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UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Engenharia
Avaliao experimental de argamassas com
agregados leves impregnados com materiais de mudana de fase
Vasco Filipe Silva Pereira
Dissertao para obteno do Grau de Mestre em
Engenharia Civil (2 ciclo de estudos)
Orientador: Prof. Doutor Miguel Costa Santos Nepomuceno Coorientador: Prof. Doutor Pedro Nuno Dinho Pinto da Silva
Covilh, outubro de 2013
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Aos meus Pais, aos meus amigos e aos meus orientadores
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Agradecimentos
Aos meus orientadores, Professores Miguel Nepomuceno e Pedro Dinho, pela definio das linhas
a seguir nesta dissertao, nomeadamente atravs da esquematizao, orientao e ajuda no
plano de ensaios. Pelo apoio, esclarecimento, motivao e confiana transmitidas durante o
perodo de realizao deste trabalho. E finalmente, na fase de concluso, pela analise, correo
permitindo melhorar este trabalho .
Paula Barroca, pela ajuda, apoio, motivao e companheirismo criado dentro do laboratrio e
fora dele.
Aos meus amigos, em particular, Rita, Ana e Ftima, Sandrine, Mafalda, Adelaide, Luis, Mara e
Rocky pela amizade, cumplicidade, auxlio e o encorajamento muito importante nesta etapa da
minha vida e s assim foi possvel a concretizao.
Ao funcionrio Sr. Eng. Albino Alves e Sr. Flix, pela ajuda e apoio prestado durante o perodo
de ensaios.
Aos meus pais, pelo suporte demonstrado, tanto no perodo de execuo desta dissertao, como
ao longo de todo o curso.
Universidade da Beira Interior gostaria de agradecer todos os equipamentos e materiais
disponibilizados.
O meu agradecimento a todas as empresas que contriburam gratuitamente com materiais para a
concretizao desta dissertao, em particular, Sika-Portugal S.A. pelo fornecimento do
superplastificante.
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Avaliao experimental de argamassas com agregados leves impregnados com materiais de
mudana de fase
Resumo
As redues energticas no sector dos edifcios um cuidado que os projetistas devem ter. Para
aumentar estas redues sugere-se a aplicao de tcnicas de arrefecimento passivo. Esta
dissertao prope desenvolver uma argamassa com o material de mudana de fase. O presente
trabalho descreve uma avaliao experimental de argamassas com materiais de mudana de fase
(PCM) para armazenamento de energia trmica. Em alternativa utilizao de PCM encapsulado,
utilizou-se como veculo o agregado leve de argila expandida impregnado com PCM.
Preconizaram-se dois procedimentos para a incorporao do PCM no agregado leve. Para se
avaliar o efeito da dosagem de PCM, foram produzidos trs grupos de misturas com agregados
leves (LWA) e duas argamassas de referncia com agregados naturais. Cada grupo com LWA
incluiu trs dosagens distintas desse agregado, a saber, 242, 354 e 481 kg/m3, conducentes
incorporao de PCM de 50, 75 e 100 kg/m3, respetivamente. Um desses grupos incluiu o LWA
saturado de gua, outro incluiu o LWA saturado de PCM e com a superfcie seca com ar
comprimido e o ltimo incluiu o LWA saturado de PCM seco em estufa. No total foram produzidas
11 argamassas e avaliadas as suas propriedades mecnicas e termofsicas. Do ponto de vista da
produo das argamassas, os resultados obtidos permitiram concluir que o procedimento de
secagem com ar comprimido consome menos energia, mais econmico, mais fcil e rpido de
executar. Do ponto de vista das propriedades mecnicas, conclui-se que os dois procedimentos
de secagem conduzem a resultados satisfatrios e relativamente equivalentes. Do ponto de vista
das propriedades termofsicas, verificou-se que o efeito do aumento da capacidade de
armazenamento conseguido com a introduo de PCM em parte atenuado pela perda dessa
mesma capacidade em consequncia do aumento do agregado leve. Parece no se justificar o
aumento da dosagem de agregado leve para alm de 354 kg/m3, a que corresponde 75 kg/m3 de
PCM, j que a partir desta dosagem o saldo entre as duas variveis analisadas (dosagem de
agregado leve e dosagem de PCM) inicia a sua tendncia decrescente em termos de capacidade
de armazenamento de energia.
Palavras-chave:
Argamassas com agregados leves, argila expandida, material de mudana de fase, propriedades
trmicas, propriedades fsicas, propriedades mecnicas.
viii
ix
Experimental evaluation of lightweight aggregate mortars impregnated with phase change materials
Abstract
The designers should have attention for energy reductions in the buildings. The passive cooling
techniques can reduce the energy. This dissertation proposes to develop a mortar with the phase
change material. This paper describes an experimental evaluation of mortars with phase change
materials (PCM) for thermal energy storage. As an alternative to the use of encapsulated PCM, it
was used as a vehicle the lightweight aggregate expanded clay impregnated with PCM. Two
procedures were developed for the incorporation of PCM in the lightweight aggregate. To
evaluate the effect of the dosage of PCM, three groups of mixtures were produced with
lightweight aggregate (LWA) and two reference mortars with only natural aggregates. Each group
included three different dosages of LWA, namely 242, 354 and 481 kg/m3, leading to the
incorporation of PCM dosage of 50, 75 and 100 kg/m3, respectively. One of these groups included
the water-saturated LWA, another included the LWA saturated with PCM and surface dry with
compressed air, and the last included the LWA saturated with PCM and with the surface dried in
oven. In total 11 mortars were produced and their mechanical and thermophysical properties
evaluated. From the point of view of production of mortars, the results showed that the drying
procedure with compressed air consumes less energy, is more economical, easy and quick to
perform. From the viewpoint of mechanical properties, it is concluded that both drying
procedures lead to satisfactory results and relatively equivalent. From the point of view of
thermophysical properties, it was found that the effect of increased storage capacity achieved
with the introduction of PCM is partly offset by the loss of this same capacity due to the increase
of the lightweight aggregate. Do not seem to justify the increased dosage of lightweight
aggregate in addition to 354 kg/m3, corresponding to 75 kg/m3 PCM, since from this dosage
balance between the two variables (the dosages of LWA and PCM) starts its downward trend in
terms of energy storage capacity.
Keywords
Lightweight aggregate mortars, expanded clay aggregates, phase change material, thermal
properties, physical properties, mechanical properties.
x
xi
ndice Geral
1. Introduo
1.1. Enquadramento do tema 1
1.2. Objetivos e justificao do tema 2
1.3. Organizao da dissertao 3
2. Materiais de mudana de fase
2.1. Introduo 5
2.2. Histria dos materiais de mudana de fase 5
2.3 Classificao dos materiais de mudana de fase 6
2.3.1. Materiais de mudana de fase orgnicos 8
2.3.2. Materiais de mudana de fase inorgnicos 10
2.3.2. Materiais de mudana de fase eutticos 11
2.2.3. Vantagens e desvantagens dos materiais de mudana de fase 11
2.4. Materiais de mudana de fase comerciais 12
2.5. Reao ao fogo dos materiais de mudana de fase 13
3. Aplicao dos pcms na construo
3.1. Introduo 15
3.2. PCM no beto 18
3.3. PCM na parede 21
3.4. PCM nos pavimentos 26
3.5. PCM nos tectos 28
3.6. PCM nos vidros 30
3.7. PCM nos sistemas de aquecimento base de ar 31
3.8. PCM nos sistemas de ventilao 31
3.9. PCM nos tijolos 32
4. Procedimento experimental
4.1. Introduo 33
4.2. Materiais utilizados
4.2.1. Cimento 33
4.2.2. Agregados 33
4.2.3. Adjuvantes 35
4.2.4. gua de amassadura 36
4.2.5. Material de mudana de fase 36
4.3. Ensaios de caracterizao dos materiais constituintes 37
4.3.1. Baridade seca no compactada 37
4.3.2. Massa volmica 38
xii
4.3.3. Absoro de gua dos agregados 39
4.3.4. Anlise granulomtrica dos agregados 40
4.4. Processo de impregnao do agregado leve com PCM 41
4.4.1. Determinao do tempo mnimo de secagem 41
4.4.2. Determinao do tempo mnimo de imerso em PCM 41
4.4.3. Procedimento e parmetros fsicos a usar na produo das misturas 44
4.5. Processo de impregnao do agregado leve com gua 45
4.6. Misturas realizadas e procedimentos de clculo 45
4.6.1. Misturas realizadas 45
4.6.2. Procedimento de clculo das argamassas 47
4.7. Preparao dos provetes para ensaio 52
4.7.1. Execuo das misturas 52
4.7.2. Provetes moldados 53
4.7.3. Condicionamento dos provetes 55
4.7.4. Preparao de outras amostras complementares 55
4.8. Ensaios das argamassas no estado fresco 56
4.8.1. Consistncia por espalhamento 56
4.9 Ensaios das argamassas no estado endurecido 56
4.9.1. Ensaio flexo 56
4.9.2. Ensaio compresso 58
4.9.3. Ensaio da massa volmica aparente seca 59
4.9.4. Ensaio das propriedades trmicas 59
4.9.4.1. Condutibilidade trmica das argamassas de referncia 60
4.9.4.2. Condutibilidade trmica das argamassas com agregados leves 63
5. Apresentao e discusso dos resultados
5.1. Introduo 67
5.2. Ensaio flexo 67
5.3. Ensaio compresso 69
5.4. Massas volmicas 71
5.5. Propriedades trmicas 73
5.5.1. Condutibilidade trmica das argamassas de referncia 73
5.5.2. Medio do fluxo de calor nas placas 73
5.5.2.1. Calibrao do sistema de medio do fluxo de calor 74
5.5.2.2. Anlise dos ciclos de carga 74
5.5.2.3. Anlise dos ciclos de descarga 74
5.5.2.3.1. Anlise das temperaturas na face inferior 82
5.5.2.3.1. Anlise das temperaturas na face superior 86
xiii
6. Concluses e propostas para trabalhos futuros
6.1. Concluses 89
6.2. Propostas para trabalhos futuros 92
xiv
xv
ndice de Figuras
2.1. Classificao do armazenamento da energia trmica 6
