ESTUDO DE UM SISTEMA SOLAR PASSIVO COM INCORPORAÇÃO DE PCM´S Sónia Alexandra Alves Cerdeira Licenciada em Engenharia Civil pelo Instituto Politécnico de Bragança Dissertação submetida para obtenção do grau de Mestre em Engenharia da Construção à Escola Superior de Tecnologia e de Gestão do Instituto Politécnico de Bragança Este trabalho foi efetuado sob orientação de: Débora Rodrigues de Sousa Macanjo Ferreira Eduarda Cristina Pires Luso Bragança, dezembro de 2015 “O impossível reside nas mãos inertes daqueles que não tentam” - Epicuro AGRADECIMENTOS A todos quantos me acompanharam no decorrer desta etapa que, com sua compreensão e disponibilidade, contribuíram para a realização deste trabalho, manifesto o meu profundo agradecimento. Tenho, no entanto, de agradecer de uma forma distinta: À minha orientadora científica, Professora Doutora Débora Rodrigues de Sousa Macanjo Ferreira, expresso a minha gratidão, pelos seus ensinamentos, pelo seu incentivo, pela sua supervisão, e pela sua sempre imediata disponibilidade. À minha coorientadora científica, Professora Doutora Eduarda Cristina Pires Luso, pelos seus valiosos ensinamentos especialmente na composição, construção e avaliação mecânica das argamassas, sem os quais a construção dos modelos teria certamente sido mais difícil. Ao Professor Doutor Manuel Joaquim da Costa Minhoto, pela disponibilidade, pelo incentivo e pelas sábias sugestões. Ao Professor Doutor Rolando Dias e ao Mestre Paulo Tristão pela conceção do material predominante na investigação, disponibilidade e acompanhamento ao longo da dissertação. Aos técnicos, João Augusto Pires, Octávio Manuel do Nascimento Pereira, Vítor Manuel Pereira Gomes e Hermínia Maria Mesquita Morais, pelo empenho, pelo excelente espírito de equipa, dedicação e incansável ajuda prestada nos trabalhos experimentais realizados no Laboratório de Geotecnia e Materiais de Construção (LMC) da Escola Superior de Tecnologia e Gestão (ESTIG), do Instituto Politécnico de Bragança (IPB). À direção da ESTIG - IPB, por ceder as instalações, equipamentos e pelo seu contributo monetário na compra dos materiais para os ensaios. À minha família, em particular ao meu namorado, meus pais e minha irmã pelo apoio, motivação e dedicação prestados e que sempre me encorajaram e apoiaram incondicionalmente nesta fase da minha vida. III RESUMO O trabalho aqui apresentado abordou o estudo de um sistema solar passivo aplicado em fachadas com parede de trombe, a qual constitui uma tecnologia construtiva que permite a redução do consumo energético dos edifícios. Avaliou-se, em particular, o efeito da incorporação de materiais de mudança de fase (PCM’s), nomeadamente um PCM à base de Parafina e outro à base de Octadecano. Este estudo baseou-se, fundamentalmente, na conceção, análise experimental e comparação de resultados obtidos em modelos de teste. Para tal, foi previamente efetuada, uma campanha experimental no Instituto Politécnico de Bragança de maneira a aferir o modo de mistura de todos os constituintes da argamassa, a percentagem de PCM a incorporar na argamassa, bem como a quantidade de água. Estes estudos prévios incluíram ainda uma caracterização mecânica das argamassas com e sem PCM. Os dados obtidos indicam que com a adição de 30% de PCM na constituição da argamassa, obtêm-se melhores resultados comparativamente com outras percentagens. A segunda parte do trabalho foi dedicada ao estudo de seis modelos de teste construídos com argamassa cimentícia e uma geometria apropriada. Um dos modelos serviu para comparação de resultados, outro modelo de teste foi realizado considerando a fachada principal em vão envidraçado e os outros quatro foram executados com a fachada principal no sistema construtivo parede de trombe. As paredes de trombe foram construídas com quatro materiais distintos: argamassa cimentícia, argamassa cimentícia com Octadecano, argamassa cimentícia com Parafina e ainda granito. Todos os modelos foram monitorizados e ensaiados. Em três dos ensaios os modelos foram monitorizados ao mesmo tempo e nas mesmas condições, cada um deles com duração de quatro dias. Fez-se variar de ensaio para ensaio a cor na parede de granito e a ventilação imposta aos modelos. Durante a monitorização dos modelos obtiveram-se valores de temperaturas e da condutividade térmica dos elementos da fachada principal de 10 em 10 minutos e foi deste modo, possível estabelecer uma análise comparativa entre os modelos ensaiados. Concluiu-se com este trabalho que a incorporação de PCM’s em argamassas térmicas pode trazer vantagens a nível de conforto térmico, maior eficiência e sustentabilidade aos edifícios, para além de melhorar a eficiência do sistema construtivo – parede de trombe. Palavras-chave: PCM, argamassa térmica, parede de trombe, modelos de teste. IV ABSTRACT The work presented here is related to the study of a passive solar system applied in facades with trombe wall, which is a construction technology that allows reducing the energy consumption of buildings. In particular, it was evaluated the effect of the incorporation of phase changing materials (PCM's) was evaluated using, namely, PCM based on Paraffin and another one based on Octadecane. This study is primarily based in the execution, experimental analysis and comparison of results obtained in test models. For this purpose, an experimental campaign conducted at Bragança Polytechnic Institute was previously performed in order to evaluate the blending mode of all the constituents of the mortar, the content of PCM to incorporate in the mortar as well as the involved water quantity. These early studies included the mechanical characterization of the mortar with and without PCM. The obtained data indicate that the best results were achieved with the addition of 30% of PCM in the mortar. The second part or current work was devoted to the study of six test models built using cement mortar and an appropriate geometry. One of the models served as a reference, another sample model was tested considering that the main facade will simulate a window, while the remaining models were executed as a main facade using the Trombe wall building system. Trombe walls were built with four different materials: cement mortar, cement mortar with Octadecane, cement mortar with Paraffin and granite. All models were monitored and tested. Three of the walls testing samples were tested simultaneously under the same conditions, for four days. The differences between the tests are related to the granite wall colour and the ventilation around the models. During the monitoring of the models it was possible to obtain temperature records and thermal conductivity of the main facade elements in 10 to 10 minutes intervals and so it was possible to establish a comparison between the tested models. Main conclusions of this work are that the incorporation of PCM's into thermal mortars can bring benefits in terms of thermal comfort, greater efficiency and sustainability to buildings, as well as improve the efficiency of trombe wall building system. Keywords: PCM, thermal mortar, trombe wall, testing models. V INDÍCE Capítulo 1 – Introdução ............................................................................................................ 