CLIMAS LOCAIS E PROCEDIMENTOS PARA ANÁLISE

Os procedimentos adotados nesta análise tiveram como foco produzir elementos que pudessem auxiliar na elaboração dos experimentos, definindo objetivos.

3.1.1 Localização de Curitiba e Descrição do Clima

Curitiba situa-se ao sul do Trópico de Capricórnio, no primeiro planalto paranaense, a 110 quilômetros do Oceano Atlântico. Possui latitude 25° 31’ S, longitude 49° 10’ W e altitude média de 911 m. A população é de aproximadamente 1.751.907 habitantes e ocupa uma área de 435,036 km² (INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE, 2015).

Na classificação de Köppen-Geiger, o clima predominantemente é do tipo Cfb (Figura 11), clima temperado ameno, com chuvas o ano todo e verão ameno (KOTTEK et al., 2006). As precipitações são da ordem de 1.600 mm anuais, com sazonalidade (redução do volume de precipitação no inverno) (INSTITUTO DE PESQUISA E PLANEJAMENTO URBANO DE CURITIBA - IPPUC, 2015).

Figura 11 - Mapa climático da região de Curitiba

Fonte: Imagem adaptada pelo autor de imagem gerada no Google Earth (2018) a partir de arquivo de dados climáticos disponibilizado em http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/applications.htm

As normais climatológicas (1961-1990) indicam que, nos meses do trimestre mais quente, janeiro, fevereiro e março, a média das temperaturas do ar é de 20°C. A média para o mês mais quente, fevereiro, é de 21°C. A média das máximas para fevereiro é de 26,7°C. O trimestre mais chuvoso compreende dezembro, janeiro e fevereiro. O mês mais chuvoso é janeiro. O trimestre mais seco compreende junho, julho e agosto. Também é o trimestre mais frio. O mês mais seco é agosto. E o mês mais frio é julho (INSTITUTO NACIONAL DE METEOROLOGIA - INMET, 2015).

No Zoneamento Bioclimático Brasileiro, a cidade se insere na Zona Bioclimática 1 (ABNT, 2005), sendo a capital mais fria do país. Para esta zona a norma recomenda: no verão, ventilação cruzada; e no inverno, aquecimento solar e inércia térmica.

A carta solar a seguir apresenta os percursos do sol na abóbada celeste de Curitiba ao longo do ano (Gráfico 12). Há importantes diferenças na incidência solar entre os períodos de verão e inverno. No verão, ao meio dia, o sol incide quase perpendicularmente ao plano horizontal. O período diurno dura aproximadamente 14 horas. No inverno, ao meio dia, os raios solares formam ângulo próximo de 40º. O período diurno dura apenas 10 horas.

Gráfico 12 - Carta solar de Curitiba em projeção equidistante

Fonte: Autoria própria (2018) por meio do software on-line 2D Sun-Path Diagram, desenvolvido por Andrew J. Marsh e disponível no site: http://andrewmarsh.com/apps/staging/sunpath2d.html (MARSH, 2018)

• Dados climáticos de Curitiba

Para as análises, foram consideradas as variáveis horárias: temperatura de bulbo seco e umidade relativa. Após processamento, também foram analisadas as amplitudes térmicas diárias. Não foram analisadas as variáveis velocidade do ar e radiação, arquivadas para estudos futuros. Foi utilizado arquivo climático TRY (Test Reference Year)17 referente ao ano de 2001, relativo ao período de 1998-2007 (ROSSI; DUMKE; KRÜGER, 2009).

3.1.2 Localização de Sde Boqer e Descrição do Clima

O Campus Sde Boqer, no Midreshet Ben-Gurion (Figura 12 e Figura 13) está a 478 metros acima do nível do mar e localiza-se no sul de Israel (Latitude 30,8º N, Longitude 35º E), no deserto de Negev (ISRAEL METEOROLOGICAL SERVICE - IMS, 2007).

Figura 12 - Foto aérea com a localização de Midreshet Ben-Gurion

Fonte: Imagem obtida no Google Earth (2018) e editada pelo autor

17 _{O Test Reference Year (TRY) é, de um conjunto de 10 anos, o “ano médio” em termos de temperaturas. Para}

determinar o TRY adota-se o seguinte procedimento: o ano com o mês mais quente é anotado; depois, o ano que contém o mês mais frio. O processo continua, anotando-se os anos nos quais ocorrem os extremos. Estes anos são, então, eliminados e o procedimento é repetido até restar somente um. Este ano é designado como Ano Climático de Referência. O Test Reference Year (TRY), determinado por este processo, consiste em dados climáticos horários apresentados em um formato padronizado contendo informações climáticas para as 8.760 horas (GOULART; LAMBERTS; FIRMINO, 1998). Como consequência do processo para geração do TRY, ele constitui um ano ameno. Por outro lado, não apresenta dados sobre a radiação solar, que se necessária, geralmente precisa ser calculada (CRAWLEY; LAWRIE, 2015).

