Análise termo-infravermelha de diferentes telhas para

Revista Educação Agrícola Superior
Associação Brasileira de Educação Agrícola Superior - ABEAS - v.28, n.2, p.96-101, 2013.
ISSN - 0101-756X - DOI: http://dx.doi.org/10.12722/0101-756X.v28n02a03
ANÁLISE TERMO-INFRAVERMELHA DE DIFERENTES TELHAS
PARA CONSTRUÇÕES RURAIS
Jordânio Inácio Marques1, José Pinheiro Lopes Neto2 & Gisele Caldas de Araújo Cunha3
RESUMO
No Brasil, país de clima tropical com temperaturas elevadas de verão e intensa radiação, os materiais a serem utilizados para a
confecção das coberturas nas construções devem permitir bom isolamento térmico para que o ambiente interno das instalações
seja menos influenciável pela variação climática. Dessa forma, neste trabalho objetivou-se a análise do comportamento térmico
em diferentes tipos de telhas empregadas na construção rural, e para isso utilizou-se a tecnologia de imagens térmicas associadas
com um sistema de captação e armazenamento de dados de temperatura. Os tratamentos examinados se constituíram de: telha de
material alternativo desenvolvida no LaCRA (TA), telha cerâmica capa canal tipo trapezoidal (TCT), telha cerâmica capa canal
tipo colonial envelhecida (TCE) e telha cerâmica capa canal tipo colonial nova (TC). Cada unidade experimental foi composta
por seis telhas sobrepostas uma sobre a outra, exceto no tratamento de Telha Alternativa. O delineamento experimental foi feito
em blocos inteiramente casualizados com treze repetições e as médias dos tratamentos foram analisadas pelo teste de Tukey a
5% de probabilidade. As telhas com superfície escura possuíram maiores temperaturas na superfície superior. O tratamento TCE
obteve maior temperatura da superfície inferior. A telha mais adequada para se empregar em construções rurais nas condições
climáticas locais é a do tipo alternativa, pois apresentou menores temperaturas na superfície inferior nos horários mais quentes
do dia.
PALAVRAS-CHAVE: coberturas, conforto climático, termodinâmica, termografia
THERMAL AND INFRARED ANALYSIS OF DIFFERENT TILES
FOR RURAL BUILDINGS
ABSTRACT
In the Brazil, a country of tropical climate with high summer temperatures and intense radiation, the materials to be used for the
manufacture of roofing on buildings should allow good thermal insulation for the internal environment of the premises is less
influenced by climatic variation. Thus, this study aimed to analyze the thermal behavior in different types of tiles used in rural
construction, and for that we used thermal imaging technology associated with a system for capturing and storing temperature
data. The treatments examined were constituted of: tile alternative material developed in the LaCRA (TA), ceramic tile cape
trapezoidal channel type (TCT), ceramic tile cape type channel colonial aging (TCE) and ceramic tile cape colonial new channel
type (CT). Each experimental unit was composed of six tiles overlapping one over the other, except in the tile alternative
treatment. The experiment was done in randomized blocks with thirteen repetitions and the treatment means were analyzed
by Tukey test at 5% probability. Tiles with dark surface had higher temperatures on the upper surface. The ECT treatment had
a higher surface temperature lower. The tile is best suited for use in rural buildings in the local climate is the type alternative
because it had lower temperatures on the bottom surface in the hottest hours of the day.
KEY WORDS: coverage, climatic comfort, thermodynamics, thermography
1
2
3
Graduando em Engenharia Agrícola, Unidade Acadêmica de Engenharia Agrícola, UFCG, Campina Grande, PB, E-mail: [email protected]
Engenheiro Agrícola, Professor. Doutor, Unidade Acadêmica de Engenharia Agricola, UFCG, Campina Grande, PB, E-mail: [email protected]
Arquiteta, Mestre em Engenharia Agrícola, Professora do Instituto Federal de Tecnologia da Paraíba, IFPB, Campina Grande, PB, E-mail: [email protected]
Análise termo-infravermelha de diferentes telhas para construções rurais
INTRODUÇÃO
A utilização da tecnologia de imagens termográficas para o
estudo das características térmicas das edificações ainda é tema
recente e pouco aprofundado, contudo, sua potencialidade
direciona a estudos mais precisos, de fácil execução e de
possibilidades de aplicações variadas.
