Ilda Alexandra Cunha Grilo
Estudo de Revestimentos Ativos
para o Isolamento Térmico de Edifícios
Ilda Alexandra Cunha Grilo
Es tudo de R ev es timentos A tiv os par a o Isolamento Tér mico de Edifícios
Escola de Engenharia
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Sustentabilidade do Ambiente Construído
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor Raul Fangueiro
Ilda Alexandra Cunha Grilo
Estudo de Revestimentos Ativos
para o Isolamento Térmico de Edifícios
Escola de Engenharia
AGRADECIMENTOS
Começo por agradecer ao meu orientador Professor Doutor Raul Manuel Esteves Sousa Fangueiro, pela sua atenção, acompanhamento, incentivo e pela discussão de ideias que provêm de dedicação e esforço, por isso, muito obrigada a si Professor por toda a ajuda.
Ao Professor Nuno Belino da Universidade da Beira Interior, obrigado por todo o apoio, atenção e disponibilidade em fornecer material para que esta dissertação fosse executada.
Ao técnico do Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, Carlos Jesus, pela ajuda tanto a nível de trabalho como também de troca de ideias e por toda a paciência na execução de todos os trabalhos. Aos técnicos do Laboratório de Vias de Comunicação do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho, Carlos Palha e Hélder Torres, por toda a ajuda e tempo dispensado, um muito obrigado.
Ao engenheiro do Grupo FIBRENAMICS da Universidade do Minho, Carlos Mota, por todo o apoio despendido. Agradeço também à Shama Parveen, do mesmo grupo, por toda a preocupação, disponibilidade e trabalho prestado no decorrer deste trabalho.
Ao meu namorado André, obrigada pelo carinho, atenção, compreensão, pelos momentos menos bons em todo o meu percurso académico. Aos meus pais, obrigado pelo esforço que fizeram ao longo da minha vida e por todo o apoio que me deram para a conclusão deste percurso. Ao meu irmão e avós que sempre estiveram do meu lado para me apoiar.
E, por fim, às minhas amigas por toda a atenção, ajuda e carinho, especialmente à Joana e Elisabete que me acompanharam durante todo o meu percurso académico e se mostraram verdadeiras amigas; ao Luís São João, Marcelo, Gustavo e Patrícia Pereira com quem travei amizade no decorrer deste mestrado; à Patrícia Pinheiro por toda a ajuda nos momentos menos bons e pela amizade revelada e a Diana e Liliana e Célia, amigas de longa data, por toda a compreensão e apoio.
O mundo é para quem nasce para o conquistar
E não para quem sonha que pode conquistá-lo, ainda que tenha razão. Fernando Pessoa no heterónimo Álvaro de Campos “Tabacaria”
RESUMO
A sustentabilidade é um conceito cada vez mais procurado ao nível da nova construção como também da reabilitação de construções existentes, com o intuito de caminhar para a diminuição dos problemas ambientais causados até à data, diminuição do consumo de matérias-primas e emissão de poluentes para a atmosfera, assim como, diminuição do consumo energético, aumentando a utilização de fontes alternativas de produção de energia, sem que o conforto dos habitantes seja comprometido, assim como os custos associados às intervenções.
Assim, é possível afirmar que é extremamente necessário combinar materiais e técnicas inovadoras para que possam ser criados produtos alternativos com capacidade de adaptabilidade às necessidades de cada caso específico.
Esta dissertação, de forma a ser mais um contributo para construção sustentável, propõe o estudo da incorporação de materiais de mudança de fase (PCM – phase change material) em materiais de construção normalmente utilizados, tanto para a construção nova, como para a reabilitação. O objetivo passa por estudar o desenvolvimento de materiais termicamente ativos a partir da utilização de materiais de mudança de fase incorporados em revestimentos, especificamente tintas. Para tal, efetuaram-se três amostras de tinta com 10%, 20%e 30% de PCM incorporado. Estas amostras, assim como tinta com 0% PCM, foram submetidas a ensaios de viscosidade, tempo de cura, rendimento, análise ao microscópio e ensaios térmicos. Dentro dos ensaios térmicos executaram-se quatro modelos de testes para serem monitorizados com termopares e também placas de gesso cartonado revestidas com as amostras para serem submetidas a ensaios na alambeta.
Em conclusão, pretende-se mostrar que a incorporação de materiais alternativos contribui para que o conforto térmico seja atingido caminhando paralelamente com a necessidade de sustentabilidade na construção.
ABSTRACT
Sustainability is an increasingly sought at the level of new construction concept as well as the rehabilitation of existing buildings in order to walk to the reduction of environmental problems to date, reduce the consumption of raw materials and emissions to atmosphere, as well as reduction of energy consumption by increasing the use of alternative sources of energy production, without the comfort of residents is compromised as well as the costs associated with these interventions.
In this context, it is possible to say that it is extremely necessary to combine innovative materials and techniques so that alternative products can be created with capacity to be adapated to the needs in each case.
This dissertation, in order to further contribute to sustainable building, proposes to study the incorporation of phase change materials (PCM) on building materials typically used for both new construction as well as for rehabilitation. The objective becomes to study the development of thermally active materials from the use of phase change materials incorporated in coatings, especially paints. To this end, they effected by three paint samples with 10%, 20% and 30% incorporated PCM. These samples, as well as PCM ink with 0%, were subjected to viscosity tests, curing time, yield, analysis by microscopy and thermal tests. Within the thermal tests were carried out four tests models to be monitored and also with thermocouples plasterboard plates coated with samples to be subjected to tests in alambeta.
In conclusion, it is intended to show that the incorporation of alternative materials contributes to the thermal comfort is achieved walking alongside the need for sustainability in construction.
Keywords: phase change materials, temperature control, sustainability, active systems, heat storage.
ÍNDICE
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Introdução ... 1
1.2 Objetivos ... 1
CAPÍTULO II - ESTADO DA ARTE ... 3
2.1 Materiais de Mudança de Fase (PCM) ... 3
2.1.1 Definição ... 3
2.1.2 Encapsulamento dos PCM’s ... 4
2.1.3 Armazenamento de energia ... 6
2.1.4 Tipos de PCM’s ... 8
2.1.5 Problemas associados aos PCM’s... 12
2.1.6 Métodos de análise/medição do comportamento dos PCM’s ... 13
2.2 Materiais de Mudança de Fase na Engenharia Civil ... 14
2.3 Conclusões retiradas de estudos analisados ... 16
2.3.1 Potencialidades do uso de PCM em edifícios residenciais em Portugal ... 16
2.3.2 Argamassas com incorporação de PCM’s ... 17
2.4 Placas de Gesso Cartonado com PCM’s ... 21
2.4.1 Definição ... 21
2.4.2 Aplicações de placas de gesso cartonado com incorporação de PCM’s ... 25
2.5 Tintas como Material de Revestimento ... 27
CAPÍTULO III – MATERIAIS E MÉTODOS ... 29
3.1 Materiais utilizados ... 29
3.1.1 Material de Mudança de Fase ... 29
3.1.2 Tinta ... 29
3.1.4 Cimento ... 31
3.1.5 Água ... 32
3.1.6 Areia ... 32
3.2 Métodos de ensaio utilizados ... 33
CAPÍTULO IV – ANÁLISE DE RESULTADOS ... 37
4.1 Planeamento dos ensaios ... 37
4.2 Viscosímetro de Brookfield ... 38 4.3 Tempo de cura ... 48 4.4 Rendimento ... 49 4.5 Análise ao microscópio ... 50 4.6 Modelo de testes ... 53 4.5.1 Ensaios mecânicos ... 54
4.7 Ensaios térmicos: Alambeta ... 57
4.8 Ensaios térmicos com termopares ... 60
CAPÍTULO V – CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS ... 71
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Material de mudança de fase ... 3
Figura 2 - Macroencapsulamento de PCM’s; 1 – em tubos; 2 – em painéis ... 5
