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Uso de materiais de mudança de fase em edificações

Adriana Camargo de Brito, Elisa Morandé Sales, Marcelo de Mello Aquilino, Maria Akutsu, Laboratório de Conforto Ambiental, Eficiência Energética e Instalações Prediais do IPT

Publicado em: 31/05/2021

Texto: Redação AECweb/e-Construmarket

Coordenação técnica: Adriana Camargo de Brito
Comitê de revisão técnica: Adriana Camargo de Brito, Cláudio Vicente Mitidieri Filho, José Maria de Camargo Barros, Luciana Oliveira e Maria Akutsu
Apoio editorial: Cozza Comunicação

31/05/2021 | 17h30 - Há uma tendência internacional de utilização de sistemas construtivos cada vez mais racionalizados. A construção civil brasileira também se insere neste contexto, especialmente diante dos recentes incentivos governamentais para o financiamento imobiliário.

Os sistemas construtivos racionalizados geralmente são compostos por elementos de vedação leves, que favorecem ainda a diminuição do consumo de materiais e das cargas nas fundações dos edifícios, reduzindo custos de execução, quando comparados com os componentes tradicionais.

Entretanto, se, por um lado, há vantagens construtivas e econômicas na utilização de vedações leves, por outro, sua esbelteza excessiva resulta em edificações com baixa inércia térmica e baixa isolação acústica. Dependendo do clima do local no qual essas edificações são construídas, sua baixa inércia térmica repercute em ambientes pouco adequados ao conforto térmico do usuário. Em locais com alta amplitude diária da temperatura do ar exterior e radiação solar intensa, como é o caso de grande parte do território brasileiro, edifícios com alta inércia térmica proporcionam ambientes térmicos mais adequados ao conforto térmico humano (AKUTSU, 2012; BRITO, 2015).

A inércia térmica pode ser caracterizada em função da resposta térmica da edificação, tendo como referência o amortecimento das amplitudes dos perfis diários das temperaturas do ar. Quanto maior for o amortecimento da amplitude da temperatura do ar interior em relação à amplitude da temperatura do ar exterior, maior é a inércia térmica do recinto (AKUTSU, 1989).

A inércia térmica de um ambiente depende de muitas variáveis, tais como: a proporção entre a área dos componentes opacos e o tamanho dos ambientes; a área envidraçada na fachada; as condições de ventilação dos ambientes e, especialmente, as características térmicas dos elementos da envoltória, como a Capacidade Térmica, grandeza relacionada ao “armazenamento” de calor nos componentes, e a Resistência Térmica, relacionada ao isolamento térmico de componentes.

Edifícios milenares com alta inércia térmica podem ser encontrados no Oriente Médio, compostos por solo ou pedra, projetados com pequenas aberturas e elementos de sombreamento para otimizar as trocas térmicas com o ambiente exterior. No Brasil, há exemplares de edificações com alta inércia térmica, remanescentes da época colonial, em locais como São Paulo, Belo Horizonte e Ouro Preto, construídas em pedra, taipa de pilão, tijolos de adobe ou cerâmicos.

Edifícios mais recentes, com tal característica, são, geralmente, compostos por componentes construtivos industrializados, como blocos vazados de concreto ou tijolos cerâmicos maciços. Estas edificações têm, em comum, vedações externas com elementos espessos com alta massa específica, o que lhes confere Alta Capacidade Térmica, fator que tem importante contribuição na inércia térmica dos recintos. Entretanto, estas características não são aderentes às tendências atuais do mercado da construção de edifícios, que apresenta forte demanda por componentes cada vez mais leves.

Nesse contexto, no qual é necessário o uso de elementos construtivos leves, porém com Alta Capacidade Térmica, características que são antagônicas quando se trata de componentes construtivos convencionais, tem-se como opção a utilização de produtos inovadores como os Materiais de Mudança de Fase – PCM, do termo em inglês: Phase Change Material.

1.Materiais de mudança de fase- PCM

Os PCMs são materiais que foram desenvolvidos para sofrerem mudanças cíclicas de estado quando expostos a determinadas faixas de temperatura do ambiente. Podem absorver ou dissipar grandes quantidades de energia térmica ao longo dos ciclos de mudança de fase que ocorrem durante toda a sua vida útil. Devido a este fenômeno, os PCMs apresentam um comportamento equivalente ao de um material com uma Capacidade Térmica significativamente superior quando comparados aos materiais convencionais.

