Um dos processos que consomem mais energia e afetam o uso de energia em casa é a transferência de calor dentro e fora do prédio. Às vezes, você quer mover o calor de propósito e, outras vezes, deseja diminuir seu movimento.
Ambos os casos são importantes e merecem sua atenção e planejamento ao projetar e construir uma casa modular ou uma casa com contêiner. A residência média nos EUA usa a maioria de sua eletricidade para aquecimento e refrigeração (Fonte).
Você já tocou em um fogão quente, usou um secador de cabelo ou sentiu o calor de uma fogueira em uma noite fria? Se sim, você tem uma sensação intuitiva de transferência de calor.
Neste artigo, vamos discutir a física por trás da transferência de calor e suas importantes implicações para as casas de contêineres.
Embora a transferência de calor em si seja um pouco técnica, acreditamos que é muito importante que você tenha uma compreensão de como funciona.
O movimento do calor afeta diretamente as más decisões que custam milhares de reais e afeta sua habitabilidade e conforto geral em sua casa container.
Cortamos os detalhes não relevantes e fornecemos exemplos claros para ajudá-lo a navegar por algumas dessas decisões importantes.
O que é exatamente “calor”?
Antes de entender a transferência de calor, você precisa entender o calor. O calor é uma forma de energia associada a mudanças térmicas ou de temperatura. Sempre flui do objeto mais quente para o mais frio, a menos que seja acionado por uma força externa (como um ar-condicionado).
É importante entender que não se pode adicionar frio a algo; só se pode falar sobre remover calor. O frio, portanto, é a ausência de calor.
Um ar-condicionado não adiciona frescor à sua casa, ele remove o calor de sua casa e o move para fora (embora faça mais calor lá fora do que dentro). É semelhante a como você não pode adicionar escuridão a uma sala, só pode remover a luz.
Os três tipos de transferência de calor
A energia térmica é transferida de três formas principais, cada uma das quais é importante compreender no contexto de estruturas de contêineres marítimos.
Condução
A condução, a forma mais simples de transferência de calor, é como o calor se move dentro de um único objeto sólido e também entre objetos sólidos em contato direto.
Quando você toca uma panela quente, o calor do queimador é transferido para sua mão. Se você segurar uma colher de metal na mão e tocar a colher no queimador, sua mão esquentará porque o calor é conduzido através da colher. No entanto, se você usar uma luva de cozinha (isolamento), muito menos da energia térmica chegará à sua mão.
Em um contêiner, o metal corrugado exterior geralmente é a parte mais quente (no verão) ou a mais fria (no inverno) da casa, já que está mais próxima do ambiente exterior.
Qualquer coisa que toque esta camada exterior de metal, como o isolamento, os postes de parede, as janelas, as molduras das portas, etc., também transmitirá calor através da condução. A condução é onde entra em jogo o conceito de ponte térmica.
Ponte térmica
A ponte térmica ocorre quando uma seção de um sistema de parede tem uma condutividade mais alta (ou uma capacidade de isolamento mais baixa) do que o material circundante. Isso cria um “caminho de menor resistência” para o fluxo de calor condutor. Isso, por sua vez, reduz a capacidade de isolamento geral de todo o sistema de parede.
Por exemplo, se você usar parafusos de parede de metal que se prendem ao interior do recipiente e têm contato direto de metal com metal, o calor será conduzido do metal exterior para os parafusos. Com as tábuas de madeira, ocorre o mesmo, exceto que a madeira é muito menos eficaz como condutora. Portanto, menos calor migrará para o interior do seu prédio.
Outra opção é colocar um material mais isolante entre o metal ondulado do contêiner e os montantes de parede metálicos. Se você estiver interessado em saber quão bem os materiais de construção isolam, este é um ótimo recurso.
O ponto chave é que você deseja separar o espaço interior do seu contêiner do metal exterior com o maior isolamento possível. Mas lembre-se de que o isolamento só funciona quando está entre a parede interior e o metal ondulado exterior.
Qualquer material que “pontue” termicamente esta lacuna através ou ao redor do isolamento está reduzindo o efeito do seu isolamento e você deve tomar medidas para minimizar isso o máximo possível. Caso contrário, seu isolamento caro será desperdiçado.
Os postes que estão tocando o exterior metálico do contêiner podem “pontuar” o calor para o interior do painel de gesso, fornecendo um caminho de condução através do isolamento.
Convecção
A convecção é o segundo modo de transferência de calor e pode ser definida geralmente como a transferência de calor entre um sólido e um fluido.