Sabe-se que os fechamentos das edificações são a principal
barreira térmica contra as variáveis externas ficando estes
responsáveis por permitir a formação de um microclima
interno adequado às atividades desejadas. Desta forma,
o conhecimento detalhado das propriedades térmicas dos
elementos de revestimentos ou fechamentos representa o
primeiro passo rumo a projetos bem definidos das edificações
(Moraes et al., 1996).
Em regiões de clima quente (como no Brasil) as temperaturas
no meio exterior e os níveis de radiação solar incidente nos
fechamentos das edificações atingem valores elevados. Nestas
condições, a aplicação de materiais que tenham aquecimento
reduzido em função da menor absorção da radiação solar pode
proporcionar redução dos ganhos de calor e consequentemente
melhorar o bem estar dos ocupantes. Além disso, em ambientes
condicionados artificialmente estes materiais colaboram para a
redução do consumo de energia (Marinoski et al., 2010).
Um dos grandes entraves do desenvolvimento
agropecuário nacional são as diversidades de clima impostas
pela vasta extensão territorial variando desde áreas de clima
subtemperado a áreas de clima subtropical. É importante,
portanto, desenvolver tecnologias de produção que possam
ser empregadas nestas duas situações distintas de forma a
minimizar as diferenças produtivas entre estas duas áreas.
Outros grandes problemas enfrentados pelos produtores
brasileiros são as adversidades climáticas, principalmente nas
regiões norte e nordeste caracterizadas por altas temperaturas ao
logo do ano. Além da influência da temperatura, outros fatores
climáticos como a umidade relativa do ar e a disponibilidade
e velocidade dos ventos também apresentam interferências.
Estas interferências climáticas determinam as condições de
conforto térmico ambiental a que os animais estão submetidos
(Azevedo et al., 2005).
Para amenizar os efeitos e interferência negativa das
variáveis climáticas na produção animal, devem-se adotar
técnicas e empregar materiais de construção que favoreçam
o acondicionamento nas diferentes situações encontradas
nas regiões brasileiras. A utilização de animais de raças mais
adaptadas, nutrição adequada e adoção de técnicas construtivas
visando conforto térmico são algumas das práticas favoráveis
que ajudam a incrementar a produção.
Assim, a presente pesquisa teve como objetivo estudar
o comportamento térmico de diferentes tipos de telhas
empregadas na construção rural, possibilitando maior
segurança na tomada de decisão sobre qual tipo de telha utilizar
na construção a ser executada.
MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi conduzido no Laboratório de
Construções Rurais e Ambiência (LaCRA) localizado na
97
Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), Campina
Grande-PB, no período de 23 de março a 4 de abril de 2013.
Os tratamentos avaliados se constituíram de quatro tipos de
telhas, sendo estes: telha de material alternativo desenvolvida
no LaCRA (TA), telha cerâmica capa canal tipo trapezoidal
(TCT), telha cerâmica capa canal tipo colonial envelhecida
(TCE) e telha cerâmica capa canal tipo colonial nova (TC).
A telha de material alternativo é composta de um tipo de
argamassa especial contendo em sua composição resíduos da
indústria de calçados e cerâmica, tendo como aglomerante o
cimento Portland (Soares, et al., 2009).
Para a acomodação das telhas foi confeccionado um
protótipo de telhado feito de madeira, com inclinação de 20° e
distante 0,6 m do piso, disposto ao ar livre voltado no sentido
Leste – Oeste de modo a receber a maior quantidade possível
de radiação solar.
Cada unidade experimental foi composta de seis telhas
sobrepostas uma sobre a outra, exceto no tratamento de TA por
possuir dimensões maiores, sendo utilizada apenas uma telha.
O delineamento experimental dos dados de temperatura foi
feito em blocos casualizados com treze repetições e as médias
dos tratamentos foram analisadas pelo teste de Tukey a 5%
de probabilidade através do software de assistência estatística
Assistat versão 7.6 beta (Silva & Azevedo, 2009).
