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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS CENTRO DE DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
Tese de Doutorado
Desempenho termoenergético e ótico da janela inteligente por simulação computacional
Joseane da Silva Porto
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Joseane da Silva Porto
Desempenho termoenergético e ótico da janela inteligente por simulação computacional
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais do Centro de Desenvolvimento Tecnológico da Universidade Federal de Pelotas, como requisito para a obtenção do título de Doutora em Ciência e Engenharia de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. César O. Avellaneda Coorientador: Prof. Dr. Eduardo Grala da Cunha
4 Joseane da Silva Porto
Desempenho termoenergético e ótico da janela inteligente por simulação computacional
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, como para obtenção do grau de Doutora em Ciência e Engenharia de Materiais, Centro de Desenvolvimento Tecnológico, Universidade Federal de Pelotas.
Área de Concentração: Filmes Finos
Data da defesa: 26 de fevereiro de 2019
Banca examinadora:
___________________________________________________________________ Prof. Dr. César O. Avellaneda (orientador) UFPel - Engenharia de Materiais
___________________________________________________________________ Prof. Dr. Eduardo Grala da Cunha (coorientador) UFPel – Faculdade de Arquitetura e Urbanismo
___________________________________________________________________ Profª.Drª. Lisandra Fachinello Krebs UFPel – Faculdade de Arquitetura e Urbanismo ___________________________________________________________________ Profª.Drª. Rejane Pergher UFPel – Instituto de Física e Matemática
___________________________________________________________________ Profª.Drª. Ruth da Silva Brum UFPel – Instituto de Física e Matemática
___________________________________________________________________ Profª.Drª. Camila Monteiro Cholant –UFPel - Engenharia de Materiais
5 Dedico essa tese ao meu esposo a minha filha, pelo amor do dia a dia e a mãe pelo carinho de sempre.
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Agradecimentos
Agradeço à toda minha família, amigos, professores e pessoas que ajudaram na realização dessa tese. Sou imensamente grata pela paciência e incentivo.
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Estamos na situação de uma criancinha que entra em uma imensa biblioteca, repleta de livros em muitas línguas. A criança sabe que alguém deve ter escrito aqueles livros, mas não sabe como. Não compreende as línguas em que foram escritos. Tem uma pálida suspeita de que a disposição dos livros obedece a uma ordem misteriosa, mas não sabe qual ela é. (Albert Einstein)
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Resumo
PORTO, Joseane da Silva. Desempenho termoenergético e ótico da janela
inteligente por simulação computacional. 2019. Tese de Doutorado Programa de
Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais. Universidade Federal de Pelotas. Pelotas.
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um vidro eletrocrômico e caracterizar suas propriedades óticas. Além de analisar o desempenho termoenergético de uma edificação com atividades características de escritório com vidro eletrocrômico. O estudo foi desenvolvido experimentalmente através de estudo comparativo com os vidros comuns de 3mm e 6mm em vidro eletrocrômico Sage Glass 9mm, com a finalidade de analisar o consumo de energia e conforto térmico provenientes da climatização artificial e da ventilação natural, respectivamente. Para determinação das características óticas em relação à radiação solar da janela eletrocrômica desenvolvida experimentalmente foram utilizados os procedimentos descritos por Pizzutti (2002) com alguns ajustes. O procedimento foi aplicado para o vidro descolorido e para o vidro colorido. Para a simulação computacional foi utilizado o software EnergyPlus, as simulações foram realizadas em duas zonas bioclimáticas, na zona bioclimática 2 (ZB 2) e na zona bioclimática 8 (ZB 8), onde utilizou-se os arquivos climáticos da cidade de Camaquã e da cidade de Manaus, respectivamente. Observou-se que o vidro eletrocrômico estudado experimentalmente, possui valores de transmitância e refletância semelhantes aos vidros eletrocrômicos disponíveis comercialmente. Também foi possível verificar que a edificação com vidro eletrocrômico desenvolvido experimentalmente apresentou melhor nível de conforto térmico nas horas ocupadas, e que o consumo de energia para resfriamento diminui conforme o aumento da coloração principalmente na ZB 8, por se tratar de uma região com clima quente. Notou-se que na ZB 2 em alguns meses do ano o vidro eletrocrômico permanecia totalmente descolorido, já que a temperatura de setpoint era sempre maior que a temperatura externa.
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Abstract
PORTO, Joseane da Silva. 2019. Intelligent window thermoenergetic and optical performance by computational simulation. 2019. Doctoral Thesis Post-Graduate Program in Materials Science and Engineering. Federal University of Pelotas. Pelotas.
This work aims to develop an electrochromic glass and characterize its optical properties. In addition to analyzing the thermoenergetic performance of a building with office activities with electrochromic glass. The study was developed experimentally through a comparative study with the common 3mm and 6mm glass in Sage Glass 9mm electrochromic glass, in order to analyze the energy consumption and thermal comfort from artificial air conditioning and natural ventilation, respectively. In order to determine the optical characteristics in relation to the solar radiation of the experimentally developed electrochromic window. The procedures described by Pizzutti (2002) with some adjustments were used. The procedure was applied for the uncolored glass and for the colored glass. For the computer simulation the EnergyPlus software was used, the simulations were carried out in two bioclimatic zones, in the bioclimatic zone 2 (ZB 2) and in the bioclimatic zone 8 (ZB 8), where the climatic archives of the city of Camaquã and of the city of Manaus, respectively. It was observed that the electrochromic glass studied experimentally, has values of transmittance and reflectance similar to commercially available electrochromic glasses. It was also possible to verify that building with electrochromic glass developed experimentally presented a better level of thermal comfort in the hours occupied, and that the energy consumption for cooling decreases as the color increase, especially in ZB 8, because it is a region with a hot climate. It was observed that in ZB 2 in some months of the year the electrochromic glass remained totally discolored, since the setpoint temperature was always higher than the external temperature.