Fluido é um termo de engenharia que representa tanto líquidos (como a água) quanto gases (como o ar). Na verdade, existem dois tipos de convecção, com apenas uma leve diferença entre eles.
A) Convecção natural
Um objeto quente exposto a um fluido naturalmente o aquece. Devido às mudanças na densidade (e, portanto, flutuabilidade) que se correlacionam com o aumento da temperatura, o fluido quente naturalmente se afasta do objeto quente em uma corrente convectiva, e o fluido mais frio ocupa o seu lugar. Isso leva ao ditado comum “o calor sobe”.
Se você já segurou sua mão sobre um fogão e percebeu que o ar está mais quente do que em qualquer outro lugar da sala, você experimentou uma convecção natural.
B) Convecção forçada
Um objeto quente que tem um fluido movido sobre ele por uma força externa, como um ventilador ou uma bomba. Se você já usou um secador de cabelo, esse é um exemplo de convecção forçada, já que um ventilador elétrico está forçando o ar sobre um elemento de aquecimento elétrico.
Transferência de calor por convecção em contêineres
No verão, o calor do teto do seu contêiner aumenta a temperatura do ar ao redor dele através da convecção natural (explicaremos mais tarde por que o teto é aquecido).
Este ar quente sobe em uma coluna sobre o contêiner, sendo continuamente substituído pelo ar ambiente ligeiramente mais frio na atmosfera.
Na construção tradicional com telhados de duas águas, colocar as grades de ventilação no topo do telhado (e as grades de ventilação na parte inferior) é uma maneira de permitir que o ar quente escape do sótão através da convecção natural.
O ideal é que a temperatura do seu sótão não seja mais alta do que a temperatura ambiente fora de casa, mas sem essa ventilação, seu sótão se torna um forno.
Fluxo de calor por convecção natural através das aberturas de ventilação no telhado na construção tradicional (Fonte)
No entanto, para casas de contêineres, isso não é especialmente prático. A menos que você adicione um telhado de duas águas sobre o contêiner, uma casa contêiner não terá um sótão ou espaço aéreo sobre o isolamento no teto.
Radiação
A radiação é o último dos três modos de transferência de calor e é o mais difícil de entender. A palavra radiação geralmente tem uma conotação muito negativa, então vamos começar entendendo que tipo de radiação é prejudicial.
Em seguida, discutiremos os tipos de radiação que existem. Em termos simples, a radiação é energia que é transmitida através da matéria por meio de ondas invisíveis.
A radiação pode ser dividida em dois tipos:
A) Radiação ionizante
A “má” radiação de que se ouve falar e que pode causar danos ao tecido vivo. É a razão pela qual se usa um colete de chumbo quando se faz uma radiografia e por que os humanos não podem visitar o local do acidente da usina nuclear de Chernobyl, na Ucrânia.
B) Radiação não ionizante
Todas as outras radiações no espectro eletromagnético. Inclui luz visível, ondas de rádio e muitos outros. A radiação térmica que estamos discutindo aqui é um tipo de radiação não ionizante.
De Crates. Versão original em inglês por Inductiveload – Tradução da versão em inglês, Domínio público, Link
Espectro eletromagnético incluindo comprimentos de onda de energia térmica (Fonte)
Como a radiação térmica é experimentada
A maioria da radiação térmica que encontramos na vida cotidiana é transmitida pelas partes visível e infravermelha do espectro (as razões pelas quais estão fora do escopo deste artigo)
Se você já ficou ao redor de uma fogueira e sentiu calor mesmo que o ar ao seu redor estivesse frio, você experimentou radiação térmica.
A madeira queimada irradiava energia térmica que foi absorvida pelo seu corpo, aumentando a temperatura da sua pele. A radiação térmica do fogo aquece suas mãos ao lado do fogo, mesmo que o ar esteja frio (Fonte). Ou pense em uma câmera térmica que detecta a radiação térmica emitida por vários objetos.
Imagem térmica mostrando a temperatura das mãos em comparação com o ar circundante (Fonte)
A radiação térmica é emitida por qualquer coisa que tenha uma temperatura acima do zero absoluto (a temperatura teoricamente mais baixa possível a -273,15°C ou -459,67°F).
Na verdade, seu corpo está irradiando uma pequena quantidade de calor na sala ao seu redor agora (isso é além da condução na cadeira em que você está sentado e da convecção no ar da sala).
