Materiais de Mudança de Fase

(1)

XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq Centro Universitário Ritter dos Reis

XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015

Materiais de Mudança de Fase

Lucas Souza de Oliveira

Graduando em Engenharia Civil Centro Universitário Ritter dos Reis l_souzaoliveira@outlook.com José Alberto Azambuja Doutor em Engenharia Civil

Centro Universitário Ritter dos Reis jazambuja55@gmail.com

Resumo: O presente trabalho apresenta um contexto geral da indústria de edificações,

passando pela produção, concepção, e conceituação dos materiais de construção. Quando se realiza uma analogia com outras indústrias, fica clara a necessidade de alteração sistêmica no macro setor da construção civil. Em resposta a esta situação, é apresentada uma perspectiva de mudança deste cenário: os materiais de mudança de fase. Incorporando princípios que regem a sustentabilidade na construção, como por exemplo, a otimização e a multifuncionalidade, os materiais com mudança de fase são descritos neste trabalho de maneira teórica e prática como uma solução eficaz e inovadora frente ao atrasado panorama que se encontra a indústria das edificações. Estes materiais se constituem como uma alternativa para elucidar os profissionais da área a buscar soluções que busquem reduzir o impacto ambiental causado pela indústria da construção civil, e por conseqüência, perpetuar conceitos que permitam conscientizar os envolvidos a pensar no processo de forma cíclica e duradoura. O conformismo e o conservadorismo devem ceder lugar a inovação, para que se possa realizar ( e será necessário) uma revolução dentro do setor.

1 Introdução

Há cerca de 250 anos nascia a sociedade industrial, utilizando novas formas de energia na produção de bens e, com o tempo, se caracterizando pela aplicação dos conhecimentos científicos para resolver questões práticas. Nesse curto espaço de tempo, a expectativa de vida do ser humano dobrou, fazendo com que a população do planeta tenha sido multiplicada por um fator de sete: éramos aproximadamente um bilhão de seres humanos em 1800 e hoje somos mais de sete bilhões. A moderna agricultura tem capacidade para produzir alimentos em quantidade superior à que é necessária para alimentar todos os seres humanos – a fome já não é inevitável. Em alguns aspectos, o cidadão médio do século XXI vive com mais conforto material que o mais rico dos reis da idade Média. É inquestionável que o desenvolvimento econômico melhorou a qualidade de vida do ser humano. Mas o crescimento continuado da produção de consumo de bens por

(2)

uma população que cresceu sete vezes ultrapassou a capacidade do planeta e levou a uma crise de sustentabilidade (AGOPYAN; JOHN, 2011, p. 56).

Dentre os setores que mais colaboram com esta crise está a construção civil, que traz a transformação antrópica do ambiente. Na construção, ocupação e demolição de edifícios são gastas enormes quantidades de recursos terrestres e é gerada uma porção considerável da poluição ambiental do planeta. O U.S. Green Building Council relatou, em 2008, que as edificações são responsáveis pelo consumo de 30% a 40% da energia utilizada no mundo e por aproximadamente um terço das emissões de gases de efeito estufa (ALLEN; IANO, 2013, p. 4). Apesar deste cenário, a indústria da Construção Civil demorou a começar a discutir e enfrentar problemas de sustentabilidade. Somente nos últimos 20 anos a importância deste tema vem sendo avaliada de forma mais sistemática e isso tem crescido significativamente. Pelo menos em parte, esse crescimento da pesquisa está associado à necessidade de prover a população com um ambiente construído que seja mais saudável, confortável, e seguro, incluindo habitação adequada, melhor infra-estrutura de transporte e comunicação, acesso ao abastecimento de água potável, de saneamento, e assim por diante, com o menor impacto ambiental possível. A demanda social por um ambiente construído de melhor qualidade permanece importante, especialmente em países em desenvolvimento, como o Brasil. Dados recentes indicam que, se não houver significativas inovações na forma de construir, essa demanda deverá continuar pressionando o meio ambiente de maneira crescente (AGOPYAN; JOHN, 2011, p. 53).