3.1. Diagrama das aplicaes dos PCM 16
3.2. As formas e os efeitos do PCM na envolvente do edifcio 16
3.3. O painel da experiencia de Ahmad et al 24
3.4. Vista esquemtica das solues testada pelo estudo de Ahmad et al 25
3.5. Aquecimento por conveno forada vs piso radiante 27
4.1. Imagens dos agregados 34
4.2. Distribuio granulomtrica dos agregados 35
4.3. Distribuio parcial da entalpia do PCM RT20 36
4.4. Imagens do ensaio de determinao da baridade 37
4.5. Determinao da massa volmica pelo densmetro de Le Chtelier 38
4.6. Imerso da Leca S(4) em gua 39
4.7. Secagem da superfcie da Leca S(4) 39
4.8. Medio da massa volmica Leca S(4) pelo mtodo do balo 39
4.9. Agitador e srie de peneiros EN 933 40
4.10. Tempo de secagem da Leca S(4) 41
4.11. Imerso da Leca S(4) em PCM 42
4.12. Escorrncia do PCM 42
4.13. Secagem da superfcie da Leca S(4) com ar comprimido 42
4.14. Imagem dos agregados aps secagem da superfcie com ar comprimido 42
xvi
4.15. Tempo de imerso versus massa volmica aps secagem com ar comprimido 43
4.16. Massa volmica aps secagem adicional em estufa a 50C por 8 horas 44
4.17. Misturadora de argamassas 52
4.18. Homogeneizao das argamassas de vrias amassaduras 52
4.19. Moldes para a produo dos prismas 53
4.20. Moldes para a produo das lajetas 53
4.21. Mesa de compactao das argamassas 54
4.22. Enchimento dos moldes 54
4.23. Regularizao da superfcie das argamassas aps compactao 54
4.24. Condicionamento dos prismas 55
4.25. Condicionamento das lajetas 55
4.26. Extrao de carotes das argamassas de referncia 55
4.27. Ensaio de consistncia na mesa de espalhamento flow-table 56
4.28. Prensa de compresso e aparelho de aquisio de dados datalogger 57
4.29. Ensaio de resistncia flexo 57
4.30. Imagem da seco transversal dos provetes aps rotura flexo 58
4.31. Mecanismo usado no ensaio compresso 58
4.32. Determinao do volume do provete no sistema hidrosttico 59
4.33. Ensaio da condutibilidade trmica: Imagem geral do dispositivo 60
4.34. Ensaio da condutibilidade trmica: Proteo exterior 60
4.35. Ensaio da condutibilidade trmica: Pormenor do dispositivo 61
4.36. Ensaio da condutibilidade trmica: Representao esquemtica 61
4.37. Representao esquemtica do ensaio 63
xvii
4.38. Modelo 3D do ensaio 63
4.39. Placas de 300x300x30 mm3 usadas nos ensaios trmicos 64
4.40. Placa de aquecimento 64
4.41. Sensores e manta trmica 64
4.42. Proteo exterior do sistema 65
5.1. Ensaios flexo das argamassas aos 28 dias 68
5.2. Ensaios compresso aos 3 dias das argamassas com PCM 69
5.3. Ensaios compresso das argamassas aos 28 dias 70
5.4. Massa volmica saturada com a superfcie seca aos 28 dias 71
5.5. Massa volmica seca aos 28 dias 72
5.6. Valores obtidos no primeiro ciclo de carga 75
5.7. Valores obtidos no segundo ciclo de carga 77
5.8. Valores obtidos no ciclo de descarga 80
5.9. Temperatura na face inferior (fria) no ciclo de descarga 82
5.10. Curvas tempo versus temperatura no ciclo de descarga 83
5.11. Tempo para obteno de Ti=16,5 oC no ciclo de descarga 83
5.12. Atraso no ciclo de descarga 84
5.13. Variao da resistncia trmica 85
5.14. Variao da massa volmica 85
5.15. Temperatura na face superior no ciclo de descarga 86
5.16. Temperatura na face superior das placas no ciclo de descarga 87
xviii
xix
ndice de Tabelas
2.1. Caractersticas dos PCM orgnicos 8
2.2. Caractersticas das misturas de PCM orgnicos 9
2.3. Eutticos orgnicos e inorgnicos com potencial utilizao como PCMs 11
2.4. Comparao entre os PCMs para armazenamento de calor 12
2.5. PCMs comerciais disponveis no mercado 13
4.1. Caractersticas fsicas dos agregados 34
4.2. Distribuio granulomtrica dos agregados 35
4.3. Parmetros mais relevantes do PCM RT20 36
4.4. Baridade no compactada do agregado saturado com a superfcie seca 46
4.5. Traos volumtricos das argamassas 46
4.6. Dosagens efetivas em quilogramas por metro cbico das argamassas 47
4.7. Exemplo da resposta fornecida pela folha de clculo Excel 51
5.1. Ensaios flexo das argamassas aos 28 dias 68
5.2. Ensaios compresso aos 3 dias das argamassas com PCM 69
5.3. Ensaios compresso das argamassas aos 28 dias 70
5.4. Massa volmica saturada com a superfcie seca aos 28 dias 71
5.5. Massa volmica seca aos 28 dias 72
5.6. Condutibilidade trmica das argamassas de referncia 73
5.7. Fluxo de calor calculado nas argamassas de referncia 74
5.8. Valores em regime permanente no 1 ciclo de carga 79
5.9. Valores em regime permanente no 2 ciclo de carga 79
5.10. Mdia dos valores do 1 e 2 ciclo de carga 79
5.11. Valores obtidos no final do ciclo de descarga 82
5.12. Percentagem da espessura que no mudou de fase 87
xx
xxi
Siglas
ACI American Concrete Institute
DECA Departamento de Engenharia Civil e Arquitetura
LNEC Laboratrio Nacional de Engenharia Civil
UBI Universidade da Beira Interior
UNISA Universidade da Austrlia do Sul
xxii
xxiii
Abreviaturas
A.H2O.100 Argamassa com os agregados leves impregnados em gua com 100 kg de gua
por m3
A.H2O.50 Argamassa com os agregados leves impregnados em gua com 50 Kg de gua
por m3
A.H2O.74 Argamassa com os agregados leves impregnados em gua com 75 kg de gua
por m3
A.PCM.100.ar Argamassa com agregados leves impregnados em gua com 100 kg de PCM
gua por m3 e seco com ar comprimido
A.PCM.100.est Argamassa com os agregados impregnados em gua com 100 kg de PCM gua
por m3 e seco na estufa
A.PCM.50.ar Argamassa com agregados leves impregnados em gua com 50 kg de PCM gua
por m3 e seco com ar comprimido
A.PCM.50.est Argamassa com agregados leves impregnados em gua com 50 kg de PCM gua
por m3 e seco na estufa
A.PCM.75.ar Argamassa com agregados leves impregnados em gua com 75 kg de PCM gua
por m3 e seco com ar comprimido
A.PCM.75.est Argamassa com os agregados leves impregnados em gua com 75 kg de PCM
gua por m3 e seco na estufa
A.REF.14 Argamassa com agregados naturais com 14% de gua
A.REF.16 Argamassa com agregados naturais com 16% de gua
Areia 0/5(4) Areia 0/5 crivada no peneiro 4 mm
Areia 0/5(4) Areia 0/5 crivada no peneiro de 4 mm
C2 Cimento CEM II/B-L32,5N no estado seco
CA cido cprico
DSC Calorimetria diferencial exploratria
ITZ Zona de interface de transio
LA cido lurico
Leca S(4) Leca S crivada no peneiro 4 mm
Leca S(4) Leca S crivada no peneiro 4 mm
Leca S(4)-H2O Agregados leves saturados de gua
Leca S(4)-PCM Agregado leve saturado de PCM
LSH2O Leca S(4) saturada de gua com a superfcie seca
LSPCM Leca S(4) saturada de PCM com a superfcie seca
LWA Agregados leves
PCM Materiais de mudana de fase
PVC Cloreto de polivinila
S2 Areia 0/2 saturada de gua com a superfcie seca
xxiv
S5 Areia 0/5(4) saturada de gua com a superfcie seca
SP Superplastificante no estado lquido
U Coeficiente global de transferncia de calor
VIP Painel de isolamento a vcuo
W gua de amassadura
W% Percentagem de gua na amassadura
xxv
Simbologia
Alfabeto Latino
A rea da seco transversal do provete (m2)
A (%) Absoro de gua dos agregados (%)
B Baridade (kg/m3)
BX Baridade no compactada do material X (kg/m3)
Cp Calor especfico (J/kg K)
Cv Coeficiente de variao (%)
d Espessura da placa (m)
d Espessura que no mudou de fase (m)
d% Espessura em percentagem que no mudou de fase (%)
f Resistncia flexo (N/mm2)
f,28 Valor mdio da resistncia flexo (MPa)
Fli Valores do sensores de fluxo instalados na face inferior (mV)
Flm Valor mdio dos sensores de fluxo instalados (W/m2)
Fls Valores do sensores de fluxo instalados na face superior (mV)
fm,28 Valor mdio da valor mdio da resistncia compresso aos 28 dias (MPa)
fm,3 Valor mdio da valor mdio da resistncia compresso aos 3 dias (MPa)
fX Frao unitria do agregado X relativa ao volume absoluto total de agregados
(Adimensional)
Caudal mssico (kg/s)
M F Mdulo de finura (m)
MC2 Massa do cimento CEM II/B-L32,5N no estado seco (kg)
MLSH2O Massa da Leca S(4) saturada de gua com a superfcie seca (kg)
MLSPCM Massa da Leca S(4) saturada de PCM com a superfcie seca (kg)
ms,dry Massa do provete seco (kg)
MS2 Massa da Areia 0/5(4) saturada de gua com a superfcie seca (kg)
MS5 Massa da Leca S(4) saturada de gua com a superfcie seca (???)
MSP Massa do superplastificante lquido (kg)
MW Massa da gua (kg)
q Fluxo de calor (W/m2)
q Mesmo significado que o q (W/m2)
R Frao do agregado retido em cada peneiros (%)
RAr Resduo acumulado retido em todos os peneiros (%).
RSP Razo em massa do superplastificante (Adimensional)
Rt Resistncia trmica (m2.K/W)
Rx Razo em massa do material (Adimensional)
xxvi
Sd Desvio padro
Ti Temperatura na face inferior da amostra (C)
Tin Temperatura mdia do fluido sada (C)
Tout Temperatura mdia do fluido entrada (C)
Ts Temperatura na face superior da amostra (C)
tX Trao do material X (volume aparente no compactado)
Caudal volmico (m3/s)
Vs Volume do provete (m3)
VX Volume absoluto do material X (m3)
W/C Razo em massa entre as quantidades de gua e de cimento da mistura (Adimensional)
Vv Volume de vazios (m3)
Alfabeto grego
Massa volmica do agregado saturado com a superfcie seca (kg/m3)
,28 Valor mdio da massa volmica saturada com a superfcie seca aos 28 dias (kg/m3)
S,28 Valor mdio da massa volmica seca aos 28 dias (kg/m3)
T Variao da temperatura (C)
X Massa volmica do material X (kg/m3)
Coeficiente de condutibilidade trmica do material do provete [W/(mC) ou W/(mK)]
Massa volmica (kg/m3)
1
1. Introduo
1.1. Enquadramento
Desde o sculo V e VI a.c, que o homem construa as suas habitaes com o papel principal de se
proteger e resguardar das adversidades climatricas [76]. Nessa poca, o ser humano construa
muitas das suas habitaes por sem qualquer conhecimento tcnico de construo, usando os
materiais que estavam disponveis nas proximidades, resultando assim em abrigos compostos por
uma nica diviso, com uma lareira central e os bancos encostados s paredes [74].
