Dinâmica de Temperatura na Caracterização de Coberturas Verdes de Base Polimérica

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1 Dinâmica de Temperatura na Caracterização de Coberturas Verdes de Base Polimérica Tavares Neto, P.A., Câmara, L. D. T Instituto Politécnico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (IPRJ-UERJ) Nova Friburgo, , RJ, Brasil ionilp@hotmail.com RESUMO As coberturas verdes são utilizadas desde as sociedades antigas para se protegerem das alterações de temperatura. Neste trabalho é realizada uma análise da dinâmica das flutuações de temperatura nos módulos em função das coberturas utilizadas como isolamento térmico. Foram realizadas medições de temperatura em dois módulos com telhas de amianto: um com cobertura verde e outro com material isolante. Foi desenvolvido um método, chamado Método de Resistências Equivalentes, para se caracterizar o coeficiente de condutividade equivalente (k), já que a literatura é carente quanto a métodos e/ou técnicas com tal objetivo. No estudo de caracterização, os coeficientes térmicos dos substratos foram obtidos da literatura, porém, no caso das plantas, são escassos métodos e/ou dados de propriedades térmicas destes materiais. Este método consiste, basicamente, em chegar numa equivalência da resistência térmica da cobertura verde com um material isolante de condutividade térmica conhecida variando, para isso, a sua espessura. Palavras-chaves: Caracterização térmica, coeficiente de condutividade, telhado verde, dinâmica de temperatura 10165

2 INTRODUÇÃO O conforto térmico é essencial ao ser humano. A climatização de um ambiente fechado é realizada pelo ser humano por meios simples, como numa fogueira, caverna, ou às tecnologias mais avançadas como condicionadores de clima. Atualmente, tem-se resgatado o uso da cobertura verde [1], que já vem sendo utilizado desde as sociedades antigas, como os babilônios com seus famosos jardins suspensos, e os vikings, com seus telhados de turfas para se protegerem do frio [2]. Na literatura foi encontrada a caracterização de coeficientes de condutividade térmicas do substrato de telhados verdes, porém, nenhuma caracterização das plantas propriamente dita [3], [4], [5], porém foi encontradas propostas de estudos posteriores para se caracterizar o coeficiente de condutividade térmica [6]. Diante deste contexto, este trabalho analisa a dinâmica das flutuações de temperatura em módulos em função das coberturas utilizadas como isolamento térmico. Através da análise da dinâmica de temperatura foi possível obter o coeficiente térmico equivalente, k, de uma cobertura patenteada pelos autores. Foi possível também inferir quanto aos fenômenos de transporte de transferência de calor em diferentes condições. MATERIAIS E MÉTODOS Foi desenvolvido um método intitulado de Método de Equivalência de Resistências, que consiste, basicamente, em chegar à equivalência da resistência térmica da cobertura verde utilizando um material isolante de condutividade térmica conhecida. Para isso são adicionadas camadas de material isolante até se atingir perfis de temperatura equivalentes para dois módulos, com e sem cobertura verde. O aferimento da resistência equivalente é feita quando o dt/dx é igual para as duas coberturas, ou seja, quando o fluxo térmico global é igual nos dois módulos, levando a perfis similares de temperatura dos dois módulos. Para que haja melhor compreensão do método uma representação esquemática é demonstrada na Figura

3 Figura 1- Equivalência de resistências Para se obter o valor da condutividade térmica equivalente ( ) de uma cobertura verde, é realizada uma equivalência do fluxo de calor de cada cobertura, pois eles são aproximadamente iguais, assim como a temperatura exterior e a temperatura interior. A seguir é demonstrada a modelagem do : (A) As resistências equivalentes hipotéticas dos módulos serão: (B) (C) O valor do vai ser obtido igualando o fluxo térmico nos dois módulos: 10167