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Lista de Figuras
Figura 1 - Esquema de um Dispositivo eletrocrômico. ... 16
Figura 2 – Esquema da janela eletrocrômica. ... 24
Figura 3 - Estrutura e funcionalidade do dispositivo eletrocrômico. ... 25
Figura 4 - Princípio de funcionamento dos dispositivos eletrocrômicos ... 27
Figura 5 - Esquema de transmissão da radiação solar. ... 29
Figura 6 - Processo artesanal de produção de velas utilizando a técnica do dip-coating. ... 32
Figura 7 - Aparelho utilizado para deposição de filmes pelo processo dip-coating. .. 33
Figura 8 - Estágios de deposição do filme na técnica dip-coating. ... 34
Figura 9 - Técnica de dip-coating pelo processo contínuo. ... 35
Figura 10 – Exemplo de janelas eletrocrômicas em teste. ... 37
Figura 11 - Limites da zona de conforto ASHRAE 55 ... 39
Figura 12 - Zoneamento bioclimático brasileiro. ... 41
Figura 13 - Fluxograma das etapas da tese. ... 47
Figura 14 - Diagrama em blocos da preparação dos sois de WO3 ... 48
Figura 15 - Preparação dos filmes de WO3 dopados e não dopados. ... 48
Figura 16 - Vista da zona térmica. ... 51
Figura 17 - Apresentação do modelo do estudo. ... 51
Figura 18 - Voltamogramas cíclicos (b) para os filmes de WO3. ... 59
Figura 19 - Densidades de carga para os filmes de WO3... 59
Figura 20 - Cronocoulometria dos filmes de duas camadas de WO3 e WO3: Li+ à 240°C. ... 60
Figura 21 - Voltametria filmes de duas camadas de WO3 e WO3:Li+ à 240°C. ... 61
Figura 22 – Gráfico de transmitância e refletância com a janela despolarizada. ... 65
Figura 23 – Gráfico de transmitância e refletância com a janela polarizada. ... 65
Figura 24 – Gráfico do espectro solar padrão adotado. ... 66
Figura 25 – Gráfico do espectro solar padrão adotado (figura 24) e gráfico da figura 22. ... 66
Figura 26 – Gráfico do espectro solar padrão adotado (figura 24) e gráfico da figura 23. ... 67
11 Figura 28 - Consumo de energia para aquecimento e resfriamento da edificação
utilizando EMS. ... 70
Figura 29 - Consumo de energia e conforto térmico do Modelo 1 na ZB 2. ... 72
Figura 30 - Consumo de energia para refrigeração versus desconforto por calor do Modelo 1 na ZB 2. ... 73
Figura 31- Consumo de energia para aquecimento versus desconforto por frio do Modelo 1 na ZB 2. ... 73
Figura 32 - Consumo de energia e conforto térmico do Modelo 2 na ZB 2. ... 75
Figura 33- Consumo de energia para refrigeração versus desconforto por calor do Modelo 2 na ZB 2. ... 75
Figura 34 - Consumo de energia para aquecimento versus desconforto por frio do Modelo 2 na ZB 2. ... 76
Figura 35 - Consumo de energia e conforto térmico do Modelo 3 na ZB 2. ... 76
Figura 36 - Consumo de energia para refrigeração versus desconforto por calor do Modelo 3 na ZB 2. ... 77
Figura 37 - Consumo de energia para aquecimento versus desconforto por frio do Modelo 3 na ZB 2. ... 77
Figura 38 - Consumo de energia e conforto térmico do Modelo 4 na ZB 2. ... 78
Figura 39 - Consumo de energia para refrigeração versus desconforto por calor do Modelo 4 na ZB 2. ... 78
Figura 40 - Consumo de energia para aquecimento versus desconforto por frio do Modelo 4 na ZB 2. ... 79
Figura 41- Consumo de energia e Desconforto por calor do Modelo 1 na ZB 8... 80
Figura 42 - Consumo de energia e desconforto por calor do Modelo 2 na ZB 8. ... 81
Figura 43 - Consumo de energia e desconforto por calor do Modelo 3 na ZB 8. ... 82
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Lista de Tabelas
Tabela 1 - Estratégias de condicionamento passivo para ZB 2 e ZB 8. ... 42
Tabela 2 - Modelos simulados. ... 52
Tabela 3 - Materiais e transmitâncias térmicas. ... 53
Tabela 4 - Transmitâncias Visíveis. ... 53
Tabela 5 - Agenda de ocupação, iluminação e equipamentos. ... 55
Tabela 6 - Temperaturas mensais do solo. ... 56
Tabela 8 - Configurações do vidro eletrocrômico no EnergyPlus. ... 67
Tabela 9 - Configurações do WindowMaterial: Glasing ... 68
13 SUMÁRIO 1. Introdução ... 15 2. Objetivos ... 19 2.1. Objetivo Geral ... 19 2.2. Objetivos Específicos ... 19 3. Revisão da literatura ... 20 3.1. Eletrocromismo ... 20 3.1.2. Dispositivo eletrocrômico ... 23
3.2. Características óticas de superfícies transparentes ... 28
3.3. Processo sol-gel ... 30
3.2.1. Técnicas de deposição dos filmes ... 31
3.2.1.1. Dip-coating ... 31
3.3. Janelas eletrocrômicas na arquitetura ... 36
3.3.1. Conforto térmico ... 38
3.3.2. NBR 15220 ... 40
3.3.2.1 NBR 15220 – Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro ... 41
3.3.3. Eficiência energética ... 42
3.4. Simulação do desempenho termoenergético ... 43
3.4.1. EnergyPlus ... 45
3.3.4.1.1. Energy Management Systm (EMS) ... 46
4. Materiais e métodos ... 47
4.1. Preparação dos sois e filmes ... 47
4.1.1. Preparação dos sois de WO3 ... 47
4.1.2. Preparação dos filmes de WO3 ... 48
4.1.3. Preparação dos eletrólitos sólidos poliméricos ... 49
4.1.3.1. Preparação do contra-eletrodo ... 49
4.2. Simulação do desempenho energético ... 50
4.2.1. Definição do estudo piloto ... 50
4.2.2. Definição do objeto de estudo ... 51
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4.3.1. Materiais e composição dos fechamentos ... 52
4.3.2. Ventilação natural ... 54
4.3.3. Sistema de condicionamento de ar ... 54
4.3.4. Configurações das condições de uso e ocupação iluminação ... 55
4.3.5. Definição dos horários de ocupação ... 55
4.3.6. Temperatura do solo ... 55
4.3.7. Configurações no EMS ... 56
4.4. Método de análise dos resultados: Simulação termoenergética ... 57
4.4.1. Análise do conforto térmico ... 57
4.4.2. Análise do consumo energético ... 57
5. Resultados e discussão... 58
5.1. Caracterização eletroquímica ... 58
5.2. Dopagem com íon de Li+ ... 59
5.3. Determinação das características óticas do vidro eletrocrômico ... 62
5.3.1. Configurações das características óticas do vidro eletrocrômico no EnergyPlus ... 67
5.4. Método aplicado ao caso base ... 69
5.5. Análise dos resultados para o objeto de estudo ... 71
5.5.1.Conforto térmico e consumo de energia para ZB2 ... 72
5.5.2. Conforto térmico e consumo de energia para ZB 8 ... 80
6. Conclusões ... 84
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1. Introdução
O uso descontrolado das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os danos ambientais causados pela exploração de recursos energéticos projetam um cenário preocupante para os próximos anos. Diversos estudos apontam para esta situação que, além de tudo, apresenta como agravante o aumento crescente da demanda energética por parte da população. Devido a este cenário, vem crescendo a busca por fontes alternativas de energia e por novas tecnologias que consigam otimizar o consumo energético com o intuito de atender as demandas energéticas da sociedade, assegurando qualidade, abundância de energia, assim como redução dos prejuízos causados ao meio ambiente. Uma das fontes renováveis de energia com grande destaque é a energia oriunda do sol, a qual é não poluente e inesgotável como fonte de luz e calor, sendo considerada por muitos estudiosos a alternativa mais promissora do milênio (OLIVEIRA, 2010).
Diversas pesquisas vêm sendo realizadas visando otimizar o consumo de energia e o aproveitamento da luz solar. Dentre elas é possível destacar estudos relacionados ao vidro, o qual está presente com bastante frequência na arquitetura e na construção civil. O uso excessivo do vidro em edificações apesar de proporcionar um bom nível de iluminação, transparência e integração com o ambiente externo, pode causar desconforto térmico no interior dos ambientes, devido aos ganhos de radiação solar, e/ou devido às elevadas trocas de calor por condução com o meio exterior.
Para conseguir a integração do vidro na edificação levando em consideração o fator conforto, tanto luminoso quanto térmico, estão sendo feitos estudos com os vidros eletrocrômicos, que são vidros que apresentam transmitância variável e prometem ajudar tanto no conforto luminoso quanto no conforto térmico. Diversos estudos relacionados aos vidros eletrocrômicos estão sendo desenvolvidos, entre eles estão os trabalhos de PICCOLO et al., 2018; DEFOREST et al., 2017; TAVARES et al., 2016; PICCOLO e SIMONE, 2015.
A tecnologia dos vidros eletrocrômicos é conhecida desde o século XIX, esse tipo de vidro consegue imitar a função da íris nos olhos dos mamíferos, variando a transmissão global enquanto mantém uma visão clara (MARDALJEVIC et al., 2016).
16 Atualmente, existem aplicações em escala industrial de dispositivos eletrocrômicos de pequenas áreas como, por exemplo, retrovisores eletrocrômicos e óculos eletrocrômicos (MONK et al., 1995; HEUSING, AEGERTER, 2005; VIEIRA, PAWLICKA, 2010).
Dispositivos eletrocrômicos ou janelas inteligentes apresentam transmitância luminosa variável, proporcionam bom contraste visual entre os ambientes interiores e exteriores e, ainda, são capazes de minimizar a passagem dos raios ultravioleta e infravermelho aos ambientes internos. Desta maneira, em locais com clima quente, contribuem para a redução do aquecimento desses ambientes, adequando sua luminosidade e calor, e, consequentemente diminuindo o consumo de energia (ENGFELDT, et al., 2011; DE MELLO, et al., 2012).
Uma janela eletrocrômica muda de cor devido à aplicação de potencial ou corrente, ou seja, é essencialmente uma célula eletroquímica onde o eletrodo de trabalho (eletrocrômico) está separado do contra eletrodo através de um eletrólito (sólido, líquido ou gel) e a mudança de cor ocorre devido ao carregamento e descarregamento da célula eletroquímica por meio de um potencial aplicado ou corrente elétrica (Figura 1).
