Materiais de mudança de fase (PCMs) podem reduzir a energia em edifícios

Uma nova análise concluiu que os materiais de mudança de fase podem diminuir de forma relevante o consumo de energia em edifícios quando são posicionados com precisão em paredes, tetos e pisos.

Esse resultado reposiciona superfícies comuns da construção como reguladores térmicos ativos, capazes de estabilizar a temperatura interna antes de os sistemas de aquecimento e refrigeração entrarem em ação.

Por que a posição importa

Em mais de 3,300 registros sobre paredes, coberturas, tetos e pisos, o mesmo padrão apareceu repetidamente no desempenho desses materiais.

Ao avaliar esse conjunto de evidências, o Prof. Frédéric Kuznik, do INSA Lyon, mostrou que tanto a localização quanto a escolha do material definem diretamente se o calor armazenado chega a alterar as condições dentro do ambiente.

Os resultados melhoravam ou desabavam conforme o material atingia o ponto de fusão no momento certo do ciclo diário de temperatura do edifício.

Esse limite deixa claro que a capacidade de armazenamento, por si só, não garante efeito prático - reforçando a necessidade de entender como esses materiais lidam com o calor no uso real.

PCMs em paredes de edifícios

Na engenharia, eles são chamados de materiais de mudança de fase (PCMs): compostos que armazenam calor e passam de sólido para líquido e voltam a solidificar perto de uma temperatura-alvo.

Quando ocorre a fusão, o calor latente - energia absorvida sem aumento de temperatura - permite que a parede “segure” o aquecimento em vez de transferi-lo para o interior.

Misturas orgânicas tendem a se comportar de forma previsível, enquanto hidratos de sal (sais que retêm água dentro de cristais) podem transportar calor com mais rapidez.

Essas trocas explicam por que não existe uma única formulação que sirva para todo edifício, clima, orçamento ou exigência de segurança.

O que os edifícios ganham com PCMs

Como aquecimento e refrigeração ainda lideram a demanda energética dos edifícios, até pequenos atrasos na passagem de calor podem gerar retorno rapidamente.

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

Em outra comparação ao longo de um ano, observou-se uma melhora de 54% no conforto térmico entre edifícios semelhantes, sendo um com PCM e outro sem.

Esses ganhos de conforto são mais evidentes onde os ocupantes sentem picos fortes à tarde ou quedas acentuadas durante a noite, porque o bem-estar melhora antes de as contas refletirem totalmente a mudança.

Ajuste ao clima local

O clima define se o PCM vai completar ciclos adequados, já que um material que nunca derrete ou nunca solidifica por completo armazena pouco.

Um trabalho no Cazaquistão indicou que um ponto de fusão próximo de 26 °C entregou 39.1% de eficiência no verão em um edifício modelado.

Em seis cidades cazaques, a seleção otimizada elevou a eficiência de energia térmica em aproximadamente 37%, evidenciando o quanto o clima local pesa.

Por isso, projetistas precisam tanto de dados climáticos quanto de dados do material, especialmente em regiões com grande amplitude térmica entre dia e noite.

Colocando PCM em tetos

Depois de acertar a química, o desafio maior costuma ser incorporar PCM em gesso, concreto ou painéis sem ocorrer vazamento.

A mistura direta é simples, porém a migração do líquido e reações químicas podem enfraquecer a aderência em materiais de construção muito alcalinos.

A encapsulação - isto é, vedar o PCM dentro de uma cápsula - ajuda porque o calor se transfere, mas o líquido permanece contido.

Tanto o preço quanto o desempenho acompanham a escolha da encapsulação: cápsulas menores distribuem melhor o calor, mas normalmente custam mais.

Melhores pontos no interior

Placas de gesso são uma opção frequente, pois já ficam em divisórias e tetos, onde as oscilações internas aparecem primeiro.

Conforme os testes reunidos na revisão, os cômodos permaneceram acima de cerca de 28 °C por apenas cinco horas, contra 50 horas em ambientes padrão.

Em coberturas, a combinação de PCM com uma superfície refletiva diminuiu o fluxo de calor em 66.8% e reduziu a temperatura superficial em aproximadamente 2 °C.

Diferenças desse tipo mostram por que o local é tão decisivo: camadas distintas do edifício enfrentam padrões de calor muito diferentes.

Acelerando a transferência de calor

O PCM só funciona na velocidade com que o calor consegue alcançá-lo - e esse continua sendo um dos maiores limites da área.

Alguns pesquisadores aumentaram a condutividade térmica (a facilidade de conduzir calor) com adição de grafite, óxidos metálicos ou nanotubos de carbono.

Estudos recentes resumidos na revisão relataram ganhos de condutividade térmica de 40% a 150%, acelerando a carga e a descarga dentro dos materiais de construção.

Um fluxo de calor mais rápido pode tornar úteis camadas menores de PCM, mas aditivos extras podem elevar custos ou complicar a fabricação.

Durabilidade e risco

Edifícios reais submetem materiais a anos de uso, e por isso risco de incêndio, vazamento e ciclos repetidos determinam se resultados promissores de laboratório se sustentam.

PCMs orgânicos podem ter maior facilidade de combustão, enquanto alguns hidratos de sal sofrem super-resfriamento, um congelamento atrasado que retarda a liberação de calor quando o ambiente esfria.

A expansão repetida também pode fissurar materiais próximos ou separar ingredientes misturados, reduzindo gradualmente o armazenamento após muitos ciclos.

Risco de incêndio, vazamento e danos por ciclagem ajudam a explicar por que testes padronizados de fogo e ensaios de longa duração ainda ficam atrás do avanço em laboratório.

Próximos passos para PCMs em edifícios

O custo ainda impede projetos maiores, sobretudo quando o projeto carrega paredes com mais de cerca de 10% a 20% de PCM em massa.

Misturas de base biológica e suportes minerais mais baratos parecem promissores, pois podem reduzir o custo do material e diminuir preocupações com incêndio.

Um compósito recente manteve estabilidade após 2,000 ciclos, sinalizando produtos mais práticos para edifícios reais.

Mesmo assim, o setor ainda precisa de normas, cadeias de fornecimento e dados de campo lado a lado antes de o armazenamento térmico “oculto” virar padrão.

As evidências indicam que o PCM funciona quando química, clima e posicionamento se alinham ao ritmo diário do calor.

Quando bem aplicado, o PCM pode transformar paredes e coberturas comuns em armazenamento térmico embutido, mas uma escolha mal ajustada ainda desperdiça dinheiro e espaço.