THERMAL INSULATION IN CIVIL CONSTRUCTION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7997636
Maria Alice Corrêa Rehem da Cruz;
Elana Nascimento Sarmento;
Marcelo O’Donnell Krause;
Felipe José Estrela Marinho.
RESUMO
O isolamento térmico na construção civil busca compreender os processos de transferência de energia em ambientes construídos. A transferência de calor ocorre quando há uma diferença de temperatura entre duas áreas, e podendo acontecer por condução, convecção e radiação. Na construção civil, o isolamento térmico em paredes é importante para manter a temperatura adequada. Os isolantes são materiais com baixa condutividade térmica e alta resistência ao fluxo de calor. O revestimento de argamassa, por sua vez, protege os elementos da edificação contra agentes agressivos e contribui para o isolamento térmico, acústico e estanqueidade à água. O poliestireno extrudado (XPS) é um isolante térmico amplamente utilizado, especialmente em coberturas planas, devido à sua capacidade de isolamento e resistência à compressão. Ele possui uma estrutura celular fechada e baixa absorção de água, o que o torna resistente à umidade. A madeira também é um material com propriedades de isolamento térmico, devido à sua estrutura celular que retém ar e à baixa condutividade da celulose. Construções em madeira podem alcançar altos níveis de isolamento térmico, ajudando assim, a equilibrar as oscilações de temperatura e conservando o calor no ambiente construído. Esses conceitos e materiais são aplicados na construção civil com o objetivo de garantir o conforto térmico, economia de energia e proteção dos elementos da edificação contra variações de temperatura e agentes externos.
Palavras-chave: Isolamento térmico; Construção Civil; Transferência de energia; Conforto Térmico.
ABSTRACT
In the field of civil construction, thermal insulation aims to understand the processes of energy transfer in built environments. Heat transfer occurs when there is a temperature difference between two areas and can happen through conduction, convection, and radiation. Thermal insulation in walls is essential in the construction industry to maintain the desired temperature. Insulating materials have low thermal conductivity and high resistance to heat flow. The application of mortar coating protects the building elements against aggressive agents and contributes to thermal insulation, acoustic insulation, and water tightness. Polystyrene extruded (XPS) is a widely used thermal insulator, particularly in flat roofs, due to its insulation capacity and compression resistance. It has a closed-cell structure and low water absorption, making it resistant to moisture. Wood also possesses thermal insulation properties due to its cellular structure, which retains air and exhibits low cellulose conductivity. Wooden constructions can achieve high levels of thermal insulation, thus helping to balance temperature fluctuations and conserve heat in the built environment. These concepts and materials are applied in civil construction with the objective of ensuring thermal comfort, energy efficiency, and protection of building elements against temperature variations and external agents.
Keywords: Thermal Insulation, Civil Construction, Energy Transfer, Thermal Comfort
O isolante na edificação é responsável por proteger o interior das condições climáticas externas, além de permitir a passagem controlada de ar, umidade e calor. Sendo composta por diversos elementos, como paredes, janelas, portas, telhados, pisos e isolamentos térmicos, que devem ser projetados e construídos de forma a garantir o conforto térmico, a eficiência energética e a durabilidade. A envolvente da edificação também desempenha um papel importante na qualidade do ar interno, pois permite a renovação do ar e evita a acumulação de umidade e poluentes no interior. Por isso, é fundamental que os projetos levem em conta a escolha adequada de materiais, o dimensionamento correto dos elementos e a consideração das condições climáticas locais.
Segundo Lamberts et al. (2016), é interessante notar como desde a antiguidade as pessoas já buscavam soluções construtivas para melhorar o conforto térmico das habitações, mesmo sem ter acesso a tecnologias modernas de climatização. O exemplo das edificações subterrâneas em Honan, na China, mostra como os antigos habitantes dessa região conseguiram se adaptar às condições climáticas extremas da área. Já a estratégia de construir habitações em encostas de pedra no Colorado, nos Estados Unidos, exemplifica como a proteção contra a incidência direta do sol era importante para garantir o conforto térmico.
