1 FACULDADE MERIDIONAL – IMED
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
GUSTAVO CARDOSO BORN
MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO IN LOCO DA ABSORTÂNCIA
DE SUPERFÍCIES OPACAS NO CONTEXTO DO PROGRAMA
BRASILEIRO DE ETIQUETAGEM DE EDIFÍCIOS
Passo Fundo 2020
2 GUSTAVO CARDOSO BORN
MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO IN LOCO DA ABSORTÂNCIA DE SUPERFÍCIES OPACAS NO CONTEXTO DO PROGRAMA BRASILEIRO DE
ETIQUETAGEM DE EDIFÍCIOS
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Faculdade Meridional como requisito parcial para obtenção do Título de MESTRE em Engenharia Civil.
Área de Concentração: Gestão das construções e desempenho das edificações.
Orientador: Professor Dr. Daniel Cóstola
Passo Fundo 2020
3 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)
B736m Born, Gustavo Cardoso
Método para determinação in loco da absortância de superfícies opacas no contexto do Programa Brasileiro de etiquetagem de edifícios / Gustavo Cardoso Born. -- Passo Fundo: Faculdade Meridional – IMED, 2020.
82 f.
Dissertação (Mestrado) – Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia Civil. Faculdade Meridional - IMED, Passo Fundo. RS, 2020.
Orientador: Prof. Dr. Daniel Cóstola.
1. Engenharia Civil. 2. Etiquetagem Energética - Edificações. 3. Espectrômetro. 4. Absortância - Radiação Solar. I.Título. II. Cóstola, Daniel, Orient.
CDU: 624 Catalogação: Maria Cristina de Siqueira Santos – Bibliotecária CRB 10/1811
4 Autor: Gustavo Cardoso Born
Título: Método para determinação in loco da absortância de superfícies opacas no contexto do programa brasileiro de etiquetagem de edifícios
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu – Mestrado em Engenharia Civil – da IMED, como requisito para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil.
Passo Fundo, RS, 29 de abril de 2020.
_____________________________________________ Dr. Daniel Cóstola – Presidente
_____________________________________________ Dra. Beatriz Arantes – Membro
_____________________________________________ Dr. Rodrigo de Almeida Silva – Membro
5
AGRADECIMENTOS
Á minha família, que nos momentos mais difíceis estava me incentivando, fazendo acreditar que era possível.
Ao meu orientador, Professor Daniel, por todo incentivo, ensinamentos, confiança e paciência.
Ao IFSUL, pelo incentivo financeiro e institucional à realização deste estudo. Á Professora Luciana Fernandes pelo apoio e ótimas aulas.
Aos funcionários das lojas Sul Cores e Tumelero, de Passo Fundo, que forneceram materiais para o desenvolvimento da pesquisa.
Aos professores e colegas do PPGENG da IMED que contribuíram para a minha formação e crescimento acadêmico.
6 BORN, Gustavo Cardoso. MÉTODO PARA DETERMINAÇÃO IN LOCO DA ABSORTÂNCIA DE SUPERFÍCIES OPACAS NO CONTEXTO DO PROGRAMA BRASILEIRO DE ETIQUETAGEM DE EDIFÍCIOS. 2020. 82 f. Dissertação - Programa de Pós-graduação Stricto Sensu em Engenharia Civil, Faculdade Meridional, Passo Fundo, 2020.
RESUMO
A etiquetagem é uma ferramenta de aprimoramento do padrão de eficiência energética das edificações. No Brasil, a etiquetagem residencial não é obrigatória. Os custos da etiquetagem são elevados e dificultam a sua popularização. Uma etapa que demanda custos elevados é a determinação da absortância das superfícies opacas, a qual exige equipamentos específicos. A absortância tem uma grande contribuição no ganho de calor da edificação e sua precisa avaliação é necessária para o atendimento dos critérios de emissão da etiqueta energética da edificação. Simplificar este sistema, mantendo a precisão necessária ao processo, visa atender a necessidade de ampliar a planta de edificações etiquetadas no país. Para isto, este trabalho objetiva verificar a incerteza de métodos alternativos para determinação de absortância de superfícies opacas. É analisado o método de aproximação por RGB (red, green, blue) com captação dos parâmetros por dois meios, por imagens digitais e fotografias. Os métodos alternativos foram comparados com os resultados obtidos com o espectrômetro ALTA II e, a partir destes, calculada a incerteza de cada método. Os resultados apontaram que a incerteza padronizada do método RGB para amostras do catálogo virtual é de 0,0424 (sendo a absortância um valor entre 0 e 1). Isso resulta em uma incerteza expandida de ±8,5%, que é o intervalo de confiança da medição (vulgarmente chamada de margem de erro), sendo calculado considerando um nível de confiança de 95% (ou seja, em 95% das medições, o erro será de no máximo ±8,5% em relação às leituras do ALTA-II). A incerteza expandida quando são utilizadas fotografias obtidas por dispositivo portátil com câmera (tais como celular ou tablete) apresentou incerteza expandida de ±10,8%. Estes resultados apontaram que estes métodos podem contribuir com a simplificação do programa brasileiro de etiquetagem sem comprometer qualidade da medição.
7 BORN, Gustavo Cardoso. Method for the in loco determination of the absortance of opaque surfaces in the context of the Brazilian building labeling program. 2020. 82 f. Dissertação - Programa de Pós-graduação Stricto Sensu em Engenharia Civil, Faculdade Meridional, Passo Fundo, 2020.
ABSTRACT
Labeling is a tool for improving the energy efficiency of buildings. In Brazil, residential labeling is not mandatory. The costs of labeling are high and make it difficult to become popular. One step that demands high costs is the determination of the absortance of the opaque surfaces, which by RAC requires specific equipment. Absortance has a great contribution to the building's heat gain and its precise evaluation is necessary to satisfy the ENCE labeling criteria. Simplifying this system, while maintaining the necessary precision to the process, aims to meet the need to expand the plant of buildings labeled in the country. For this, this work aims to verify the uncertainty of alternative methods to determine the abscissa of the opaque surface. The approach of RGB (red, green, blue) with parameter capture by two ways, by digital images and photographs will be analyzed. The alternative methods were compared with results obtained with the ALTA II spectrometer and, from these, calculated the uncertainty of each method. The results showed that the uncertainty of the RGB method for the use of virtual samples is 8,48%, while the method for determining absortance of painted samples with using a portable device with a camera is 10,81%. These results indicate that these methods can contribute to a simplification of the Brazilian labeling process.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Participação setorial no consumo de eletricidade: ano base 2018. . 15
Figura 2 – Histórico da composição setorial do consumo de eletricidade. ... 15
Figura 3 – Modelo de Etiqueta Nacional de Conservação de Energia. ... 17
Figura 4 – Certificado energético de Portugal. ... 17
Figura 5 – Espectro solar padrão. ... 23
Figura 6 – Faixa visível do espectro. ... 24
Figura 7 – Trocas de calor pelo envelope da edificação. ... 28
Figura 8 – Absortância de tintas medidas por espectrofotômetro. ... 31
Figura 9 – Imagem ambiente interno. ... 32
Figura 10 – Imagem térmica do ambiente. ... 32
Figura 11 – Influência linear da rugosidade sobre as refletâncias das superfícies ... 33
Figura 12 – Interreflexões devidas à ondulação. ... 34
Figura 13 – Comparativo de absortância das telhas de fibrocimento ... 35
Figura 14 – Comportamento de tintas frias e padrão frente ao espectro solar padrão ... 37
Figura 15 – SOC410-Solar Refletômetro portátil ... 38
Figura 16 – Esquema de posicionamento do piranômetro ... 39
Figura 17 – Piranômetro CMP6 ... 39
Figura 18 – Espectrofotômetro com esfera integradora ... 40
Figura 19 – Vista frontal do ALTA II. ... 43
Figura 20 – Vista traseira do ALTA II. ... 43
Figura 21 – Círculos cromáticos RGB. ... 44
9
Figura 23 – Esquema do método de pesquisa. ... 47
Figura 24 – Mostruário de tintas. ... 48
Figura 25 – Amostras Grupo 01. ... 49
Figura 26 – Amostra catálogo virtual marca Tintas Renner. ... 50
Figura 27 – Caixa de MDF: invólucro de proteção. ... 51
Figura 28 – Coleta de dados no software Microsoft Paint 3D. ... 53
Figura 29 – Caixas para coleta de imagens. ... 56