4 (D) (E) (F) Substituindo as eq. 3 e 4 em 7 teremos: (G) Para a realização dessa técnica foi necessário à construção de dois módulos experimentais, um em cobertura verde e outro com em cobertura tradicional, ambos apresentados na Figura 2, e um sistema para aquisição de dados para as temperaturas internas de cada módulo, e ambiente. Os módulos foram construídos com largura de 1m, comprimento 1 m e altura de 0,75 m, sendo confeccionadas com cantoneiras soldadas de ferro de 1/2 x 1/2, e em todas as faces, exceto a superior, foram cobertas por placas de PVC com 20 mm de espessura, sobrepostas por isopor de 150 mm de espessura. Nas faces superiores formam as cobertas diferentes, com o objetivo de realizar a comparação entre uma cobertura com dados técnicos normatizados existentes, espuma de polipropileno, já na outra de cobertura verde (Greenflex) com propriedades desconhecidas. Foi utilizado o controlador Fullgauge MT511 Ri, foram instalados no centro de cada módulo, e um terceiro termístor externamente, para captação da temperatura ambiente, onde as temperaturas foram coletadas manualmente. Os módulos foram posicionados um ao lado do outro, para que tenha a mesma incidência à radiação solar. A planta selecionada para a cobertura foi a trapoeraba, seu nome científico é Commelina Diffusa. Que tem cerca de 300 mm de altura e possui alta resistência às intempéries e pouco substrato para sobrevivência apenas uma camada inferior a 10 mm [8]

5 Figura 2- Comparação de coberturas RESULTADOS E DISCUSSÃO Com os desdobramentos dos ensaios realizados em 2014, na caracterização da trapoeraba, os autores desenvolveram e patentearam uma cobertura verde denominada Greenflex [9], a qual é composta por camadas de telas e filmes, e um substrato de lignocelulose, como demonstrado na Figura 3. Figura 3- Greenflex 10169

6 O método de Equivalência de Resistência para caracterização do coeficiente de condutividade equivalente (k) também foi utilizado nos ensaios com o Greenflex. Devido à dificuldade de se equalizar as temperaturas foram realizados dois ensaios, o primeiro realizado no dia 05/04/2016 com uma camada de isolante, e outro realizado no dia 07/04/2016 com duas camadas. Os ensaios foram realizados no horário de maior incidência solar, no intervalo das 12 às 14 horas, com intervalo de medição de 30 minutos, os módulos foram abertos para que as temperaturas fossem igualadas no começo do ensaio, excluindo com isso qualquer resíduo térmico anterior ao experimento. Na Figura 4 está o resultado do primeiro ensaio realizado. Figura 4- Gráfico de temperatura vs. tempo (uma camada de isolante) Como pode ser visto na Figura 4, observa-se o perfil de temperatura exterior (cor azul) oscilando devido às intempéries (ventos e nuvens), e o perfil de temperatura no interior dos módulos, com a mesma assinatura. Sendo que, o módulo com o Greenflex (cor verde) ficou com o perfil de temperatura abaixo do módulo com material isolante (cor vermelha), não alcançando a equivalência de resistências, com isso foi realizado um novo ensaio utilizando dois isolantes, como demonstrado na Figura

7 Figura 5- Gráfico de temperatura vs. tempo (duas camadas de isolante) No ensaio representado pela Figura 5, temos um perfil de temperatura exterior (cor azul) ainda mais exótico em comparação com a Figura 4, formado pelas intempéries, por se tratar de medição em campo. Onde o oposto, em relação à Figura 4, ocorreu no módulo com duas camadas de material isolante (cor vermelha), tendo o perfil de temperatura ficado abaixo do perfil do módulo utilizando o Greenflex (cor verde). Na Tabela I estão representados alguns dados estatísticos para melhor compreensão dos resultados. Tabela I- Dados estatísticos Temperaturas médias C Camadas de Módulo com Módulo de isolamento Greenflex equivalência ΔT med. 1 32,36 32,88 0, ,9 30,42 0,48 Nos ensaios, com o sensor na posição central do módulo, a diferença de temperatura média foi à mesma para cobertura com o Greenflex. Com uma camada de isolante o ΔT médio ficou com 0,52 C acima da cobertura, já no ensaio com duas camadas de material isolante 0,48 C abaixo da temperatura. Com isso pode-se concluir que a resistência equivalente estaria com a espessura de 1,5 vezes da camada de isolamento

8 Na Tabela II temos os dados utilizados para cálculo da condutividade térmica equivalente. Tabela II- Dados utilizados no cálculo Condutividade térmica k Materiais (W/m K) Espessura L (m) EPP 0,033 0,0185 Greenflex - 0,123 Para esse caso temos as seguintes considerações: regime permanente, pois foram consideradas as temperaturas médias onde a transferência de calor é unidimensional, pois todas as áreas são iguais, as resistências de contato e trocas radiantes desprezadas, onde os dois módulos recebem o mesmo fluxo térmico. Desenho e circuito térmico equivalente demonstrado na Figura 6. Figura 6- Representação das resistências equivalentes nos módulos Para se obter o valor da condutividade térmica equivalente do Greenflex ( ), foi utilizado o Método de Equivalência de Resistências. A seguir é demonstrada a modelagem do, onde as resistências equivalentes dos módulos serão: 10172