No entanto, com o passar dos anos, o homem evoluiu, juntamente com as suas tecnologias. E ao
longo do tempo observa-se o esforo incessante da raa humana em encontrar projetos de
construo adequados para se adaptar melhor. Foram construdos edifcios tradicionais, tomando
em considerao as condies climticas, com o intuito de tornar o interior num espao fresco
no vero e quente no inverno, atravs da utilizao de materiais adequados a preservar o bem
estar do homem dentro de casa sem a necessidade de recorrer a qualqueri tipo de tecnologia ou
gasto energtico. Estes aspectos referentes ao modo de contruo e materiais utilizados foram
esquecidos na arquitetura moderna, em detrimento de outros valores (esttica e design) onde se
acentua a utilizao de mtodos mecnicos de aquecimento e arrefecimento, envolvendo grande
quantidade de gastos de energia [74].
Entre os vrios mtodos mecnicos, o mais utilizado em Portugal, o ar condicionado, que
aumenta o conforto trmico, a eficincia energtica e fez com que o pas se tornasse num dos
maiores consumidores de eletricidade. Segundo fontes relacionadas com a construo civil, at
2007 foram instalados aproximadamente cem mil novos equipamentos de ar condicionado por
ano [14,32].
Devido ao aumento do consumo de energia, proveniente de fontes no renovveis, aumentaram
as preocupaes da sociedade relativamente ao meio ambiente com a emisso de CO2, o que
resultou em profundas alteraes climticas. O efeito excessivo deste consumo de combustveis
fosseis o aquecimento global, pois estes combustveis lanam, na sua extrao, grandes
quantidades de gases para a atmosfera, que so responsveis pelo efeito de estufa.
Como 88% da energia consumida em Portugal importada, a sua utilizao um fator
competitivo e muito importante. Em 2007, os principais setores da atividade econmica do pas
tiveram um consumo final de energia de 29,2% na indstria, 36,4% nos transportes, 17,1% no
domstico, 12,2% nos servios e 5,1% noutros sectores ( onde se inclui pescas, agricultura e obras
pblicas) [24]. Desta energia, uma grande quantidade utilizada para a climatizao, no inverno
para aquecer as divises e no vero para as arrefecer.
Numa casa comum, metade da energia usada em climatizao, o que representa quase 9% da
2
energia total consumida em Portugal [24]. Esta situao obriga-nos ao cuidado de reduzir o mais
possvel estes custos no modo de utilizao destes recursos de maneira mais eficiente e tendo
em conta o conforto dos utilizadores. Neste sentido podem utilizar-se termstatos programveis,
calafetagem de janelas e portas, manuteno dos equipamentos, e mais importante ainda seja
talvez o devido isolamento dos edifcios, visto que a maior parte do calor que entra, escapa-se
pelo tecto e pelas paredes de uma habitao. Um isolamento adequado muito importante para
reduzir essas perdas de calor [24]. Estas alteraes de construo devem ser exigidas aos
projetistas na conceo das construes, minimizando assim a utilizao dos sistemas
convencionais de energia e aos responsveis da construo pelo cumprimento integral do
projeto. Deste modo, dever ser levada em conta uma escolha adequada dos materiais, dos
equipamentos auxiliares, diminuindo assim o consumo energtico, pois esta alterao de hbitos
leva a uma escolha mais racional dos equipamentos domsticos e mtodos de iluminao de
forma mais informada e responsvel. [72]
O isolamento trmico contribui diretamente para uma diminuio do consumo energtico no
interior do edifcios. O desenvolvimento dos materiais usados como isolamento tem vindo a ser
estudado em todo o mundo, usando materiais com propriedades de armazenamento de energia
tais como os materiais de mudana de fase (PCMs).
A utilizao dos PCMs na estrutura e/ou revestimento do edifcio tm a capacidade de absorver
ou libertar a energia a uma temperatura constante e assim apresentam o efeito termoregulador.
Assim, este trabalho, pretende estudar o comportamento dos PCMs parafnicos como materiais
de isolamento em argamassas.
1.2. Objetivos e justificao do tema
O principal objectivo compreender a influncia dos materiais de mudana de fase na
construo. Em particular, o efeito de incorporao de materiais de mudana de fase numa
argamassa para revestimento interior de uma parede.
O objectivo geral do trabalho ser desenvolver uma argamassa com agregados leves que
incorporem parafina, um material de mudana de fase, com o intuito de melhorar o conforto
trmico que permita a diminuio do consumo de energia e a sua quantificao.
Os objectivos especficos deste estudo consistiram na avaliao do comportamento trmico da
argamassa descrita atrs por comparao com as argamassas convencionais e argamassas com
agregados leves impregnados em gua: verificao da maneira como a incorporao do PCM
altera as propriedades trmicas e avaliao do potencial trmico do material.
3
1.3. Organizao da dissertao
A metodologia da dissertao ser apresentada em seis captulos distintos, sendo organizados da
seguinte forma:
No Captulo 1 introduz-se e enquadra-se o tema em estudo, em traos muito gerais,
apresentando-se assim as principais motivaes e objectivos, bem como a estrutura de todo o
trabalho.
No Captulo 2 apresenta-se um conjunto de informao relacionada com os materiais de
mudana de fase, onde se explora a histria deste tipo de materiais. Existe ainda uma
abordagem sobre a classificao dos materiais de mudana de fase, explorando as propriedades
termofsicas, cinticas e fsicas. A diferena entre estas classificaes explicada atravs de
uma descrio personalizada de cada um bem como as vantagens e desvantagens que possuem. O
captulo finalizado com uma abordagem sobre reao ao fogo, como est se d e a melhor
forma de resolver esta desvantagem.
No Captulo 3 apresenta-se uma anlise bibliogrfica recolhida de outros trabalhos de
investigao, de forma a transmitir as aplicaes deste tipo de materiais na construo.
Abordando em especficos a aplicao dos materiais de mudana de fase no beto, nas paredes,
nos pavimentos, nos tetos, nos vidros, nos tijolos e nos sistemas de aquecimento base de ar
bem como nos sistemas de ventilao.
No Captulo 4 apresenta-se o procedimento experimental adotado no presente estudo.
Descrevendo todas a propriedades dos materiais que constituem as argamassas. Existe uma
abordagem dos ensaios de caracterizao destes materiais. Explica-se tambm o procedimentos
de impregnao do agregados leve com materiais de mudana de fase e com gua,
procedimentos de clculo e as misturas, assim como a preparao dos provetes para os ensaios.
Estes ensaios sero feitos no estado fresco e no estado endurecido para caracterizar as
argamassas bem como o seu comportamento e propriedades trmicas.
No Captulo 5 sero apresentados os resultados obtidos no trabalho experimental e analis-los de
forma crtica.
No Captulo 6 apresenta-se as concluses da campanha experimental, mostrando a viabilidade
trmica da aplicao deste tipo de materiais na construo, respondendo assim aos objectivos
propostos no incio do trabalho. Termina-se este capitulo com algumas sugestes para trabalhos
que se venham a desenvolver no futuro.
No final do trabalho apresentam-se as referncias bibliogrficas.
4
5
2. Materiais de mudana de fase
2.1. Introduo
Os Materiais de mudana de fase (PCM) so substncias com elevada entalpia de fuso. medida
que o material muda de fase e solidifica ocorre um processo exotrmico e na fuso ocorre um
processo endotrmico. Explorando as suas reaes exotrmica e endotrmica, possvel usar o
calor latente de fuso para armazenar e libertar grandes quantidades de energia a uma dada
temperatura, quer por fuso, quer solidificao, mantendo o ambiente envolvente a uma
temperatura prxima da temperatura de mudana de fase do PCM.
A transferncia de energia trmica ocorre quando os materiais sofrem alteraes de estado, ou
fase (do lquido ao slido ou slido para lquido). Os PCMs usam a energia armazenada quando a
temperatura ambiente est abaixo da sua temperatura de fuso. Nos edifcios correntes este
efeito explorado atravs da inrcia trmica, utilizando componentes de elevada massa
superficial em contacto com o ambiente interior. Nesta medida, os PCMs podem ser vistos como
uma maneira de aumentar a inrcia trmica sem a necessria massa elevada, permitindo o
recurso a elementos de compartimentao mais ligeiros.
Os PCMs com uma temperatura de fuso entre 19 e 24 C so os mais utilizados em ambientes
interiores dos edifcios, visto que com esta gama de temperaturas fica-se relativamente perto do
nvel de conforto humano. Os PCM so capazes de estar continuamente em ciclos de mudanas
de fase sem perder de seus atributos. Estes so usados quase sempre microencapsulados ou
encapsulados com o intuito de impedir a perda de massa atravs de evaporao. As parafinas
especficas que coincidem com a faixa da temperatura entre 19 e 24 C so menos investigadas
quando comparadas com PCMs petroqumicos (tais como cidos graxos que provm de fontes
orgnica) devido ao custo e origem no sustentveis.
Os desenvolvimentos atuais da indstria de construo em grande parte so baseados em PCMs
de parafina com base encapsulado. O microencapsulado tem sido incorporado em materiais de
construo tais como as placas de gesso. Estes produtos tm sido aplicados em residncias na
Nova Zelndia devido sua capacidade de substituir a massa por um armazenamento de calor
passivo com as mesmas caractersticas.
2.2. Histria dos materiais de mudana de fase
A primeira utilizao documentada de um PCM para aquecimento passivo foi apresentada por
Maria Telkes, o Sol Queen, em 1948. A cientista americano nascido na Hungria era fascinado
pelas possibilidades do aquecimento solar desde 1920. Incapaz de convencer uma instituio de
ensino superior, Telkes colaborou com o escultor Amelia Peabody e o arquiteto Eleanor
Raymond, que financiaram o projeto [18]. A Casa em Dover, Massachusetts, continha
6
aproximadamente 4 m3 de sais de Glauber, um material de mudana de fase que se encontrava
em tambores alojados nas assoalhadas principais, as quais dispunham de ventiladores para mover
o ar quente para as respetivas assolhadas no inverno. No vero, o sistema mandava ar fresco
para os quartos. Mas este sistema s poderia manter a casa quente durante aproximadamente 11
dias sem sol. Infelizmente o ciclo de vida de sais de Glauber expirou no terceiro inverno e
tornou-se necessrio o aquecimento convencional. Telkes conhecido por ter dito "Quem pode
esperar que o primeiro aquecimento deste gnero seja 100 por cento eficaz?" e, na verdade, 60
anos mais tarde, a forma de aquecimento ainda tem de ser aperfeioada. Em 1951 Telkes
escreveu A luz solar ser usada como uma fonte de energia mais cedo ou mais tarde. Porqu
esperar? [27].