Figura 30 – Imagens coletadas durante as etapas preliminares. ... 56
Figura 31 – Caixa 03 em MDF para captação de imagem. ... 57
Figura 32 – Caixa 03 em MDF para captação de imagem com aparelho smartphone. ... 57
Figura 33 – Ferramenta máscara de cor do software Corel Photo-Paint X7. ... 59
Figura 34 – Demarcação dos pontos de coleta dos parâmetros cromáticos. ... 59
Figura 35 – Correlação dos valores de absortância total para amostras do Grupo 02 pela equação de Dornelles. ... 65
Figura 36 – Correlação do Método RGB para amostras do catálogo virtual com valores referenciais. ... 66
Figura 37 – Correlação do parâmetro cromático L (Brilho) para as amostras do Grupo 02 aos valores de absortância de referência ... 67
Figura 38 – Amostras coletadas com dispositivo portátil em caixa escura. ... 70
Figura 39 – Correlação dos valores de absortância visível para amostras do Grupo 01 pela equação de Dornelles. ... 72
Figura 40 – Correlação dos valores de absortância total para amostras do Grupo 01 pela equação de Dornelles. ... 72
Figura 41 – Correlação dos valores de absortância para amostras do Grupo 01 pela equação proposta. ... 73
Figura 42 – Correlação do parâmetro cromático B (Azul) para as amostras do Grupo 01 aos valores de absortância de referência. ... 74
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Pré-requisitos de envoltória no RTQ-C. ... 26
Tabela 2 – Pré-requisitos de envoltória no RTQ-R. ... 26
Tabela 3 – Valores de absortância publicado por diversos autores. ... 29
Tabela 4 – Absortância (α) para radiação solar (ondas curtas). ... 30
Tabela 5 – Absortância medida em espectrofotômetro, por comprimento de onda ... 41
Tabela 6 – Valores de refletância (r) absortância (a) das amostras de MDF medidos com o espectrômetro. ... 62
Tabela 7 – Valores de absortância medidos com o espectrômetro e referenciais normativos nacionais. ... 63
Tabela 8 – Valores de absortância medidos com o espectrômetro e referenciais bibliográficos. ... 63
Tabela 9 – Parâmetros cromáticos das amostras de catálogo eletrônico de tintas. ... 64
Tabela 10 – Comparação do valor de absortância medido por espectrômetro e por aproximação RGB para amostras de catálogo eletrônico de tintas. ... 67
Tabela 11 – Parâmetros cromáticos das amostras de MDF coletados por dispositivo portátil. ... 70
Tabela 12 – Parâmetros cromáticos e valores estimados para cada ponto da amostra 1 (cuja α AbsRef é de 99,54%), absortância estimada pela Eq. 6, e desvio entre a estimativa e o valor de referência obtido com o ALTA II. ... 74
Tabela 13 – Comparação do valor de absortância medido por espectrômetro e por aproximação RGB para amostras pintadas em MDF. ... 75
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM – American Society for Testing and Materials
CB3E – Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações CGIEE – Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência
Energética
ENCE – Etiqueta Nacional de Conservação de Energia
HSL – Hue, Saturation, Lightness
NBR – Norma Brasileira
OIA – Organismo de Inspeção Acreditado PBE – Programa Brasileiro de Etiquetagem
RAC – Requisitos de Avaliação da Conformidade para Eficiência Energética de Edificações
RGB – Red, Green, Blue
RTQ-C – Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Comerciais, de Serviços e Públicas
RTQ-R – Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais
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SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ... 5 RESUMO... 6 ABSTRACT ... 7 LISTA DE FIGURAS ... 8 LISTA DE TABELAS ... 10LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... 11
SUMÁRIO ... 12
1. INTRODUÇÃO ... 14
1.1. APRESENTAÇÃO DO TEMA ... 14
1.2. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TEMA ... 17
1.3. OBJETIVOS ... 20
1.4. ESTRUTURA DA PESQUISA ... 21
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22
2.1. RADIAÇÃO E O ESPECTRO SOLAR ... 22
2.2. ABSORTÂNCIA E A EFICIÊNCIA DE EDIFICAÇÕES ... 24
2.3. ABSORTÂNCIA DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO COMUMENTE UTILIZADOS NO BRASIL ... 27
2.4. FATORES QUE INTERFEREM NA ABSORTÂNCIA DE SUPERFÍCIES OPACAS ... 31
2.5. MÉTODOS NORMATIZADOS DE MEDIÇÃO ... 37
2.6. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE MEDIÇÃO ... 42
2.7. SISTEMAS CROMÁTICOS DIGITÁIS ... 44
3. MÉTODO DE PESQUISA ... 46 3.1. DEFINIÇÃO DAS AMOSTRAS DE TINTAS A SEREM ANALISADAS 47
13
3.2. MÉTODO REFERENCIAL ... 50
3.3. MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE ABSORTÂNCIA POR APROXIMAÇÃO RGB ... 53
3.4. ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 60
4. RESULTADOS ... 62
4.1. ABSORTÂNCIA MEDIDA COM ESPECTRÔMETRO ALTA II ... 62
4.2. ABSORTÂNCIA POR APROXIMAÇÃO RGB ... 64
5. CONCLUSÕES ... 77
14
1. INTRODUÇÃO
1.1. APRESENTAÇÃO DO TEMA
Edificações são responsáveis por cerca de 58% do consumo de energia elétrica na comunidade europeia e as perspectivas indicam aumento contínuo por demanda de energia no setor (UNIÃO EUROPEIA, 2019). Para evitar que esta demanda esteja acima da capacidade do sistema, intervenções podem ser realizadas, otimizando o uso de energia, de modo que as edificações sejam continuamente aprimoradas para não comprometer o sistema energético nacional. Reformando ou construindo edificações mais eficientes sem prejudicar os níveis de conforto, saúde e produtividade dos usuários (UNIÃO EUROPEIA, 2002). Segundo Pérez-Lombard et al. (2009), foi no final do século XX que líderes mundiais passaram a debater mais intensamente formas de equilibrar o uso de fontes de energia e reduzir o impacto ambiental causado pelo homem à natureza. Desde então, por questões financeiras e/ou ambientais, este assunto tem pautado os governos a buscarem soluções para otimizar a matriz energética local, estimulando fontes de energia alternativas e também a redução do consumo de energia. Através de políticas de regulação e/ou certificação, alguns países optam por tornar estas políticas obrigatórias, enquanto outros disponibilizam os regramentos por adesão voluntária, com ou sem incentivos (LOPES et al., 2016; PÉREZ-LOMBARD et al., 2009).
Um instrumento da política de eficiência energética é a etiquetagem. Com o objetivo de controlar o crescimento do consumo de energia das edificações, a União Europeia implementou a etiqueta inicialmente em equipamentos consumidores de energia e, posteriormente, a etiquetagem das edificações foi estabelecida pela Diretiva 2002/91/CE. Ela definiu que edificações novas ou que passarem por reformas devem ser etiquetadas (UNIÃO EUROPEIA, 2002).
No Brasil o cenário energético não é diferente, no ano de 2018 foram 50,5% de consumo de energia elétrica do agrupamento dos setores público, comercial e residencial. Embora em uma fração um pouco menor que na União Europeia, este dado indica a relevância da atenção a este setor. Na Figura 1,
15 tem-se a participação setorial de consumo de energia elétrica brasileira no ano base 2018 (BRASIL, 2019). Assim como na União Europeia, a expectativa é de crescimento da demanda por energia elétrica no agrupamento de edificações.
A Figura 2 demonstra o constante aumento de consumo que este grupo de setores tem apresentado, demandando maior proporção da matriz energética nacional. No último decênio as edificações geraram um acréscimo de 33,9% no consumo de eletricidade, enquanto foi disponibilizado ao sistema um incremento de 25,7% (BRASIL, 2019).
Figura 2 – Histórico da composição setorial do consumo de eletricidade. Fonte: Brasil (2019)
Também foi no início dos anos 2000 que surgiram os primeiros esforços para aprimorar a eficiência energética do conjunto de edificações brasileiras.
Figura 1 – Participação setorial no consumo de eletricidade: ano base 2018. Fonte: Brasil (2019)
16 Assim foi o início do sistema de etiquetagem de edificações, com a Lei nº 10.295/2001, conhecida como Lei da Eficiência Energética, posteriormente regulamentada pelo Decreto n° 4.059/2001, que determinou que fosse instituído o Comitê Gestor de Indicadores e Níveis de Eficiência Energética (CGIEE), para determinar os níveis máximos de consumo de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados ou comercializados no País, bem como das edificações construídas (BRASIL, 2001).
