AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE ISOLANTES TÉRMICOS POR REFLEXÃO, UTILIZADOS
COMO SUBCOBERTURAS1.
CARLOS ALBERTO NEME DARÉ2, LUIZ ANTONIO TARGA3 e MÁRIO MORIO ISA4
1
2
3
4
Extraído da dissertação de mestrado do primeiro autor intitulada: Avaliação da eficiência de isolantes
térmicos por reflexão, utilizados como subcoberturas.
Aluno do Programa de Pós Graduação em Agronomia – Energia na Agricultura – FCA/UNESP,
Botucatu/SP.
Orientador e docente do Departamento de Engenharia Rural, FCA/UNESP, Botucatu/SP.
[email protected]
Co-orientador e docente do Departamento de Engenharia Civil, FEB/UNESP, Bauru/SP.
[email protected]
RESUMO
Este trabalho teve como objetivo avaliar o desempenho térmico de cinco tipos de isolantes térmicos por
reflexão, tipo “foil”, utilizados como subcoberturas para telhados. Para isto, construiram-se modelos
reduzidos de coberturas, empregando-se telhas cerâmicas apoiadas em estrutura de madeira. Sob as telhas
instalaram-se os isolantes (subcoberturas). Para simular a radiação solar, foi utilizado um sistema
constituído por duas lâmpadas incandescentes de 150 W de potência. Na determinação da taxa de
transferência de calor, foram utilizados seis termopares localizados na parte superior, inferior e no
ambiente externo do conjunto experimental. Estes termopares foram conectados em microprocessadores
de alta resolução (registrador gráfico), permitindo o monitoramento das temperaturas a cad minuto, até
alcançarem valores estáveis da radiação. Os resultados obtidos demonstraram uma eficiência média de
68,6% dos telhados com o uso de subcoberturas, em relação ao telhado sem subcobertura (referência),
demonstrando, assim, a importância destas no desempenho térmico das construções rurais e urbanas.
Palavras-chaves: materiais de construção, isolante térmico, subcobertura.
Energ. Agric., Botucatu, vol. 20, n. 2, 2005, p.14-29
Daré, Targa & Isa
- Avaliação da eficiência de isolantes... -
EVALUATION OF THE THERMAL INSULATORS BY REFLECTION, UTILIZED AS
SUBCOVERINGS
SUMMARY: This experiment aimed to evaluate the thermal performance of five types of subcoverings
utilized as thermal insulators. In order to do this, reduced patterns of subcoverings were constructed, with
ceramic tiles, supported by wood structures. The subcoverings were placed the under the tiles., A system
consisting of two incandescent lamps of 150 Watts power was utilized to simulate the incident zenithal
solar radiation. Six thermocouples placed on the upper, lower and on the external surroundings of the
experimental set were used to determine the rate of heat transference. These thermocouples were
connected to a high resolution microprocessor (graphic record), allowing the temperature control every
minute, until reaching stable radiation values, leading to a more accurate result. The obtained results
showed a 68.6% average efficiency of roofs with subcoverings in relation to those roofs without
subcoverings (reference), thus corroboratiing, the importance of the subcovering utilization on the thermal
performance of rural and urban buildings.
Keywords: building material, thermal insulator, subcovering
1. INTRODUÇÃO
Ao se elaborar um projeto arquitetônico, ficam automaticamente definidos todos os fatores que
influenciarão direta ou indiretamente no desempenho térmico da edificação, tais como sua forma e
dimensões, orientação das fachadas, número, tamanho e disposição das aberturas, materiais empregados e
localização.
Numa edificação, os fechamentos, paredes e cobertura, têm como uma das funções adequar as
condições térmicas interiores, independentemente daquelas exteriores. Uma das maneiras de se conseguir
isso é através da redução das trocas de calor, que ocorrem permanentemente entre esses meios.
Os componentes físicos do abrigo deveriam ser capazes de controlar esse fluxo de energia
térmica entre o exterior e o interior e vice-versa. Isto porém, nem sempre é conseguido, devido, na maioria
das vezes, a um desempenho térmico deficiente desses elementos.
De maneira geral, nem todos os materiais usados na construção civil cumprem adequadamente
esse papel. Assim, algumas partes da edificação podem se tornar importantes fontes geradoras de calor.
