Tranferência de Calor

A transferência de calor ocorre quando existem diferenças de temperatura. A transferência de energia térmica acontece por meio de três processos: condução, convecção ou radiação, como é exemplificado nas Figuras 38a e 38b. A Figura 38a representa a transferência de calor entre o ambiente construído e seus habitantes. A transferência de calor ocorre devido à existência de fontes de calor gerando diferentes temperaturas ou fontes externas transferindo o calor para dentro. Então, surge o fluxo de calor, pois o ar quente se desloca, já que fica mais leve e sobe (LABVIRTUAL, 2010).

Figura 38a: Modos de transferência de calor no ambiente construído: radiação , condução

e convecção no ar. Fonte: KRAUSE, 2007

Figura 38b: Modos de transferência de calor: radiação nas mãos, condução na tenaz e convecção no ar.

Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/

No ambiente construído da arquitetura os três fenômenos de transferência de calor estão apresentados na Figura 38b. A condução ocorre entre o corpo e as superfícies que o corpo tem contato e encosta e através do calor através do material componente de paredes. A condução também é a transferência de calor por contato que ocorre em corpos sólidos de molécula para molécula. A convecção é a troca de calor no ambiente, com a movimentação entre as moléculas. Ocorre entre o corpo e ar que está em contato com o corpo aquecido e ocorre entre a parede e o ar que está em contato direto com parede (KRAUSE, 2007). Quando ocorre o aquecimento de parte no ambiente, as moléculas de ar dessa região ficam mais leves, que as moléculas de ar do ambiente em volta da fonte de calor, criando um fluxo de movimento de baixo para cima. “movimento de ar quente (...) é chamado de transferência de calor por convecção” (LABVIRTUAL, 2010).

A radiação é a maneira como o sol transfere calor para a terra, é a transferência de calor entre o sol e a construção, entre abobada celeste e a construção, entre o corpo e a construção e entre paredes da construção. As transferências por radiação não provocam o movimento de material através do ambiente, mas ocorre por ondas eletromagnéticas ou, no caso da luz, por transporte de fótons (KRAUSE, 2007).

Isolamento Térmico

O isolamento térmico é uma das principais estratégias para atingir o conforto térmico nos edifícios, sendo considerado um dos fatores mais importantes para o melhoramento

do desempenho energético da edificação e a redução do impacto ambiental, especialmente nos países frios. Os materiais de isolamento térmico são utilizados para minimizar a transferência da energia térmica, ou seja, reduzir a taxa de transferência de calor ao longo da vida de uma edificação. A energia economizada ao longo da vida útil da construção, por uma envoltória bem isolada supera o impacto ambiental da fabricação do material (PENNOCK et al. 2009).

Alguns materiais de isolamento são atóxicos ou trabalham com fontes naturais abundantes, enquanto outros são elaborados a partir de recursos petrolíferos limitados e dificilmente recicláveis. Aspectos de saúde pública e ambiental desempenham papel crescente tanto na busca de melhores materiais quanto na orientação e definição dos objetivos da indústria para futuros desenvolvimentos.

Diversos parâmetros devem ser considerados na seleção do material, como custo, resistência mecânica, absorção de vapor de água, resistência ao fogo, facilidade de aplicação, durabilidade e condutividade térmica. A condutividade térmica dos materiais de isolamento é a propriedade mais importante para o desempenho térmico e os aspectos de conservação de energia. As diferentes normas exigem diferentes requisitos de desempenho como será discutido a posterior para norma de desempenho.

O “Insulation for Sustainability: A Guide”, produzido pelo Conisbee XCO2 (2011), que é um grupo com pesquisas voltadas a busca de materiais renováveis e com potencial de resgate de carbono. O grupo faz recomendações para a seleção dos materiais de isolamento:

Escolher um material com ciclo de vida longo que tenha a menor energia embutida; escolher um material que minimize a quantidade de gás carbônico emitido à camada de ozônio; e, quando a espessura do material for pequena, escolher o melhor isolante térmico adequado ao tipo de construção para minimizar gastos de energia ao longo do tempo.

Isolantes térmicos são materiais ou combinação de materiais que podem ser química ou mecanicamente vinculados ou mesmo somados para retardar a taxa de fluxo de calor por condução, ou convecção (AL-HOMOUD, 2003). Segundo Papadopoulos (2009), os materiais de isolamento térmico podem ser classificados por suas propriedades químicas ou estrutura física (Figura 39), sendo divididos em três grupos:

• Propriedades físicas: descrevem o comportamento do material em termos de densidade, resistência mecânica, capacidade de isolamento térmico, absorção do som, resistência à umidade e ao fogo etc. São relativamente fáceis de determinar e certificar, conforme normas específicas;

• Impacto ambiental dos materiais isolantes: propriedades como energia primária incorporada, emissão de gases para a produção do material e utilização de aditivos contra impactos biológicos. Esse grupo inclui a classifiacação para o tratamento de resíduos, reutilização e reciclagem e o impacto ambiental dos materiais com base na abordagem da Análise do

Ciclo de Vida;

• Saúde pública: propriedades como emissão de poeira e fibras e toxicidade em caso de incêndio durante a produção, a utilização e a fase final de eliminação dos materiais.