Figura 3 - Microcápsulas contendo PCM´s ... 5
Figura 4 - Processos de microencapsulamento ... 6
Figura 5 - Armazenamento de calor ... 7
Figura 6 - Classificação de materiais de mudança de fase ... 8
Figura 7 - Localização da aplicação e função dos PCM’s em edificios ... 16
Figura 8 - Revestimento de parede semidirecto ... 22
Figura 9 - Revestimento de parede autoportante ... 22
Figura 10 - Parede divisória em placas de gesso cartonado ... 23
Figura 11 - Teto falso em quadrícula... 23
Figura 12 - Teto suspenso com forquilha ... 24
Figura 13 - Teto suspenso ... 24
Figura 14 - Comparação dos resultados de temperaturas obtidas para uma solução com e sem incorporação de PCM ... 27
Figura 15 - Material de mudança de fase utilizado ... 29
Figura 16 – Tinta utilizada... 30
Figura 17 - Placa de gesso cartonado utilizada ... 31
Figura 18 - Cimento Portland ... 31
Figura 19 - Viscosimetro de “Brookfield” ... 34
Figura 20 - Viscosímetro durante o ensaio ... 38
Figura 21 - Comparação entre tinta, tinta diluída e tinta com as diferentes % de PCM’s com as misturas testadas de imediato após preparação ... 39
Figura 22 - Comparação entre tinta, tinta diluída e tinta com as diferentes % de PCM’s com as misturas testadas 1h após preparação ... 39
Figura 23 - Comparação entre tinta, tinta diluída e tinta com as diferentes % de PCM’s com as misturas testadas 1h após preparação estando 20min exposta ao ar ambiente ... 40
Figura 24 - Análise dos valores médios da viscosidade das diferentes composições ... 41
Figura 26 - Viscosidade da tinta com adição de 20% de PCM’s ao longo do tempo... 41
Figura 27 - Viscosidade da tinta com adição de 30% de PCM’s ao longo do tempo... 42
Figura 28 - Viscosidade aos 2400s da tinta com adição de 10%PCM ... 43
Figura 29 - Viscosidade aos 2400s da tinta com adição de 20%PCM ... 44
Figura 30 - Viscosidade aos 2400s da tinta com adição de 30%PCM ... 44
Figura 31 - Correlação entre viscosidade e percentagem de PCM's no ensaio efetuado imediatamente após efetuada a amostra de tinta ... 45
Figura 32 - Correlação entre viscosidade e percentagem de PCM's no ensaio efetuado 1 hora após efetuada a amostra de tinta ... 46
Figura 33 - Correlação entre viscosidade e percentagem de PCM's no ensaio efetuado 1 hora após efetuada a amostra de tinta tendo estado esta 20 minutos exposta ao ar ... 46
Figura 34 - Correlação entre viscosidade e altura do ensaio ... 47
Figura 35 - Tinta com adição de PCM no vidro de relógio ... 49
Figura 36 - Placas pintadas para calcular calor do rendimento ... 50
Figura 37 - Fotografia ao microscópio de tinta com 10% PCM’s ... 51
Figura 38 - Fotografia ao microscópio de tinta com 20% PCM’s ... 52
Figura 39 - Fotografia ao microscópio de tinta com 30% PCM’s ... 52
Figura 40 - Microcápsulas de PCM ao microscópio ótico ... 53
Figura 41 - (1) Montagem das laterais e base inferior do modelo com espuma de poliuretano; (2) Colocação de fita-cola de alumínio na parte exterior; (3) Colocação de fita-cola de alumínio na parte interior ... 54
Figura 42 - Provetes para caracterização do betão ... 55
Figura 43 - Provete submetido ao ensaio à flexão ... 55
Figura 44 - Resultados obtidos nos ensaios à flexão ... 56
Figura 45 - Provete submetido ao ensaio de compressão ... 56
Figura 46 - Ensaios à compressão ... 57
Figura 47 - Alambeta ... 57
Figura 48 - Condutibilidade térmica das placas ensaiadas ... 58
Figura 49 - Resistência térmica das placas ... 59
Figura 50 – Correlação da condutibilidade térmica das diferentes % de PCM ... 59
Figura 51 - Correlação da resistência térmica das diferentes % de PCM... 60
Figura 52 - Vista do lado esquerdo ... 62
Figura 53 - Vista interior ... 63
Figura 55 - Equipamento de transmissão de dados e computador ... 64
Figura 56 - Temperaturas médias para o modelo com tinta com 0% PCM... 65
Figura 57 - Temperaturas médias para o modelo com tinta com 10% PCM... 65
Figura 58 - Temperaturas médias para o modelo com tinta com 20% PCM... 66
Figura 59 - Temperaturas médias para o modelo com tinta com 30% PCM... 66
Figura 60 - Comparação de temperaturas médias interiores ... 67
Figura 61 - Variação da temperatura interior ao longo de 1 dia ... 67
ÍNDICE DE QUADROS
Quadro 1 - Características importantes dos materiais para armazenamento de energia ... 4
Quadro 2 - Propriedades físicas de algumas substâncias orgânicas com potencial utilização como PCM’s ... 9
Quadro 3 - Eutéticos orgânicos e inorgânicos com potencial utilização como PCM’s ... 11
Quadro 4 - Características mecânicas do cimento CEM II/A-L Classe 42,5R ... 32
Quadro 5 - Valores médios retirados da Alambeta... 58
Quadro 6 - Cálculo do peso de cada material nas misturas ... 61
Quadro 7 - Cálculo das quantidades necessárias de cada material ... 61
Quadro 8 - Cálculo da média das temperaturas ... 64
CAPÍTULO I – INTRODUÇÃO
1.1 Introdução
Atualmente, tem-se ouvido falar insistentemente na sustentabilidade, nomeadamente no sector da construção civil (Martins, 2012).
A sociedade em que vivemos acarreta um dos maiores problemas atuais, o elevado consumo energético. A sustentabilidade tem o papel de minimizar essa tendência através do uso ponderado entre as várias necessidades, económicas, sociais, culturais e ambientais para que possa ser atingido um equilíbrio que satisfaça as gerações atuais, sem comprometer as gerações futuras (Prego et al., 2013).
Devido à necessidade dos utilizadores em possuírem habitações que caminhem para a sustentabilidade, passando este objetivo pela diminuição dos gastos com a energia elétrica, torna-se crucial recorrer a soluções construtivas que ajudem a que o conforto térmico no interior dos edifícios seja alcançado sem que haja necessidade de recorrer a equipamentos de climatização, ou que o uso destes seja o mínimo possível (Martins, 2012).
Uma das soluções para que a temperatura interior seja controlada de forma ativa pela envolvente do edifício com a mínima utilização de equipamentos de climatização, passa pela incorporação de materiais de mudança de fase (PCM do inglês Phase Change Material) nos materiais de construção.
Com a incorporação de PCM’s nos materiais utilizados para a construção consegue-se aumentar a capacidade de armazenamento de calor, o que leva à estabilização das temperaturas interiores, aumentando a sensação de conforto térmico sentida pelos utilizadores do edifício (Sá et. al, 2012).
1.2 Objetivos
A presente dissertação tem como principal objetivo efetuar uma avaliação experimental do desempenho térmico de materiais utilizados na construção nova e na reabilitação de edifícios,
através da incorporação de PCM’s em revestimentos utilizados na execução de edifícios para que possam assim contribuir positivamente para o controlo da temperatura interior.
Pretende-se ainda contribuir para o desenvolvimento e utilização de materiais de revestimento sustentáveis que têm por base materiais com capacidade ativa de isolamento térmico capazes de substituir/diminuir o uso de equipamentos de controlo de temperatura.
Assim sendo, serão considerados objetivos complementares que conduzirão à melhor compreensão/realização do objetivo principal, designadamente: a escolha do tipo de PCM a utilizar, se será orgânico, inorgânico ou eutéctico; o tipo de revestimento onde serão introduzidos os PCM’s; a quantidade de PCM´s a utilizar; compreender fatores que influenciem o desempenho dos mesmos; e ainda perceber se esta incorporação acarreta algum problema e razão para o aparecimento do mesmo.
Em conclusão, pretende-se criar conhecimento para que as construções sejam cada vez mais sustentáveis do ponto de vista dos três pilares da sustentabilidade, na medida em que a incorporação de PCM’s nos revestimentos leva a que sejam diminuídos os gastos com energia para alimentar os sistemas de controlo de temperatura, contribuem para a diminuição do gasto de recursos naturais para os mesmos sistemas e, por fim, atingir um nível ótimo de conforto para os utilizadores do edifício.