1.1 Ciclos de mudança de fase

Os PCMs mais comuns sofrem ciclos de mudança de fase de PCMs com transição do estado sólido-líquido ou vice versa. Tais mudanças ocorrem da seguinte forma: conforme a temperatura do ambiente em que os PCMs estão expostos se eleva, os PCMs se comportam como materiais tradicionais, absorvendo calor do ambiente a uma taxa constante (calor sensível) até atingirem a temperatura correspondente ao seu ponto de fusão. A partir desse momento, os PCMs passam a absorver energia térmica para proporcionar a sua liquefação (calor latente). Posteriormente, quando a temperatura do ambiente se reduz novamente, os PCMs dissipam calor no ambiente (calor sensível), até alcançarem seu ponto de solidificação quando passam a se solidificarem (calor latente). Durante as transições de fase, os PCMs mantém sua temperatura constante.

1.2 Tipos de PCMs

Os PCMs podem ser classificados em três grupos, com base em sua composição química: orgânicos, inorgânicos e misturas eutéticas. Na Tabela 1, são apresentados os intervalos de temperaturas em que se encontram os pontos de fusão e os respectivos valores do calor latente dos diferentes grupos de materiais, de acordo com Rathod e Banerjee (2013).

Tabela 1 - Propriedades térmicas de acordo com a composição química do material (RATHOD; BANERJEE, 2013).

ficha de avaliação

Atualmente, são conhecidos muitos tipos de PCMs, sendo possível obter materiais com ciclos de mudança de estado em intervalos de temperatura específicos em função de sua aplicação e das suas características físicas e químicas. PCMs com ponto de fusão entre 60 e 75 °C, por exemplo, têm sido aplicados em reservatórios térmicos, proporcionando economia de energia no carregamento e descarregamento de calor (FANG et al., 2012; LIU; HEWINGS; WANG, 2009; MANTILLA GILART et al., 2012). Pontos de fusão abaixo de 18 °C vêm sendo amplamente utilizados na refrigeração de ambientes para armazenamento de alimentos (ORÓ et al., 2012).

Os PCMs começaram a ser desenvolvidos a partir da década de 1980, após a crise do petróleo, com o intuito de aumentar a eficiência energética de sistemas e produtos variados. São aplicados em coletores solares, satélites, equipamentos eletrônicos, produtos têxteis para regulação térmica e ainda para a preservação de alimentos.

No setor da construção civil, há PCMs desenvolvidos especialmente para revestimentos de dutos de condicionamento de ar, sistemas de aquecimento de pisos e vedações das edificações, como fachadas, divisórias internas e sistemas de coberturas. Neste setor, os PCMs são concebidos para operarem em faixas de temperaturas geralmente adequadas às condições climáticas de países do hemisfério norte.

ficha de avaliação
Foto 2 – Exemplo do uso de PCMs no forro de uma edificação (Fonte: https://www.building.co.uk/news/phase-change-materials/3111760.article)

Conceitualmente, os PCMs podem contribuir para a melhoria do desempenho térmico e energético de edificações brasileiras, dependendo, principalmente, do valor de sua temperatura de fusão e do seu respectivo calor latente. Entretanto, não se tem informações suficientes sobre sua aplicação em edifícios no território nacional, havendo poucas pesquisas práticas sobre o assunto (BRITO et al., 2017). Entretanto, é possível indicar quais são as principais características que esses materiais precisam ter para serem utilizados em produtos, em linhas gerais, e especificamente pensando na sua aplicação em edificações.

2.Requisitos mínimos para uso de PCMs em produtos

Nas fases de desenvolvimento de produtos com PCMs, o principal aspecto a ser analisado é o seu efeito no desempenho térmico ou energético do sistema onde será utilizado. Para isso, além de suas características térmicas, é necessário levar em consideração as suas características físicas, cinéticas e químicas, o tipo de componente em que o PCM será utilizado, bem como a área da superfície deste componente que trocará calor com o ambiente.

2.1 Características Térmicas

É necessário que a faixa de temperaturas de operação deste material, bem como o seu ponto de fusão, sejam compatíveis com as faixas de temperaturas do sistema em que ele será utilizado. Também é importante que o material tenha o maior valor possível do calor latente requerido para as mudanças de fase e alta condutividade térmica, para que seja proporcionada uma elevada taxa de transferência de calor entre o material e o sistema de interesse (FARID et al., 2004; GUYER, 1999; K. PEIPPO; P. KAURANEN; P. D. LUND, 1991; MEHLING; CABEZA, 2008; SHARMA et al., 2009).