Desde 1948, mais recursos tm vindo a ser investigados e extensivamente estudados ao longo de
dcadas, no desenvolvimento dos PCMs, nomeadamente nos anos 1990 por Peippo [27]. No
entanto, apesar das suas descobertas e das dificuldades de conceo de um PCM com uma
temperatura de fuso adequada [27], o impulso para estas aplicaes foi lento e at mesmo
Peippo perdeu as esperanas. Ele no menciona, no seu artigo de 1998, a otimizao dos PCMs
em projeto de edifcios com baixa energia solar [27]. A omisso poderia dever-se ao facto de os
custos-benefcios serem demasiado elevados no projeto.
2.3. Classificao dos materiais de mudana de fase
Em 1983, Abhat [1] props uma classificao das substncias utilizadas para o armazenamento de
energia trmica, que se apresenta na Figura 2.1.
Figura 2.1. Classificao do armazenamento da energia trmica [1,50,80]
Materiais
Energia quimica
Calor sensvel Calor latente
gs-liquido solido-gs solido-solido solido-lquido
Orgnico
Euteticas Temperaturas
individuais
Misturas Intervalo de
temperaturas
Parafinas
Grau comercial
Grau analitico
cidos gordurosos
Inrganico
Euteticas Temperaturas
individuais
Misturas Intervalos de temperaturas
Sais hidratados
7
Entre as referncias mais completas, relacionadas com materiais de mudana de fase, pode
citar-se Abhat [1], Lane [49,43] e Dincer e Rosen [17]. Estes contm uma reviso completa dos
tipos de materiais utilizados, sua classificao, caractersticas, vantagens e desvantagens e as
vrias tcnicas experimentais utilizadas para determinar o comportamento destes materiais.
Para serem usados como sistemas de armazenamento trmico, os Pcms devem possuir:
propriedades termofsicas, cinticas, fsica e qumicas adequadas.
As propriedades termofsicas que o PCM deve ter [38,50,72,74]:
(i) Uma temperatura de fuso para a gama de temperaturas desejadas;
(ii) Elevado calor latente de fuso por unidade de volume, de modo a reduzir o volume
necessrio para armazenar uma determinada quantidade de energia;
(iii) Alto calor especfico que armazene o calor adicional;
(iv) Uma condutividade trmica elevada de ambas as fases slida e lquida para auxiliar no
carregamento e descarga de energia do sistema de armazenamento;
(v) Pequenas mudanas de volume, na transio de slido para lquido, para reduzirem os
problemas de conteno;
(vi) Fuso congruente do material de mudana de fase para uma capacidade de
armazenamento constante do material.
Do ponto de vista cintico, o PCM deve ter [50,60,72,74]:
(i) Uma alta taxa de nucleao para evitar o rpido arrefecimento na sua fase lquida;
(ii) Uma alta taxa de cristais, de modo a que o sistema possa satisfazer a recuperao do
calor a partir do meio envolvente.
Sob ponto de vista fsico, dever ter [50,60,72,74]:
(i) Uma densidade elevada;
(ii) Pequena variao de volume na mudana de fase;
(iii) Baixa presso de vapor;
(iv) No sofrer sobrearrefecimento.
Sob ponto de vista qumico, dever [50,60,72,74]:
(i) Contemplar ciclo reversvel de solidificao/fuso;
(ii) No degradar-se aps os vrios ciclos de solidificao/fuso;
(iii) No corroer os materiais de construo;
(iv) Ser um material no txico, no inflamvel (no caso das parafinas dever usar-se, por
exemplo um suporte) e no explosivo.
8
2.3.1. Materiais de mudana de fase orgnicos
Os materiais de mudana de fase orgnicos so geralmente compostos por parafina, visto ser at
agora o material mais estudado. A maioria da parafina composta por misturas de carbonos e
hidrognio com uma cadeia linear CH3-(CH2)n-CH3, o seu calor latente de fuso e,
consequentemente, o seu ponto de fuso, aumenta em funo do comprimento da cadeia de
carbonos, isto , em funo do nmero de tomos de carbono que a constitui. As parafinas puras
so constitudas geralmente por 14 a 40 tomos e as parafinas de cera possuem entre 8 e 15
tomos. O nome de cada parafina deriva do nmero de carbonos que contm.
As gamas da temperatura de mudana de fase para as parafinas situam-se entre 0 e 130 C, com
entalpias de fuso entre 150 e 220 MJ/m3. A temperatura dos compostos da parafina est
diretamente relacionada com o tamanho da cadeia de tomos de carbono, isto , quanto maior o
nmero de tomos de carbono maior a temperatura [33,50,69,72].
As parafinas so materiais no corrosivos, no txicos, quimicamente inertes, estveis abaixo dos
500 C durante um largo perodo de utilizao, tm pequenas variaes do volume na fuso e
baixa presso do vapor. Em mdia as parafinas possuem capacidades de armazenamento trmico
de aproximadamente 200 kJ/kg de energia durante o seu processo de fuso. Na Tabela 2.2
resumem-se as principais caractersticas dos PCMs orgnicos.
Tabela 2.1. Caractersticas dos PCM orgnicos [10,51,72,74]
Componentes Temperatura de
mudana de fase (C) Entalpia de mudana
de fase (kJ/kg)
Estearato de butilo 19 140
Parafina C16-C18 20-22 152
cido Caprilco-Lurico 21 143
Poligicol E600 24 127,2
34% cido mirstico+ 66% cido Caprilco
24 147,7
Parafina C13-C24 22-24 189
1- Dodecanol 26 200
Parafina C18 (45-55%) 28 244
Estearato de vinilo 27-29 122
cido Caprilco 32 152,7
Palmitato de propilo 19 186
Tetradecanol 38 205
Poliglicol E6000 66 190
Parafinas C21-C50 66-68 189
Parafinas C22-C45 58-60 189
Parafinas C20-C33 48-50 189
cido Miristico 49-51 204,5
cido Esterico 69 202,5
9
Podem misturar-se diferentes parafinas para obter novas gamas de temperatura de transio. Os
tipos mais utilizados como PCM so: o hexadecano, o octadecano e o eicosano, estes encontram-
se descritos na Tabela 2.3, por serem economicamente mais viveis.
Tabela 2.2. Caractersticas das misturas de PCM orgnicos [72]
PCM N de tomos de
carbono Temperatura de
mudana de fase (C) Entalpia de mudana
de fase (kJ/kg)
Hexadecano 16 18.5 237
Heptadecano 17 22.5 213
Octadecano 18 28.2 244
Nonadecano 19 32.1 222
Eicosano 20 36.1 247
Heneicosano 21 40.5 213
Existem outros materiais de mudana de fase orgnicos sem ser as parafinas, so os no
parafnicos. Estes possuem propriedades muito variadas. Um exemplo de materiais no
parafnicos so os cidos gordos, lcoois, glicis, entre outros. Na Tabela 2.4 apresentam-se
algumas das caractersticas destes materiais. Os cidos gordos possuem uma entalpia de fuso
superior quando comparados com as parafinas. Estes cidos, so considerados como bons PCM,
devido ao facto de apresentarem uma reprodutibilidade na fuso, uma solidificao e no
sofrerem sobrearrefecimento. O nico inconveniente da sua utilizao est no seu custo que de
2 a 2,5 vezes superior aos materiais parafnicos.
As parafinas apresentam algumas propriedades indesejveis tais como: baixa condutibilidade
trmica e so inflamveis. Estes efeitos indesejveis podem ser eliminados atravs da
modificao das misturas [50].
Uma das razes pelas quais os materiais de mudana de fase orgnicos tm uma baixa
condutibilidade trmica resulta do fato de estes possurem uma baixa taxa de transferncia de
calor. Um das solues para melhorar a transferncia de calor entre o PCM e o ambiente
atravs do microencapsulamento que aumenta a razo entre a superfcie e o volume do PCM.
O microencapsulamento do PCM um conjunto liquido ou slido de pequenas partculas ou gotas
de PCM, ao qual se denomina ncleo, dentro de um filme fino de polmeros (por exemplo
polimetilmetacrilato, o qual se denomina por cpsula). Nos ltimos tempos tm-se integrado em
materiais de construo, aumentando assim a massa de armazenamento. Se a matriz de
encapsulamento no tiver uma condutibilidade trmica elevada, ento o sistema de
microencapsulamento ter uma baixa taxa de transferncia de calor.
As microcpsulas de PCM podem ser colocadas dentro de num fluido de transporte (por exemplo
a gua) que se dispersa ao longo do fluido. Ao utilizar materiais hidrfilos (como por exemplo
resina de melamina), alcana-se uma homogeneidade das cpsulas em suspenso quando estas se
encontram dispersas em gua. Os materiais de PCM microencapsulados em suspenso mais
10
utilizados so as parafinas [50].
2.3.2. Materiais de mudana de fase inorgnicos
Os PCM inorgnicos mais estudados na aplicao em sistemas de armazenamento de energia
trmica so os sais hidratados [50]. Estes sais inorgnicos originam um slido cristalino, e quando
ligados com a gua formam uma equao AB.nH2O [2.1], isto , um sal hidratado com menos
uma molcula de gua.
. 2 .2+ ( )2 [2.2]
Ou ento, do origem sua forma anidra
. 2 + 2 [2.3]
Existem trs tipos de comportamentos de fuso nos sais: a fuso congruente que acontece
quando o sal anidro se dissolve completamente na gua hidratada, a fuso semi-hidratada que
tem uma composio diferente na fuso, devido converso do hidrato num material menos
hidratado devido a perda de gua, isto se, na fase de transio as fases slida e lquida
estiverem em equilbrio, e por ltimo, a fuso incongruente que se d quando o sal no
totalmente solvel na gua hidratada temperatura de fuso.
As propriedades atrativas deste tipo de materiais de mudana de fase so: elevado calor latente
de fuso por unidade de volume; condutibilidade trmica relativamente elevada (comparando
com a parafina o dobro); uma pequena variao do volume de fuso; no so muito corrosivos;
no so muito inflamveis; so compatveis com os plsticos; so ligeiramente txico; so mais
baratos e de fcil acesso.
Um dos inconvenientes na utilizao dos materiais de mudana de fase inorgnicos prende-se
com o facto de estes se fundirem de um modo incongruente, isto porque o nmero de moles de
gua so insuficientes para dissolver uma mole de sal, logo resulta numa soluo sobrenadante
temperatura de fuso. Um exemplo o sal que possui uma maior densidade que gua, e quando
se junta a gua a este, deposita-se no fundo e fica impedido para se recombinar com a gua. Isto
resulta num processo cada vez menos reversvel de fuso-solidificao do sal hidratado em cada
ciclo de carga-descarga de energia.