CAPÍTULO II - ESTADO DA ARTE
2.1 Materiais de Mudança de Fase (PCM)
2.1.1 Definição
Os materiais de mudança de fase, representados na Figura 1, (PCM – phase change material) podem ser definidos como substâncias que têm a capacidade de alterar o seu estado físico dentro de um intervalo de temperatura, armazenando calor latente através da mudança de fase sólida para líquida (reação endotérmica), sendo este calor absorvido, libertado posteriormente quando as temperaturas descem, passando assim da fase líquida para a fase sólida (reação exotérmica) (Alawadhi 2008) (Kuznik et. al, 2008) (Zalba, B., 2003).
De forma a conseguir uma melhor regulação das variações de temperatura interior, estas substâncias são encapsuladas em cápsulas termicamente estáveis por forma a garantir um melhor desempenho do material de mudança de fase. Uma das opções de incorporação destas capsulas é através dos revestimentos (Miranda & Araújo, 2012).
Figura 1 - Material de mudança de fase (Society, 2013)
O Quadro 1 mostra as características mais importantes dos materiais para armazenamento de energia.
Quadro 1 - Características importantes dos materiais para armazenamento de energia (Wolfgang Streicher et. al, 2005)
Propriedades Térmicas Propriedades Físicas Propriedades Químicas Aspetos Económicos Temperatura de mudança de fase adequada à aplicação Calor latente elevado
para a temperatura desejada.
Condutividade térmica elevada tanto na fase líquida como na fase sólida Densidade elevada Pequena variação de volume na mudança de fase Baixa pressão de vapor Equilíbrio de fase favorável Não sofrer sobrearrefecimento Boa estabilidade Compatível com materiais de construção Não tóxicos Não inflamáveis Baixo custo Abundantes 2.1.2 Encapsulamento dos PCM’s
A maior parte dos PCM´s possuem uma baixa condutividade térmica e isto deve-se à baixa taxa de transferência de calor. De forma a contornar este problema, é muitas vezes utilizado o micro encapsulamento destes materiais com o objetivo de melhorar a transferência de calor através do aumento da razão entre superfície/volume do PCM (W Streicher et al., 2008) (L. Huang et. al, 2009).
Existem dois tipos de encapsulamento dos PCM´s, o macroencapsulamento e o microencapsulamento.
O macroencapsulamento é efetuado através da inclusão de materiais de mudança de fase em sistemas de contenção, que poderão ser tubos, bolsas, esferas, painéis, entre outros. (Arce Maldonado, 2011) Alguns estudos e experiências foram desenvolvidos sobre este tipo de encapsulamento e as conclusões retiradas foram a não viabilidade do macroencapsulamento pois, devido aos baixos valores de condutividade térmica da maioria dos PCM´s, estes tendem a solidificar-se nas paredes no encapsulamento o que impede a eficácia na transferência de calor (Rodrigues, 2009). A Figura 2 mostra dois tipos de macroencapsulamento de PCM’s.
Figura 2 - Macroencapsulamento de PCM’s; 1 – em tubos; 2 – em painéis (Arce Maldonado, 2011) (Rodrigues, 2009)
No que diz respeito ao microencapsulamento (Figura 3), este método resulta do envolvimento de pequenas partículas/gotas de um compósito líquido ou sólido, constituindo o núcleo, e por uma camada/parede de um material sólido, normalmente um polímero, formando assim a cápsula (Silva, 2009).
Este método consegue uma maior viabilidade perante o primeiro método apresentando visto que permite a incorporação de PMC’s nos materiais de construção e a existência de um sistema de armazenamento de calor de mais fácil manuseamento (Nunes, 2011).
Figura 3 - Microcápsulas contendo PCM´s (Rodrigues, 2009)
Figura 4 - Processos de microencapsulamento (Silva, 2009)(Cardoso, 2006)
Este método é muito aplicado em fármacos, fragrâncias e produtos cosméticos, de forma a proporcionar a libertação controlada das substâncias. No caso dos PCM’s, o objetivo é que o material se conserve no interior da microcápsula em condições normais de manuseamento, sendo a sua interação com o meio envolvente efetuado de forma indireta (Nunes, 2011).
É necessário dar a devida importância ao tipo de processo de microencapsulamento e ao tipo de substância a utilizar para a formação da cápsula, para assim, conseguir-se as estabilidades química, física e mecânica necessárias (Silva, 2009) (Junfeng Su & Ren, 2006).
O diâmetro das microcápsulas deve ser reduzido para que a transferência de calor entre o PCM e o meio envolvente seja rápida. Foi possível constatar uma desvantagem na utilização de PCM de origem parafínica, relativa aos múltiplos picos nas curvas de arrefecimento, indicadores de sobrearrefecimento, sendo isto um fator limitativo. Isto faz com que o PCM cristalize levando à libertação da energia latente a temperaturas baixas ou gamas de temperaturas mais largas, fora da gama desejada (Silva, 2009) (X. X. Zhang et. al, 2005).
2.1.3 Armazenamento de energia
Os PCM’s controlam a temperatura através da absorção de calor consumindo a energia em excesso (passagem de sólido para líquido), quando a temperatura diminui o material de mudança de fase liberta a energia térmica armazenada (passando de líquido para sólido),
mantendo assim a temperatura constante. Obtém-se um material que consome a energia quando esta está em excesso e a repõe quando ela é deficitária, minimizando as oscilações térmicas a que está sujeito o sistema (Coutinho, 2012).
Existem dois tipos de armazenamento de energia, o térmico e o termoquímico como podemos ver na Figura 5 (Sharma et. al, 2009). No que diz respeito ao armagenamento de energia térmico este pode ser na forma de calor sensivel ou calor latente. No primeiro caso a energia térmica é guardada através do aumento da temperatura de um sólido ou líquido. Estes sistemas utilizam a capacidade calorífica e a alteração na temperatura do material durante o processo de carga e descarga. O calor especifico do meio, a temperatura e a quantidade de material de armazenamento são factores que influênciam o calor de armazenamento. Este tipo de sistemas de armazenamento de calor são baseados no calor absorvido ou libertado quando um material de armazenamento sofre mudança de fase do estado sólido para o estado líquido ou do estado líquido para o estado gasoso (Mendes et. al, 2010).
Os sistemas de armazenamento termoquímico fundamentam-se na energia absorvida e libertada na quebra e formação de ligações moleculares numa reação química reversível. O calor de armazenamento depende do material de armazenamento, do grau de conversação da reação e do calor de reação (Mendes et al., 2010).
2.1.4 Tipos de PCM’s
Os materiais de mudança de fase podem ser classificados em dois grandes grupos: orgânicos e inorgânicos, que por sua vez se dividem em subgrupos, como se pode verificar na Figura 6 (Mendes et al., 2010).
Figura 6 - Classificação de materiais de mudança de fase (Mendes et al., 2010)
Começando pelos materiais de mudança de fase orgânicos, os mais estudados até à data são as parafinas, que apresentam longas cadeias lineares constituídas por carbono e hidrogénio, verificando-se que o aumento do ponto de fusão e do calor latente de fusão é influenciado pelo comprimento da cadeia de carbonos. As parafinas são compostos não tóxicos nem corrosivos, quimicamente inertes, estáveis abaixo de 500ºC, que possuem um intervalo de temperaturas de mudança de fase de 0-130ºC com entalpias de fusão num intervalo de 150-220Mj/m3, que apresentam pequena variação de volume na fusão e baixa pressão de vapor (Silva, 2009) (Baetens et. al, 2010) (Sharma et al., 2009) (Zalba, B., 2003) (L. Huang et al., 2009).
Uma forma de obter determinadas gamas de temperatura de transição passa pela mistura de diferentes parafinas (Silva, 2009).
O quadro 2 ilustra as propriedades físicas de algumas substâncias orgânicas com potencial de utilização como PCM.
