ÍNDICE DE REFLETÂNCIA SOLAR DE TELHAS CERÂMICAS ESMALTADAS DO TIPO GRÉS: INFLUÊNCIA DO ASPECTO SUPERFICIAL
Camila Cristina Stapait1, Leticia Silva De Bortoli1, Deivis Luis Marinoski2, Márcio Celso Fredel3, Luciana Maccarini Schabbach1,3
1Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Blumenau, Rua Pomerode, 710,
Salto do Norte, Blumenau - SC - 89065-300.
2CB3E - Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações, Departamento de
Engenharia Mecânica, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina.
3CERMAT– Núcleo de Pesquisas em Materiais Cerâmicos e Compósitos,
Departamento de Engenharia Mecânica, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina.
E-mail: [email protected]
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo avaliar a influência do aspecto superficial de telhas cerâmicas esmaltadas na capacidade de refletir a luz solar. O índice de refletância solar (SRI), parâmetro usado na certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), avalia a capacidade de uma superfície de refletir a radiação solar. Duas amostras de telha grés de coloração marfim com superfícies esmaltadas com esmalte mate e brilhante foram analisadas. O SRI das telhas foi calculado a partir das medidas de emitância realizadas com um emissômetro (D&S modelo AE1) e refletância solar com um espectrofotômetro UV-Vis-NIR (modelo Lambda 1050 NIR). Foi encontrado SRI de 82 para telha mate e 78 para brilhante, tendo a telha mate maior capacidade de refletância na região do infravermelho. As análises MEV e EDS das superfícies evidenciaram na telha mate a presença de microcristais (contendo Ba e Zn) que contribuíram para o melhor resultado de SRI.
Palavras-chave: refletância solar, emitância térmica, telhas esmaltadas, esmaltes cerâmicos.
INTRODUÇÃO
Os materiais utilizados nas edificações urbanas estão diretamente ligados ao equilíbrio térmico de uma cidade. Características como a cor, composição e textura do material influenciam na capacidade do mesmo de refletir ou absorver a radiação solar recebida, gerando o aumento de temperatura, podendo refletir no fenômeno ilha de calor, que consiste na elevação de temperatura das cidades grandes em
comparação às regiões periféricas.(1)
Embora amplamente usados, os materiais de cobertura, principalmente telhas, ainda não são devidamente caracterizados com relação as suas propriedades
ópticas e térmicas (absorção da radiação solar e emitância térmica).(1)
Em específico, na certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental
Design)(1,2), no que se refere ao requisito Efeito ilha de calor, os materiais de cobertura utilizados (revestimentos, telhas, placas cerâmicas, etc.) podem contribuir para obtenção de créditos através da determinação do Índice de refletância solar (SRI) desses materiais. O SRI é uma medida da capacidade de uma superfície de refletir a radiação solar reduzindo o aumento de temperatura causada pela absorção da radiação pela mesma e, é função da emitância térmica e da refletância solar. No caso de tetos e coberturas o valor de SRI que os materiais teriam que atender depende da inclinação da cobertura (SRI ≥ 39 alta inclinação;
SRI ≥ 82 baixa inclinação) (4).Portanto, a determinação do Índice de refletância solar
(SRI) de telhas é importante para avaliar quais tipos desses materiais estariam contribuindo para a mitigação do efeito ilha de calor.
O Índice de Refletância Solar (SRI) é definido tomando como base a temperatura de um padrão negro (Tb), com refletância de 0,05 e emitância de 0,9 e de um padrão branco (Tw), com refletância de 0,8 e emitância de 0,9. O SRI pode variar de 0 a 1 (0 a 100%), sendo que o padrão negro corresponde a 0% e o padrão branco, 100%. O SRI pode ser obtido a partir da equação (A):
A temperatura superficial de equilíbrio Ts é obtida a partir da equação (B):
Onde:
α = absorbância solar = 1 - refletância solar ε = emitância térmica
Ts = temperatura superficial em estado estacionário (K) hc = coeficiente convectivo (W.m-2. K-1).
Mas segundo a norma ASTM E1980, sobre condições solares e ambientais
padrões a equação (A) é reduzida para a equação (C)
:
Onde:
= absorbância solar = 1 – refletância solar; = emitância térmica;
= coeficiente convectivo (W. );
A norma ASTM E1980 (Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces) (3) estabelece que o cálculo do SRI seja feito usando três valores de hc (coeficiente convectivos) que são: 5, 12 e 30 W/m²k, correspondendo a ventos de baixa (0 a 2m/s), média (2 a 6m/s) e de alta
velocidade (de 6 a 10m/s) respectivamente.(3)
Esse trabalho teve como objetivo determinar o SRI de telhas cerâmicas esmaltadas de coloração marfim com diferentes aspectos superficiais (brilhante e mate). Tendo em vista que esmaltes brilhantes tendem a possuir uma superfície mais regular (lisa), enquanto esmaltes mates tendem a possuir superfície mais
rugosa, acredita-se que estes fatores podem influenciar no comportamento de reflexão da radiação solar e, consequentemente, no SRI do material.
