Uso de hidrogéis para redução de temperatura superficial

Para complementar a abordagem da fibra como material higroscópico, o item 3.2.3 aborda o uso de higrogéis, que são hidrofílicos. Os últimos, são polímeros que podem usar matéria-prima natural ou artificial e podem absorver até 500 vezes seu peso em água. Pesquisas recentes indicam resultados promissores quanto ao seu uso como estratégia para reduzir temperatura superficial e melhorar o design de edifícios. Duas pesquisas são abordadas neste trabalho: a apresentada por Rotzetter et al. (2012) e a aplicação apresentada por Rathee et al. (2014).

O primeiro estudo a ser abordado é o apresentado por Rotzetter et al. (2012). O autor realiza uma análise comparativa considerando os efeitos na temperatura superfícial gerados em um telhado fictício, usando um hidrogel convencional, o PHEMA, e usando um hidrogel com propriedades termo-responsivas, o PNIPAM. O estudo considerou maquetes para análise e fontes de radiação artificial idênticas para cada uma. O resultado

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mostrou que ambos o PHEMA e o PNIPAM obtiveram desempenho superiores, a maquete sem hidrogel. Sendo o PNIPAM, o hidrogel que desempenhou melhor (imagem 40).

Além da presença da água, o fator responsável pelo desempenho do PNIPAM tem relação com sua termo responsividade. Ao atingir os 35ºC, este hidrogel torna-se hidrofóbico e expele a água de seu interior. O gráfico 1 apresenta os resultados relatados, e mostra a mudança de comportamento do PNIPAM ao atingir a temperatura de 35ºC. Além de apresentar o resfriamento de superfícies, o polímero termo-responsivo, promove um processo de reciclagem da água armazenada e segundo os autores, pode ser associada aos períodos de chuva. Os autores indicam que esta abordagens tem potencial em climas quentes e úmidos.

Gráfico 1. Dados de temperaturas levantados no ensaio. Fonte: Rotzetter et al. (2012)

Outra pesquisa que explora a aplicação de hidrogéis em envoltórias arquitetônicas é a apresentada pelo IAAC (Institute for advanced architecture of Catalonia). A pesquisa visa produzir envoltórias capazes de resfriar o edifício usando apenas recursos passivos. A pesquisa manifesta uma inspiração que advém da biomimética. Sua intensão é de emular a transpiração, estratégia natural de resfriamento em animais. A principal estratégia utilizada é a incorporação de um hidrogel em um painel de cerâmica. O hidrogel é contido pelo sistema através de um tecido (imagem 41). Segundo Rathee et al. (2014), os protótipos foram testados através de uma análise térmica comparativa. Um protótipo com hidrogel e outro sem hidrogel, ambos foram expostos a uma fonte de radiação. O protótipo que continha o hidrogel, resultou em 5 graus Celsius diferença de redução de temperatura. Apesar das conclusões promissoras das pesquisas com hidrogéis aplicadas a arquitetura , existe uma ressalva a ser feita. Ambas pesquisas ainda não apresentam aplicações reais em edifícios ou analisam a interação do hidrogel com meio urbano em um longo período de tempo. Existem poucas pesquisas em curso, porém as conclusões e os resultados preliminares indicam que se trata de um campo de pesquisa promissor.

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Imagem 40. Imagens de infravermelho mostrando a maquete com telhado usando phema (esquerda) e o telhado usando PNIPAN (direita). Fonte: Rotzetter et al. (2012)

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Métodos

Esta etapa apresenta os tipos de métodos de pesquisa e os procedimentos sistemáticos estabelecidos para executar o objetivo geral e os objetivos específicos da pesquisa. Os procedimentos estão divididos em cinco partes: primeiro a contextualização. Segundo, o estabelecimento de princípios e critérios de design. Terceiro, etapas para um modelo paramétrico/algorítmico. Quarto, etapas escolhidas para prototipagem. Quinto, apresenta os procedimentos de avaliação dos protótipos.

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4 Procedimentos

O objetivo da pesquisa é investigar potencial da integração entre parametrização da forma, prototipagem rápida e preceitos biomiméticos, em resposta a questões bioclimáticas apresentadas por um artefato gerador de microclima para o clima quente e úmido. Os procedimentos metodológicos desta pesquisa são baseados no método desenvolvido pelo Biomimicry Group 3.8 (2011). Conforme apresentam Groat e Wang (2002) em seu livro sobre métodos de pesquisa em arquitetura, esta pode ser classificada como uma pesquisa na área de simulação e modelagem com aplicação prática. Utiliza métodos qualitativos e quantitativos de pesquisa. O método utilizado é o de estudo de caso. Além da revisão bibliográfica, será utilizado um simulador de modelos matemáticos, um modelador que possibilite integrar esses modelos à forma do objeto estudado, além de um experimento prático que utiliza técnicas de prototipagem.

A pesquisa prevê quatro objetivos específicos. O primeiro objetivo: aplicação e avaliação da metodologia

desenvolvida pelo Biomimicry group 3.8. Para tanto, todas as etapas desta pesquisa tem inspiração neste

método. O segundo objetivo: identificação de soluções da natureza para mitigação da influência do calor. Investiga pesquisas sobre mitigação do efeito de ilha de calor e o processo de termo regulação de árvores. O terceiro objetivo: definição de processo de parametrização. Trata da definição de algoritmos de modelagem e da modelagem do estudo de caso (a partir das condições de contorno e soluções pré-estabelecidas nos estudos de biomimética). O quarto e último objetivo, construção de protótipos e análise; aborda processos de materialização com aporte de ferramentas digitais. Também utiliza técnicas práticas de prototipagem. A etapa de análise utiliza técnica de comparação para avaliar o desempenho térmico do protótipo.