Quadro 2 - Propriedades físicas de algumas substâncias orgânicas com potencial utilização como PCM’s (Wolfgang Streicher et al., 2005)
Composto Intervalo de Fusão (ºC) Calor de Fusão (kJ/kg) Condutividade Térmica (W/m.K) Densidade (kg/L) Parafinas C13-C24 22-24 189 0,21 (sólido) 0,760 (líquido, 25ºC) 0,900 (sólido, 20ºC) Parafinas C20-C33 48-50 189 0,21 (sólido) 0,769 (llíquido, 70ºC) 0,912 (sólido, 20ºC) Parafinas C22-C45 58-60 189 0,21 (sólido) 0,795 (líquido, 70ºC) 0,920 (sólido, 20ºC) Parafinas C21-C50 66-68 189 0,21 (sólido) 0,830 (líquido, 70ºC) 0,930 (sólido, 20ºC) Poliglicol E600 22 127.2 0,189 (liquido, 38,6ºC) 0,187 (liquido, 67ºC) 1,126 (líquido, 25ºC) 1,232 (sólido, 4ºC) Poliglicol E6000 66 190 n.d. 1,085 (liquido, 70ºC)
1,212 (sólido, 25ºC)
Ácido Cáprico 16 148.5 0,149 (liquido, 38,6ºC) 0,901 (liquido, 30ºC) 0,981 (sólido, 13ºC) 34% Ác. Mirístico + 66% Ác. Cáprico 24 147.7 0,164 (liquido, 39,1ºC) 0,888 (líquido, 25ºC) 0,1018 (sólido, 1ºC) Ácido Miristico 49-51 204.5 n.d. 0,861 (liquido, 55ºC) 0,990 (sólido, 24ºC)
Ácido Esteárico 69 202.5 0,172 (líquido, 70ºC)
0,848 (líquido, 70ºC)
0,965 (sólido, 24ºC)
Notas: % em peso; n.d: informação não disponível.
Para além deste composto, existem outros materiais de mudança de fase orgânicos “não parafínicos”, sendo eles os ésteres, ácidos gordos, álcoois, glicóis entre outros. Os ácidos gordos, por exemplo, têm elevados calores de fusão em comparação com as parafinas, apresentam reprodutibilidade na fusão e solidificação e arrefecem sem sofrerem sobrearrefecimento. O ponto negativo da sua utilização é o seu custo, cerca de 2 a 2,5 vezes superior ao das parafinas de grau técnico (W Streicher et al., 2008) (L. Huang et al., 2009).
A inflamabilidade, a produção de fumos perigosos durante o seu processo de combustão, possibilidade de ocorrência de oxidação térmica ao longo do tempo e um aumento do seu volume são desvantagens dos materiais de mudança de fase orgânicos. Estas desvantagens podem ser ultrapassadas através de uma correta seleção e modificação dos materiais (Silva, 2009) (Cardoso, 2006).
Em relação aos materiais de mudança de fase inorgânicos pode dizer-se que os sais hidratados são a classe mais importante. Os sais podem ter três tipos de comportamento na fusão: congruente, semi-congruente e incongruente (Mendes et al., 2010).
Se se comparar com os PCM’s orgânicos, os PCM’s inorgânicos apresentam elevadas entalpias de transição, não são inflamáveis, são economicamente mais viáveis e têm uma fácil acessibilidade. No entanto, possuem desvantagens, são suscetíveis à decomposição, são corrosivos, existe possibilidade de apresentar subarrefecimento, o que afeta as suas propriedades de transição. Nos sais hidratados é difícil manter a alta densidade de armazenamento durante o ciclo pois estes derretem formando assim sais com valores de densidade de armazenamento mais baixos, este processo é irreversível e torna a capacidade de armazenamento menor.(Baetens et al., 2010) (Zalba, B., 2003).
Por fim, os eutécticos são combinações de dois ou mais compostos de natureza orgânica, inorgânica ou ambas, alcançando-se assim um material de mudança de fase com características melhoradas, conseguindo temperaturas de transição aproximadas às necessárias. Estes materiais de mudança de fase têm um comportamento semelhante aos sais hidratados, sendo a sua principal desvantagem o seu custo (Baetens et al., 2010) (Silva, 2009) (Zalba, B., 2003).
O quadro 3 mostra as características dos PCM’s eutécticos, orgânicos e inorgânicos com potencial para utilização como PCM’s.
Quadro 3 - Eutéticos orgânicos e inorgânicos com potencial utilização como PCM’s (Mendes et al., 2010)
Eutéticos Compostos Temp. de Fusão (ºC) Calor de Fusão (kJ/kg) Condutividade Térmica (W/m.K) Orgânicos 37,5% Ureia + 63,5% Acetamida 53 n.d. n.d. 67,1 % Naftaleno + 32,9% ácido Benzóico 67 123.4 0,136 (líquido, 78,5ºC) 0,282 (sólido, 38ºC)
Inorgânicos 51-55% Cu(NO3)3.6H2O + 45- 49% LiNO3.3H2O 16.5 250 n.d. 45-52% LiNO3.3H2O + 48-55% Zn(NO3)3.6H2O 17.2 220 n.d.
Notas: n.d: informação não disponível.
2.1.5 Problemas associados aos PCM’s
Um dos problemas associados ao uso de PCM’s é o sobrearrefecimento do PCM que ocorre quando não há uma solidificação homogénea na transição de estado líquido para sólido. A solidificação de alguns constituintes não ocorre a uma temperatura precisa, mas numa gama abaixo do ponto de fusão, este atraso pode fazer com que os materiais nunca cheguem a libertar todo o calor que armazenaram. Este fenómeno é mais comum nos sais hidratados, PCM’s inorgânicos (Farid et. al, 2004) (Cabeza et. al, 2011).
Outro problema encontrado é corrente nos PCM’s orgânicos, estes são naturalmente mais suscetíveis ao risco de inflamabilidade, pois as ceras de parafina entram facilmente em combustão, podendo restringir a sua utilização em certas aplicações. De forma a minimizar esta desvantagem é eficaz o adequado encapsulamento da parafina num invólucro inorgânico. (Vieira, 2012).
Como terceira desvantagem a apresentar tem-se a separação de fases que origina que a elevada densidade de armazenamento de calor inicial seja difícil de manter após vários ciclos. O PCM, ao ser constituído por diferentes materiais (água e sal ou dois tipos de sais) e sendo a temperatura de solidificação de cada material distinta, origina este tipo de fenómeno. Isto acontece porque a matriz do PCM não solidifica homogeneamente e não volta a ter as mesmas características iniciais, gerando irreversibilidade parcial do processo e o fenómeno de sobrearrefecimento antes descrito. Um aumento de viscosidade pode ser um caminho para
contornar este fenómeno. Este fenómeno é mais frequente em PCM’s inorgânicos (Farid et al., 2004).
Por fim, o custo, sendo que este é elevado e pode levar a que haja um uso diminuto de PCM’s na construção (Vieira, 2012).
2.1.6 Métodos de análise/medição do comportamento dos PCM’s
São conhecidas duas técnicas para determinar as propriedades térmicas dos PCM’s, sendo elas, a calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e análise térmica diferencial (DTA) (P. Soares, 2014).
O DSC mede a quantidade de calor absorvida ou libertada por um corpo sujeito a uma mudança de temperatura (transferência de calor por condução). A diferença entre o valor de calor necessário para aumentar a temperatura de duas amostras diferentes em condições idênticas, uma amostra do material em análise e uma amostra de referência com propriedades conhecidas, é medida como uma função da temperatura (N. Soares et. al, 2013).
A reação térmica da amostra é caracterizada por comparação com a reação térmica da amostra de referência. A análise DSC é habitualmente utilizada para avaliar características térmicas de PCM’s, bem como compósitos com materiais de construção (N. Soares et al., 2013).
Segundo Sittisart e Farid (Sittisart & Farid, 2011) os resultados de DSC demonstram que a adição de retardadores de fogo num PCM de forma estável (para reduzir a sua inflamabilidade) teve pouco efeito sobre o valor de calor latente e não altera as suas propriedades térmicas de forma significativa.