Após a instituição do CGIEE em 2003, deliberou-se por criar o Grupo Técnico para Melhoria da Eficiência Energética nas Edificações no País (GT-Edificações), este grupo teve a missão de regulamentar e elaborar os procedimentos de avaliação da eficiência energética das edificações construídas no Brasil, visando a racionalização do consumo de energia. Este Grupo Técnico realizou estudos, analisando o assunto no cenário internacional e optou por dar início ao primeiro processo de etiquetagem nacional (PBE EDIFICA, 2018). Deste trabalho surgiu o primeiro programa de etiquetagem de edificações, o PBE Edifica, que é resultado da fusão do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE) e do PROCEL Edifica. No programa foram desenvolvidos dois manuais, um para edificações residenciais e o outro para edificações comerciais, públicas e de serviços. Esses manuais apresentam os critérios e a metodologia estabelecida para a etiquetagem, são eles: “Requisitos Técnicos da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos” - RTQ-C (INMETRO, 2013b) - e o “Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais”- RTQ-R (INMETRO, 2012a). Baseada nos requisitos preestabelecidos pelos regulamentos, a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) avalia as edificações em níveis de eficiência, partindo de “A”, como mais eficiente, em ordem alfabética até “E”, sendo esta menos eficiente (PBE EDIFICA, 2018).
No ano de 2014, a Normativa nº02/2014 tornou obrigatória a emissão da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (Figura 3) para edificações públicas federais novas ou que passarem por retrofit (BRASIL, 2014). Para as edificações residenciais o processo ainda é voluntário. Conforme o relatório Inmetro/PBE Edifica, desde novembro de 2010 foram emitidas aproximadamente
17 duas mil e duzentas ENCE’s para edificações residenciais autônomas, este número é baixo quando comparado aos países onde a etiquetagem é obrigatória, em Portugal no mesmo período foram emitidos mais de novecentos mil certificados (Figura 4), lá, desde dezembro de 2013, toda edificação nova ou que passar por reforma, ou que for ofertada para venda ou aluguel, deve ser etiquetada (INMETRO; PBE EDIFICA, 2018a; ADENE, 2018a).
Figura 3 – Modelo de Etiqueta Nacional de Conservação de Energia.
Fonte: Inmetro; PBE Edifica (2018a)
Figura 4 – Certificado energético de Portugal. Fonte: ADENE (2018a)
No âmbito da etiquetagem, cabe ainda estudar os motivos que tornam lento o processo de crescimento deste processo no Brasil. O fato de não haver obrigatoriedade é o primeiro a ser considerado, mas outros devem ser avaliados, como desconhecimento e custo envolvido. Neste contexto será conduzido o trabalho, buscando propor uma alternativa pontual para tornar este processo mais popular e abrangente.
1.2. JUSTIFICATIVA E RELEVÂNCIA DO TEMA
Morishita (2011) estimou o resultado que a disseminação da política de etiquetagem no setor residencial brasileiro poderia gerar no setor energético,
18 indicando que até 2030 a economia de energia elétrica poderia chegar a 26%. Entretanto no cenário atual não é possível perceber uma evolução da ENCE no Brasil. O caráter voluntário ainda implica em um baixo número de ENCE’s emitidas no Brasil, é possível elencar alguns agentes causadores desta inércia: desconhecimento, falta de incentivo, baixa preocupação com a conservação de energia, burocracia no processo e custo.
A avaliação dos requisitos, documentação, realização de inspeção e emissão da ENCE é responsabilidade de uma instituição denominada Organismo de Inspeção Acreditado (OIA). Atualmente três instituições estão habilitadas a realizar estas atividades no país, a Universidade Federal de Pelotas, situada em Pelotas/RS, a Fundação Carlos Alberto Vanzolini, em São Paulo/SP e a HABT, de Natal/RN. Novamente se comparado à Portugal, temos uma realidade bem diferente, lá mais de 900 profissionais estão aptos a realizar a certificação energética de edificações (ADENE, 2018b; INMETRO, 2018).
A avaliação de conformidade para a emissão da ENCE realizada por um OIA, segundo o site do INMETRO, PBE Edifica (2018b), para uma edificação comercial ou pública de aproximadamente 500m², pode custar aproximadamente R$11.000,00. O custo envolvido no processo de obtenção da ENCE varia conforme a etapa (a etiqueta pode ser emitida sobre o projeto ou obra construída), complexidade e logística envolvida.
As características construtivas da edificação são fatores preponderantes para a determinação do nível da ENCE. Durante a avaliação, a OIA verifica a documentação e o projeto apresentado e realiza as medições determinadas pelo RAC. Entretanto, a única medição que requer equipamento específico não comum aos profissionais da construção civil é o especificado para a determinação da absortância de superfícies opacas. O RAC, no sub-item “5.2.2 – Inspeção da Envoltória”, determina os procedimentos para a inspeção de obra construída, e no que tange a absortância à radiação solar da envoltória, conforme segue:
19
A comprovação das absortâncias definidas em projeto será feita por meio da comparação com os valores medidos após a execução da obra. Para as superfícies opacas o valor da absortância é obtido matematicamente através da refletância à radiação solar da mesma superfície (a soma da absortância com a refletância é igual a um). As medições das refletâncias podem ser realizadas in loco ou em laboratório, por meio de um espectrômetro ou espectrofotômetro. (...) (INMETRO, 2013a, p.44)
Outras propriedades dos materiais como transmitância térmica, condutividade térmica e fator solar dos revestimentos translúcidos, não são verificadas in loco. Para estes, são aceitos laudos acompanhados de notas fiscais, que comprovem o emprego de materiais com as características propostas na documentação inicial. Entretanto o RAC estabelece que a determinação da absortância de elementos opacos deve ser realizada obrigatoriamente com a utilização de um dos dois equipamentos relacionados como requisitos de infraestrutura básica de funcionamento de um OIA: espectrofotômetro portátil ou espectrômetro.
A forma prescrita na norma ASTM E903 “Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres”, utiliza um espectrofotômetro de esfera em laboratório de refletância espectral de superfícies planas e homogêneas com pequena área. Para a análise é necessária coleta de amostras de cada superfície, com aproximadamente 5x5cm (PEREIRA et al., 2015a). Esta análise utiliza um equipamento de alto custo, que pode ultrapassar R$200.000,00. Esta etapa onera o processo, seja pelo custo da análise, seja pelo tempo dispendido pelo profissional para avaliar todos os elementos. Reduzir o custo deste processo é uma fase importante para possibilitar a disseminação da etiquetagem no Brasil. Um equipamento alternativo, que é aceito pelo RAC é o espectrômetro, tal como o equipamento portátil ALTA II. Este equipamento, discutido com maior detalhe no “2.6.2 – Espectrômetro portátil ALTA II”, é um equipamento desenvolvido para fins acadêmicos, que necessita de adaptações para uso em campo. Quando comparado ao outro equipamento homologado, este se faz de baixo custo, entretanto ainda acima de R$3.000,00 (este equipamento foi descontinuado da linha de produção do fabricante, que dispõe de outros modelos com a mesma funcionalidade, entretanto, de maior custo). Considerando todo o mercado brasileiro de edificações a etiquetar, seriam necessários milhares deste
20 equipamento e, consequentemente, um alto investimento em aquisição e a criação de uma estrutura de suporte, capaz de realizar manutenção e calibragem deste equipamento.
Desta forma, no contexto do programa brasileiro de etiquetagem, considerando a importância da absortância no ganho energético da envoltória, sua correlação com o consumo de energia e eficiência energética das edificações. E também a complexidade dos métodos reconhecidos de mensuração desta propriedade, pesquisar as formas alternativas de mensurá-la para fins de etiquetagem, é um meio de fornecer elementos para eventual análise de alteração do programa.
1.3. OBJETIVOS
Objeto de estudo desta pesquisa, o método de determinação de absortância in loco, com foco nos processos da avaliação de conformidade da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia, é parte importante da avaliação da eficiência energética de uma edificação. Desta forma, considerando a complexidade do sistema atual, avaliar métodos alternativos, e se estes seriam praticáveis no processo ENCE, visa criar facilitadores à disseminação da etiquetagem no Brasil.
Também para contribuir com o aprimoramento da eficiência energética, é testado um método que pode ser utilizado pelo consumidor final, proprietário da edificação, na tomada de decisão da compra da tinta, tomando conhecimento desta propriedade e a sua importância no ganho de calor que ela ocasiona. 1.3.1. Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é calcular a incerteza de métodos alternativos para determinação de absortância de superfícies opacas.
