DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE REFLECTÂNCIA SOLAR DE REVESTIMENTOS CERÂMICOS

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1 DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DE REFLECTÂNCIA SOLAR DE REVESTIMENTOS CERÂMICOS Maria Eduarda Xavier da Silva 1, Luiza Izabel Jacinto 1, Deivis Luis Marinoski 2, Márcio Celso Fredel 1, Luciana M. Schabbach 1, 3 1 CERMAT Núcleo de Pesquisas em Materiais Cerâmicos e Compósitos, Departamento de Engenharia Mecânica, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina. 2 CB3E - Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações, Departamento de Engenharia Civil e Mecânica, Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina. 3 Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Blumenau, Rua Pomerode, 710, Salto do Norte, Blumenau - SC luciana.maccarini@ufsc.br RESUMO Este trabalho teve como objetivo a caracterização de propriedades ópticas e térmicas (refletância à radiação solar e emissividade térmica) de revestimentos cerâmicos de fachada com seis diferentes colorações. Para a medida da emissividade térmica foi usando um emissômetro (D&S modelo AE1) e para refletância à radiação solar um espectrofotômetro UV-Vis-NIR (Lambda 1050). Determinando essas propriedades foi possível calcular o índice de refletância solar (SRI) dos revestimentos. O SRI indica a capacidade de uma superfície de refletir a radiação solar e dissipar calor, reduzindo o aumento de temperatura causada pela incidência da radiação solar. Ele é o parâmetro usado no sistema de certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) para avaliar a performance de elementos opacos nas construções. Os SRI das amostras estão entre 72 e 22. Duas das amostras apresentaram SRI inferiores a 29, o que as coloca abaixo do requisito mínimo do LEED para pavimentos. Palavras-chave: reflectância solar, emissividade térmica, certificação LEED.

2 INTRODUÇÃO Os elementos de edificações desempenham um papel importante no equilíbrio térmico de uma cidade. Quando expostos à radiação solar, podem ser classificados em opacos e/ou transparentes ou translúcidos. Os materiais transparentes são aqueles que permitem a transmissão direta de boa parte da radiação solar, enquanto os materiais opacos são aqueles que somente refletem e absorvem essa radiação, sendo que a capacidade de refletir a radiação está diretamente relacionada com a cor e a textura do revestimento externo. Uma forma de quantificar o comportamento da superfície do material perante a incidência de luz solar é determinar o SRI (índice de reflectância solar). Esse índice é uma medida da capacidade de uma superfície de refletir a radiação solar reduzindo o aumento de temperatura causada pela absorção da radiação pela mesma e, é função da emissividade térmica e do coeficiente de refletância solar. A certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) (1), um dos sistemas de certificação de edifícios mais difusos no mercado norte americano e de interesse mundial prevê a atribuição de pontos ao edifício, em base a alguns requisitos usados para seu projeto e construção. Os materiais cerâmicos utilizados podem contribuir para a pontuação quanto ao conteúdo de material reciclado na sua composição, o uso de matérias-primas regionais para sua fabricação, na inovação e design (funcionalidade) e no efeito ilha de calor. Em específico, na certificação LEED no que se refere ao requisito Efeito ilha de calor os materiais cerâmicos opacos utilizados (revestimentos, telhas, placas cerâmicas, etc.) podem contribuir para obtenção de créditos através da determinação do Índice de reflectância solar (SRI) desses materiais. Em linhas gerais materiais para pavimentação que apresentarem SRI 29 contribuem para a pontuação no requisito Efeito Ilha de calor da certificação LEED. Já no caso de tetos e coberturas o valor de SRI que os materiais teriam que atender depende da inclinação na obra (SRI 29 alta inclinação; SRI 78 baixa inclinação). (1) Portanto, a determinação do Índice de refletância solar (SRI) de revestimentos cerâmicos seria o critério fundamental para avaliar o desempenho térmico de tais tipologias e estariam contribuindo para a diminuição do Efeito Ilha de Calor. (1) O Índice de Refletância Solar (SRI) é obtido segundo a norma ASTM E1980 (Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low