MATERIAIS E MÉTODOS
Seleção e Preparação das Amostras
Incialmente foi constatada numa pesquisa de campo (realizada em estabelecimentos comerciais situados na cidade de Blumenau em Santa Catarina), que telhas cerâmicas do tipo grés de várias colorações estão em foco no mercado. Em específico, nesse trabalho duas amostras de telha do tipo grés de coloração marfim foram caracterizadas com relação a suas propriedades ópticas (refletância solar), térmicas (emitância térmica) e características superficiais, já que uma foi produzida com esmalte mate e outra com esmalte brilhante. O objetivo foi verificar se as características de refletância solar serão influenciadas pelo aspecto final da superfície. Para essa análise foi determinado o SRI (Índice de refletância Solar) das telhas, bem como realizada uma caracterização microestrutural qualitativa das superfícies, mediante análise MEV (Microscopia eletrônica de Varredura) e EDS (Espectroscopia de Energia Dispersiva).
Para a realização das análises, as telhas foram cortadas em dimensões 5 cm x 5 cm, tamanhos estes adequados para os instrumentos a serem utilizados (Figura 1). Destaca-se a importância de retirar as amostras das partes mais planas e lisas das telhas cerâmicas, evitando possíveis interferências nos resultados das análises. Após o corte as amostras foram lavadas em água corrente e, por fim colocadas em uma estufa de secagem a uma temperatura de 100 °C por 3 horas.
Figura 1 - Telhas cerâmicas esmaltadas de cor marfim selecionadas: (1) mate e (2) brilhante.
Medidas das Propriedades Ópticas e Térmicas para cálculo de SRI
As medidas de refletância solar das amostras foram realizadas com o espectrofotômetro UV-VIS-NIR (modelo Lambda 1050 NIR) segundo a norma ASTM E903 (Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance
of Materials Using Integrating Spheres).(4)
As emitâncias térmicas das telhas foram medidas com um emissômetro portátil (D&S modelo AE1) segundo a norma ASTM C1371 (Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers).(5)
A partir dos valores de refletância solar e emitância obteve-se o Índice de Refletância Solar (SRI) das duas telhas segundo a norma ASTM E1980 através da equação (C) previamente apresentada.
Refletância no Visível e Parâmetros Colorimétricos (L* a* b*)
As medidas de refletância no visível (cor) das superfícies das amostras também foram realizadas com um espectrofotômetro UV-Vis Konica Minolita CM3600A (d/8) segundo a norma ASTM E308-85 (American Society for Testing and Materials) que prevê um equipamento com geometria óptica d/8, iluminante D65 e
ângulo do observador de 10º.(6) As medidas foram conduzidas com a componente
especular inclusa. Os parâmetros colorimétricos L*, a*, b* do sistema CIELab também foram determinados. Nesse sistema o parâmetro L* indica luminosidade e os parâmetros a* e b* são as coordenadas de cromaticidade, sendo +a* a direção do vermelho, -a* a direção do verde, +b* a direção do amarelo, e -b* a direção azul.
Análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva (EDS)
Avaliou-se também o aspecto da superfície e a composição das duas amostras de telhas utilizando as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e
espectroscopia de energia dispersiva (EDS). Pequenas amostras das superfícies das amostras (com dimensão de cerca de 0,5 cm x 0,5 cm) foram previamente preparadas mediante deposição com ouro. A caracterização microestrutural das superfícies das telhas foi realizada com um microscópio eletrônico de varredura-MEV (modelo HITACHI TM3030), com integrador de EDS (espectroscopia por dispersão de energia) para análises de raios X.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Aspecto visual das superfícies
Na figura 2 é mostrado o espectro de refletância no visível das duas telhas marfim: mate e brilhante. Observa-se que a refletância da telha mate se torna maior a partir de 580 nm, mostrando uma tendência em prosseguir com essa maior refletância em comprimento de onda maior que 700 nm (pertencentes ao espectro infravermelho próximo).
Figura 2 - Refletância no visível das telhas mate e brilhante.