1.3.2. Objetivos específicos
Como objetivos específicos, relaciona-se:
Ampliar a base de dados de absortância utilizando o espectrômetro ALTA II;
21 Analisar a incerteza do método de determinação de absortância por aproximação RGB para amostras virtuais;
Elaborar um método de estimativa de absortância in loco, através de coleta de amostras e análise de absortância com a utilização de dispositivo portátil com câmera e flash;
Analisar a incerteza do método de estimar absortância in loco com o auxílio de dispositivo portátil.
1.4. ESTRUTURA DA PESQUISA
O trabalho está estruturado em cinco capítulos. O Capítulo 1 corresponde a introdução, no qual estão explicados o problema de pesquisa, a justificativa do estudo proposto, os objetivos e a delimitação do objeto de estudo. No segundo capítulo apresenta-se a fundamentação teórica do trabalho para o desenvolvimento da pesquisa. Neste capítulo são abordados conceitos relacionados a radiação solar e como ela interfere na eficiência das edificações. Também trata dos fatores que compõe a capacidade de absorção de energia e como esta propriedade pode ser medida através de equipamentos normatizados, mas também as técnicas alternativas que já foram estudadas.
O terceiro capítulo traz, de forma detalhada, o método adotado para esta pesquisa, os meios testados para avaliação de absortância e os parâmetros analisados. Já no quarto capítulo, apresentam-se e discute-se os resultados obtidos a partir da coleta de dados, comparando os diferentes métodos avaliados.
Já o quinto e último capítulo faz o fechamento do trabalho, expondo as conclusões obtidas, as limitações e dificuldades encontradas e sugestões para trabalhos futuros.
22
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este capítulo compreende a revisão de literatura que conceitua e delimita esta pesquisa. Inicialmente introduz os conceitos referentes à radiação solar e sua influência na carga térmica das edificações, com foco na interação desta propriedade com as superfícies sólidas e como isto é avaliado na etiqueta ENCE. Os fatores que interferem na absortância de superfícies opacas e os métodos de determinação de absortância são apresentados. Também analisa as formas de representação digital das cores e os sistemas cromáticos digitais.
2.1. RADIAÇÃO E O ESPECTRO SOLAR 2.1.1. Radiação solar
A radiação eletromagnética proveniente do sol, denominada radiação solar, é responsável pelos processos químicos, físicos e biológicos que sustentaram a evolução da terra durante milhões de anos. Principal fonte de energia da terra, ao adentrar na atmosfera terrestre a radiação sofre interferência do ambiente, tendo parte refletida, absorvida ou espalhada (QUERINO et al., 2011; LIOU, 2002). Este comportamento é variável conforme o ambiente local, fatores como nebulosidade, poluição, presença de vapor d’água que alteram a intensidade da radiação que chega a superfície terrestre. Parte desta radiação atravessa esta camada, incidindo a superfície terrestre em ângulos variados, dependendo da posição geográfica e do movimento orbital da terra, variável a cada momento, essa radiação denomina-se “Radiação Direta”. Já a parte da radiação dispersa na atmosfera também chega a superfície, porém de forma indireta, esta chamada de “Radiação Difusa”. A soma destas duas parcelas é denominada “Radiação Global”, e a proporção desta soma dependerá das condições atmosféricas instantâneas (DORNELLES, 2008; YAMASOE, 2006).
Os gases presentes na atmosfera são responsáveis por absorver parte desta radiação, daí a importância de manter os níveis destas camadas estáveis evitando uma alteração dos níveis de radiação na superfície terrestre (QUERINO et al., 2011; LIOU, 2002). As propriedades ópticas são normalmente funções do
23 comprimento de onda, que exigem a adequação ao espectro solar local, antes que a propriedade ponderada solar possa ser calculada (ASTM, 2012).
2.1.2. Espectro solar padrão
O espectro solar é uma condição local, variável, mas característica da região. Segundo Dornelles (2008), a situação ideal seria que fosse elaborado um espectro solar específico para o Brasil, considerando as condições atmosféricas aqui observadas. Entretanto toma-se como referência o espectro solar padrão constante na norma ASTM-G173-03, elaborada pela American Society for Testing and Materials, demonstrado na Figura 5.
Figura 5 – Espectro solar padrão. Fonte: Adaptado ASTM-G173-03 (2002)
O espectro solar total padrão corresponde a uma faixa de radiações solares com comprimento de onda que variam de 300nm até 3000mm. Conforme a Figura 5 o espectro solar padrão compreende os comprimentos de onda de 300nm a 2500nm, faixa que abrange as regiões: ultravioleta, visível e infravermelho (SANTOS et al., 2009).
A radiação ultravioleta, emitida na faixa de 100nm a 380nm, possui boa absortividade na camada de ozônio, chegando a superfície terrestre em pequena proporção. Nos comprimentos acima de 300nm ela é muito energética, causando
24 danos de desbotamento de pinturas, moveis, quadros, etc. Embora a radiação solar possa causar desbotamento até a região do visível, em 600nm, este efeito já é de intensidade reduzida (SANTOS et al., 2009). A visão humana possui capacidade de identificar as ondas compreendidas de 380nm a 780nm, faixa denominada como região visível do espectro solar, fato que permite visualizar objetos e as cores, conforme Figura 6.
Figura 6 – Faixa visível do espectro. Fonte: Dornelles (2008)
A partir de 780nm, encontra-se a região de ondas infravermelho, faixa relevante aos estudos de absortância, pois até 1400nm, região denominada infravermelho próximo, possui uma considerável contribuição como fonte de calor, correspondendo a mais da metade do espectro solar. Esta região de comprimento de ondas é invisível ao olho humano, fato que impossibilita a aferição das propriedades de absortância dos materiais pela visão humana (DORNELLES, 2008).
2.2. ABSORTÂNCIA E A EFICIÊNCIA DE EDIFICAÇÕES
A escolha da cor do revestimento externo é muitas vezes tomada avaliando somente critérios estéticos, seja por desconhecimento da interferência desta decisão na eficiência energética da edificação, ou pelo responsável por esta escolha não possuir informações suficientes para realizar comparações. Em consulta aos sites dos principais fabricantes de tintas do país, bem como nas lojas revendedoras locais, a informação sobre o comportamento termofísico do material não é divulgada, sendo que alguns vendedores informaram desconhecer esta propriedade.
A escolha dos materiais do envelope possibilita ao projetista determinar a eficiência da edificação, bem como contribuir com o ambiente ao seu entorno. O calor gerado por motores, a escassez de áreas verdes, a impermeabilidade do solo, aliados a materiais de alta absortância térmica são fatores que elevam a
25 temperatura interna dos ambientes, gerando desconforto ao usuário e consequentemente a elevação do consumo de energia (KOLOKOTSA et al., 2013).
Oliveira e Lunardi (2018) analisaram por meio de simulações, a influência de características arquitetônicas e construtivas na eficiência de três edificações (uma térrea e duas de dois pavimentos) da Universidade Federal Rural do Semi-Árido – UFERSA, em Mossoró no Rio Grande do Norte e qual seria a alteração de consumo de energia elétrica gerada por isto. Os autores variaram independentemente fatores de absortância das paredes e cobertura, além de outros que interferem no consumo de energia. As edificações analisadas possuíam paredes pintadas de duas cores, a maior parte de cor branca (α=15,8%) e detalhes em azul (α=73,3%) e cobertura de fibrocimento (α=59,3%). Para a simulação, foram propostos cinco percentuais de variação de absortância (10, 30, 50, 70 e 90), mantendo as outras características das edificações estáveis.
Os resultados apontaram que a interferência da absortância no consumo de energia está relacionada também a geometria da edificação. Na edificação térrea a absortância da cobertura teve maior interferência no consumo de energia, chegando a variar aproximadamente 3,5%, do menor ao maior fator. Enquanto para as edificações de dois pavimentos, quando analisada a absortância das paredes, as variações de consumo foram de 1% e 3% (OLIVEIRA; LUNARDI, 2018).
O método estabelecido pelo RTQ-C foi avaliado por Batista et al. (2010). No estudo os autores por meio de um estudo de caso avaliaram duas edificações e os fatores que são determinantes para o nível de etiqueta obtida. O fator de absortância no RTQ-C por ser um pré-requisito, possui grande interferência no nível de etiqueta. Caldeira (2011), complementou a pesquisa avaliando três edificações, determinando o nível de etiqueta delas e quais as alterações que teriam maior impacto no nível de etiqueta. Como conclusão a autora indicou que nas edificações em questão, o fator de absortância seria preponderante para elevar o nível de etiqueta.