2.2 Características Físicas

PCMs com densidade alta e constante, com pequenas variações volumétricas após as mudanças de estado são desejáveis, em função da maior facilidade em serem contidos por invólucros (GUYER, 1999; SHARMA et al., 2009). Além disso, quanto menor for a variação volumétrica do PCM, menor pode ser o volume do invólucro, que é dimensionado em função do volume do PCM.

Também é necessário que os PCMs apresentem estabilidade de fase durante os ciclos de liquefação ou solidificação, o que proporciona a manutenção dos ciclos de mudança de fase durante toda a vida útil do material (FARID et al., 2004; MEHLING; CABEZA, 2008). A falta de estabilidade de fase é um dos problemas mais recorrentes em PCMs que são constituídos por vários compostos químicos. Neste caso, acontece uma separação macroscópica entre os diferentes compostos e os PCMs têm sua composição alterada em relação à inicial, tendo seu desempenho térmico prejudicado (MEHLING; CABEZA, 2008). Além disso, é necessário que estes materiais tenham baixa taxa de evaporação, de modo a gerar a menor quantidade possível de vapores durante os ciclos de mudança de fase, para que não ocorram problemas de contenção do material (SHARMA et al., 2009). Estes requisitos podem ser atendidos mais facilmente com o encapsulamento dos PCMs.

2.3 Características Cinéticas

É desejável que o material tenha taxa de cristalização adequada e não apresente super-resfriamento, fator que reduz as trocas de calor com o meio ambiente e, consequentemente, sua eficiência em termos de armazenamento térmico (GUYER, 1999; SHARMA et al., 2009). O super-resfriamento, também intitulado sub-resfriamento é uma situação específica em que os PCMs só começam a se solidificar e dissipar energia térmica para o ambiente quando atingem uma temperatura inferior àquela prevista inicialmente para o seu ponto de solidificação. Dessa forma, quando o super-resfriamento ocorre, o ciclo de mudanças de estado é interrompido e os PCMs passam a armazenar energia térmica somente em função do calor sensível (MEHLING; CABEZA, 2008).

2.4 Características Químicas

PCMs precisam ter estabilidade química, não podem sofrer degradação por alterações na sua hidratação, nem decomposição química devido ao contato direto com materiais ou quando expostos a variações nas condições ambientais, tais como temperatura, radiação etc. (GUYER, 1999; MEHLING; CABEZA, 2008). Dessa forma, o encapsulamento de PCMs precisa ser feito em invólucros que impeçam a migração de vapores e gases e é desejável que sejam quimicamente compatíveis com os PCMs (GUYER, 1999).

2.5 Superfície de contato com o ambiente

Os PCMs precisam ter a maior superfície possível de contato com o ambiente, para proporcionar maiores trocas térmicas e o seu funcionamento efetivo. Por este motivo, quando aplicados em edificações, por exemplo, é adequado seu uso em revestimentos de paredes, pisos e forros.

2.6 Dimensionamento do componente

É de suma importância ter conhecimento prévio da capacidade térmica requerida para o componente que irá conter os PCMs, bem como a quantidade necessária destes materiais para que seja obtido o valor adequado desta grandeza. Ressalta-se, ainda, que as dimensões do produto que contém os PCMs precisam ser compatíveis com sua capacidade térmica requerida. Para painéis de gesso acartonado, por exemplo, há equações matemáticas elaboradas por DRAKE (1987) e K. PEIPPO (1991), que propiciam calcular a sua espessura mínima necessária para que se possa ter a capacidade térmica calculada previamente, e contribua para a diminuição da demanda por climatização de ambientes.

2.7 Segurança

Os PCMs não podem ser tóxicos, não devem ser inflamáveis e nem explosivos, tendo em vista a segurança no seu uso (GUYER, 1999; SHARMA et al., 2009). Além disso, precisam atender questões ambientais quanto ao momento de seu descarte (MEHLING; CABEZA, 2008).

2.8 Aspectos econômicos

É necessário ter disponibilidade do produto em larga escala, bem como um valor de custo-benefício acessível para viabilizar seu uso em produtos (GUYER, 1999; SHARMA et al., 2009).