As principais limitações do DSC são:
a) A convecção na amostra, a não uniformidade de temperatura na amostra e o tempo necessário para aquecer ou arrefecer a amostra (inércia) são alguns fenómenos de transferência de calor que são omissos nesta análise;
b) As quantidades de amostras analisadas são pequenas, embora a capacidade de calor equivalente calculada utilizando as curvas de DSC, é influenciada pela taxa de massa da amostra e aquecimento;
c) A instrumentação de análise é complexa, cara e a mudança de fase não pode ser observada visualmente.
Em conclusão, a taxa de aquecimento é um parâmetro sensível nas medições de DSC.
A DTA é a alternativa aos testes de DSC, onde o calor aplicado é o mesmo para as duas amostras (amostra a caracterizar e amostra de referência). No método DSC a energia é utilizada para manter a amostra e a amostra de referência à mesma temperatura, enquanto a DTA mede a diferença de temperatura entre a amostra e a amostra de referência quando ambas são sujeitas ao mesmo calor (N. Soares et al., 2013).
Por fim, existe o método T-History que foi proposto por Zhang e Jiang (Y. Zhang & Jiang, 1999), é um método simples para determinar o ponto de fusão, calor de fusão, calor específico e condutividade térmica de PCM’s. As curvas de temperatura – tempo das amostras de PCM são desenhadas e as suas propriedades termofísicas são obtidas através da comparação das curvas de temperatura – tempo da curva de outro material conhecido, geralmente água pura. Ao comparar o método T-History com os métodos convencionais DSC e DTA verificamos o seguinte:
a. Método projetado para testar grandes amostras; b. Unidade experimental simples;
c. Capacidade de medir várias propriedades termofísicas de várias amostras de PCM simultaneamente;
d. Permite observar o processo de mudança de fase de cada uma das amostras.
2.2 Materiais de Mudança de Fase na Engenharia Civil
A energia térmica pode ser transmitida por radiação e por convecção, e a exploração do PCM na construção está associada a este tipo de energia, pois existe o objetivo de melhorar o funcionamento térmico dos edifícios sem recorrer a energias não renováveis. O fenómeno de radiação é estudado através da incorporação de PCM em paredes, tetos e pavimentos na forma passiva, e na forma ativa, funcionando como sistema híbrido conjugando com o sistema de ventilação natural. No fenómeno de convecção o PCM é estudado através da transferência em
sistemas de ventilação e ar condicionado, onde se faz passar uma corrente de ar quente ou frio no seio do PCM ou em contacto direto com uma suspensão de PCM (Martins, 2012).
Os materiais de mudança de fase podem ser utilizados na construção de diversas maneiras passando por, incorporação na estrutura de betão armado, recobrimento de tubagens de aquecimento colocadas no pavimento, em sistemas de aquecimento solar, em materiais de construção (telhas, blocos, …) e em rebocos (Aguiar & Monteiro 2004).
No entanto, na utilização de PCM’s em argamassas, ao aumentar o seu teor as argamassas perdem resistências mecânicas, origina diminuição de resistência à flexão e diminuição de resistência à compressão (Aguiar & Monteiro, 2004). Esta diminuição encontra-se relacionada com a presença de uma maior dosagem de água na amassadura quando são adicionados PCM’s, a evaporação da água origina maiores índices de porosidade, que por sua vez fragilizam a resistência das argamassas. Uma forma de contornar este problema será diminuir a porosidade da mistura.
A quantidade de materiais de mudança de fase a incorporar nas argamassas deve ser estudada pois uma pequena quantidade pode não ser suficiente para lhe conferir as propriedades térmicas necessárias, uma grande quantidade diminui consideravelmente as resistências mecânicas da argamassa pois a resistência mecânica é muito inferior a resistência dos outros componentes. Outro efeito desfavorável é o facto dos PCM’s não apresentam boa aderência às pastas ligantes das argamassas (Aguiar & Monteiro, 2004).
No que diz respeito à funcionalidade dos PCM’s, no inverno estes armazenam calor quando a temperatura ultrapassa a sua temperatura de fusão passando para o estado líquido, quando a temperatura desce o calor armazenado é libertado e o PCM solidifica. No verão, durante o dia, quando a temperatura sobe, há a fusão do PCM, retirando calor do ambiente, durante a noite, quando a temperatura desce o PCM liberta o calor retido até solidificar. A existência de ventilação natural poderá aumentar o efeito regularizador dos PCM’s (Aguiar & Monteiro, 2004).
Na Figura 7 são apresentadas várias zonas de aplicação de PCM’s para ajudar a controlar a temperatura nos edifícios.
Figura 7 - Localização da aplicação e função dos PCM’s em edificios (Silva, 2009) (Y. Zhang, Zhou, Lin, Zhang, & Di, 2007)
2.3 Conclusões retiradas de estudos analisados
2.3.1 Potencialidades do uso de PCM em edifícios residenciais em Portugal
Através da análise deste trabalho foi possível reter que estudos mostram que os materiais de mudança de fase têm um efeito positivo sobre a estabilização da temperatura ambiente e economia de energia (Mustaparta et. al, 2013).
Em casas em que não existem sistemas de climatização, os PCM’s aumentam a temperatura média e reduzem as grandes oscilações térmicas. Os resultados mostram aumentos de 5 º C na temperatura média ambiente (Mustaparta et al., 2013).
Em casas onde existem sistemas de climatização os materiais de mudança de fase ajudam a reduzir os picos de carga e diminuir o consumo de energia no aquecimento e refrigeração. Os resultados mostram uma diminuição no consumo de energia (sal hidratado 22,9%, parafina 6,4%). No entanto, os PCM’s não podem funcionar durante os períodos frios se o ponto de fusão não é atingido, principalmente em casas sem sistema de aquecimento (Mustaparta et al., 2013).
2.3.2 Argamassas com incorporação de PCM’s
a) Argamassas incorporando microcápsulas de materiais de mudança de fase (PCM), o seu processo de obtenção e sua utilização no revestimento interior de sistemas construtivos
Num estudo feito com argamassas para utilização em sistemas construtivos com maior eficácia de isolamento através da inclusão de PCM’s apenas nas camadas que compõem o revestimento interior, foi possível retirar algumas conclusões importantes.
No revestimento das paredes e tetos de um edifício são aplicadas várias camadas de argamassas com diferentes composições. Ao serem utilizados PCM’s apenas na camada de acabamento, estes ficam em contacto direto com o interior do edifício, isto leva a que o custo do sistema de revestimento interior não seja tão caro como aconteceria se todas as camadas de argamassa levassem PCM’s na sua composição. Por outro lado, é na camada de acabamento que o PCM pode ser termicamente mais eficaz. Um PCM com mudanças de fase sólido/líquido (amolecimento) e líquido/sólido (cristalização) próximo dos 20ºC, permite a manutenção de uma temperatura interior próxima deste valor, com um consumo de energia inferior ao que se obtém com os sistemas de revestimento interior atuais (Aguiar et. al, 2007) .
As microcápsulas de PCM ao estarem na camada em contacto com o meio ambiente permitirá que o material trabalhe com mais facilidade do que se estiver misturado no interior de outro material. Por outro lado, a inclusão de microcápsulas de PCM numa camada de acabamento não alterará a resistência do suporte estrutural (Aguiar et al., 2007).
b) Argamassas Térmicas Sustentáveis: O Contributo dos Materiais de Mudança de Fase
Este estudo teve como objetivo o desenvolvimento de uma argamassa mista de cal aérea e gesso, com a incorporação de PCM. O estudo incidiu no objetivo de possuir um compromisso entre a trabalhabilidade, resistência mecânica e aparência estética (Cunha et. al, 2012).
Os materiais usados para esta investigação foram microcápsulas de PCM constituídas por uma parede em polimetilmetacrilato e um núcleo em parafina, temperatura de transição de 23ºC
entalpia de 110kJ/kg, superplastificante com densidade de 1.05g/cm3e areia com tamanho de partícula médio de 439,9 μm (Cunha et al., 2012).
Desta investigação pode retirar-se como conclusões que em termos de trabalhabilidade é necessário um aumento da quantidade de água adicionada às argamassas, com o aumento da percentagem de PCM e que um aumento de 10% de materiais de mudança de fase corresponde a um aumento de cerca de 52% da quantidade de água. No que diz respeito a resistências mecânicas é possível verificar que existe uma melhoria das resistências mecânicas com a introdução de uma maior quantidade de PCM e que a percentagem ótima de PCM a adicionar na argamassa é de 20% e que o valor obtido para uma percentagem de incorporação de PCM de 30%, é superior ao apresentado pelas argamassas sem incorporação de PCM (Cunha et al., 2012).