Hoje em dia, com o avanço das tecnologias e o aumento da consciência ambiental, a eficiência energética tornou-se uma preocupação cada vez mais importante no projeto de edificações. Além do conforto térmico, outras questões como a acústica, iluminação natural e consumo de energia também devem ser consideradas.
Além dessas variáveis ambientais, o conforto térmico também é influenciado por fatores pessoais, como a idade, sexo, nível de atividade física, vestuário, entre outros. Por exemplo, uma temperatura de 25°C pode ser confortável para uma pessoa em repouso com roupas leves, mas pode ser desconfortável para outra pessoa em atividade física intensa usando roupas pesadas.
Para avaliar o conforto térmico em ambientes internos, a ABNT 15220 recomenda o uso da Norma ISO 7730, que estabelece critérios para a determinação das condições térmicas ideais para ambientes climatizados artificialmente, levando em consideração as variáveis ambientais e pessoais mencionadas anteriormente.
Já para ambientes externos, a avaliação do conforto térmico pode ser realizada por meio do uso de índices de conforto térmico, como o índice de temperatura e umidade (ITU) e o índice de calor (IC). Esses índices levam em consideração as condições ambientais, como temperatura, umidade relativa do ar e velocidade do vento, e fornecem uma estimativa da sensação térmica experimentada pelas pessoas.
De acordo com o desempenho Térmico NBR 15575 estabelece requisitos mínimos para o desempenho térmico de edificações, com o objetivo de garantir o conforto térmico dos usuários e reduzir o consumo de energia. Esses requisitos são baseados em critérios como a resistência térmica dos elementos construtivos (paredes, coberturas, pisos), a permeabilidade ao ar, o desempenho dos vidros e das esquadrias, entre outros.
A escolha do tipo de isolamento térmico e sua forma de aplicação deve levar em conta as características específicas de cada edificação, como a sua localização geográfica, o clima predominante na região, a orientação solar, entre outros fatores. Além disso, é importante considerar a durabilidade e a manutenção do material escolhido, bem como o seu impacto ambiental.
Segundo Fiegenbaum (2018), o uso de materiais com bom desempenho térmico pode trazer diversos benefícios para os usuários da edificação, como a redução da necessidade de uso de sistemas de ar condicionado e aquecimento, o aumento do conforto térmico e a melhoria da qualidade do ar interno. Além disso, pode contribuir para a redução do consumo de energia e para a sustentabilidade do ambiente construído.
Este artigo tem o objetivo de explorar a importância da aplicação dos conceitos de transferência de calor na área da construção civil, mostrando os diferentes modos (condução, convecção e radiação) e suas propriedades térmicas. Discutindo assim, como o conceito da termodinâmica é aplicada na construção civil, com foco nos processos de transferência de calor. Serão apresentados os conceitos fundamentais relacionados à transferência de calor, como a definição de transferência de calor, os diferentes modos de transferência de calor (condução, convecção e radiação) e a importância das propriedades térmicas dos materiais. Será enfatizada a relevância desses conceitos para a eficiência energética e sustentabilidade das construções. Por fim, serão apresentadas algumas aplicações práticas na construção civil, como a análise do desempenho energético de edifícios.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REFERENCIAL TEÓRICO
Os princípios das transferências de calor aplicada na construção civil é uma área que busca entender os processos de transferência de energia térmica entre diferentes materiais e estruturas em um ambiente construído. Alguns dos principais conceitos que são importantes para entender essa área incluem:
2.1 Transferência De Calor
Segundo Coelho (2016), quando há uma diferença de temperatura entre duas áreas em um espaço, a tendência é que essa diferença desapareça, havendo uma transferência de calor da área com maior temperatura para a área com menor temperatura. Esse processo é chamado de transmissão de calor e pode ocorrer de três maneiras diferentes: condução, convecção e radiação, conforme mostra a figura 1.