3.Requisitos adicionais para o uso de componentes com PCMs em edificações brasileiras

Além dos aspectos abordados no item anterior, os PCMs precisam ter determinadas propriedades físicas e químicas que proporcionem não só uma melhoria significativa do desempenho térmico ou energético de edificações, mas também atendam outros requisitos de desempenho presentes em legislações e normas vigentes.

Aplicações em edificações brasileiras tornam necessário levar em consideração os efeitos que estes materiais podem ter no desempenho global da edificação.

Para analisar o desempenho de componentes com PCMs, é necessário desenvolver requisitos e critérios específicos, levando em consideração as características destes materiais. A seguir, são destacados alguns aspectos adicionais que precisariam ser considerados na análise de PCMs aplicados em componentes construtivos de edificações brasileiras.

3.1 Segurança estrutural

É necessário assegurar que os componentes com PCMs possuam a resistência aos esforços para os quais peças estruturais são submetidas. Na literatura, foram encontrados trabalhos que indicam que PCMs podem, por exemplo, reduzir a resistência à compressão de componentes de concreto, o que precisa ser levado em consideração. Novos métodos de ensaio de componentes precisam ser criados, considerando variações nas condições ambientais para alcançar pontos de fusão e solidificação dos PCMs para avaliar seu desempenho estrutural.

3.2 Segurança ao fogo

Devem ser utilizados PCMs não inflamáveis ou com características de propagação de chamas controladas, sem a emissão de gases nocivos à saúde humana.

3.3 Saúde

PCMs aplicados em componentes construtivos não devem emitir compostos químicos nocivos à saúde humana e de animais domésticos, como especificado em legislações vigentes.

3.4 Desempenho térmico

Edificações com PCMs em seus componentes construtivos devem atender aos critérios do método detalhado de avaliação do desempenho térmico de edificações previsto na Norma ABNT NBR 15575 (ABNT, 2021). O desempenho térmico da edificação deve ser analisado por meio de simulações computacionais com o uso de programas com algoritmo validado para modelar o comportamento térmico de PCMs ou, adicionalmente, por medições no local.

3.5 Desempenho acústico

Edificações com PCMs devem atender aos critérios especificados na Norma ABNT NBR 15575 (ABNT, 2013), quanto à isolação sonora. Entretanto, diante de suas peculiaridades, é necessária a criação de métodos de ensaio tanto para a verificação da isolação acústica dos componentes ao ruído aéreo, quanto ao ruído de impacto de pisos, considerando variações na temperatura do ar do ambiente em que estão expostos, até alcançarem seus pontos de fusão e solidificação. Isso precisa ser feito para assegurar que os componentes apresentarão o comportamento acústico exigido, conforme previsto na norma ABNT NBR 15575 (ABNT, 2013), mesmo durante mudanças de fase.

3.6 Durabilidade, uso e manutenção dos componentes

Os PCMs não podem prejudicar a durabilidade de componentes construtivos. Também deve-se garantir a possibilidade de se fazer manutenções nos componentes e sistemas com PCMs, bem como a sua eventual substituição. No manual do usuário do edifício, devem ser acrescentados os cuidados necessários ao uso e manutenção destes componentes, especialmente sua interação com os moradores na fixação de peças, modo de limpeza etc.

3.7 Adequação ambiental

Devem ser tomados cuidados durante a execução da obra de modo a não contaminar o meio ambiente com resíduos provenientes de componentes com PCMs que possam causar eventuais danos à flora e à fauna. Isso se aplica também ao descarte final dos componentes com PCMs, após o término de sua vida útil.

4. Considerações finais

Diante da ampla quantidade de informações necessárias para se viabilizar a utilização de PCMs em edificações brasileiras, é necessária a realização de estudos específicos que possam verificar tanto o seu potencial para melhorar o desempenho térmico ou energético de edifícios, quanto as outras questões necessárias a um uso e um futuro descarte seguros.

Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15575: Edifícios Habitacionais – Desempenho. Rio de Janeiro, 2013.

AKUTSU, M. Aplicação do Método dos Fatores de Resposta para a Determinação da Resposta Térmica de Edificações. 1983. 82 p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1983.

AKUTSU, M.; BRITO, A. C. D.; CHIEPE, C. P. O efeito da capacidade térmica e da resistência térmica de paredes no desempenho térmico de habitação na cidade de São Paulo. In: Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construido, 2012, Juiz de Fora. Anais... Juiz de Fora: Antac, 2012.