Para obtenção das imagens térmicas foi utilizada uma
câmera especial modelo Fluke Ti50FT. Posteriormente suas
imagens foram analisadas utilizando-se o software Smartview
que possibilita a edição das imagens bem como a análise das
temperaturas em qualquer parte da imagem captada dentro de
diferentes faixas de variação.
Foi utilizado ainda, um sistema de aquisição de dados
modelo CR1000 (Figura 1) fabricante Campbell Cientific com
uma placa multiplexadora de ampliação dos canais de coleta
de dados. Foram calibrados e instalados 9 termopares na
placa multiplexadora com pinagem de acordo com diagrama
fornecido pelo fabricante.
Figura 1. Sistema de aquisição de dados e placa
multiplexadora com cabos de termometria (azul)
Os termopares utilizados foram do tipo T (CobreConstantan) com faixa de medição de -42° a 125ºC com
leitura de dados a cada 60 minutos. Como configuração inicial,
utilizou-se o software PC200W da Campbell Cientific.
Montagem e realização do experimento
A estrutura de suporte para as telhas foi montada, e
posteriormente colocaram-se as telhas nos devidos lugares
conforme é mostrado na Figura 2. Oito termopares foram
fixados nas superfícies das telhas, de modo que para cada
parcela do experimento, instalaram-se dois termopares,
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Jordânio I. Marques et al.
Figura 2. Estrutura de suporte das telhas com as mesmas já
dispostas nos devidos lugares
sendo um para a superfície superior (submetida a uma maior
exposição à radiação solar direta) e outro na superfície inferior
das telhas. Foi ainda instalado um nono termopar ao ar livre
para o registro da temperatura ambiente no local de realização
do experimento.
As temperaturas foram medidas pelos termopares a cada
hora durante 13 dias, e também nesse período foram obtidas
as imagens térmicas das telhas para a posterior análise e
comparação com os dados obtidos pelo sistema de aquisição
de dados utilizado.
Modelagem matemática
Após a obtenção das médias dos dados de temperatura das
superfícies superior e inferior das telhas, foram feitos modelos
matemáticos para o acompanhamento do comportamento
das curvas experimentais ao longo do dia, e para isso foi
utilizado o software interativo de alta performance Matlab da
MathWorks®. Para o acompanhamento das curvas aos pontos
experimentais optou-se por um ajuste polinomial, usando as
funções polyfit e polyval.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A condição essencial para que ocorra a transmissão de
calor exige uma diferença de temperatura entre os meios,
denominado gradiente de temperatura, onde este indica o
sentido de fluxo de calor, que sempre ocorre do maior para o
menor valor, consequentemente se as temperaturas dos meios
forem iguais não haverá transferência de calor, caso em que se
diz que os meios estão em equilíbrio (Abreu et al., 2011).
No interior das telhas a transferência de calor ocorre por
meio da condução realizada por contato entre as moléculas ou
partículas das telhas. Neste contexto, o fluxo de calor através
das coberturas, juntamente com as elevadas temperaturas na
face inferior das telhas, é a causa principal do desconforto
térmico no interior das instalações (Rosa, 1984).
Desse modo, a Figura 3, abaixo, revela o sentido do fluxo
de calor ao longo do dia no perfil de cada telha.
Observando a Figura 3, pode-se perceber que no período
das 0 às 6 h e das 16 às 23 h, o sentido do fluxo de calor foi
negativo, ou seja, da superfície inferior para a superior das
telhas, e teve comportamento praticamente constante, o que
indica que nesse período de tempo a parte inferior possuiu uma
maior quantidade de calor do que a superior. Porém, a partir das
6 h da manhã a temperatura das superfícies superiores passam
a aumentar de forma muito rápida, ocasionando uma mudança
no comportamento dos gradientes em todas as telhas, dessa
Figura 3. Gradiente de temperatura entre a superfície
superior e inferior da telha (Gt = Ts – Ti), onde, Gt =
gradiente da telha, Ts = Temperatura da superfície superior
da telha Ti = Temperatura da superfície inferior da telha
forma, o fluxo de temperatura é invertido, ou seja, passando a
se direcionar da parte superior para a inferior. Após às 16 h o
fluxo volta a seguir o comportamento inicial.
