O armazenamento de calor latente nos materiais de mudança de fase, universalmente designados pela sua sigla PCM (Phase Change Materials), é bastante atractivo devido à sua elevada capacidade de armazenamento. Este assunto tem sido alvo de interesse por parte de investigadores e a sua aplicação para aquecimento e arrefecimento do edifício tem sido desenvolvida desde 1980.
A introdução destes materiais na parede de Trombe pode ser efectuada de duas formas. Por um lado, a energia solar pode ser directamente absorvida e acumulada pela estrutura do edifício, através da incorporação de PCMs encapsulados nos materiais de construção comuns, tais como, betão, reboco, gesso, gesso cartonado e outros materiais de revestimento. Por outro lado, os materiais de construção podem ser directamente impregnados com PCMs sem encapsulamento, como por exemplo a utilização de bloco de vidro com PCMs incorporados [121].
Segundo Pause, citado por Mendonça [8], o funcionamento deste tipo de paredes é bastante simples. Durante os períodos de aumento da temperatura ambiente, o calor é absorvido pelo PCM, efectuando-se a mudança para o estado líquido, enquanto nos períodos de descida da temperatura, ocorre a solidificação do PCM e a consequente libertação de energia em forma de calor. Os PCMs foram aplicados pela primeira vez na concepção de paredes de Trombe data de 1978 e foi realizada por Telkes [122]. A integração destes materiais neste sistema passivo exige o controlo de parâmetros que se assumem fundamentais no desempenho. Um dos parâmetros a controlar é a temperatura de fusão do material, que deverá ser abaixo da temperatura de conforto para o Verão, mas o mais próximo possível desta. A temperatura de solidificação é outro dos parâmetros, devendo situar-se acima da temperatura de conforto para o Inverno, mas o mais próximo possível desta. Por outro lado, o calor libertado ao solidificar deve ser o mais alto possível e o calor absorvido ao liquefazer deve ser o mais alto possível [123]. Kara et al [121] conduziram um trabalho de investigação para determinar o desempenho da parede de Trombe com PCM encapsulados. A parede orientada a Sul é constituída, do interior para o exterior por parede acumuladora, revestimento da parede com PCMs encapsulados, caixa-de-ar e um envidraçado de vidro triplo, designado por TIM (Transparent Insulation Material), cujo princípio de funcionamento se pode observar na Figura 3.12.
Uma vez que o ângulo de incidência dos raios solares é menor no Inverno e maior no Verão, a camada de TIM é concebida para que transmita os raios solares com menor ângulo de incidência e reflicta os raios solares com maior ângulo de incidência. Durante os dias de Inverno a radiação solar transmitida através do TIM é absorvida e armazenada pelo revestimento da parede acumuladora com PCMs encapsulados. O calor armazenado é então extraído para o compartimento por circulação de ar através das aberturas. No Verão, grande
parte dos raios solares são reflectidos pelo TIM para evitar a possibilidade de sobreaquecimento.
a) b)
Figura 3.12 - a) Princípio de funcionamento da parede de Trombe com PCM no Verão: não existe acumulação de energia; b) Princípio de funcionamento da parede de Trombe com PCM no Inverno:
aquecimento solar passivo (adaptado de [121]).
Os resultados deste estudo permitiram concluir que, com este tipo de parede de Trombe, é possível obter uma eficiência de 30% e 27%, para os meses de Outubro e Novembro, respectivamente.[121]. Dominguez et al [75] substituíram a parede de massa elevada da parede de Trombe clássica por um material mais leve e translúcido também de grande capacidade térmica, como por exemplo blocos de vidro com PCMs incorporados, Figuras 3.13 e 3.14.
Este sistema foi patenteado por Dominguez et al, sendo constituído, do interior para o exterior por parede acumuladora de blocos de vidro contendo PCMs, aberturas de ventilação reguláveis, caixa-de-ar e um envidraçado exterior com sistema manual de ventilação que no Verão deve estar aberto e no Inverno fechado. Deve ainda estar prevista uma abertura de ar na parede Norte para promover a ventilação natural no Verão [124]. No Inverno, a radiação solar incidente atravessa o envidraçado aquecendo o ar existente na caixa-de-ar, que por sua vez aquece o material de mudança de fase constituinte da parede de blocos de vidro, que passa do estado líquido ao estado sólido.
Quando o material de mudança de fase está fundido assume a cor escura [125]. O calor é transferido para o interior do compartimento através das aberturas de ar existentes na parede. No Verão, os orifícios de ventilação exteriores devem estar abertos para promover a ventilação natural do compartimento e evitar o sobreaquecimento do mesmo [124].
Figura 3.13 - Princípio de funcionamento da parede de Trombe com PCM (adaptado de [75]).
Figura 3.14 - Vista frontal da parede acumuladora com PCM incorporado.
Stritih e Novak [126] estudaram o comportamento de uma parede de Trombe, utilizando como material de mudança de fase a parafina preta. Efectuaram também a análise comparativa de diferentes PCMs, indicando vantagens e desvantagens para cada um deles. O estudo foi efectuado para uma parede de Trombe não ventilada. Também Jabbar et al [75] analisaram o comportamento de três materiais diferentes na parede de Trombe clássica, o betão, o sal hidratado e a parafina. O estudo foi efectuado para diferentes espessuras da parede acumuladora, o que permitiu avaliar as flutuações de temperatura no interior do compartimento em cada uma das situações. Concluíram que 8 cm de espessura de parede com sal hidratado permitia a manutenção da temperatura de conforto com a menor flutuação de temperaturas, comparativamente aos 20 cm de parede de betão e aos 5 cm de parafina.
Principi [127] refere que a camada de PCM pode substituir a parede espessa de massa elevada construída nos materiais tradicionais, como o betão, podendo ser aplicado em fábrica, na concepção de materiais leves. Este tipo de sistema pode armazenar a energia durante o dia e mantê-la a elevadas temperaturas durante o resto da noite, o que permite reduzir o consumo de energia e a perdas pela envolvente.