UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUÍ ROSANE VARNIER

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1 1 UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL UNIJUÍ ROSANE VARNIER DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE MATERIAIS EM PAREDES COMPOSTAS UTILIZANDO O MÉTODO DO PROBLEMA INVERSO Ijuí 2010

2 2 ROSANE VARNIER DETERMINAÇÃO DE PROPRIEDADES TÉRMICAS DE MATERIAIS EM PAREDES COMPOSTAS UTILIZANDO O MÉTODO DO PROBLEMA INVERSO Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Modelagem Matemática da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul UNIJUI (RS) como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Modelagem Matemática. Orientador: Prof. Dr. Pedro Augusto Pereira Borges Co-orientador: Prof. Dr. Eng. Luciano Pivoto Specht Ijuí RS 2010

3 3 Muitas das grandes realizações do mundo foram feitas por homens cansados e desanimados que continuaram trabalhando. Kléber Novartes

4 4 AGRADECIMENTOS À minha família, que sempre me apoiou e me incentivou para a realização deste grande sonho, pelo carinho, compreensão e incentivo, vocês estão sempre comigo, em meu coração. Aos professores do curso de Mestrado em Modelagem Matemática, em especial aos professores Pedro Augusto Pereira Borges meu orientador e Luciano Pivoto Specht meu coorientador, pela dedicação, disponibilidade e paciência com que sempre ouviram minhas dúvidas, orientando-me para um melhor entendimento e realização deste trabalho. A dona Zaida pelo espaço cedido em sua casa onde morei todos esses dias, pela acolhida, pelos conselhos, pelo cuidado comigo e, pelo colo de mãe em todos os momentos que precisei e estava sem a minha por perto. Aos meus colegas de Mestrado, pelos momentos de alegria, pela ajuda e companheirismo que tive durante o curso mas, em especial, Roberta, Cassia e Eurides, mais que colegas compartilhamos amizade. A todos vocês minha eterna gratidão! E agradeço a DEUS por me proporcionar a vivência com essas pessoas tão especiais.

5 5 RESUMO O emprego de materiais com maior resistência térmica pode representar, em muitos casos, uma redução significativa das trocas de calor com o ambiente, e consequente economia de energia, além de um maior conforto térmico, visto que o uso do ar condicionado pode causar problemas de saúde, como resfriados e alergias. O objetivo deste trabalho é desenvolver um método para o cálculo da difusividade térmica de materiais de construção utilizados nas edificações do Sul do Brasil e calcular o fluxo de calor em paredes compostas com diferentes materiais. Oito protótipos de paredes em escala real foram construídos, instrumentados e acoplados a uma câmara térmica, no Laboratório de Engenharia Civil, da UNIJUÍ (Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul), Campus de Ijuí, para a realização dos experimentos. Os dados experimentais obtidos consistem de valores de temperaturas para diferentes posições dentro da parede, ao longo do ensaio. O problema de transferência de calor nas paredes compostas foi modelado pela conhecida equação da energia, com as condições de fronteiras e iniciais, obtidas experimentalmente. O Método das Diferenças Finitas, com o esquema implícito de avanços temporais foi utilizado para calcular a distribuição da temperatura em cada ponto interno da parede (Problema Direto) e o Método de Procura em Rede foi utilizado como algoritmo de busca para estimar os valores da difusividade térmica de cada material (Problema Inverso). Também foi calculado o fluxo de calor, uma informação importante para a análise do desempenho térmico, visando uma melhor utilização dos materiais e a minimização do gasto de energia com refrigeração e aquecimento de ambientes. Notadamente, a parede com EPS (poliestireno expandido) na face exterior apresentou o melhor desempenho. O programa desenvolvido é um instrumento útil para a escolha de soluções construtivas, visando melhorar a eficiência energética das edificações; permite a simulação do desempenho térmico e econômico de outras configurações de paredes (além das já estudadas neste trabalho), sem a necessidade de construí-las, desde que se conheçam os valores das difusividades térmicas e dos custos dos materiais utilizados. Palavras-chave: Transferência de calor, paredes, modelagem matemática, eficiência energética.

6 6 ABSTRACT The use of materials with higher heat resistance can represent, in many cases, a significant reduction in heat exchange with the environment, and consequently, energy savings, and greater thermal comfort, since the use of air conditioning can cause health problems, such as cold and allergies. The aim of this study is to develop a method for calculating the thermal diffusivity of building materials used in buildings in southern Brazil and calculate the heat flow in composite walls with different materials. Eight prototypes of full-scale walls were built, instrumented and coupled to a heat chamber at the Civil Engineering Laboratory, at UNIJUÍ, Campus Ijuí for the conduction of these experiments. The experimental data consist of values of temperatures for different positions within the wall, throughout the test. The problem of heat transfer was modeled in the compound walls known by the energy equation, with initial and boundary conditions, obtained experimentally. The Finite Differences Method, with the implicit scheme of temporal advances was used to calculate the temperature distribution in each internal wall (direct problem) and the Method of Search Network was used as the search algorithm to estimate the values of thermal diffusivity of each material (Inverse Problem). It was also calculated the heat flow, an important information for the analysis of thermal performance for a better use of materials and minimization of energy expenditure with cooling and heating environments. Notably, the wall with EPS (expanded polystyrene) on the outside with the best performance. The developed program is an useful tool for choosing constructive solutions to improve the energy efficiency of buildings; allows the simulation of thermal performance and cost of other configurations of walls (other than those already studied in this work) without the need to build them, provided that they know the values of thermal diffusivities and the costs of materials used. Key words: Heat transfer, walls, mathematical modeling, energy efficiency.

