Materiais de mudança de fase: como os PCM reduzem o consumo energético dos edifícios

Uma nova análise concluiu que os materiais de mudança de fase podem diminuir de forma significativa o consumo energético dos edifícios quando são posicionados com precisão em paredes, tectos e pavimentos.

Esta conclusão transforma as superfícies comuns de um edifício em reguladores térmicos activos, capazes de estabilizar a temperatura interior antes de os sistemas de aquecimento e arrefecimento entrarem em funcionamento.

Porque é que a localização é importante

Em mais de 3.300 registos sobre paredes, coberturas, tectos e pavimentos, repetiu-se o mesmo padrão no desempenho destes materiais.

Ao analisar este conjunto de evidências, o Prof. Frédéric Kuznik, do INSA Lyon, mostrou que tanto a localização como a escolha do material determinam directamente se o calor armazenado influencia as condições interiores.

O desempenho aumentava ou diminuía acentuadamente consoante o material atingia o seu ponto de fusão no momento adequado do ciclo diário de temperatura do edifício.

Esta limitação demonstra que a capacidade de armazenamento, por si só, não assegura resultados, tornando necessário perceber como estes materiais controlam o calor na prática.

PCM nas paredes dos edifícios

Os engenheiros designam-nos por materiais de mudança de fase (PCM): compostos que armazenam calor e que fundem e solidificam perto de uma temperatura definida.

Quando fundem, o calor latente - energia absorvida sem aumento de temperatura - permite que uma parede retenha o calor em vez de o deixar passar para o interior.

As misturas orgânicas tendem a ter um comportamento previsível, ao passo que os hidratos de sal, sais que armazenam água dentro de cristais, podem transferir calor mais depressa.

Estes compromissos explicam porque não existe uma solução única adequada a todos os edifícios, climas, orçamentos ou requisitos de segurança.

Vantagens dos PCM nos edifícios

O aquecimento e o arrefecimento continuam a representar a maior parcela das necessidades energéticas dos edifícios, pelo que mesmo pequenos atrasos no fluxo de calor podem gerar benefícios rapidamente.

Em ensaios de campo e de laboratório, a incorporação de PCM em isolamento de fibra reduziu o fluxo de calor em cerca de 30%.

Outra comparação realizada ao longo de um ano registou uma melhoria de 54% no conforto térmico entre edifícios semelhantes, um com PCM e outro sem PCM.

Os ganhos de conforto são particularmente importantes nos locais onde os ocupantes sentem picos intensos de temperatura durante a tarde ou descidas nocturnas, pois o conforto melhora antes de as facturas reflectirem plenamente essa alteração.

Adaptação às condições meteorológicas locais

O clima determina se o PCM consegue completar correctamente os seus ciclos, já que um material que nunca funda ou solidifique por completo pouco pode armazenar.

Um estudo no Cazaquistão concluiu que um ponto de fusão próximo de 26,1 °C proporcionou uma eficiência de Verão de 39,1% num edifício modelado.

Em seis cidades cazaques, uma selecção optimizada elevou a eficiência da energia térmica em cerca de 37%, evidenciando a forte influência das condições meteorológicas locais.

Por isso, os projectistas necessitam de dados climáticos tanto quanto de dados sobre os materiais, sobretudo em regiões com grandes variações de temperatura entre o dia e a noite.

Integração de PCM nos tectos

Depois de a química parecer adequada, o desafio mais difícil passa a ser incorporar PCM em gesso, betão ou painéis sem provocar fugas.

A mistura directa é uma solução simples, mas a infiltração do líquido e as reacções químicas podem enfraquecer as ligações em materiais de construção muito alcalinos.

O encapsulamento, que sela o PCM no interior de um invólucro, ajuda a resolver o problema porque permite a transferência de calor enquanto mantém o líquido contido.

O preço e o desempenho dependem ambos do tipo de encapsulamento, pois cápsulas mais pequenas distribuem melhor o calor, mas habitualmente são mais caras.

Melhores locais no interior

As placas de gesso são muito utilizadas porque já fazem parte de divisórias e tectos, zonas onde as oscilações interiores se tornam visíveis primeiro.

Os ensaios resumidos na análise indicaram que as divisões permaneceram acima de 27,8 °C durante apenas cinco horas, face a 50 horas em divisões convencionais.

Nas coberturas, a combinação de PCM com uma superfície reflectora reduziu o fluxo de calor em 66,8% e baixou a temperatura da superfície em cerca de 2,2 °C.

Diferenças de desempenho desta dimensão explicam a importância da localização: as várias camadas do edifício estão sujeitas a padrões térmicos muito distintos.

Acelerar a transferência de calor

O PCM só funciona à velocidade a que o calor consegue chegar até ele, e esta continua a ser uma das maiores limitações do sector.

Alguns investigadores aumentaram a condutividade térmica, ou seja, a facilidade de transferência de calor, através da adição de grafite, óxidos metálicos ou nanotubos de carbono.

Estudos recentes reunidos na análise registaram aumentos de 40% a 150% na condutividade térmica, acelerando o carregamento e o descarregamento dentro dos materiais de construção.

Uma transferência de calor mais rápida pode tornar úteis camadas de PCM mais finas, embora os aditivos adicionais possam aumentar os custos ou dificultar o fabrico.

Durabilidade e riscos

Os edifícios reais submetem os materiais a desgaste durante anos, pelo que o risco de incêndio, as fugas e os ciclos repetidos determinam se os resultados promissores de laboratório se mantêm.

Os PCM orgânicos podem arder mais facilmente, enquanto determinados hidratos de sal apresentam sobrerrefecimento, uma solidificação tardia que atrasa a libertação de calor quando as divisões arrefecem.

A expansão repetida também pode fissurar o material circundante ou separar os ingredientes misturados, reduzindo progressivamente a capacidade de armazenamento após muitos ciclos.

Os riscos de incêndio, as fugas e os danos causados pelos ciclos ajudam a explicar porque os ensaios normalizados de incêndio e os testes de longa duração ainda estão atrás dos progressos laboratoriais.

Próximas etapas para os PCM nos edifícios

O custo continua a travar os projectos de grande dimensão, sobretudo quando os projectistas incorporam nas paredes mais de cerca de 10% a 20% de PCM em peso.

As misturas de base biológica e os suportes minerais mais baratos parecem promissores, pois podem reduzir o custo do material e atenuar as preocupações relacionadas com incêndios.

Um compósito recente manteve-se estável após 2.000 ciclos, apontando para produtos mais práticos em edifícios reais.

Ainda assim, os construtores precisam de regulamentação, cadeias de abastecimento e dados de campo comparativos antes de o armazenamento térmico oculto se tornar habitual.

As evidências indicam que o PCM é eficaz quando a química, o clima e a localização coincidem com o ritmo diário do calor.

Quando bem utilizado, o PCM pode transformar paredes e coberturas comuns em armazenamento térmico integrado; porém, uma selecção inadequada continua a desperdiçar dinheiro e espaço.