DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR DE VIDROS PLANOS UTILIZANDO UM CALORÍMETRO SOLAR

DETERMINAÇÃO DO FATOR SOLAR DE VIDROS PLANOS UTILIZANDO UM CALORÍMETRO SOLAR Deivis Luis Marinoski 1 ; Saulo Guths 2 ; Roberto Lamberts 1 1 LabEEE - Laboratório de Eficiência Energética em Edificações UC - Universidade Federal de Santa Catarina CTC/ECV/NPC/LabEEE, Caixa Postal 476 CEP 88040-970 2 LMPT - Laboratório Meios Porosos e Propriedades Termofísicas UC - Universidade Federal de Santa Catarina CTC/EMC/LMPT, Caixa Postal 476 CEP 88040-970 E-mail: deivis@labeee.ufsc.br E-mail: saulo@lmpt.ufsc.br E-mail: roberto.lamberts@ufsc.br Resumo O conhecimento das propriedades das janelas e seus componentes é essencial para a avaliação do conforto e da eficiência energética dos edifícios. Uma destas propriedades é o Fator Solar (), conhecido internacionalmente como Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). O Fator Solar é um dos mais importantes índices de desempenho energético de vidros e janelas. Este trabalho apresenta os resultados da medição do fator solar de três tipos de vidros planos comumente utilizados nas edificações brasileiras (vidro verde 6mm; vidro refletivo prata neutro 8mm laminado; e vidro plano incolor 6mm). As medições foram realizadas em campo, sob condições climáticas reais, utilizando um calorímetro solar. As amostras foram submetidas a dois métodos de medição (fluximétrico e calorimétrico). Os resultados apresentam os valores do fator solar medidos para cada tipo de vidro, sendo estes também comparados entre si e com valores obtidos a partir do processo de cálculo proposto pela ISO 9050. Palavras-chave: Vidros, Fator Solar, Calorímetro, Métodos de medição. Abstract The knowledge of the properties of windows and its components is essential to evaluate the comfort and energy efficiency of buildings. Solar Factor (SF) or Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) is one of the most important indexes of energy performance of glasses and windows. This work presents the results of measuring the Solar Factor of three types of flat glass commonly used in Brazilian buildings (green glass 6mm, neutral silver reflective laminate glass 8mm, and colorless flat glass 6mm). Measurements were performed in the field under real weather conditions using a solar calorimeter. The samples were subjected to two measuring methods (fluximétrico and calorimetric). The results show the Solar factor values measured for each type of glass. The Solar factor values are compared with each other and also are compared with values obtained from calculation process proposed by the ISO 9050. Keywords: Glass, Solar Factor, Calorimeter, Measurement methods. 1. INTRODUÇÃO As janelas podem ocupar desde uma pequena fração da área da fachada ou até mesmo chegar a compor grandes paredes envidraçadas, constituindo a maior parte do envelope construtivo. Por isso, em muitos casos, elas são consideradas um elemento dominante na aparência da edificação. A variedade de formas, cores e materiais utilizados permitem modificações na aparência e na estética arquitetônica. Além dos fatores estéticos, as aberturas apresentam originalmente outras funções, tais como permitir a passagem da luz e a ventilação. Também é 1280