7 7 LISTA DE TABELAS Tabela 1.1: Valores de em diferentes soluções construtivas Tabela 2.1: Estrutura das paredes (medidas em cm) Tabela 2.2: Especificações dos sensores utilizados Tabela 2.3: Comparação dos sensores de temperatura com termômetro de vidro calibrado Tabela 2.4: Horários das leituras de temperatura de cada sensor Tabela 3.1: Coeficientes ajustados da Equação Tabela 3.2: Sinais dos fluxos nas fronteiras das paredes Tabela 5.1: Difusividade térmica n de divisões (Parede 6) (x10-7 ) Tabela 5.2: Difusividade térmica n de divisões (Parede 7) (x10-7 ) Tabela 5.3: Difusividade térmica obtida experimentalmente dos materiais (m 2 /s) (x10-7 ) Tabela 5.4: Difusividade térmica dos materiais literatura Tabela 5.5: Difusividade térmica dos materiais reavaliada (m 2 /s) (x10-7 ) Tabela 5.6: Fluxo e quantidade de calor para 16 h Tabela 6.1: Classificação das paredes quanto ao desempenho térmico... 74

8 8 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Modos de transferência de calor atuantes em uma parede Figura 1.2: Transferência de calor por condução Figura 1.3: Transferência de calor por convecção Figura 1.4: Modos de transferência de calor atuantes em uma parede Figura 2.1: Esquematização da câmara térmica Figura 2.2: Imagem da câmara térmica construída Figura 2.3: Câmara térmica acoplada à parede Figura 2.4: Lâmpada OSRAM 250 W Figura 2.5: Dimmer Figura 2.6: Termômetro utilizado Figura 3.1: Curvas de condições de contorno ajustadas pela equação 3.2, parede Figura 3.2: Posicionamento dos pontos de coleta dos dados para a coleta do fluxo de calor.. 50 Figura 4.1: Modelo de uma malha Figura 4.2: Representação esquemática do problema direto e inverso Figura 5.1: Variação da difusividade térmica com o aumento do n de divisões na parede Figura 5.2: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 1 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.3: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 2 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.4: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 3 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.5: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 4 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.6: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 5 = dado experimental. = dado calculado

9 9 Figura 5.7: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 6 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.8: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 7 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.9: Distribuição de temperatura em diferentes pontos da parede 8 = dado experimental. = dado calculado Figura 5.10: Fluxos de calor na parede Figura 5.11: Fluxos de calor na parede Figura 5.12: Fluxos de calor na parede Figura 5.13: Fluxos de calor na parede Figura 5.14: Fluxos de calor na parede Figura 5.15: Fluxos de calor na parede Figura 5.16: Fluxos de calor na parede Figura 5.17: Fluxos de calor na parede

10 10 LISTA DE SÍMBOLOS, SIGLAS E ABREVIATURAS a A Ap ABRAPEX B C p ou C Parâmetro ajustado associado à curvatura da função (1/s) Superfície através da qual se dá a passagem de calor (m²) Coeficiente de ajuste da Eq. 3.2 Associação Brasileira do Poliestireno Expandido Parâmetro de ajuste Calor específico à pressão constante (J/kg C) d min Menor diferença entre os parâmetros estimados e k Espessura das camadas (m) IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística I p Intervalo de partições ( pmax - pmin ) k L M M MPR MPRM N N Nr Condutividade térmica (W/m K) Espessura da parede (m) Massa (kg) Número de dados em relação ao tempo Método de Procura em Rede Método de Procura em Rede Modificado Número de dados em relação ao espaço Número de partições de I p Número de refinamentos

11 11 P PD PI Número de camadas em cada parede Problema Direto Problema Inverso q Fluxo de calor (W/m 2 ) Q R S S S (i) : Quantidade total de calor (J) Erro Partição com s=1,2,3,...,n Sensor Temperatura corrigida registrada pelo sensor i S 1,..., S 2 Sensores 1,2,..., 9 SI Sistema internacional de medidas S j (i) temperatura inicial e final obtida pelo sensor i e j t Tempo (s) T Temperatura ( o C) T * (i) Temperatura registrada pelo sensor i no instante t ( o C) T 1 (t) Condição de fronteira interna à parede ( o C) T 2 (t) Condição de fronteira externa à parede ( o C) T c (x i,t j ) Distribuição de temperatura para as posições especiais ( o C) TC j Temperatura inicial e final registrada pelo termômetro calibrado j ( o C) T e (x i,t j ) Temperatura externa onde i = 1, 2, 3,... n e j = 1, 2, 3,..., m ( o C) T f Temperatura nas superfícies (externa ou interna) ( o C)

12 12 T o (x) Condição inicial ( o C) U X Coeficiente de transferência de calor [W/(m² K)] Direção de transferência de calor (m) xexp Temperatura experimental xcal Temperatura calculada LETRAS GREGAS Difusividade térmica (m²/s) m Difusividade térmica mínima (m 2 /s) M Difusividade térmica máxima (m 2 /s) p 1s,..., 5s Variação da difusividade térmica estimada ( pmax - pmin )/(N-1) (m 2 /s) Difusividade do material de cada partição s (m 2 /s) i Difusividade térmica do material i (m 2 /s) ot Difusividade térmica ótima (m 2 /s) p Difusividade térmica estimada (m 2 /s) pmin Difusividade térmica mínima estimada (m 2 /s) pot Difusividade térmica ótima estimada (m 2 /s) os Coeficiente estimado na partição de s (m 2 /s) Erro (critério de parada) Densidade ou massa específica (kg/m³) ρc p Capacidade calorífica volumétrica (J/m 3o C)

13 13 SUMÁRIO INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Conforto Térmico Ambiente Térmico Neutralidade Térmica Isolamento das Habitações Calor Eficiência Energética Fatores que Influenciam no Processo de Transferência de Calor Clima Temperatura Umidade Meso-clima e micro-clima O vento Transferência de Calor Transferência de Calor por Condução Transferência de calor por convecção Transferência de Calor por Radiação Propriedades Térmicas dos Materiais Condutividade Térmica Difusividade Térmica Calor Específico MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS... 36

14 Estrutura e Materiais das Paredes Câmara Térmica Sensores de Temperatura Procedimento de Ensaio MODELO MATEMÁTICO Equação da Energia Condições de Fronteira Ajuste de Curvas nas Paredes Simples Fluxo de Calor Através das Paredes MÉTODOS NUMÉRICOS Solução do Problema Direto Cálculo da Difusividade Térmica (Problema Inverso) Método de Procura em Rede Modificado ANÁLISE DOS RESULTADOS Eficiência do Problema Inverso na Determinação da Difusividade Térmica de Cada Material Análise das Paredes como Isolantes Térmicos CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS ANEXO I: Equações de Calibração dos Termopares ANEXO II: Planilhas de Dados Experimentais... 79