14 1.1 – Enquadramento .............................................................................................................. 14 1.2 – Objetivos ........................................................................................................................ 15 1.3 – Estrutura da tese ............................................................................................................. 15 Capítulo 2 – Estudo do conhecimento ..................................................................................... 17 2.1 – Introdução ...................................................................................................................... 17 2.2 – Materiais de mudança de fase ........................................................................................ 17 2.2.1– Classificação e propriedades .................................................................................... 19 2.2.2 – Encapsulamento ...................................................................................................... 20 2.2.3 – Materiais e elementos desenvolvidos com incorporação de pcm ............................ 21 2.3 – Parede de trombe ............................................................................................................ 23 2.3.1 - Enquadramento histórico ......................................................................................... 24 2.3.2 – Constituição ............................................................................................................. 25 2.3.3 – Funcionamento ........................................................................................................ 25 2.3.4 – Vantagens e desvantagens ....................................................................................... 27 2.3.5 – Incorporação de pcm ............................................................................................... 28 2.3.6 – Aplicações práticas .................................................................................................. 28 2.4 – Conclusões ..................................................................................................................... 29 Capítulo 3 – Estudo prévio / ensaios preliminares ................................................................. 30 3.1 – Introdução ...................................................................................................................... 30 3.2 – Materiais e composições ................................................................................................ 30 3.3 – Preparação e monitorização de provetes ........................................................................ 33 3.4 – Conclusões ..................................................................................................................... 37 Capítulo 4 – Caracterização mecânica .................................................................................... 38 4.1 - Introdução ....................................................................................................................... 38 4.2 – Definições e conceitos .................................................................................................... 38 4.3 – Ensaios de aderência ...................................................................................................... 39 4.4 – Ensaios de compressão ................................................................................................... 44 4.5 – Conclusões ..................................................................................................................... 46 Capítulo 5 – Análise experimental ........................................................................................... 47 5.1 - Introdução ....................................................................................................................... 47 5.2 – Modelos de teste ............................................................................................................. 48 5.2.1 – Envolvente opaca .................................................................................................... 48 5.2.2 – Paredes estruturais ................................................................................................... 57 VI 5.2.3 – Junção de elementos ................................................................................................ 60 5.3 – Monitorização ................................................................................................................ 63 5.3.1 – Equipamentos .......................................................................................................... 63 5.3.2 – Descrição dos ensaios .............................................................................................. 65 5.4 – Conclusões ..................................................................................................................... 69 Capítulo 6 – Análise de resultados ........................................................................................... 70 6.1 – Introdução ...................................................................................................................... 70 6.2 – Monitorização de temperaturas ...................................................................................... 70 6.2.1 – Resultados do 1ºensaio ............................................................................................ 70 6.2.2 – Resultados do 2ºensaio ............................................................................................ 74 6.2.3 – Resultados do 3ºensaio ............................................................................................ 78 6.3 – Monitorização da condutividade térmica ....................................................................... 