A sustentabilidade de uma edificação deve ser avaliada em relação a toda sua vida: a partir da origem de suas matérias primas, passando pela manufatura dos materiais, construção da edificação propriamente dita, seu uso e manutenção, até sua eventual disposição final, quando a vida da edificação chega a seu fim. Nesta última etapa, quando não ocorre a reciclagem dos resíduos da construção, falha o conceito de um processo cíclico da produção da edificação, conceito que ficou conhecido como o paradigma do produto que vai do berço ao berço (MC DONOUGH; BRAUNGART, 2002, p. 107). Isso levanta importantes questões de sustentabilidade, pois permanece o paradigma de um produto que vai do berço ao túmulo. Esta mudança de paradigma é necessária e urgente, mas exige que o setor da Construção Civil esteja aberto à inovação. A incorporação de inovações, com mudanças em todas as suas atividades, é tarefa difícil, haja vista que existe uma visão de que a inovação é algo associado às indústrias de ponta e não tem nada a ver com a de Construção Civil (AGOPYAN; JOHN, 2011, p. 54 ).

Segundo Azambuja (2014), embora exista uma crescente consciência na indústria de edificações sobre a necessidade da redução do impacto ambiental causado, os esforços atuais nesse sentido são limitados devido a incompatibilidade

(3)

entre o paradigma atual, no qual estão baseadas as práticas da indústria, e os princípios de sustentabilidade a serem incorporados àquela prática.

Os materiais de construção têm apresentado evolução tecnológica incremental. Os materiais que empregamos hoje, com exceção dos plásticos, foram desenvolvidos há mais de 100 anos. É certo que, nesse período de tempo, estes materiais melhoraram suas propriedades. Porém, até recentemente, poucas eram as revoluções tecnológicas importantes observadas no campo de materiais de construção civil. Este cenário, no entanto, está mudando rapidamente (GLEIZE; JOHN, 2010, p. 1747).

2 Os Materiais de Construção e as Edificações

Necessita-se, antes de iniciar este tópico, definir o conceito de material de construção, e situar sua posição dentro da cadeia de produtos gerados no processo produtivo da edificação. Um material é um corpo, em uma ou mais fases, com função, forma (ou adaptabilidade de forma) e constituição definidas, sem que estas correspondam ainda à função, forma e constituição características de um componente. O conceito de material de construção abarca todas as etapas de transformação da matéria entre a matéria prima e o componente (AZAMBUJA, 2014, p. 127).

Cada sociedade e período retratam suas imagens dominantes em um tipo particular de material: a idade Média registrou sua eternidade em pedra, a era moderna gravou seus excessos em aço, mas em meados do século XX, iniciou-se uma nova era de materiais. Essa expansão mexeu com antigos conceitos: a sociedade contemporânea parece ter realmente abandonado aqueles conceitos e provocado um frenesi de materiais considerados “novos”. No entanto, um olhar mais atento revelará que estes novos materiais são apenas novas combinações dos mesmos átomos que Mendeleev registrou em sua famosa tabela periódica de elementos. Quando dispostos como as peças organizadas por um mecânico, eles se tornam o ponto de partida para o mundo novo e infinito dos materiais que produzimos, selecionamos e combinamos para produzir outros, de cada vez mais alto desempenho (KULA; TERNAUX, 2012, p. 315).

Uma edificação tem início a partir de uma idéia na mente de alguém, um desejo de novas e amplas acomodações para uma família, ou muitas famílias, uma organização ou uma empresa. Embora uma edificação comece como uma abstração, ela é construída em um mundo de realidades materiais. Os projetistas de uma edificação – arquitetos e engenheiros – trabalham constantemente a partir de um conhecimento sobre o que é possível e o que não é. Eles são capazes, por um lado, de empregar uma vasta gama de materiais de construção e de qualquer um de muitos tipos de sistemas estruturais, para produzir uma edificação de, praticamente,

(4)

qualquer forma ou textura desejada (ALLEN; IANO,2013, p. 8). Em cada caso, é necessário definir quais os princípios que irão guiar as escolhas a serem feitas. Um desses princípios certamente é a otimização (que se expressa na redução do consumo) de materiais de construção e de energia.