Durante a aplicação deste potencial ocorre a dupla inserção de íons e elétrons que mudam o estado de oxidação do eletrodo de trabalho e, consequentemente, muda sua coloração. A aplicação do potencial contrário provoca à extração dos íons e elétrons inseridos no eletrodo de trabalho e consequentemente a descoloração da janela (MONK et al., 1995).
Figura 1 - Esquema de um Dispositivo eletrocrômico. Fonte: GRANQVIST, 2006 adaptado.
17 É importante que a preparação destes filmes apresente propriedades óticas desejáveis para seu uso em um DEC (dispositivo eletrocrômico). O processo sol-gel e a técnica dip-coating oferecem muitas vantagens sobre as técnicas tradicionais na preparação de filmes finos eletrocrômicos e armazenamento de íons (BRINKER et al., 1990). Através deste processo pode-se conseguir filmes com excelente homogeneidade uma vez que os materiais de partida são misturados a nível molecular.
Contudo, os dispositivos eletrocrômicos conhecidos permitem regular a reflexão ou transmissão da luz quando uma pequena voltagem é aplicada nos seus condutores eletrônicos. Deste modo, as janelas inteligentes permitem o controle da luminosidade e do calor em ambientes fechados, reduzindo o consumo de energia, além de oferecer conforto térmico (MELO, 2001).
Existem muitas possibilidades de aplicações das janelas eletrocrômicas no campo da arquitetura para regulagem da luminosidade e calor de ambientes fechados. Estas colaboram para a redução do consumo de energia gasto por aparelhos de ar condicionados, de forma que nos meses de verão a janela eletrocrômica pode minimizar a passagem dos raios ultravioleta e infravermelho atenuando o aquecimento dos ambientes internos. Isso demonstra que a pesquisa no campo de desenvolvimento das janelas eletrocrômicas, além de ser interessante do ponto de vista científico, também pode ser benéfica à população (RAPHAEL, 2010).
O trióxido de tungstênio (WO3) é o óxido mais estudado devido as suas
excelentes propriedades eletrocrômicas. No entanto, é necessário analisá-lo para melhorar as propriedades de estabilidade em casos de longa duração. Do ponto de vista prático, as propriedades eletrocrômicas do WO3 são muito sensíveis ao método
de preparação. No processo sol-gel os filmes de WO3 sempre apresentam contenção
de água e estrutura porosa, o que provavelmente faz com que a difusão dos íons seja favorecida, consequentemente melhorando o desempenho eletrocrômico do material (ZOPPI, 2000; AVELLANEDA, 2001; QUINTANILHA, 2010; SENTANIN, 2013). As propriedades eletrocrômicas desses filmes podem ser alteradas através de uma pequena modificação em sua estrutura, como demonstrado por Avellaneda et al. (2001), que estudaram a influência da dopagem com lítio nos filmes de WO3.
Nas últimas décadas a simulação computacional de processos eletroquímicos tem despertado um considerável interesse (FELDBERG, 1981, CAO et al., 2013). As simulações computacionais permitem analisar uma grande quantidade de dados que
18 são necessários para o cálculo de desempenho termoenergético e luminoso de edificações. A partir dos resultados das simulações e das análises feitas através destes é possível obter orientações para as tomadas de decisão do projeto (RAMOS e GHISI, 2010).
Diversos programas são utilizados para avaliar as questões térmicas, lumínicas e a eficiência energética das edificações. Neste trabalho será utilizado o programa EnergyPlus 8.4, tendo como finalidade analisar o conforto térmico e a eficiência energética da edificação em estudo.
O EnergyPlus é uma ferramenta para a modelagem de energia e avaliação do desempenho do edifício, desenvolvida pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, que permite simular os sistemas de aquecimento, iluminação e ventilação de forma a quantificar seu consumo de energia. O programa EnergyPlus foi criado a partir da junção de dois programas, BLAST e DOE-2 e trabalha com o balanço de calor do BLAST, com modelo de ar condicionado genérico, novos algoritmos de transferência de calor e fluxo de ar entre zonas (CRAWLEY et al, 1999), enquanto o cálculo da iluminação natural é proveniente do programa DOE-2 (ENERGYPLUS, 2015).
Até o presente momento não foi encontrado na literatura simulações computacionais de desempenho termoenergético que utilizam dados experimentais de vidros eletrocrômicos de WO3 dopados com lítio sendo comparados com o vidro
comum, com aplicações na arquitetura, o que mostra a importância deste trabalho. Este trabalho tem o objetivo de analisar a transmitância e a refletância, que são propriedades óticas dos vidros eletrocrômicos, e realizar simulações computacionais do desempenho termoenergético de uma edificação (escritório) fazendo um comparativo do vidro eletrocrômico de WO3 dopado com lítio, desenvolvido
experimentalmente, com alguns vidros disponíveis comercialmente, visando obter dados de conforto térmico e eficiência energética.
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2. Objetivos
2.1. Objetivo Geral
Desenvolver um protótipo de um vidro eletrocrômico de WO3 dopado com lítio com espessura de 8,8mm, determinar suas propriedades, e simular computacionalmente o desempenho termoenergético quando aplicado a uma edificação comercial utilizando este vidro eletrocrômico comparando-o com os vidros simples de 3mm, 6mm e com o vidro eletrocrômico Sage Glass 9mm.
2.2. Objetivos Específicos
Comparar o desempenho térmico do dispositivo eletrocrômico de WO3
dopado com lítio desenvolvido em laboratório com vidros comerciais;
Determinar as propriedades óticas do dispositivo eletrocrômico;
Simular o desempenho termoenergético de uma edificação comercial, utilizando o dispositivo eletrocrômico a partir dos resultados óticos obtidos na parte experimental da pesquisa;
Analisar a diferença do desempenho do dispositivo eletrocrômico nas regiões Norte e Sul do Brasil.
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3. Revisão da literatura
3.1. Eletrocromismo
O eletrocromismo é definido como uma variação ótica reversível, ou seja, é a capacidade em exibir uma nova coloração devido à aplicação de um potencial externo. A alteração na cor deverá ser reversível quando a tensão é removida ou quando a polaridade da tensão ou corrente é invertida (TORRESI, 2000, CAI, 2013). Um material eletrocrômico deve ter uma ampla faixa de transmitância e independência em relação ao ângulo de visão, memória ótica e estabilidade aos raios ultravioletas (OLIVEIRA e TORRESI, 1999).
De acordo com Proença (2007) os materiais eletrocrômicos devem apresentar baixa tensão mecânica, alto contraste, rápida cinética de coloração/descoloração e boa capacidade de resistir aos ciclos coloração/descoloração, independentes de sua aplicação. Assim, podemos classificar os materiais eletrocrômicos como:
Material de coloração catódica: quando o estado mais absorvedor envolver uma reação de redução;
Material de coloração anódica: quando o estado mais absorvedor envolver uma reação de oxidação;
Material de inserção de íons: são filmes que mudam de cor via inserção rápida e reversível de íons e elétrons dentro do material;
Sistema de eletrodeposição reversível: trata-se da mudança de cor efetiva via deposição e dissolução de filmes finos sobre um substrato transparente.
O eletrocromismo apresenta inúmeras vantagens como a combinação de cores e relativa simplicidade na montagem dos dispositivos (BALAJI, 2009; LIN, 2010; KUBO, 2003).
Os primeiros relatos do eletrocromismo datam de 1704, quando foi descoberto o azul da Prússia por Diesbach como sendo um excelente corante com propriedades eletrocrômicas. Berzelius (1815) descobriu o eletrocromismo do óxido de tungstênio (WO3) (MONK et al., 2007). Em 1824, Wohler provocou uma redução química
semelhante à de Berzelius com o sódio metálico. Kobosew e Nekrassow (1830) demonstraram que o pó do WO3 era capaz de adquirir a cor azul pela redução
21 Um dos primeiros trabalhos descrevendo a alteração de cor de um material com características eletrocrômicas foi realizado por Brimm et al. (1951). Eles estudaram o tungstato de sódio (Na2WO3) e perceberam que quando este composto era aplicado
como eletrodo numa célula eletroquímica mudava sua coloração quando utilizado como ânodo ou cátodo. Em 1953, Krauss observou que um filme de WO3 depositado
a partir da fase vapor sobre uma camada metálica semitransparente (Cr, Ag) ficava colorido (azul), quando polarizado catodicamente em solução de 0,1N de H2SO4. Deb
(1969) preparou filmes amorfos de WO3 evaporados termicamente, onde notou que
os filmes mudavam sua coloração de transparente para azul com uma banda de absorção centrada em 910nm. Neste mesmo ano, Deb introduziu o conceito de reação eletrocrômica, baseado na dupla injeção de elétrons e de íons monovalentes (H`+, Li+,
etc.). Esta propriedade eletrocrômica é encontrada em vários óxidos de metais de transição tais como TiO2, WO3, V2O5 e Nb2O5.