15 15 INTRODUÇÃO Na tentativa de tornar as habitações cada vez mais confortáveis e economicamente viáveis, o homem tem implementado diversos esforços: a pesquisa de materiais mais resistentes possibilitou a construção de edifícios e ambientes grandes com poucos pilares; novos materiais e/ou a combinação de materiais tradicionais como a madeira, os tijolos e o concreto permitiram soluções arquitetônicas de estética admirável; a complexidade das instalações elétricas e hidráulicas tornou a vida cômoda e higiênica nas habitações. Particularmente, o uso de equipamentos para o condicionamento de ar, tem-se mostrado uma solução para o conforto térmico de quem trabalha ou habita nas edificações modernas. No entanto, o uso excessivo da energia elétrica nas habitações tem seu custo. A indústria da construção e o ambiente construído são alguns dos maiores consumidores de energia e materiais (Santi et al, 2009). No caso específico do Brasil, de acordo com o PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica), cerca de 16% da produção nacional de energia elétrica é utilizada em edifícios comerciais e 25% no setor residencial. De acordo com Lamberts, et al (1997) existem estudos que mostram que 48% do total do consumo de energia elétrica em edificações comerciais são gastos com condicionamento de ar, podendo este consumo chegar a 70% do total consumido em edifícios comerciais com fachadas envidraçadas. Já nas residências brasileiras o consumo de energia por meio da utilização de aparelhos de ar condicionado vem aumentando nos últimos anos, possivelmente devido ao aumento da renda do brasileiro e às condições inadequadas de desempenho térmico de suas moradias (Peña et al, 2008). Soluções térmicas que minimizem o uso de condicionamento de ar tornam-se necessárias nesse quadro de racionalização do uso da energia elétrica. O emprego de materiais com maior resistência térmica pode representar, em muitos casos, uma redução significativa das trocas de calor com o ambiente, e consequente, economia de energia elétrica (como por exemplo, uma câmara fria de frigorífico, que necessita de temperatura ambiente mantida relativamente baixa), além de um maior conforto térmico, visto que o uso do ar condicionado pode causar problemas de saúde, como resfriados e alergias. Soluções desse tipo necessitam de conhecimentos sobre a transferência de calor do ambiente externo para o interior das

16 16 edificações, para associar diferentes materiais e dimensões de camadas às condições desejadas de conforto térmico. O uso de simulações de fenômenos reais, através da implementação de modelos matemáticos com ferramentas computacionais, além de representar economia de tempo e dinheiro, minimiza o gasto com materiais de experimentos para pesquisa. Dentro deste contexto, o modelo matemático pode ser aplicado, por exemplo, pelo projetista, para a escolha de materiais e de como dispô-los para o fechamento de vãos em uma edificação. O problema de transferência de calor em paredes compostas tem sido classicamente modelado utilizando a equação da energia, com condições de contorno lineares e em função do tempo (Chen e Lin, 1991; Beckett e Chu, 1973; Sun e Huang, 2007). A solução deste problema de condições de contorno tem sido implementada por diferentes métodos: Método da Transformada de Laplace (Carslaw e Jaeger, 1959; Chong et al., 2009); Funções de Green (Huang e Chang, 1980); Método dos Elementos Finitos, (Sugiyama et al, 1974; Beckett e Chu, 1973); Método Híbrido: Transformada de Laplace e Elementos Finitos (Chen e Lin, 1991). Todos estes métodos apresentam vantagens e desvantagens. Os métodos analíticos proporcionam soluções exatas e rápidas para qualquer tempo e espaço, mas a obtenção das inversas das transformadas (no caso da Transformada de Laplace) e a identificação de funções apropriadas (no caso da Função de Green) tornam a aplicação de tais métodos limitada. Os métodos numéricos, tais como o Método dos Elementos Finitos, Volumes Finitos e Diferenças Finitas (Chen e Lin, 1991) têm sido amplamente utilizados com sucesso em problemas unidimensionais, com condições de contorno lineares e dependentes do tempo. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um método para o cálculo da difusividade térmica de materiais de construção utilizados nas edificações do Sul do Brasil e calcular o fluxo de calor em paredes compostas com diferentes materiais. Para a estimação das propriedades térmicas dos materiais foi utilizado o método do problema inverso (algoritmo de procura em rede), com base em resultados de experimentos da transferência de calor. O fluxo de calor na superfície interna da parede, em função do tempo, foi calculado utilizando os dados do problema inverso e viabilizou a análise do desempenho térmico de cada configuração de parede. O presente trabalho é composto por 5 Capítulos: No Capítulo 1 é apresentada a revisão bibliográfica com conceitos fundamentais de conforto térmico, eficiência energética, transferência de calor, fatores que influenciam no processo de transferência de calor e propriedades térmicas dos materiais.

17 17 No Capítulo 2 é apresentado o equipamento (paredes modelo, câmara térmica e sistema de aquisição de dados) construído e utilizado para a coleta dos dados experimentais. Os experimentos foram realizados no Laboratório de Engenharia Civil, da UNIJUÍ, Campus de Ijuí. Os dados experimentais obtidos consistem de valores de temperaturas para diferentes posições dentro da parede, ao longo do dia. No Capítulo 3 é apresentada a conhecida equação de condução do calor como modelo matemático proposto para modelar o problema de transferência de calor nas paredes compostas, com as condições de fronteiras e iniciais obtidas experimentalmente. No Capítulo 4 são descritos os Métodos Numéricos. O Método das Diferenças Finitas, com o esquema implícito de avanços temporais foi utilizado para calcular a distribuição da temperatura em cada ponto interno da parede (Problema Direto), e o Método de Procura em Rede foi utilizado como algoritmo de busca para estimar os valores da difusividade térmica de cada material (Problema Inverso). No Capítulo 5 é feita a análise dos resultados obtidos com as simulações computacionais, para a difusividade térmica e para o fluxo de calor em cada parede. E pó fim no Capítulo 6 são apresentadas as conclusões e propostas de trabalhos futuros.

18 18 1. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo são apresentados conceitos das áreas de conforto térmico, eficiência energética e transferência de calor, necessários para a modelagem da transferência de calor em edificações Conforto Térmico Segundo a Ashrae Standard (1998), o conforto térmico é definido como: Conforto térmico é a condição da mente que expressa satisfação com o ambiente térmico. Quando existe a percepção psicológica desse equilíbrio, pode-se falar de conforto térmico, que é definido pela ISO 7730 como: um estado de espírito que expressa satisfação com o ambiente que envolve uma pessoa (nem quente nem frio). É, portanto uma sensação subjetiva que depende de aspectos biológicos, físicos e emocionais dos ocupantes, não sendo desta forma, possível satisfazer a todos os indivíduos que ocupam um recinto, com uma determinada condição térmica Ambiente Térmico O ambiente térmico pode ser definido como o conjunto das variáveis térmicas de um espaço limitado que influenciam o organismo do homem. O controle destas variáveis é um fator importante, que intervém, de forma direta ou indireta, na sua saúde e bem estar, bem como na realização das tarefas que lhe estão atribuídas. O homem é um animal homeotérmico, de sangue quente que, para sobreviver, necessita manter a temperatura interna do corpo (cérebro, coração e órgãos do abdômen) em uma temperatura constante de 36 ºC, obrigando a uma procura constante de equilíbrio térmico