A precipitação média anual é de 93 mm (ISRAEL METEOROLOGICAL SERVICE, 2012). O clima caracteriza-se por fortes flutuações térmicas diárias e sazonais, ar seco e céu limpo com radiação solar intensa. No verão, a temperatura máxima média diária é de 32 °C e o mínimo médio diário é de 17 °C. A radiação global é de 7,7 kWh/m² por dia durante junho e julho. No inverno, os dias normalmente são ensolarados e têm uma temperatura média máxima diária de 14,9 °C e um mínimo de 3,8 °C. Os ventos predominantes sopram no verão a partir do noroeste e são consistentemente fortes no final da tarde e à noite (BITAN; RUBIN, 1991

apud KRÜGER; GONZÁLEZ-CRUZ; GIVONI, 2010).

Figura 13 - Campus Sde Boqer, no assentamento de Midreshet Ben-Gurion no deserto de Negev

Fonte: Imagem obtida no Google Earth (2018) e editada pelo autor

Na classificação de Köppen-Geiger (Figura 14), a região é uma área de transição entre os climas BWh (clima das regiões desérticas quentes de baixa latitude e altitude), ao sul, e BSh (clima das estepes quentes de baixa latitude e altitude), ao norte (KOTTEK et al., 2006; RUBEL et al., 2017).

Figura 14 - Mapa indicando as zonas climáticas da região de Midreshet Ben-Gurion

Fonte: Imagem gerada no Google Earth (2018) a partir de arquivo de dados climáticos disponibilizado em http://koeppen-geiger.vu-wien.ac.at/applications.htm

Os meses de junho, julho, agosto e setembro, de interesse para este estudo, apresentam altas temperaturas e pouquíssima precipitação (Gráfico 13).

Gráfico 13 - Temperaturas (°C) e precipitação (mm) em Sde Boqer

Fonte: Gráfico elaborado pelo autor a partir de dados (Normais climatológicas) disponibilizados pelo Israel Meteorological Service (IMS, 2007)

Os dados se referem a períodos de tempo médios uniformes: 1981-2000 para temperatura e umidade; e 1970/1971-1999/2000 para precipitação (IMS, 2007).

Para melhor o entendimento das condições locais, apresenta-se a seguir o diagrama solar para Sde Boqer (Gráfico 14). Devido ao fato de que Sde Boqer encontrar-se no hemisfério norte, o diagrama apresenta-se invertido se comparado com o de Curitiba. No entanto, a despeito dessa inversão, as condições de insolação guardam semelhanças. Também em Sde Boqer, os dias de verão são consideravelmente mais longos que os de inverno. As alturas solares também são semelhantes às verificadas na latitude de Curitiba se consideradas as respectivas estações de verão e inverno. Em Sde Boqer, no solstício verão, ao meio dia, o sol incide quase a 90 °. No solstício de inverno, no mesmo horário, a altura solar é de aproximadamente 35 °.

Gráfico 14 - Carta solar de Sde Boqer em projeção equidistante

Fonte: Autoria própria (2018) por meio do software on-line 2D Sun-Path Diagram, desenvolvido por Andrew J. Marsh e disponível no site: http://andrewmarsh.com/apps/staging/sunpath2d.html (MARSH, 2018)

• Arquivo climático de Sde Boqer

A análise do clima para definição das características das configurações de TR a serem aplicadas na residência seguiu o procedimento adotado para os experimentos com células-teste. Foram utilizados dados climáticos horários extraídos de arquivo tipo Typical Meteorological Year (TMY), referente, principalmente, ao ano de 2006 e preparados a partir de

dados medidos na estação meteorológica do campus (instalada a aproximadamente 800 m ao norte da edificação experimental).

3.1.3 Ferramentas para a Análise dos Dados Climáticos

Para um entendimento inicial dos dados, o primeiro passo foi a obtenção de um resumo da estatística descritiva das variáveis externas temperatura do ar e umidade relativa.