reconhecida a sua influência psicológica ao promover satisfação, saúde e produtividade para os ocupantes (CARMODY et al., 2004). No entanto, com a evolução da tecnologia, algumas dessas funções passaram a ser supridas através de sistemas artificiais, visando o conforto e a manutenção de condições ambientais estáveis de moradia e trabalho. Deste modo, atrelou-se diretamente as janelas e aberturas ao consumo de energia. A radiação solar incidente nas janelas é um fator muito significativo sobre o consumo de energia gerado pelas cargas de resfriamento e aquecimento. Reilly e Hawthorne (1998) realizaram um estudo avaliando a influência da transmitância térmica e do ganho de calor solar através de janelas sobre o consumo de energia com condicionamento de ambientes residenciais dos EUA. Estima-se que para a cidade de Miami (resfriamento predominante), o ganho de calor solar é responsável por 37% do consumo de energia com condicionamento. Li e Lam (2000), por meio de estudos e simulações energéticas de edifícios comerciais na cidade de Hong Kong, também mostraram que o consumo de energia com ar condicionado está entre 50% e 60% do uso total de energia elétrica. Neste caso o ganho de calor solar, principalmente por aberturas, foi o maior responsável pela carga de resfriamento. Fica evidente que principalmente em regiões de clima quente, como é o caso do Brasil, o ganho de calor solar através das aberturas está diretamente associado ao aumento da carga térmica no interior da edificação. Assim, o conhecimento das propriedades das janelas e seus componentes (vidros, esquadrias, etc) passa a ser essencial para a avaliação global da eficiência energética dos edifícios. Uma destas propriedades é o Fator Solar (), conhecido internacionalmente como Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). O Fator Solar é um importante índices de desempenho energético de janelas e aberturas. Este índice representa a fração de ganho térmico devido à radiação solar que a abertura transmite diretamente, somada à parcela que é absorvida e re-emitida pela própria abertura para o interior da edificação. Sua definição é expressa na Equação [01], onde τ e α são propriedades ópticas (transmitância e absortância) de cada elemento, e N é a fração de fluxo de calor absorvido que chega ao interior da edificação (ASHRAE, 2005). Estas propriedades ópticas, por sua vez, são dependentes do ângulo de incidência (θ) e do comprimento de onda. O Fator Solar é dado como um número adimensional entre 0 e 1. Este valor pode ser especificado apenas para o vidro ou ser indicado para todo o conjunto da janela. ( θ, λ) = τ ( θ, λ) + Nα( θ, λ) [Eq. 01] Este tipo de informação, associada à simulação computacional e outros processos de análise, possibilita a elaboração de projetos de edificações melhores e mais eficientes. Os calorímetros solares são dispositivos utilizados nas pesquisas relacionadas com a avaliação de desempenho térmico de janelas. Através destes sistemas é possível a realização de medições para determinar a quantidade de calor que cruza o plano da janela sob condições reais de utilização ou situações específicas de teste. Este trabalho apresenta os resultados da medição do fator solar de três tipos de vidros planos comumente utilizados nas edificações brasileiras. As medições foram realizadas em campo utilizando um calorímetro solar sendo as amostras submetidas a dois métodos de medição. Os resultados apresentam os valores do fator solar medidos para cada tipo de vidro, sendo estes também comparados entre si e com valores obtidos a partir do processo de cálculo proposto pela norma ISO 9050 (ISO, 2003). 1281

2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Calorímetro Este equipamento foi desenvolvido para a realização de medições em campo do de vidros e aberturas completas. O calorímetro consiste em uma estrutura tipo trailer que abriga a instrumentação, e possui em uma lateral duas aberturas (cavidades) para fixação das amostras que serão testadas. Na abertura de maiores dimensões (1490mm x 1190mm, denominada cavidade principal) é possível fixar vidros, janelas com esquadrias e proteções solares internas e externas. Na abertura de menores dimensões (500mm x 500mm, denominada cavidade secundária) é possivel realizar testes com chapas de vidros planos. Na cavidade principal é aplicado o processo de medição calorimétrico onde a passagem de um fluxo de água através de serpentinas em contato com a estrutura da cavidade remove o calor ganho através da amostra. Já na cavidade secundária é aplicado o processo de medição fluximétrico com o uso de sensores de fluxo que geram um sinal elétrico proporcional ao fluxo de calor que passa através da amostra. Marinoski (2010) apresentou o projeto, construção e calibração do calorímetro (Figura 1). 2.2 Amostras de vidros Figura 1. Vista externa do calorimetro Três tipos de vidros foram instalados no calorímetro para determinação do. Estes vidros foram: Vidro plano verde 6mm; Vidro refletivo prata neutro 8mm (laminado Cool-lite 4+4mm); Vidro plano incolor 6mm. Todas as amostras de vidros foram produzidas pela empresa Cebrace Cristal Plano Ltda. O vidro verde e incolor 6mm é do tipo float, que é um vidro plano com espessura uniforme e massa homogênea. Já o vidro da linha Laminado Refletivo Cool-lite caracteriza-se por ser composto por duas chapas de vidro intercaladas com uma película plástica (PVB), uma com face metalizada à vácuo e outra do tipo float. As propriedades ópticas destes três tipos de vidros foram determinadas em laboratório por Caram (2002) para ângulos de incidência entre 0 e 80. A Tabela 1 apresenta estas 1282