Ainda na Figura 3, observa-se que os gradientes nas
superfícies da telha de material alternativo comportam-se de
maneira diferenciada das demais, sendo que durante o período
noturno, a temperatura na sua superfície inferior é cerca de 0,8°C
maior que nas outras telhas. Ao iniciar o dia sua temperatura
na superfície superior passa a aumentar mais rápido do que nos
outros tipos de telhas, possivelmente devido à coloração escura
da sua superfície. Observa-se ainda uma grande diferença entre
os picos das curvas, sendo que a de material alternativo possui
um pico bem maior cujo comportamento é devido à baixa
condução de calor no perfil da telha aumentado a diferença de
temperatura nas suas superfícies. Esse fenômeno ocorre devido
possivelmente à presença de materiais isolantes na composição
do material de confecção da telha.
As telhas do tipo TCE e TC são idênticas em sua forma e
material de composição, porém diferenciam-se em seu tempo
de uso, sendo que a primeira apresenta-se desgastada e com
presença de fuligem e fungos, que escureceram sua superfície,
ficando claro no gráfico acima, que esses fatores influenciam
no comportamento do fluxo de calor, sendo que as curvas
diferem entre si ao longo do dia, principalmente no período
das 8 às 18 h.
Além disso, pode-se também observar a influência da forma
geométrica da telha no seu comportamento térmico, sendo que
os tratamentos TCT e TC são confeccionados com os mesmos
tipos de materiais porém apresentam formas geométricas
distintas, podendo-se verificar uma leve diferença nas curvas
que descrevem seus gradientes ao longo do dia, apresentando
maiores diferenças no período compreendido entre 8 e 17 h.
A superfície inferior das telhas está em constante contato
com o ar do interior das construções, e sua temperatura
pode influenciar no conforto térmico das instalações através
da transferência de calor pelo processo de convecção; dessa
forma, na elaboração dos projetos de construções rurais devese sempre optar por telhas de materiais adequados para atender
às necessidades de cada região.
A Tabela 1 apresenta as médias das temperaturas das
superfícies inferiores dos quatro tratamentos coletadas nos 13
dias de experimento, ao longo dos dias.
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Análise termo-infravermelha de diferentes telhas para construções rurais
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Tabela 1. Médias das temperaturas das superfícies inferiores dos quatro tratamentos
Tratamentos
TA
TCT
TCE
TC
MG
DMS
CV(%)
Fcal
TA
TCT
TCE
TC
MG
DMS
CV(%)
Fcal
0
18,9±1,9a
18,3±2,1a
18,3±2,1a
18,0±2,2a
18,3
2,2
11,3
0,4ns
12
41,1±3,2a
44,1±4,6a
44,3±4,5a
42,4±4,1a
43,0
4,3
9,6
1,7ns
2
19,3±1,8a
18,6±2,0a
18,7±1,9a
18,4±2,0a
18,7
2,0
10,3
0,5ns
14
38,3±4,6a
39,4±5,3a
39,7±5,2a
38,1±4,7a
38,9
5,2
12,8
0,3ns
Períodos do dia (h)
4
6
19,6±1,7a
20,1±1,5a
19,1±1,8a
19,7±1,6a
19,1±1,8a
19,8±1,6a
18,8±1,8a
19,5±1,6a
19,2
19,8
1,9
1,7
9,3
8,1
0,4ns
0,4ns
16
18
29,6±1,8a
19,6±1,6a
28,3±1,5ab
18,5±1,7a
28,8±1,7ab
18,5±1,7a
27,8±1,7b
18,2±1,8a
28,6
18,7
1,8
1,8
6,0
9,1
2,6ns
1,6ns
8
23,0±1,3a
23,2±1,4a
23,0±1,4a
22,9±1,4a
23,0
1,4
5,9
0,01ns
20
17,9±1,3a
17,0±1,5a
17,2±1,5a
16,8±1,5a
17,2
1,5
8,5
1,4ns
10
38,1±4,4a
41,9±5,8a
42,4±5,9a
40,7±6,1a
40,8
5,8
13,7
1,5ns
22
18,2±1,9a
17,5±1,9a
17,5±1,9a
17,2±1,9a
17,6
1,9
10,5
0,7ns
Médias seguidas da mesma letra minúscula, na coluna, não diferem estaticamente a 5% de probabilidade, pelo teste de Tukey; MG - Média geral; DMS - Diferença mínima significativa; CV(%) - Coeficiente de
variação; Fcal. - F Calculado; *significativo a 5% e **significativo a 1% de probabilidade, pelo teste F.