Figura 1: Fonte UFPR (2017)
Segundo Sergio Montoro (2019), a condutividade térmica é uma medida da capacidade de um material para conduzir calor. Indica a quantidade de calor que pode ser transferida através de um material em uma unidade de tempo.
De acordo com Incropera et al. (2011, p.2), a transferência de calor é o movimento de energia térmica devido a uma diferença de temperatura em um espaço. Em outras palavras, a transferência de calor é a energia térmica que se move de um ponto para outro em um sistema, devido a uma diferença de temperatura entre esses pontos.
Segundo Costa (2003) e Incropera et al. (2011), a transferência de calor só acontece quando há uma diferença de temperatura em um meio ou entre dois ou mais meios. Em outras palavras, a transferência de calor ocorre quando existe um gradiente térmico, ou seja, uma variação de temperatura entre dois pontos, fazendo com que a energia térmica flua do ponto mais quente para o mais frio. Sem essa diferença de temperatura, não há transferência de calor.
2.2 Condução
De acordo com Vivaldini (2014), a condução é a transferência de calor que ocorre entre duas regiões de um mesmo corpo ou entre corpos em contato, sem que haja deslocamento de material no sistema. Essa transferência de calor ocorre devido ao movimento das moléculas, que se chocam entre si e transferem energia térmica. Em outras palavras, a condução térmica é a transferência de calor que ocorre dentro de um meio ou entre meios em contato direto, por meio do movimento aleatório das moléculas que compõem esses meios.
Segundo Barrosa (2004), a transferência de calor por condução segue a lei de Fourier, que estabelece que o fluxo de calor é diretamente proporcional à área de superfície através da qual ocorre a transferência de calor e ao gradiente de temperatura entre as regiões em contato. Ou seja, quanto maior a área de superfície de contato entre os meios e maior for a diferença de temperatura entre eles, maior será o fluxo de calor por condução.
A Lei de Fourier, também conhecida como Lei da Condução Térmica, descreve a transferência de calor por condução através de um material homogêneo em regime estacionário. A lei estabelece que a taxa de fluxo de calor através de um material é diretamente proporcional à área da seção transversal do material, à diferença de temperatura entre as duas extremidades do material e à condutividade térmica do material, é inversamente proporcional à espessura do material.
A lei é expressa matematicamente como mostra figura 2:
Figura 2 – Fórmula Lei de Fourier
K- Condutividade térmica do material;
A- Área da seção transversal;
∆T/L -Variação de temperatura em relação à distância.
O sinal negativo mostra que o calor flui da região de maior temperatura para a região de menor temperatura.
Jean Baptiste Joseph Fourier foi um físico e matemático francês que contribuiu significativamente para o estudo da condução de calor. Além da Lei de Fourier, ele também é conhecido por sua contribuição para o estudo das séries trigonométricas.
2.3 Convecção
De acordo com Costa (2003), a convecção é o processo de transferência de calor que ocorre em fluidos (líquidos e gases) quando há uma diferença de temperatura entre as regiões do fluido. Essa diferença de temperatura provoca uma diferença de densidade, o que faz com que as regiões mais quentes do fluido se expandam e fiquem menos densas, enquanto as regiões mais frias se contraem e ficam mais densas. Isso gera um movimento das partículas do fluido, que transporta o calor de uma região para outra. Conforme a figura 3.
Figura 3: UNESP (2010) Exemplos: ar-condicionado e aquecedor
Esse processo é chamado de convecção e é responsável por transferir calor em muitos sistemas naturais e artificiais, como o ar dentro de uma casa aquecida por um radiador, ou a água dentro de uma panela aquecida no fogão.