O mercado europeu de materiais isolantes é caracterizado pela dominio de dois grupos principais: os materiais inorgânicos fibrosos (60% do mercado) e os materiais orgânicos espumosos (27% do mercado); a Figura 39 mostra os principais grupos. Todos os demais materiais representavam, juntos, 13% do mercado (PAPADOPOULOS, 2009).

Figura 39: Diagrama da classificação dos materiais de isolamento por propriedade química ou física. Fonte: http://www.izoterm-al.com/izoterm/pub/State_of_the_art_in_thermal_

insulation_materials_and_aims_for_future_developments35.pdf>

O desempenho de isolamento dos materiais em questão, ou seja, o Valor de Condutividade Térmica [λ em W/mK] ou Coeficiente de Transmitância Térmica [U em W/m²K] para materiais compósitos, se manteve relativamente constante ao longo da década de 1990. Todavia, houve uma grande evolução como resultado do esforço

conjunto de pesquisa acadêmica e industrial com foco nos aspectos ambientais e de saúde (SEVEGNANI et al, 1994).

Exigência do cliente Lã Mineral de _Vidro Lã Mineral _{de Rocha} Poliestireno _Extrudido Poliestireno _Expandido PUR e PIR

Desempenho térmico

alto médio alto alto muito alto

Custo mais baixo baixo alto médio alto

Absorção de

som

alta alta nenhuma nenhuma nenhuma

Reação ao fogo não

combustível

não combustível

combustível combustível combustível

Força de compressão baixa média (adequada para alguns pisos) alta (adequada para alguns pisos) média (adequada para alguns pisos) média (adequada para alguns pisos) Resistência à água

alta alta muito alta alta alta

Peso muito leve -

médio

leve - pesado

médio médio médio

Requisitos de espaço de armazenamento muito baixos (8:1 compressão embalados) médios (2.5:1 compressão embalados) médios a altos médios a altos médios a altos Eficiência de transporte

muito boa boa baixa baixa média

Tabela 12: Comparativo das propriedades dos materiais isolantes mais frequentemente comercializados. Os valores são para aplicações comuns de cada material.

Fonte: http://www.knaufinsulation.com.uk

Em locais frios o isolamento térmico é de grande relevância para o conforto dos usuários e a redução dos custos de energia despedida em aquecimento. Para ilustrar o panorama e as principais características dos materiais de isolamento térmico disponíveis no mercado europeu, a Tabela 12 mostra um quadro comparativo (desenvolvido por empresa distribuidora britânica) das propriedades dos materiais isolantes mais comercializados. São avaliados os seguintes itens: desempenho térmico, custo, absorção acústica, reação ao fogo, resistência à compressão, resistência à água, peso específico, demanda de espaço de armazenamento e implicações na logística.

Os materiais mais comercializados são os que rendem o melhor custo benefício, como Lã de Vidro, Lã de Rocha, Poliestireno Extrudido, Poliestireno Expandido, entre outros. Os materiais isolantes empregados para conferir propriedades térmicas ao edifício são disponibilizados em rolos, placas etc., ou como parte de um sistema integrado dentro de painéis compostos, como mostram as Figuras 40a e 40b. Esses painéis geralmente compreendem folhas externas e o núcleo com isolante. Podem ser formados a partir da soma de elementos produzidos separadamente e adesivamente colados ou serem produto de linha industrial.

Figura 40a: Painel composto de gesso e poliestireno expandido.

Fonte: http://www.archiexpo.com/

Figura 40b: Linha de produção de painéis compostos.

Fonte: http://www.ascof.com

Desde que a questão da matriz energética entrou pauta nos anos 1970, o desempenho do isolamento térmico tem melhorado, para atender às determinações das normas de construção européia, voltadas para os conceitos de desempenho do edifício. A Figura 41 mostra o resultado de análises comparativas efetuadas na Inglaterra entre os anos de 1980 e 2008 avaliando à eficiência dos isolamentos térmicos aplicados a edificação: cobertura, parede, piso e janelas. Observa-se que a Transmitância Térmica (U=W/ m²K) ou Condutividade (λ=W/ mK) em 1980, para a paredes era de 0,6, passando, em 2007 e 2008, para 0,2. Os dados apontam uma significativa melhoria em termos de desempenho e como conseqüência a redução de custos de energia ao longo da vida da edificação.

Figura 41: Comparativo da evolução da eficiência em isolamento térmico na Inglaterra e Pais de Gales Fonte: www.xco2energy.com/profile.htm

A importância dos materiais da envoltória de um edifício é muito grande, pois ela funciona como um filtro para a passagem de radiação solar, vento, umidade e chuva, regulando a troca de calor entre interior e exterior.

Na construção civil, o isolamento térmico é avaliado em termos de resistência térmica e chamado de valor R, que representa a resistência ao fluxo de calor. A resitência térmica tem unidade m².ºC/ W e, quanto maior o valor de R, maior é o nível de isolamento

fornecido. Também pode ser avaliado pelo valor de U (Transmitância Térmica), em W/².K, que representa o calor que deixa passar.

Cada material apresenta características próprias, como densidade, condutividade térmica e calor específico. A Figura 42 representa uma de parede de Lã de Rocha e avalia a importância da densidade com um material de construção com transferência de calor e condutibilidade.

Figura 42: a) Transferência de calor através de uma parede. b) Densidade do isolante

Fonte: http://labvirtual.eq.uc.pt/