Se você estiver em uma sala com um copo de água fria, tanto você quanto a água irradiam energia térmica um para o outro. Mas como a temperatura do seu corpo é muito mais quente do que a água, você está enviando muito mais energia do que está recebendo.
Do seu ponto de vista, você está enviando uma grande quantidade de energia térmica, mas está recebendo apenas um pouco, então a temperatura do seu corpo diminui.
Do ponto de vista da água, ela está enviando apenas um pouco de radiação térmica, enquanto recebe muito de você, então aumenta a temperatura. Eventualmente, após tempo suficiente, ambos alcançariam a mesma temperatura de equilíbrio.
Radiação térmica para contêineres de transporte
A fonte mais importante de radiação térmica para contêineres habitáveis é o sol. O sol emite radiação em muitas frequências diferentes, muitas das quais são bloqueadas pela nossa atmosfera. O que resta inclui energia térmica, entre outras.
Quando um contêiner é colocado sob o sol, o ar ambiente aquece o metal corrugado externo à temperatura ambiente através da convecção.
No entanto, quando o sol atinge este metal externo do contêiner, a radiação térmica faz com que a temperatura do metal aumente acima da temperatura ambiente.
Este aumento de energia térmica é então transferido através da condução para o interior do contêiner através das barras, isolamento e outros componentes da parede.
Você não pode eliminar essa condução, mas pode reduzi-la usando materiais com baixa condutividade (e alta capacidade de isolamento), como discutido na seção sobre condução.
A melhor maneira de minimizar o ganho de calor da radiação térmica não é isolar contra ela como na condução e na convecção, mas sim bloqueá-la (por exemplo, com sombra) ou refleti-la (com revestimentos refletivos ou materiais) para devolvê-la para a atmosfera.
Nosso artigo sobre revestimentos de telhado frio inclui mais detalhes sobre como lidar com a energia térmica do sol, então definitivamente dê uma olhada (inclui uma discussão sobre o que fazer quando você está em um ambiente frio e deseja maximizar a quantidade de energia térmica que absorve).
A radiação térmica como mecanismo de resfriamento
É importante lembrar que a radiação térmica não apenas faz com que seu recipiente fique mais quente. Como mencionado anteriormente, tudo que tem temperatura acima do zero absoluto está irradiando calor, inclusive o seu contêiner.
À noite, quando o sol se põe, o contêiner continua irradiando energia para fora, assim como fez durante o dia. Mas agora que o sol se foi, muito menos calor está sendo irradiado para o contêiner.
Sob certas condições (linha de visão direta do contêiner para o céu, com um céu limpo livre de nuvens, etc.), um contêiner à noite pode irradiar mais energia do que recebe, o que é chamado de resfriamento radiativo passivo ou resfriamento do céu.
Se essas condições persistirem por mais do que alguns minutos, a temperatura do recipiente pode cair abaixo da temperatura ambiente.
Nos últimos anos, pesquisadores têm trabalhado em materiais especiais que são excelentes tanto para refletir a radiação térmica quanto para emitir seu próprio calor como radiação térmica.
Em experimentos, eles realmente conseguiram reduzir a temperatura de um material abaixo da temperatura ambiente enquanto está sob a luz solar direta.
Com mais refinamento e pesquisa, um dia poderemos usar revestimentos especiais que reduzem drasticamente as cargas de resfriamento e reduzem a necessidade de ar condicionado.
Por que a transferência de calor é importante para casas de contêineres?
Independentemente de onde você mora, deseja que seu contêiner seja um espaço confortável. Isso pode incluir sua aparência, mas o mais importante é considerar como ele se sente em relação à temperatura.
A menos que você viva em um clima extremamente temperado, onde condicionadores de ar e aquecedores são coisas que você só vê na televisão, você terá que pensar em aquecer e resfriar sua casa contêiner.
E toda vez que você tenta manter a temperatura interna do contêiner diferente da temperatura externa, está lutando contra a física e a mãe natureza.
Ao entender os princípios da transferência de calor, você pode direcionar seus esforços e recursos para as áreas com maior impacto.
Por exemplo, em um ambiente quente, isolar a parte inferior do contêiner funciona para manter a temperatura ambiente fora do ar.
No entanto, o isolamento é muito mais importante para a parte superior e laterais do contêiner que estão expostos à radiação térmica do sol.
Está confuso sobre algum dos tópicos que cobrimos? Gostaria de compartilhar uma técnica que você usou no passado para combater um dos tipos de transferência de calor que mencionamos? Deixe-nos saber nos comentários!
