Anais do XIX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178

Anais do IV Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420

23 e 24 de setembro de 2014

MEDIÇÕES DE REFLETÂNCIA ATRAVÉS DO ESPECTRÔMETRO PORTÁTIL ALTA II

Lígia Parreira Muniz Faculdade de Engenharia Civil

CEATEC ligia.pm@puccamp.edu.br

Claudia Cotrim Pezzuto Programa de Pós Graduação em Sistemas de

Infraestrutura Urbana CEATEC

claudiapezzuto@puc-campinas.edu.br Resumo: O albedo ou refletância dos materiais utilizados em coberturas e na envoltória de edifícios é uma das variáveis responsáveis por seu ganho de calor, pois representa a porção da radiação solar incidente, que é refletida pelo material. Diante disso, a pesquisa descrita teve como principal objetivo investigar os materiais construtivos de cobertura, especificamente telhas cerâmicas e de concreto, focando a análise do albedo ou refletância dos mesmos. Através de medições realizadas com o Espectrômetro Portátil ALTA II, foi possível obter valores de refletâncias para telhas cerâmicas esmaltadas e de concreto de diversas cores. Através dos resultados obtidos, verificou-se que as telhas cerâmicas esmaltadas resultaram em valores de refletância cerca de 20% mais elevados que as telhas de concreto. Essa diferença só não foi observada para as telhas de cor escura, infere-se que o efeito da rugosidade nestas amostras foi mais determinante para as cores claras.

Palavras-chave: Albedo, Refletância, Espectrômetro Portátil, Telhas.

Área do Conhecimento: Engenharias – Engenharia Civil – Construção Civil.

1. INTRODUÇÃO

O envelope do edifício tem por função separar os ambientes internos e externos. Seu comportamento, portanto, afeta diretamente as condições térmicas desses ambientes. Esse envelope é composto de elementos opacos, transparentes e translúcidos, os quais se comportam de maneira distinta frente à radiação solar, sendo que os materiais transparentes e/ou translúcidos são aqueles que permitem a transmissão direta (ou difusa) de parte da radiação solar, enquanto os materiais opacos irão apenas absorver ou refletir essa radiação. Parte da energia absorvida será reirradiada para o ambiente externo e o restante deste calor será conduzido para o interior do edifício [1].

As condições térmicas do interior devem tender a um conforto térmico exigido pelo homem. É comum o uso de sistemas de refrigeração para alcançar esse objetivo. Entretanto, se o ganho de calor proveniente da radiação solar for diminuído utilizando-se materiais de alta refletância no envelope do edifício, é possível reduzir significativamente altas temperaturas interiores [1]. Além disso, o contato da radiação solar com materiais de alta absortância propicia uma alta temperatura superficial, a qual contribui para o desenvolvimento de microclimas locais, ou as chamadas ilhas de calor [2].

Um meio de controlar a quantidade de calor que chega ao interior da edificação é, portanto, fazendo uso de materiais de cobertura que absorvam pouco e reflitam o máximo possível a radiação solar. Usualmente, superfícies com baixa absortância solar, que refletem a maior parte do calor e da luz do Sol, são lisas e pintadas com cores claras [1]. Cores consideradas mais escuras podem apresentar refletância menor do que outras mais claras, devido à baixa refletância na região do infravermelho próximo [3], mas isso pode variar dependendo de sua composição.

As medições de albedo ou refletância dos materiais podem ser obtidas através de três métodos: medições através do espectrofotômetro com esfera integradora, medições através dos espectrômetros portáteis e medições através de piranômetros para medições em superfícies de grandes áreas [4]. Dornelles [1] comparou quatro métodos distintos: espectrofotômetro, espectrômetro portátil, temperaturas superficiais e digitalização das cores em scanner. Seus resultados mostraram que o espectrômetro portátil é uma ferramenta muito confiável para obtenção de valores de refletância, uma vez que as curvas obtidas por ele em comparação com as obtidas através do espectrômetro foram muito próximas.

O Espectrômetro Portátil ALTA II foi desenvolvido pelo Lunar and Planetary Institute, em Houston,

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Texas (EUA), inicialmente para fins pedagógicos. Tal aparelho mede as refletâncias das radiações correspondentes a onze comprimentos de onda, sendo sete na região visível e quatro na região do infravermelho, e retorna o valor em milivolts (mV).

2. OBJETIVO

O principal objetivo do trabalho é investigar o albedo ou refletância dos materiais construtivos de cobertura de edificações, especificamente telhas cerâmicas e de concreto.