1
Foram observadas diferenças significativas nas temperaturas
apenas na coluna das 16 horas, apesar de ter ocorrido
diferenças consideráveis nas temperaturas dos tratamentos em
determinados intervalos do dia. Todos os tratamentos tiveram
suas médias de temperaturas máximas por volta do meio
dia, aonde algumas telhas chegaram a atingir mais de 44 °C,
como no caso da TCT e TCE. Apesar dos tratamentos TC e
TCE serem constituídos do mesmo tipo de telha e dos mesmos
materiais de composição, é possível observar as diferenças de
suas temperaturas, principalmente no período mais quente do
dia onde a telha capa canal tipo colonial envelhecida, atingiu
temperaturas com aproximadamente 2°C acima do que a telha
colonial nova. Isso mostra a importância da conservação dos
telhados nas instalações. Fazendo uma breve comparação entre
os tratamentos TC e TCT, nota-se que a telha colonial tipo
trapezoidal também aquece um pouco mais do que a colonial
ondulada nova ultrapassando-a em mais de 1,5°C.
Observando os dados obtidos pelos termopares, das
superfícies inferiores das telhas, foi possível perceber que as
telhas obtiveram picos de temperaturas ao meio dia. Dessa
forma, foram obtidas as imagens térmicas das superfícies
superiores das telhas para esse determinado horário, conforme
Figura 4.
Como previsto, nas imagens térmicas acima, pode-se
observar que as telhas tipo alternativa e capa canal colonial
envelhecida (Figuras 4A e 4C) possuem uma maior quantidade
de calor superficial que as demais, esse fato reflete a contribuição
da coloração da telha para a absorção da radiação solar.
Notou-se ainda na Figura 4 que existe diferença considerável
entre as temperaturas dos tratamentos TCE e TC, onde a telha
capa canal colonial envelhecida possuiu 6,2°C a mais do que
o outro tratamento. Ficando evidente a importância da boa
conservação dos telhados nas construções, principalmente nas
regiões de clima predominantemente quente, influenciando
diretamente no conforto térmico no interior da instalação,
podendo prejudicar no bom desempenho das atividades a serem
executadas, sendo necessários maiores investimento para a
climatização interna do ambiente, encarecendo a produção.
Figura 4. Imagem das telhas. A. Telha alternativa (TA) ;
B. Telha Capa Canal Trapezoidal (TCT); C. Telha Capa
Canal Colonial Envelhecida (TCE); D. Telha Capa
Canal Colonial Nova (TC)
Visando uma melhor representação do comportamento
das temperaturas nas superfícies inferiores e superiores das
telhas foram elaborados modelos matemáticos polinomiais
de acompanhamento dos pontos experimentais, com isso
obtiveram-se equações da forma:
T(t) = at10 + bt9 + ct8 + dt7 + et6 + ft5 + gt4 + ht3 + it2 + jt + k
sendo: T a temperatura nas superfícies das telhas (variável
dependente) que varia ao longo do tempo t (variável
independente).
Nas Figuras 5A, 5B, 5C e 5D estão representadas as
curvas das temperaturas das superfícies superior e inferior dos
tratamentos ao longo do dia acompanhadas das curvas dos
respectivos modelos matemáticos.
Presentes na Tabela 2 estão os coeficientes das curvas
geradas, juntamente com os coeficientes de determinação R2,
que indica o quanto o modelo adotado consegue explicar os
dados dos experimentos. Após o estudo dos modelamentos, para
descrever o comportamento da temperatura nas superfícies das
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Mês efetivo de circulação deste número: Outubro/2014.