Posteriormente, os dados foram analisados segundo as perspectivas:

• Da faixa de conforto da norma EN15251 (EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION - CEN, 2007) para edificações passivas;

• Da faixa de conforto para edificações passivas da American Society of Heating, Refrigerating, And Air-Conditioning Engineers - ASHRAE (2010);

• E do diagrama bioclimático adaptado por Bogo et al. (1994).

Uma última avaliação dos dados dos climas, complementar às demais, focou as amplitudes térmicas diárias (não abordadas nas demais avaliações).

Foram utilizadas as normas EN15251 (CEN, 2007), europeia, e ASHRAE (2010), americana, devido à falta de uma norma nacional oficial para esta finalidade.

3.1.3.1 Estatística descritiva dos dados

Foram apresentados, nos resumos da estatística descritiva das variáveis temperatura do ar e umidade relativa, os valores para: valor médio, erro padrão, mediana, moda, desvio padrão, variância da amostra, curtose, assimetria, intervalo, valor mínimo, valor máximo, soma e contagem.

3.1.3.2 Análise com enfoque na amplitude térmica diária

A estabilidade térmica em ambientes internos naturalmente ventilados é um requisito para o bom desempenho térmico. Serve como parâmetro para avaliar o desempenho térmico da edificação. Infelizmente, em ambientes naturalmente ventilados, os limites aceitáveis para a amplitude térmica interna ainda não estão estabelecidos por regulamentos.

Considerando que, em um dia típico18, o ar atinge a temperatura mínima por volta do nascer do sol e a máxima no início da tarde (RORIZ, 2008), aproximadamente 6:30 e 14:30 horas, o período de tempo transcorrido entre as temperaturas mínima e máxima deve ser algo como 8:00 horas. Provavelmente neste intervalo que ocorrerá a maior variação da temperatura interna em uma edificação naturalmente ventilada, podendo estar deslocado no tempo em função do atraso térmico propiciado pelas características da envoltória.

Nos ambientes naturalmente ventilados, admite-se que o usuário aja no sentido de minimizar os impactos da oscilação da temperatura, seja operando a edificação, seja alterando o vestuário. Givoni (1998, p. 35-36) é incisivo nessa questão. Questionando a aplicação irrestrita das temperaturas de conforto propostas pela ASHRAE, argumenta que variações da ordem de 6 °C na temperatura interna de edifícios naturalmente ventilados são comuns e geralmente aceitas.

A bibliografia disponível é pouco objetiva em se tratando da amplitude térmica aceitável para ambientes naturalmente ventilados. Evans (2007) adota, para ambientes de estar naturalmente ventilados cujas temperaturas variem entre 15,5 °C e 23,9 °C, a amplitude interna máxima de 8,3 °C, proposta por Strickley19.

Givoni (1998), a exemplo de Olgyay (2008), propõe duas faixas de conforto para edificações naturalmente ventiladas: uma para inverno, de 18 a 25 °C; e outra verão, de 20 a 27 °C. Esse autor também recomenda que o limite superior da zona de conforto seja ampliado em 2 °C quando aplicada aos países em desenvolvimento. Ou seja, admite duas faixas de oscilação para a temperatura interna: 7 °C para países desenvolvidos; e 9 °C para países em desenvolvimento (Gráfico 15).

18 _{Dia típico: Neste texto o termo “dia típico” é utilizado para designar dias com baixa nebulosidade e sem}

mudanças bruscas de temperatura. Difere do significado dado aos termos “dia típico de projeto” (GOULART; LAMBERTS; FIRMINO, 1998), “dia típico de inverno” e “dia típico de verão” (ABNT, 2013, p. 7).

19 _{Strickley, B., (1978) The home owners guide for evaluating passive solar heating, pp 153-160, in Cook J. and}

Gráfico 15 - Carta de Givoni para Países Desenvolvidos e em Desenvolvimento

Fonte: Givoni (1998, p. 37)

Em pesquisa relacionada ao tema amplitude térmica, Bogo et al. (1994) realizaram ampla revisão da literatura abordando o tema bioclimatologia aplicada com o objetivo de selecionar uma carta bioclimática a ser adotada para o Brasil. Também foi objetivo escolher uma sistemática para avaliação térmica do ambiente construído relacionada com a carta bioclimática que viria a ser escolhida. O trabalho apresenta pesquisas e propostas para a bioclimatologia. Por fim, aponta como adequada aos climas brasileiros a carta de Givoni, mas com algumas adaptações (Gráfico 16).