83 6.4 – Conclusões ..................................................................................................................... 84 Capítulo 7 – Conclusões e trabalhos futuros........................................................................... 86 7.1 – Conclusões gerais ........................................................................................................... 86 7.2 – Trabalhos futuros............................................................................................................ 87 Referências bibliograficas......................................................................................................... 88 Anexos ........................................................................................................................................... I Anexo A1 ................................................................................................................................... I Anexo A2 ................................................................................................................................ IV Anexo A3 ............................................................................................................................... VII Anexos ......................................................................................................................................... X Anexo B1 ................................................................................................................................. X Anexo B2 ................................................................................................................................ XI VII INDICE DE FIGURAS Figura 1 - Ciclos das mudanças de um pcm [4] .......................................................................... 18 Figura 2 - Macrocapsula plástica [1] ........................................................................................... 20 Figura 3 - Macrocapsula plástico/metal [1] ................................................................................. 20 Figura 4 – PCM’s microencapsulados ........................................................................................ 21 Figura 5 – PCM’s microencapsulados ........................................................................................ 21 Figura 6 - Parede de trombe aplicada numa reabilitação [7] ....................................................... 24 Figura 7 - Esquema de funcionamento da parede de trombe não ventilada, dia e noite [7] ........ 26 Figura 8 - Esquema de funcionamento da parede de trombe ventilada no inverno, dia e noit[7] 26 Figura 9 - Esquema de funcionamento da parede de trombe ventilada no verão, dia e noite [7] 27 Figura 10 - Aspeto da argamassa tradicional .............................................................................. 32 Figura 11 - Mistura da argamassa ............................................................................................... 32 Figura 12 - Colocação nos provetes ............................................................................................ 32 Figura 13 - Aspeto final dos provetes ......................................................................................... 32 Figura 14 - Peneiração do pcm .................................................................................................... 32 Figura 15 - Peneiro usado............................................................................................................ 32 Figura 16 - Mistura do cimento e pcm ........................................................................................ 33 Figura 17 - Mistura do cimento, pcm e areia .............................................................................. 33 Figura 18 - Adição de água à mistura ......................................................................................... 33 Figura 19 - Aspeto da argamassa com pcm ................................................................................. 33 Figura 20 - Colocação nos provetes ............................................................................................ 34 Figura 21 - Provetes com octadecano ......................................................................................... 34 Figura 22 - Provetes com parafina .............................................................................................. 34 Figura 23 - Colocação de termopares .......................................................................................... 34 Figura 24 - Aquecimento dos provetes ....................................................................................... 35 Figura 25 - Arrefecimento ao ar dos provetes ............................................................................. 35 Figura 26 - Arrefecimento dentro das caixas .............................................................................. 35 Figura 27 – Aqueci / arref ao ar livre .......................................................................................... 35 Figura 28 - Prensa de ensaio à compressão ................................................................................. 39 Figura 29 - Roturas satisfatórias de provetes [16] ....................................................................... 39 Figura 30 - Esquema do provete de ensaio.................................................................................. 39 Figura 31 – Moldagem da argamassa do suporte ........................................................................ 40 Figura 32 – Aspeto final dos suportes ......................................................................................... 40 Figura 33 - Provetes de suporte retificados ................................................................................. 40 Figura 34 – Colagem da película transparente ............................................................................ 40 Figura 35 - Provetes concluídos .................................................................................................. 41 Figura 36 –Colocação da argamassa no molde transparente ....................................................... 41 Figura 37 - Provetes finais .......................................................................................................... 41 Figura 38 - Recipiente e rótulo da cola epóxi ............................................................................. 41 Figura 39 - Componentes da cola epóxi ...................................................................................... 