Vidros Refletivos

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ANTONIO DE HOLANDA DARLEY TIGRE EDNEI MOURA GIRLENE ADEILDA JOÃO BATISTA VIDROS REFLETIVOS E O EFEITO SOBRE A CARGA TÉRMICA DAS EDIFICAÇÕES RECIFE 2007 UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 2 ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO – POLI DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL CURSO DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO II TURMA: SS EQUIPE: ANTONIO DE HOLANDA DARLEY TIGRE EDNEI MOURA GIRLENE ADEILDA JOÃO BATISTA VIDROS REFLETIVOS E O EFEITO SOBRE A CARGA TÉRMICA DAS EDIFICAÇÕES Trabalho apresentado ao Curso de Engenharia Civil, como requisito para obtenção de parte da nota do 2º Exercício escolar da disciplina de Materiais de Construção II, orientado pelo professor: Arnaldo Cardim. RECIFE 2007 UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 3 ANTONIO DE HOLANDA DARLEY TIGRE EDNEI MOURA GIRLENE ADEILDA JOÃO BATISTA VIDROS REFLETIVOS E O EFEITO SOBRE A CARGA TÉRMICA DAS EDIFICAÇÕES Avaliado por: ______________________________ Professor: Arnaldo Cardim (UPE). Data ______/ ______/ ______ RECIFE 2007 UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 4 RESUMO Os termômetros de todo o planeta sinalizam o perigo. Nunca se falou tanto em superaquecimento global como agora. O fato é que, preocupadas com as proporções catastróficas que esse fator pode tomar, as pessoas têm recorrido para qualquer tipo de solução que amenize os riscos e o desconforto das altas temperaturas, tanto nas edificações residenciais, como nas comerciais. Precavido com essa questão, o setor vidreiro vem, há muito tempo, desenvolvendo cada vez mais opções para proporcionar conforto térmico ideal, seja com tecnologia aplicada durante a fabricação do vidro, seja inserida depois, ou ainda com a aplicação de película especial sobre o material. Dependendo do nível de conforto em maior ou menor proporção, podemos aplicar um leque de tipos de vidros, tais como: os coloridos na massa, os laminados com resina ou polivinil butiral (PVB), os com câmara hermética (duplos), os refletivos e os baixo-emissivos (low-e). Cada um deles é empregado de acordo com as características individuais de cada projeto, diminuindo, inclusive, custos com dimensionamento de ar-condicionado e calefação. Com grande poder de conforto térmico e com desempenhos diferenciadas para controle solar em relação à transmissão e à reflexão de luz e calor, além de baixos coeficientes de sombreamento, os vidros refletivos aparecem como uma opção interessante, no que se refere ao conforto térmico, pois podem reduzir em até 80% a passagem de calor por radiação solar para o interior do ambiente, garantindo excelente isolamento térmico. Outras vantagens são: barreira contra os raios UV (quando laminado), economia de consumo de energia elétrica pela diminuição do uso do ar condicionado, (conseqüência do controle térmico que o vidro proporciona) controle da luminosidade incidente no vidro (sensação de conforto ao usuário) e racionalização no uso da luz elétrica. Todavia, o uso intensivo de vidros refletivos pode causar aquecimento nas áreas externas próximas. Quanto mais refletivo o vidro, maior o aquecimento do lado de fora. Outro ponto que deve ser observado é que a privacidade dos vidros refletivos está diretamente ligada à quantidade de luz do ambiente. Quando estamos do lado do ambiente menos iluminado, podemos ver através do vidro. Quando estamos no lado mais iluminado, vemos a reflexão da nossa imagem, como se fosse um espelho. Portanto, durante o dia normalmente conseguimos manter a privacidade dentro do edifício, o que não acontece durante a noite, onde a iluminação interna é maior que a externa. A fabricação dos vidros refletivos pode ser realizada por meio de dois processos: o pirolítico, ou on line, e em câmara a vácuo, ou off line (sputtering methode). No processo pirolítico, a camada refletiva é aplicada na face superior do vidro monolítico enquanto a placa ainda não esfriou, ou após sofrer novo aquecimento. Como a chapa de vidro está quente e com sua superfície em estado plástico, os óxidos penetram um pouco na superfície e, ao resfriar o vidro, a camada refletiva (chamada de camada dura, hard coat) torna-se resistente. Nesse método, o desempenho do vidro como filtro solar é mais