3 Sloped Opaque Surfaces). Ele estima a capacidade de uma superfície em refletir a radiação solar recebida, tomando como base a temperatura de um padrão negro (Tb) e de um padrão branco (Tw), em condições ambientais normais. Define-se como padrão negro um material com refletância de 0,05 e emitância de 0,9. O padrão branco tem uma refletância de 0,8 e emitância de 0,9. Para estes parâmetros de entrada o SRI pode variar de 0 a 100 (padrão negro e padrão branco respectivamente). O SRI pode ser obtido a partir da equação (A): Para uma superfície exposta ao sol e isolada na parte inferior, a temperatura superficial de equilíbrio T s é obtida a partir da equação (B) (ASTM E ): Onde: α = absorbância solar = 1 - refletância solar ε = emissividade térmica Ts = temperatura superficial em estado estacionário (K) h c = coeficiente convectivo (W.m -2. K -1 ). Dada a refletância solar e a emissividade térmica de uma superfície, a norma especifica propõe calcular o SRI usando três valores do coeficiente convectivo (hc): 5,12 e 30 m -2. K -1, que correspondem à baixa, média e alta condição do vento, respectivamente. (2) Portanto, o cálculo do SRI depende de dois fatores essenciais: a absorbância solar (α) ou refletância solar e a emissividade térmica (ε). A refletância solar é definida como o quociente da taxa de radiação solar refletida por uma superfície pela taxa de radiação solar incidente sobre esta mesma superfície. (3) É fato conhecido que a cor de uma superfície opaca fornece boa indicação de sua capacidade de absorção da radiação solar. Quanto mais clara e brilhante, menor a absorção e, consequentemente, maior a reflexão. Também a cor

4 da pintura externa possui um efeito significativo no ganho de calor, sendo possível, através de sua escolha adequada, atenuá-lo significativamente. (4) A refletância é uma grandeza adimensional, frequentemente apresentada em forma de porcentagem. Refletância zero (0) indica que não há reflexão; refletância um (1), indica que toda a radiação é refletida. A emissividade é a capacidade de um objeto emitir radiação eletromagnética quando o comparamos com o chamado "corpo negro" para a mesma temperatura e comprimento de onda. A energia emitida é proporcional à quarta potência da temperatura de um objeto. Emissividade pode ser um valor de zero (0), como a refletida por um espelho até um (1), como a do corpo negro teórico. Muitos materiais orgânicos, revestidos ou superfícies oxidadas podem ter valores de emissividade próximos de 0,95. (5) Nesse contexto o presente trabalho tem como objetivo determinar propriedades ópticas e térmicas de revestimentos cerâmicos usados em fachadas e determinar o Índice de Refletância Solar (SRI), a fim de verificar se produtos com este acabamento se enquadrariam nos em critérios da certificação LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) Green Building Council. MATERIAIS E MÉTODOS Para as avaliações da refletância solar apresentadas neste estudo foram selecionadas seis amostras de revestimentos cerâmicos normalmente usados em fachadas (Figura 1). Amostras de 5 x 5 cm foram preparadas e previamente identificadas para a realização das medidas (como mostra a Figura 2). Figura 1 Revestimentos cerâmicos de fachada avaliados.