Em termos de análise de retração foi possível concluir que existe um aumento no valor da retração com a incorporação de microcápsulas de PCM, a adição de gesso e fibras de nylon, resulta numa diminuição da retração nas primeiras 24 horas e a introdução de 20% de PCM, provocou um aumento na retração de cerca de 4 vezes, comparativamente com a argamassa de referência. O comportamento em compressão e flexão, permite observar um melhor desempenho, para percentagens de incorporação de PCM entre 15% e 20% e é possível concluir que a argamassa com incorporação de 60% de cal aérea, 40% de gesso e 20% de PCM, mostrou um equilíbrio entre as suas características mecânicas e retração (Cunha et al., 2012).
c) Funcionalização de argamassas para controlo das condições ambiente
Este trabalho diz respeito ao desenvolvimento de argamassas funcionais onde foi utilizada uma argamassa padrão de revestimento à qual foi adicionada poliacrilato de sódio, dióxido de titânio (TiO2) e um material de mudança de fase (PCM). A adição de um ou mais aditivos na argamassa padrões, realizando as várias combinações, foram realizados ensaios de caracterização de propriedade, de produto endurecido, mecânicos, densidade aparente, permeabilidade, etc (Vieira, 2012).
Através deste estudo foi possível retirar como conclusões que no estado fresco, a adição de adjuvantes requer um acréscimo de água de amassadura para se obter a trabalhabilidade
necessária, sendo que, a adição de PCM influencia negativamente esta desvantagem (Vieira, 2012).
Argamassas com adição de materiais de mudança de fase apresentam valores de viscosidade plástica e de tensão de escoamento mais elevados que as restantes misturas, apesar da superior quantidade de água e amassadura. O valor do coeficiente de capilaridade é influenciado pela quantidade e tamanho dos poros e o seu grau de interligação. As amostras preparadas com a mistura de PCM na argamassa padrão apresentam valores elevados de capilaridade. No entanto, estas amostras exibem inchamento superficial quando entram em contacto com a água, podendo trazer problemas estruturais e estéticos após cura. No ensaio fotocatalítico verificou-se que as amostras que possuíam PCM na sua constituição têm menor capacidade de degradação de poluentes atmosféricos, nomeadamente NOx (Vieira, 2012).
Por fim, pode concluir-se que havendo um balanço ponderado de diferentes aditivos consegue-se obter argamassas que apresentam novas (múltiplas) funções, mas por vezes foi comprometido o seu processamento e propriedades básicas, essencialmente, de degradação superficial (Vieira, 2012).
d) Argamassas Sustentáveis de Baixa Retração
Foram estudadas argamassas onde houve variação da percentagem de PCM, 10%, 20% e 30%, nas composições em que as argamassas fissuraram introduziu-se gesso e fibras. Foram efetuados ensaios para ajuda na compreensão da influência dos materiais nomeadamente no que diz respeito à retração, componente que se pretende controlar (Martins, 2012).
Em termos de conclusões retiradas do trabalho elaborado tem-se que o PCM não facilita o controlo da retração, pelo que foi necessário preparar argamassas com adição de gesso e fibras para controlar o problema a fissuração fazendo com que este fosse atenuado. Com adição das fibras na argamassa conseguiu-se baixar um pouco o valor de retração, uma vez que estas diminuem as deformações no interior da argamassa. “Em todas as composições ensaiadas, foi nas primeiras 24 horas que a retração teve uma maior variação, a partir do 3º, 4º dia este valor tenderia a manter-se constante até ao 7º dia em que era realizada a desmoldagem e mantendo-se o registo do comportamento da retração até aos 28 dias.” Para o ensaio de retração, a
argamassa com incorporação 20% de PCM, 40% de Gesso e 60% de Cal, mostrou valores de baixa retração (Martins, 2012).
Através da introdução das fibras de poliamida e gesso conseguiu-se baixas o valor da retração nas primeiras horas, quando a argamassa não possui resistência mecânica para absorver os esforços originados durante este processo, causando a fendilhação nesta fase (Martins, 2012).
Através da análise deste trabalho foi possível concluir também que, através dos resultados dos ensaios de perda de massa, as argamassas sem incorporação de PCM são as que têm maior perda de massa e em menos tempo. As argamassas com 10% e 20% têm um valor de perda de massa inferior aos das respectivas argamassas de referência em cada série. As argamassas com 30 % de PCM apresentaram os valores mais elevados de perda de massa (Martins, 2012).
e) Valorização térmica de argamassa de reboco com Phase Change Materials: Abordagem experimental e numérica
Os objetivos deste trabalho passam pela caracterização de um novo material de construção compósito com incorporação de microcápsulas de PCM em argamassa de reboco. O estudo foi feito com base em duas células para testes em pequena escala: uma com recurso a argamassa convencional; e outra com PCM na argamassa de reboco. Ambas foram monitorizadas quando submetidas a ciclos de temperaturas realistas, com altas variações de temperatura, a fim de avaliar o efeito de incorporação do PCM (Sá et al., 2012).
Daqui é possível concluir que a argamassa reforçada termicamente foi alcançada com 25% de PCM na fração de massa, como características térmicas da argamassa desenvolvida temos: entalpia de 25 kJ / kg, numa gama de fusão de 23ºC a 25ºC; e condutividade térmica de 0,3 W / mºC, e por fim concluiu-se que a melhor solução para alcançar o conforto térmico com PCM depende dos ciclos térmicos ambientais, e que as soluções de compromisso devem ser adaptadas para ter um desempenho quase ideal durante todo o período do ano possível mais prolongado (Sá et al., 2012).
2.4 Placas de Gesso Cartonado com PCM’s
2.4.1 Definição
As placas de gesso cartonado são um material cada vez mais utilizado na construção civil na execução de divisórias interiores e no revestimento e isolamento de paredes e tetos. A sua utilização ajuda a criar um ambiente saudável e com maior conforto térmico e acústico contribuindo para uma finalização perfeita sem fissuras ou deformações. Este material é eficaz e versátil pois permite a alteração e modulação interior adequando-os à arquitetura desejada. O seu sistema de construção a seco é um método rápido, limpo, económico e ambientalmente sustentável. São a solução ideal para a nova construção e reabilitação de espaços existentes (Gyptec, 2014).
As placas de gesso laminado ou placas de gesso cartonado são resistentes ao fogo, ao impacto e são isentas de substâncias nocivas. Promovem um maior conforto térmico e acústico e possibilitam várias hipóteses de acabamento proporcionando uma finalização sem fissuras ou deformações. São um material eficiente e económico e promovem uma boa eficiência energética na medida em que reduzem as necessidades energéticas de aquecimento e arrefecimento dos edifícios, reduzindo consumos e custos de energia. Por fim, são um material eficaz e versátil pois permite alterar a modulação interior. O sistema de construção a seco é rápido, limpo, económico e sustentável ao nível ambiental (Gyptec, 2013).
As placas de gesso cartonado podem ser aplicadas de várias formas consoante o objetivo da sua aplicação ou, em caso de reabilitação, consoante o existente. Um dos métodos é o revestimento de parede direto com transformados, que passa por após executado o corte das placas com as medidas necessárias, aplica-se punhados de pasta de adesão onde as placas serão fixadas de seguida.
Se se optar por revestimento de parede semidirecto (Figura 8) haverá a necessidade de utilizar calhas que serão fixadas à parede e posteriormente serão aparafusadas nessas mesmas calhas as placas de gesso cartonado (URALITA, 2008).
Figura 8 - Revestimento de parede semidirecto (URALITA, 2008)
No caso de revestimento de parede autoportante (Figura 9) o primeiro passo será instalar canais superiores e inferiores onde serão aparafusados montantes verticais. As placas de gesso cartonado serão aparafusadas a esses montantes constituindo assim o revestimento da parede (URALITA, 2008).