Já Silva e Ghisi (2013) realizaram uma análise de sensibilidade global dos parâmetros termofísicos de uma edificação residencial utilizando os critérios
26 do RTQ-R pelo método de simulação. No caso foi utilizado o arquivo climático da cidade de Florianópolis-SC e definiu-se os critérios avaliados como variáveis dependentes como graus-hora de resfriamento e consumo relativo de refrigeração e aquecimento. Variou-se 15 parâmetros avaliados pelo método. Mais de 500 análises foram realizadas, e os autores concluíram que a absortância e a emissividade da cobertura foram os parâmetros mais influentes.
A absortância no Programa Brasileiro de Etiquetagem dá tratamento diferenciado para as edificações residenciais e comerciais. As edificações comerciais, de serviços e públicas tratam a absortância como pré-requisito para os níveis de etiqueta “A” e “B” nas zonas bioclimáticas 2 a 8 (Tabela 1). Enquanto o RTQ-R associa a propriedade de absortância à transmitância térmica do elemento, diferenciando por zonas bioclimáticas, sendo que o não atendimento destes pré-requisitos limita o a etiqueta ao nível “C” (Tabela 2) (INMETRO, 2012a e 2013b).
Tabela 1 – Pré-requisitos de envoltória no RTQ-C.
Pré-requisitos Nível de etiqueta
A B C D E Absortância de superfícies
(adimensional)
Cobertura < 0,5 < 0,5 Paredes < 0,5
Fonte: Adaptado (INMETRO, 2013b)
Tabela 2 – Pré-requisitos de envoltória no RTQ-R.
Absortância Solar (adimensional) Transmitância Térmica [W/(m²K)] ZB1 e
ZB2 Paredes Sem exigência
≤ 2,5 Cobertura Sem exigência ≤ 2,3
ZB3 e ZB6 Paredes ≤ 0,6 ≤ 3,7 > 0,6 ≤ 2,5 Cobertura ≤ 0,6 ≤ 2,3 > 0,6 ≤ 1,5 ZB7 Paredes ≤ 0,6 ≤ 3,7 > 0,6 ≤ 2,5 Cobertura ≤ 0,4 ≤ 2,3 > 0,4 ≤ 1,5 ZB8 Paredes ≤ 0,6 ≤ 3,7 > 0,6 ≤ 2,5 Cobertura ≤ 0,4 ≤ 2,3 > 0,4 ≤ 1,5
27 O conhecimento da propriedade de absortância do material é requisito para o processo de etiquetagem ENCE, conforme os Requisitos de Avaliação da Conformidade para Eficiência Energética de Edificações (RAC), a avaliação desta propriedade pode ser realizada in loco ou em laboratório, por meio de um espectrômetro ou um espectrofotômetro (INMETRO, 2013a). O RAC ainda estabelece que a variação máxima da absortância especificada no projeto para a determinada pelo ensaio da superfície edificada é de 15%.
O responsável por fazer esta avaliação é denominado Organismo de Inspeção Acreditado (OIA), pessoa jurídica que é legalmente habilitado para emitir a ENCE. Este organismo deve atender a infraestrutura prescrita no RAC, sendo que o único equipamento de análise não corriqueiro aos profissionais da construção civil é o espectrômetro ou espectrofotômetro portátil, calibrado por um laboratório acreditado (INMETRO, 2013a).
2.3. ABSORTÂNCIA DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO COMUMENTE UTILIZADOS NO BRASIL
Absortância, refletância e emissividade são fatores importantes em estudos de ganho de calor e desempenho de edificações. A maior porção de troca de calor é dada pelo envelope da edificação. E assim como na atmosfera, a radiação solar que chega a superfície terrestre é absorvida ou refletida pelos corpos. O envelope da edificação deve possuir propriedades capazes de proteger o ambiente interno desta radiação (SILVA; GHISI, 2013).
A Figura 7 representa o ganho de calor que ocorre no envelope da edificação por meio da radiação solar. Uma parcela da radiação solar incidente é refletida ao ambiente externo, outra parcela é absorvida, aquecendo o material e será parcialmente reemitida ao ambiente externo e parte desta energia será emitida para dentro do ambiente, aquecendo-o (LAMBERTS et al., 2014).
28
Figura 7 – Trocas de calor pelo envelope da edificação. Fonte: Dornelles (2008)
A ABNT NBR-15220-1 (2005a) define absortância à radiação solar como “Quociente da taxa de radiação solar absorvida por uma superfície pela taxa de radiação solar incidente sobre esta mesma superfície”.
Diversos autores estudaram esta propriedade dos materiais, informando padrões de comportamento, relacionando fatores de absortância a cores e materiais, Dornelles (2008) elaborou uma compilação destas informações, representada na Tabela 3.
29
Tabela 3 – Valores de absortância publicado por diversos autores.
Fonte: Dornelles (2008)
A ABNT NBR 15220-2 (2005b), norma de Desempenho Térmico das Edificações, atualmente vigente, que dispões requisitos mínimos das edificações, estabelece faixas de valores a serem utilizados como referencia nos projetos. Porém, no que tange a absortância, a relação de tipos desuperfícies é insignificante frente a grande diversidade de materiais utilizados no envelope da edificação, além de apresentar uma variação de valores que chega até 20% nos revestimentos opacos (Tabela 4).
30
Tabela 4 – Absortância (α) para radiação solar (ondas curtas).
Fonte: Adaptado NBR 15520-2 (ABNT, 2005b)
O RAC possui em um dos seus anexos propriedades térmicas de materiais utilizados como revestimentos que foram analisados em pesquisas realizadas. Neste documento consta como referência de valores de absortância os valores medidos por Dornelles (2008) para diversos tipos de tintas (Figura 8). Estudos com materiais não homogêneos, como por exemplo um revestimento cerâmico amadeirado, pedras, diferentes tipos de vernizes, não são encontrados na bibliografia. Chegar a valores de absortância para este tipo de superfície pode ser mais complexo que nos materiais homogêneos. Os equipamentos existentes medem estes valores em áreas de aproximadamente 1cm², sendo que estes valores podem variar muito ao longo da amostra. Isto traz ao projetista o desafio de especificar e atribuir valores de absortância deste tipo de material para ser utilizado em uma edificação etiquetada.
Absortância (α) 0,05 0,15 0,25 0,12 / 0,15 0,65 / 0,80 0,75 / 0,80 0,65 / 0,80 0,30 / 0,50 0,85 / 0,98 0,06 / 0,25 0,40 / 0,80 0,35 / 0,80 Branca 0,2 Amarela 0,3 Verde Clara 0,4 "Alumínio" 0,4 Verde escura 0,7 Vermelha 0,74 Preta 0,97 Concreto aparente Telha de barro Tijolo aparente Reboco claro Tipo de superfície Chapa de alumínio (nova) Chapa de alumínio (oxidada) Chapa de aço galvanizada (nova) Caiação nova Revestimento asfáltico Vidro incolor Vidro colorido Vidro metalizado P in tu ra
31
Figura 8 – Absortância de tintas medidas por espectrofotômetro. Fonte: Dornelles (2008)
2.4. FATORES QUE INTERFEREM NA ABSORTÂNCIA DE SUPERFÍCIES OPACAS
Diferentes fatores podem interferir na absortância dos materiais que compõe o envelope das edificações entre eles: cor, rugosidade e ondulação da superfície, deve ser considerado ainda a manutenção da superfície e a
32 composição química, conforme apresentado a seguir. Desta forma, atribuir a propriedade de absortância somente a cor da superfície é simplificar uma análise complexa, deixando de considerar fatores relevantes na composição deste valor. 2.4.1. Cor da superfície
A cor é o principal fator quando analisamos as tintas imobiliárias disponibilizadas comercialmente no Brasil. Por este motivo é comumente utilizado por autores e normativas, brasileiras e internacionais, para atribuir faixas de valores aceitáveis de absortância (ABNT, 2005b; ASHRAE, 2001; RORIZ et al., 2007b).
A cor do material está relacionada a sua absortividade. Um material escuro absorverá a maior parte da radiação incidente no espectro visível enquanto um material claro absorverá bem pouco (LAMBERTS et al., 2014).
Avaliando esta influência térmica da pintura externa no ambiente interno, Lamberts (2019) utilizou uma câmera infravermelha para comparar temperaturas superficiais internas, de superfícies que externamente foram pintadas com cores distintas, conforme demonstrado nas Figura 9 e Figura 10, na área onde a superfície externa é pintada de branco, a temperatura interna é aproximadamente 4°C menor de onde é pintada externamente de verde escuro.