Crandall e Faughman (1976) observaram o mesmo efeito para um filme de WO3
imerso em ácido sulfúrico. A diferença de potencial foi aplicada entre o eletrodo de ITO (filme de óxido de estanho dopado com índio depositado sobre uma lâmina de vidro), um fio de índio contendo o filme de WO3 e um eletrodo de platina na solução.
Os autores atribuíram a coloração à injeção de elétrons pelo contato de ITO e ao transporte simultâneo de prótons da solução que promovem à eletro neutralidade no filme de óxido (JUDEISTEIN, 1994).
A pesquisa sobre eletrocromismo foi impulsionada por Lampert; Svensson, Granqvist nos anos de 1984 e 1985 quando esta nova tecnologia foi aceita por ter boa eficiência energética. Nesta mesma época, o termo “janela inteligente” foi criado por eles chamando atenção de forma geral. No ano de 1990, Lampert realizou testes de durabilidade de um dispositivo eletrocrômico, dando início a discussão sobre desempenho de vidros com transmitância variável com aplicações em edificações. Em 1993, Monk, Duffy e Ingram publicaram resultados preliminares de um dispositivo de ITO/WO3/Li+-PEO-H3PO4(MeCN)/HXV2O5/ITO, neste trabalho foi observada a
coloração azul no processo de redução do WO3. Ainda em 1993, Nagai realizou
estudos sobre um dispositivo onde foram utilizados WO3 e NiOx obtendo a 40cm2/C
de eficiência de coloração 55% na diferença de transmitância entre os estados colorido e descolorido, para 550nm de comprimento de onda.
Brinker et al. (1994) relataram que o espectro de absorção de certas tintas pode ser deslocado em centenas de angstroms quando aplicado um forte campo elétrico.
22 Ele deu a este efeito o nome de eletrocromismo, em analogia a termocromismo e fotocromismo os quais descrevem a mudança de coloração produzida pelo calor e pela luz, respectivamente.
Singh, et al. (1995), utilizaram o WO3 como material eletrocrômico e álcool
polivinílico complexado com H3PO4 como eletrólito em seu dispositivo eletrocrômico
no qual obtiveram uma eficiência de 1,05cm2/C e 0,13 de densidade ótica. Munro, et
al. (1998) desenvolveram uma janela eletrocrômica no qual o WO3 foi usado como
material eletrocrômico e obtiveram uma boa variação na transmitância, chegando a 60% entre os estados colorido e descolorido.
Heckner e Kraft (2002) criaram um dispositivo contendo dois materiais eletrocrômicos, chegando a aproximadamente 55% na variação da transmitância e 633nm para o comprimento de onda e, ainda, relataram uma estabilidade maior que 105 ciclos de coloração/descoloração.
Em 2004, Kucharski et al. elaboraram um dispositivo de configuração: vidro/ITO/WO3/eletrólito/PB/ITO/vidro onde obtiveram 100cm2/C. Pawlicka et al.
(2004) utilizaram o WO3 de eletrodo e CeO2-TiO2 de contra eletrodo, chegando a 50%
de variação na transmitância. No ano de 2006, Kraft et al. obtiveram 80% de mudança na coloração no visível para menos de 30% no intervalo de 500 e 700nm para o comprimento de onda. Estes resultados foram obtidos em vidros eletrocrômicos de grande área (até 1,2m x 0,80m) FTO/azul da Prússia/eletrólito de PVB/WO3/FTO. Em
2007, Brazier et al., apresentaram um dispositivo com eletrólitos a base de líquidos iônicos e WO3 como contra eletrodo e N-butil-N-metilpirrolidina bis
(trifluorometanosulfonil)imidas como eletrólito. Este dispositivo teve variação de 28% na diferença de transmitância em 650nm e 5,6mC/cm2 de densidade de carga com
estabilidade em 1000 ciclos. Avellaneda et al. (2008) propuseram um dispositivo com eletrólito polimérico a base de gelatina, um polímero natural. Os dispositivos tinham a seguinte configuração: vidro/FTO/Nb2O5:Mo/gelatina/CeO2-TiO2/FTO/vidro e os
resultados mostraram densidade de carga de 8mC/cm2, variação de transmitância de
18% em 550nm de comprimento de onda e uma estabilidade de 25000 ciclos.
Nos últimos anos, Al-Kahlout et al. (2010) seguiram a ideia de utilizar eletrólitos a base de polímeros naturais, construíram uma janela onde o WO3 foi utilizado como
eletrodo, CeO2-TiO2 como contra eletrodo e gelatina como eletrólito. Este dispositivo
apresentou 15% na variação da transmitância em 550nm, densidade de carga de 3,3mC/cm2 e estabilidade de 10000 ciclos.
23 Em 2013, Sentanin apresentou resultados de janelas eletrocrômicas contendo filmes finos de WO3 como camada eletrocrômica, CeO2-TiO2 como contra eletrodo e
eletrólitos a base de polímeros naturais plastificados. Os dispositivos apresentaram variação de transmitância de 28% para 550nm comprimento de onda.
No ano de 2014, Landarin preparou filmes finos de óxido de tungstênio dopados e não dopados com oxido de zircônio e íons de lítio, tais filmes apresentaram propriedades eletrocrômicas e fotocrômicas. Os filmes de WO3 e WO3 dopados com
sal de lítio (5% mol) apresentaram bons resultados para aplicação em arquitetura através das janelas eletrocrômicas, já os filmes de WO3 dopados com zircônio (3%
mol) mostraram-se melhores para aplicação em janelas fotocrômicas.
Em 2014, Granqvist fez uma revisão crítica sobre eletrocromismo dividida em oito seções, partindo do estado da arte, passando por aplicações e finalizando com um breve resumo e perspectivas eletrocrômicas. Granqvist desenvolveu outros estudos envolvendo dispositivos eletrocrômicos em 2108.
3.1.2. Dispositivo eletrocrômico
Nas últimas décadas houve um crescimento considerável na utilização de dispositivos eletrocrômicos em diversas áreas. A aplicação industrial teve início com a construção de telas e substituição de visores de dispositivos de tubos de raios catódicos (CRT), cristal líquido (LCD) e diodos emissores de luz (LED). Também tem sido muito utilizado na indústria automotiva em espelhos, retrovisores e tetos solares e ainda na arquitetura, sendo amplamente utilizado em janelas inteligentes.
Um dispositivo eletrocrômico é constituído de dois condutores iônicos feitos de óxido de estanho dopado com índio (ITO) ou óxido de estanho dopado com flúor (FTO), um filme eletrocrômico, eletrólito (condutor iônico que pode ser líquido, sólido ou gel) e um reservatório de íons de lítio ou hidrogênio (Figura 2).
24
Figura 2 – Esquema da janela eletrocrômica. Fonte: GRANQVIST, 1998 (Adaptado).
O fenômeno de alteração de coloração está ligado à inserção de íons de lítio (Li+) ou hidrogênio (H+) que migra do eletrólito para a camada de filme eletrocrômico,
a qual geralmente é formada por óxidos de tungstênio, nióbio, vanádio. Nos óxidos de tungstênio e nióbio ocorre uma brusca mudança de coloração passando de quase transparente (transmissão de 80%) para o azul-escuro (transmissão de 10%) (CARAM, 2003).
