Surrogate-based analysis and optimization for the design of heat sinks with jet impingement

Heat sinks are widely used for cooling electronic devices and systems. Their thermal performance is usually determined by the material, shape, and size of the heat sink. With the assistance of computational fluid dynamics (CFD) and surrogate-based optimization, heat sinks can be designed and optimized to achieve a high level of performance. In this paper, the design and optimization of a plate-fin-type heat sink cooled by impingement jet is presented. The flow and thermal fields are simulated using the CFD simulation; the thermal resistance of the heat sink is then estimated. A Kriging surrogate model is developed to approximate the objective function (thermal resistance) as a function of design variables. Surrogate-based optimization is implemented by adaptively adding infill points based on an integrated strategy of the minimum value, the maximum mean square error approach, and the expected improvement approaches. The results show the influence of design variables on the thermal resistance and give the optimal heat sink with lowest thermal resistance for given jet impingement conditions. 

Automatic extraction of reduced-order models from CFD simulations for building energy modelling

Accurate modelling of the internal climate of buildings is essential if Building Energy Management Systems (BEMS) are to efficiently maintain adequate thermal comfort. Computational fluid dynamics (CFD) models are usually utilised to predict internal climate. Nevertheless CFD models, although providing the necessary level of accuracy, are highly computationally expensive, and cannot practically be integrated in BEMS. This paper presents and describes validation of a CFD-ROM method for real-time simulations of building thermal performance. The CFD-ROM method involves the automatic extraction and solution of reduced order models (ROMs) from validated CFD simulations. ROMs are shown to be adequately accurate with a total error below 5% and to retain satisfactory representation of the phenomena modelled. Each ROM has a time to solution under 20seconds, which opens the potential of their integration with BEMS, giving real-time physics-based building energy modelling. A parameter study was conducted to investigate the applicability of the extracted ROM to initial boundary conditions different from those from which it was extracted. The results show that the ROMs retained satisfactory total errors when the initial conditions in the room were varied by ±5°C. This allows the production of a finite number of ROMs with the ability to rapidly model many possible scenarios.

Investigation of heat exchanger inclination in forced-draught air-cooled heat exchangers

The purpose of this study is to determine the influence of inclining the heat exchanger relative to the fan in a forced draught air-cooled heat exchanger. Since inclination increases plenum depth, the effect of inclination is also compared with increasing plenum depth without inclination. The experimental study shows that inclination improves thermal performance by only 0.5%, when compared with a baseline non-inclined case with a shallow plenum. Similarly, increasing plenum depth without inclination has a thermal performance benefit of approximately 1%. The numerical study shows that, as the heat exchanger is inclined, the low velocity core at the centre of the heat exchanger moves to one side.

Uso da termografia na deteção de avarias

A civilização contemporânea, pelas suas características, é muito exigente em tudo o que diz respeito ao conforto dos edifícios, para trabalho ou habitação, e à necessidade de economizar e racionalizar o uso de energia. A térmica dos edifícios assume, por isso, uma importância acrescida na atividade profissional e no ensino. Para se conduzir ao aperfeiçoamento de soluções na envolvente dos edifícios a este nível, o trabalho aqui realizado centrou-se no estudo do funcionamento da termografia de infravermelhos e da importância da sua utilização na inspeção térmica de edifícios. Descoberta no início do século XIX e desenvolvendo os primeiros sistemas operativos desde a 1ª Guerra Mundial, a fim de determinar heterogeneidades de temperatura superficial, esta técnica não destrutiva permite identificar anomalias que não são visualizadas a olho nu. Com a análise dessas variações de temperatura é possível conhecer os problemas e a localização de irregularidades. Este trabalho baseia-se substancialmente no estudo de edifícios. A análise realizada teve como finalidade executar inspeções termográficas – visuais, com duas abordagens. Por um lado, avaliar salas pertencentes a estabelecimentos de ensino secundário, reabilitadas e não reabilitadas, todas construídas entre as décadas de 60 e 90, com o intuito de diagnosticar patologias construtivas, recorrendo à termografia. Por outro, a análise de edifícios de habitação, com a intenção de avaliar a necessidade de um equipamento complementar às inspeções termográficas – o sistema de porta ventiladora. As inspeções foram regidas pelas diretrizes da norma europeia EN 13187. A termografia é uma técnica importante na realização de ensaios in situ que requerem rapidez de execução, aliada à vantagem de disponibilizar resultados em tempo real, permitindo assim uma primeira análise das leituras no local. A inspeção termográfica complementada com o sistema de porta ventiladora permitiu, também, revelar a importância da necessidade de meios auxiliares em certos casos. A conjugação destas diferentes técnicas permite reduzir a subjetividade da análise in situ e aumentar a fiabilidade do diagnóstico.

