Massa térmica

No projeto de edifícios, a massa térmica é uma propriedade da massa de um edifício que lhe permite armazenar calor e fornecer inércia contra flutuações de temperatura. Às vezes é conhecido como efeito volante térmico. A massa térmica de elementos estruturais pesados pode ser projetada para trabalhar junto com componentes de resistência térmica mais leves de uma construção para criar edifícios energeticamente eficientes.

Por exemplo, quando as temperaturas externas flutuam ao longo do dia, uma grande massa térmica dentro da parte isolada de uma casa pode servir para "nivelar" as oscilações diárias de temperatura, uma vez que a massa térmica absorverá energia térmica quando o ambiente estiver com temperatura mais alta que a massa, e devolverá energia térmica quando o ambiente estiver mais frio, sem atingir o equilíbrio térmico. Isto 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 reter a proteção dos ocupantes. energia térmica por mais tempo.

Cientificamente, a massa térmica é equivalente à capacitância térmica ou capacidade térmica, a capacidade de um corpo de 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" normalmente é usado em seu lugar.

Plano de fundo

A equação que relaciona energia térmica com massa térmica é:

$Não. Q=C_{mathrm {th} }Delta T,$

onde Q é a energia térmica transferida, C_th é a massa térmica do corpo e ΔT 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 consistir em 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 térmicas dos 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 capacidade de calor específica, expressa em termos de uma medida da quantidade de material como massa ou número de toupeiras, 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 produto da massa m do corpo e da capacidade de calor específica c para o material, ou o produto do número de moléculas presentes n e a capacidade de calor específica molar $- Sim.$. Para discussão de Porquê? as habilidades de armazenamento de energia térmica de substâncias puras variam, ver fatores que afetam a capacidade de calor específica.

Para um corpo de composição uniforme, $Não. C_{mathrm {th} }}$ pode ser aproximado por

$Não. C_{mathrm {th} }=mc_{mathrm {p} }}$

Onde? $Não.$ é a massa do corpo e ${displaystyle c_{mathrm {p} }}$ é a capacidade de calor específica isobárica do material médio sobre a faixa de temperatura em questão. Para os corpos compostos de vários materiais diferentes, as massas térmicas para os diferentes componentes podem apenas ser adicionadas em conjunto.

Massa térmica em edifícios

A massa térmica é eficaz para melhorar o conforto do edifício em qualquer local que sofra estes tipos de flutuações diárias de temperatura – tanto no inverno como no verão. Quando bem utilizada e combinada com um design solar passivo, a massa térmica pode desempenhar um papel importante em grandes reduções no uso de energia em sistemas ativos de aquecimento e resfriamento. A utilização de materiais com massa térmica é mais vantajosa onde existe uma grande diferença nas temperaturas exteriores do dia para a noite (ou, onde as temperaturas nocturnas são pelo menos 10 graus mais frias do que o ponto de regulação do termóstato). Os termos peso pesado e peso leve são frequentemente usados para descrever edifícios com diferentes estratégias de massa térmica e afetam a escolha de fatores numéricos usados em cálculos subsequentes para descrever suas propriedades térmicas. resposta ao aquecimento e resfriamento. Na engenharia de serviços de construção, o uso de software de modelagem computacional de simulação dinâmica permitiu o cálculo preciso do desempenho ambiental em edifícios com diferentes construções e para diferentes conjuntos de dados climáticos anuais. Isto permite ao arquitecto ou engenheiro explorar em detalhe a relação entre construções pesadas e leves, bem como os níveis de isolamento, na redução do consumo de energia para sistemas mecânicos de aquecimento ou arrefecimento, ou mesmo na eliminação total da necessidade de tais sistemas.

Propriedades necessárias para uma boa massa térmica

Os materiais ideais para massa térmica são aqueles que possuem:

• alta capacidade de calor específica,
• alta densidade

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

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

Uso de massa térmica em diferentes climas

O uso e aplicação corretos da massa térmica dependem do clima predominante em um distrito.

Climas temperados e temperados frios

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 das janelas), mas isolada da perda de calor. No verão, a mesma massa térmica deve ser ocultada da luz solar de verão de ângulo superior, a fim de 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 do projeto solar passivo.

Qualquer forma de massa térmica pode ser usada. Uma fundação de laje de concreto deixada exposta ou coberta com materiais condutores, por ex. azulejos, é uma solução fácil. Outro método inovador é colocar a fachada de alvenaria de uma casa com estrutura de madeira no interior ('folheado de tijolo reverso'). A massa térmica nesta situação é melhor aplicada em uma grande área do que em grandes volumes ou espessuras. 7,5–10 cm (3″–4″) geralmente é adequado.

