Massa térmica - Thermal mass

O benefício da massa térmica é mostrado nesta comparação de como as construções pesadas e leves afetam a temperatura interna

No projeto de edifícios, a massa térmica é uma propriedade da massa de um edifício que lhe permite armazenar calor, proporcionando "inércia" contra as flutuações de temperatura. Às vezes, é conhecido como efeito volante térmico . Por exemplo, quando as temperaturas externas estão flutuando ao longo do dia, uma grande massa térmica dentro da parte isolada de uma casa pode servir para "nivelar" as flutuações diárias de temperatura, uma vez que a massa térmica irá absorver energia térmica quando os arredores estiverem mais elevados. do que a massa, e devolver a energia térmica quando os arredores estiverem mais frios, sem atingir o equilíbrio térmico . Isso é diferente do valor isolante de um material , que reduz a condutividade térmica de um edifício , permitindo que ele seja aquecido ou resfriado de forma relativamente separada do exterior, ou mesmo apenas retendo a energia térmica dos ocupantes por mais tempo.

Cientificamente, a massa térmica é equivalente à capacitância térmica ou capacidade de calor , a capacidade de um corpo armazenar energia térmica . É normalmente referido pelo símbolo C th e sua unidade SI é J / ° C ou J / K (que são equivalentes). A massa térmica também pode ser usada para corpos d'água, máquinas ou peças de máquinas, seres vivos ou qualquer outra estrutura ou corpo em engenharia ou biologia. Nesses contextos, o termo "capacidade térmica" é normalmente usado.

Fundo

A equação que relaciona a energia térmica à massa térmica é:

onde Q é a energia térmica transferida, C th é a massa térmica do corpo e Δ T é a mudança de temperatura.

Por exemplo, se 250 J de energia térmica forem adicionados a uma engrenagem de cobre com massa térmica de 38,46 J / ° C, sua temperatura aumentará 6,50 ° C. Se o corpo consiste de um material homogêneo com propriedades físicas suficientemente conhecidas, a massa térmica é simplesmente a massa do material presente vezes a capacidade térmica específica desse material. Para corpos feitos de muitos materiais, a soma das capacidades de calor para seus componentes puros pode ser usada no cálculo, ou em alguns casos (como para um animal inteiro, por exemplo) o número pode simplesmente ser medido para todo o corpo em questão, diretamente.

Como uma propriedade extensa , a capacidade de calor é característica de um objeto; sua propriedade intensiva correspondente é a capacidade de calor específica, expressa em termos de uma medida da quantidade de material, como massa ou número de moles, que deve ser multiplicada por unidades semelhantes para dar a capacidade de calor de todo o corpo do material. Assim, a capacidade de calor pode ser calculada de forma equivalente como o produto da massa m do corpo e a capacidade de calor específica c para o material, ou o produto do número de moles de moléculas presentes n e a capacidade de calor específica molar . Para uma discussão sobre por que as capacidades de armazenamento de energia térmica de substâncias puras variam, consulte os fatores que afetam a capacidade de calor específica .

Para um corpo de composição uniforme, pode ser aproximado por

onde é a massa do corpo e é a capacidade térmica específica isobárica do material calculada na média da faixa de temperatura em questão. Para corpos compostos de vários materiais diferentes, as massas térmicas para os diferentes componentes podem simplesmente ser somadas.

Massa térmica em edifícios

A massa térmica é eficaz para melhorar o conforto do edifício em qualquer lugar que experimente esses tipos de flutuações de temperatura diárias - tanto no inverno quanto no verão. Quando bem usada e combinada com design solar passivo , a massa térmica pode desempenhar um papel importante nas principais reduções do uso de energia em sistemas ativos de aquecimento e resfriamento . O uso de materiais com massa térmica é mais vantajoso onde há uma grande diferença nas temperaturas externas do dia para a noite (ou, quando as temperaturas noturnas são pelo menos 10 graus mais baixas do que o ponto de ajuste do termostato). O termos de peso pesado e leve são muitas vezes utilizados para descrever edifícios com diferentes estratégias de massa térmica, e afecta a escolha de factores numéricos utilizados em cálculos subsequentes para descrever a sua resposta térmica para o aquecimento e arrefecimento. Na engenharia de serviços de construção , o uso de software de modelagem computacional de simulação dinâmica tem permitido o cálculo preciso do desempenho ambiental em edifícios com diferentes construções e para diferentes conjuntos de dados climáticos anuais. Isso permite ao arquiteto ou engenheiro explorar em detalhes a relação entre as construções pesadas e leves, bem como os níveis de isolamento, na redução do consumo de energia para aquecimento mecânico ou sistemas de resfriamento , ou mesmo eliminando a necessidade de tais sistemas.