9 (H) + (I) O valor do foi obtido igualando o fluxo térmico nos dois módulos, onde temos: (J) Na Tabela III temos os resultados dos ensaios de caracterização utilizando o método de resistências equivalentes. Tabela III- Coeficientes de Condutividade Térmica k (W/m.K) N de isolantes k (W/m.K) 1 isolante 0,238 2 isolantes 0, /2 isolantes 0,159 O resultado que tem como base para cálculo 1 1/2 camada de isolante não foi ensaiado, mas foi estimada esta espessura tomando como base as diferenças das temperaturas médias com 1 camada de isolamento e 2 camadas. Sendo que a diferença das médias variam cerca de 0,5 C para cima no primeiro ensaio, e para baixo no segundo ensaio referente ao módulo com o Greenflex. Esses resultados demonstram que a condutividade térmica do Greenflex fica na faixa de sistemas de isolamento não expandidos, como polímeros em geral [7]. CONCLUSÕES A utilização de coberturas verdes em telhados se apresenta como solução em isolamento térmico para ambientes domiciliares ou industriais. Sendo a 10173

10 literatura na área carente de métodos e técnicas na caracterização de propriedades térmicas destes materiais. Neste trabalho é apresentado um novo método de caracterização térmica, de coberturas verdes, o qual utiliza a resistência térmica equivalente de dois módulos, com e sem a cobertura verde, para se inferir quanto à condutividade térmica equivalente do material composto através da aplicação de balanços de energia relacionados com fenômenos de transferência de calor nos módulos. O valor do coeficiente de condutividade térmica equivalente k obtido nesse trabalho foi de 0,159 W/m.K, o que é compatível com materiais mau condutores de calor [7], o que comprova a eficácia dessa cobertura verde (Greenflex) como isolamento em edificações. REFERÊNCIAS [1] T. OSMUNDSON. Roofs gardens: history, design and construction. New York: W.W. Norton, [2] NIGEL DUNNETT, NOEL KINGSBURY. Planting Green Roofs and Living Walls. UK, Sheffield. Department of Landscape at the University of Sheffield [3] R. BELARBI, R. D. LASIE, S. OULBOUKHITINE. Characterization of green roof components: Measurements of thermal and hydrological properties. France, La Rochelle. University of La Rochelle, [4] D.J. SAILOR, M. HAGOS. An updated and expanded set of thermal property data for green roof growing media. USA, Portland. Department of Mechanical and Materials Engineering, Portland State University, [5] S.N. ONDIMU, H. MURASE. Combining Galerkin Methods and Neural Network Analysis to Inversely determine Thermal Conductivity of Living Green Roof Materials. Japan, Osaka. Bio-Instrumentation, Control and Systems (BICS) Engineering Laboratory, School of Life and Environmental Sciences, Osaka Prefecture University (OPU), [6] I. L. FERRAZ. O desempenho térmico de um sistema de cobertura verde em comparação ao sistema tradicional de cobertura com telha cerâmica. São Paulo: EPUSP, Tese, p. 95 [7] INCROPERA; DEWITT; BERGMAN; LAVINE. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC,

11 [8] GARCIA BLANCO, FLAVIO M. Trapoeraba uma planta daninha de difícil controle. Instituto biológico, comunicado técnico, [9] TAVARES NETO, P.A., CÂMARA, L. D. T. Base contínua para coberturas verdes de telhados ecológicos. INPI. BR março Temperature Dynamics in Characterization of Green Roof s in Polymeric Base ABSTRACT Green roofs are used from ancient societies to protect themselves from temperature changes. At work is an analysis of the dynamics of temperature fluctuations in the modules depending on the toppings used as thermal insulation. Temperature measurements were performed in two modules with asbestos tiles: one with a green cover and the other with insulating material. Was developed a method, called Equivalent Resistance Method for characterizing the equivalent conductivity coefficient (k), as the literature has no methods and / or techniques for that purpose. In the characterization study, the thermal coefficients of the substrates were obtained from the literature, but in the case of plants, there are few methods and / or data thermal properties of these materials. This method is basically to reach an equivalent thermal resistance of green cover with an insulating material of known thermal conductivity, ranging, for this, its thickness. Key-words: Thermal characterization, conductivity coefficient k, green roof, temperature dynamics 10175