Gráfico 16 - Carta bioclimática proposta para o Brasil por (BOGO et al., 1994)

Legenda: 1. Conforto; 2. Ventilação; 3. Resfriamento Evaporativo; 4. Alta Inércia Térmica para Resfriamento;

5. Ar-Condicionado; 6. Umidificação; 7. Alta Inércia Térmica/Aquecimento Solar; 8. Aquecimento Solar Passivo; 9. Aquecimento Artificial; 10. Ventilação/Alta Inércia; 11. Ventilação/Alta Inércia/Resfriamento

Evaporativo; 12. Alta Inércia/Resfriamento Evaporativo.

Fonte: LABEEE - PPGEC ( s.d.. p. 29)

Dentre as alterações realizadas por Bogo et al. (1994), cita-se:

• Não foi seguida a recomendação para adoção de duas zonas para conforto proposta por Givoni (1992), uma para inverno e outra para verão. Adotou-se uma única zona, abrangendo as áreas das duas anteriores.

• A linha superior da zona de conforto resultante adotada foi estendida em 2 °C, conforme alteração na zona de conforto para verão proposta por Givoni para países em desenvolvimento.

Tais alterações resultaram em um faixa de conforto que vai de 18 a 29 °C, com uma amplitude térmica de 11 °C, o que difere significativamente da proposta original de Givoni.

Outro trabalho relacionado à questão da amplitude térmica é a proposta para uma nova norma de conforto térmico brasileira a partir do texto proposto pela ASHRAE 55 na revisão de 2010. Essa proposta já foi editada e incorporada à parte 2 da NBR 1640120 _{e atualmente aguarda}

a abertura para consulta pública e posterior publicação. Nesta nova versão, além do método para ambientes condicionados mecanicamente, foi incorporado o método adaptativo para

20 _{NBR 16401: Projeto de Norma Brasileira de Conforto Térmico: Parâmetros de Conforto Térmico (ABNT/CB-}

avaliação em espaços ventilados naturalmente. São definidas duas faixas de aceitabilidade: com 5 °C de largura, para 90 % da população; e com 7 °C de largura, para 80 % da população (ABNT/CB-55, 2016).

Considerando os limites propostos pelos diferentes autores (Tabela 2), é possível dizer que não há consenso quanto aos valores máximos para a amplitude térmica interna em ambientes naturalmente ventilados. No entanto, a proposição dos valores pelos diferentes autores mostra concordância com a necessidade de haver limites. Que o controle da amplitude térmica interna é visto positivamente.

Tabela 2 - Recomendações de amplitudes térmicas internas de acordo com a bibliografia consultada

Modelo Amplitude máxima (°C)

para edificações com expectativa normal

Amplitude máxima (°C) para edificações com expectativa moderada

Evans (2007) 8,3

EN15251 (CEN 2007) 6 8

ASHRAE (2010) 5 7

Givoni (1998) países desenvolvidos 7

Givoni (1998) países em desenvolvimento 9

Bogo et al. (1994) 11

ABNT/CB-55 (2016) 5 7

Fonte: Autoria própria (2018)

Considerando-se a possibilidade da adoção no Brasil dos valores propostos pela ASHRAE e referendados no “3º Projeto Revisão ABNT NBR 16401-2” (LAMBERTS et al., 2016) adotou-se a amplitude térmica máxima definida para a faixas de aceitabilidade térmica contemplando 80 % da população, 7 °C.

Trata-se de análise complementar às demais. Para facilitar a interpretação dos resultados, estes são expressos graficamente. Em primeiro momento, são calculadas as amplitudes térmicas diárias para todos os dias disponíveis. Em seguida os dados são plotados em diagrama específico, tendo como eixo vertical as amplitudes térmicas diárias e horizontal as temperaturas horárias, possibilitando visualizar sua distribuição. São então calculados os percentuais de dias com amplitudes dentro da faixa aceitável e acima desta, resultando em indicativo da necessidade ou não de minimização das oscilações.

3.1.3.3 Análise segundo as faixas de conforto e o diagrama bioclimático

Para analisar os climas locais com vista ao estabelecimento de diretrizes para os experimentos, levou-se em consideração as normas para edificações passivas EN15251 (CEN, 2007) e ASHRAE Standard 55 (AMERICAN SOCIETY OF HEATING REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS - ASHRAE, 2013). Também foi utilizada carta bioclimática a exemplo de outros autores (PAJEK; KOŠIR, 2017; KHAMBADKONE; JAIN, 2017).