propriedades juntamente com uma imagem ilustrativa da amostra destacando o efeito da sua transparência. Para estes vidros, foram adotados valores de emissividade (igual 0,84 nas duas faces) e condutividade térmica (igual a 1,000W/mK) obtidos a partir da International Glazing Database (IGDB v11.4) para produtos semelhantes. Tabela 1. Propriedades ópticas dos vidros (CARAM, 2002) Material Vidro verde 6mm Material Vidro prata 8mm Material Vidro incolor 6mm Propriedades ópticas totais Ângulo (300-2000nm) Absorção Reflexão Transmissão 0 39 7 54 10 39 7 54 20 40 7 53 30 40 8 52 40 40 10 50 50 43 11 46 60 42 15 43 70 39 26 35 80 30 50 20 Propriedades ópticas totais Ângulo (300-2000nm) Absorção Reflexão Transmissão 0 53 28 19 10 53 28 19 20 54 28 18 30 54 28 18 40 54 29 17 50 54 30 16 60 53 32 15 70 48 39 13 80 35 56 9 Propriedades ópticas totais Ângulo (300-2000nm) Absorção Reflexão Transmissão 0 9 10 81 10 9 10 81 20 9 10 81 30 9 11 80 40 10 12 78 50 11 14 75 60 11 18 71 70 10 30 60 80 11 53 36 2.3 Medições Nas medições, as chapas de vidro (1490mm x 1190mm na cavidade principal; 500mm x 500mm na cavidade secundária) foram instaladas no calorímetro na posição vertical e orientação norte. Em nenhuma das amostras foi utilizada esquadria, sendo a fixação e vedação dos elementos realizada diretamente ao longo do marco de madeira que delimita a abertura das cavidades. 1283

Os testes com os três tipos de vidros foram realizados em condições que permitiram um tempo mínimo de medição de 30min. O período de estabilização das cavidades que antecede o tempo efetivo de medição também variou de teste para teste, mas em nenhum caso foi inferior a 50 minutos. Todas as medições foram realizadas no intervalo de tempo entre às 11h da manhã e às 14h da tarde, durante diferentes dias dos meses de julho e agosto. A amplitude do ângulo de incidência da radiação solar atingida em todas as medições neste período ficou dentro do intervalo de 40 e 50. Em relação à condição de difereça de temperatura ( T) cavidade-vidro, está foi mantida sempre com um valor negativo, ou seja, com a temperatura da cavidade obrigatoriamente abaixo da temperatura do vidro, conduzindo assim o fluxo de calor na direção do interior da cavidade. Detalhes sobre a instrumentação, procedimentos de controle e metodologia de medição empregada nos testes com o calorímetro são aprensetados detalhadamente por Marinoski (2010). 2.4 Cálculo do com a Norma ISO 9050 A Equação [02] apresenta o cálculo para estimar o conforme procedimento da ISO 9050, onde: τ e = Transmitância solar direta (adimensional) e q i = Fração de calor absorvida pelo vidro e retransmitida para o interior (adimensional). = τ e + q i [02] No caso do vidro simples, a fração de calor retransmitida para o interior (q i ) pode ser calculada através da Equação [03] também proposta pela ISO 9050: q h i i = α e [03] he+ hi Onde: α e = Absortância solar da face externa do vidro (adimensional); h i = Coeficiente de transferência de calor no lado interno do vidro (W/m 2 K); h e = Coeficiente de transferência de calor no lado externo do vidro (W/m 2 K). Para obter o valor de teórico através da ISO 9050, foram utilizados na Equação [03] proposta pela norma, os coeficientes de troca (h) médios determinados segundo as condições reais do período de cada medição. Os processo de determinação destes coeficientes é apresentado por Marinoski (2010). 3. RESULTADOS No total foram realizados 8 medições em dias diferentes (três medições com o vidro verde, três com o prata, e duas com o incolor 6 mm). O Quadro 1 ilustra de forma gráfica o resultado da medição do através dos dois métodos (calorimétrico na CP e fluximétrico na CS), de apenas um dia teste para cada tipo de vidro. 1284