Figura 4: IFSC (2009)
De acordo com Lamberts et al. (2016), a convecção ocorre quando há contato molecular entre os corpos e pelo menos um deles é um fluido. Inicialmente, o calor é transmitido por condução, ou seja, pelas colisões entre as moléculas dos corpos em contato direto. No entanto, quando o fluido é aquecido, sua temperatura e, consequentemente, sua densidade mudam. Essa variação de densidade do fluido provoca o movimento das partículas, criando correntes de convecção.
2.4 Radiação
De acordo com Costa (2003), todos os corpos são capazes de conduzir energia térmica sob a forma de radiação semelhante à luz, cuja quantidade depende da natureza e temperatura do corpo. A radiação é, portanto, uma forma de transferência de calor que ocorre entre dois corpos com temperaturas diferentes, imersos em um meio mais ou menos transparente a esse tipo de radiação.
Frota e Schiffer (2007) afirmam que a radiação térmica é a troca de calor entre dois corpos através da capacidade de emitir e absorver energia térmica. Esse mecanismo de troca é consequência da natureza eletromagnética da radiação, que pode ser transmitida sem a necessidade de um meio para propagação e ocorre até mesmo no vácuo.
Segundo Lamberts et al. (2016), a radiação ocorre devido a uma dupla transformação de energia, em que uma parte do calor do corpo com maior temperatura é convertida em energia que chega ao corpo com temperatura menor e é absorvida por ele, em uma proporção que depende das propriedades da superfície receptora. A emissividade está relacionada com fontes de baixa temperatura, enquanto a absortividade é uma propriedade da superfície que indica a quantidade de radiação solar (fonte de alta temperatura – onda curta) que é absorvida por ela. Cálculo obtido segundo a Lei de Stefan Boltzmann como a figura 5.
Figura 5: IFUSP (2018)
2.5 Isolamento Em Paredes
De acordo com Thomaz e Ishioka (2017), a seleção do sistema de isolamento térmico é determinada por cada situação específica. O recomendado é buscar a opção mais adequada que atenda aos requisitos necessários. Existem três tipos de isolamento de parede: isolamento externo, isolamento interno e isolamento em parede dupla, utilizando vários tipos de materiais.
Dessa forma, para Costa (2003), os isolantes são materiais com baixa baixo coeficiente de condutibilidade (k). Sendo materiais porosos com grade resistência térmica, por conta da baixa condutibilidade de ar dos seus vazios. Tendo uma finalidade de manter a temperatura à níveis adequados no calor e no frio. De acordo com o autor, um isolante bom deve apresentar as seguintes características:
• Baixa condutibilidade térmica;
• Resistir bem à temperatura em que é aplicado;
• Boa resistência mecânica;
• Ser inatacável por pragas;
• Ser incombustível;
• Não ser higroscópico e apresentar baixa porosidade à penetração do vapor de água;
De acordo com Thomaz e Ishioka (2017), o isolamento térmico é destacado como uma das soluções importantes para garantir o conforto nas edificações, além de contribuir para a economia de energia. O isolamento térmico refere-se à capacidade de reduzir a transferência de calor através das paredes, coberturas e outros elementos construtivos de um edifício.
2.6 Revestimento De Argamassa
De acordo com Santos (2008), os revestimentos de argamassa têm como principais funções proteger os elementos da edificação contra agentes agressivos, regularizar a superfície dos elementos de vedação, servir de base para outros revestimentos ou formar o acabamento final. É importante que o revestimento tenha textura constante, esteja livre de imperfeições, fissuras e manchas.
Segundo Carasek (2007), as funções do revestimento vão além da proteção e da estética. O revestimento também deve colaborar com funções como isolamento térmico (cerca de 30% do desempenho), isolamento acústico (aproximadamente 50%), estanqueidade à água (entre 70% e 100%), segurança contrafogo e resistência ao desgaste e abalos superficiais.