Este problema da fuso de modo incongruente pode ser resolvido de uma das seguintes formas:
agitao mecnica; encapsulamento do PCM para reduzir a separao de fases; adio de um
agente espessante que impea a deposio do sal slido mantendo-o em suspenso, e por ltimo,
pela modificao da composio qumica do sistema tornando a fuso congruente [50].
Um outro problema prende-se com o sobrearrefecimento sofrido pelos sais hidratados. Isto
acontece porque temperatura de fuso, a taxa de nucleao muito baixa. Ao sobrearrefecer,
a soluo atinge uma taxa de nucleao razovel e a energia ser descarregada a uma
11
temperatura inferior da fuso. Existem duas solues para resolver este problema: uma delas
atravs da adio de um aguente que ajude a formar ncleos de cristalizao, a outra manter
alguns cristais numa pequena zona fria que servem como ncleos de cristalizao.
Outro inconveniente d-se no processo de descarga, onde se formam espontaneamente sais
menos hidratados. Uma soluo para prevenir este problema passa por uma adio qumica que
aumente a solubilidade dos sais hidratados comparativamente com os sais mais hidratados, isto
, maior nmero de moles de gua.
2.3.3. Materiais de mudana de fase eutticos
Este tipo de materiais de mudana de fase uma composio de pelo menos dois ou mais
compostos de natureza orgnica, inorgnica ou ambas, em que cada um se funde e solidifica de
forma congruente, formando assim uma mistura de cristais. Os Eutticos fundem e solidificam
quase sempre sem segregao. O comportamento deste tipo de material parecido com o dos
sais hidratados, no entanto, apresentam temperaturas de transio muito mais prximas das
necessidades do que os componentes individuais. A principal desvantagem deste tipo de misturas
o seu preo, que cerca de duas ou trs vezes mais elevado que os compostos individuais. Na
Tabela 2.4 so apresentados exemplos de eutticos orgnicos e inorgnicos usados como PCMs.
Tabela 2.3. Eutticos orgnicos e inorgnicos com potencial utilizao como PCMs [50]
Eutticos Compostos Temperatura de
fuso (C) Calor de fuso
(kJ/kg)
Orgnicos
37,5% Ureia + 63,5% Acetamida
53 Informao no
disponvel
67,1% Nafltaleno + 32,9% cido Benzoico
67 123,4
Inorgnicos
51-55% Cu(NO3)3.6H2O + 45-49% LiNO3.3H2O
16,5 250
45-52% LiNO3.3H2O + 48-55% Zn(NO3)3.6H2O
17,2 220
2.3.4 Vantagens e desvantagens dos materiais de mudana de fase
Os PCMs orgnicos, inorgnicos e eutticos podem apresentar algumas vantagens e desvantagens.
Uma comparao entre estes tipos de materiais tendo em vista a capacidade de armazenamento
de calor apresentada na Tabela 2.1.
12
Tabela 2.4. Comparao entre os PCMs para armazenamento de calor [9,11,58,60,50]
Vantagens: Desvantagens: PCM Orgnico No so corrosivos
No sofrem sobrearrefecimento
Estabilidade trmica e qumica
Disponibilidade de uma grande
srie de temperaturas
Propriedade de nucleao
Compatibilidade com materiais de
construo convencional
Sem segregao
Seguro e no reativa
Reciclvel
Alto calor de fuso
Baixa condutividade trmica no
seu estado slido
Entalpia de mudana de fase
baixa Inflamveis
Altas taxas de transferncia de
calor durante o ciclo
congelamento
A capacidade de armazenamento
do calor latente baixa
Devido ao custo excessivo apenas
as parafinas so utilizadas.
PCM Inorgnico Entalpia de mudana de fase
elevada
Baixo custo e fcil disponibilidade
Ponto de fuso ntido
Condutividade trmica elevada
Alto calor de fuso
No inflamvel
Sobrearrefecimento
Corroso
Separao de fases
Segregao de fases
Falta de estabilidade trmica
Mudana de volume muito
elevada
A alta refrigerao o maior
problema na transio slido-
liquido
Os agentes de nucleao so
necessrios e tornam-se
imperativos aps repetidos ciclos.
PCM Eutticos Ponto de fuso acentuado e
semelhante ao da substncia pura
Densidade de armazenamento
volumtrico ligeiramente acima
ao dos PCMs orgnicos
Os dados disponveis so muito
limitados nas aplicaes de
armazenamento trmico
2.4. Materiais de mudana de fase comerciais
Na Tabela 2.5 so apresentados os diversos PCMs orgnicos e inorgnicos mais comerciais
disponveis no mercado com as diferentes gamas de temperatura.
13
Tabela 2.5. PCMs comerciais disponveis no mercado [50,72]
Fabricante Designao comercial
Tipo de produto
Temperatura de mudana de fase
(C)
Entalpia de mudana de fase
(kJ/kg)
Rubitherm GmBH
RT20
Parafina
22 172
RT25 26 232
RT26 25 131
RT27 28 179
RT30 28 206
RT32 31 130
RT54 55 179
RT65 64 173
Climator
Climsel C23
Sal hidratado
23 148
Climsel C24 24 216
Climsel C32 32 212
Climsel C48 48 227
Climsel C70 70 194
TEAP TH29 Sal hidratado 29 188
Mitsubishi Chermical
STL27
Sal hidratado
27 213
STL47 47 221
STL55 55 242
Cristopia S27 ou AC27 Sal hidratado 27 207
BASF Micronal DS 5008
Parafina 23
110 Micronal DS 5001 26
2.5. Reao ao fogo dos materiais de mudana de fase
Uma das desvantagens da utilizao dos materiais de mudana de fase parafnicos a reao ao
fogo. Esta reao importante, porque na maioria das suas aplicaes esta condio
inaceitvel. Esta inflamabilidade dos PCM deve-se temperatura mnima na qual o material
comea a libertar uma mistura inflamvel para o ar, em quantidade suficiente para iniciar uma
combusto, em condies atmosfricas normais. A temperatura mnima dos PCM afetada pelo
ponto de ebulio, pelo peso molecular e pela temperatura mnima das molculas.
Nas parafinas, a sua combusto produz dixido de carbono, gua e calor. Esta reao muito
exotrmica e leva formao de produtos intermedirios. Com o aumento do nmero de tomos
de carbono existe um aumento das reaes incompletas e formam-se outros sub-produtos como o
monxido de carbono e outros compostos como os xidos de azoto. Isto leva a um aumento do
tamanho das molculas, que faz com que os hidrocarbonetos se tornem mais difceis de inflamar.
Esta reao ao fogo dos materiais de mudana de fase importante para contornar esta
desvantagem e conseguir melhorar o comportamento. Uma das hipteses para contornar esta
desvantagem a incorporao ou aplicao posterior de revestimentos retardadores de chama.
14
15
3. Aplicao dos PCMs na construo
3.1. Introduo
Este terceiro captulo ir ser dedicado ao estado de arte dos materiais de mudana de fase
utilizados na construo, bem como s solues que tm vindo a ser investigadas e
implementadas, no sentido de explorar este tipo de armazenamento trmico de energia.
Algumas aplicaes possveis com a utilizao deste tipo de materiais so listadas em seguida:
Armazenamento solar de energia trmica;
Sistemas passivos de armazenamento de energia em edifcios;
Sistemas de arrefecimento/aquecimento e guas quentes sanitrias;
Proteo trmica de: equipamentos electrnicos (sistemas de refrigerao); aplicaes
mdicas (transporte de sangue ou medicamentos) e motores;
Aumento do conforto trmico no interior de veculos;
Sistemas de arrefecimento em centrais solares.
Os fatores que influenciam a temperatura no interior dos edifcios so:
As condies climatricas (temperatura exterior, velocidade do vento, radiao solar);
A estrutura do edifcio;
As caractersticas da construo e dos materiais utilizados (espessuras das paredes,
dimenso dos vos envidraados, condutibilidade trmica e calor especfico dos materiais);
Fontes de calor internas;
Nmero de renovaes de ar;
Equipamentos auxiliares de aquecimento ou arrefecimento.
Os factores acima enumerados provocam oscilaes da temperatura no edifcio, que podem ser
reduzidas com a massa trmica. Edifcios grandes, vos envidraados ou construes solares
passivas tornam-se desconfortveis nas estaes de aquecimento, visto que estes utilizam a luz
solar como iluminao natural e o fato de terem envidraados provoca um aquecimento interior,
porque os coeficientes de transmisso trmica superficial mdio so superiores ao de uma
parede exterior. Um dos mtodos para uma eficiente utilizao dos ganhos solares depende em
grande parte do mtodo de armazenamento da energia solar.
Consegue-se regular a energia interior do edifcio com um sistema de armazenamento de
energia, onde atravs de uma solicitao da energia da rede constante se a utilizao dos
sistemas de fornecimento de energia, o que leva, por sua vez, a uma diminuio dos gastos na
fatura da eletricidade. Outra vantagem est no aumento do conforto trmico no interior do
edifcio. Um armazenamento de calor associado energia solar, aquece-se o interior no inverno,
e no vero usa-se a energia armazenada para aquecer as guas sanitrias, ou para os
equipamentos de arrefecimento, ou na ventilao natural noturna.
16
Uma das aplicaes que tem vindo a ser estudada para o armazenamento trmico a utilizao
de materiais de mudana de fase (PCMs). Estes sistemas de armazenamento de energia latente
so preferveis quando comparados com o armazenamento da energia sensvel. O sistema de
armazenamento de energia latente aplicado em amplitudes trmicas menores. Estes sistemas
tm uma elevada capacidade de armazenamento que ocorre de uma forma quase isotrmica. A
impregnao dos PCM em materiais de construo porosos, como o gesso ou o beto, uma
possibilidade interessante e consegue-se desta maneira modificar as propriedades trmicas
destes materiais.
Os fatores que afetam o sucesso da utilizao do armazenamento do calor latente trmico so: a
localizao; conteno ou impregnao; tipo de PCM usado e a sua temperatura de fuso, como
mostrado na Figura 3.1. A aplicao do PCM pode ser passiva ou ativa, ou atravs de um
arrefecimento noturno. Na Figura 3.2 apresentam-se aplicaes possveis para cada envolvente.
Figura 3.1. Diagrama das aplicaes dos PCM [63]
Paredes Cobertura Piso
Aquecim
ento
sola
r pass
ivo
com radicao solar
com radicao solar
com radicao solar
Aquecim
ento
ati
vo
com coletor solar com eletricidade noturna com eletricidade noturna
Arr
efe
cim
ento
notu
rno
com ventilao noturna
com ventilao noturna
com ventilao noturna
Figura 3.2. As formas e os efeitos do PCM na envolvente do edifcio [81]
Aplicao dos PCMs
Aplicao activa
PCM como componentes
PCM impregnados com os materiais
de construo
Aplicao passiva
PCM como componentes
Circulao de ar
Circulao de gua
PCM impregnados com os materiais
de construo
Circulao de ar
Circulao de gua
Armazenamento unitrio dos
PCM
Circulao de ar
Circulao de gua
Circulao de gua e de ar
17
A incorporao dos PCMs na envolvente dos edifcios (paredes, cobertura, piso, etc.) utilizada
para aquecimentos solares passivos no inverno, o que aumenta a capacidade trmica da
envolvente do edifcio, reduzindo e retardando a carga trmica mxima, e reduz tambm as
flutuaes da temperatura ambiente.