Propriedades necessárias para uma boa massa térmica

Materiais ideais para massa térmica são aqueles materiais que têm:

Qualquer sólido, líquido ou gás com massa terá alguma massa térmica. Um equívoco comum é que apenas concreto ou solo de terra tem massa térmica; até o ar tem massa térmica (embora muito pequena).

Uma tabela de capacidade volumétrica de calor para materiais de construção está disponível, mas observe que sua definição de massa térmica é um pouco diferente.

Uso de massa térmica em diferentes climas

O uso correto e a aplicação da massa térmica dependem do clima prevalecente em um distrito.

Climas temperados e frios temperados

Massa térmica exposta ao sol

A massa térmica está idealmente colocada dentro do edifício e situada onde ainda pode ser exposta à luz solar de inverno de baixo ângulo (através de janelas), mas isolada da perda de calor. No verão, a mesma massa térmica deve ser obscurecida da luz solar de alto ângulo do verão para evitar o superaquecimento da estrutura.

A massa térmica é aquecida passivamente pelo sol ou adicionalmente por sistemas de aquecimento interno durante o dia. A energia térmica armazenada na massa é então liberada de volta para o interior durante a noite. É essencial que seja usado em conjunto com os princípios padrão de design solar passivo .

Qualquer forma de massa térmica pode ser usada. Uma fundação de laje de concreto à esquerda ou coberta com materiais condutores, por exemplo, telhas, é uma solução fácil. Outro método novo é colocar a fachada de alvenaria de uma casa com estrutura de madeira no lado de dentro ('folheado de tijolo reverso'). A massa térmica nesta situação é mais bem aplicada em uma grande área do que em grandes volumes ou espessuras. 7,5–10 cm (3 ″ –4 ″) é geralmente adequado.

Visto que a fonte mais importante de energia térmica é o Sol, a proporção do envidraçamento para a massa térmica é um fator importante a ser considerado. Várias fórmulas foram criadas para determinar isso. Como regra geral, a massa térmica adicional exposta ao sol precisa ser aplicada em uma proporção de 6: 1 a 8: 1 para qualquer área de envidraçamento voltado para o sol (voltado para o norte no hemisfério sul ou voltado para o sul no hemisfério norte) acima 7% da área total do piso. Por exemplo, um 200 m 2 casa com 20 m 2 da vidraça voltada para-sol tem 10% das vidraças por área total; 6 m 2 dessa vidraça exigirão massa térmica adicional. Portanto, usando a proporção de 6: 1 a 8: 1 acima, um adicional de 36–48 m 2 de massa térmica exposta ao sol é necessário. Os requisitos exatos variam de clima para clima.

Uma sala de aula de escola moderna com ventilação natural abrindo janelas e massa térmica exposta de um intradorso de piso de concreto sólido para ajudar a controlar as temperaturas do verão
Massa térmica para limitar o superaquecimento no verão

A massa térmica é idealmente colocada dentro de um edifício onde é protegida do ganho solar direto, mas exposta aos ocupantes do edifício. Portanto, é mais comumente associado a lajes de piso de concreto maciço em edifícios ventilados naturalmente ou mecanicamente ventilados de baixa energia, onde o intradorso de concreto é deixado exposto ao espaço ocupado.

Durante o dia, o calor é obtido do sol, dos ocupantes do edifício e de qualquer iluminação e equipamentos elétricos, fazendo com que as temperaturas do ar dentro do espaço aumentem, mas esse calor é absorvido pela laje de concreto exposta acima, limitando assim o aumento da temperatura dentro do espaço dentro de níveis aceitáveis ​​para o conforto térmico humano. Além disso, a temperatura mais baixa da superfície da laje de concreto também absorve o calor radiante diretamente dos ocupantes, beneficiando também seu conforto térmico.

Ao final do dia, a laje, por sua vez, já aqueceu, e agora, conforme as temperaturas externas diminuem, o calor pode ser liberado e a laje resfriada, pronta para o início do dia seguinte. No entanto, este processo de "regeneração" só é eficaz se o sistema de ventilação do edifício for operado à noite para retirar o calor da laje. Em edifícios com ventilação natural, é normal fornecer aberturas de janela automatizadas para facilitar este processo automaticamente.