Na Figura 6 segundo Santos (2008), é possível ver as diversas camadas que compõem um revestimento de argamassa em uma parede, sendo que o substrato é uma camada de blocos de concreto ou cerâmicos, como pode ser observado na figura 06.
Fonte: Santos (2008)
2.7 Poliestireno Extrudado Xps
De acordo com a AIPEX (2012), o XPS (poliestireno extrudado), quando utilizado em coberturas planas, é considerado o melhor isolante térmico. Isso significa que o XPS pode ser considerado uma boa solução de isolamento, pois atende aos critérios de ser um isolante ideal para essa aplicação específica. Além de ter uma capacidade elevada de isolamento térmico, o XPS também possui uma resistência relevante à compressão, o que o torna adequado para suportar as cargas aplicadas sobre a cobertura.
Conforme mencionado por Mendes (2012), o XPS possui uma estrutura celular totalmente fechada, o que significa que suas células são completamente isoladas umas das outras. Além disso, o XPS tem baixa capacidade de absorção de água, o que o torna resistente à umidade.
Na figura 07 apresentando Thomaz e Ishioka (2014), um isolamento térmico invertido.
Fonte: Thomaz e Ishioka (2014)
De acordo com Thomaz e Ishioka (2014), o isolamento térmico em coberturas pode ser realizado tanto na parte interna quanto na parte externa da estrutura. No entanto, eles destacam que a aplicação externa do isolamento térmico oferece vantagens significativas em relação à proteção da edificação contra variações de temperatura.
2.8 Madeira
De acordo com Amorin(2008), a madeira não conduz bem o calor por conta da sua estrutura celular que retém pequenas massas de ar e é composta principalmente de celulose, uma substância que não é boa condutora de calor. Dessa forma, a capacidade da madeira de conduzir calor depende de dois fatores principais: seu peso específico e o teor de umidade presente na madeira. Quanto mais pesada e úmida a madeira, maior será sua capacidade de conduzir calor. No entanto, quando a madeira está seca e possui um teor de umidade constante, ela se torna um isolante térmico mais eficiente.
Segundo Bortolatto(2019), as construções em madeira são ideais para alcançar altos níveis de isolamento, porque a madeira naturalmente possui um valor elevado de isolamento térmico. Isso ajuda a equilibrar as oscilações de temperatura causadas pela condução, convecção e radiação de calor. Durante as estações mais frias, é importante minimizar essas perdas de calor para que os ganhos solares e o aquecimento fornecido por sistemas auxiliares possam ser retidos o máximo possível dentro do edifício. A madeira oferece uma vantagem nesse aspecto, permitindo que o calor seja conservado eficientemente no ambiente construído. Monstrando assim, na figura 08 os encaixes de painéis de madeira e na figura 09 o fenômeno do processo de carbonização.
Na figura 08: Encaixe de painéis Na figura 09: Fenômeno do processo de carbonização.
Fonte: Swedish Wood(2023) Fonte: Swedish Wood(2023)
3 MATERIAL E MÉTODOS
A metodologia desse trabalho, foi desenvolver uma revisão bibliográfica, abordando as características e desempenho e conforto térmico, além dos tipos de materiais que são utilizados para este fim, que se desenvolveu ao longo dessa pesquisa, utilizando materiais previamente publicados em artigos científicos. Essa pesquisa pode dar continuidade, fazendo parte de um estudo descritivo e exploratório.
Conforme Perovano e Gean (2016), a revisão bibliográfica é essencial para uma compreensão adequada do tema em estudo, bem como para entender a sua relevância para a ciência e a estrutura conceitual subjacente. A revisão bibliográfica tem início a partir do momento em que o problema de pesquisa começa a ser estruturado e tem como objetivo orientar a construção do tema e das perguntas que fazem parte da investigação.
Com o desenvolvimento dessa pesquisa, mostrou-se que os tipos de materiais são muito importantes e fundamentais, pois depende muito da obra. Deve-se levar em conta muitos requisitos, como por exemplo o local da construção, obras em locais de climas altos não será desenvolvida da mesma forma de locais de climas baixos, por isso todas as informações são necessárias e relevante na construção de uma edificação.