Se o edifcio possuir um sistema de coletor solar com PCM, este pode armazenar a energia solar
trmica durante o dia e descarregar o calor durante a noite, mantendo assim o conforto trmico
em boa parte da casa. Com uma bomba de calor ou com um piso radiante com PCM, pode
armazenar-se calor com um gasto mnimo de energia durante a noite e descarregar esse calor
durante o dia, diminuindo o consumo de eletricidade, o que resulta num benefcio econmico
significativo. Outra aplicao o sistema de ventilao noturna com PCM para o armazenamento
de frio. Isto , quando a temperatura do ar exterior inferior temperatura do ar interior, a
ventilao iniciada e o PCM armazena o calor da parte interior do edifcio, sendo libertado
durante o dia, o que faz diminuir a utilizao dos sistemas de ar condicionado.
Uma das vantagens de um edifcio ter incorporado PCM na sua estrutura prende-se com a
possibilidade de existirem grandes reas de armazenamento trmico, o que permite
transferncias de calor entre todas as zonas do edifcio, bem como a oportunidade de criar uma
zona especfica com um sistema de ventilao para o arrefecimento. A segunda vantagem
prende-se com o fato do PCM representar pouco ou quase nenhum custo adicional [81].
Na fase de projeto, a aplicao dos PCMs deve ter em conta: o efeito pretendido; a percentagem
de material a usar; temperatura de transio; natureza; forma de incorporao; localizao e as
caractersticas arquitetnicas do edifcio. O sucesso do uso dos PCM na construo s verificado
se existir uma otimizao dos parmetros acima citados e se for corretamente aplicado.
A desvantagem no uso de PCMs resulta do fato destes apresentarem uma baixa condutibilidade
trmica, de 0,1 a 0,2 W/(m.C) no caso das parafinas, porque apesar de armazenarem uma
quantidade de energia significativa, a velocidade com que a mesma retirada ou fornecida pode
no ser suficiente para tornar-se rentvel. Para tirar mais vantagem dos PCMs, pode proceder-se
ao processo de microencapsulamento e sua incorporao em materiais porosos, permitindo
assim um aumento da rea especfica da transferncia de calor e maior eficincia do processo.
Com as normas de segurana ao fogo impostas aos materiais, o uso de PCM em edifcios exige
alguma prudncia, visto que este inflamvel, mais especificamente nas parafinas ou na
utilizao de placas de gesso cartonado impregnadas de PCM, ou ainda, na utilizao de PCM que
contm derivados de bromo. Vrias solues foram estudadas com o intuito de minorar esta
desvantagem, como por exemplo o revestimento da superfcie com materiais no inflamveis
(folha de alumnio, pelculas rgidas de PVC ou partculas de agregados leves).
18
3.2. PCM no beto
O beto um dos materiais mais usados em todo o mundo, quer em edifcios de habitao, quer
de comrcio. Em climas moderados, a massa trmica do beto nas paredes relativamente
grande, e isso pode ser uma vantagem, uma vez que armazena energia durante o dia e liberta-a
noite, reduzindo assim a necessidade de refrigerao/aquecimento auxiliar. No entanto, a
capacidade de armazenamento de energia do beto pode ser modificada com a incorporao de
materiais de mudana de fase na mistura. Park et al. [73] desenvolveram microcpsulas biocidal
anti-fngicas que utilizaram no beto e nas argamassas. Os ensaios experimentais tiveram como
objetivo verificar a aplicabilidade e a resistncia fngica da argamassa e do beto com essas
microcpsulas. Neste estudo, o d-limoneno foi selecionado como material antifngico e o Zeolite
Zeocarbon foi utilizado para reforar as membranas da cpsula. O Zeolite Zeocarbon tem a
capacidade de resistir a alta frico ou impacto que pode ocorrer durante o processo de mistura
ou no vazamento da argamassa ou beto.
Lee et al. [46,73] e Hawes et al. [30,73] apresentaram o desempenho trmico dos PCMs em
diferentes tipos de blocos de beto numa laje. Eles estudaram e apresentaram os efeitos da
alcalinidade dos PCMs, da temperatura, tempo de imerso, diluio do PCM e da absoro
durante o processo de impregnao para as lajes de beto [31,45,74]. Para isso, misturaram o
beto com aparas de madeira ou serradura, que no excedeu 15% de massa de gua. Deste
trabalho projetaram e construram uma instalao experimental para estudar PCMs que tinham
uma temperatura de fuso entre 20 e 25 C.
Zhang et al. [73] estudaram o armazenamento de energia trmica no beto. Nesse trabalho, foi
proposto um procedimento para a incorporao dos PCMs nos materiais de construo em dois
passos. No primeiro passo, o armazenamento da energia trmica dos agregados foi feito a partir
de agregados porosos e com PCM lquido, por impregnao a vcuo. O beto foi produzido usando
os agregados porosos, cimento Portland e outras matrias-primas do beto normal. No segundo
passo, utilizaram a elevada porosidade dos agregados para conseguir um armazenamento de
energia do beto com PCMs suficientes e envolveram os agregados porosos com a pasta de
cimento, evitando assim a fuga e poluio do PCM. A viabilidade do mtodo dos dois passos, o
efeito poroso dos agregados, a sua capacidade de absoro e o comportamento trmico tm sido
investigados. A comparao da capacidade de armazenamento de energia trmica do beto com
PCM, indica que o armazenamento da energia trmica tem um bom potencial na conservao de
energia. Neste trabalho, concluiu-se ainda que a capacidade de absoro de PCM com os
agregados porosos comparvel com a sua capacidade de absoro de gua por vcuo. A
absoro verificada foi na ordem dos 94%, 45% e 35%.
Mihashi et al. [73] produziram um beto com PCM de estearato de butilo com agregados porosos
que funde com sucesso por volta dos 18 C. Tal beto poderia ser usado na construo de
edifcios para manter a temperatura interior prxima dos 18 C.
19
Bentz e Turpin [73] trabalharam sobre as potenciais aplicaes dos materiais de mudana de fase
no beto. Eles apresentaram trs aplicaes dos PCMs com agregados porosos leves, e concluram
que os materiais de mudana de fase melhoraram o desempenho do beto nas vrias aplicaes.
Os PCMs podem ser adicionados diretamente ou em microcpsulas no beto. Alm disso, os
agregados porosos leves podem tambm ser utilizados como o "transportador" do PCM. Por
exemplo, agregados leves preenchidos com PCM com uma capacidade de absoro de cerca de
20% da massa, poder proporcionar uma massa de 350 kg/m3 de PCM num beto tpico.
Schossig et al. [73] trabalharam na microencapsulao do PCM. A microencapsulao das
parafinas permite que facilmente estas sejam usadas nos materiais de construo convencionais.
Estas cpsulas, com dimetros de alguns micrmetros, optimizam os materiais de construo,
independentemente da fase do PCM. A microencapsulao resolve os seguintes problemas: o
revestimento da cpsula impede qualquer interao entre o PCM e os outros materiais de
construo; no existe trabalho extra na construo na incorporao do PCM e as cpsulas so
suficientemente pequenas, portanto, no h necessidade de proteg-las contra a destruio.
Fome et al. [73] apresentaram um conjunto de experincias, utilizando diferentes quantidades
de PCM em misturas de beto autocompactvel. O estudo incidiu com uma mistura direta de PCM
microencapsulado com o beto. As propriedades do beto fresco, as propriedades endurecidas e
propriedades trmicas foram investigadas. A experincia mostrou que o pico da temperatura de
hidratao pode ser reduzido at 28,1% se aumentar 5% o teor de PCM. No entanto, a velocidade
de aquecimento no pode ser alterada pelo PCM, apenas o pico da temperatura absoluta
reduzido pela quantidade de energia armazenada temporariamente no PCM.
Lee et al. [45], apresentaram o desempenho trmico de blocos de beto impregnados com dois
tipos de PCM distintos, butilestereato e parafina. Neste trabalho, os blocos foram alinhados de
maneira a formarem um tnel no qual se fez passar o ar. Os resultados obtidos na experincia
apresentaram temperaturas distintas para cada um dos de PCM, enquanto o butilestereato teve
temperaturas entre 17 e 22 C, a parafina teve resultados entre 47 e 55 C. Entre 4 e 9% em
massa de PCM foi incorporado nos blocos. Outro resultado desta experincia foi os blocos
impregnados com butilestereato terem temperaturas acima dos 15 C por mais de 6 horas do que
os blocos convencionais e os blocos de parafina levarem 5 horas para atingirem temperaturas de
60 C, mas com uma temperatura de descarga superior a 22 C durante mais tempo (5 horas).
Cabeza et al. [8] estudaram betes tpicos e betes com impregnao de 5% da massa de
microcpsulas de PCM com uma temperatura de transio de 26 C e um calor latente de 110
kJ/kg, construindo clulas teste e monitorizando-as. O beto impregnado com os PCM foi usado
na cobertura e nas paredes a Sul e a Oeste. Os resultados obtidos para a parede do Sul foram
menos de 3 C da temperatura superficial mxima quando comparados com a parede do Oeste. A
resistncia do beto foi de 25 MPa compresso, ao final de 28 dias. O estudo demonstrou que o
aumento da quantidade de PCM leva a uma baixa condutividade trmica e a um aumento da
20
capacidade de armazenar calor, melhorando significativamente o desempenho trmico do beto,
reduzido o consumo de energia.
Podero ainda usar-se as microcpsulas de PCM com um retardador de presa, controlando a
temperatura durante o processo de cura do beto. A temperatura de hidratao inicial do
cimento d-se a uma alta temperatura, esta poder ser diminuda atravs da absoro da energia
durante a fuso do PCM, e com o retardador de presa diminui-se a velocidade de hidratao e
com isso diminui-se a libertao do calor da mistura. Uma das desvantagens de se usar esta
mistura prende-se com a resistncia que tende a ser menor ao longo do prazo, o que favorvel
a curto prazo e desfavorvel a longo prazo.