Reduzir e otimizar o consumo de materiais e energia pode ser traduzida em inúmeras ações, entre as quais: o planejamento ambiental de construções, a adoção de estratégias bioclimáticas em projeto de edificações; a busca pela redução na utilização de recursos materiais e energéticos escassos; o incentivo à utilização de materiais com menor conteúdo energético; o incentivo ao uso de fontes energéticas sustentáveis na produção de materiais e na produção e uso de edificações e, finalmente; o desenvolvimento de materiais, componentes,e edificações de maior durabilidade (SATTLER; PEREIRA, 2006, p. 7 e 8). O princípio de otimização é de grande importância quando se pensa em sustentabilidade na construção civil, este conceito será apresentado mais adiante.

3 Materiais de mudança de fase

Uma das maneiras de reduzir o consumo de energia durante o uso da edificação é por meio do uso de materiais de mudança de fase, também conhecidos pela sigla PCM (em inglês: Phase Change Materials). PCMs mudam de fase quando atingem determinada faixa de temperatura, ou seja, eles se liquefazem ou solidificam nessa faixa de temperatura, respectivamente absorvendo ou liberando energia. Esses materiais são muito úteis no controle de ganhos e perdas de energia térmica dos edifícios, podendo propiciar grandes reduções no consumo (e nos custos) de energia utilizada no condicionamento térmico das edificações. Essa classe de materiais também é importante para o impacto ambiental associado à geração de energia (GLEIZE; JOHN, 2010, p. 1754). PCMs devem sempre ser utilizados em combinação com outros materiais, que servem de suporte. Isso faz dos PCM obrigatoriamente parte de materiais compósitos e de componentes multifuncionais.

Com relação à sua função, e considerando as operações energéticas envolvidas nesta função (Azambuja, 2014), os PCMs absorvem energia térmica, armazenam esta energia, conduzem até a fronteira do sistema e, finalmente, emitem a energia térmica.

Alguns critérios são normalmente utilizados para avaliar o potencial de um PCM. Dentre esses critérios, devem ser mencionados: a) alto calor específico latente – quanto mais alto, menor a massa de material necessário para absorver, armazenar ou liberar determinada quantidade de energia térmica; b) alta densidade – quanto maior a densidade do material, menor o volume ocupado por determinada massa de PCM para responder a determinada demanda térmica; c) temperatura adequada de mudança de fase – o PCM deve sofrer a mudança de fase em uma temperatura (ou

(5)

faixa de temperatura) compatível com seu uso. Uma temperatura muito alta ou baixa inviabiliza o uso daquele material; d) estabilidade química e térmica – o PCM deve manter-se quimicamente estável ao longo de milhares de ciclos e em um grande espectro de temperaturas; e) baixa ou nenhuma toxicidade – caso haja vazamento do PCM, isto não pode significar risco às pessoas; f) custo – uma das limitações no uso de determinados PCMs é seu custo demasiadamente elevado. Embora o custo deva ser comparado relativamente às características do material, a relação custo-benefício deve ser favorável; g) biodegradabilidade ou reciclabilidade – ao final da vida útil do PCM, ele não deve ser responsável por um impacto ambiental demasiadamente grande; h) facilidade de aplicação – o PCM deve ser utilizado com tecnologias de baixo custo. Não há sentido em utilizar um material barato e de bom desempenho, se o seu custo de instalação é alto, como no caso de materiais que mudam de fase de liquido para gás, gerando pressão no interior do componente onde está localizado.

Evidentemente, nenhum material atende todos os critérios descritos acima de maneira superlativa. Por isso, é importante avaliar cada situação e comparar as características do material relativamente ao uso específico para o qual está sendo considerado.

Dentre as mudanças de fase existentes com liberação ou absorção de calor, as mais apropriadas para os sistemas de armazenamento de energia térmica, são as líquido, líquido-gás, e sólido. Dentre estes três tipos, os PCMs sólido-sólido raramente são adequados para armazenamento térmico em edifícios; os PCMs líquido-gás sofrem uma grande variação de volume ou de pressão, devido à diferença de espaços inter-moleculares nos gases e nos líquidos. Assim, em geral os PCMs sólido-líquido são os mais requeridos para aplicações no dia-a-dia (COSTA, 2014, p. 47).