A proposta é concebida a partir da adaptação do método desenvolvido pelo Biomimicry group 3.8 (2011). A intenção é abordar processos de design em sustentabilidade que intencionam obter uma solução robusta, e passível de evolução. Não é a intenção dessa pesquisa obter uma resposta definitiva, mas sim, de identificar hipóteses e estratégias possíveis, que amplie a discussão sobre mitigação de calor através de processos passivos. As etapas do trabalho intencionam obedecer a uma série de princípios como: redução do consumo de energia no processo de fabricação, minimização de perdas térmicas, ergonomia adequada e redução do impacto ambiental pela seleção mais adequada de materiais, diminuindo o consumo de matéria prima e energia. O desenvolvimento da proposta está baseado nas seguintes etapas:

1. Contextualização (identificação de soluções da natureza) com dois momentos distintos:

a) revisão bibliográfica e levantamento do estado da arte em pesquisas sobre mitigação do efeito de ilha de calor e em relação a capacidade de resfriamento das plantas.

b) estabelecimento de princípios e critérios conforme método desenvolvido pelo Biomimicry group 3.8 (2011). 2. Experimentação (emulação de soluções da natureza para mitigação da influência do calor): expressa as diretrizes de projeto desenvolvidas na etapa de contextualização sob a forma de modelagem e visualização computacional combinando estratégias selecionadas na etapa anterior. A etapa permitirá a definição de estratégias e aprimoramento das soluções com base em princípios biomiméticos. Foi dividido em dois momentos:

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a) análise das condições de contorno (Estudo do clima e estabelecimento de estratégias bioclimáticas). Aborda uma análise local do clima de Recife-PE, contexto do estudo de caso. Para tanto, aborda pesquisas que identificam ilhas de calor na cidade e utiliza leitura dos dados climáticos e aplicação de zonas de conforto para estabelecer estratégias bioclimáticas.

b) definição de critérios referência. Utiliza técnica de brainstorm para selecionar estratégias biomiméticas e identificar abordagens de emulação para o estudo de caso.

3. Configuração (definição de processo de parametrização): explora abordagens e definição de um modelo paramétrico que colabore com a associação entre modelo, simulação de desempenho e solução. Foi dividido em dois momentos:

a) definição do modelo paramétrico. Utiliza scripting gráfico usando Grasshopper para estabelecer um modelo responsivo ao clima. Incorpora simulação de incidência de radiação e características climáticas de Recife a um ambiente paramétrico. A etapa utilizou os dados climáticos disponibilizados por Roriz (2012). O simulador utilizado foi o DIVA para grasshopper.

O DIVA é um plugin para Rhinoceros e Grasshopper desenvolvido em Massachusetts, Minnesota e Nova York. A interface usa o Daysim e o Energy Plus para realizar simulações simplificadas de iluminação e termo-energéticas. Segundo Jakubiec e Reinhart (2011), DIVA permite o associações automáticas e visuais das consequências do modelo arquitetônico proposto. É uma ferramenta para primeiras decisões de projeto, porque possibilita no modelo trabalhar parâmetros como: pico de cargas, quantidade de aquecimento, refrigeração e iluminação necessária anualmente em um espaço. Possibilita analisar automaticamente resultados de acordo com decisões formais trabalhadas. As Simulações em DIVA são controladas a partir de uma barra de ferramentas integrada na interface do Grasshopper e do Rhinoceros 3D (JAKUBIEC e REINHART, 2011).

b) modelagem propriamente dita. Utiliza princípios formais biomiméticos para estabelecer o modelo que originará o protótipo do estudo de caso.

4. Prototipagem: permite materializar abordagens das etapas anteriores sob um artefato realizado para estudo. É dividida em dois momentos:

a) materialização. Utiliza técnica de prototipagem rápida utilizando método aditivo através de uma impressora 3D.

b) materialização nos materiais propostos pelo estudo biomimético. Intenciona reproduzir e avaliar os modelos nos materiais selecionados. Este último momento utiliza técnica de formação e observação.

5. Avaliação: entendida como processo que retroalimenta todos os procedimentos anteriores. Será realizada técnica de comparação, através de medições controladas em laboratório. O ensaio para avaliação térmica foi realizada no LABEME na Universidade Federal da Paraíba (UFPB). O sistema de medição é composto por um micro computador equipado com Datalogger, que é um equipamento destinado a gravar dados durante um tempo programado, podendo eliminar a presença de um operador na sala de monitoramento.

A sala de monitoramento é composta por duas câmaras: a primeira para coleta de dados e a segunda para o teste propriamente dito. Esta segunda câmara é dotada de uma fonte de radiação, compostas por lâmpadas incandescentes e um termômetro de globo, para medição da temperatura radiante. As duas são separadas por uma parede, que possui uma abertura de 1,00 por 1,20m.

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Para avaliação foi realizada uma parede de 1,00 por 1,20m de poliestireno expandido (isopor), esta parede terá três aberturas com dimensões de 0,22 x 0,22m. As quais serão encaixadas os corpos de provas. O composto proposto neste trabalho será comparado a dois materiais refletantes. São eles: o gesso e o cimento branco. Eles serão exposto a fonte de radiação artificial que se encontra na câmara de testes (imagens 42 e 43). O comportamento dos materiais será avaliado através de 06 sensores termopares calibrados (02 em cada corpo de prova). Um colocando na face exposta a radiação e outro colocado na face oposta. Os dados de análise serão coletados a cada segundo e guardados no computador. Para melhorar a visualização dos resultados, será utilizada uma câmera de infravermelho, sedida pelo Labcon-UFPB.