Avaliação e Otimização Energética das Fornalhas da Fábrica de Aromáticos

O consumo energético verificado nas refinarias petrolíferas é muito elevado, sendo as fornalhas os equipamentos que mais contribuem para esse consumo. Neste estudo foi efetuada uma avaliação e otimização energética às fornalhas da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos. Numa primeira fase foi efetuado um levantamento exaustivo de dados de todas as correntes de entrada e saída dos equipamentos para posteriormente efetuar os balanços de massa e energia a cada uma das fornalhas. Os dados relativos ao levantamento compreenderam dois períodos de funcionamento distintos da unidade fabril, o período de funcionamento normal e o período relativo ao arranque. O período de funcionamento normal foi relativo ao ano de 2012 entre os meses de janeiro a setembro, por sua vez o período de arranque foi de dezembro de 2012 a março de 2013. Na segunda fase foram realizados os balanços de massa e energia quantificando todas as correntes de entrada e saída das fornalhas em termos mássicos e energéticos permitindo o cálculo do rendimento térmico das fornalhas para avaliar a sua performance. A avaliação energética permitiu concluir que existe um consumo maior de energia proveniente da combustão do Fuel Gás do que do Fuel Óleo, tanto no período de funcionamento normal como no arranque. As fornalhas H0101, H0301 e a H0471 possuem os consumos mais elevados, sendo responsáveis por mais de 70% do consumo da Fábrica de Aromáticos. Na terceira fase foram enunciadas duas medidas para a otimização energética das três fornalhas mais consumidoras de energia, a limpeza mensal e o uso exclusivo de Fuel Gás como combustível. As poupanças energéticas obtidas para uma limpeza mensal foram de 0,3% na fornalha H0101, 0,7% na fornalha H0301 e uma poupança de 0,9 % na fornalha H0471. Para o uso exclusivo de Fuel Gás obteve-se uma poupança de 0,9% na fornalha H0101 e uma poupança de 1,3% nas fornalhas H0301 e H0471. A análise económica efetuada à sugestão de alteração do combustível mostra que os custos de operação sofrerão um aumento anual de 621 679 €. Apesar do aumento dos custos, a redução na emissão de 24% de dióxido de carbono, poderá justificar este aumento na despesa.

Auditorias energéticas – definição de um plano de ação para edifícios de serviços