A condutibilidade dos materiais, diz muito sobre sua utilização, materiais com alta condutividade térmica são eficientes na condução de calor porque permitem que o calor seja transferido mais rapidamente através do material, já materiais com baixa condutividade térmica retardam a transferência de calor, tornando-os isolantes térmicos eficazes.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados e discussões apresentados abordam alguns conceitos fundamentais na construção civil, com foco na transferência de calor. São discutidos três modos de transferência de calor: condução, convecção e radiação.
No que diz respeito à condução térmica, explica-se que ela ocorre entre regiões de um mesmo corpo ou entre corpos em contato direto, sem deslocamento de material. Ocorrendo devido ao movimento aleatório das moléculas que compõem os meios em contato. A Lei de Fourier é mencionada como a lei que descreve a transferência de calor por condução, relacionando o fluxo de calor com a área de superfície, a diferença de temperatura e a condutividade térmica do material.
Já a convecção térmica é descrita como a transferência de calor que ocorre entre regiões de um mesmo corpo ou entre corpos em contato direto, mas com movimento de matéria entre eles. A transferência de calor por convecção está relacionada ao movimento das moléculas do fluído, que se chocam e transferem energia térmica. Novamente, é mencionada a relação entre o fluxo de calor, a área de superfície e a diferença de temperatura.
A radiação térmica é apresentada como a transferência de calor que ocorre entre corpos com temperaturas diferentes, por meio da emissão e absorção de energia térmica. A radiação térmica é de natureza eletromagnética e pode ocorrer mesmo no vácuo, não necessitando de um meio material para se propagar. É destacado o papel da emissividade e absortividade das superfícies na transferência de calor por radiação.
Além disso, são abordados temas relacionados ao isolamento térmico em paredes e o revestimento de argamassa. O isolamento térmico é destacado como uma solução importante para garantir o conforto e a economia de energia em edificações, enquanto o revestimento de argamassa desempenha funções de proteção, regularização de superfície, isolamento térmico, isolamento acústico, estanqueidade à água, segurança contrafogo e resistência ao desgaste.
O poliestireno extrudado (XPS) é mencionado como um bom material de isolamento térmico, especialmente para coberturas planas, devido à sua capacidade elevada de isolamento e resistência à compressão. Sua estrutura celular fechada e com baixa capacidade de absorção de água contribuem para sua eficiência como isolante térmico.
No geral, esses resultados e discussões oferecem uma visão geral dos princípios aplicados na construção civil, particularmente na transferência de calor e nas estratégias de isolamento térmico.
5 CONCLUSÃO OU CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao decorrer dessa pesquisa de revisão bibliográfica, foi explorado, segundo artigos e teses publicados, a transferência de calor sendo muito importante para as construções, não somente nos dias de hoje, como também na antiguidade usa-se técnicas para o conforto térmico. Conclui-se o quanto é importante o estudo de transferência de calor para nossas edificações, não somente como um ponto estético, mas principalmente com o foco de proporcionar um ambiente agradável e confortável para habitação humana.
Este artigo abordou a importância da aplicação dos conceitos de transferência de calor na área da construção civil. Os diferentes modos de transferência de calor – condução, convecção e radiação – foram discutidos, juntamente com suas propriedades térmicas. Foi destacado como a termodinâmica é aplicada na construção civil, especificamente nos processos de transferência de calor.
Foram apresentados os conceitos fundamentais relacionados à transferência de calor, incluindo sua definição, os modos de transferência de calor e a importância das propriedades térmicas dos materiais. A relevância desses conceitos para a eficiência energética e sustentabilidade das construções também foi enfatizada.
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*E-mail: maria.alicerehem80@gmail.com; elanasarmento2000@gmail.com