Climas quentes e áridos (por exemplo, deserto)

Um edifício com paredes de adobe em Santa Fé, Novo México

Este é um uso clássico de massa térmica. Os exemplos incluem casas de adobe , taipa ou blocos de calcário . Sua função é altamente dependente de variações marcantes de temperatura diurna . A parede atua predominantemente para retardar a transferência de calor do exterior para o interior durante o dia. A alta capacidade de calor volumétrico e espessura evita que a energia térmica alcance a superfície interna. Quando as temperaturas caem à noite, as paredes irradiam novamente a energia térmica de volta para o céu noturno. Nesta aplicação, é importante que tais paredes sejam maciças para evitar a transferência de calor para o interior.

Climas quentes e úmidos (por exemplo, subtropicais e tropicais)

O uso de massa térmica é o mais desafiador neste ambiente onde as temperaturas noturnas permanecem elevadas. Seu uso é principalmente como dissipador de calor temporário. No entanto, ele precisa estar estrategicamente localizado para evitar superaquecimento. Deve ser colocado em uma área que não esteja diretamente exposta ao ganho solar e também permita ventilação adequada à noite para transportar a energia armazenada sem aumentar mais as temperaturas internas. Se for usado, deve ser usado em quantidades criteriosas e, novamente, não em grandes espessuras.

Materiais comumente usados ​​para massa térmica

  • Água: a água tem a maior capacidade volumétrica de calor de todos os materiais comumente usados. Normalmente, é colocado em grandes recipientes, tubos de acrílico , por exemplo, em uma área com luz solar direta. Também pode ser usado para saturar outros tipos de material, como solo, para aumentar a capacidade de calor.
  • Concreto, tijolos de argila e outras formas de alvenaria: a condutividade térmica do concreto depende de sua composição e técnica de cura. Os concretos com pedras são mais condutores térmicos do que os concretos com cinza, perlita, fibras e outros agregados isolantes. As propriedades de massa térmica do concreto economizam 5–8% nos custos anuais de energia em comparação com a madeira serrada.
  • Painéis de concreto isolados consistem em uma camada interna de concreto para fornecer o fator de massa térmica. Este é isolado do exterior por um isolamento de espuma convencional e, em seguida, coberto novamente com uma camada externa de concreto. O efeito é um envelope de isolamento de construção altamente eficiente.
  • As formas isolantes de concreto são comumente usadas para fornecer massa térmica às estruturas de edifícios. As formas de concreto isolantes fornecem a capacidade térmica específica e a massa do concreto. A inércia térmica da estrutura é muito alta porque a massa é isolada em ambos os lados.
  • Tijolo de argila, tijolo de adobe ou tijolo de lama: veja tijolo e adobe .
  • Terra, lama e grama: a capacidade de calor da sujeira depende de sua densidade, teor de umidade, formato das partículas, temperatura e composição. Os primeiros colonizadores de Nebraska construíram casas com paredes grossas feitas de terra e grama porque a madeira, pedra e outros materiais de construção eram escassos. A extrema espessura das paredes proporcionava algum isolamento, mas servia principalmente como massa térmica, absorvendo energia térmica durante o dia e liberando-a durante a noite. Hoje em dia, as pessoas às vezes usam proteção de terra ao redor de suas casas para o mesmo efeito. No abrigo de terra, a massa térmica vem não apenas das paredes do edifício, mas da terra circundante que está em contato físico com o edifício. Isso fornece uma temperatura moderada razoavelmente constante que reduz o fluxo de calor através da parede adjacente.
  • Terra compactada: a taipa de pilão fornece excelente massa térmica devido à sua alta densidade e à alta capacidade térmica específica do solo utilizado em sua construção.
  • Rocha e pedra natural: ver canteiros .
  • Os troncos são usados ​​como material de construção para criar as paredes externas e talvez também internas das casas. As casas de toras diferem de alguns outros materiais de construção listados acima porque a madeira sólida tem um valor R moderado (isolamento) e também uma massa térmica significativa. Em contraste, água, terra, rochas e concreto têm valores R baixos. Essa massa térmica permite que uma casa de toras retenha melhor o calor em climas mais frios e retenha melhor sua temperatura mais fria em climas mais quentes.
  • Materiais de mudança de fase

Armazenamento de energia sazonal

Se for usada massa suficiente, pode criar uma vantagem sazonal. Ou seja, pode aquecer no inverno e esfriar no verão. Isso às vezes é chamado de armazenamento de calor anual passivo ou PAHS. O sistema PAHS foi usado com sucesso em 7000 pés no Colorado e em várias residências em Montana. As Earthships do Novo México utilizam aquecimento e resfriamento passivos, bem como pneus reciclados para a parede da fundação, produzindo um máximo de PAHS / STES. Também foi usado com sucesso no Reino Unido, no Hockerton Housing Project .

Veja também

Referências

links externos

  • Ecopilot , aproveitando a massa térmica para melhorar o conforto e a eficiência energética dos edifícios