Avaliação experimental do desempenho térmico de coberturas

Abstract

Telhados situados em países tropicais são expostos a intensa radiação solar, que afeta a carga necessária para resfriamento em edificações condicionadas e o conforto térmico nas não condicionadas. Reduzir o ganho térmico através da cobertura é uma das maneiras de diminuir o gasto com energia e de proporcionar conforto térmico aos usuários. Desta forma, este trabalho apresenta uma bancada experimental construída em campo que avalia o desempenho térmico simultâneo de oito coberturas em escala reduzida na cidade de Florianópolis (Brasil). Todas as coberturas possuem uma cavidade de ar trapezoidal de iguais dimensões. Nos ensaios de calibração foi investigada se todas as coberturas estavam expostas as mesmas condições de temperaturas, fluxo de calor e resistência térmica para os sentidos de fluxo de calor ascendente e descendente. Além disso, também foram realizadas simulações computacionais e medições em um telhado de dimensões reais para verificar se a bancada experimental fornece resultados compatíveis com os de uma situação real. Os resultados da calibração mostram boa concordância entre os resultados das 8 coberturas, com variação máxima de 8,7% nos valores de resistência térmica. Comparando-se os valores de resistência térmica obtidos entre a bancada experimental e a simulação, houve uma diferença de 21% para o sentido de fluxo ascendente e de 34% para o sentido descendente. Em relação a comparação dos resultados obtidos entre a bancada experimental e as medições no telhado de dimensões reais, encontrou-se uma diferença de 19% para o sentido de fluxo ascendente e de 10% para o sentido de fluxo descendente. Analisou-se o desempenho térmico das coberturas instaladas na bancada experimental para o sentido de fluxo de calor ascendente e descendente ao longo de seis meses de medições e chegou-se a conclusão que a cobertura verde foi a que mais contribuiu para evitar as perdas de calor (no caso do sentido de fluxo ascendente), com uma taxa de redução de 62,3%, e também a que mais evitou os ganhos térmicos (no caso do sentido de fluxo descendente), com proporção de redução no fluxo de calor de 85,2%. A cobertura com poliestireno expandido foi a segunda cobertura com melhor desempenho, evitando as perdas de calor em 57,8% para o sentido de fluxo ascendente e em 68,9% para o sentido de fluxo descendente, resultados similares aos obtidos com a cobertura com barreira radiante, a qual evitou as perdas térmicas em 51% e os ganhos em 66,2%. A cobertura com telhas brancas apresentou bom desempenho para diminuir os ganhos térmicos (reduziu a transferência de calor para o interior em 59,6%), e aumentou as perdas térmicas em 4,3%, assim como a cobertura com telhas cerâmicas porosas, a qual evitou o ganho térmico de 34,6% e aumentou as perdas térmicas em 2,2%. A cobertura com telhas cerâmicas impermeáveis evitou as perdas térmicas em 11,1% e os ganhos térmicos em 24,7% e cobertura com telhas de fibrocimento e laje de concreto evitou as perdas térmicas em 17,7% e os ganhos em 32,1%. Além desses resultados, avaliou-se a efeito da adsorção ao vapor da água, o efeito da absorção da água proveniente da condensação noturna e o efeito da absorção da água da chuva no desempenho térmico de telhas cerâmicas porosas ao realizar a comparação dos resultados com os obtidos para telhas cerâmicas impermeáveis. Somente com a absorção da água da chuva foi possível observar a redução no ganho térmico em função da evaporação da água, que chegou a 22,5% ao longo de 3 dias. Assim, a bancada experimental se apresentou como uma ferramenta adequada para analisar o desempenho térmico de coberturas em escala reduzida, com resultados que podem ser aplicados a uma situação real.

Abstract : Roofs located in tropical countries are exposed to intense solar radiation, which affects the necessary cooling load in conditioned buildings and thermal comfort in non-conditioned ones. Reducing thermal gain by using a cover is one way to decrease energy expenditure and provide thermal comfort to users. Thus, this work presents an experimental workbench in the field that evaluates the simultaneous thermal performance of eight small-scale covers in the city of Florianópolis, Brazil. The experimental workbench consists of an air-conditioned environment over which the roofs were built. All the covers have a trapezoidal air cavity of equal dimensions. In the calibration experiments, we investigated the thermal resistance for both the upflow and downflow direction, the superficial temperatures and the heat flux in the covers. In addition, we carried out computer simulations and measurements on a real scale roof in order to verify if the experimental workbench provides results compatible with the ones in a real situation. The calibration results showed good concordance between the results of the eight covers, with a maximum variation of 8,7% in the thermal resistance values. Comparing the thermal resistance values obtained with the experimental workbench to the ones obtained with the simulation, we observed a difference of 11,8% for the upflow and of 26,1% for the downflow. When comparing the results obtained with the experimental workbench to the real scale roof measurements, we observed a difference of 1,2% for the upflow and of 24,8% for the downflow. We measured and analyzed the thermal performance of the covers installed on the experimental workbench for the upflow and downflow directions throughout six months, from July to December 2017. It was concluded that the green cover was the one which most contributed to preventing heat losses (in the upflow case), with a reduction rate of 62,3%, and it was also the one which avoided the most thermal gains (in the downflow case), with a reduction in heat flux of 85,2%. The cover with expanded polystyrene had the second best performance, preventing heat losses in 57,8% for the upflow and in 68,9% for the downflow. Its results were similar to the ones obtained with a radiant barrier, which prevented thermal losses in 51% and gains in 66,2%. The white roof tiles cover showed good performance in reducing thermal gains (reduced heat transference to the interior in 59,6%), and increased thermal losses in 4,3%, similarly to the porous ceramic tiles cover, which avoided a thermal gain of 34,6% and increased thermal losses in 2,2%. The impermeable ceramic tiles cover prevented thermal losses in 11,1% and thermal gains in 24,7% while the fiber-cement tiles or the concrete flagstone cover avoided thermal losses in 17,7% and gains in 32,1%. In addition to these results, we also evaluated the effect of adsorption on water steam, the effect of nocturnal condensation water absorption and the rainwater absorption effect on the thermal performance of porous ceramic tiles while we compared these results with the ones obtained with impermeable ceramic tiles. Only through rainwater absorption, it was possible to observe that there was a reduction in thermal gain as a result of water evaporation, which reached 22,5% throughout 3 days. Therefore, the experimental workbench presents itself as a useful tool to analyze the thermal performance of small-scale covers, providing results that can be applied to a real situation.