O Armazenamento de Energia Térmica para aquecimento por Calor Latente (P.C.M,s) (Materiais com Mudança de Fase)

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1 O Armazenamento de Energia Térmica para aquecimento por Calor Latente (P.C.M,s) (Materiais com Mudança de Fase) Por: Alfredo Costa Pereira* Os materiais que mudam de fase (P.C.M,s) armazenam energia mantendo a sua temperatura constante utilizando misturas químicas para armazenar e libertar o calor latente de solidificação ou de fusão. Os (P.C.M,s) são misturas químicas sólido-líquido, encapsuladas ou não, que utilizam parafina e cera. Modernamente estão-se a utilizar misturas cristalinas lineares do tipo sólidosólido de hidrocarbonetos alcalinos com temperaturas de mudança de fase compreendidas entre 6 e 29 ºc. Os (P.C.M,s), têm capacidade para armazenar 5 a 14 vezes mais energia térmica por unidade de volume, do que os materiais tradicionais. 1

2 Pavimento radiante feito com um material com mudança de fase, apoiado por colector solar Os sistemas mecânicos de arrefecimento ambiental que são normalmente utilizados para climatizar edifícios construídos em climas temperados, contribuem de um modo significativo para o aumento do consumo global de energia eléctrica, principalmente durante as horas de pico de carga térmica, devido ao fraco factor de inércia e aos baixos níveis de isolamento térmico com que estes edifícios são construídos. Para diminuir os picos de carga térmica, torna-se necessário construir nestes climas temperados, edifícios energeticamente eficientes. O valor do pico de carga térmica é que determina a potência frigorífica dos equipamentos de AVAC, e a escolha das fontes térmicas de arrefecimento. Enunciam-se seguidamente algumas medidas destinadas a diminuir as potências frigoríficas dos equipamentos de Ar Condicionado, e que permitem utilizar fontes térmicas de arrefecimento com baixo consume de energia. 2

3 1 Incorporar fachadas que promovam uma protecção efectiva das condições climatéricas exteriores. 2 Instalar sistemas de distribuição de energia térmica de alta eficiência, (como por exemplo, por circuitos hidráulicos). 3 Promover o Ar Condicionado principalmente por radiação, e em menor escala por convecção. 4 Prover o edifício com massa térmica adequada. Antigamente, usavam-se dispositivos com elevada capacidade de armazenamento térmico, como modo de conseguir ultrapassar a falta de energias de arrefecimento alternativas, e evitar o aparecimento de elevadas cargas térmicas. Os edifícios projectados para fazerem uso do armazenamento de energia térmica têm que ser concebidos de maneira a ficarem com uma inércia térmica adequada. A massa térmica dos materiais de construção civil pode ser utilizada apenas como meio de armazenamento de energia térmica, ou também como fazendo parte dos elementos estruturais do edifício. Os materiais tradicionais de construção civil que apresentam maior massa térmica são, por ordem decrescente, a água, a pedra, a terra, (adobe), o betão, o tijolo maciço, o fibrocimento, a telha cerâmica, etc. Estes materiais satisfazem os requisitos necessários para o armazenamento de calor sensível. O armazenamento de energia térmica por calor latente utiliza como meio de armazenamento, materiais que mudam de fase. Este conceito é particularmente interessante para ser aplicado em edifícios com fraco factor de inércia. Enquanto dura o processo de mudança de fase, (solidificação, fusão, condensação ou ebulição), o material absorve ou liberta grandes quantidades de energia térmica sob a forma de calor, variando pouco a sua temperatura. As aplicações de materiais que mudam de fase envolvem normalmente a mudança entre as fases líquida e sólida. Os Materiais com Mudança de Fase, (P.C.M,s) solidificam quando existem fontes de arrefecimento disponíveis para o efeito, para posteriormente entrarem em fusão quando é necessário utilizar energia de arrefecimento. 3

4 Os (P.C.M,s) apresentam duas vantagens importantes como meios de armazenamento: 1 - Oferecem um aumento da ordem de grandeza da potência de aquecimento. 2 - No caso de serem substâncias puras, a emissão, (descarga) da energia térmica armazenada, processa-se praticamente de um modo isotérmico. No entanto actualmente apenas existem algumas amostras de (P.C.M,s) tratados para serem fixadas em paredes, não se tendo ainda conseguido industrializar este processo. Num futuro próximo, o fabrico dos (P.C.M,s) embebidos em gesso cartonado, estuque ou outro acabamento superficial das paredes, irá permitir que o armazenamento térmico venha a fazer parte da estrutura do edifício, o que irá permitir armazenar grandes quantidades de energia térmica sem fazer variar a temperatura da envolvente interior dos locais de permanência. Uma vez que o armazenamento irá ter lugar principalmente no interior do edifício, onde ocorrem as cargas térmicas, (mais do que no exterior), deixa de ser necessária qualquer transferência adicional de energia. Considerando que são produzidos anualmente mais de 7 biliões de metros quadrados de revestimentos de estuque ou gesso cartonado em países como os Estados Unidos, podemos imaginar o grande impacto que as paredes revestidas com (P.C.M,s) poderão vir a ter na redução dos consumos energéticos dos edifícios. Simultaneamente, os (P.C.M,s) atenuam as variações de temperatura (factor de amortecimento) promovendo um maior conforto térmico no interior dos locais de permanência. Os (P.C.M,s) só podem armazenar energia térmica, não a podendo contudo remover. Nas aplicações passivas de armazenamento térmico estrutural, a energia térmica começa a ser emitida, (descarregada) pelos (P.C.M,s) para os locais de permanência, mal a temperatura do local passe a ter um valor inferior à temperatura destes. O mecanismo de descarrega de calor mantém as superfícies envolventes dos locais de permanência com um elevado nível de temperatura durante longos períodos de tempo, facto que é vantajoso para o 4