100
Jordânio I. Marques et al.
A.
B.
C.
D.
Figura 5. Curvas das temperaturas e modelos matemáticos. A. Telha alternativa (TA); B. Telha Capa Canal Trapezoidal (TCT);
C. Telha Capa Canal Colonial Envelhecida (TCE); D. Telha Capa Canal Colonial Nova (TC)
Tabela 2. Coeficientes das curvas geradas pelos modelos polinomiais e coeficientes de determinação R2
Tratamentos
TA (superior)
TA (inferior)
TCT (superior)
TCT(inferior)
TCE(superior)
TCE(inferior)
TC (superior)
TC (inferior)
a
-2,23.10-8
-4,91.10-9
-8,12.10-9
-6,07.10-9
-1,01.10-8
-7,13.10-9
-8,42.10-9
-6,41.10-9
b
1,40.10-6
5,79.10-7
9,20.10-7
6,98.10-7
1,14.10-6
8,24.10-7
9,60.10-7
7,40.10-7
c
-6,67.10-5
-2,86.10-5
-4,33.10-5
-3,34.10-5
-5,4.10-5
-3,98.10-5
-4,58.10-5
-3,57.10-5
Parâmetros das equações
d
e
f
g
1,72.10-2 -0,02 0,22 -1,06
7,63.10-4 -0,01 0,11 -0,53
1,09.10-3 -0,02 0,13 -0,54
8,59.10-4 -0,01 0,11 -0,47
1,37.10-3 -0,02 0,17 -0,76
1,04.10-3 -0,02 0,14 -0,66
1,17.10-3 -0,02 0,15 -0,71
9,3.10-4 -0,01 0,12 -0,59
telhas ao longo do dia. Observa-se que o modelo apresentou
valores de R2 superiores a 98% podendo ser utilizados para
a predição das temperaturas nos telhados em condições
semelhantes às experimentais.
CONCLUSÃO
1. A telha que melhor se adequa para as construções rurais
em regiões de clima predominantemente quente é a telha de
material alternativo, pois a mesma aquece menos a sua superfície
inferior nas horas mais quentes do dia. Proporcionalmente ao
tempo de ganho de calor por esse tipo de telha, ela também
demora um pouco mais do que as demais para perder o calor
h
2,53
1,34
0,90
0,91
1,61
1,60
1,62
1,41
i
-2,31
1,42
0,09
0,36
-1,04
-1,52
-1,43
-1,37
j
0,39
0,55
0,81
-0,26
-0,13
0,45
0,31
0,47
k
18,08
18,65
18,14
18,35
18,06
18,27
17,66
18,08
R2
0,98
0,99
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
0,98
retido, e consequentemente fica mais aquecida no período da
noite (período mais frio do dia).
2. O estado de conservação das telhas influenciou no seu
comportamento térmico, visto que a telha capa canal tipo
colonial envelhecida obteve maiores temperaturas (nas duas
superfícies) do que a telha capa canal tipo colonial nova.
3. A forma geométrica da telha também influenciou no
aquecimento de sua superfície inferior, visto que a telha capa
canal tipo trapezoidal obteve maiores temperaturas nas horas
de pico do que a TC, sendo elas compostas dos mesmos tipos
de materiais e ambas estando em bom estado de conservação.
4. O modelo polinomial pode ser empregado de forma
satisfatória na descrição e simulação do comportamento
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Análise termo-infravermelha de diferentes telhas para construções rurais
da temperatura nos telhados das construções, visto que seu
coeficiente de determinação variou entre 98 e 99%.
AGRADECIMENTOS
Ao CNPq pelo financiamento do projeto e pela concessão
da bolsa PIBIC e aos colegas do Laboratório de Construções
Rurais e Ambiência (LaCRA) da Unidade Acadêmica de
Engenharia Agrícola, onde este projeto foi desenvolvido e
realizado, por todo apoio e contribuição.
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e Tecnológico. Orientador: Antônio Farias Leal.
Revista Educação Agrícola Superior - v.28, n.2, p.96-101, 2013.
Mês efetivo de circulação deste número: Outubro/2014.