19 19 entre o corpo e o meio envolvente que normalmente, é inferior a este valor. Por este motivo, há uma contínua transmissão de calor do nosso corpo para o ambiente. Se a temperatura do ambiente for muito baixa, esta transmissão se faz com maior rapidez, sendo isto o que provoca, em nós, a sensação de frio. Os agasalhos atenuam esta sensação porque são feitos de materiais isolantes térmicos (lã, por exemplo), reduzindo, assim, a quantidade de calor que é transmitida de nosso corpo para o exterior. Por outro lado, se a temperatura do ambiente for muito alta, o corpo recebe calor do ambiente e a pessoa passa a sentir um desconforto térmico significativo. Quanto maior for a dificuldade em manter a temperatura constante, menor é o conforto que a pessoa sente no ambiente térmico. Condições agressivas ao corpo, seja de calor ou de frio, implicam em um desconforto. Um ambiente neutro ou confortável é um ambiente que permite que a produção de calor metabólico, se equilibre com as trocas de calor (perdas e/ou ganhos) provenientes do ar à volta do indivíduo. Fora desta situação de equilíbrio, podem existir situações adversas em que a troca de energia calorífica constitui um risco para a saúde, pois mesmo tendo em conta os mecanismos de termo regulação do organismo, a pessoa não consegue manter a temperatura interna constante e adequada. Nestas situações pode-se falar de stress térmico, por calor ou frio. Os estudos relacionados ao conforto térmico visam analisar e estabelecer condições necessárias para a avaliação e concepção de um ambiente térmico adequado às condições humanas, bem como estabelecer métodos e princípios, para uma detalhada análise térmica de um ambiente, propiciando opções de melhoras do ambiente. Segundo Lamberts (1997), existe três fatores que são de fundamental importância analisar quando se estudar o conforto térmico em ambientes. A satisfação do homem ou seu bem estar em se sentir termicamente confortável; a performance humana, cujas atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em ambiente de conforto térmico; a conservação de energia, pois devido à crescente mecanização e industrialização, as pessoas passam grande parte de suas vidas em ambientes com climas artificiais, ambientes condicionados. Para avaliar as situações a que está exposto um indivíduo em determinadas condições ambientais, utilizam-se métodos ou critérios objetivos que se determinam principalmente em

20 20 função de: temperatura do ar; umidade do ar; calor radiante; velocidade do ar; metabolismo e vestuário. As duas últimas variáveis são chamadas de pessoais ou objetivas, por não dependerem do ambiente, enquanto que as outras são denominadas variáveis ambientais. A atividade desempenhada pela pessoa determina a quantidade de calor gerado pelo organismo. É importante ressaltar que devido às variações biológicas entre as pessoas é impossível que todos os ocupantes do ambiente se sintam confortáveis termicamente, e assim busca-se criar condições de conforto térmico para o grupo, ou seja, condições nas quais a maior percentagem do grupo esteja em conforto térmico. Assim sendo, uma vez conhecendo-se as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente, evitam-se desperdícios com calefação e refrigeração, muitas vezes desnecessários Neutralidade Térmica Segundo o pesquisador dinamarquês Ole Fanger (1970), neutralidade térmica é a condição na qual uma pessoa não prefira mais calor nem frio no ambiente a seu redor. Ainda, Lamberts (2002), sugere neutralidade térmica como estado físico, no qual todo o calor gerado pelo organismo através do metabolismo seja trocado em igual proporção com o ambiente ao redor, não havendo nem acúmulo de calor, nem perda excessiva do mesmo, mantendo a temperatura corporal constante. Destas definições, pode-se dizer que a neutralidade térmica é uma condição necessária, mas não suficiente para que uma pessoa esteja em conforto térmico. Um indivíduo que estiver exposto a um campo assimétrico de radiação, pode muito bem estar em neutralidade térmica, porém não estará certamente em conforto térmico Isolamento das Habitações Isolantes são materiais de baixo coeficiente de condutividade térmica. São normalmente materiais porosos cuja resistência térmica se baseia na baixa condutividade do

21 21 ar contido em seus vazios. Quanto menor a densidade do material e maior o número de poros, maior o seu poder de isolamento (Costa 1974). Os isolantes são utilizados nas paredes para evitar as trocas térmicas indesejáveis e manter a temperatura da parede em níveis adequados. São qualidades de um bom isolante: a) baixa condutividade térmica; b) boa resistência à temperatura em que é aplicada; c) boa resistência mecânica; d) ser imputrescível e inatacável por pragas; e) ser incombustível; f) não ser higroscópico e apresentar, se possível, baixa porosidade à penetração do vapor d água. Segundo a Associação Brasileira do Poliestireno Expandido (ABRAPEX-2009) geralmente o isolamento térmico é aplicado onde as variações de temperatura são mais intensas, dependendo do clima local. A Figura 1.1 apresenta as alternativas de isolamento térmico interno e externo recomendado pela ABRAPEX, utilizando o poliestireno expandido (EPS). Fonte: ABRAPEX, Figura 1.1: Modos de transferência de calor atuantes em uma parede. Segundo a Estt-Ipt (2009) a transmitância térmica total, q (energia térmica que passa por unidade de área, por unidade de tempo, a cada variação de um grau centígrado na temperatura da parede) de uma parede de edificação pode ser diminuída, aumentando-se a sua