Na Tabela 1 são mostrados os valores dos parâmetros colorimétricos L*, a*, b* da telha marfim mate e da telha marfim brilhante. Nota-se que a luminosidade (L*) das duas telhas são similares e as coordenadas cromáticas a* e b* diferem de maneira pouco significativa. A amostra mate apresenta maior valor da coordenada cromática a* (positiva), indicando que esta é mais avermelhada. Segundo
Tenaglia(7) a luminosidade das amostras (caracterizada pelo parâmetro colorimétrico
L*) é diretamente relacionada ao fator de refletividade da superfície. Desta forma com base na similaridade dos valores de L*das amostras, intui-se que as duas amostras teriam a mesma refletividade, e consequentemente SRI idênticos, mas como observa-se na Figura 3, a amostra mate apresenta maior refletância em grande parte do infravermelho, o que demonstra a importância de realizar a medida dos dados espectrais em todo o intervalo da radiação solar.
Tabela 1 – Parâmetros colorimétricos L* a* b* das telhas marfim mate e brilhante.
Amostras L* a* b*
Telha marfim mate 84,67 1,60 14,83
Telha marfim brilhante 84,35 0,87 13,38
A Figura 3 mostra a refletância solar das duas telhas obtidas com o espectrofotômetro UV-Vis-Nir que cobre todo espectro solar. Nesta análise comprova-se que a telha mate apresenta maior percentual de refletância no infravermelho o que indicativamente pode lhe propiciar um maior valor de SRI.
Como o espectrofotômetro UV-VIS-NIR fornece curvas de refletância por comprimento de onda, os resultados foram processados em planilhas eletrônicas visando obter a integral de área para cada curva ajustada ao espectro solar padrão. A partir deste tratamento foram obtidos os valores totais de refletâncias solar para cada amostra, apresentados na Tabela 2. Observa-se que a telha mate apresenta valor de refletância solar absoluta levemente superior (0,70) ao da telha brilhante (0,66).
Figura 3 - Refletância solar das telhas marfim mate e brilhante.
Os valores de emitância térmica das amostras também são apresentados na Tabela 2. Observa-se que os valores são similares para as duas telhas. Isso ocorre
porque a emitância térmica é uma propriedade intrínseca do material. Em específico,
para um material cerâmico a emitância está em torno de 0,85-0,95.(8)
Com os valores de refletância solar e emitância térmica foram calculados os índices de refletância solar (SRI) das telhas, também mostrados na Tabela 2. Nota-se que ao contrário do que Nota-se imagina intuitivamente (que materiais brilhantes tendem a refletir mais a luz) a telha mate apresenta um SRI de 83,5, maior do que o da telha brilhante (78,7) para um coeficiente convectivo de 12 W/m².k, correspondente a ventos de média velocidade (para os demais coeficientes convectivos o resultado se confirma, a telha mate apresenta SRI maior). Esse resultado era esperado observando os espectros de refletância solar das amostras, onde a telha mate apresentou maior percentual de refletância no infravermelho. Por isso, enfatiza-se a importância de medir a refletância do material não somente no visível, mas em todo espectro da radiação solar, onde a contribuição do infravermelho pode ser determinante para as propriedades de refletividade/absorção do material. Ressalta-se ainda que, segundo os critérios de avaliação da certificação LEED, as duas amostras atendem as exigências estabelecidas, pois apresentam SRI > 39 e contribuem para minimizar os efeitos das ilhas de calor, pois refletem satisfatoriamente a radiação solar recebida, consequentemente reduzindo o aumento de temperatura causado pela absorção desta radiação.
Tabela 2 - Refletância solar (absoluta), emitância e SRI das amostras. Amostras selecionadas Refletância
Solar (ρ)
Emitância (Ɛ) SRI*
Telha marfim mate 0,700 0,81 83,5
Telha marfim brilhante 0,668 0,80 78,7
* Valores obtidos com hc de 12 W/m².k, correspondente a ventos de média velocidade.
Análise microestrutural das superfícies das telhas
O melhor resultado de SRI para a telha mate pode ser melhor explicado através da análise microestrutural realizada nas superfícies das amostras. A Figura 4 apresenta a micrografia da superfície da telha brilhante, juntamente com uma análise EDS. Observa-se que a superfície da amostra brilhante é bem homogênea e
apresenta apenas algumas irregularidades topográficas inerentes ao processo de produção. A análise EDS indica qualitativamente que a fase vítrea (esmalte) é formada basicamente por silício, sódio, cálcio, alumínio e potássio, com presença de ferro que pode estar relacionada a adição de pigmentos. Não é observado nenhuma formação de cristais para essa composição de esmalte.