BRITO, A. C. Contribuição da inércia térmica na eficiência energética de edifícios de escritórios na cidade de São Paulo. 2015. 241p. Tese (Doutorado) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia Mecânica, São Paulo, 2015.

BRITO, A. C; AKUTSU, M ; SALLES, E. M. ; CASTRO, G. M. . Características térmicas de materiais de mudança de fase adequados para edificações brasileiras. Ambiente Construído (Online), v. 17, p. 125-145, 2017.

RATHOD, M. K.; BANERJEE, J. Thermal stability of phase change materials used in latent heat energy storage systems: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 18, p. 246–258, fev. 2013.

DRAKE. A study of the optimal transition temperature of PCM wallboard for solar energy storage. Tennesse: [s.n.].

FANG, G. et al. Preparation and thermal properties of form-stable palmitic acid/active aluminum oxide composites as phase change materials for latent heat storage. Materials Chemistry and Physics, v. 137, n. 2, p. 558–564, dez. 2012.

FARID, M. M. et al. A review on phase change energy storage: materials and applications. Energy Conversion and Management, v. 45, n. 9-10, p. 1597–1615, jun. 2004.
GUYER, E. C. Handbook of Applied Thermal Design. London: [s.n.].

LIU, X.; HEWINGS, G. J. D.; WANG, S. Evaluation on the impacts of the implementation of civil building energy efficiency standards on Chinese economic system and environment. v. 41, p. 1084–1090, 2009.

K. PEIPPO; P. KAURANEN; P. D. LUND. A multicomponent PCM wall optimized for passive solar heating. Energy and Buildings, v. 17, p. 259–270, 1991.

MANTILLA GILART, P. et al. Development of PCM/carbon-based composite materials. Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 107, p. 205–211, dez. 2012.

MEHLING, H.; CABEZA, L. F. Heat and cold storage with PCM : An Up to Date Introduction into Basics and Applications. 1a Edição ed. Berlin: [s.n.]. p. 308

ORÓ, E. et al. Review on phase change materials (PCMs) for cold thermal energy storage applications. Applied Energy, v. 99, p. 513–533, nov. 2012.

SHARMA, A. et al. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 13, n. 2, p. 318–345, fev. 2009.

Colaboração técnica

Adriana Camargo de Brito – é doutora em Engenharia Mecânica pela Universidade de São Paulo (USP), Mestre em Tecnologia do Ambiente Construído pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e arquiteta formada pela Universidade Paulista (UNIP). Trabalha no Laboratório de Conforto Ambiental do IPT desde 2006, atuando em avaliações e consultorias nas áreas de desempenho térmico, acústico, lumínico e ergonômico de edifícios. Também é docente do curso de Mestrado em Habitação do IPT.
Elisa Morande Salles – é Doutora em Física pela Universidade de São Paulo (2018), mestre em Física (2012) e bacharel em Física com habilitação em pesquisa básica (2009) pela mesma instituição. Desde 2012, é pesquisadora do Laboratório de Conforto Ambiental do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, com atuação em consultorias e avaliações do desempenho acústico e térmico de edifícios e componentes construtivos, mapeamento de ruído e simulações computacionais.
Marcelo de Mello Aquilino – é Físico formado pela Pontifícia Universidade Católica de São Paulo – PUC-SP, com mestrado na área de Tecnologia na Construção de Edifícios e Campos Eletromagnéticos, pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo – IPT. Atualmente, pesquisador do IPT vinculado ao Laboratório de Conforto Ambiental. Especialista na área de conforto ambiental com enfase em acústica e térmica. Especialista em simulações de desempenho acústico, térmico e energético. Professor do curso de mestrado do IPT. Doutorando da Faculdade de Saúde Pública da USP na área de Epidemiologia e Acústica.
Maria Akutsu – é formada em Física pelo IFUSP, tem Mestrado pela EPUSP e Doutorado pela FAUUSP. Atua na área de Conforto Ambiental desde 1975 no IPT, desenvolvendo trabalhos de pesquisa e desenvolvimento, bem como de prestação de serviços tecnológicos e como docente no curso de Mestrado Profissional. Foi docente também em várias Instituições de Ensino e é colaboradora no desenvolvimento de Normas Técnicas na área de Desempenho das Edificações e na avaliação de Projetos de Pesquisa junto aos diversos órgãos de fomento do País.