22 22 espessura. Contudo a tendência atual é contrária a este princípio, porque as pequenas espessuras de paredes permitem obter espaços interiores de maiores dimensões, a um custo inferior, embora com prejuízo da inércia térmica da envolvente do edifício, que é um fator importante durante o período de verão e de inverno com uma utilização racional de energia. Desta forma, para diminuir o valor de q existem soluções construtivas que empregam materiais de baixa condutividade térmica (isolantes térmicos) e/ou interpõem uma lâmina de ar (caixa de ar) entre duas fiadas. Na Tabela 1.1 consta uma comparação dos valores de transmitância térmica entre diferentes soluções construtivas. Cabe salientar ainda que o tijolo furado é termicamente mais eficiente do que o tijolo maciço, sendo este mais eficiente do que o concreto (Estt-ipt, 2009). Tabela 1.1: Valores de em diferentes soluções construtivas. Parede de tijolo maciço Arranjo espessura (cm) espessura total (cm) U (W/m 2.ºC) Uma fiada ,25 Duas fiadas + lâmina de ar ,65 Duas fiadas + lã de vidro , Calor Fonte: Adaptado de Estt Ipt, De acordo com Máximo & Alvarenga (2007) designam o calor como sendo a energia transferida de um corpo para outro em virtude, unicamente, de uma diferença de temperatura entre eles. Ainda nas palavras de Paraná (2003), calor é a energia transferida de um corpo para outro em consequência da diferença de temperatura entre eles. Gettys (1999) define o calor como energia transferida entre um sistema e sua vizinhança, devido exclusivamente a uma diferença de temperatura entre o sistema e alguma parte de sua vizinhança. Em outras palavras calor é a energia transferida entre um sistema e seu ambiente, devido a uma diferença de temperatura entre eles.

23 Eficiência Energética Segundo Lamberts (1997), eficiência energética de uma edificação pode ser entendida como a obtenção de um serviço com baixo dispêndio de energia. Portanto, um edifício é mais eficiente energeticamente do que outro quando proporciona as mesmas condições ambientais com menor consumo de energia Fatores que Influenciam no Processo de Transferência de Calor Existem fatores considerados importantes no processo de transmissão de calor nas paredes, porque influenciam o ambiente da edificação e o conforto térmico dos ocupantes. Alguns desses fatores são: o clima, a temperatura, a umidade, o meso-clima e micro-clima e o vento Clima O clima está relacionado às correntes atmosféricas, ao balanço da irradiação solar e em consequência a pluviosidade, nebulosidade e à temperatura do ar. Segundo Medina e Motta (2005) clima é um conjunto de fenômenos meteorológicos que caracterizam, durante um longo período, o estado médio da atmosfera e sua evolução em determinado lugar. Estes fenômenos meteorológicos influenciam diretamente no conforto ou desconforto do homem em sua habitação, fazendo-se necessário a utilização de ar condicionado e climatizadores. Para classificar um clima, devemos considerar a temperatura, a umidade, as massas de ar, a pressão atmosférica, nebulosidade, correntes marítimas e ventos, entre muitas outras características. A classificação mais utilizada para os diferentes tipos de climas no Brasil baseia-se na origem, natureza e movimentação das correntes e massas de ar. Podendo identificar três correntes principais: equatorial, tropical e polar. De acordo com essa

24 24 classificação, os tipos de clima do Brasil são os seguintes: subtropical, semi-árido, equatorial, tropical, tropical de altitude e tropical atlântico ou tropical úmido. Clima Brasileiro Segundo Coelho (1996) no Brasil predomina o clima tropical, no entanto, a influência de determinados fatores (relevo, latitude, extensão territorial, massas de ar,...), faz com que existam vários subtipos ou modalidades bastante diferenciadas de clima subtropical. Em consequência destes fatores variados, a diversidade climática do território brasileiro é muito grande. As massas de ar são de suma importância porque atuam diretamente tanto na temperatura quanto na pluviosidade, provocando as diferenciações climáticas regionais (Clima do Brasil Wikipédia, [s. d. ]). Já a amplitude térmica, diferença entre as temperaturas mínimas e máximas no decorrer do ano, é baixa, em outras palavras: a variação de temperatura no território brasileiro é pequena em relação a outras regiões (Climas do Brasil Geografia, [s. d.]). Atravessado na região norte pela Linha do Equador e ao sul pelo Trópico de Capricórnio, o Brasil está situado, na maior parte do território, nas zonas de latitudes baixas chamadas de zonas intertropical nas quais prevalecem os climas quentes e úmidos. Para Medina e Motta (2005), no Brasil a temperatura média está entre 22 C e 28 C, sendo que em apenas 6% do território, no Sul, fica entre 14 C e 18 C. A média das máximas está entre 30 C e 36 C, exceto nos planaltos do Sul e nas montanhas do Sudeste, onde se situa entre 24 C e 29 C. A máxima absoluta varia de 38 C e 42 C. O mês mais quente é janeiro no Sudeste e no Sul; novembro no Nordeste e Setembro ou outubro no Norte e Centro Oeste. Predominam as temperaturas elevadas em todo o país. Apenas no Sul e parte do Sudeste (de altitude), a temperatura mínima absoluta do ar atinge 0 C ou menos, porém não mais que 15 dias do ano. O Rio Grande do Sul, estado brasileiro, localiza-se no extremo sul da região Sul do Brasil e apresenta o clima temperado do tipo subtropical, classificado como mesotérmico úmido. Devido à sua posição geográfica, entre os paralelos 27 03'42'' e 33 45'09'' latitude sul, e 49º42'41'' e 57º40'57'' longitude oeste, apresenta grandes diferenças em relação ao Brasil. A latitude reforça as influências das massas de ar oriundas da região polar e da área tropical

25 25 continental e Atlântica. A movimentação e os encontros destas massas definem parte das características climáticas do estado. As temperaturas apresentam grande variação sazonal, com verões quentes e invernos bastante rigorosos, com a ocorrência de geada e precipitação eventual de neve. As temperaturas médias variam entre 15 e 18 C, com mínimas de até -10 C e máximas de 40 C. Com relação às precipitações, o Estado apresenta uma distribuição relativamente equilibrada das chuvas ao longo de todo o ano, em decorrência das massas de ar oceânicas que penetram no Estado. O volume de chuvas, no entanto é diferenciado. Ao sul a precipitação média situa-se entre e 1.500mm e, ao norte a média está entre e mm, com intensidade maior de chuvas à nordeste do Estado, especialmente na encosta do planalto, local com maior precipitação no Estado Temperatura De acordo com Lamberts (1997), a temperatura é a variável climática mais conhecida e de fácil medição. A variação de temperatura na superfície da Terra resulta basicamente dos fluxos das grandes massas de ar e da diferente recepção da radiação do sol de local para local. Quando a velocidade dos fluxos de ar é pequena, a temperatura é conseqüente, na sua maior parte, dos ganhos térmicos solares do local Umidade Lamberts (1997), afirma que a pressão de vapor é a variável mais estável ao longo do dia. A umidade do ar resulta da evaporação da água contida nos mares, rios, lagos e na terra bem como da evapotranspiração dos vegetais. O ar a certa temperatura pode conter certa quantidade de água. Quanto maior a temperatura do ar, menor a sua densidade e, em consequência, maior quantidade de água poderá conter. Se a quantidade de água contida no ar for à maior possível para determinada temperatura, diz-se que o ar está saturado e, nestas condições o vapor se condensa formando a névoa, o orvalho e a chuva. Nos locais com alta umidade, a transmissão da radiação solar é reduzida porque o vapor de água e as nuvens a absorvem.