Figura 9 – Imagem ambiente interno. Figura 10 – Imagem térmica do ambiente.
Fonte: Lamberts (2019)
2.4.2. Rugosidade da superfície
A rugosidade da superfície interfere na absorção da energia total. A interreflexão causada pela rugosidade aumenta absorção da radiação difusa que
33 incide na superfície. Roriz et al. (2007b) comprovaram como a rugosidade da superfície influencia na absortância da superfície. Foram analisadas superfícies com cinco rugosidades, de uma superfície considerada lisa até uma com rugosidade média de 0,338mm. A Figura 11 apresenta a redução da refletância com o aumento da rugosidade média da superfície, ou seja, a absortância se eleva de forma linear com o aumento da rugosidade.
Figura 11 – Influência linear da rugosidade sobre as refletâncias das superfícies Fonte: Roriz et al. (2007b)
Entretanto Santos et al. (2011) analisaram vinte e quatro amostras de tintas aplicadas em quatro superfícies, e não chegaram a mesma relação linear de absortância e rugosidade. Em todas as amostras a absortância é menor nas superfícies lisas, mas não foi perceptível esta linearidade apresentada por Roriz et al. (2007b). Os autores relacionaram esta não linearidade a pequena diferença de rugosidade do substrato.
Santos (2013) inferiu que as superfícies pintadas com tintas de alta capacidade de absorção sofrem menor inferência da rugosidade da superfície. Isto ocorre porque a energia refletida é menor, se comparada a uma tinta de alta refletividade, gerando uma menor absorção de energia refletida.
2.4.3. Ondulação da superfície
Se a rugosidade da superfície é medida em frações de milímetros, na escala dos centímetros outra característica geométrica interfere na propriedade
34 do material. A ondulação propicia um aumento de área da superfície, porém, na análise micro, não é este fato que altera a absortância dela. O que gera um maior aquecimento da camada interior é o fato da ondulação refletir a radiação para pontos onde a radiação não está sendo incidida diretamente (RORIZ et al., 2007b).
A Figura 12 mostra a porção de radiação absorvida por interreflexão, sendo que as duas primeiras interreflexões ainda possuem energia em valor significativo para o aumento da energia solar total absorvida (RORIZ et al., 2007b). Cabe ressaltar que o ganho de energia por interreflexão compensa a área menor que está exposta a radiação direta, não alterando de forma significativa o ganho energético da superfície.
Figura 12 – Interreflexões devidas à ondulação. Fonte: Roriz et al. (2007b)
2.4.4. Manutenção da superfície
Segundo Bretz et al. (1997), as condições de manutenção da superfície interferem na capacidade reflexiva do material. As superfícies expostas às intempéries acumulam sujeira e oxidam, alterando a reflexividade ao longo da sua vida útil. Superfícies mais escuras ao longo do tempo tendem a ter maior refletância, enquanto nas superfícies mais claras tende a ocorrer o inverso.
Dornelles e Sichieri (2014) avaliaram os efeitos do intemperismo natural sobre tintas para cobertura. No estudo os autores compararam nove amostras de tintas de cor branca, expostas a intempérie durante 12 meses, com medições trimestrais. Foi perceptível visualmente que houve acúmulo de sujeira nas amostras, e os resultados de curva espectral também apresentaram perda da capacidade reflexiva. As amostras com menor rugosidade superficial apresentaram menor perda, devido à dificuldade de aderência da sujeira na tinta,
35 facilitando que lave a superfície. Desta forma, realizar a limpeza periódica pode recuperar boa parte da capacidade de refletância da superfície.
Já as telhas de fibrocimento expostas a intempéries podem ter diferentes comportamento diante das patologias que podem surgir na sua cobertura. Coelho et al. (2017) analisaram telhas de fibrocimento sem amianto expostas durante 36 meses, que apresentavam dois tipos de patologias, telha carbonatada1 e telha com fungo, em comparação com uma telha nova de mesmo fabricante e modelo. A telha com fungos apresentou um aumento da absortância após os 36 meses, enquanto a telha carbonatada teve redução da absortância. Este comportamento é perceptível inclusive na faixa visível do espectro, a telha com fungos apresentava uma coloração cinza escura, enquanto a carbonatada apresentou cor mais clara que a referente inicial (Figura 13).
Figura 13 – Comparativo de absortância das telhas de fibrocimento Fonte: Coelho et al. (2017)
1 A carbonatação é um processo físico e químico natural, que ocorre nos materiais de base cimentícia expostos a concentrações de dióxido de carbono (CO2) da atmosfera a qual estão expostos. A reação entre os materiais de base cimentícia e o CO2 libera da estrutura do material principalmente o carbonato de cálcio (CaCO3), formando, nas telhas de fibrocimento, camadas periféricas que alteram o seu aspecto natural, entre eles sua coloração, podendo também reduzir a porosidade do material e reforçar a sua superfície (COELHO et al., 2017).
36 2.4.5. Composição química
A composição química determina os atributos gerais da tinta, dando todas as características necessárias para sua aplicação, garantindo a aderência necessária, a durabilidade, a resistência e também a cor. Isto é obtido pela mistura de resinas, pigmentos, solventes e aditivos, de diversos tipos, cada um com uma função específica na composição (DORNELLES, 2008). O filme formado na aplicação desta mistura que é considerado e medido para determinar a capacidade de absorção de radiação da superfície em questão.
O desenvolvimento de tintas com comportamento especial na região do infravermelho tem possibilitado melhorar o desempenho destas quanto a absorção de radiação solar, isto é possível a uma alteração na sua composição química, onde pigmentos com alta capacidade reflexiva substituem os convencionais. Estas tintas são conhecidas como tintas frias, possuindo elevada refletância solar e alta emissividade. Coser et al. (2015) analisaram a refletância de superfícies pintadas com tintas que continham pigmentos reflexivos no infravermelho próximo. A análise comprovou que embora a tinta tenha a mesma cor a sua composição química possibilitou diferente comportamento frente ao espectro solar, refletindo maior porção de energia. Nas amostras analisadas o pigmento preto não obteve um desempenho proporcional as outras amostras, não apresentando uma melhora considerável no comportamento da tinta quanto a sua absortância, conforme Figura 14 (d).
37
Figura 14 – Comportamento de tintas frias e padrão frente ao espectro solar padrão Fonte: Coser et al. (2015)
2.5. MÉTODOS NORMATIZADOS DE MEDIÇÃO
Para todos os métodos de medição é necessário o ajuste ao espectro solar local, ou na indisponibilidade deste dado, ao espectro de irradiação solar global apresentado na ASTM G-173-03, analisando a radiação absorvida em todo o espectro, obtendo o valor de absortância total. A seguir serão apresentados os equipamentos e métodos de medição de absortância/refletância normatizados.
2.5.1. ASTM C1549
A ASTM C1549: Standard test method for determination of solar reflectance near ambient temperature using a portable solar reflectometer, apresenta o método de determinação de refletância com a utilização de um refletômetro (Figura 15). Este equipamento mede a refletância de pequenas
38 áreas, aproximadamente 2cm², com comprimento de onda que compreende o espectro ultravioleta até o infravermelho próximo, de 300nm até 2500nm. O equipamento é calibrado usando um material de absortância conhecida, normalmente de corpo escuro e fornecido pelo fabricante. Este tipo de equipamento possibilita ao usuário com um clique, em aproximadamente 10 segundos, fazer a leitura de todos os comprimentos de onda, bem como ele apresenta o valor de refletância total (KOLOKOTSA et al., 2013).
Figura 15 – SOC410-Solar Refletômetro portátil Fonte: Surface Optics Corporation (2019)
2.5.2. ASTM E1918
O método constante na ASTM E1918 (2006) é prescrito para determinação de absortância de superfícies onde a normal da radiação incide sobre a superfície em um ângulo menor que 45º, ou seja, indicado para superfícies planas horizontais, como telhados e pavimentos. Este ensaio pode ser inviabilizado devido a data e latitude do local, por exemplo no solstício de inverno na latitude 37 o horário solar não atenderia o requisito do ângulo menor que 45°.