O eletrodo condutor transparente geralmente é composto de óxido de estanho dopado com índio (ITO: Sn2O3:In), flúor (FTO: SnO2:F), podendo ser também óxido
de zinco dopado com alumínio (ZnO:Al), gálio (ZnO:Ga), índio (ZnO:In), tereftalato de polietileno (PET) e óxidos ternários, que podem ser utilizados também como revestimento condutor. Os contatos eletrônicos estão ligados ao revestimento dos condutores transparentes (GRANQVIST, 1995; LIN, 2010).
O eletrodo de trabalho contém camadas eletrocrômicas que mudam de cor com a intercalação de espécies iônicas como íons Li+, H+, facilitando o trabalho do
eletrólito. O contra eletrodo é o material com propriedade de armazenamento de íons, o qual pode ser também um material eletrocrômico, chamado de eletrodo secundário, aumentando o contraste ótico entre os estados transparente e colorido ou fornecendo mais de um estado colorido ao dispositivo.
De acordo com Gesheva (2012) o eletrólito usado como condutor para os filmes finos do dispositivo eletrocrômico deve ser um condutor de baixa condutividade
25 eletrônica, possuir alto coeficiente de difusão e rápida cinética, podendo ser líquido, gel, polímero ou um filme fino. Já os dispositivos eletrocrômicos com eletrólitos líquidos não favorecem a produção de grandes áreas devido à deformação do vidro, risco de vazamento e dificuldade de selagem do dispositivo (AEGERTER, 2004). Porém, geralmente, os dispositivos feitos com eletrólito líquido possuem melhores propriedades que os montados com eletrólito sólido por terem maior mobilidade iônica na fase líquida.
Os filmes do contra eletrodo devem proporcionar o equilíbrio das cargas que se intercalam durante o processo de coloração/descoloração em um dispositivo eletrocrômico, onde sua capacidade de armazenamento de íons lítio, seu coeficiente de difusão e estabilidade eletroquímica devem ser comparáveis àquela do filme eletrocrômico para compensar as reações de inserção/extração de íons lítio que ocorrem na camada eletrocrômica (GRANQVIST, 1995).
Na Figura 3 é ilustrado o modelo de um dispositivo eletrocrômico, no qual o sistema é composto por um substrato de vidro, o eletrodo condutor transparente (ITO); o filme eletrocrômico (filme fino de WO3); a camada intermediária que é formada pelo
eletrólito com íons de Li+
, o contra-eletrodo (filme fino de CeO2 ou CeO2-TiO2), o
eletrodo condutor transparente (ITO) e o substrato (vidro).
Figura 3 - Estrutura e funcionalidade do dispositivo eletrocrômico. Fonte: GRANQVIST, 1998 (Adaptado).
26 Inicialmente o sistema é transparente (descolorido) e após a aplicação de uma tensão com polaridade negativa no lado em que se encontra o WO3, ocorrerá a
redução e, simultaneamente, os íons I+ (H+ou Li+) serão difundidos pelo eletrólito,
migrando do CeO2-TiO2 (contra-eletrodo) para a camada de WO3 (filme
eletrocrômico), formando um composto intercalado de cor azul (IxWO3), conforme a
reação (1) reversível:
I++ WO3+ xe− ↔ IxWO3 (1)
onde, I+ é íon (H+ ou Li+) e e- é elétron.
Nesse exemplo, onde ocorreu a redução e formação de cor, o material é chamado de catódico. Quando o dispositivo fica colorido, há a refletância da radiação solar ultravioleta e infravermelha e da transmitância da luz com a reversão da polaridade IxWO3 e, simultaneamente, os íons I+ difundem-se de volta para o contra
eletrodo, fazendo com que o sistema volte a ser transparente.
A camada de contra eletrodo pode ser tanto uma camada armazenadora de íons, que não muda de cor durante o processo de inserção e extração, como uma camada eletrocrômica anódica complementar, que muda de cor no estado de oxidação, de forma que a coloração possa se intensificar na operação do dispositivo eletrocrômico (GESHEVA, 2012).
Os vidros eletrocrômicos possuem memória, isto é, o tempo de memória implica no período em que o vidro eletrocrômico continua colorido depois de cessada a aplicação de voltagem. O tempo de memória pode ser longo, alcançando de 12 a 24 horas, tornando-se mais apropriado para fachadas, já que o sistema permanecerá ativado durante o período do dia que for necessário. Desta forma, com a aplicação de um determinado potencial, que poderá variar de 1 a 5 volts, obtém-se a mudança de coloração e para descolorir o vidro basta inverter a polaridade dos eletrodos (CARAM, 2003).
As aplicações dos dispositivos podem ser divididas em três categorias principais: janelas, espelhos e displays. Na Figura 4 é demonstrado o princípio de funcionamento desses três tipos de dispositivos eletrocrômicos.
As janelas eletrocrômicas têm como função principal modular ou diminuir a intensidade de transmissão luminosa visível ou infravermelha em ambientes fechados, diminuindo o consumo de energia elétrica gasto com climatizadores. Já o espelho
27 eletrocrômico funciona de modo a atenuar a intensidade luminosa por ele refletida o que, no caso da aplicação automotiva, oferece maior segurança ao motorista ao dirigir, evitando o ofuscamento de sua visão.
Figura 4 - Princípio de funcionamento dos dispositivos eletrocrômicos Fonte: GRANQVIST, 1998 (Adaptado).
No caso do display o princípio de funcionamento é semelhante ao espelho, onde a radiação incidida se reflete de modo difuso e o material eletrocrômico tem como função variar a cor nele observada, de modo que este possa ser utilizado, por exemplo, em painéis eletrônicos indicativos (OLIVEIRA, et al. 2015). Para avaliar a eficiência de um material eletrocrômico é necessário que alguns parâmetros sejam considerados:
Eficiência eletrocrômica, a qual relaciona a quantidade de carga injetada com a variação de coloração produzida. Quanto maior a relação entre variação ótica e variação de carga, melhor a eficiência eletrocrômica do sistema;
Memória ótica, que diz respeito à persistência da coloração do material após a interrupção do estímulo elétrico;
Tempo de resposta, definido como o tempo que o material leva para alterar sua coloração em resposta ao estímulo elétrico;
28
3.2. Características óticas de superfícies transparentes
Uma das funções mais importantes dos fechamentos exteriores é controlar de forma adequada as interferências do meio exterior, o conforto térmico e visual pode ser prejudicado pelo desequilíbrio entre áreas envidraçadas e áreas opacas nas fachadas, já que o uso excessivo de áreas envidraçadas não significa melhor qualidade ou maior quantidade de iluminação no interior da edificação. Portanto, as superfícies transparentes devem estar adequadas aos requisitos para o conforto térmico, de forma que se tenha melhor aproveitamento de energia solar incidente, resultando em eficiência energética (CARAM,1998; CASTRO, 2006).
De acordo com Duffie & Beckman (1991), a radiação solar compreende um espectro que varia de 300 a 3000nm, o que é denominada radiação de onda curta, abrangendo três faixas de comprimento de onda: ultravioleta, visível e infravermelho, que são definidas a seguir:
Radiação ultravioleta: o comprimento de onda está na faixa de 100 a 380nm; Radiação visível: o comprimento de onda está na faixa de 380 a 780nm; Radiação infravermelha: o comprimento de onda compreende a faixa de 780 a
3000nm.
As propriedades óticas dos vidros permitem que boa parte da radiação solar incida no interior da edificação, tornando-se uma fonte de calor. A radiação solar é a combinação de aproximadamente 7% de radiações ultravioleta, 43% de espectro de luz visível e 49% de radiações infravermelhas que são invisíveis e é onde há maior concentração de calor (PIZZUTTI, 2002). No momento que a radiação solar incide sobre um material transparente parte é transmitida para o interior da edificação, parte é absorvida pela superfície e parte é refletida para o exterior, portanto, ocorrem os seguintes processos (Figura 5):
Transmissão: A transmissão espectral depende da composição química do material, da absorção ótica, do ângulo de incidência e da sua coloração; Reflexão: A reflexão depende do ângulo de incidência e do índice de refração; Absorção: a absorção depende da espessura do material e do seu coeficiente
de absorção, parte da radiação que incide na superfície é absorvida pelo material e transformada em calor.
29
Figura 5 - Esquema de transmissão da radiação solar. Fonte: Adaptado de Sardeiro (2007).