Quando se compara um beto impregnado com PCM com um beto tradicional apercebe-se que o
beto tradicional possui uma dosagem de cimento Portland CEM I na ordem dos 400 kg/m3 (que
normalmente apresenta um calor de hidratao por volta dos 500 kJ/kg, uma capacidade
calorfica de 1000 J/(kg.C) e uma massa volmica de 2350 kg/m3) e contm cerca de 1750
kg/m3 de agregados. Deste modo, o aumento da temperatura esperado seria de 85 C durante o
processo de hidratao em condies adiabticas e com uma temperatura constante de 25 C,
segundo o American Concrete Institute (ACI), enquanto um beto semelhante com impregnao
de PCM parafnicos, teria menos 20% da massa dos agregados, dispunha de 350 kg/m3 de PCM
com capacidade de armazenamento de energia e, assumindo que este beto detm uma entalpia
de 150kJ/kg, este teria um aumento esperado da temperatura de 63 C, durante o processo de
hidratao. Assim, conclui-se que um beto com impregnao de PCM tem uma reduo da
temperatura superior a 25% em relao a um beto tpico [74].
Os materiais de mudana de fase (PCM) tambm podero ser utilizados como redutores do
nmero ou da intensidade dos ciclos gelo-degelo a que o beto est sujeito no Inverno. Este PCM
dever possuir uma temperatura de transio por volta dos 5 C, o que conduzir a assim a um
aumento da durabilidade. A.R. Sakulich et al. [66] estudaram uma nova tcnica para prolongar a
vida dos tabuleiros das pontes atravs da reduo do estrago causado nos ciclos de
congelamento/descongelamento. Esta tcnica incorporava materiais de mudana de fase (PCMs).
Os autores estudaram dois agregados leves impregnados com quatro PCMs diferentes. A
resistncia compresso e o calor especfico foram utilizadas para avaliar os efeitos da
incorporao dos PCMs nas propriedades fsicas da fase argamassa dos betes. Os resultados do
modelo mostraram que a transferncia de calor atravs do material mais lenta e mais eficaz.
Para equilibrar a transferncia do calor e tamanho dos agregados, tem de se determinar o calor
necessrio para manter todo o tabuleiro da ponte quente. Em 104 de 237 locais investigados nos
Estados Unidos da Amrica, uma dosagem de 50 kg/m3 de PCM foi considerada conservadora,
visto que s aumentaria a vida til do tabuleiro por pelo menos um ano. Estes autores propem
que se estudem dosagens superiores de PCM.
21
Hadjieva et al. [25] investigaram a capacidade de armazenamento de calor e a estabilidade
estrutural dos ciclos trmicos do sistema de beto com sdio pentahidrato de tiossulfato (PCM).
Eles concluram que a grande absoro do beto serve como uma boa matriz de suporte,
derretendo o Na2S2O3.5H2O (com um ponto de fuso de 48 C) e melhorando a sua estabilidade
estrutural durante os ciclos trmicos. A capacidade de calor do sistema de beto com PCM
permaneceu elevada. A temperatura da fase de transio foi de cerca de 10 C para o PCM.
Farid e Kong [74] estudaram as lajes construdas com PCM, CaCl2.6H2O (com um ponto de fuso
de 29 C) encapsulado em mdulos esfricos de plstico. As esferas de plstico continham cerca
de 10% do espao vazio para acomodar a expanso do volume do PCM quando este muda de fase.
3.3. PCM na parede
As paredes so elementos construtivos presentes na envolvente vertical exterior ou nas paredes
de compartimentao interior de qualquer edifcio. Estes elementos tornam-se assim
preferenciais na explorao das suas potencialidades, em particular nos revestimentos
interiores.
Numa construo tradicional, as paredes divisrias tm uma baixa massa trmica. Se estes tipos
de paredes forem impregnados com PCM, este ir proporcionar um armazenamento trmico que
ser distribudo por todo o edifcio. O desempenho destas paredes com PCM depende dos
seguintes fatores: a temperatura de fuso da PCM; o intervalo de temperaturas de fuso; a
capacidade de calor latente por unidade de superfcie da parede e as condies climticas. Os
estudos realizados com paredes impregnadas de PCM tm vindo a melhorar com a escolha do
material de mudana de fase, o mtodo de fabricao e o modo de avaliao do desempenho.
Liu e Awbi [48] estudaram o desempenho de placas com materiais de mudana de fase em
conveco natural. Neste trabalho, foi investigado o desempenho trmico das placas de mudana
de fase numa cmara ambiental com ciclos de carga-descarga. Nesse estudo concluram que
durante o processo de carga, as placas de PCM reduzem a temperatura da superfcie interior da
parede. No processo de libertao de calor, a temperatura da superfcie da parede com PCM
mais elevada do que a das outras paredes. Verificaram ainda que a densidade do fluxo de calor
na parede com PCM, na zona de fuso, quase o dobro da registada na parede normal. Alm
disso, o desempenho do isolamento trmico de uma parede com PCM melhor durante o
processo de carga e de descarga. O coeficiente da transferncia de calor por conveco de uma
parede com PCM calculado atravs da comparao entre uma parede normal e a parede com
PCM. O elevado valor do coeficiente de transferncia de uma parede com PCM devido ao
aumento da energia que se d quando existe a troca de calor entre a parede e o ar interior.
Zhou et al. [82] desenvolveram uma comparao entre o desempenho trmico de placas com
materiais de mudana de fase usando dois compsitos (o PCM e o gesso) e placas com PCM. Estes
22
materiais foram avaliados numericamente num sistema solar passivo, numa construo em
Pequim, com um modelo de entalpia. Os resultados mostraram que: (1) para as condies da
experincia, a temperatura ideal de fuso de cerca de 21 C; (2) os compostos com PCM
proporcionam melhor desempenho trmico num curto espao de tempo; (3) as placas com os dois
compsitos e as placas de PCM tiveram um balano na temperatura interna de 46 e 56%,
respetivamente; (4) as placas de PCM respondem mais rapidamente do que as placas com os dois
compsitos, o que prova que so termicamente mais eficazes na utilizao do calor latente.
Castelln et al. [12] focaram-se nos materiais de mudana de fase microencapsulados usando-os
em painis sanduche. O objetivo deste estudo foi demonstrar a viabilidade do uso do PCM
microencapsulado (Micronal BASF) em painis sanduche para aumentar a sua inrcia trmica e
reduzir a energia dos edifcios. Neste trabalho, o painel sanduche com PCM microencapsulado
foi testado por trs mtodos diferentes. No primeiro caso adicionou-se mistura de PCM
microencapsulado um dos componentes do poliuretano. Nos outros dois casos, o PCM foi
adicionado ou no passo antes (caso 2) ou no passo depois (caso 3) da adio do poliuretano sobre
as folhas de metal. Os resultados mostram que, no caso 1, o efeito do PCM foi sobreposto por um
possvel aumento da condutividade trmica. Mas um aumento da inrcia trmica foi encontrado
no caso 3. No caso 2, os resultados obtidos foram diferentes devido m distribuio do PCM,
sendo que, algumas amostras mostraram o efeito do PCM (maior inrcia trmica), e outras
amostras mostraram resultados semelhantes ao painel sanduche convencional. Em ambos os
casos (2 e 3), mostraram que necessrio um processo de industrializao para melhorar os
resultados.
Lee et al. [44,73] alteraram o material microencapsulado para materiais de construo. O Micro-
PCM foi preparado utilizando a polimerizao in situ dos materiais de construo. O tamanho
mdio das partculas Micro-PCM situou-se entre 5 e 20 m. O calor latente das amostras de
Micro-PCM mostrou ser de 210 J/g (23C), 200 J/g (24C) e 150 J/g (28C). A condutibilidade
trmica do gesso sem PCM foi de 0,144 W/mK, mas a da parede de gesso com PCM situou-se
entre 0,128 e 0,163 W/mK. Eles [74] concluram que a espessura da pelcula de olefina com PCM
aumenta a capacidade de armazenamento trmico.
Rozanna et al. [64] estudaram as caractersticas trmicas do material de mudana de fase (PCM)
em placas de gesso aplicando-as na da construo. A mistura euttica de cidos lurico-esterico
com um ponto de fuso de 34,1 C e calor de fuso de 171,1 g/J foi utilizada na placa da parede.
Quando impregnadas em placas de gesso, as caractersticas trmicas da mistura foram
praticamente inalteradas, com um pico trmico agudo e nenhum pico adicional ou curvatura.
Com este pico, a imerso no afetou as caractersticas fsicas do gesso das placas. Os autores
recomendam o uso de um isolante apropriado que ligue o PCM ao gesso e um teste trmico de
ciclo acelerado, que necessrio para detetar qualquer alterao no comportamento trmico
aps o uso a longo prazo.
23
Kuznik e Virgone [41] trabalharam na fase experimental, alterando os materiais usados numa
parede. O desempenho trmico de um copolmero de gesso com um compsito de PCM foi
experimentalmente investigado numa sala cheia de clulas. A clula de teste totalmente
controlada, de modo que, num dia tpico de temperatura e radiao solar, o fluxo pode ser
repetido. Este um dos poucos estudos que permite uma anlise diferencial das paredes com e
sem material de PCM, sobre condies de efeitos trmicos e radiao controladas. Eles tiveram
em conta o comportamento da clula de teste, para o vero, para o meio da temporada e para
inverno. Em todas as estaes, as paredes de PCM reduzem as flutuaes da temperatura na
sala. Os autores concluram que o compsito de PCM interessante para aumentar o conforto
trmico humano, principalmente devido a trs razes:
O material de PCM includo nas paredes reduz fortemente o efeito de sobreaquecimento
e a energia armazenada libertada na sala quando a temperatura est abaixo da
temperatura de referncia;
A temperatura da superfcie da parede menor quando se utiliza gesso com PCM, isto
faz com que o conforto trmico aumente atravs da transferncia de calor;
A mistura do ar por conveco natural mais homognea com o uso dos materiais com
PCM, evitando assim estratificaes trmicas desconfortveis.
Shilei et al. [70] aplicaram misturas eutticas de cido cprico (CA) e cido lurico (LA) na
construo de paredes com o intuito de armazenar energia trmica. A temperatura de transio
de fase e os valores do calor latente das misturas eutticas de CA e LA so considerados
adequados para a incorporao nos materiais de construo. Foram efetuados testes com ciclos
acelerados para estudar as mudanas do calor latente e a temperatura de fuso nas paredes com
as misturas eutticas de CA e LA. A calorimetria diferencial exploratria (DSC) testou a transio
da temperatura e do calor latente. Os resultados mostraram que a temperatura de fuso e do
calor latente destas paredes com misturas eutticas tm variaes bvias depois de repetir 360
ciclos trmicos, o que provou que estas paredes com PCM tm uma boa estabilidade trmica para
a temperatura de fuso e o calor latente em aplicao de longo prazo. Portanto, eles podem ser
utilizados para armazenar o calor latente num edifcio.