Para o ensaio é utilizado um piranômetro, fixado em um suporte com um braço longo e fino, a 50cm de altura, conforme Figura 16, que não provoque um sombreamento significativo na superfície a ser medida, que deve possuir no mínimo 4 metros de diâmetro. Em um dia de sol, com o ângulo solar já menor que 45°, o ensaio pode ser iniciado. Inicialmente o piranômetro, imagem de referência do fabricante constante na Figura 17, é posicionado voltado para cima, para captar os níveis de radiação solar incidentes sobre a superfície, esta medição deve ocorrer por 10 segundos, então o equipamento deve ser posicionado voltado a superfície, onde será medida a radiação refletida. Deve
39 ser observada a variabilidade dos resultados devido as condições ambientais do entorno. Para minimizar esta possibilidade de interferência e representar o valor com menor incerteza, o ensaio deve ser repetido no mínimo três vezes em áreas amplamente espaçadas, registrando detalhadamente as condições do entorno (SANTOS, 2013).
Figura 16 – Esquema de posicionamento do piranômetro Fonte: ASTM E1918 (2006)
Figura 17 – Piranômetro CMP6
Fonte: Campbell Scientific (2018)
2.5.3. ASTM E1980
A ASTM E1980 (2001), regulamenta ensaios de determinação de absortância de superfícies planas horizontais. Este método utiliza equações com base em refletâncias solares medidas e emissividades térmicas das superfícies, fornecendo o índice de refletância solar da superfície (SRI – Solar Reflectance Indication). A temperatura superficial de um material exposto a radiação está relacionada ao fator de refletância e emissividade da superfície. Os materiais de maior absortância terão temperatura superficial mais elevada que um corpo de menor absortância. Este método abrange duas formulas de cálculo do SRI, das superfícies opacas horizontais e de baixa inclinação (inferiores a 9,5° em relação
40 à horizontal), e com emissividade superior a 0,1. Os valores de SRI variam de 0 a 100, sendo o valor máximo para o branco padrão (SRI=100), e o valor mínimo para o preto padrão (SRI=0). Nota-se que o SRI não é uma escala de temperatura, quando a temperatura superficial aumenta o SRI diminui (SANTOS, 2013).
2.5.4. ASTM E903
Já a ASTM E903 (1996) apresenta um método de medição de absortância, refletância e transmitância para elementos opacos com uso de espectrofotômetros com esfera integradora. A própria norma indica que este é o método mais preciso para determinação destas propriedades dos materiais. Os equipamentos fornecem dados da curva espectral compreendida entre 250nm e 2500nm. A medição ocorre em uma região de 0,1cm² da amostra, portanto é necessário que a amostra seja uniforme.
Na Figura 18 está representado um espectrofotômetro do fabricante Perkin Elmer, da série Lambda, que é um instrumento que mede a intensidade de radiação para cada comprimento de onda numa região do espectro eletromagnético. Um feixe de luz é emitido pelas lâmpadas de deutério e halógena de tungstênio (1), no comprimento de onda determinado, rebatido por grades de difração e diversos espelhos, onde a luz é refratada criando um feixe monocromático (2 a 5). As amostras de referência e do material analisado são posicionadas no equipamento no compartimento (6 e 7), e finalmente é medida a radiação que foi refletida pela superfície analisada (8 a 10).
Figura 18 – Espectrofotômetro com esfera integradora Fonte: Perkin Elmer (2019)
41 Este método foi utilizado por Dornelles (2008) para avaliação da absortância de tintas. A autora realizou uma ampla investigação de 78 amostras, comparando os resultados obtidos com o espectrofotômetro a métodos alternativos não normatizados, parte deste levantamento apresentado na Tabela 5, indicando a absortância na região do ultravioleta (UV), na faixa visível (VIS), infravermelho (IV) e a absortância do espectro total (TOT), tomando o método estabelecido na ASTM E903 como referencial.
Tabela 5 – Absortância medida em espectrofotômetro, por comprimento de onda
Fonte: Dornelles (2008)
Castro et al. (2003) utilizaram o espectrofotômetro para analisar a refletância de tintas acrílicas e PVA, aplicadas em “pastilhas” de argamassa, as quais foram comparadas as amostras de catálogo impresso. Os autores
Tipo N° Nome Comercial UV VIS IV TOT Tipo N° Nome Comercial UV VIS IV TOT
1 Amarelo Antigo 96,0 54,7 54,6 56,1 40 Branco Gelo 92,9 33,9 38,9 39,9
2 Amarelo Terra 96,7 69,6 62,6 65,1 41 Erva Doce 92,6 25,5 23,5 26,4
3 Areia 95,4 45,8 51,7 52,2 42 Flamingo 94,9 53,5 45,8 49,0
4 Azul 95,1 86,8 60,9 66,8 43 Laranja 95,2 49,5 33,5 38,6
5 Azul Imperial 94,4 63,4 75,8 74,2 44 Marfin 94,1 32,3 32,4 34,6
6 Branco 94,9 14,0 28,4 28,2 45 Palha 94,1 32,7 37,7 31,0
7 Branco Gelo 95,0 36,5 46,4 46,4 46 Pérola 93,6 26,9 30,3 32,0
8 Camurça 95,0 60,1 60,6 61,8 47 Pêssego 94,7 43,4 41,9 44,1
9 Concreto 95,4 74,1 79,5 79,1 48 Alegrim 95,5 64,2 68,1 68,4
10 Flamingo 96,1 55,0 50,5 53,0 49 Azul Bali 95,7 60,1 45,2 49,7
11 Jade 94,5 50,7 61,0 60,3 50 Branco Neve 92,2 10,0 18,2 19,4
12 Marfim 94,5 34,6 42,5 43,0 51 Branco Gelo 91,9 28,5 37,1 37,5
13 Palha 94,8 36,7 45,4 45,6 52 Camurça 94,9 57,3 59,9 60,7
14 Pérola 95,1 34,0 40,9 41,6 53 Concreto 94,3 71,6 75,0 75,1
15 Pêssego 95,2 43,7 50,0 50,5 54 Marfim 92,0 29,3 30,4 32,4
16 Tabaco 95,0 79,4 77,6 78,6 55 Marrocos 95,6 61,6 52,2 55,5
17 Terracota 96,1 70,1 62,3 65,0 56 Mel 95,9 47,8 43,1 45,9
18 Amarelo Antigo 95,3 53,6 53,7 55,2 57 Palha 93,0 28,4 32,8 34,2
19 Amarelo Terra 95,7 71,7 69,3 70,7 58 Pérola 91,8 24,4 26,9 28,8
20 Azul 95,4 87,4 73,8 77,1 59 Pêssego 93,7 38,5 39,2 41,1
21 Branco Gelo 93,3 33,0 50,4 48,9 60 Telha 95,9 76,8 67,9 78,6
22 Cinza 95,0 84,8 90,6 89,7 61 Vanila 92,5 29,1 24,9 28,1
23 Cinza BR 94,4 56,2 73,7 71,2 62 Amarelo Canário 93,3 32,4 22,2 26,7
24 Crepúsculo 94,2 67,1 70,8 71,0 63 Areia 91,6 39,2 35,6 38,3
25 Flamingo 94,9 52,6 50,7 52,7 64 Azul Profundo 96,0 83,1 69,5 72,9
26 Marfim 94,3 35,0 43,0 43,4 65 Branco Neve 92,7 14,0 27,2 27,2
27 Palha 94,1 37,4 52,6 51,3 66 Branco Gelo 92,1 28,5 31,6 33,3
28 Pérola 94,3 33,5 46,6 45,9 67 Camurça 94,0 56,9 51,9 54,4
29 Preto 96,0 96,7 98,0 97,7 68 Cerâmica 96,6 73,4 58,3 62,5
30 Telha 95,3 78,3 58,6 63,5 69 Concreto 95,6 71,9 75,1 75,3
31 Terracota 95,8 72,8 66,9 69,1 70 Flamingo 94,2 51,6 39,0 43,3
32 Verde Quadra 94,1 88,6 58,5 65,2 71 Marfim 93,5 28,0 25,4 28,4
33 Vermelho 93,3 71,1 59,1 62,6 72 Palha 91,3 28,6 29,7 31,8
34 Amarelo Canário 94,2 36,1 26,9 31,1 73 Pérola 92,5 25,5 26,0 28,3
35 Amarelo Terra 95,8 66,6 58,4 61,3 74 Pêssego 92,5 35,2 28,1 31,7
36 Areia 94,1 42,9 38,1 41,1 75 Preto 97,1 97,1 98,2 98,0
37 Azul Angra 93,0 34,9 32,5 35,2 76 Vanila 93,0 32,6 27,8 31,1
38 Bianco Sereno 92,4 27,8 29,3 31,3 77 Verde Musgo 96,5 83,5 76,7 78,7
39 Branco 92,8 10,9 17,1 18,7 78 Vermelho Cardinal 96,4 72,2 57,0 61,2
M et al at ex A cr íli ca F os ca M et al at ex A cr íli ca S em i-b ril ho N ov ac or L át ex P V A F os ca Suv in il Lá te x P V A F os ca S uv in il A cr íli ca F os ca N ov ac or L át ex P V A F os ca
42 concluíram que na faixa visível do espectro solar as duas superfícies possuem valores aproximados de refletância, entretanto na faixa infravermelho apresentaram variação de até 34%.