Tanto a EN15251 (CEN, 2007) quanto a ASHRAE Standard 55 (ASHRAE, 2013) foram elaboradas para análises de desempenho térmico propiciado por edificações. Ou seja, sua adoção para análise de temperaturas externas é experimental. Fundamenta-se no uso em paralelo com o diagrama adaptado por Bogo et al. (1994) e na necessidade de buscar parâmetros para discutir, de forma comparativa, os resultados obtidos a partir do referido diagrama bioclimático.

Para aplicação das normas EN15251 (CEN, 2007) e ASHRAE Standard 55 (ASHRAE, 2013) na avaliação do ambiente externo, tomou-se as temperaturas internas do ar como iguais às temperaturas operativas internas.

3.1.3.3.1 Faixa de conforto da norma EN15251 para edificações passivas

A norma europeia EN15251 (CEN, 2007), para edificações naturalmente ventiladas, adota uma faixa de conforto variável conforme as médias das temperaturas externas. A faixa é definida em torno de uma temperatura neutra. Considerou-se a faixa com largura de 6 °C, para novas edificações.

3.1.3.3.2 Faixa de conforto para edificações passivas da ASHRAE

Para edificações naturalmente ventiladas a norma americana (ASHRAE, 2013) também adota faixas de conforto variáveis em torno de temperaturas neutras calculadas conforme as médias móveis das temperaturas externas. Tomou-se como referência a faixa com 7 °C de largura, com aceitabilidade para 80 %. Esta norma possui aplicação restrita aos momentos cujas temperaturas médias diárias externas apresentarem valores iguais o acima de 10 °C e iguais ou inferiores a 33,5 °C. No entanto, neste trabalho, justifica-se a utilização nos períodos de inverno por se considerar que ocorre em caráter experimental e em paralelo com outros instrumentos que não apresentam essa limitação.

3.1.3.3.3 Diagrama Bioclimático

O diagrama de Olgyay é considerado desatualizado em função da revisão das zonas de conforto, temperaturas para sombreamento, ventilação etc. Assim, foi utilizado o programa Analysis BIO 2.2 (LABEEE, 2010), baseado em adaptação do diagrama bioclimático de Givoni realizada por Bogo et al. (1994).

Utilizou-se o diagrama adaptado por Bogo et al. (1994) de forma crítica, pois considera-se que apresenta problemas. Sua utilização foi complementada por uma análise das amplitudes térmicas diárias, conforme apresentado no tópico procedimentos metodológicos. A seguir são listados os referidos problemas:

a) A Zona 4, de “massa térmica para resfriamento” não leva em consideração a amplitude térmica diária. Abrange temperaturas de 29°C a 38 °C e umidades relativas de 10 a 75 %. As diretrizes construtivas são definidas a partir do número de horas que incidem nesta zona. Caso o dia seja quente, com pequena amplitude, com temperatura média diária acima da faixa de conforto, a carta recomendará “massa térmica para resfriamento”. Porém, neste caso, a massa térmica atuará no sentido de manter condições desconfortáveis, altas temperaturas internas. Esta zona foi proposta pensando em climas com grandes amplitudes térmicas. Ocorre que a carta é utilizada irrestritamente, podendo levar a erros de interpretação. b) A Zona 7, “massa térmica para aquecimento”, abrangendo Tbs de 14 °C a 20 °C e

UR de 0 a 100 %, pressupõe o acúmulo da energia disponibilizada pela radiação solar. Também desconsidera a amplitude térmica diária e a temperatura média diária. À noite, a radiação solar não estará disponível. Mesmo assim, as temperaturas noturnas são consideradas. Em climas relativamente confortáveis, com amplitudes térmicas diárias na faixa de 10 °C, temperaturas mínimas (noturnas) acima de 14 °C e médias dentro da faixa de conforto, a massa térmica exposta ao sol nos momentos em que este estiver disponível poderá implicar em temperaturas internas desconfortáveis nos momentos mais quentes do dia.

c) Em climas com variações de amplitude térmica, maiores que 20 °C, a carta fará recomendações conflitantes: para os dados horários de um mesmo dia a carta pode sugerir medidas para aquecimento (artificial e natural), insolação, massa térmica, sombreamento, manutenção das condições verificadas (conforto), ventilação, ar- condicionado, dentre outros.

Quando utilizado o diagrama, avaliou-se a adequação das recomendações de massa térmica, inércia térmica e exposição à radiação solar à luz das amplitudes térmicas diárias locais e das temperaturas médias diárias.