O setor dos edifícios representa perto de 40% do consumo de energia final na Europa e cerca de 30% no caso de Portugal [1]. Para fazer face a esta situação foi elaborada e aprovada uma Diretiva Europeia Relativa ao Desempenho Energético dos Edifícios, que foi transposta a nível nacional através de um pacote legislativo assente em três pilares, nomeadamente o Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior (SCE), o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios (RSECE) e o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE). Atuando ao nível da eficiência energética o consumo de energia nos edifícios pode diminuir para metade, para tal é necessário proceder-se à execução de auditorias energéticas para poder determinar as soluções mais adequadas de forma a reduzir os desperdícios e custos associados ao consumo de energia. Nesta dissertação desenvolveu-se uma metodologia para a realização de auditorias energéticas em edifícios que assenta essencialmente em cinco etapas, nomeadamente: o planeamento, a análise do estado atual, o planeamento estratégico, a elaboração de relatório e a implementação de medidas com acompanhamento de resultados. A aplicação desta metodologia constitui uma grande ajuda na realização de auditorias energéticas conferindo uma maior qualidade à sua execução. De forma a validar a metodologia efetuada foi realizado o estudo de três casos práticos relativos a três agências bancárias (denominadas de A, B e C), em que duas delas pertencem a um projeto de eficiência energética que engloba 50 agências e uma outra que pertence a um outro projeto de apenas 3 agências. A metodologia segue a mesma lógica para as três agências, no entanto, em termos de validação, a última instalação baseia-se nos consumos dos dados monitorizados em contínuo.

Reabilitação térmica de fachadas

As fachadas são um elemento da envolvente que faz a interface entre o ambiente exterior e o interior. Do conjunto das suas características mais relevantes, existe uma, cuja importância tem vindo a aumentar devido à conjuntura ambiental e económica atual: o desempenho energético. Assim, é importante analisar as características do comportamento térmico dos elementos da fachada, com base na respetiva regulamentação em vigor (REH – D.L. n.º 118/2013 de 20 de Agosto) e analisar o contributo da sua eventual reabilitação para uma melhor qualidade térmica da fachada e por consequente uma melhor qualidade de conforto dos utentes do edificio, não desprezando o aspeto arquitetónico do mesmo. Esta monografia baseia-se na análise de casos práticos de diferentes soluções construtivas e avaliação das vantagens e desvantagens dos sistemas propostos, conferindo a possibilidade de optar pelo sistema mais eficaz de acordo com as necessidades exigidas. Assim, e com base no principal objetivo, que é o de melhorar o desempenho térmico das fachadas recorrendo à reabilitação, o enfoque é sobre a redução do consumo energético dos edificios, nomeadamente através do contributo térmico dos elementos das fachadas para a redução das necessidades energéticas por climatização.

Simulação Dinâmica do Centro de Dia e Apoio à Terceira Idade de Leça do Balio

Pela importância que os edifícios têm na utilização de energia, a avaliação do seu desempenho energético é de grande relevância, uma vez que, em grande parte, passa por estes a concretização das metas europeias definidas para 2020, no que concerne à diminuição da utilização de energia. Tendo em conta que os edifícios representam 40% do consumo de energia total, e estando o sector em expansão, esta realidade obriga a uma procura de soluções integradas de arquitetura e engenharia que promovam a sustentabilidade dos edifícios. Foi efetuado um estudo num edifício constituído por dois corpos, um mais antigo que funciona como centro de dia e um mais recente que funciona como lar, localizados no concelho de Matosinhos, onde se identificaram os pontos de maior consumo energético, para os quais foram sugeridas alterações no sentido de baixar os custos com a factura energética. Nesta dissertação foi utilizado um software de simulação dinâmica para avaliação do comportamento térmico do edifício nas condições atuais e, posteriormente, foram simulados outros cenários com alterações ao nível da envolvente térmica dos edifícios e dos seus sistemas técnicos, que permitiram identificar algumas medidas de melhoria de eficiência energética. As medidas de melhoria sugeridas implicam uma redução energética, ao nível do consumo de água quente sanitária, consumo de gás natural e electricidade. De entre essas medidas, e com um payback inferior a 8 anos e meio, destacam-se a instalação de redutores de caudal, a substituição da caldeira e da bomba de recirculação, a instalação de painéis solares térmicos e a redução da quantidade de lâmpadas.