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Isto ocorre de maneira mais significativa com a cobertura. Sendo ela a parte da edificação que recebe a
maior carga térmica, proveniente da radiação solar, torna-se então, nas regiões de clima quente, a maior
transmissora de calor para o interior da edificação.
Assim, melhorando-se sua eficiência térmica, seguramente, se conseguirá uma redução do fluxo
de calor do telhado para o interior do edifício. É neste contexto que se inclui a presente pesquisa: avaliar o
desempenho térmico de cinco tipos de subcoberturas, utilizadas como isolantes térmicos em telhados.
Alucci (1988) afirma que o desconforto causado tanto por temperaturas elevadas (ou baixas),
quanto pelas más condições de iluminação é resolvido pelo usuário através de sistemas artificiais de
iluminação e de condicionamento do ar. Isto aumenta consideravelmente o consumo de energia elétrica.
Akutsu (1998) comenta que a grande disponibilidade de energia devido a evolução tecnológica
contribui para a quebra da harmonia existente entre a edificação e o meio-ambiente, declinando para
sistemas artificiais de condicionamento térmico de ambientes, permitindo a construção de edificações sem
a preocupação das limitações inerentes à sua adequação ao clima, que, conseqüentemente, implica em um
maior consumo de energia, principalmente nos grandes centros urbanos. O homem moderno vem cada vez
mais se valendo de recursos adicionais em busca de maior conforto e produtividade que, pela relação
direta com o aumento do consumo de energia elétrica, nos obriga a refletir mais em busca de um equilíbrio
sustentável.
1.1 Isolantes térmicos por reflexão.
Estes isolantes são denominados comercialmente como subcoberturas. Sato (2003) afirma que as
subcoberturas são novas no mercado brasileiro. As primeiras chegaram ao Brasil, importadas da Europa,
Estados Unidos e Argentina. Posteriormente começaram a ser fabricadas no Brasil, após passarem por
adequações, em função das diferenças climáticas entre o Brasil e os países de origem.
As subcoberturas são mantas instaladas entre a telha e o forro, e têm dupla função: proporcionar
estanqueidade à cobertura e melhorar o isolamento térmico. Para isolar o calor, devem possuir
características próprias para a redução da troca de calor por radiação. Assim, são fabricados com materiais
com alta capacidade de reflexão e baixa capacidade de emissão de radiação térmica, comportamentos
característicos dos metais polidos.
Nas subcoberturas ensaiadas, estas características foram obtidas por meio de um filme de
alumínio polido, tipo “foil”, colado a um substrato, presente em um ou em ambos os lados da manta. O
desempenho desse material sofre influencia da maneira como é instalado. Se apenas um dos lados é
aluminizado, este deve estar voltado para baixo, para se evitar a progressiva redução da reflexão da lâmina
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de alumínio, ocasionada pelo acúmulo de poeira ao longo do tempo. Na situação em que a subcobertura é
bialuminizada, o lado superior reflete o calor de volta para o telhado e um pouco do calor por ela
absorvido quase não será irradiado para dentro do ambiente, devido à baixa emissividade da face inferior
aluminizada.
Segundo Sato (2003), a temperatura de um telhado em condições normais de uso, com telha
cerâmica, pode atingir entre 60 °C e 70 °C. Esta mesma autora ainda afirma que a escolha da subcobertura
vai depender da necessidade do empreendimento. Existem vários fabricantes e produtos diferentes,
principalmente na composição do substrato, pois o “foil” de alumínio pode estar ligado a diversos
materiais, e, enquanto alguns utilizam apenas um reforço para ele, outros usam substratos como
polietileno, plástico bolha e lã de vidro. Estas camadas intermediárias também servem de reforço para o
conjunto resistir aos esforços de tração.
O esquema de instalação, sob telhas cerâmicas, sugerido pelos fabricantes de subcobertura, é o
apresentado na Figura 1.
Figura 1. Esquema de montagem da subcobertura em telhado cerâmico.
Fonte: catálogo técnico da Pentak (2003).
Segundo Vecchia (2001), os valores das temperaturas internas do ar (em uma residência) foram
reduzidos, após a colocação da subcobertura. Em média, esse foil colabora com uma redução da ordem de
5,1 °C. Afirma ainda, que a utilização de isolantes térmicos por reflexão apresenta um significado
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conjunto no campo da economia de energia (tendem a evitar o uso de ar condicionado), do desempenho
térmico e do conforto humano: Melhores condições de produtividade e saúde.