2.6. MÉTODOS ALTERNATIVOS DE MEDIÇÃO 2.6.1. Digitalização de imagens
A partir de parâmetros cromáticos digitais, é possível identificar o padrão da cor e realizar correlações desta com sua absortância. Assim, utilizando os dados obtidos por Castro et al. (2003), Roriz e Dornelles (2007a) analisaram as amostras de catálogo por meio de aparelho scanner. As imagens digitalizadas possibilitam análise da absortância a partir de padrões cromáticos digitais. Utilizando as equações matemáticas apresentadas por Roriz e Dornelles (2007a), é possível e viável estimar a refletância na faixa visível do espectro solar e na espectro solar total, fazendo correlação entre padrões cromáticos RGB (Red, Green, Blue) e HSL (Hue, Saturation, Lightness).
Os resultados de absortância deste método são próximos dos obtidos pelo espectrofotômetro (Castro et al., 2003) (Roriz e Dornelles, 2007a), não tendo sido calculada todavia a incerteza deste método dentro dos padrões utilizados em metrologia (INMETRO, 2012b). A despeito do bom desempenho desse método, cores mais claras e mais escuras apresentaram maior discrepância, demonstrando que o método não é aplicável a todo o espectro. Cores mais escuras, como Preto e Verde Quadra, apresentaram valores de absortância maior que 100%. E as mais claras, como Branco e Branco Neve, tiveram valores de absortância duas vezes maior que o referencial.
No estudo, Roriz e Dornelles (2007a), também destacaram a existência de discrepância entre os valores de refletância nas faixas do espectro visível e do espectro solar total, que impossibilitaria a utilização destes dados para especificação de materiais utilizados no envelope da edificação, prejudicando a eficiência energética da edificação.
43 2.6.2. Espectrômetro portátil ALTA II
O espectrômetro ALTA II é um equipamento portátil, desenvolvido pelo Lunar and Planetary Institute. Na parte frontal o aparelho possui o visor que apresenta dos valores medidos e onze botões, que correspondem a cada comprimento de onda, sete correspondentes ao espectro visível, partindo de 470nm até 700nm e quatro na região do infravermelho, de 735nm até 940nm. Na parte traseira, visualiza-se um orifício, com lâmpadas posicionadas em círculo e no centro destas lâmpadas um sensor que mede a energia refletida pela superfície (Figura 19 e Figura 20) (SANTOS, 2013).
Figura 19 – Vista frontal do ALTA II. Figura 20 – Vista traseira do ALTA II.
Fonte: Do autor
Este equipamento, por ter sido concebido para fins didáticos, necessita de uma adaptação para proporcionar uma menor interferência da radiação do ambiente no resultado. Para isto, Santos et al. (2009) compararam resultados deste equipamento medindo em ambiente interno e externo, com e sem câmera escura (invólucro de proteção). Os resultados apresentaram que a absortância é menor na câmara escura, quando teoricamente não há interferência da luz externa.
Os estudos de Pereira et al. (2015b) apontam discrepâncias entre as leituras do equipamento e valores de referência de aproximadamente até ±0,10 (considerando a refletância/absortância variando de 0 a 1).
44 Dornelles e Roriz (2007) utilizaram o ALTA II em comparação com os dados obtidos pelo espectrofotômetro. Os valores apresentados são utilizados em uma equação para obter a porcentagem da luminosidade refletida. O estudo comprovou que o ALTA II é um equipamento confiável para a determinação da absortância de superfícies, apresentando uma exceção, já que o ALTA II não obteve bons resultados em superfícies de tinta semibrilho.
O custo do espectrômetro portátil ALTA II é relativamente baixo se comparado ao espectrofotômetro (PEREIRA et al., 2017). Contudo, o custo de milhares de reais do ALTA II ainda pode ser considerado elevado, tendo em conta tratar-se de um equipamento a ser usado em todas as etiquetagens de edifícios do país.
2.7. SISTEMAS CROMÁTICOS DIGITÁIS
Os parâmetros cromáticos digitais possuem vários modelos de abordagem e representação, sendo que neste trabalho serão abordados dois deles, o RGB (red, green, blue – vermelho, verde, azul) e o HSL (hue, saturation, lightness – matiz, saturação, brilho).
O modelo de cores RGB foi baseado nas teorias de Young-Helmholtz e Maxwell. É a combinação das três cores primárias, vermelho, verde e azul, que formam um espectro de cores. Ele é comumente representado por uma composição de três círculos, que quando sobrepostos formam outra cor, e a área coincidente dos três geram a cor branca (Figura 21).
Figura 21 – Círculos cromáticos RGB. Fonte: Rocha (2011)
45 Distribuída numericamente em uma escala de 0 a 255, cada cor primária é exposta na composição, e a soma destes fatores que define a cor resultante. Este modelo também é conhecido como RGB aditivo, que pela soma dos três fatores na escala máxima resulta na cor branca. (ROCHA, 2011).
Já o sistema HSL é baseado em um prisma cilíndrico onde o ângulo do cilindro define a matiz, variando de 0° a 360° (Figura 22). A saturação é medida na dimensão radial do cilindro, variando de 0 a 100%, sendo que quão menor é este valor, mais próximo do cinza é a cor. Enquanto o fator Lightness varia na altura do prisma, também de 0 a 100%, sendo o menor valor o mais escuro (CORREA et al., 2014).
Figura 22 – Prisma cilíndrico HSL. Fonte: Rocha (2011)
Estes sistemas são utilizados por sistemas diversos, imagens digitais, monitores, impressões, dentre outros, sendo que o RGB é habitualmente utilizado para formulações de cores digitais. Os softwares de edição de imagem comumente apresentam os parâmetros de cor em RGB e HSL. Também é possível fazer a transformação numérica de um modelo para outro se necessário.
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3. MÉTODO DE PESQUISA
Este trabalho analisa a incerteza de métodos alternativos de estimar a absortância de superfícies opacas. Para isto, fez-se necessário estabelecer valores referenciais, para realizar a comparação e determinação de incerteza e desvio padrão do método alternativo. O método acessível e validado que foi utilizado como referencial é a determinação de absortância por meio de aparelho espectrômetro portátil. Neste trabalho foi utilizado o espectrômetro portátil ALTA II, já descrito no item 2.6.2, o equipamento é aceito pelo Programa Brasileiro de Etiquetagem de Edificações para tal uso, conforme já apontado na revisão bibliográfica. Para as medições utilizando este equipamento foram utilizados como referenciais o “Guia de medição e cálculo para refletância e absortância solar em superfícies opacas” e o “Relatório de avaliação do espectrômetro portátil ALTA II”, ambos disponibilizados pelo Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações (CB3E) (PEREIRA et al., 2015a; PEREIRA et al., 2015b). Já os métodos alternativos aqui testados foram baseados nos estudos de Roriz e Dornelles (2007a) e Dornelles (2008), que testaram a possibilidade de utilizar os parâmetros cromáticos para estabelecer uma correlação aos dados de absortância da superfície.
Foram analisados dois tipos de amostras, uma virtual, captada diretamente no site de um fabricante de tintas, e outra real, chapas de MDF pintadas com tinta acrílica acabamento acetinado. As amostras pintadas analisadas com o espectrômetro ALTA II, forneceram os valores de absortância referenciais. As mesmas amostras também foram avaliadas com a utilização do Método RGB, com a utilização de um dispositivo portátil com câmera, tendo os valores de absortância estimados comparados aos referenciais. As amostras do catálogo virtual, de mesma cor das amostras físicas, capturadas do site do fabricante de tintas, também foram avaliadas pelo Método RGB, utilizando-se dos parâmetros cromáticos para obtenção dos valores de absortância estimados para este grupo de amostras. A Figura 23 mostra o esquema que representa as etapas da pesquisa, partindo do método referencial, passando ao método alternativo e a determinação da incerteza deste para cada tipo de amostra.