Estudo do comportamento térmico de edifícios de habitação segundo o RCCTE e o REH

Com a melhoria das condições de vida verificada nas últimas décadas em Portugal e no mundo, tem-se assistido a um importante desenvolvimento dos atributos funcionais dos edifícios, onde o conforto térmico assume um papel importante, é nesse sentido que a presente dissertação aborda a área do Desempenho Térmico de Edifícios, mais precisamente os do sector residencial. Esta dissertação dividiu-se em três grandes partes: inicialmente é feito um enquadramento teórico do tema, em seguida faz-se a apresentação das metodologias de cálculo e, por último, a apresentação do caso de estudo e análise dos resultados. Procura-se analisar a situação energética no sector residencial, dando particular ênfase às causas e medidas correctivas a aplicar para evitar o aumento do consumo de energia. Também são abordadas as metodologias presentes na Legislação Portuguesa em vigor, e nas novas propostas que espera-se que entrem em vigor a 1 de Dezembro de 2013. Sendo que o principal objectivo desta dissertação é o estudo da nova proposta legislativa e apresentar um documento que procure efectuar uma comparação detalhada entre o DL 80/2006, de 4 de Abril e o DL 118/20013, de 20 de Agosto e sobretudo referir quais as implicações ao nível das soluções construtivas adoptadas e da certificação energética. Após esta analise, é apresentado um caso de estudo que consiste num edifício de habitação unifamiliar que será alvo da aplicação destes dois documentos. Por último é apresentada uma análise dos resultados comparando a classe energética conseguida pelo edifício através das duas metodologias de cálculo.

Projeto de Térmica: Aplicação do Novo Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação Novos

Neste trabalho estudou-se a nova regulamentação de térmica em edifícios, Decreto-Lei nº 118/2013, dando particular ênfase ao Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Habitação, REH. Para o efeito, aplicou-se a metodologia definida nesta legislação a um edifício de habitação unifamiliar e compararam-se os resultados obtidos com os resultados da ferramenta de cálculo automático elaborada pelo ITEcons. Fizeram-se ainda várias simulações para as diferentes zonas climáticas possíveis e comparou-se também com o mesmo edifício mas admitindo que todas as soluções construtivas são as de referência.

Experimental measurement and numerical simulation of horizontal-coupled slinky ground source heat exchangers

Results from both experimental measurements and 3D numerical simulations of Ground Source Heat Pump systems (GSHP) at a UK climate are presented. Experimental measurements of a horizontal-coupled slinky GSHP were undertaken in Talbot Cottage at Drayton St Leonard site, Oxfordshire, UK. The measured thermophysical properties of in situ soil were used in the CFD model. The thermal performance of slinky heat exchangers for the horizontal-coupled GSHP system for different coil diameters and slinky interval distances was investigated using a validated 3D model. Results from a two month period of monitoring the performance of the GSHP system showed that the COP decreased with the running time. The average COP of the horizontal-coupled GSHP was 2.5. The numerical prediction showed that there was no significant difference in the specific heat extraction of the slinky heat exchanger at different coil diameters. However, the larger the diameter of coil, the higher the heat extraction per meter length of soil. The specific heat extraction also increased, but the heat extraction per meter length of soil decreased with the increase of coil central interval distance.

Numerical study of a M-cycle cross-flow heat exchanger for indirect evaporative cooling