Há três tipos de materiais de mudança de fase na categoria dos sólido-líquido: PCMs orgânicos, PCMs inorgânicos, e PCMs eutéticos. Os materiais orgânicos incluem as parafinas e não parafinas, os inorgânicos são compostos por sais hidratados e metais, e os eutéticos são uma composição exata de duas ou mais substâncias que tem um ponto de fusão mais baixo do que uma composição com diferentes quantidades das substâncias, sendo inorgânico, inorgânico-orgânico, e orgânico-orgânico (COSTA, 2014, p. 47).

Estudos incorporando parafina a materiais como o gesso já estão em execução, como por exemplo, o grupo de Construção e Tecnologias Arquitetônicas da Universidade Politécnica de Madrid que está utilizando painéis de gesso para armazenar energia térmica. A tecnologia permite poupar uma quantidade significativa de energia. Os painéis conseguem absorver energia quando ocorre uma elevação da temperatura do ambiente liberar essa energia quando a temperatura do

(6)

ambiente começar a baixar, minimizando as oscilações térmicas a que está sujeito o ambiente interior do compartimento (OLIVER-RAMIREZ et. al. 2011, p. 465 - 484).

Os painéis de gesso com PCM, além de terem um comportamento similar ao de elementos construtivos com grande massa e inércia térmica, apresentam energias de mudança de fase elevadas, o que permite armazenar um máximo de energia num mínimo de volume (os painéis testados têm uma espessura de apenas um centímetro e meio). Outra grande vantagem é o fato de não serem nocivos para os seres humanos ou o meio ambiente em geral (ENGENHARIA CIVIL, 2013).

Uma vez que estes painéis de gesso são de aplicação interior, o aproveitamento da capacidade teórica de armazenamento térmico é superior a 90%, em oposição a elementos de fachada com PCM que permitem uma capacidade térmica útil que nunca ultrapassa os 15% (ENGENHARIA CIVIL, 2013). O prazo de retorno do investimento da aplicação da tecnologia em habitações correntes é de apenas um a dois anos. A empresa alemã BASF apresenta uma solução similar, consiste em uma placa de gesso com incorporação de microcápsulas com PCM e fibras de vidro, podendo sua aplicação ser bastante variada, como placa de gesso cartonado para paredes, tetos e divisórias (GRADE, 2013, p. 43).

A Figura 1 apresenta três subsistemas que possuem a mesma capacidade de armazenamento e espessuras diferentes, onde o primeiro subsistema (da esquerda para a direita do leitor) é uma parede de alvenaria (em inglês: Brickwork) com doze centímetros de espessura, o segundo subsistema é uma parede de concreto (em inglês: concrete wall) com nove centímetros de espessura, e o terceiro subsistema é a placa de gesso com PCM incorporado, possuindo apenas um centímetro e meio.

(7)

Figura 1: Diferentes subsistemas e espessuras diferentes.

Fonte: (GRADE, 2013, p. 44).

No caso acima descrito, obtêm-se conceitos estruturantes no que concerne a sustentabilidade na construção, a redução de material utilizado resulta em uma otimização de material, é posta em prática a máxima de “fazer mais com menos”. A otimização é a obtenção do máximo de desempenho, com o mínimo de recursos (AZAMBUJA, 2014, p. 216).

O segundo conceito incorporado (quando nos referimos a paredes internas, divisórias e tetos) é a multifuncionalidade, este princípio é definido por Azambuja da seguinte forma: “ Multifuncionalidade expressa a idéia de soluções que possam desempenhar duas ou mais funções. Por solução, entende-se uma parte da edificação, que pode ser um componente, um elemento ou um subsistema” (AZAMBUJA, 2014, p. 291). A função primária destes componentes é o de delimitar os ambientes, porém com este recurso, adiciona-se uma função secundária que é o de absorver energia.

Outro caso de incorporação de PCM em materiais de construção civil é com argamassas prontas. O weber mur maxit clima é um produto exclusivo do mercado alemão, e tem como objetivo ser utilizado para reboco. É um material composto por microcápsulas com PCM na ordem dos 5μm com um ligante a base de gesso. Ainda no segmento de argamassas, existe também um aditivo em forma de pó vendido no mercado alemão, que se utilizando em qualquer argamassa, seja para reboco ou

(8)

alvenarias, juntamente com cal, cimento, gesso, areia e água, confere ao material maior desempenho térmico. Porém, alguns estudos indicam que a melhor maneira de se utilizar, é como argamassa de reboco, aplicado diretamente sobre o reboco, de modo que as trocas energéticas entre o ambiente anterior e o PCM sejam mais notórias, com espessuras em torno de 1mm (GRADE, 2013, p. 47 à 49).