Como a fonte mais importante de energia térmica é o Sol, a relação entre o envidraçamento e a massa térmica é um fator importante a considerar. Várias fórmulas foram desenvolvidas 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 norte no Hemisfério Sul ou voltado para sul no Hemisfério Norte). 7% da área total. Por exemplo, uma casa de 200 m² com 20 m² de vidros voltados para o sol tem 10% de vidros por área total; 6 m² desse envidraçamento exigirão massa térmica adicional. Portanto, usando a proporção de 6:1 a 8:1 acima, são necessários 36–48 m² adicionais de massa térmica exposta ao sol. Os requisitos exatos variam de clima para clima.

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. É, portanto, mais comumente associado a lajes de concreto maciço em edifícios com ventilação natural ou ventilação mecânica de baixo consumo de 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 equipamento elétrico, fazendo com que a temperatura do ar dentro do espaço aumente, mas esse calor é absorvido pela laje de concreto aparente acima, limitando assim o aumento da temperatura no espaço esteja dentro de níveis aceitáveis para o conforto térmico humano. Além disso, a temperatura superficial mais baixa da laje de concreto também absorve o calor radiante diretamente dos ocupantes, beneficiando também o seu conforto térmico.

No final do dia a laje já aqueceu e agora, à medida que a temperatura externa diminui, o calor pode ser liberado e a laje resfriada, pronta para o início do dia seguinte. No entanto, esta "regeneração" O processo 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 prever aberturas de janelas automatizadas para facilitar este processo automaticamente.

Climas quentes e áridos (por exemplo, deserto)

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 acentuadas de temperatura diurna. A parede atua predominantemente para retardar a transferência de calor do exterior para o interior durante o dia. A alta capacidade térmica volumétrica e espessura evitam que a energia térmica atinja a superfície interna. Quando as temperaturas caem à noite, as paredes re-irradiam 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 da 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 que também permita ventilação adequada à noite para escoar a energia armazenada sem aumentar ainda mais a temperatura interna. Se for para ser usado, deve ser usado em quantidades criteriosas e, novamente, não em grandes espessuras.

Materiais comumente usados para massa térmica

• Água: água tem a maior capacidade volumétrica de calor de todo o material comumente usado. Tipicamente, 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 o solo para aumentar a capacidade de calor.
• Betão, tijolos de barro 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, perlite, fibras e outros agregados isolantes. As propriedades térmicas de Betão economizam 5–8% em custos anuais de energia em comparação com madeira macia.
• Os painéis de concreto isolados consistem em uma camada interna de concreto para fornecer o fator de massa térmica. Isto é isolado do exterior por um isolamento de espuma convencional e depois coberto novamente com uma camada exterior de concreto. O efeito é um envelope de isolamento de construção altamente eficiente.
• Formas de concreto isolante são comumente usados para fornecer massa térmica e isolamento para a construção de estruturas. A massa de concreto fornece a capacidade de calor específica necessária para boa inércia térmica. As camadas de isolamento criadas nas superfícies laterais ou interiores da forma proporcionam boa resistência térmica.
• tijolo de barro, tijolo de adobe ou barro: ver tijolo e adobe.
• Terra, lama e semente: a capacidade de calor da sujeira depende de sua densidade, teor de umidade, forma de partícula, temperatura e composição. Os primeiros colonos de Nebraska construíram casas com paredes espessas feitas de sujeira e semente porque madeira, pedra e outros materiais de construção eram escassos. A espessura extrema das paredes forneceu algum isolamento, mas serviu principalmente como massa térmica, absorvendo energia térmica durante o dia e liberando-o durante a noite. Hoje em dia, as pessoas às vezes usam a terra abrigando em torno de suas casas para o mesmo efeito. Na terra abrigando, a massa térmica vem não só das paredes do edifício, mas da terra circundante que está em contato físico com o edifício. Isso proporciona uma temperatura bastante constante e moderadora que reduz o fluxo de calor através da parede adjacente.
• Terra de Rammed: terra de rammed fornece excelente massa térmica por causa de sua alta densidade, e a alta capacidade de calor específica do solo usado em sua construção.
• Pedra natural e pedra: ver pedramasonria.
• Os registros são usados como um material de construção para criar o exterior, e talvez também o interior, paredes de casas. As casas de log diferem de alguns outros materiais de construção listados acima porque a madeira maciça tem tanto R-valor moderado (insulação) e também massa térmica significativa. Em contraste, a água, a terra, as rochas e o concreto têm valores R baixos. Esta massa térmica permite que uma casa de log para manter o calor melhor no tempo mais frio, e para melhor manter sua temperatura mais fria no tempo mais quente.
• Materiais de mudança de fase

Armazenamento sazonal de energia

Se for usada massa suficiente, isso pode criar uma vantagem sazonal. Ou seja, pode aquecer no inverno e esfriar no verão. Isso às vezes é chamado de armazenamento anual passivo de calor ou PAHS. O sistema PAHS foi usado com sucesso a 7.000 pés de altitude no Colorado e em várias residências em Montana. As Earthships do Novo México utilizam aquecimento e resfriamento passivos, bem como pneus reciclados para paredes de fundação, produzindo um máximo de PAHS/STES. Também foi usado com sucesso no Reino Unido no Hockerton Housing Project.