fraco, ou intermediário. Geralmente apresenta refletividade externa maior. Em compensação, a relação refletividade interna/refletividade externa é melhor, pois reflete mais para o exterior do que para o interior. Por ter uma camada mais resistente, o vidro pirolítico pode ser curvado ou termo-endurecido. Já no processo de câmara a vácuo, a camada refletiva é depositada em câmaras de alto vácuo, por bombardeio iônico e em atmosfera de UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 5 plasma, depois de o vidro sair da linha de produção e ser resfriado. O resultado são vidros refletivos com melhor desempenho de proteção solar, porém com camada refletiva mais superficial. Esse tipo de vidro não admite a maioria dos beneficiamentos que utilizem calor, aplicados a outros vidros. O vidro refletivo pode ser laminado, insulado, serigrafado ou temperado. Porém, são necessários alguns cuidados em situações especiais: os vidros que passam pelo processo a vácuo não podem ser temperados e o processo de serigrafia deve ser feito antes do depósito dos óxidos. Os refletivos pirolíticos podem ser temperados e serigrafados após o processo de pirólise. Os vidros refletivos permitem aplicações nas mais diversas situações, como por exemplo: fachadas de edifícios residenciais e comerciais, coberturas, portas, janelas, sacadas de edifícios e casas, entre outras. Vale lembrar que no caso do Brasil temos a seguinte situação: grande parte do país na região tropical, parte no hemisfério norte e parte no sul. Isso significa que a incidência da radiação solar vem em diferentes ângulos nas diversas regiões e há um período de insolação maior em algumas delas. Com isso, a aplicação deve ser estudada e planejada para cada aplicação, situação de uso e região. Deve ser considerada também a ação dos ventos predominantes e a dimensão adequada dos panos de vidro. Neste último caso, estudos comprovam que quanto maiores as dimensões de um pano de vidro, menor é seu resultado no conforto térmico das edificações de grande porte. Palavras-chave: Vidros Refletivos, Conforto térmico, Edificações. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 6 ÍNDICE Introdução ...................................................................................................................7 Considerações iniciais .............................................................................................7 Objetivos .................................................................................................................. 9 Vidros refletivos ......................................................................................................... 10 Definição ................................................................................................................ 10 Tipos ......................................................................................................................11 Os vidros e o conforto térmico ...................................................................................12 Vantagens.............................................................................................................. 12 Desvantagens ........................................................................................................ 12 Conclusão ................................................................................................................. 15 Referências Bibliográficas .........................................................................................16 UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 7 INTRODUÇÃO Considerações iniciais A história do surgimento do vidro está relacionada com a história da humanidade, através de suas conquistas, suas expansões culturais e territoriais. O texto a seguir apresenta uma síntese de um tipo particular de vidro, os vidros refletivos, suas características, vantagens e desvantagens. A partir do movimento moderno, o vidro tornou-se um dos principais elementos construtivos. Os edifícios passaram a apresentar fachadas envidraçadas cada vez maiores (Fig. 1). Porém, esse uso intensivo do vidro nas fachadas ocasionou uma série de problemas no que diz Figura 1 - Edifício Spazio JK, Vidro laminado refletivo prata. respeito ao conforto ambiental do edifício. A fachada de um edifício deve atuar como uma mediação do interior e