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2. MATERIAL E MÉTODOS
2.1 Material
2.1.1 Subcoberturas
Foram ensaiadas cinco tipos da subcoberturas, identificadas por números de 1 a 5.
Nas Figuras 2 e 3 apresentam-se as características da subcobertura 1.
Folha de alumínio 7microns
Folha de polietileno
Tecido trançado de polietileno de alta densidade
Folha de alumínio 9microns
Figura 2. Composição do conjunto termo-soldado da subcobertura 1.
Figura 3. Detalhe da subcobertura 1, mostrando as duas faces aluminizadas.
A subcobertura 2 também possui as duas faces aluminizadas, composta de substrato de espuma
de polietileno de baixa densidade, de 2 mm de espessura, na cor branca, conforme esquema da Figura 4.
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Polímero aluminizado
Espuma de polietileno 2mm
Polímero aluminizado
Figura 4. Composição do conjunto termo-soldado da subcobertura 2.
As faces compostas de polímero aluminizado são responsáveis pela reflexão das radiações e pela
baixa emissividade. A camada intermediária de espuma de polietileno (substrato) é importante para que a
subcobertura tenha também capacidade de estanqueidade e de resistir aos esforços mecânicos. A Figura 5
mostra a subcobertura 2, com as duas faces aluminizadas e em detalhe a camada intermediária de espuma
de polietileno.
Figura 5. Subcobertura 2, mostrando as duas faces aluminizadas e a camada intermediária de espuma.
A subcobertura 3 é composta de um conjunto termo-soldado de dois materiais: o primeiro, de
polímero aluminizado, o segundo é constituído de espuma de polietileno de baixa densidade, na cor
branca, com espessura de 2 mm, conforme Figura 6.
Espuma de polietileno 2mm
Polímero aluminizado
Figura 6. Composição do conjunto termo-soldado da subcobertura 3.
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A Figura 7 apresenta a subcobertura 3, mostrando a face aluminizada e a camada de espuma de
polietileno.
Figura 7. Subcobertura 3, mostrando uma das faces aluminizada e outra de espuma.
O quarto tipo de subcobertura, apresenta em apenas uma de suas faces a lamina
metálica de alumínio; outra face é a da camada de espuma de polietileno de baixa densidade, de 5mm de
espessura, na cor branca, conforme mostra a Figura 8.
Espuma de polietileno 5mm
Polímero aluminizado
Figura 8. Composição do conjunto termo-soldado da subcobertura 4.
A Figura 9 apresenta a subcobertura 4, mostrando a face constituída de polímero aluminizado, e
a camada de espuma de polietileno de baixa densidade de cor branca.
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Figura 9. Subcobertura 4, mostrando uma face aluminizada e outra de espessa camada de espuma.
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A subcobertura 5 não possui nenhuma face aluminizada. Constitui-se, apenas, de uma manta de
5mm de espessura de espuma de polietileno de baixa densidade, na cor branca, conforme esquema da
Figura 10.
Espuma de polietileno, com 5mm de espessura
Figura 10. Material constituinte da subcobertura 5.
A Figura 11 mostra a subcobertura 5, onde se nota a ausência de faces aluminizadas.
Figura 11. Subcobertura 5, mostrando a espuma de polietileno.
2.1.2 Modelo utilizado
Construído com chapas de madeira compensada de 18 mm de espessura, medindo 74 cm de
comprimento, 44 cm de largura e altura de 64 cm, com uma tampa, também de madeira, medindo 54 cm x
100 cm, formando uma caixa com forma de paralelepípedo, conforme mostra a Figura 12.
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Figura 12. Modelo para ensaio: laterais e a tampa em madeira compensada.
No modelo emprega-se quatro unidades de telhas cerâmicas, tipo romana, fabricadas de acordo
com a norma brasileira ABNT NBR 13582/1996, conforme mostra a Figura 13
Para a vedação lateral, utilizou-se argamassa refratária constituída de argila, silicato e água,
material argiloso, moldável e aplicado em toda a lateral de contato entre as telhas e as paredes laterais do
modelo, para evitar perda de calor. A Figura 13 apresenta o modelo já vedado, assim como detalhes das
lâmpadas geradoras de calor e da fixação e posicionamento dos termopares.