Figura 5- Micrografia da telha marfim mate (x2,0k) com análises EDS. Figura 4 – Micrografia da telha marfim brilhante (x1,0k) com análise EDS.
Figura 1- Microscopia da amostra brilhante (x1,0k) e indicação das análises EDS locais.
Na Figura 5 é apresentada a micrografia da superfície da amostra da telha mate, onde observa-se a presença de microcristais de forma irregular com tamanhos entre 2 - 3 μm. Em esmaltes mates a presença de cristais é esperada, pois é o processo de devitrificação do esmalte que confere o aspecto mate final à superfície. Em específico a análise EDS indicou que o esmalte mate em questão é um esmalte a base de zinco e bário, estando esses elementos presentes nos cristais formados.
Esses pequemos cristais presentes no esmalte mate interferem diretamente nas propriedades óticas, pois possuem índice de refração distinto da fase vítrea, proporcionando um espalhamento mais efetivo da luz em todas as direções. Portanto, o fato da telha mate ter apresentado maior SRI do que a telha brilhante pode ser explicado pela presença desses microcristais na superfície e em toda camada de esmalte.
CONCLUSÃO
A partir dos resultados obtidos evidenciou-se diferença do índice de refletância solar (SRI) das duas telhas avaliadas. Tendo em vista, que ambas amostras possuem SRI >39, ambas contribuem para minimização dos efeitos das ilhas de calor.
Constatou-se que o aspecto de uma superfície (mate ou brilhante) também pode influenciar as propriedades de refletância da luz solar. Ao contrário do que se imaginava, evidenciou-se que a telha mate apresentou maior percentual de refletância solar devido a presença de microcristais que contribuem para um espalhamento mais efetivo da luz, proporcionando um maior SRI para esta telha.
No Brasil, ainda há poucas pesquisas a respeito do comportamento dos materiais frente à radiação solar. Por isso, existe a necessidade de estudos e caracterizações das propriedades térmicas e ópticas dos materiais e componentes construtivos para que seja possível incorporar no mercado, cada vez mais, produtos que contribuam à sustentabilidade ambiental.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao órgão financiador CNPq pelo apoio financeiro disponibilizado para a realização desse trabalho de pesquisa
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) SCHABBACH, L.M. “Materiais Cerâmicos e o Efeito Ilha de Calor”, Projeto Universal financiado pelo CNPq. Processo nº 476172/2013-6.
(2) LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). [online]. Disponível em: http://www.gbcbrasil.org.br/sobre-certificado.php [Acessado: 25 de Março de 2016]. (3) ASTM E1980 - Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces (2011). Home: http://www.astm.org/ (4) ASTM E903-Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and
Transmittance of Materials Using Integrating Spheres (2012). Home:
http://www.astm.org/
(5) ASTM C1371 - Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials
Near Room Temperature Using Portable Emissometers (2010). Home:
http://www.astm.org/
(6) ASTM E308-85 - American Society for Testing and Materials (2009). Home: http://www.astm.org/
(7) TENAGLIA, A., RASTELLI, E., MAZZANTI, B., CHIVA-FLOR, C. Solar reflectance index (SRI) measurements of glazed ceramic tiles for LEED credits. In:
11th International Conference and Exhibition of the European Ceramic Society,
Krakow, PL, p. 21-25 Giugno, 2009.
(8) FROTA A. B. Manual de Conforto Térmico. Tabela 1 — Valores de Coeficientes
de Absorção (α) e Emitância (ε) pág. 193.
SOLAR REFLECTANCE INDEX OF GLAZED CERAMIC ROOF TILES: INFLUENCE OF THE SUPERFICIAL ASPECT
ABSTRACT
This study aimed to evaluate the influence of the superficial aspect in the glazed ceramic roof tiles in the ability to reflect sunlight. The solar reflectance index (SRI), parameter used in LEED certification (Leadership in Energy and Environmental Design), measures the ability of a surface to reflect solar radiation. Two samples of ceramic roof tiles of the same color were selected, one with bright ceramic glaze and
other with matt ceramic glaze. The SRI tiles was calculated from emissivity measurements made with an emissometer (D&S AE1 model) and reflectance with a spectrophotometer UV-Vis-NIR (Lambda 1050 NIR model). The matt roof tile presented SRI of 82 and the bright roof tile of 78, it shows that the matt has higher reflectance capacity in the infrared region. The MEV and EDS analyses on surfaces of the samples evidenced the presence of small crystals (containing Ba and Zn) in the matt roof tile, contributing to its better results of SRI.