Figura 9 - Revestimento de parede autoportante (URALITA, 2008)
Para a execução de divisórias são necessários canais superiores e inferiores onde serão aparafusados os montantes verticais. As placas são aparafusadas aos montantes. Neste caso serão utilizadas placas de gesso cartonado em ambas as faces da estrutura (URALITA, 2008). Na Figura 10 é ilustrada a parede divisória em placas de gesso cartonado.
Figura 10 - Parede divisória em placas de gesso cartonado (URALITA, 2008)
Por fim para a execução de tetos existe a aplicação através de quadrícula (Figura 11), teto suspenso com forquilha (Figura 12), e teto suspenso (Figura 13). Na execução de teto em quadrícula, será necessário definir uma linha de nível nas paredes para que sirva de referência, de seguida serão implantados os perfis primários. Serão colocados varões roscados para que assim se possa fixar toda a estrutura suspensa. Procede-se à colocação de perfis secundários para que assim se possam formar as quadrículas para posterior aplicação das placas devidamente cortadas (URALITA, 2008).
Para o teto suspenso com forquilha, após a marcação da linha de nível nas paredes serão colocados ao longo dessa linha perfis de perímetro. Após esta etapa serão colocados os restantes suportes. Após terminada a estrutura poderá proceder-se ao aparafusamento das placas. Por fim no teto suspenso serão utilizados perfis ao longo da parede, onde serão fixos perfis perpendiculares a estes com ajuda de varões roscados. Após a estrutura completa pode aparafusar-se as placas de gesso cartonado (URALITA, 2008).
Figura 12 - Teto suspenso com forquilha (URALITA, 2008)
Figura 13 - Teto suspenso (URALITA, 2008)
Em todas as situações referidas anteriormente é possível a colocação de isolamento. É de salientar que são necessárias algumas particularidades em pontos-chave como por exemplo, portas, janelas, cantos, remates, etc.
2.4.2 Aplicações de placas de gesso cartonado com incorporação de PCM’s
A envolvente vertical dos edifícios é um dos elementos construtivos preferenciais para estudo das potencialidades dos materiais de mudança de fase, em que uma das formas é a sua incorporação em placas de gesso cartonado e revestimentos à base de gesso (Nunes, 2011).
Os painéis de gesso cartonado comuns podem ser substituídos por painéis de gesso cartonado com incorporação de PCM’s durante a nova construção ou durante a reabilitação de um edifício existente, isto aumenta as áreas de armazenamento térmico para aquecimento/arrefecimento solar passivo, permitindo a diminuição da utilização de equipamento mecânico de climatização (Tyagi & Buddhi, 2007).
Athienitis et al analisaram o comportamento de uma célula de teste constituída por painéis de gesso cartonado com incorporação de PCM (25% em massa e temperatura de transição entre 17-21ºC), sujeitos a temperaturas exteriores de inverno. A temperatura interior da célula foi mantida a 23ºC durante o dia e a 16ºC durante a noite. Verificou-se uma redução na temperatura máxima de 4ºC na célula de teste com incorporação de PCM’s, ou seja permite reduzir 15% o consumo de energia para aquecimento (Athienitis et. al, 1997).
Darkwa et al investigaram o comportamento de duas soluções diferentes incorporando materiais de mudança de fase. Foram comparados painéis de gesso cartonado, com 12 mm de espessura, com incorporação de PCM’s, com placas de gesso cartonado simples, com 10 mm de espessura, revestidas por lâminas de PCM com 2 mm, perfazendo assim os 12mm. A percentagem de materiais de mudança de fase incorporados foi de 17% nas duas soluções. As conclusões retiradas foram que a utilização de PCM laminado é mais eficiente no que diz respeito à utilização da energia latente, esta solução contribuiu para um aumento de 17% da temperatura interior mínima (Darkwa et.al, 2006).
Chen et al estudaram a aplicação de material de mudança de fase incorporado em painéis de gesso cartonado numa parede orientada a norte(Chen et. al, 2008).
A aplicação de PCM’s adequada à superfície interna da parede de teste não só pode melhorar o conforto térmico interior como também aumentar a taxa de utilização da radiação solar, o que faz com que o consumo de energia para aquecimento seja reduzida. A temperatura
máxima atingida durante o dia foi de 25.5ºC no lado de referência e de 24ºC no lado do PCM (Chen et al., 2008).
No inverno, com a utilização de painéis com 30mm de espessura e materiais de mudança de fase com temperatura de transição de 23ºC, manifestou uma poupança energética de 17% com base numa temperatura de conforto de 20ºC (Chen et al., 2008).
Kalousck e Hirs desenvolveram um caso de estudo, onde comparam o conforto térmico simulado em duas salas no sótão de uma casa durante o verão. A primeira sala contem gesso convencional e a segunda com painéis com incorporação de materiais de mudança de fase com ponto de fusão de 29˚C, com uma aplicação a 70% PCM e 30% em gesso. Conclui-se deste estudo que o painel com PCM poderia manter o conforto térmico de verão, onde se verificou que a temperatura da superfície diminuiu 3,5 e a temperatura do ar no interior da sala diminuiu 2,5 ˚C (Kalousk M, 2003).
Oliver et al examinaram a conformidade da inclusão de materiais de mudança de fase em painéis de gesso para aumentar a sua capacidade de armazenamento de energia térmica. Foram incluídas no estudo as influências de diferentes parâmetros e variáveis do sistema (temperatura ambiente, velocidade do ar, exposição de materiais de mudança de fase e localização no edifício), por forma a estabelecer um sistema de armazenamento de calor latente que, em conjunto com estratégias passivas (ganhos solares, ventilação natural), fosse capaz de reduzir o consumo de energia em edifícios. Deste trabalho foi possível concluir que um painel de gesso com 1,5 cm de espessura, com incorporação 44,5% do seu peso em PCM, é capaz de aumentar a capacidade de armazenamento térmico em cinco vezes comparando com um painel de gesso atual com a mesma espessura, ou uma parede de tijolo com 11,5 cm de espessura na faixa de conforto (20-30 °C), mantendo as propriedades mecânicas e físicas necessárias (Oliver et. al, 2010).
Schossig et al estudaram a incorporação de microcápsulas de PCM em pastas de gesso. O trabalho foi baseado em duas células de teste, cujas paredes foram revestidas internamente com gesso projetado, com e sem PCM. Durante o decorrer da experiência, foram testadas duas soluções: um revestimento com 6 mm de espessura, incorporando 40% de PCM, e um outro, com 15 mm de espessura incorporando 20% de PCM; em que o material de mudança de fase utilizado apresentava uma gama de temperaturas de transição entre os 24-27 ˚C.
Como conclusões temos que, o revestimento de 6 mm apresentou uma temperatura interior máxima, na célula com PCM, de cerca de 4 ˚C mais baixa, sendo esta atingida com um desfasamento de 1 hora mais tarde. Com utilização de estores interiores, as diferenças registadas foram de apenas 2 ˚C. Foi também possível verificar que durante um período de três semanas, apenas se registaram temperaturas superiores a 28 ˚C durante cerca de 5 horas na célula com PCM, em detrimento das cerca de 50 horas na célula de referência (Schossig et. al, 2005).
Figura 14 - Comparação dos resultados de temperaturas obtidas para uma solução com e sem incorporação de PCM (Schossig et al., 2005)
2.5 Tintas como Material de Revestimento
Estes tipos de revestimentos são utilizados como revestimentos de acabamento com o objetivo de proporcionar às paredes um aspeto agradável e conforto visual, constituindo assim um dos materiais mais utilizados na construção civil.
As tintas são compostas por duas fases: extrato seco e um veículo volátil. Cada uma destas fases é composta por diferentes componentes, que interagem física e quimicamente entre si, conferindo à tinta as propriedades necessárias para um bom desempenho (Marques, 2013).
A parte sólida das tintas são as resinas, os pigmentos e os aditivos, o veículo volátil é o componente líquido formado por solventes e diluentes que se evaporam durante a secagem e cura (Marques, 2013).
Todas as tintas depois de aplicadas podem formar uma película dura e impenetrável, uma película porosa e dura ou então uma mistura das duas. Através destas combinações é possível criar tintas com determinadas características (Marques, 2013).