Figura 13. Vista superior do modelo, detalhes da vedação lateral, das lâmpadas e dos termopares 1 e 2.
As subcoberturas foram instaladas em baixo da estrutura de suporte das telhas (ripas), coladas
aos caibros e nas laterais do modelo.
Este processo se repete, quando da substituição da subcobertura ensaiada, para a instalação da
outra a ser ensaiada.
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A instalação da subcobertura no modelo é mostrada na Figura 14.
Figura 14. Vista da parte inferior do modelo, destacando-se a instalação da subcobertura.
2.1.3 Equipamentos
Para a medição das temperaturas, foram utilizados seis termopares (tipo K), aqui denominados
de t1, t2, t3, t4, t5 e t6.
Os termopares t1
e
t2 foram instalados na parte superior do modelo, logo acima das telhas,
distantes destas de 2,5cm.
Os termopares t3, t4,e t5 foram instalados na parte inferior do modelo, abaixo das telhas e da
subcobertura, distantes desta de 3,0cm.
O termopar t6 instalado no ambiente externo do modelo, distante 20cm da lateral.
Para o registro das temperaturas, utilizou-se o registrador gráfico sem papel, da marca JUMO,
modelo LOGOSCREEN, com 12 canais de conexão. A precisão do aparelho é de 1% de fundo da escala.
A escala utilizada neste trabalho é de 0 a 120°C.
Os sinais enviados pelos termopares eram convertidos em temperaturas, em °C, e armazenados
no próprio aparelho.
A Figura 15 apresenta o aparelho registrador gráfico.
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Figura 15. Aparelho registrador gráfico de temperatura, mostrando o ensaio em andamento.
2.2 Método
Relacionando-se as equações apresentadas por Incropera et al (1998), conhecidas pela lei de
Fourier e pela equação de resfriamento de Newton, chegou-se a equação que fornece a Taxa de
Transferência de Calor, q em W.
q = ρ .c.V .
Tint . − Text .
∆T
+
emad
1
∆t
+
k mad . . A hconv. . A
(1)
Onde:
q: taxa de transferência de calor (W), da parte interna inferior para a parte externa;
ρ : densidade do ar = 1,293 kg/m3 ;
c: calor específico do ar = 1 kJ/kg.°K;
V: volume de controle, igual a 0,127 m3 sem o uso de subcobertura, e 0,096 m3 com o uso de subcobertura;
∆T: variação da temperatura (°C );
∆t: variação do tempo ( s );
Tint.: temperatura interna média ( °C );
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Text.: temperatura externa média ((°C );
emad.:espessura da parede de madeira ( m );
Kmad.:condutividade térmica da madeira (W/m °k);
A: área de contato de calor, sem o uso de subcobertura igual a 0,920m2, com o uso de subcobertura igual a
0,696m2
hconv.:coeficiente de transferência de calor por convecção, calculado = 3,83W/m2.°k.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os valores médios de temperatura, obtidos na parte interna do modelo, após 360 minutos de
ensaio, estão listados na Tabela 1.
Tabela 1: Valores médios de temperatura, em 0C, na parte interna do modelo, aos 360 minutos de ensaio e
suas diferenças em relação ao modelo referência (sem subcobertura).
SUBCOBERTURA
Característica do
Sem subcobertura
Modelo
Temperatura
48,80
Média (0C)
Diferenças de
Referência
temperatura (0C)
1
2
3
4
5
41,67
42,37
45,63
46,67
47,43
7,13
6,43
3,17
2,13
1,37
Utilizando-se dos dados de temperatura obtidos nos ensaios, e empregando-se a Equação 1,
calcularam-se as taxas de transferência de calor, (q), para os modelos, sem subcobertura (referência) e
com as subcoberturas, conforme se apresentam na Figura 16.
A Tabela 2 apresenta os valores das taxas de transferência de calor calculados com os dados
obtidos após 360 minutos de ensaio.
Tabela 2. Valores calculados das taxas de transferências de calor, q, após 360 minutos de ensaio.