5 mecanismo de transferência de calor durante o tempo de descarga da energia térmica armazenada. Além das aplicações passivas, o tratamento das paredes com (P.C.M,s) pode funcionar em paralelo com um circuito hidráulico termo - activo. Combinando a descarga continua com a mudança de fase do material, consegue-se fazer a descarga da energia térmica armazenada para fora dos espaços climatizados. O DESEMPENHO TÉRMICO Propriedades Físicas das paredes tratadas com (P.C.M,s) A Tabela 1 mostra as Propriedades Físicas das paredes tratadas com uma distribuição homogénea de (P.C.M,s) medidas pelo Laboratório Nacional Oak Ridge, dos Estados Unidos. Ainda não foi possível apresentar dados semelhantes para paredes tratadas com (P.C.M,s) encapsulados em esferas, como se ilustram na figura seguinte. Parede Características das paredes tratadas com (P.C.M,s) Massa volúmica [kg/m 3 ] Calor específico [kj/kg K] Condutibilidade W/m K Calor Latente [kj/kg] Convencional % (P.C.M,s) % (P.C.M,s) % (P.C.M,s) % (P.C.M,s)

6 (P.C.M,s) encapsulados em esferas Os perigos de incêndio Como todos os materiais orgânicos, os (P.C.M,s) são combustíveis, ardendo continuamente nas condições atmosféricas normais, após a sua ignição, pelo que potencialmente podem ocorrer acidentes graves, relacionados com a aplicação dos (P.C.M,s) nas paredes dos edifícios. Contudo já foram testados métodos que deram resultados promissores na eliminação de incêndios provocados pelos (P.C.M,s) aplicados em paredes, que consistiram em limitar a quantidade de (P.C.M,s) a 20%, e simultaneamente aplicar nas paredes tratadas com (P.C.M,s) um retardador de fogo insolúvel. As parafinas ultra puras são os únicos (P.C.M,s) que fundem e solidificam rapidamente, a uma única temperatura bem definida. Pelo contrário as misturas de (P.C.M,s) mostram que, em vez de uma única temperatura bem definida, existe uma gama de temperaturas, onde a fusão pode ocorrer. Os resultados de estudos experimentais e de simulações numéricas já realizadas, mostraram claramente que as paredes tratadas com (P.C.M,s) não actuam como materiais ideais de armazenamento, os quais deveriam fundir e solidificar a uma temperatura bem definida. As comparações já realizadas entre os resultados experimentais e as simulações numéricas relativas ao comportamento dinâmico de uma série de paredes, mostraram que a melhor combinação era obtida se o calor mássico em função da temperatura, fosse modelado por uma curva triangular normal O desempenho dos (P.C.M,s) Como o calor específico a pressão constante é a derivada da entalpia específica h, em relação à temperatura, e o calor específico é função da 6

7 temperatura, a entalpia específica mostra uma descontinuidade à temperatura de fusão. Funções descontínuas (A) e contínuas (B) para a entalpia específica dos (P.C.M,s) No ponto de fusão, o calor específico mostra valores positivos muito elevados. A difusividade térmica mantém-se constante tanto para os níveis de temperatura elevados como para os baixos, onde encontramos os regimes de temperatura lineares. Enquanto que as substâncias cristalinas e eutéticas mostram uma transição descontínua, muitos materiais (como por exemplo as misturas) mostram curvas de entalpia contínuas em função da temperatura. Este facto leva-nos a uma região mal definida entre as fases sólida e líquida. 7

8 Aplicações: Estudos numéricos têm mostrado que a aplicação de (P.C.M,s) em edifícios não equipados com sistemas mecânicos de Ar Condicionado, resulta numa redução significativa na temperatura do ar interior. Em edifícios que estão equipados com sistemas mecânicos de Ar Condicionado a aplicação de (P.C.M,s) consegue uma redução da potência de arrefecimento dos equipamentos, uma redução dos picos de carga e consequentemente uma redução dos consumos energéticos dos edifícios. O armazenamento de energia térmica latente só tem um bom desempenho se a energia armazenada for descarregada periodicamente, quer através de fontes de arrefecimento naturais (como põe exemplo a ventilação nocturna), quer com auxílio de fontes térmicas mecânicas durante os períodos de menor carga térmica, (como por exemplo após as horas de ocupação do edifício ou de madrugada antes do edifício ser ocupado). Alfredo Costa Pereira M.Sc. Engenheiro Mecânico (U.P.) Cédula profissional da Ordem dos Engenheiros Nº Perito do ONDR (Observatório Nacional das Doenças Respiratórias) Pós Graduado pelo von Karman Institute for Fluid Dynamics (Bruxelas) Membro do Colégio Português da A.S.H.R.A.E. (Portugal Chapter) desde 31 de Maio de 2005 Outorga do titulo de Especialista em Engenharia de Climatização, pela Ordem dos Engenheiros Professor Coordenador no Departamento de Engenharia Mecânica do Instituto Superior de Engenharia do Porto Fundador e Consultor Geral da empresa de projectos e consultadoria, A Costa Pereira/Gestão de Energia Térmica Lda. Membro efectivo da A. S. H. R. A. E. (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc ) nº Bibliografia Feustel, H.E. and C. Stetiu Thermal Performance of Phase Change Wallboard for Residential Cooling Application Lawrence Berkeley National Laboratory, Report LBL-38320, 1997 Stetiu.C. and H. E. Feustel Phase-Change Wallboard and Mechanical Night Ventilation in Commercial Buildings Lawrence Berkeley National Laboratory,