exterior, e dessa forma, controlar as variáveis climáticas que influenciam no conforto do edifício. O conforto térmico influencia diretamente no estado de ânimo, na produtividade, na satisfação e na qualidade de vida do usuário. Segundo Harkness (1978), a radiação solar relaciona-se diretamente ao conforto térmico nas edificações. Cada tipo de vidro tem um comportamento especifico em relação à radiação solar e o efeito térmico das superfícies envidraçadas depende das propriedades espectrais dos vidros. Grande parte da radiação transmitida diretamente ao interior do ambiente, além de ser absorvida nas superfícies internas dos vidros, provoca uma elevação de sua temperatura e o conseqüente aumento de temperatura interior (Caram de Assis, 2002). UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 8 O aquecimento excessivo devido às superfícies transparentes e causado por um fenômeno térmico conhecido como efeito estufa (Givoni, 1976). Os vidros são transparentes à radiação de onda curta e opacos à radiação de onda longa. A maior parte da radiação solar, que é transmitida diretamente por esses materiais, é absorvida pelas superfícies internas e seus objetos, aquecendo-os. Essas superfícies aquecidas emitem radiação térmica, de onda longa, que não consegue ser transmitida para o ambiente externo, pois esses materiais são opacos à mesma. Por esse motivo, a quantidade de superfícies envidraçadas e/ou a localização das mesmas influenciam muito no controle térmico e luminoso de um edifício. Porém, muitos edifícios são projetados sem a menor preocupação com as questões de conforto, e por isso se faz necessário o uso de sistemas artificiais de iluminação e refrigeração, provocando assim um aumento no consumo de energia. Após a crise energética, começou a preocupação de construir edifícios mais sustentáveis energeticamente e as edificações de vidro passaram a ser uma questão fundamental que precisava ser resolvida. Procurando solucionar este problema, foram lançados no mercado os vidros termos-absorventes. Entretanto, os problemas de conforto não foram plenamente resolvidos com o uso desses vidros. Depois sugiram os vidros refletivos, também com o objetivo de minimizar o problema de conforto. Considerados de controle solar, foram e continuam sendo muito empregados na construção civil. Todavia, muitas vezes esses vidros acabam sendo mal utilizados e não alcançam o desempenho térmico e luminoso esperado. O uso desses vidros sem o devido critério tem se mostrado nas últimas décadas como um dos grandes responsáveis pelo desconforto térmico, principalmente em locais de grande insolação e calor, como é o caso do Brasil. Como o Brasil é um país que se estende desde a latitude 5B Norte até 33B Sul, temos a seguinte situação: grande parte do país na região tropical, parte no hemisfério norte e parte no sul, alguns Estados na região equatorial e Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul abaixo do trópico de Capricórnio. Isto significa que a incidência da radiação solar vem em diferentes ângulos nas diversas regiões e há um período de insolação maior em algumas delas. Assim, é indicado selecionar vidros de média refletividade nos estados das regiões Norte e Nordeste e de baixa refletividade no Sul e Sudeste. Deve-se bloquear mais luz natural na região Norte e menos no Sul. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 9 Objetivos O objetivo geral deste trabalho é avaliar de maneira sucinta a características dos vidros refletivos e analisar o uso deste tipo de material em regiões de clima quente, como é o caso do Brasil. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 10 VIDROS REFLETIVOS Definição Os vidros refletivos surgiram para proporcionar maior conforto e economia ao usuário, no que se refere à entrada de calor em determinado ambiente. São denominados também de vidros termo-refletivos, termo-refletores ou metalizados. Os vidros refletivos são, em geral, produzidos através de vidros float, incolores ou coloridos, podendo também surgir de outros tipos de vidros. São caracterizados pela deposição de uma camada metálica em uma de suas faces. A camada óxida acentua o grau de reflexão em uma das faces do vidro, fazendo com que a visão do lado mais iluminado em direção ao menos iluminado seja diretamente proporcional à quantidade de luz incidente. Durante