De acordo com Pizzutti (2002), a intensidade (𝐼) do feixe incidente à superfície de determinado elemento transparente é igual à soma das intensidades das parcelas refletidas (𝐼𝑟), absorvida (𝐼𝑎) e transmitida (𝐼𝑡) através do mesmo. Portanto, a soma dessas três parcelas resulta em:
𝐼 = 𝐼𝑟+ 𝐼𝑎+ 𝐼𝑡 ( 2 )
Adotando os percentuais em relação à luz incidente, obteremos a refletância (𝑅), a absortância (𝐴) e a transmitância (𝑇) sendo assim podemos escrever:
𝑅 = 100𝐼𝑟 𝐼 𝐴 = 100𝐼𝑎 𝐼 ( 3 ) 𝑇 = 100𝐼𝑡 𝐼 𝑅 + 𝐴 + 𝑇 = 100
30
3.3. Processo sol-gel
A técnica do processo sol-gel trata-se da conversão de um líquido viscoso em sólido elástico, onde a fase líquida fica aprisionada nos interstícios da rede sólida. É um método simples e importante para fabricação de materiais ópticos, ferroelétricos, dielétricos, entre outros (FERREIRA, 2003). Os filmes finos produzidos através do processo sol-gel são mais baratos quando comparados com outros métodos e podem ser preparados a partir de soluções contendo compostos metálicos, tais como: alcóxidos metálicos, acetilacetonatos metálicos, sais, etc.
A primeira vez que o método sol-gel foi empregado em escala industrial foi em 1939 por Schott Glass, o qual foi usado para a deposição de camadas de óxidos sobre vidros. Nesta mesma época, observou-se que a estrutura do gel não era destruída quando era efetuada a secagem em condições planejadas, o que permitiu demonstrar a existência da estrutura sólida no interior dos géis e preparar corpos com porosidade superior a 95%, sendo de grande interesse para isolamento térmico e acústico (HIRATSUKA, 1994).
Mais tarde, foi descoberta a viabilidade de preparar vidros multicomponentes onde era possível controlar a taxa das reações de hidrólise e condensação de alcóxidos durante a transição sol-gel, possibilitando assim a síntese de corpos monolíticos de sílica utilizados como moldes para a fabricação de fibras ópticas em diversos grupos de pesquisa ou na preparação de fibras diretamente dos géis (DISLICH, 1971).
O método sol-gel foi altamente popularizado e reconhecido pelo seu grande potencial de aplicação, sendo obtidos altos níveis de homogeneidade em géis coloidais. Nas décadas de 50 e 60 foram obtidas cerâmicas formadas a partir de óxidos de Al, Si, Ti, Zr e muitos outros metais que não eram utilizados tradicionalmente (HIRATSUKA, 1994). Existe essencialmente duas metodologias para obtenção de materiais através do processo sol-gel. A primeira metodologia é um método coloidal que envolve a dispersão de pequenas partículas (5nm a 0,2𝜇m) num líquido para formação de um sol onde a instabilidade forma um gel. Já o segundo método envolve a polimerização de compostos orgânicos como os alcóxidos, com a finalidade de produzir géis com uma rede continua (HIRATSUKA, 1994).
O processo facilita o controle estequiométrico, a porosidade, a estrutura cristalina, o tamanho e a forma das partículas. Estes fatores mencionados influenciam
31 as propriedades ópticas, mecânicas, elétricas, magnéticas, biológicas e catalíticas do produto final, o que torna uma alternativa eficiente para preparação de catalisadores, óxidos homogêneos inorgânicos, adsorventes, biosensores, materiais ópticos e vidros. Desta forma, o interesse pelo processo sol-gel aumentou significativamente devido à variedade de novos materiais preparados e também pelo fato de envolver grande interdisciplinaridade entre a química e a ciência dos materiais, interligando diferentes áreas (LANDARIN, 2014).
3.2.1. Técnicas de deposição dos filmes
Existem várias técnicas para a deposição de camadas de filmes finos a partir de soluções utilizando precursores em fase líquida, como por exemplo: imersão vertical (dip-coating), rotação (spin coating) e spray pirolise. Para este trabalho será utilizada a técnica de dip-coating, por apresentar inúmeras vantagens como razoável controle de espessura, custo operacional baixo, reprodutibilidade dos filmes obtidos e produção em grande escala (WANG, 2013).
3.2.1.1. Dip-coating
Historicamente os primeiros registros do uso da técnica dip-coating foram na fabricação de velas (Figura 6). O processo baseava-se na produção de camadas sobre camadas em torno do pavio de uma resina inflamável que poderia ser sebo animal, cera de insetos e sementes e com o passar dos anos foram substituídos por parafinas (SÁNCHEZ, 2009). A temperatura do banho que mantinha o material aquecido controlava a viscosidade da resina, ou seja, quanto mais quente o banho, mais fluído (menos viscoso) se apresentava e assim era possível controlar a espessura das camadas.
32
Figura 6 - Processo artesanal de produção de velas utilizando a técnica do dip-coating. Fonte: ALVES, 2002.
A técnica dip-coating é a mais antiga aplicação comercial para obtenção de filmes finos através do processo sol-gel. No ano de 1939, Jenaer Glaswerk & Gen, obtiveram a primeira patente para a produção de filmes de sílica (BRINKER et al., 1994). No meio científico, inúmeras pesquisas mostram o uso do dip-coating para produção de novos revestimentos como a produção de filmes finos de óxido de zinco (ZHIFEG et al., 2006), revestimentos de hidroxiapatita (TUANTUAN et al., 1996), filmes macroporosos de óxido de titânio (KAJIHARA et al., 2001), entre outros.
Na técnica de dip-coating o substrato que será revestido é preso no aparelho (Figura 7) e imerso verticalmente em um sistema liquido. Então este é retirado ou puxado com uma velocidade constante bem definida. A remoção do excesso de solvente ocorre por evaporação e/ou escoamento. O processo de inserção e retirada do substrato na solução precisa ser realizado com velocidade constante e controlada sem nenhum tipo de vibração ou interferência externa, visando garantir a deposição de um filme homogêneo (OLIVEIRA e ZARBIN, 2005).
33
Figura 7 - Aparelho utilizado para deposição de filmes pelo processo dip-coating. Fonte: ALVES, 2003.
Quando se utiliza um solvente muito volátil como o álcool, a etapa de evaporação acontece ao mesmo tempo das etapas de retirada, deposição e drenagem. A Figura 8 ilustra esquema do processo de dip-coating, dividido em 5 etapas (BRINKER; SHERER, 1990).
34
Figura 8 - Estágios de deposição do filme na técnica dip-coating. Fonte: SANTOS,2002.
A técnica de dip-coating pode ser continua ou não contínua (bateladas) e a escolha depende da geometria da peça a ser aplicada. Fatores como equipamentos livres de vibrações e movimentos suaves do substrato são essenciais para obtenção de um revestimento com espessura específica e uniforme. O processo contínuo é mais simples, separando apenas a etapa de imersão das demais, sendo caracterizado pela imersão de uma fita (substrato) de grande comprimento através de um cilindro localizado dentro da solução a uma velocidade constante (SANTOS, 2002). A formação do revestimento ocorre constantemente mascarando a etapa de drenagem na deposição do filme. A Figura 9 apresenta as etapas do processo: (1) imersão; (2) passagem da fita pelo cilindro; (3) deposição e drenagem.
35
Figura 9 - Técnica de dip-coating pelo processo contínuo. Fonte: SANTOS, 2002.
Uma vantagem da técnica dip-coating é não precisar de aparatos muito sofisticados para se ter excelentes resultados, possibilitando obter amostras independente do seu formato ou um sistema de produção para deposição sobre substratos na forma de fitas ou mesmo na forma de fios (PERUZZI, 2006).
Os fatores que podem influenciar a espessura do filme, a qual é determinada pelo equilíbrio das forças no ponto de estagnação na superfície do líquido, são:
Viscosidade da solução;
Temperatura de tratamento e tempo de aquecimento;
Velocidade de deposição: a velocidade de deposição é proporcional a espessura (SAKKA, YOKO, 1992).