3. METODOLOGIA

O método de classificação das amostras utilizadas no estudo foi baseado naquele adotado por Alchapar et. al. [5], o qual classifica os materiais em cinco classes: composição, acabamento, rugosidade (textura), forma e cor. Para tanto, foram utilizadas no estudo 16 amostras de telhas cerâmicas e de

concreto comumente utilizadas em residências brasileiras de acordo com as características descritas a seguir e ilustradas no Quadro 1:

1. Composição: cerâmica ou de concreto;

2. Acabamento: Natural, rústico ou esmaltado;

3. Rugosidade: baixa rugosidade, alta rugosidade;

4. Forma: americana e dupla americana;

5. Cor (catálogo):

• Cerâmicas: palha mesclada (01), palha (02), marfim (03 e 09), branca (04), cinza (05), verde oliva (06), caramelo (07) e grafite (08),

• Concreto: marfim (09), branca (10), cinza (11), colonial (12), grafite (13) e vermelha (14).

Quadro 1: Características das amostras utilizadas.

Características Gerais Cores

Forma: americana

Composição cerâmica

Acabamento esmaltado

Rugosidade: baixa rugosidade

Palha

Mesclada (01)

Palha (02)

Marfim (03)

Branca (04)

Cinza (05)

Verde Oliva

(06)

Caramelo

(07)

Grafite (08)

Forma: americana dupla

Composição: concreto

Acabamento: rústico

Rugosidade: alta rugosidade

Marfim (09)

Branca (10)

Cinza (11)

Colonial (12)

Grafite (13)

Vermelha (14)

Foi empregado para medição da refletância das telhas selecionadas o Espectrômetro Portátil ALTA II (Figura 1), o qual mede refletâncias correspondentes a radiações em onze diferentes comprimentos de onda entre 470 e 940nm (nanômetros). Sete destes comprimentos de onda são na região visível: 470nm (Blue), 525nm (Cyan), 560nm (Green), 585nm (Yellow), 600nm (Orange), 645nm (Red), 700nm

(Deep Red); e quatro dos mesmos se encontram na região do infravermelho: 735nm (IR1), 810nm (IR2), 880nm (IR3) e 940nm (IR4).

O método consiste em posicionar a amostra sob o orifício circular existente na parte de trás do equipamento e, apertando os botões do painel, obter as voltagens para cada comprimento de onda. Além

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disso, deve-se ainda obter a voltagem de fundo, a qual corresponde à leitura do visor quando nenhum botão é pressionado e a voltagem de referência, que corresponde aos valores resultantes de cada comprimento de onda para a amostra de referência, que neste estudo são 10 folhas de papel branco Ripax (75g/cm³) empilhadas [6]. Para cada amostra e para a amostra de referência escolheram-se dois locais de medições nas amostras e, em cada um deles, realizaram-se três leituras de voltagem para cada comprimento de onda, adotando assim o valor médio dos dois locais medidos. Buscando maior precisão dos dados, este experimento utilizou uma câmara escura (Figura 2) que evita interferências através da entrada de luz externa, além de evitar distâncias excessivas entre mostra e aparelho, procedimentos evidenciados por Sangoi, Ramos e Lamberts [7].

Figura 1: Espectrômetro Portátil ALTA II

Figura 2: Câmara Escura

4. ANÁLISE DE RESULTADOS

A Tabela 1 e Figura 3 mostram os valores de refletância e absortância das amostras de estudo.

Para os cálculos foram adotados os procedimentos de Santos, Marinoski e Lamberts [6], o qual corrige a intensidade de radiação solar para cada comprimento de onda, a partir do espectro solar padrão adotado conforme ASTM G173-03 [8].

Observa-se que, dentre as telhas cerâmicas, a branca apresentou o maior valor de refletância (66,35%), seguida das telhas marfim (56,33%), palha (54,56%) e palha mesclada (50,33%). Já dentre as telhas de concreto, as que apresentaram maiores valores de refletância total foram a branca e a marfim (36,55% e 34,41%). Nota-se um decréscimo de aproximadamente 20% no valor da refletância ao comparar materiais com diferentes texturas. Entretanto, esse decréscimo não foi observado nas cores escuras, que apresentaram valores próximos, como se pode verificar através dos valores de refletância das telhas grafite cerâmica (10,81%) e de concreto (9,94%). Segundo Dornelles [1], a absortância de uma amostra tende a aumentar com sua rugosidade superficial, porém esse comportamento é mais significativo nas cores claras que possuem baixa absortividade, o que justifica o fato de as telhas de concreto apresentar refletância inferior às cerâmicas esmaltadas, exceto nas telhas de cor escura.

Tabela 1: Refletância (ρ - %) e Absorbância (α - %) das Amostras.

CERÂMICA CONCRETO

Nº Amostra Cor ρ - % α - % Nº Amostra Cor ρ - % α - %

01 Palha Mesclada

50,33 49,67

02 Palha

54,56 45,44 09 Marfim

34,41 65,59

03 Marfim

53,33 46,67 10 Branca

36,55 63,45

04 Branca

66,35 33,65 11 Cinza

21,31 78,69

05 Cinza

41,14 58,86 12 Colonial

21,95 78,05

06 Verde Oliva

31,66 68,34 13 Grafite

9,94 90,06

07 Caramelo

30,35 69,65 14 Vermelha

15,28 84,72

08 Grafite

10,81 89,19

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Figura 3: Refletância das telhas em porcentagem.