5 Figura 2 Identificação das amostras de revestimentos cerâmicos avaliadas. As medidas de refletância solar foram realizadas com espectrofotômetro UV-VIS-NIR (modelo Lambda 1050), com esfera integradora de 150 mm, faixa espectral de 160 a 2500 nm, segundo norma ASTM E903 (Standard Test Method for Solar Absorptance, Reflectance, and Transmittance of Materials Using Integrating Spheres). Já as medidas de emissividades térmicas foram realizadas com um emissômetro modelo AE1, com 2 amostras padrão para calibração: alta emitância (0,88) e baixa emitância (0,06), de acordo com a Norma ASTM C1371 (Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers). (6) Após obtenção das medidas de refletância solar e emissividade térmica das telhas, procedeu-se com o cálculo dos SRI, de acordo com as Equações (A) e (B), usando três valores de coeficiente convectivo (baixo, médio e alto, 5, 12 e 30 W.m -2. K -1, respectivamente) como estabelece a Norma ASTM C1371. Com os valores de SRI determinados procedeu-se com a averiguação se estes se enquadravam dentro dos critérios estabelecidos pela certificação LEED. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Tabela 1 apresenta os valores de refletância solar total (absoluta) obtida nas medições das seis amostras de revestimentos cerâmicos de fachada realizadas com o espectrofotômetro. Como esse equipamento fornece os valores de refletância por comprimento de onda, os resultados foram processados em planilhas eletrônicas visando obter uma integral de área para cada curva ajustada ao espectro solar

6 padrão. A partir deste tratamento foram obtidos os valores totais de refletâncias solar apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Refletância solar dos revestimentos cerâmicos. Amostra Reflectância Solar (ρ) 1 0, , , , , ,257 Na Figura 3 são apresentadas as curvas de refletância solar paras as seis amostras de revestimentos de fachada. Observa-se que as amostras 1, 2 e 3 (mais claras) apresentam maior percentual de refletância solar. Percebe-se, porém, que a curva obtida para a amostra 3 ficou acima da curva obtida para a amostra 2 em grande parte do espectro (a partir de 500 nm), ou seja, seria esperado que sua refletância solar fosse maior. Isso não é observado na Tabela 1, onde se observa que a refletância solar total absoluta é praticamente análoga à da amostra 2. Na Figura 4 é evidenciado a refletância das amostras somente na região do ultravioleta próximo e visível ( nm). Nesse caso é possível observar que a amostra 2 tem um percentual de refletância maior nos comprimentos de onda abaixo de 630 nm. A partir desse comprimento de onda a amostra 3 passa a refletir mais, seguindo esse comportamento até para comprimentos de onda no infravermelho próximo ( nm). Portanto, embora aparentemente a amostra 2 seja de coloração de aparência mais clara, esta tem baixa refletância na região do infravermelho próximo. Desta forma, observa-se que embora algumas cores que refletem mais na região do visível, não necessariamente têm maior refletância na região do infravermelho. Isso explica os valores similares de refletância solar total (absoluta) obtidos para as amostras 2 e 3.

7 Figura 3 Curvas de refletância solar dos revestimentos cerâmicos de fachada. Não foram observadas diferenças significativas para as emissividades das amostras (Tabela 2), ou seja, foram encontrados valores bem próximos para todas as amostras, Os resultados obtidos já eram esperados, já que a emissividade de um material cerâmico fica na faixa de 0,85-0,95. (8) O SRI é função da emissividade térmica e do coeficiente de refletância solar. A Tabela 3 apresenta os valores de SRI calculados para os três valores de hc (coeficiente convectivo), conforme a norma ASTM E1980. De acordo com a Tabela 3, observa-se que as amostras 2 e 3 possuem praticamente os mesmos valores de SRI, embora sejam de coloração bem diferentes. Isso pode ser explicado pelos diferentes percentuais de refletância dessas amostras em comprimentos de onda do espectro, como já mencionado anteriormente. Já a amostra 1 (coloração mais clara) apresenta o mais alto valor de SRI, o que significa que possui alta capacidade de refletir a radiação solar. A amostra 4 (coloração bastante usada) apresentou SRI intermediário entorno de 40. Já as amostras 5 e 6 mostraram valores de SRI na faixa 32 a 22, aproximadamente. Embora o LEED não estabeleça um limite de SRI para fachadas, um comparativo com o requisito de pisos (SRI 29) mostra que pelo menos 2 amostras não atenderiam esta condição para todos os hc padronizados.