26 26 A umidade relativa do ar interfere na capacidade de absorção do suor transpirado pela pele, sendo que em altas umidades relativas, o ser humano tem mais dificuldade de evaporar o suor, aumentando a sensação de desconforto térmico. Tendo em vista isso tudo, é de fundamental importância analisar o fator umidade no momento que se vai elaborar um projeto de construção de uma edificação Meso-clima e micro-clima Próximo ao nível das edificações encontra-se o meso e micro-clima. Alguns mesoclimas podem ser identificados como: o litoral, o campo, as florestas, os vales, as cidades, as regiões montanhosas. É nestes ambientes que as variáveis como vegetação, topografia, tipo de solo e presença de obstáculos artificiais e naturais influenciam diretamente nas condições do clima. Mais próximo da edificação encontra-se o micro-clima. É este que o arquiteto ou engenheiro pode modificar, de acordo com seu projeto arquitetônico, pois através de particularidades climáticas locais, a edificação bem projetada pode induzir o bem-estar das pessoas e a eficiência energética O vento Em uma região climática pode haver variações significativas de direção e de velocidade do movimento do ar. Isto acontece principalmente pelas diferenças de temperatura entre as massas de ar, o que provoca seu deslocamento da área de maior pressão (ar mais frio e pesado) para a área de menor pressão (ar quente e leve). Para Lamberts (1997), conhecendo as probabilidades da ocorrência dos ventos bem como, sua direção e velocidades pode-se elaborar um projeto arquitetônico que se beneficie de situações relacionadas ao vento, quando da colocação de aberturas, de forma a aproveitar o vento fresco em períodos quentes e evitar o vento forte em períodos frios.

27 Transferência de Calor De acordo com Mizgier (2008), a condução de calor está relacionada ao transporte de energia térmica (calor) através de um meio sólido devido a uma gradiente de temperatura. Segundo Costa (1974) sempre que houver a existência de uma diferença de temperatura entre duas regiões do espaço, esta tende a desaparecer, de maneira espontânea, pela passagem de calor de uma região para outra. Em outras palavras Dewitt & Incropera (2003) afirmam que sempre que existir uma diferença de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, ocorre transferência de calor (é a energia térmica em trânsito). Ao conjunto de fenômenos que caracterizam essa passagem de calor dá-se o nome de transferência de calor. A transferência de calor pode efetuar-se através de três maneiras distintas: por condução, por convecção e por radiação. Cada um desses modos é modelado com equações próprias, porém têm em comum dois pressupostos básicos: a necessidade de uma diferença de temperatura entre as duas regiões e, o fluxo térmico se verifica no sentido das temperaturas decrescentes (Costa, 1974). De acordo com Dewitt & Incropera (2003) fluxo térmico ou fluxo de calor é a taxa de transferência de calor por unidade de área. O fluxo pode acontecer de duas maneiras: fluxo térmico estacionário e fluxo térmico transiente. O fluxo térmico é chamado estacionário ou permanente, quando não varia com o tempo. No regime de transferência de calor permanente, a distribuição das temperaturas no interior do corpo no qual se verifica a passagem de calor também não varia com o tempo (Costa, 1974). O fluxo térmico chama-se transiente, não-permanente ou transitório, quando o mesmo varia com o tempo. É o que acontece no aquecimento ou resfriamento dos corpos no qual o fluxo térmico à montante é diferente do fluxo térmico à jusante, de modo que as temperaturas no interior do corpo dependem não só do ponto considerado como do tempo (Costa, 1974) Transferência de Calor por Condução A transferência de calor por condução de acordo com Costa (1974) é a passagem de calor de uma zona para outra de um mesmo corpo ou de corpos diversos em íntimo contato,

28 28 devido ao movimento molecular dos mesmos, sem que se verifiquem deslocamentos materiais no corpo ou sistema considerado. A transferência de calor por condução obedece à chamada lei de Fourier, segundo a qual o fluxo térmico é diretamente proporcional à superfície através da qual se verifica a passagem de calor e ao gradiente de temperatura. A condução pode ser entendida como a transferência de energia térmica das partículas mais energéticas para as partículas de menor energia, em um meio, devido às interações entre elas. O fluxo de calor por condução ocorre via as colisões entre átomos e moléculas de uma substância e a consequente transferência de energia cinética. A Figura 1.2 ilustra a transferência de calor em uma parede com temperaturas diferentes nas duas superfícies. Figura 1.2: Transferência de calor por condução Materiais diferentes transferem calor por condução com diferentes taxas. Esta é uma propriedade de cada material chamada de condutividade térmica Transferência de calor por convecção Segundo Tipler (2000), a convecção é o transporte de energia térmica pela movimentação do próprio meio. É a responsável pelas grandes correntes oceânicas e também pela circulação em geral da atmosfera. Conforme Costa (1974), convecção é a passagem de uma zona a outra de um fluido por efeito do movimento relativo das partículas do mesmo, movimento esse provocado pela

29 29 diferença de pressão ocasionada pela diferença de temperatura e consequente diferença de densidade da massa fluida considerada. Em outras palavras, a convecção é o fluxo de calor devido a um movimento macroscópico, carregando partes de uma substância de uma região quente para uma região fria. Este mecanismo possui dois aspectos, um ligado ao princípio de Arquimedes e outro ligado à pressão. Considere-se uma região de ar que se aquece. À medida que o ar se aquece as moléculas de ar se espalham, fazendo com que esta região se torne menos densa que o ambiente em torno. O ar aquecido sendo mais denso se elevará este movimento de ar quente para uma região mais fria é chamado de transferência de calor por convecção. Tomando como exemplo o aquecimento de uma panela de água, é possível perceber que quando a chama é ligada, o calor é transferido primeiro por condução do fundo da panela para as moléculas de água mais próximas. As moléculas aquecidas deslocam-se no sentido de baixo para cima (princípio de Arquimedes), levando calor da parte quente para a parte mais fria no topo, por convecção. Ao mesmo tempo, a água mais fria, mais densa do topo, deslocase para baixo, ocupando o lugar da água quente que subiu. Estas correntes de convecção são ilustradas na Figura 1.3 (a). Considerem-se duas regiões separadas por uma barreira, uma com temperatura e pressão maior que a outra. Se a barreira for removida, o material na região de alta pressão (alta densidade) fluirá para a região de baixa pressão levando consigo o calor existente. O movimento de matéria de um ponto a outro com diferença de temperatura é equivalente à transferência de calor por convecção. Esta situação é ilustrada na Figura 1.3 (b).