Santos et. al. [9] também afirmam que a absortância de amostras de cor escura sofre menor influencia do efeito da rugosidade, visto que a energia refletida pela superfície de volta para o sensor que, neste caso, é baixa, minimizando as incertezas dos instrumentos e o efeito da diferença de rugosidade da base de aplicação.

Ao comparar das telhas de concreto em estudo no presente trabalho com as telhas de concreto estudadas por Sato et al [10], que em seu trabalho utilizaram como método para obter valores de refletância um reflectômetro portátil, esse equipamento gera valores de refletância para apenas 4 comprimentos de onda (380, 500, 650 e 1220 nm), enquanto que o espectrômetro portátil ALTA II gera leituras para 11 comprimentos de onda, já explicitados anteriormente. Essa diferença pode justificar a variação de 10,6% em média entre os valores obtidos por estes autores e os apresentados no presente trabalho.

Comparando os valores de refletância obtidos para as amostras de telha de concreto e as estudadas por Ferreira e Prado [11], que utilizaram espectrofotômetro com esfera integradora para obter a refletância de suas amostras, é possível notar uma diferença média de 7,5% entre os resultados. Esta diferença pode ser considerado coerente uma vez que, segundo estudo feito por Dornelles [1], comparando os métodos de obtenção de refletância espectrofotômetro de esfera integradora e espectrômetro portátil ALTA II, há uma diferença de 7,0% entre os resultados.

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Tendo em vista que a cobertura influencia significativamente no conforto térmico de edificações, conhecer a refletância das telhas é de fundamental importância, uma vez que esta é diretamente relacionada com a temperatura do ar interno e com a quantidade de calor que é transferida para a edificação. Constatou-se através dos resultados obtidos no estudo que as telhas cerâmicas esmaltadas, de forma geral, proporcionam maior eficiência térmica em relação às telhas de concreto, notando-se uma diferença de cerca de 20% ao comparar telhas de cor clara com diferentes texturas.

Destaca-se que houve uma variação de 26,61% na refletância obtida para telhas de concreto, enquanto que para as telhas cerâmicas esmaltadas essa diferença chegou a 55,54%. Esse fato reforça a afirmação de que as telhas cerâmicas esmaltadas podem proporcionar maior conforto térmico, pois sua refletância mais elevada impede que grande parte da radiação que incide na cobertura seja transferida para o ar interno.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Pontifícia Universidade Católica de Campinas, pela bolsa concedida FAPIC/Reitoria para o desenvolvimento da pesquisa.

REFERÊNCIAS

[1] Dornelles, K. A. (2008) Absortância Solar de superfícies opacas: Conceitos, Métodos de determinação e base de dados para tintas látex acrílica e PVA. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.

[2] Ferreira f. L, Prado R. T. A., (2005) Measurement of albedo and analysis of its influence the surface temperature of building roof materials. Energy and Buildings 37.

[3] Castro, A. P. A. S. (2002) Análise da refletância de cores de tintas através da técnica espectrofotométrica. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas, Campinas.

[4] Santamouris, M., Synnefa, A., Karlessi, T., (2011) Using advanced cool materials in the urban built environment to mitigate heat islands

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and improve thermal comfort conditions. Solar Energy, In Press, Corrected Proof.

[5] Alchapar, Noelia L.; Correa, Erica N.; Cantón, M. Alicia (2014) Classification of building materials used in the urban envelopes according to their capacity for mitigation of the urban heat island in semiarid zones. Energy and Buildings. 69 22-32.

[6] Santos, E. I., Marinoski, D. L., Lamberts, R. (2009), Influência do ambiente de medição sobre a verificação da absortância de superfícies opacas utilizando um espectrômetro portátil. In: X Encontro Nacional e VI Encontro Latino Americano de Conforto no Ambiente Construído, Natal – RN.

[7] Sangoi, J. M., Ramos, G., Lamberts, R. (2010) Análise das medições de absortância através do espectrômetro ALTA II. In: XIII Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído, Canela - RS.

[8] ASTM (2003) AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. G173-03:

standard tables for reference solar spectral irradiances - direct normal and hemispherical on 37° tile surface. ASTM International.

[9] Santos, E. I., Coimbra, I. L., Marinoski, D. L., Lamberts, R., Dornelles, K. A.. (2011), Influência da rugosidade superficial sobre os valores da Absortância solar determinados com o espectrômetro portátil ALTA II. In: XI Encontro Nacional e VII Encontro Latino Americano de Conforto no Ambiente Construído, Rio de Janeiro – RJ.

[10] Sato, N. M. N., Loh, K., Silva, I. L. M. (2012), Caracterização da refletância de superfícies externas de coberturas e paredes. In: XIV Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído, Juiz de Fora – MG.

[11] Ferreira F. L., Prado R. T. A., (2003) Medição do albedo e análise da sua influência na temperatura superficial dos materiais utilizados em coberturas de edifícios no Brasil. Boletim Técnico da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo 351– Serie BT-PCC. São Paulo.