8 Reflectância (%) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Amostra 4 Amostra 5 Amostra Comprimento de Onda (nm) Figura 4 Curvas de refletância na faixa do UV-visível dos revestimentos cerâmicos de fachada. Tabela 2 Valores de emissividade absolutos para os revestimentos cerâmicos Amostras Emissividade (Ɛ) 0,82 0,84 0,84 0,84 0,84 0,85 Tabela 3 Valores de SRI calculados segundo norma ASTM E1980. SRI Amostras hc = 5 70,43 57,16 57,02 40,38 28,10 22,51 hc = 12 71,75 58,47 58,34 42,00 29,95 24,21 hc = 30 72,90 59,63 59,49 43,43 31,58 25,73 CONCLUSÃO A partir dos resultados obtidos evidenciou-se uma grande variação do SRI entre materiais de composição cerâmica, mas com acabamento estético diferenciado. Para as seis amostras avaliadas o SRI variou na faixa entre 72 e 22 aproximadamente, sendo que as amostras 5 e 6 obtiveram resultados inferiores a

9 SR=29, o que as coloca até mesmo abaixo do requisito mínimo do LEED para aplicação em pisos. No Brasil, ainda há poucas pesquisas a respeito do comportamento dos materiais frente à radiação solar. Por isso, existe a necessidade de estudos e caracterizações das propriedades térmicas e ópticas dos materiais e componentes construtivos. Isso permitirá que seja possível incorporar no mercado, cada vez mais, produtos que contribuam à sustentabilidade ambiental. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo apoio financeiro disponibilizado para a realização desse trabalho de pesquisa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Green Building Council Brazil. Disponível em: Acesso em: 8 de abril de (2) ASTM International. E1980 Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces (Fragment). [online]. Disponível em: Acesso em: 12 de maio de (3) Terminologia Sobre Refletância. [online]. Disponível em: Acesso em: 06 de abril de (4) Medidas de Refletância de Cores de Tintas Através de Análise Espectral. [online]. Disponível em: ufrgs.br/ambienteconstruido/article/download/3452/1871 Acesso em: 08 de abril de (5) Prof. Jarbas H. Miranda. Capítulo 3: Radiação Térmica. [notas de aula]. (6) ASTM International. G173-03e1 Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37 Tilted Surface 2003 (Fragment). (7) Marinoski D.L; Orige, L. P.; Guesser, A.; Günths, S.: Lamberts, R. Análise comparativa de valores de refletância solar de superfícies opacas utilizando diferentes equipamentos de medição em laboratório. In: XII Encontro Nacional e VIII

10 Encontro Latino Americano de Conforto no Ambiente Construído (ENCAC e ELACAC 2013), 2013, Brasília-DF. Anais do ENCAC (8) Frota A. B. Manual de Conforto Térmico. Tabela 1 Valores de Coeficientes de Absorção (α) e Emissividade (ε) pág DETERMINATION OF SOLAR REFLECTANCE INDEX IN CERAMIC TILES FOR USE OUTSIDE ABSTRACT This study aimed to characterize optical and thermal properties (absorption of solar radiation and thermal emissivity) of ceramic tiles for use outside of different colors.. To measure the thermal emissivity was using an emissometer (D & S pattern SA1) and the solar radiation a spectrophotometer UV-Vis-NIR (NIR Lambda 1050). With the determination of these properties was possible to calculate the solar reflectance index (SRI) of the coatings. SRI indicates the ability of a surface to reflect solar radiation reducing the temperature rise caused by absorption of radiation, the parameter being used in LEED system (Leadership in Energy and Environmental Design) to evaluate the performance of opaque elements in constructions. The study revealed that SRI values are between 72 and 22. In particular two samples showed SRI lower than 29, which place them below the minimum requirement of LEED floor. Key-words: solar reflectance, thermal emissivity, LEED certification.