30 30 Figura 1.3: Transferência de calor por convecção. a) Sentido do aquecimento da água; b) Fluxo de material devido a uma diferença de pressão. A quantidade de calor transferida de um corpo para as suas vizinhanças, por convecção, é aproximadamente proporcional à área superficial do corpo e à diferença entre a temperatura do corpo e a do fluído vizinho Transferência de Calor por Radiação Sabendo que todos os corpos emitem energia calorífica sob a forma de radiação semelhante à luz, em quantidades que depende da natureza e temperatura do corpo em questão, Costa (1974) expressa que a transmissão de calor por radiação é verificada entre dois corpos de temperaturas diferentes, imersos em um mesmo meio mais ou menos transparente a esta espécie de radiação. A radiação ou irradiação térmica é a energia emitida por toda matéria que se encontra a uma temperatura finita. A energia do campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas. Enquanto a transferência de calor por condução ou convecção requer a

31 31 presença de um meio material, a radiação não necessita dele (aliás, ocorre de maneira mais eficiente no vácuo). A Figura 1.4 apresenta os diversos modos de transferência de calor. Fonte: MICHELENA, Figura 1.4: Modos de transferência de calor atuantes em uma parede Propriedades Térmicas dos Materiais Os materiais possuem várias propriedades térmicas importantes que definem as características próprias de cada um, algumas destas propriedades são de fundamental importância neste estudo, condutividade térmica, difusividade térmica e o calor específico. São elas que determinam se o material que compõe a parede é mais ou menos eficiente no ponto de vista energético Condutividade Térmica A condutividade térmica é uma propriedade física dos materiais que é descrita como a habilidade dos mesmos de conduzir calor.

32 32 A quantidade de calor que atravessa uma parede em um intervalo de tempo, depende dos seguintes fatores: condutividade térmica do material da parede; área da parede A ; diferença de temperatura entre o interior da habitação e o exterior e a espessura da parede, como expressa a Equação 1.1. onde: A (1.1) é a taxa de energia transferida Watt ; é o coeficiente de proporcionalidade, denominado coeficiente de condutividade interna ; A é a superfície através da qual se dá a passagem de calor ; T é a diferença de temperatura entre as faces extremas da parede 0 C ; L é a espessura da parede (m) Difusividade Térmica A difusividade térmica indica como o calor se difunde através de um material. Isso depende de três diferentes propriedades da matéria. Essas propriedades são conhecidas como propriedades termo físicas e incluem duas categorias distintas, propriedades de transporte (incluem os coeficientes de taxa de difusão, que para a transferência de calor depende da condutividade térmica ( k )) e propriedades termodinâmicas que dizem respeito ao estado de equilíbrio de um sistema. Massa especifica ) ( e calor específico ( ) C são duas dessas propriedades amplamente utilizadas em análise termodinâmica. O produto (. C ) é a capacidade calorífica volumétrica e representa a capacidade de um material em armazenar energia térmica (DEWITT e INCROPERA, 2003). Na análise de transferência de calor, a razão entre condutividade térmica e capacidade calorífica volumétrica é uma propriedade importante dos materiais, denominada de difusividade térmica ( ) (Equação 1.2):

33 33 k. Cp (1.2) Sendo:, Têm-se: k C (1.3) onde: é a difusividade térmica ; k é a condutividade térmica ; é a densidade ou massa específica ; é a capacidade térmica volumétrica ; Cp é o calor específico. Para Mizgier (2008), em uma situação de regime transiente, as variações térmicas acontecidas no ambiente externo não são transferidas imediatamente aos ambientes internos de uma edificação, pois existem componentes construtivos na envoltória que oferecem oposição a essas variações. Esta resposta às variações térmicas depende de três propriedades: a condutividade térmica, o calor específico ( ) e a densidade do material ( ). Lavigne (1994) descreve de forma educativa e gráfica como a transferência de calor pode ser caracterizada por três parâmetros (, fenômenos de amortecimento térmico e atraso térmico. e ) e suas consequências como Calor Específico Calor específico é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor.

34 34 É possível calcular o de um corpo a partir da capacidade térmica dela e da massa desse corpo usando a Equação (1.4). (1.4) Onde: é o volume ( ; é a massa. Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo desta substância, da massa deste corpo, e da variação térmica que ele sofre (temperatura final - temperatura inicial). ( 1.5) Onde: é a quantidade de calor De outra forma Chiwiacowsky (2008) escreve a equação da difusão do calor para o transporte térmico como resultante de duas considerações: (Chester, 1963), a primeira considera a equação da continuidade para o transporte de calor na ausência de gradientes de densidade e pressão. Ela é dada pela primeira lei da termodinâmica na seguinte forma: (1.6) Onde: representa a temperatura absoluta (K);

35 35 é o fluxo térmico de calor (w/m²); representa o tempo (s); é o operador gradiente espacial. A segunda consideração diz respeito à equação fenomenológica de Fourier da condutividade térmica para o fluxo de calor em um sólido, dada por: (1.7) Se a Equação (1.6) é combinada com a Equação (1.7), o resultado será a equação de difusão, dada por: (1.8) Onde é dado pela Equação 1.3.

36 36 2. MATERIAIS E MÉTODOS EXPERIMENTAIS Foram realizados experimentos no Laboratório de Engenharia Civil da UNIJUÍ simulando as condições de aquecimento durante 16 horas em oito paredes compostas por materiais diferentes. O Capítulo 2 apresenta todo o aparato experimental (paredes, câmara térmica e sensores); os materiais utilizados na confecção das paredes e da câmara térmica e os procedimentos de ensaio Estrutura e Materiais das Paredes Foram construídos oito tipos de paredes com espessuras e materiais diferentes, descritos detalhadamente na Tabela 2.1 Os materiais utilizados na construção das paredes modelos desta pesquisa foram os usualmente empregados na construção civil em Ijuí-RS, ou seja, são os materiais disponíveis no comércio da região. São eles: cimento, cal, tijolo maciço, areia, poliestireno expandido, argamassa de assentamento, chapisco e argamassa de revestimento. A parte experimental foi desenvolvida no Laboratório de Engenharia Civil da UNIJUÍ em conjunto com o aluno de graduação do curso de Engenharia Civil Ricardo Forgiarini Rupp.