41 Figura 40 - Colocação da cola epoxi ........................................................................................... 42 Figura 41 – Fixação de peças metálicas ...................................................................................... 42 Figura 42 – Pórtico de reação ...................................................................................................... 42 Figura 43 – Pormenor da fixação do provete .............................................................................. 42 Figura 44 – Rotura pelo suporte .................................................................................................. 43 Figura 45 – Representação em corte da rotura pelo suporte ....................................................... 43 Figura 46 – Rotura pela interface ................................................................................................ 43 VIII Figura 47 – Representação em corte da rotura pela interface ..................................................... 43 Figura 48 - Rotura pela argamassa .............................................................................................. 44 Figura 49 – Representação em corte da rotura pela argamassa ................................................... 44 Figura 50 - Provete cúbico .......................................................................................................... 44 Figura 51 - Remoção dos termopares .......................................................................................... 44 Figura 52 – Limpeza e ajuste dos provetes ................................................................................. 44 Figura 53 – Equipamento para provetes 4×4×4 .......................................................................... 45 Figura 54 - Prensa hidráulica ...................................................................................................... 45 Figura 55 – Aspeto do provete após o ensaio da a_ref ................................................................ 46 Figura 56 – Aspeto do provete após o ensaio da a_pcm ............................................................. 46 Figura 57 - Planta do modelo homogéneo .................................................................................. 48 Figura 58 – Planta do modelo com parede trombe ...................................................................... 48 Figura 59 - Planta da cofragem exterior ...................................................................................... 49 Figura 60 - Corte da cofragem exterior ....................................................................................... 49 Figura 61 - Planta da cofragem interior ...................................................................................... 49 Figura 62 - Corte da cofragem interior ........................................................................................ 49 Figura 63- Planta das cofragens interior e exterior ..................................................................... 49 Figura 64 - Corte das cofragens interior e exterior ..................................................................... 49 Figura 65 - Perspetiva da cofragem secundária ........................................................................... 50 Figura 66 – Corte das cofragens principal e secundária .............................................................. 50 Figura 67 – Corte dos painéis ...................................................................................................... 50 Figura 68 - Execução da cofragem interior ................................................................................. 50 Figura 69 – Execução da cofragem exterior ................................................................................ 50 Figura 70 - Cofragem principal ................................................................................................... 50 Figura 71 - Colagem e pregagem dos perfis................................................................................ 51 Figura 72 - Junção dos perfis ...................................................................................................... 51 Figura 73 - Proteção da cofragem secundária ............................................................................. 51 Figura 74 - Junção das cofragens ................................................................................................ 51 Figura 75 - Malha quadriculada em aço ...................................................................................... 51 Figura 76 - Malha quadriculada em fibra de vidro ...................................................................... 51 Figura 77 - Distanciador de armaduras ....................................................................................... 52 Figura 78 - Óleo descofrante ....................................................................................................... 52 Figura 79 – Malha, para os lados do modelo com parede de trombe .......................................... 52 Figura 80 - Malha para os lados do modelo homogéneo ............................................................ 53 Figura 81 – Malha do topo de ambos os modelos ....................................................................... 53 Figura 82 – Malha da base de ambos os modelos ....................................................................... 53 Figura 83 - Corte da malha .......................................................................................................... 53 Figura 84 – Malha para modelo com parede de trombe .............................................................. 53 Figura 85 - Malha para modelo homogéneo ............................................................................... 54 Figura 86 - Retificação dos distanciadores.................................................................................. 54 Figura 87 - Aplicação de descofrante no interior ........................................................................ 54 Figura 88 - Aplicação de descofrante no exterior ....................................................................... 54 Figura 89 - Colocação da malha e espaçadores ........................................................................... 54 Figura 90 - Colocação da malha e espaçadores topo ................................................................... 54 Figura 91 - Betonagem do topo ................................................................................................... 