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

Abstract

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.