Landau e Levich (1942) propuseram a equação que relaciona a espessura (E) com a velocidade (v) de deposição (LANDAU, LEVICH, 1942):
2 1 . . . g v k E (4)
onde é a viscosidade da solução,
é a densidade da solução, g é a aceleração da gravidade e k é uma constante de proporcionalidade.Para Scriven et al. (1998) a densidade do filme fino depende de seis forças que atuam no processo de deposição, são elas:
A viscosidade do líquido (sol) no momento da retirada; A força de gravidade;
36 As forças resultantes de tensões na superfície do substrato;
As forças inerciais que atuam na região de deposição quando o substrato passa no limite entre a solução e o meio externo;
O gradiente de tensões de superfície;
As pressões de acoplamento e desacoplamento.
3.3. Janelas eletrocrômicas na arquitetura
Estima-se que em 2018 foram produzidas cerca de 6680t/dia de vidros planos no Brasil (ABRAVIDRO, 2018) este, é um fator atrativo para o desenvolvimento de novas tecnologias e as janelas eletrocrômicas é uma dessas tecnologias.
Quando a radiação atinge o vidro, ela se divide: parte da radiação atravessa o vidro e penetra no interior do ambiente, parte é refletida para fora do ambiente, e o terceiro percentual é absorvido pelo vidro, como já mencionado anteriormente.
Durante os meses de inverno a radiação que atravessa o vidro é benéfica, porém, a baixa resistência térmica à condução favorece as perdas de energias especialmente no período da noite. Nos meses de verão, a radiação incidente é maior e as perdas de energia durante a noite são baixas, fazendo com que sejam utilizados aparelhos de ar condicionado para a refrigeração da edificação com a finalidade de obter maior conforto térmico, elevando os gastos com energia elétrica (TAJIMA, 2012). A trajetória solar de um determinado lugar varia de acordo com sua latitude, ou seja, o período de exposição solar depende da latitude local, portanto, a intensidade solar poderá ser menor ou maior. Os vidros são bons condutores de calor, pois apresentam transmitância térmica alta, por isso o tamanho das janelas e a orientação o ganho de calor no interior da edificação (LAMBERTS, et al., 2014).
O excessivo calor gerado pelos vidros é causado pelo efeito estufa que é um efeito térmico, pois os vidros são transparentes à radiação de onda curta e opacos à radiação de onda longa, portanto, a maior parte da radiação solar incidente é transmitida diretamente por esses materiais e absorvida pelas superfícies dos objetos, aquecendo-os (CASTRO, 2006).
Para Palmer e Gentry (2012), os vidros são considerados os componentes da edificação com maior complexidade, por influenciarem diretamente no consumo energético e no conforto térmico e visual da edificação.
37 De acordo com Oliveira et al. (2015), o uso excessivo de amplas áreas transparentes em fachadas, sem elementos de proteção solar, tem sido discutido pelos problemas acarretados devido ao alto ganho solar que ocorre nessas superfícies e ainda considera que variáveis como, a orientação geográfica e as características óticas dos materiais podem gerar grande quantidade de densidade de energia no interior das edificações gerando desconforto térmico e visual para os usuários.
As janelas eletrocrômicas têm uma importante função na melhoria do conforto térmico das edificações, pois ela modula ou diminui a intensidade de transmissão luminosa visível ou infravermelha no interior da edificação, com isso a temperatura permanece a amena, o que é importantíssimo principalmente para regiões de climas quentes desta forma diminui o consumo de energia.
A figura 10 mostra duas aplicações de janelas eletrocrômicas a da esquerda é uma janela eletrocrômica produzida pela Sage Electrochromics nos EUA em um escritório no Lawrence Berkeley National Laboratory, EUA, a da direita é uma janela produzida pela ChromoGenics AB nas instalações da empresa em Uppsala, na Suécia (Granqvist, 2014). Essas janelas eletrocrômicas são na forma de multipainéis, pode-se obpode-servar que alguns painéis estão totalmente coloridos e outros estão descoloridos (Granqvist, 2014).
Figura 10 – Exemplo de janelas eletrocrômicas em teste. Fonte: GRANQVIST, 2014.
De acordo com Granqvist (2014), as janelas eletrocrômicas além de economizar energia nos edifícios também melhoram os ambientes internamente, aumentando a produtividade no local de trabalho tornando os usuários mais satisfeitos.
38
3.3.1. Conforto térmico
“O ser humano é caracterizado como homeotérmico, ou seja, tem a capacidade de regular sua temperatura interna mantendo-a constante. O metabolismo gera calor interno fazendo com que ocorram trocas térmicas entre corpo e meio ambiente. Quando há perda ou ganho de calor o mecanismo termorregulador do organismo entra em ação na tentativa de manter constante a temperatura interna do corpo com a finalidade de manter o conforto térmico (LAMBERTS, et al., 2014). ”
O conforto térmico é o equilíbrio das trocas térmicas entre as pessoas e o ambiente, se a pele e o suor estiverem dentro dos limites a pessoa encontra-se em conforto térmico (ASHARAE 55, 2010). O conforto térmico depende de algumas variáveis, como:
Ambientais: temperatura do ar, temperatura radiante, umidade relativa e velocidade do ar;
Atividade física: o calor gerado por metabolismo é proporcional a quantidade de atividade física realizada;
Vestimenta: quanto maior a resistência térmica da roupa, menor serão as trocas de calor com o meio (LAMBERTS, DUTRA e PEREIRA, 2004).
De acordo com González et al (1997), inúmeros estudos foram realizados em diversos países com a finalidade de se obter índices de conforto térmico, com a intenção de se estabelecer quais são as condições em que o indivíduo expressa a satisfação térmica com o ambiente em que está.
Os modelos adaptativos surgiram através de estudos que mostram a tendência natural de adaptação dos usuários às mudanças climáticas, portanto, se acontece alguma alteração que gere desconforto, as pessoas agem de forma que retorne a ter conforto (NICOL; HUMPHREYS, 2004). Para De Dear et al (1997) os modelos adaptativos estabelecem, os fatores físicos e fisiológicos, a expectativa e as preferências térmicas dos ocupantes do ambiente.
As normas mais utilizadas que adotam o modelo de conforto adaptativo são a ASHRAE Standard 55 e a EN 15251, ambas foram elaboradas através de pesquisas de conforto térmico em edificações reais ventiladas naturalmente (SORGATO, 2015). Neste trabalho será utilizada a ASHARE Standard 55 de 2010 – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers para determinação do conforto térmico da edificação em estudo.
39 A ASHRAE 55: 2010 utiliza dois índices para avaliação do conforto térmico nas edificações: o método da aceitabilidade térmica baseado no PMV (Predicted mean vote) e o PPD (Predicted percentage of dissatisfied). Ela relaciona temperatura média do ar externo com um intervalo de temperatura operativa interna, no qual o usuário encontra-se em conforto de acordo com as condições de adaptação ou aceitabilidade dos usuários às condições do estresse térmico (Figura 11).
Figura 11 - Limites da zona de conforto ASHRAE 55 Fonte: ASHRAE Standard 55: 2010 (Adaptado).
A temperatura operativa é a temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual um ocupante trocaria a mesma quantidade de calor por radiação e convecção com o ambiente não uniforme real. Para calcular a temperatura operativa, calcula-se o valor médio entre a temperatura do ar e a temperatura radiante média (ASHRAE 55, 2010).
Para adotar o modelo adaptativo, os ambientes devem atender aos seguintes requisitos:
A edificação deve ter janelas operáveis que abrem para o exterior;
Os usuários devem desenvolver atividades metabólicas que variem entre 1,0met a 1, 3met;
Os ocupantes podem adaptar a sua vestimenta de acordo com as condições térmicas externas e internas;
A temperatura predominante externa deve ser maior que 10°C e menor que 33,5°C; Temperatura média do ar (°C) T e m p e ra tu ra o p e ra ti v a i n te rn a (°C)
40 As condições térmicas da edificação devem ser reguladas pelos ocupantes
através da abertura e fechamento das janelas.
Segundo a ASHRAE 55 (2010) a oscilação da temperatura operativa interna em relação à temperatura operativa de conforto entre +2,5 °C e -2,2°C estabelece uma aceitabilidade de 90% e, entre +3,5°C e -3,2°C, uma aceitabilidade de 80%.
Através da temperatura externa o modelo determina a temperatura operativa de conforto através da equação (5) abaixo.
