Manufacturing and characterization of eco-friendly reflective ceramic cool roof tiles using waste glass to mitigate the urban heat island (uhi) effect
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Mourou, ChaimaeEditorial
Universidad de Granada
Departamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Ingeniería CivilDate
2023Referencia bibliográfica
Manufacturing and characterization of eco-friendly reflective ceramic cool roof tiles using waste glass to mitigate the urban heat island (uhi) effect. Granada: Universidad de Granada, 2023. [https://hdl.handle.net/10481/85721]
Sponsorship
Tesis Univ. Granada.; Agencia Estatal de Investigación (AEI) de España; Los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER) en el marco del proyecto PID2019- 108761RB-I00Abstract
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. The consequences of global temperature rise due to climate change continue to
manifest, leading to elevated temperatures in urban areas at a local scale and contributing to
the creation of urban heat island (UHI) effect. In the other hand, the implementation of heat
absorbing materials contributes as well to the exacerbation of this phenomenon and increases
the cooling energy consumption in buildings. In this context, cool surfaces present one of the
strategies approached to reduce this effect, in which the scientific community is constantly
working through the development of adaptable reflective materials. This strategy consists of
the implementation of solar radiation reflective materials for roofs, walls and pavements, which
are designed to reflect solar radiations and exhibit effective emissivity to release the absorbed
heat, allowing to reduce the heat transferred into the buildings and subsequently reduce the
cooling energy consumption. Moreover, the environmental impact and sustainability aspects
related to the development and implementation of these materials have been gaining interest in
the research field, which help to avoid entering in a feedback loop with the global warming by
reducing raw materials depletion, energy consumption, and greenhouse gas emissions.
In this context, the use of reflective pigments in the fabrication of cool materials has
been widely discussed in the research field, particularly for cool roofs that are gaining
significant attention compared to other applications of cool surfaces. These pigments could
achieve solar reflectance up to 95% in comparison with TiO2, that represents the most widely
used standard cool pigment. However, it's worth noting that the manufacturing process for these
materials may require intensive energy. On the other hand, the integration of secondary
materials into the production of sustainable reflective materials has been encouraged. This
approach aims to reduce the use of natural raw materials and lower energy consumption during
the processing and production phases.
On the other hand, as a secondary resource, using recycled materials is considered as a
positive strategy for saving natural resources and mitigating potential environmental risks. In
this regard, waste glass (WG) being recycled globally is deemed insufficient compared to the
discarded quantity intended for landfill disposal. As the generation of WG increases and
landfill-related environmental issues persist, recycling WG has become an appealing
alternative used for the substitution of raw materials in the ceramic industry. Although studies
on using WG in the fabrication of construction materials have been approached, the use of WG
particles as coatings for roof tiles in particular, has not been investigated yet for the solar
reflectance performance assessment. Consequently, the main objective of this research is the
characterisation and the evaluation of the performance of ceramic roof tiles using WG as
reflective coatings to mitigate UHI effect. This first proof of concept was evaluated following
a methodological approach including four main steps: (i) the evaluation of the scientific
evolution of the cool surfaces field; (ii) the introduction to the practical experimentation of this
work through the preliminary characterization in terms of visual appearance, lightness and solar
reflectance performance of clay specimens covered with WG; (iii) the real scale approach
including the fabrication and the physical, mechanical and optical characterization of roof tiles
with WG coatings; (iv) finally, the evaluation of the environmental impact of using roof tiles
with WG coatings performing a life cycle analysis.
The results obtained in this work showed a research field in constant evolution and
highlighted the feasibility of the sustainable potential use of recycled WG as roof tiles coatings
for cool roof applications, which provides a solution based on the use of a secondary resource
contributing to the development of mitigation strategies of the UHI effect. The application of
WG coatings for tiles increased the solar reflectance for up to 90%. As a result of the
environmental impact assessment, the studied solution proved to decrease the cooling energy
consumption in buildings, particularly in zones with severe summer conditions. The climate
zones B4, C3, and A4 represent the optimal cases for this application with flat roofs, that allows
savings percentages of 13%, 12% and 9% respectively. Moreover, this specific use of WG
contributes to the decrease of natural resources depletion, by presenting an alternative for raw
materials in the fabrication of reflective coatings and saving as much as possible the energy
required for the fabrication process.
In conclusion, the results obtained represent interesting contributions to the scientific
field as it provides future researchers with a reference for the scientific evolution of cool
surfaces field and a first proof of concept of using WG coatings to enhance the solar reflectance
performance for tiles.