In this paper, numerical analyses of the thermal performance of an indirect evaporative air cooler incorporating a M-cycle cross-flow heat exchanger has been carried out. The numerical model was established from solving the coupled governing equations for heat and mass transfer between the product and working air, using the finite-element method. The model was developed using the EES (Engineering Equation Solver) environment and validated by published experimental data. Correlation between the cooling (wet-bulb) effectiveness, system COP and a number of air flow/exchanger parameters was developed. It is found that lower channel air velocity, lower inlet air relative humidity, and higher working-to-product air ratio yielded higher cooling effectiveness. The recommended average air velocities in dry and wet channels should not be greater than 1.77 m/s and 0.7 m/s, respectively. The optimum flow ratio of working-to-product air for this cooler is 50%. The channel geometric sizes, i.e. channel length and height, also impose significant impact to system performance. Longer channel length and smaller channel height contribute to increase of the system cooling effectiveness but lead to reduced system COP. The recommend channel height is 4 mm and the dimensionless channel length, i.e., ratio of the channel length to height, should be in the range 100 to 300. Numerical study results indicated that this new type of M-cycle heat and mass exchanger can achieve 16.7% higher cooling effectiveness compared with the conventional cross-flow heat and mass exchanger for the indirect evaporative cooler. The model of this kind is new and not yet reported in literatures. The results of the study help with design and performance analyses of such a new type of indirect evaporative air cooler, and in further, help increasing market rating of the technology within building air conditioning sector, which is currently dominated by the conventional compression refrigeration technology.

Wall materials and techniques available for low cost housing in Khartoum from a sustainability point of view

Khartoum like many cities in least developing countries (LDCs) still witnesses huge influx of people. Accommodation of the new comers leads to encroachment on the cultivation land leads to sprawl expansion of Greater Khartoum. The city expanded in diameter from 16.8 km in 1955 to 802.5 km in 1998. Most of this horizontal expansion was residential. In 2008 Khartoum accommodated 29% of the urban population of Sudan. Today Khartoum is considered as one of 43 major cities in Africa that accommodates more than 1 million inhabitants. Most of new comers live in the outskirts of the city e.g. Dar El-Salam and Mayo neighbourhoods. The majority of those new comers built their houses especially the walls from mud, wood, straw and sacks. Selection of building materials usually depends on its price regardless of the environmental impact, quality, thermal performance and life of the material. Most of the time, this results in increasing the cost with variables of impacts over the environment during the life of the building. Therefore, consideration of the environmental impacts, social impacts and economic impacts is crucial in the selection of any building material. Decreasing such impacts could lead to more sustainable housing. Comparing the sustainability of the available wall building materials for low cost housing in Khartoum is carried out through the life cycle assessment (LCA) technique. The purpose of this paper is to compare the most available local building materials for walls for the urban poor of Khartoum from a sustainability point of view by going through the manufacturing of the materials, the use of these materials and then the disposal of the materials after their life comes to an end. Findings reveal that traditional red bricks couldn’t be considered as a sustainable wall building material that will draw the future of the low cost housing in Greater Khartoum. On the other hand, results of the comparison lead to draw attention to the wide range of the soil techniques and to its potentials to be a promising sustainable wall material for urban low cost housing in Khartoum.

Evaluation of Recycled Tiles and OSB Ceiling Materials in Closed Broiler House Prototypes

This study aimed at evaluating the thermal performance of a modular ceiling system for poultry houses. The reduced- and distorted-scale prototypes used ceiling modules made of reforested wood and were covered with recycled long-life package tiles. The following parameters were measured for 21 days: the internal surface temperature (ST), globe temperature and humidity index (WBGT), and radiant heat load (RHL). Measurements were made at times of highest heat load (11:00 am, 13:00 pm, and 03:00 pm). Collected data were analyzed by ""R"" statistics software. Means were compared by multiple comparison test (Tukey) and linear regression was performed, both at 5% significance level. The results showed that the prototype with the ceiling was more efficient to reduce internal tile surface temperature; however, this was not sufficient to provide a comfortable environment for broilers during the growout. Therefore, other techniques to provide proper cooling are required in addition to the ceiling

Design of gas filled solar collectors

With a suitable gas filling used between cover glass and absorber in a flat plate solar collector, it is possible achieving better thermal performance at the same time as the distance betweenabsorber and glass can be reduced. Though, even if there is no vacuum inside the box, there will be potential risks for exhaustion due to stresses depending on the gas volume varies as the temperature varies. This study found out that it is possible build such a collector with less material in the absorber and the tubes and still getting better performance, without risks for exhaustion.