Toc = 18,9 + 0,255𝑇𝑒𝑥𝑡 ( 5 )
Onde:
Toc = Temperatura operativa de conforto;
Text = Temperatura média mensal externa.
3.3.2. NBR 15220
A NBR 15220 sob o título de “Desempenho térmico de edificações” foi lançada em 2005 pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) apresentando recomendações quanto ao desempenho térmico de habitações unifamiliares de interesse social. A norma estabelece o Zoneamento Bioclimático Brasileiro e indica as diretrizes construtivas e estratégias de condicionamento térmico passivo para habitações unifamiliares de interesse social. A norma divide-se em cinco partes, que são:
Parte 1: estabelece definições e os correspondentes símbolos unidades relacionados ao desempenho térmico de edificações;
Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações, estabelecendo procedimentos para o cálculo das propriedades térmicas dos componentes da edificação;
Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações, abrangendo as recomendações e estratégias construtivas para habitações unifamiliares de interesse social;
41 Parte 4: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio da placa quente protegida; apresentando o método absoluto para determinação, em regime permanente, da condutividade e resistência térmica dos materiais sólidos;
Parte 5: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método fluximétrico (ABNT, 2005).
3.3.2.1 NBR 15220 – Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro
A NBR 15220 – Parte 3 propõe o zoneamento bioclimático brasileiro dividindo o território brasileiro em oito zonas bioclimáticas relativamente homogêneas em relação ao clima (Figura 12), para cada uma dessas zonas existe uma série de recomendações técnico-construtivas que visam otimizar o desempenho térmico das edificações através da melhor adequação climática, sendo utilizada como referencial para as demais normas de desempenho e eficiência energética (ABNT, 2005).
Figura 12 - Zoneamento bioclimático brasileiro. Fonte: ABNT, 2005b.
42 A partir de dados climatológicos de 330 cidades brasileiras, nas quais foram aferidas as médias mensais de umidade relativa do ar, médias mensais de temperatura mínima e médias mensais de umidade relativa do ar, foi feita a interpolação destes dados para 6500 células de análise. Logo após a obtenção dos destes dados, adotou-se uma carta bioclimática baseada na carta Bioclimática de Givoni (1992).
As zonas bioclimáticas 2 e 8 (ZB 2 e ZB 8) foram adotadas para as simulações computacionais deste trabalho a norma estabelece as seguintes estratégias de condicionamento térmico passivo (Tabela 1):
Tabela 1 - Estratégias de condicionamento passivo para ZB 2 e ZB 8.
ZB 2 ZB 8 Aberturas para ventilação Médias Grandes Sombreamento das aberturas
Permitir sol durante o inverno Sombrear as aberturas
Vedações externas Parede: leve Parede: leve refletora Cobertura: leve e isolada Cobertura: leve refletora
Estratégias de condicionamento térmico passivo
Verão: ventilação cruzada Verão: ventilação cruzada permanente
Inverno: vedações internas pesadas
Fonte: ABNT, 2005.
3.3.3. Eficiência energética
A eficiência energética pode ser entendida como a obtenção de um serviço com baixo consumo de energia. Um edifício se torna eficiente energeticamente quando consome menos energia proporcionando as mesmas condições ambientais (LAMBERTS et al., 2014).
As janelas representam, na maioria dos projetos a principal fonte de ganho de calor no verão e significativa perda de calor no inverno. O desenvolvimento de novos produtos e tecnologias está alterando o desempenho energético destas de maneira bastante significativa, mudando a forma de selecioná-las e utilizá-las. Porém, o uso indiscriminado de grandes áreas transparentes em fachadas sem elementos de proteção solar deve ser questionado, devido aos problemas gerados pelo excessivo ganho de calor que ocorre através dessas superfícies (DE OLIVEIRA, et al. 2015).
43 O homem passa grande parte de seu tempo dentro de edificações e, portanto, cada vez mais energia elétrica é utilizada na climatização destes ambientes. Dados do Anuário Estatístico de Energia Elétrica de 2018 realizado pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) mostram que em 2017 consumo de energia cresceu 1,2% em relação a 2016, estando o Brasil entre os dez maiores consumidores de energia do mundo. A busca por novas tecnologias que possibilitem a redução do consumo de energia elétrica tem sido incessante e as janelas eletrocrômicas vem se destacando neste quesito.
3.4. Simulação do desempenho termoenergético
Simulações termoenergéticas são modelos matemáticos detalhados para a previsão de alguns aspectos do desempenho de edificações, de forma a comparar um projeto a outro (HAVES, 2004). Sendo assim, podemos recriar ambientes e avaliar o desempenho termoenergético das edificações para diferentes alternativas de projeto, sejam opções do desenho arquitetônico, componentes construtivos, sistemas de iluminação ou sistemas de ar condicionado, além de estimar o consumo e o custo de energia (MENDES, et.al., 2005). As ferramentas computacionais podem ser utilizadas em qualquer fase do projeto possibilitando testar soluções mais eficientes e manipular as variáveis envolvidas na edificação a baixo custo (MELO, 2007).
Lee et al. (2012) simularam janelas eletrocrômicas automatizadas com sistema de iluminação regulável. Estas janelas foram instaladas em uma sala de conferências, com frente oeste, em Washington. As janelas eletrocrômicas de óxido de tungstênio ficavam totalmente escurecidas ou transparentes, podendo ser controladas manualmente. O sistema foi monitorado durante 15 meses em condições normais de ocupação, mas apenas os últimos 6 meses foram utilizados na análise dos dados de acionamento manual para avaliar a satisfação do projeto do sistema de controle e usuário. Das 328 reuniões que ocorreram durante o período de seis meses o sistema automático foi substituído manualmente em 14 ou 4% das reuniões. O EnergyPlus foi utilizado para analisar o desempenho anual, onde houve uma economia de energia de 48%.
44 Ainda em 2013, DeForest, et al., utilizaram o programa COMFEN para simular o desempenho de vidros eletrocrômicos em edifícios residenciais e comerciais em 16 cidades. O desempenho dos vidros eletrocrômicos em comparação aos vidros estáticos de alto desempenho, apresentou uma economia de energia de aquecimento e refrigeração que variou de 5 a 11kWh/m2 por ano para prédios comerciais e de 8 a
15kWh/m2 por ano para uso residencial, em muitas regiões da ordem de 10%.
Em 2014, Tavares et al., utilizaram o programa ESP-r para simular o desempenho e a economia de energia utilizando janelas eletrocrômicas em climas mediterrâneos. Várias comparações foram feitas: tipos de vidros (vidro duplo, simples e eletrocrômicos), tipo de construção, ganhos internos de ocupação, iluminação, equipamentos e orientação solar. Os autores concluíram que para o clima em estudo os melhores resultados foram obtidos quando as janelas eletrocrômicas estavam na fachada oeste para a fachada sul no hemisfério norte os resultados não mostraram vantagens significativas.
No ano de 2015, Piccolo e Simone, analisaram os requisitos necessários para o desempenho de janelas eletrocrômicas do ponto de vista da eficiência energética e conforto no interior de um edificio. Eles compararam o desempenho de um dispositivo em estado sólido que foi testado em condições controladas em laboratório com vidros eletrocromicos de grandes áreas disponiveis no mercado concluiram que a a tecnologia eletrocrômica tem potencial e identificaram algumas melhorias que devem ser feitas para melhorar o desempenho das janelas.
Em 2017, DeForest et al. simularam o desempenho energético em três tipos de vidros eletrocrômicos incluindo o vidro eletrocrômico de banda dupla (DBEC) em 16 regiôes climáticas dos EUA, utilizando o software EnergyPlus. Neste estudo, concluiram que o DBEC é capaz de atingir uma excelente economia anual quando comparado com os outros vidros em estudo.
Já em 2018, Piccolo et al. descreveram os resultados de ensaios experimentais e a modelagem computacional de uma janela eletrocrômica com a finalidade de avaliar o desempenho da janela em relação ao controle da radiação solar e o consumo de energia em um edificio residencial em ois climas tipicamente italianos. Os resultados experimentais mostram que a janela eletrocrômica obtiveram uma redução de 20% no fluxo de energia, o que pode elevar a temperatura interna da vidraça ocasionando em desconforto térmico dos usuários.