o dia, por exemplo, uma pessoa que está dentro de uma Composição química do vidro float sala iluminada pelo Sol calcio 9 tem uma visão nítida do silica magnesio 4 que acontece através dos vidros. Já do lado de fora, a visibilidade menor, é ocorrendo bem potassio sodio 14 alumina alumina 0,7 sodio magnesio potassio 0,3 silica 72 o chamado “efeito espelho”. Fonte: CEBRACE CRISTAL PLANO, 2006. calcio UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 11 Tipos O vidro refletivo pode ser lapidado, temperado, incorporado ao laminado, ou ser usado ainda em sistemas de envidraçamentos isolantes por meio de vidros duplos ou triplos. É recomendável que os vidros refletivos sejam usados na forma laminada, com a face metalizada voltada para dentro dos vidros. Assim, a camada metalizada fica protegida na união dos vidros em contato com a película plástica da laminação. Atualmente existem dois processos de fabricação dos vidros refletivos: por pirólise e por metalização à vácuo (sputtering). Até 1966 havia no Brasil somente os vidros refletivos pirolíticos. A partir deste ano ingressaram no país os vidros metalizados a vácuo, de alto desempenho, considerados de última geração. Os vidros pirolíticos foram desenvolvidos no hemisfério Norte com o intuito de melhorar o conforto nos locais com clima predominantemente frio. A finalidade da fabricação destes vidros é buscar uma alta transmissão da luz visível e maiores resistências químicas e mecânicas da camada refletiva. Além disto, proporciona reflexão próxima de 85% do infravermelho longo (nocivo e causador do “efeito estufa”) – a fim de evitar perdas de calor interno – e facilita a transmissão do infravermelho próximo para permitir o aquecimento no inverno. Por sua vez, os vidros metalizados a vácuo têm um melhor controle dos raios solares. No entanto, sua camada refletiva menos resistente ao desgaste. Possuem altíssima reflexão do infravermelho longo, ótima transmissão da luz visível e baixa transmissão do infravermelho próximo. Esta última característica representa uma excelente qualidade para o clima brasileiro. O moderno processo de produção destes vidros permite que sejam obtidos diferentes níveis de transparência e de cores em reflexão. As cores existentes são: bronze, prata, verde, azul, cinza e dourado. É importante ressaltar que estes vidros não devem ser temperados. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 12 OS VIDROS E O CONFORTO TÉRMICO Aliando enorme poder de conforto térmico e com desempenhos diferenciados para controle solar em relação à transmissão e à reflexão de luz e calor, além de baixos coeficientes de sombreamento, os vidros refletivos aparecem como opção interessante no que se refere ao conforto térmico de uma edificação. No entanto, nem tudo são flores e alguns cuidados devem ser tomados na hora de escolher a cor, o tipo e a qualidade do vidro. Vantagens Devemos atentar para a correta escolha e aplicação coerente do tipo de vidro (pirolítico ou metalizado a vácuo). As principais vantagens na aplicação dos vidros refletivos são: formação de uma barreira contra os raios UV (ultravioleta), quando laminado; economia no consumo de energia elétrica pela diminuição do uso de aparelhos de ar condicionado (conseqüência do controle térmico que o vidro proporciona); e controle da luminosidade incidente no vidro (sensação de conforto ao usuário). Desvantagens Dados obtidos em espectofotômetro mostraram que alguns tipos de vidros refletivos são, na verdade, muito absorventes, podendo provocar sobrecarga térmica no interior dos edifícios. As superfícies internas do ambiente sofrem aquecimento, emitindo radiações em torno de 10.000nm (dez mil nanômetros) e, UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 13 mesmo o vidro sendo refletivo, é opaco a radiações com esses comprimentos de onda. Dessa forma, esta radiação emitida fica presa ou armazenada no interior da edificação. Entre 0 e 380 nanômetros estão as radiações ultravioleta (UV), que são invisíveis ao olho humano e têm características benéficas e maléficas para o homem. Na faixa entre 380 e 800 nanômetros, temos o espectro da luz visível, que, começa nas freqüências mais altas do violeta, passa pelo azul e vai pelo verde, amarelo até Figura 2 – Espectrofotometria - Gráfico do espectro solar mostra a curva de distribuição das ondas da