Quadro 1. Resultados de Fator Solar () CP (cavidade Principal) CS (cavidade secundária) 0,75 0,70 0,65 = 0,61 (ISO 9050 adap) cp teórico médio 0,75 0,70 0,65 = 0,60 (ISO 9050 adap) cs teórico médio Teste 17/7/2009 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 = 0,52 (médio medido) 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 = 0,53 (médio medido) 0,35 0,35 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vidro verde 6mm 0,40 0,35 0,30 = 0,31 (ISO 9050 adap) cp teórico médio 0,40 0,35 0,30 = 0,29 (ISO 9050 adap) cs teórico médio Teste 5/8/2009 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 = 0,21 (médio medido) 0,00 0 10 20 30 40 50 60 Vidro prata 8mm 0,25 0,20 = 0,21 (médio medido) 0,15 0,10 0,05 0,00 0 10 20 30 40 50 60 1,00 0,95 cp teórico médio 1,00 0,95 cs teórico médio Teste 12/8/2009 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 = 0,77 (ISO 9050 adap) = 0,81 (médio medido) = 0,78 (ISO 9050 adap) = 0,79 (médio medido) 0,60 0,60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Vidro incolor 6mm Observou-se nas medições de para os três diferentes vidros testados que a CS tem maior estabilidade de medição, com o desvio padrão chegando a no máximo ±0,02 (absoluto). A CP, por sua vez, manteve uma faixa de desvio padrão entre ±0,05 e ±0,08 (absoluto). Apesar desta diferença na estabilidade dos valores instantâneos medidos em cada cavidade, os resultados do médio encontrado em cada uma delas para o mesmo teste foi sempre bastante próximo, tanto na fase de calibração (MARINOSKI, 2010) e também agora, como mostra a Tabela 2. Outra análise importante sobre os resultados das medições é a comparação com os valores estimados pela ISO 9050. Levando isso em conta, é interessante nesta comparação, que tanto na CP quanto na CS, o vidro com menor absorção (incolor 6mm) apresenta uma maior aproximação entre os dois resultados de (medido e teórico), com uma diferença máxima 1285

de 5,2%. Já à medida que os vidros se tornam mais absorventes, esta diferença cresce, ficando entre 5,1% e 16,9% para o vidro verde, e entre 27,3% e 32,3% para o vidro prata. Essas diferenças podem ser observadas na Tabela 3 para todos os oito testes. Tabela 2. Comparação entre médio obtido na CP e na CS Amostra TESTE médio na CP médio na CS Diferença no médio (CP-CS) 17/7/2009 0,52 0,53-0,01 Vidro verde 6mm 29/7/2009 0,54 0,56-0,02 30/7/2009 0,49 0,52-0,03 3/8/2009 0,21 0,21 0,00 Vidro prata 8mm 4/8/2009 0,24 0,21 0,03 5/8/2009 0,21 0,21 0,00 Vidro incolor 12/8/2009 0,79 0,81-0,02 6mm 14/8/2009 0,76 0,80-0,04 A explicação para este aumento na diferença entre os valores teóricos e experimentais pode ser relacionada com duas questões. Primeiro, à medida que quantitativamente a energia (calor) transmitida pelo vidro diminui, aumentam as incertezas no resultado do obtido na medição. Segundo, existe a possibilidade da razão entre coeficientes de troca (hi/(hi+he)), usada no equacionamento da Norma ISO 9050, superestimar a parcela absorvida e reemitida pelo vidro para interior do calorímetro. Por isso, nos vidros mais absorventes a diferença entre o medido e teórico é maior, visto que neste caso a parcela de ganho devido à absorção tem maior peso na composição do. E ainda uma terceira hipótese é que o calorímetro não esteja sendo sensível a toda à fração absorvida e reemitida pelo vidro para o interior conforme considerada pela ISO 9050, visto que os valores medidos para os vidros mais absorventes (verde e prata) são sempre inferiores aos valores estimados com a Norma. Isto poderia ser corrigido, pois o aumento do T cavidade-vidro pode causar o aumento desta fração e melhorar a aproximação com os valores teóricos. No entanto, esta questão ainda fica em aberto, visto que a ISO 9050 não estabelece condições de temperatura. Amostra TESTE médio na CP Tabela 3. Comparação entre o medido e teórico teórico (ISO9050 adaptada)* Diferença (absoluta) Diferença (%) médio na CS teórico (ISO9050 adaptada)* Diferença (absoluta) Diferença (%) Vidro 17/7/2009 0,52 0,61 0,09 14,8% 0,53 0,60 0,07 11,7% verde 29/7/2009 0,54 0,60 0,06 10,0% 0,56 0,59 0,03 5,1% 6mm 30/7/2009 0,49 0,59 0,10 16,9% 0,52 0,58 0,06 10,3% Vidro prata 8mm Vidro incolor 3/8/2009 0,21 0,30 0,09 30,0% 0,21 0,29 0,08 27,6% 4/8/2009 0,24 0,33 0,09 27,3% 0,21 0,31 0,10 32,3% 5/8/2009 0,21 0,31 0,10 32,3% 0,21 0,29 0,08 27,6% 12/8/2009 0,79 0,78-0,01-1,3% 0,81 0,77-0,04-5,2% 6mm 14/8/2009 0,76 0,78 0,02 2,6% 0,80 0,78-0,02-2,6% *O termo adaptada se refere à aplicação dos coeficientes de troca (h) para as condições reais de teste em lugar dos valores de h padronizados pela Norma. 1286