Tempo(min)
360
Sem sub
40,67
Taxa de transferência de calor, q em W
Sub 1
Sub 2
Sub 3
16,66
19,86
27,44
Sub 4
27,38
Sub 5
30,23
Observa-se com os dados da Tabela 2 que a taxa de transferência de calor apresentada para a
condição do modelo sem subcobertura, é igual a 40,67 W, bem superior àquelas obtidas para as demais
condições. Isto indica que o fluxo de calor através das telhas, para o ambiente, maior que nas outras
condições, com subcobertura.
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O gráfico da Figura 16, apresenta os resultados calculados da taxa de transferência de calor q,
em W, em função do tempo (minutos).
45
40
35
q(w)
30
Sem
Subcobertura
25
Subcobertura 1
20
Subcobertura 2
15
Subcobertura 3
10
Subcobertura 4
5
Subcobertura 5
0
0
60
120
180
240
300
360
Tem po (m inutos)
Figura 16. Gráfico de valores das taxas de transferência de calor, em função do tempo.
Tomando-se o modelo sem subcobertura como referência, calcularam-se as eficiências de todas
as subcoberturas utilizando-se da seguinte equação:
ef =
qref . − qsub.
qref .
.100
(2)
Onde:
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ef = eficiência (%);
qref. = taxa de transferência de calor para o telhado referência;
qsub = taxa de transferência de calor da subcobertura analisada.
Os valores relativos às eficiências das subcoberturas, em porcentagem, são apresentados no
gráfico da Figura 17.
120
Eficiência ( % )
100
80
60
sub 1
sub 2
40
sub 3
20
sub 4
sub 5
0
0
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 330 360
Tempo (minutos)
Figura 17. Gráfico de eficiência das subcoberturas em função do tempo.
As eficiências, média, mínima e máxima de cada tipo de subcobertura, são as apresentadas na
Tabela 3.
Tabela 3. Eficiências, média, mínima e máxima, de cada tipo de subcobertura.
Eficiência, em porcentagem, após 30 minutos do início do ensaio
Tipo de subcobertura
Sub 1
Sub 2
Sub 3
Sub 4
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Sub 5
29
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eficiência média
eficiência mínima
eficiência máxima
- Avaliação da eficiência de isolantes... -
68,6
58,6
94,4
60,8
51,2
78,6
37,3
29,1
49,2
42,4
31,6
65,1
29,9
16,7
36,5
Uma analise comparativa, permite afirmar que a subcobertura 1 (Sub 1) é a mais eficiente,
apresentando um valor médio de 68,6%, em relação a um telhado sem uso de subcobertura (referência).
Este valor é próximo aos 80% obtido em pesquisa conduzida por Armelin et al (2003).
A subcobertura 1 mostrou-se mais eficiente que as demais, provavelmente devido ao seu maior
poder de reflexão, em função de suas características superficiais, quase que isenta da rugosidade presente
nas demais.
A camada de polietileno expandido, pouco contribuiu na redução do fluxo de calor, pois este
material não está presente na subcobertura 1, a que apresentou maior eficiência..
4 CONCLUSÃO
Com os dados obtidos experimentalmente pôde-se concluir que os modelos, compostos de telhas
e subcoberturas, apresentaram desempenhos térmicos significativamente superiores ao do modelo sem
subcobertura, tomado como referência nesta pesquisa. Esta conclusão se apoia nos valores obtidos para as
taxas de transferências de calor destes modelos, inferiores em 68,6% para a subcobertura 1; em 60,8%
para a subcobertura 2; em 42,4% para a subcobertura 4; em 37,3% para a subcobertura 3 e 29,9% para a
subcobertura 5.
Os resultados experimentais apontam também para uma considerável diferença de temperatura
na parte interna de cada modelo. Após os 360 minutos de ensaio, obtiveram-se diferenças de temperaturas
de 7,13°C com a subcobertura 1, de 6,43°C com a subcobertura 2, de 3,17°C com a subcobertura 4, de
2,13°C com a subcobertura 3, e de 1,37°C com a subcobertura 5, conforme indicados na Tabela 1.
Os resultados obtidos na pesquisa permitem recomendar o uso dos isolantes térmicos por
reflexão, como subcoberturas, devido à sua eficiência na redução do fluxo de calor para o interior da
edificação.
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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