radiação oriundas do sol, tomando como base seus comprimentos de onda e suas freqüências. chegar ao vermelho, passando depois para as radiações no infravermelho (IV), que também são invisíveis e concentram mais calor (figura 2). A radiação solar é composta por aproximadamente 3% de UV, 42% de luz visível e 55% de IV. Ao atingir uma placa de vidro, essa radiação se divide da seguinte forma: parte atravessa o vidro, penetrando no ambiente interno (transmissão direta); parte é refletida para fora; e um terceiro percentual é absorvido pelo vidro, que se aquece e redistribui essa energia, devolvendo uma parte para o exterior e outra para o interior. A radiação refletida não faz parte da energia que passa por transmissão direta, e vice-versa. Quando o vidro reflete demais, passa pouca radiação; quando absorve demais, além de permitir passar menos radiação, reduz a parcela refletida. A combinação entre os percentuais, de radiação transmitida refletida e absorvida definem o desempenho fotoenergético do vidro. É importante existir incidência de luz natural suficientemente alta para garantir iluminação confortável no ambiente interno, porém sem excessos. Ao se reduzir a quantidade de luz direta transmitida, haverá escurecimento do ambiente interno, gerando efeitos negativos para a visão e provocando o aumento do uso da iluminação artificial. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 14 Por outro lado, as suas camadas externas são as vilãs das áreas que contornam os edifícios, pois as radiações nocivas são diretamente refletidas para as construções existentes no entorno e para as pessoas que transitam nestes locais (fig. 3). Outra desvantagem se refere ao fator privacidade: durante o dia, podemos observar tudo o que ocorre através do vidro, do lado de fora. O que não acontece à noite, quando um indivíduo que se encontra do lado externo pode observar tudo o que se passa numa residência com as luzes acesas, visto que a iluminação interna é maior que a externa. Entre as vantagens e desvantagens apresentadas, surge um antagonismo: pode-se observar que o Figura 3 - Coeficiente fotoenergético vantajoso bloqueio de calor dos vidros refletivos implica, gradativamente, no bloqueio da luz visível. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 15 CONCLUSÃO Os vidros refletivos permitem aplicações nas mais diversas situações, como por exemplo: fachadas de edifícios residenciais e comerciais, coberturas, portas, janelas, sacadas de edifícios e casas. Vale lembrar que no Brasil temos grande parte do país situada na região tropical, uma pequena parte no hemisfério Norte e o restante no hemisfério Sul. Tais posições geográficas permitem concluir que a incidência de radiação solar nos atinge em diferentes ângulos, de acordo com cada região, havendo um período maior de insolação em cada uma delas. Note-se também que os vidros refletivos pirolíticos podem muito bem servir para os estados da região sul do país, dado o clima (ainda) favorável para tal. Com isso, a aplicação deve ser cuidadosamente planejada para cada aplicação, situação de uso e região. Deve ser considerada também a ação dos ventos predominantes e a dimensão adequada dos panos de vidro. Neste último caso, pesquisas feitas na Índia sobre o assunto abordado neste trabalho comprovaram que, numa fachada em “pele de vidro”, quanto maiores às dimensões dos panos de vidro, menor é o seu resultado no conforto térmico das edificações de grande porte. UPE - ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO DEPARMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 16 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS  Revista ArcoWeb Disponível em: < http://www.arcoweb.com.br/tecnologia/tecnologia > Acesso em: 25/09/07.  Vidros refletivos: estudo de caso em células Disponivel em: < http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18141/tde06082007-212946 > Acesso em: 01/10/07.  Desempenho térmico e o design de edificações comerciais sobre o clima quente da Índia (em inglês). Disponível em: < http://www.ese.iitb.ac.in/aer2006_files/papers/009.pdf > Acesso em: 20/10/07.  Revista “O Vidro Plano” – Fevereiro de 2007. Disponível em: < http://www.andiv.com.br/downloads/ovidroplano_410_fev07.pdf > Acesso em 01/11/07.  Glass Company. Disponível em: < http://www.glasscompany.com.br > Acesso em: 03/11/07.