Manufacturing and characterization of eco-friendly reflective ceramic cool roof tiles using waste glass to mitigate the urban heat island (UHI) effect

Resumen

Las consecuencias del aumento de la temperatura global debido al cambio climático continúan manifestándose, lo que lleva a temperaturas elevadas en las áreas urbanas a escala local y contribuye a la creación del efecto isla de calor urbana (ICU). Además, la implementación de materiales absorbentes de calor contribuye también a agravar este fenómeno y aumenta el consumo de energía para la refrigeración en los edificios. En este contexto, las superficies frías son una de las estrategias abordadas para reducir este efecto, para lo que la comunidad científica trabaja constantemente mediante el desarrollo de materiales reflectantes adaptables. Esta estrategia de las superficies frías consiste en la inclusión de materiales reflectantes de la radiación solar para techos, paredes y pavimentos, los cuales están diseñados para reflejar las radiaciones solares y liberar rápidamente el calor absorbido, permitiendo así reducir el calor transferido hacia las edificaciones y, por ende, reducir posteriormente el consumo de energía de refrigeración. En este mismo sentido, los aspectos de impacto ambiental y sostenibilidad relacionados con el desarrollo e implementación de estos materiales han ido ganando interés en el campo de la investigación, ya que ayudan a evitar entrar en un bucle de retroalimentación con el propio calentamiento global, pues su uso ayudaría a mitigar el agotamiento de materias primas y reducir el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero. En este contexto, el uso de pigmentos reflectantes en la fabricación de materiales fríos ha sido ampliamente discutido en el campo de la investigación, particularmente para techos fríos, los que están ganando una atención significativa en comparación con otras aplicaciones de superficies frías. Estos pigmentos podrían alcanzar en reflectancia solar de hasta el 95% en comparación con el TiO2, que representa el pigmento frío estándar más utilizado. Sin embargo, cabe señalar que el proceso de fabricación de estos materiales puede requerir mucha energía. Por ello, se ha fomentado la integración de materiales secundarios en la producción de materiales reflectantes sostenibles. Este enfoque tiene como objetivo reducir el uso de materias primas naturales y reducir el consumo de energía durante las fases de procesamiento y producción, lo cual abre interesantes campos de aplicación. Por otra parte, y como recurso secundario, el uso de materiales reciclados se considera una estrategia positiva para ahorrar recursos naturales y mitigar posibles riesgos ambientales. En este sentido, el volumen de los residuos de vidrio (RV) que se reciclan a nivel mundial se consideran muy escasos en comparación con la cantidad desechada destinada a su eliminación en vertederos. A medida que aumenta la generación de RV y persisten los problemas ambientales relacionados con los vertederos, el reciclaje de RV se ha convertido en una alternativa atractiva para la sustitución de materias primas en la industria cerámica. Aunque se han abordado estudios sobre el uso de RV en la fabricación de materiales de construcción, en particular el uso de partículas de RV como recubrimientos para tejas, aún no se ha investigado una evaluación del rendimiento de la reflectancia solar. En consecuencia, el objetivo principal de esta investigación es la caracterización del comportamiento de tejas cerámicas utilizando RV como recubrimientos reflectantes para mitigar el efecto ICU. Esta primera prueba de concepto se evaluó siguiendo un enfoque metodológico que incluyó cuatro pasos principales: (i) análisis evaluativo de la evolución científica del campo de superficies frías; (ii) una investigación experimental introductoria de tipo práctico a través de la caracterización preliminar en términos de apariencia visual, luminosidad y comportamiento de reflectancia solar de probetas de arcilla recubiertas con RV; (iii) una investigación con un enfoque a escala real incluyendo la fabricación y caracterización física, mecánica y óptica de tejas con recubrimientos RV; y (iv) finalmente, la evaluación del impacto ambiental del uso de tejas con recubrimientos RV realizando un análisis de ciclo de vida. Los resultados obtenidos en este trabajo mostraron que se trata de un campo de investigación en constante evolución y resaltaron la viabilidad del uso potencial sustentable de RV reciclado como recubrimientos de tejas para aplicaciones de techos frescos, lo que brinda una solución basada en el uso de un recurso secundario que contribuye al desarrollo de estrategias de mitigación. del efecto isla de calor urbano (ICU). Así, La aplicación de recubrimientos de RV para tejas incrementó la reflectancia solar hasta 90%. Como resultado de la evaluación de impacto ambiental, la solución estudiada demostró disminuir el consumo de energía de refrigeración en los edificios, particularmente en zonas con condiciones severas de verano. Las zonas climáticas B4, C3 y A4 representan los casos óptimos para esta aplicación con cubiertas planas, que permite porcentajes de ahorro del 13%, 12% y 9% respectivamente. Por último, este uso específico de RV contribuye a la mitigación del agotamiento de los recursos naturales, al presentar una alternativa a las materias primas en la fabricación de recubrimientos reflectantes y ahorrar la mayor cantidad de energía necesaria para el proceso de fabricación. En conclusión, los resultados obtenidos representan contribuciones novedosas e interesantes en el campo científico ya que proporcionan a los futuros investigadores una referencia para la evolución científica del campo de las superficies frías y la validación de una primera prueba de concepto del uso de recubrimientos de RV para mejorar el rendimiento de la reflectancia solar de las tejas.