,09 sobre as cidades de Botucatu-SP e do Rio de Janeiro-RJ, durante os anos de 1999 até 2006, respectivamente.

Albedo e estimativas do saldo de radiação em feijão-vagem sob cobertura de plástico e ambiente externo

Este trabalho objetivou determinar o albedo (r) no espectro solar e estimar o saldo de radiação, em ambientes cultivados com feijão-vagem (Phaseolus vulgaris L.), em condições de campo e em casa de vegetação com cobertura de polietileno, em Botucatu, SP, (22º 54' S; 48º 27' W; 850 m). A irradiância solar global (Rg) e a radiação solar refletida (Rr) foram utilizadas na determinação do albedo através da razão entre Rr e Rg. Curvas diurnas de r foram traçadas para dias com céu parcialmente nublado e claro, em fases fenológicas da cultura. Os valores do albedo diurno, obtidos através dos totais de radiações, foram utilizados para analisar a variação desse índice durante o ciclo da cultura, nos dois ambientes. O albedo variou com a elevação solar, o ambiente e as fases fenológicas da cultura. A variação de nebulosidade praticamente não influiu sobre o albedo, para totais diurnos. As estimativas do saldo de radiação nas fases vegetativa, reprodutiva e no ciclo da cultura, foram realizadas por meio de regressões lineares simples, tendo como variáveis independentes a irradiância solar global (Rg) e o saldo de radiação de ondas curtas (Rc). Todas as estimativas de radiações apresentaram um melhor ajustamento para fases fenológicas que para o ciclo como um todo. O saldo de radiação (Rn), em condições de campo, ficou bem estimado pela irradiância solar global e o saldo de ondas curtas. O saldo de radiação interno (RnI) à casa de vegetação mostrou-se satisfatoriamente estimado pela irradiância global externa (RgE).

Relações radiométricas no terço superior da copa de cafeeiro

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Variação sazonal de clorofilas em folhas de Tabebuia avellanedae e Anadenanthera colubrina

The experiment had the aim of quantifying seasonal chlorophyll variation on leaves of Anadenanthera colubrina and Tabebuia avellanedae. The experiment used a randomized block design established as a 2 x 3 factorial (two species and three sampling seasons) with 5 replications. The concentrations of chlorophyll in leaves were performed at the end of winter, late spring, and summer. The content of chlorophyll a changed only for A. colubrina, bringing up from spring (117.52 mu g mL(-1)) to summer (151.13 mu g mL(-1)). For the two species, the proportion of chlorophyll b was higher between periods at the end of spring (average of 29.31 mu g mL(-1)) to the end of summer (average of 74.96 mu g mL(-1)) with close relationship with the decrease in global solar irradiance. The chlorophyll a/b relationship increased in late spring due to reduction of chlorophyll b content. A. colubrina showed greater adaptation to the studied environment.

Caracterização do saldo de radiação em ambiente protegido e a campo de seus efeitos sobre as necessidades hídricas do cravo-de-defunto (Tagetes sp.)

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Parâmetros agrometeorológicos de cultura de pimentão (Capsicum annuum L.) em ambientes protegido e campo

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Determinação do consumo de água em cultura de pimentão (Capsicum annuum L.) em ambiente protegido

Pós-graduação em Agronomia (Energia na Agricultura) - FCA

Balanço de radiação de ondas longas em ambiente protegido e avaliação de modelos de estimativa

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Mecanismos de controle da variação sazonal da transpiração de uma floresta tropical no Nordeste da Amazônia

No presente trabalho foram estudadas a variação sazonal da transpiração, de uma floresta tropical, e sua dependência com fatores bióticos e abióticos. Utilizaram-se dados do projeto CARBOPARÁ, parte integrante do Experimento de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera na Amazônia (LBA), coletados na reserva florestal de Caxiuanã, região nordeste da Amazônia. A evapotranspiração total num intervalo de 39 dias para o período chuvoso foi 108,2 mm, com valor médio de 2,9 mm dia^-1, enquanto, durante o período menos chuvoso, a evapotranspiração total num intervalo de 29 dias foi 128,8 mm, com média de 4,3 mm dia^-1 para o período. Os valores máximos da condutividade de superfície (Cs), nos dois períodos, ocorreram às 08:00 hl, sendo estes valores de 0,060 m s^-1 e 0,045 m s^-1 para o período chuvoso e menos chuvoso, respectivamente. A condutância aerodinâmica média (Ca) foi 0,164 m s^-1 e 0,210 m s^-1, para os períodos chuvoso e menos chuvoso, respectivamente. Os valores máximos da Ca observados para os períodos chuvoso e menos chuvoso foram, respectivamente, 0,220 e 0,375 m s^-1. Verificou-se que Cs guarda uma relação exponencial inversa com o déficit de vapor de água atmosférico, para diferentes intervalos de irradiância solar global. A análise horária do fator de desacoplamento sugere que a evapotranspiração, durante a manhã, tem um maior controle realizado pela disponibilidade de energia, quando comparado ao período menos chuvoso. Durante a tarde verifica-se que o dossel da floresta progressivamente tende a estar mais acoplado à atmosfera, para ambos os períodos estudados, demonstrando maior controle superficial na transpiração.