55 Figura 92 - Betonagem da base ................................................................................................... 55 Figura 93 - Colocação do molde interior .................................................................................... 55 Figura 94 - Colocação da régua de nivelação.............................................................................. 55 IX Figura 95 - Betonagem dos lados ................................................................................................ 55 Figura 96 - Conclusão da betonagem .......................................................................................... 55 Figura 97 - Descofragem do topo ................................................................................................ 56 Figura 98 - Descofragem do topo da caixa.................................................................................. 56 Figura 99 - Tirar os parafusos e os esquadros ............................................................................. 56 Figura 100 – Descofragem do molde interior ............................................................................. 56 Figura 101 - Descofragem do molde exterior ............................................................................. 56 Figura 102 - Descofragem para a parede de trombe ................................................................... 56 Figura 103 - Lavagem da cofragem ............................................................................................ 56 Figura 104 - Aspeto dos seis modelos ......................................................................................... 56 Figura 105 - Planta do modelo de parede .................................................................................... 57 Figura 106 - Perspetiva do modelo da parede ............................................................................. 57 Figura 107 - Perspetiva da cofragem para o modelo da parede .................................................. 57 Figura 108 - Cofragem do painel ................................................................................................ 58 Figura 109 – Molde das aberturas ............................................................................................... 58 Figura 110 - Corte da fibra de vidro ............................................................................................ 59 Figura 111 - Aplicação de óleo descofrante ................................................................................ 59 Figura 112 - Colocação da argamassa ......................................................................................... 59 Figura 113 - Colocação da fibra de vidro .................................................................................... 59 Figura 114 – Após a betonagem .................................................................................................. 59 Figura 115 – Parede estrutural .................................................................................................... 59 Figura 116 - Aplicação da tinta ................................................................................................... 59 Figura 117 - Painel concluído ..................................................................................................... 59 Figura 118 - Corte do painel de granito ...................................................................................... 60 Figura 119 - Painel de granito ..................................................................................................... 60 Figura 120 – Fixação da calha de 1,5 [cm] ................................................................................. 60 Figura 121 - Fixação da calha de 2 [cm] ..................................................................................... 60 Figura 122 - Colocação dos painéis ............................................................................................ 61 Figura 123 - Fixação do acrílico ................................................................................................. 61 Figura 124 – Fixação do puxador ................................................................................................ 61 Figura 125 - Colocação de silicone ............................................................................................. 61 Figura 126 - Modelo 1 ................................................................................................................. 62 Figura 127 - Modelo 2 ................................................................................................................. 62 Figura 128 - Modelo 3 ................................................................................................................. 63 Figura 129 - Modelo 4 ................................................................................................................. 63 Figura 130 - Modelo 5 ................................................................................................................. 63 Figura 131 - Modelo 6 ................................................................................................................. 63 Figura 132 - Datataker dt50 ........................................................................................................ 63 Figura 133 - Datataker dt515 ...................................................................................................... 63 Figura 134 – Primeira fixação de termopares ............................................................................. 64 Figura 135 – Segunda fixação dos termopares ............................................................................ 64 Figura 136 - Segunda fixação de termopares na tampa ............................................................... 64 Figura 137 - Colocação de fita-cola ............................................................................................ 64 Figura 138 - Equipamento de monitorização/sondas .................................................................. 65 Figura 139 - Colação do termopar a norte ................................................................................... 66 Figura 140 - Disposição dos modelos de teste ............................................................................ 66 Figura 141 - Colocação de termopar na tampa............................................................................ 66 Figura 142 - Pintura do painel de granito .................................................................................... 66 X