37 37 Tabela 2.1: Estrutura das paredes (medidas em cm) Identificação/descrição Parede 1 Parede de tijolos maciços aparentes, assentados na dimensão de 10,5 cm, com revestimento interno. Dimensões do tijolo (1): 10,5 x 6 x 22 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura total da parede : 13 cm Ilustração Parede 2 Parede de tijolos maciços aparentes, assentados na dimensão de 10,5 cm, com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (1): 10,5 x 6 x 22 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura total da parede : 15,5 cm Parede 3 Parede de tijolos maciços aparentes, assentados na dimensão de 22 cm, com revestimento interno. Dimensões do tijolo (4): 22 x 6 x 10,5 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura total da parede : 27 cm

38 38 Parede 4 Parede de tijolos maciços, assentados na dimensão de 22 cm, com isolamento externo e com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (4): 22 x 6 x 10,5 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura isolante térmico (5): 5 cm Espessura total da parede : 32 cm Parede 5 Parede de tijolos maciços, assentados na dimensão de 23 cm, com isolamento externo e com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (4): 22 x 6 x 10,5 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura isolante térmico (5): 5 cm Espessura total da parede : 32 cm Parede 6 Parede dupla de tijolos maciços, assentados na dimensão de 10,5 cm, com isolamento interno e com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (1): 10,5 x 6 x 22 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm. Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm. Espessura isolante térmico - ar (6): 5,5 cm Espessura total da parede : 31,5 cm

39 39 Parede 7 Parede dupla de tijolos maciços, assentados na dimensão de 10,5 cm, com isolamento interno e com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (1): 10,5 x 6 x 22 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura isolante térmico - poliestireno (5): 5,5 cm Espessura total da parede : 31,5 cm Parede 8 Parede dupla de tijolos maciços, sendo a primeira fiada assentada na dimensão 6 cm e a segunda fiada assentada na dimensão de 10,5 cm, com revestimento externo e interno. Dimensões do tijolo (7): 6 x 10 x 22 cm Dimensões do tijolo (1): 10,5 x 6 x 22 cm Espessura da argamassa de assentamento (2): 1 cm Espessura da argamassa de revestimento (3): 2,5 cm Espessura total da parede : 22,5 cm

40 Câmara Térmica A Figura 2.1 mostra o projeto da câmara térmica. A câmara tem dimensões internas 60 x 40 x 40 cm, sendo que uma das faces de 40 x 40 cm é vazada. Os materiais utilizados para a confecção da câmara térmica foram: madeira compensada, poliestireno expandido de 50 mm, papel laminado, uma lâmpada usada para secagem de solos, um dimmer (dispositivo utilizado para variar a intensidade de corrente elétrica medida em uma carga) e ferragens. A madeira compensada é a casca da câmara, sendo toda parafusada; o interior é revestido pelo poliestireno expandido e forrado com papel laminado. Pelo orifício deixado em uma das faces da câmara térmica é inserido um tripé com uma lâmpada que será a fonte de calor. A Figura 2.2 mostra a câmara térmica pronta, com a lâmpada e o dimmer instalados. A Figuras 2.3 mostra a câmara térmica já acoplada à parede com os sensores instalados. Figura 2.1: Esquematização da câmara térmica. Figura 2.2: Imagem da câmara térmica construída.

41 41 Figura 2.3: Câmara térmica acoplada à parede Pelo orifício deixado em uma das faces da câmara térmica foi inserido um tripé com uma lâmpada (OSRAM 250 W) que é a fonte de calor. A intensidade luminosa foi controlada por um dimmer, o qual foi ajustado para que a lâmpada produza calor na intensidade desejada, simulando a ação do sol. A potência máxima utilizada pela lâmpada chegou a aproximadamente 1/3 de sua capacidade total que é de 250 W. A Figura 2.4 mostra o modelo de lâmpada utilizada. Figura 2.4: Lâmpada OSRAM 250 W. O poliestireno expandido, conhecido como isopor é uma espuma formada a partir de derivados de petróleo. Na sua antiga fabricação entrava o gás CFC, acusado de ser nocivo à camada de ozônio. Porém atualmente usa-se outro gás para expandir o poliestireno. A Figura 2.5 mostra o dimmer instalado na câmara térmica com as anotações referentes ao controle da tensão. Ao iniciar o experimento às 8:00 h o interruptor é ligado, as 10:00 h o botão de controle é direcionado para a posição inicial e a cada duas horas o mesmo

42 42 é acionado aumentando a potência da lâmpada. A partir das 18:00 h inicia-se o retorno do botão, até as 22:00 h. Completando as 16 h de experimento o interruptor volta à posição OFF desligando a lâmpada. Figura 2.5: Dimmer 2.3. Sensores de Temperatura A escolha de um termopar para uma determinada aplicação deve ser feita considerando todas as possíveis variáveis para o caso, as normas exigidas pelo processo e a possibilidade de obtenção do mesmo. O termômetro utilizado (Figura 2.6) é um termômetro digital externo da categoria atmosférica e possui as especificações contidas na Tabela 2.2. Os termômetros foram calibrados tendo como referência um termômetro padronizado do Laboratório de Medidas Físicas para Modelagem Matemática da UNIJUÍ. Para que os dados medidos sejam precisos é necessário calibrar o aparelho de medida de temperatura. A escala do sensor de temperatura utilizado deve coincidir com uma escala conhecida. Assim, para a calibração dos sensores de temperatura foi utilizado um termômetro de vidro calibrado pelo Laboratório da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUC RS).

43 43 Figura 2.6: Termômetro utilizado. Tabela 2.2: Especificações dos sensores utilizados Escala de temperatura -50ºC a + 70ºC Precisão ±1ºC Resolução 0,10ºC Dimensões 46 X 26,6 X 15 mm Comprimento do cabo 1,5 m Alimentação duas pilhas AG 13 Marca Incotem Fonte: Incoterm (2009). O ensaio para a calibração dos sensores foi realizado no Laboratório de Medidas Físicas para Modelagem Matemática da UNIJUÍ e consistiu em deixar por alguns minutos o conjunto sensores de temperatura + termômetro ao ar livre para que entrassem em equilíbrio térmico. Após entrar em equilíbrio registraram-se as temperaturas (T 1 ). O processo foi