4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Destaca-se inicialmente a importância do desenvolvimento experimental para avaliação de componentes construtivos nas condições e escalas reais de aplicação, como é o caso do calorímetro apresentado. No entanto, neste tipo de pesquisa são comuns também as dificuldades na realização de medições em campo, pois estas muitas vezes estão sujeitas às variações ambientais desfavoráveis que limitam os testes. Além disso, quedas acidentais no funcionamento do sistema de aquisição e controle também podem prejudicar algumas leituras. A respeito das medições, observou-se que a medição na Cavidade Secundária (processo de medição fluximétrico) tem melhor estabilidade, com o desvio padrão nos valores do chegando a no máximo ±0,02 (absoluto). Já a Cavidade Principal (processo de medição calorimétrica por circulação de água) manteve uma faixa de desvio padrão entre ±0,05 e ±0,08 (absoluto). Este desvio mais elevado da CP já era esperado, uma vez que o cálculo do ganho de calor nesta cavidade está associado à temperatura da água ( T entrada e saída). Para esta variável o processo de medição está sujeito a mais incertezas, geradas por fatores tais como o movimento do fluido nas tubulações e pelo próprio controle da temperatura da água após a passagem pela cavidade (resfriamento). Mas apesar desta diferença na estabilidade dos valores instantâneos medidos em cada cavidade, os resultados do médio encontrado em cada uma delas, para o mesmo teste, foi bastante reduzida, não passando de 0,04 (absoluto). A comparação entre os valores medidos e os valores teóricos (estimados pela ISO 9050) mostrou que, tanto na CP quanto na CS, o vidro com menor absorção (incolor 6mm) apresenta uma maior aproximação entre os dois resultados de (medido e teórico), com uma diferença máxima de 5,2%. Por outro lado, à medida que os vidros se tornam mais absorventes esta diferença passa a crescer, ficando entre 5,1% e 16,9% para o vidro verde, e entre 27,3% e 32,3% para o vidro prata. Esta diferença pode ser relacionada a fatores como a baixa energia (calor) transmitida em vidros com menor, o que aumenta as incertezas no resultado; também à possibilidade da parcela absorvida e reemitida para o interior estar sendo superestimar pela relação entre os coeficientes de troca adotada pela norma; e ainda a dificuldade do método de medição aplicado na CP para quantificar frações reduzidas de calor. Apesar das dificuldades e incertezas das medições, é possivel afirmar que o calorímetro possibilita uma avaliação quantitativa coerente com o processo matemático de estimativa do fator solar apresentado na ISO 9050. REFERÊNCIAS ASHRAE. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE Fundamentals Handbook 2005. Chapter 31 Fenestration. Atlanta, GA, USA, 2005. CARAM, R.M. Estudo e caracterização de fachadas transparentes para uso na arquitetura: ênfase na eficiência energética. São Carlos, 2002. Texto de Livre-Docência, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. CARMODY, J.; SELKOWITZ, S.; Lee, E.; DARIUSH, A.; WILLMERT, T. Window Systems for High- Performance Buildings. 1a Edição, NY, USA, 2004. ISO 9050. Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance and related glazing factors. International Organization for Standardization, 2003. 1287

LI, D. H. W. and LAM, J. C. Solar heat gain factors and the implications to building designs in subtropical regions. Energy and Buildings v. 32, p. 47-55, 2000. MARINOSKI, D. L. Desenvolvimento de um calorímetro para determinação do fator solar de vidros e janelas. Tese de Doutorado, UC, 2010. REILLY, S. and HAWTHORNE, W. The impact of windows on residential energy use. ASHRAE Transactions, TO-98-10-1, p. 791-798, 1998 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, CAPES, e FURNAS S.A. pelos recursos financeiros aplicados no financiamento deste estudo. Nosso agradecimento também à empresa Cebrace Vidros pelo fornecimento das amostras utilizadas nas medições. 1288