Shilei et al. [71] estudaram, no inverno, a temperatura superficial e o fluxo de energia de placas
de gesso cartonado com PCM, usando clulas de teste equipadas com um aquecimento de teto
radiante com 2040 W. Estas placas apresentavam uma espessura de 9,5 mm, uma impregnao
de 26% de PCM e uma temperatura de transio de 17,9 a 20,3 C. Os resultados no demostram
uma grande diferena nas temperaturas mdias (apenas 0,8 C), mas a oscilao mxima de
referncia foi de 3,7 C num lado e no outro lado com PCM foi de 2,6 C. Por outro lado,
verificou-se o efeito de conservao de energia, registando uma diferena de cerca de 8 W/m2
no fluxo mximo.
Ahmad et al. [3] testaram uma clula de teste com painis de isolamento a vcuo e material de
24
mudana de fase. O desempenho foi comparado com uma clula teste sem PCMs. Para melhorar
a eficincia da parede, o painel de isolamento a vcuo (VIP) foi associado ao painel de PCM
(Figura 3.3). Esta nova estrutura permite que a capacidade calorfica aparente da construo
aumente. A energia solar transmitida e armazenada pelas janelas no aumenta a temperatura
interior das clulas, e a espessura do gesso menor em comparao com a parede tradicional.
Figura 3.3. O painel da experiencia de Ahmad et al. [73]
Ahmad et al. [2] sugeriram outro novo tipo de painis em PVC, com 25 mm de espessura,
temperatura de transio entre 21 e 25 C e incorporando 20 kg de PCM. Uma clula de teste foi
construda com este tipo de painis e o seu comportamento foi comparado com o de uma clula
de referncia. Os resultados obtidos no vero para a clula com PCM foram de 40 C para as
temperaturas mximas de 23 C para as temperaturas mnimas, enquanto na clula de referncia
se verificou uma temperatura mxima de 60 C e a mnima de 12 C.
Borreguero et al. [7] estudaram a viabilidade da incorporao de microcpsulas com materiais de
mudana de fase (PCM) em paredes de gesso para aumentar a capacidade de armazenamento de
energia da parede por um processo de polimerizao. Em primeiro lugar, o armazenamento da
capacidade de energia das microcpsulas resultantes e a eficincia da microencapsulao podem
ser maximizadas por um estudo da influncia entre a massa do ncleo e o processo de
revestimento da polimerizao. Os resultados indicam que as microcpsulas com maior
capacidade de armazenamento de energia tm uma melhor eficincia na microencapsulao.
Observou-se tambm que a capacidade de armazenamento de energia dependente do tamanho
da partcula e da capacidade mxima do valor obtido para o tamanho da partcula de 500 m.
Scalat et al. [67] estudaram duas clulas que estavam revestidas no teto e nas paredes por
placas de gesso cartonado, umas impregnadas com PCMs e outras sem PCM. Estas clulas
possuam um equipamento de ar condicionado e foram colocadas numa cmara climtica. As
placas de gesso incorporaram PCM com uma temperatura de transio entre 17 e 21 C e
impregnao da ordem de 26% em massa. Alcanaram-se dois grupos de resultados distintos para
as placas de gesso impregnadas com PCM: no primeiro grupo houve um acrscimo de 121% (de
8,5 para 18,8 horas) no tempo de arrefecimento entre os 24 C e os 18 C; no outro grupo
obteve-se um acrscimo de 89% (de 24,1 para 45,6 horas) no tempo de aquecimento entre os 18
C e os 24 C.
25
Athienitis et al. [5] investigaram o comportamento de uma clula teste durante o inverno,
revestida interiormente com placas de gesso cartonado impregnadas de PCM com cerca de 25%
em massa e com uma temperatura de transio entre 17 e 21 C. Esta clula possua uma rea
revestida de 20 m2, o que cerca de 7,5 KgPCM/m2 de pavimento. A clula foi conservada a 23 C
durante o dia e 16 C durante a noite. Nesta clula obteve-se uma reduo da temperatura
mxima de 4 C (30 C versus 26 C). Conclui-se que uma soluo de PCM permite uma reduo
de 15% do consumo de energia para aquecimento.
Darkwa et al. [16] estudaram o comportamento de duas solues distintas com a incorporao de
PCM. Uma destas solues continha placas de gesso cartonado de 10 mm de espessura e
revestida por lminas de PCM com 2 mm, a outra, uma placa de gesso cartonado com 12 mm de
espessura com impregnao de PCM. Em ambas as solues foi utilizada uma quantidade de PCM
de 17% em massa. A concluso deste estudo evidenciou que a soluo com a PCM laminado
mais eficaz no que respeita energia latente e contribui para um amento de 17% da temperatura
interior mnima.
Chen et al. [13] construram uma clula de teste que incorporava PCM em placas de gesso
cartonado no interior, disposta na fachada voltada a norte. Os resultados foram de uma
temperatura mxima de 24 C no lado do PCM e de 25,5 C no lado de referncia. Com esta
soluo, no inverno, com placas de 30 mm de espessura e PCM com uma temperatura de
transio de 23 C alcanou-se um potencial de poupana energtica de 17% com base numa
temperatura de conforto de 20 C.
Kuznik et al. [40] construram uma parede que tinha um painel com 60% de incorporao de PCM
microencapsulado, com 5 mm de espessura e uma temperatura de transio de 22 C, madeira
com 50 mm de espessura, gesso com 10 mm de espessura, poliestireno com 50 mm de espessura
e gesso com 13 mm de espessura, como se pode visualizar na Figura 3.4. Outra parede foi
construda mas sem o painel de PCM, e as duas solues foram colocadas numa cmara climtica
onde se variou a temperatura interior entre os 15 e 30 C. Para simular a radiao solar,
instalaram-se 12 lmpadas com 1000 W cada. Enquanto a temperatura da clula com PCM variou
entre 19,8 e 32,8 C a de referncia oscilou entre os 18,9 e 36,6 C. Na clula de referncia
verificou-se uma estratificao das temperaturas em cerca de 1 C entre os 0,85 e 1,7 m acima
do cho, o que um efeito indesejvel no que diz respeito ao conforto trmico.
Figura 3.4. Vista esquemtica das solues testadas pelo estudo de Ahmad et al. [72]
26
Schossig et al. [68] investigaram duas clulas revestidas internamente com gesso projetado, uma
com e outra sem PCM. Foram investigadas duas solues distintas na clula com PCM: uma com
40% de PCM incorporado e uma espessura de 6 mm, e outra com uma incorporao de 20% de
PCM e uma espessura de 15 mm. Em ambos os casos o PCM ostentava uma temperatura de
transio entre 24 e 27 C. A clula de PCM com espessura de 6 mm verificou uma temperatura
interior mxima cerca de 4 C mais baixa do que a outra. Colocaram-se estores interiores com o
intuito de sombreamento e as diferenas registadas foram de 2 C. Concluiu-se que o contributo
do PCM para o conforto trmico muito significativo, visto que, durante 3 semanas do tempo de
investigao, a clula com PCM teve cerca de 5 horas com temperaturas acima dos 28 C
enquanto a clula de referncia teve cerca de 50 horas acima dessa temperatura.
Alawadhi et al. [4] aplicou e comparou trs tubos na parede, que continham trs PCMs diferentes
de origem parafnica (octadecano, eicosano e P116 com temperaturas de transio de 27 C, 37
C e 47 C, respetivamente). Nas temperaturas registadas (25,7 a 55,6 C), verificou-se que
apenas o eicosano funcionou, reduzindo assim o fluxo de energia do exterior para o interior em
cerca de 24% (as temperaturas de transio inadequadas, mantiveram o octadecano no estado
lquido e o P116 no estado slido). Houve uma reduo de 17,5% do fluxo total de energia.
3.4. PCM nos pavimentos
Os pavimentos so uma parte bastante importante num edifcio, pois eles transferem muita da
sua capacidade trmica para o piso. Athienities e Chen [74] investigaram a transferncia de calor
de um sistema de aquecimento no pavimento. O estudo centrou-se na influncia do revestimento
final, da radiao solar na distribuio da temperatura no piso e no consumo de energia. Foram
considerados para este estudo os tapetes, bem como, o revestimento de madeira sobre o beto
ou o gesso. Os resultados experimentais e a simulao para uma sala teste revelaram que a
radiao solar pode causar no piso local um aumento de 8 C quando se compara com a mesma
rea sombreada. Cobrindo toda a rea com um tapete, e depois da energia solar ser absorvida,
obtiveram uma diferena da temperatura de 15 C superfcie. O armazenamento de energia
trmica no pavimento devido radiao solar trmica reduziu o consumo de energia de
aquecimento de forma significativa (30% ou mais). Eles concluram que a espessura do piso
aumentar de 5 a 10 cm, isto , se a massa trmica aumentar, isto no conduz a uma maior
poupana da energia.
Uma forma eficaz de aquecer um espao interior atravs de um piso radiante, visto que este
consegue manter uma temperatura de conforto com menos flutuaes como se ilustra na Figura
3.5. Este mais saudvel quando comparado com os outros sistemas de aquecimento e consegue
diminuir as condensaes nas paredes devido s menores diferenas entre as temperaturas. Ao
incorporar materiais de mudana de fase a uma soluo deste tipo aumenta-se a sua eficincia,
pela capacidade de armazenar energia e diminuir o nmero de horas que o sistema est ligado.
27
Figura 3.5. Aquecimento por conveno forada vs piso radiante [72]
Farid e Chen [77,81] investigaram numericamente o aquecimento de um piso radiante com uma
camada de PCM. Verificaram que uma camada de 30 mm de PCM com um ponto de fuso de 40
C suficiente para proporcionar o armazenamento do calor para um dia sob as condies
ambientais investigadas. O aquecimento atravs de um sistema de ventilao s pode ser
utilizado durante 8 h, fora do perodo de pico, enquanto que o calor armazenado no material de
mudana de fase fornece, razoavelmente, um aquecimento suficientemente uniforme durante
todo o dia, de modo que o armazenamento de calor pode ser feito fora do perodo de pico de
eletricidade. A experincia mostrou que o armazenamento do PCM consegue um aumento
significativo do aquecimento do piso de 30 para 75 W/m2.
Farid e Hong [81] compararam duas lajes de beto, uma contendo PCM-CaCl2.6H2O e outra
simples. Ao contrrio da laje de beto simples, a laje de beto-PCM mostrou uma temperatura
de superfcie com menor flutuao e manteve uma temperatura de superfcie aceitvel durante
todo o dia, com um processo de aquecimento de apenas 8 h.
Amir et al. [81] examinaram o comportamento trmico de dois pavimentos radiantes em que um
continha gua e o outro parafina n-octadecano que foi usada para armazenar a energia trmica
durante o horrio fora do pico, descarregando-a durante o horrio de pico. Este estudo revelou
que o painel de parafina mais compacto quando comparado com a gua (134 contra 152 mm de
espessura), armazena mais energia (2880 contra 2415 kJ/m2) e propor