Existem vários tipos de tintas que podem ser usadas em revestimentos. Existem tintas com elevado teor em sólidos, estas são evoluções das formulações tradicionais, possuem formulações líquidas semelhantes às tradicionais mas as resinas utilizadas são modificadas para produzir uma tinta com elevada concentração de sólidos e baixo teor em compostos orgânicos voláteis (Marques, 2013).
As tintas em pó foram usadas na década de 1950 para pintar canalizações por forma a prevenir a corrosão e para isolamento de partes elétricas de motores. Os constituintes do pó são idênticos à tinta molhada com resinas, pigmentos e aditivos, mas falta um solvente. O pó utilizado é geralmente vinil ou epóxi e mais focado na funcionalidade do que nas qualidades decorativas (Marques, 2013).
Por fim, as tintas curadas pela luz UV requerem radiação eletromagnética para iniciar reticulação da resina. Podem ser 100% líquidos reativos, eliminando a utilização de solventes e, ao reduzir o desperdício de tinta, conseguem atingir perto de 100% de eficiência. A sua utilização é direcionada para vários materiais, incluindo madeira, plástico, papel e metal e podem ser aplicadas usando os métodos tradicionais de pulverização, embora o rolo de pintura seja usado frequentemente (Marques, 2013).
A diversidade de produtos de pintura existentes no mercado, com distintas aplicações e com variadas características, permite obter produtos adaptáveis a cada situação. Quando se pretende especificar um determinado produto de pintura recorre-se usualmente a um dos tipos de classificação usuais que têm em consideração: a natureza do solvente, a natureza do ligante ou o fim a que se destinam (Marques, 2013).
CAPÍTULO III – MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Materiais utilizados
3.1.1 Material de Mudança de Fase
O PCM para incorporação na tinta é fornecido pela empresa Microtek, com nome comercial para este produto de MPCM 24; o tamanho médio das partículas de 18.3μm, apresentando uma entalpia de 127.3 J/g e uma temperatura de transformação de fase de cerca de 23.3ºC. A Figura 15 ilustra o aspeto deste material.
Figura 15 - Material de mudança de fase utilizado
3.1.2 Tinta
A tinta utilizada no decorrer da investigação é da marca SOTINCO produto EDIPLÁS (figura 16). Esta tinta é aquosa de cor branca com boa aplicabilidade e opacidade, é utilizada na pintura de superfícies interiores e exteriores quando o pretendido é um acabamento rápido e económico. O seu tempo de secagem (a 20ºC e 60ºC de humidade relativa) é cerca de 30 minutos na pintura superficial e cerca de 4 horas da repintura. Este produto contém no máximo 1 g/L COV (compostos orgânicos voláteis), sendo o valor limite da União Europeia para este produto (cat. A/a) de 30 g/L. O rendimento é variável conforme o tipo e estado do suporte, bem como das condições e tipo de aplicação. O valor orientativo é de 9 a 12 m2/L, por demão.
Esta tinta contém aditivos contra fungos e bolores, para a proteção da película seca, mas nos lugares fortemente propícios ao seu desenvolvimento deve acrescentar-se até 5% de aditivo anti fungos. (CIN, 2004)
Figura 16 – Tinta utilizada (CIN, 2004)
Foi escolhida tinta branca porque uma tinta com cor poderia implicar outros estudos que não são objetivo desta dissertação, como a influência dos materiais de mudança de fase na cor da tinta. A tinta é aquosa para que não haja a possibilidade de ocorrência de reações entre os PCM’s e os componentes de uma tinta que não tenha como base água (elemento neutro).
3.1.3 Gesso Cartonado
As placas de gesso cartonado utilizadas para construção do modelo físico e nos provetes ensaiados são as normalmente utilizadas no ramo da construção civil da GYPTEC IBERICA, com 13mm de espessura, compostas por papel em ambas as faces e gesso no interior, denominadas por BA13A com marcação CE. Cada placa tem como dimensões 2000x1200mm. A Figura 17 ilustra as placas de gesso cartonado utilizadas.
Figura 17 - Placa de gesso cartonado utilizada
3.1.4 Cimento
Para a produção do pavimento necessário para a construção do modelo de testes um dos materiais utilizados foi o cimento, material ligante. Foi utilizado o cimento Portland de calcário, produzido pela Secil, que se encontra representado na Figura 18, sendo este o cimento mais utilizado para betão pronto ou fabricado em obra de média a elevada resistência, betão pré-esforçado a idades correntes, betões projetados, betões leves e betões de regularização, pré-fabricação pesada com rotatividade normal ou pré-fabricação ligeira de grande rotatividade e reforço e reparação de betão estrutural. Este é designado como CEM II/A-L Classe 42,5R e a sua composição é de 80% a 94% de clínquer Porteland, 6% a 20% de calcário e 0% a 5% de outros componentes. (Secil, 2004)
Como principais características, este cimento possui uma cor cinzenta, menor calor de hidratação e melhor trabalhabilidade quando comparado com um cimento CEM I da mesma classe de resistência. Tem um desenvolvimento rápido de resistências (resistência inicial elevada) e resistências finais dentro dos valores da classe indicada aos 28 dias de idade (Secil, 2004).
No quadro 4 que se segue pode observar-se as características mecânicas associadas a este cimento.
Quadro 4 - Características mecânicas do cimento CEM II/A-L Classe 42,5R (Secil, 2004)
Resistência à compressão (MPa) Resistência aos primeiros dias Resistência de referência
NP EN 196-1 2 Dias 7 Dias 28 Dias
≥ 20 - ≥ 42,5 e ≤ 62,5
3.1.5 Água
A quantidade de água necessária para a realização de amassaduras tem um papel bastante importante na qualidade destas, pois a relação entre água ligante irá influenciar as características mecânicas da argamassa efetuada. A água utilizada deve ser isenta de impurezas em quantidades que possam prejudicar as propriedades da argamassa.
A água utilizada na amassadura do pavimento executado foi recolhida no Laboratório de Materiais de Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Esta provem da rede de águas públicas que abastece a cidade de Guimarães.
3.1.6 Areia
Numa argamassa o único agregado é a areia e alguma alteração na sua qualidade provoca efeitos consideráveis na argamassa final, que pode afetar os resultados desejados. A qualidade depende de alguns fatores como, tamanho médio e forma das partículas, sua distribuição granulométrica e presença de impurezas. Na argamassa a areia tem como intuito reduzir a retração e melhorar a resistência à compressão (Paiva, 2005).
A areia adicionada à amassadura estava acondicionada no Laboratório de Materiais de Construção Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho e é areia natural do rio e tem uma dimensão de cerca de 0/4mm.
3.2 Métodos de ensaio utilizados
3.2.1 Ensaios mecânicos
Por forma a caracterizar o pavimento efetuado para o modelo de testes que será descrito no capítulo seguinte (Capitulo 4) foram efetuados três provetes para serem submetidos a ensaios mecânicos, nomeadamente resistência à flexão e resistência à compressão.
Os ensaios de resistência à flexão, foram executados numa prensa eletromecânica. Os procedimentos utilizados foram os indicados na norma EN 1015-11 (1999) (Martins, 2012). A resistência à flexão foi determinada do seguinte modo:
1. Marcam-se os provetes com 3cm de cada lado e ao meio 8cm, de forma a que as superfícies que transmitem a carga estabeleçam contacto com as faces de moldagem; 2. Posicionam-se os provetes na prensa para o ensaio à flexão, aplica-se a carga até levar
à rotura;
3. Regista-se o valor máximo da força, para a qual o provete atingiu a rotura. A força dada é determinada pelo software da prensa eletromecânica;
4. O procedimento é repetido para os restantes provetes. Antes de cada utilização verificar sempre se a prensa está limpa, para não haver alterações de resultados; 5. No final do ensaio de flexão, guardam-se os provetes para iniciar o ensaio de
compressão.
Os ensaios de resistência à compressão foram realizados seguinte a norma EN 1015-11 (1999) tal como os ensaios à flexão (Martins, 2012).
O procedimento de ensaio é descrito do segundo modo:
1. No final do ensaio de flexão, inicia-se o ensaio de compressão.
2. Os provetes a serem estudados são as duas metades de cada provete que restaram do ensaio de flexão;