Grade (2013) realizou uma simulação energética de um edifício construído em 1960 na vila de Cascais em Lisboa, onde o objetivo principal era o de perceber a variação da temperatura interior na edificação após a adição de PCM no seu revestimento interior num dia típico de inverno e verão. A simulação foi feita no programa DesignBuilder considerando para cada material, os valores de entalpia, resistência térmica, densidade dos materiais, curvas de entalpia para o caso dos materiais de mudança de fase, considerando também os dados metereológicos fornecidos pelo INETI (Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação de Portugal). Os gráficos 1 e 2 apresentam as simulações nos dias de inverno e verão respectivamente.

Gráfico 1 – Temperaturas medidas no dia de inverno.

(9)

Gráfico 2 – Temperaturas medidas no dia de verão.

Fonte: (GRADE, 2013, p. 119).

O resultado em um dia típico de inverno foi considerado satisfatório, haja vista que, a diferença média da temperatura durante as 24h foi de 3,1ºC. A mesma experiência realizada em um dia típico de verão teve uma diferença mínima, o decréscimo da temperatura chegou na ordem dos 0,2 ºC.

4 Considerações finais

Os materiais de mudança de fase são um exemplo claro de que princípios de sustentabilidade podem ser incorporados na indústria das edificações apenas modificando a estrutura interna do material. Aos responsáveis pelo processo de desenvolvimento desta indústria fica a responsabilidade de projetar componentes, sistemas e subsistemas que utilizem materiais de construção com consumo mínimo de energia durante sua produção, utilização e reciclagem.

A quebra de certos paradigmas da construção civil devem acontecer de modo que a indústria absorva esta mudança e perpetue uma sociedade onde a forma de pensar e agir de seus gestores não se limitem somente às velhas práticas, como ocorre nos dias de hoje.

(10)

Referências

AGOPYAN, Vahan; JOHN, Vanderley. O desafio da sustentabilidade na construção civil. São Paulo: Blucher, 2011. 144p.

ALLEN, Edward; IANO, Joseph. Fundamentos da engenharia de edificações -materiais e métodos. 5º Ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. 995 p.

AZAMBUJA, José A. Sustentabilidade na construção: em busca de um novo paradigma. Porto Alegre:Uniritter, 2014. 391 p.

COSTA, SUSANA P. L. Armazenamento de Energia Térmica Através de

Materiais de Mudança de Fase. Junho de 2014. 134p. Dissertação de Mestrado – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Porto, Junho de 2014.

ENGENHARIA CIVIL. Paredes de gesso que conservam energia, 2013. Disponível em <http://www.engenhariacivil.com/paredes-gesso-conservam-energia>. Acesso em : 12 set. 2015.

GLEIZE, Jean P.; JOHN, Vanderley M. Materiais de construção civil e princípios de ciência e engenharia de Materiais. In: ISAIA, Geraldo C. (Ed.) 2. ed. São Paulo: IBRACON, Setembro de 2010. Capítulo 54: Materiais de construção: Perspectivas e desafios futuros, p. 1747 – 1758.

GRADE, Paulo J. S. P. S. Materiais de mudança de fase em Revestimentos. Dezembro de 2013. 123 p. Dissertação de Mestrado – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa. Lisboa, Dezembro de 2013.

KULA, Daniel; TERNAUX, Éloide. Materiologia: O guia criativo de materiais e tecnologias. São Paulo: Senac São Paulo. 2012. 338 p.

(11)

MC DONOUGH, William ; BRAUNGART, Michael. Cradle to cradle – remaking the way we make things. Nova Iorque: North Point, 2002. 208 p.

RAMIREZ, Alicia O.; SANTOS, García A.; GONZALEZ, Neila F. J. Physical and mechanical characterization of gypsum boards containing phase change materials for latent heat storage. Materiales de Construcción. Madrid, v. 61, n. 303, 465-484 , set. 2011.

SATTLER, Miguel A.; PEREIRA, Fernando Oscar Ruttkay. Construção e meio ambiente. Porto Alegre: ANTAC, 2006.