Desempenho da luz natural no interior do

Rochaverá Corporate Towers: abordagem

paramétrica

A disponibilidade e a variedade de softwares possibilitam análises extensas das variáveis do conforto ambiental e do desempenho de edifícios. O International Building Performance Simulation Association (IBPSA) (2015) disponibiliza uma listagem de programas que proporcionam análises de desempenho de edifícios. A classificação não abrange todos os softwares19 disponíveis no mercado, mas indica grande parte destes. A listagem de programas contém 109 itens, sendo que, por exemplo, os programas de cálculo de desempenho energético holístico de edifícios, com última atualização a partir de 2012, apenas para o sistema computacional Windows, somam 44 itens. A categoria de programas de cálculo de iluminação natural reúne 7 programas: DIAL+Lighting, Sefaira Architecture, Pleiades+COMFIE, Honeybee, OpenStudio, tsbi3 e Radiance.

O Radiance é um conjunto de programas de análise e visualização de iluminação artificial e natural - cuja primeira versão data do final da década de 80 - desenvolvido pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), com financiamento do

Department of Energy (DOE), desenvolvimento e contribuições adicionais do

Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE), École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e Hochschule Luzern (HSLU) (Larson; Shakespeare, 2003; IBPSA, 2015). Este programa é um dos pioneiros no desenvolvimento de imagens foto realistas com embasamento físico preciso.

Radiance employs backward ray-tracing algorithms. This means that the light ‘rays’ are traced back from the point of measurement or view to the light source. There are a number of other ray-tracers on the market because the basic principle is relatively simple to

19 Os softwares ReluxPro e o Daysim não constam na listagem. O Daysim foi mencionado dentro do

programa Honeybee, que conecta os softwares Grasshopper 3D, EnergyPlus, Radiance e OpenStudio para análises de iluminação natural e de consumo energético do edifício.

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implement on computers. However, where Radiance stands out is its ability to handle diffuse inter-reflections between objects. Very efficient algorithms together with caching are applied for this. Other packages usually try to equate for indirect contributions by defining the ‘ambient’ light that has no real source and somehow is everywhere (JACOBS, 2012, p.8).

No entanto, seu emprego é complexo e demanda de conhecimentos prévios de UNIX, comandos de DOS e técnicas de scripting em Bean Shell (bsh), Python, Perl e Ruby (RADSITE, 2012). Ante as potencialidades da ferramenta e da alta complexidade para a maioria dos usuários, outros programas, como o ReluxPro, o Daysim, o Ecotect e o OpenStudio, passaram a incorporar o software Radiance como uma ferramenta de renderização e/ou cálculo. Assim o uso do programa tornou-se acessível para parte dos arquitetos, engenheiros e pesquisadores no campo da iluminação, possibilitando análises precisas e projetos integrados de iluminação natural e artificial, com foco em eficiência energética.

Embora existam outros softwares disponíveis de simulação de iluminação natural, esta pesquisa optou por utilizar o Daysim e o ReluxPro por serem programas utilizados amplamente em universidades nacionais e internacionais.

O ReluxPro é um programa que desenvolve análises estáticas para dias e condições de céus específicos, nos padrões CIE (céu claro com e sem sol, encoberto e intermediário com e sem sol). Este tipo de simulação possibilita análises horárias da iluminância interna de acordo com a latitude e longitude do local do projeto, para dias específicos selecionados pelo autor da simulação. Os resultados são apresentados de duas maneiras principais: Fator de Luz do Dia (porcentagem) e Iluminância20 (lux). A iluminância pode ser visualizada a partir de gráficos ponto a ponto, pseudocores (ou cores falsas), linhas isolux, cortes, visualizações em 3D, entre outros. O programa utiliza os métodos Raytracing e Radiosity. A diferença entre as renderizações pode ser observada na Figura 18 e na Figura 19. As

20 As faixas de iluminância podem ser definidas pelo usuário, de acordo com as necessidades do projeto.

79 renderizações dos materiais, como o vidro, por exemplo, tornam-se realistas no cálculo raytrancing.

O método raytracing traça raios de luz com início na seção visível de uma figura até sua origem. Como os cálculos são feitos a partir do observador, é necessário fazer novas renderizações a cada mudança de ponto de observação. Este método leva em consideração a dispersão da luz em relação à cor da superfície (RELUX, [2009?]; JACOBS, 2012). A Figura 20 indica o conceito do método.

Figura 18 Renderização desenvolvida com o método Radiosity. Fonte: RELUX, 2015, p.

61.

Figura 19 Renderização desenvolvida com o método Raytracing. Fonte: RELUX, 2015, p.

61.

“Radiosity-based algorithms start off with the energy that is radiated from the light source” (JACOBS, 2012, p. 8). Este método não necessita de várias renderizações para verificar o resultado do ambiente em questão.

80 O programa, no entanto, possui alguns obstáculos que devem ser considerados:

1- Limitação de simulação. Não desenvolve simulações dinâmicas com arquivos climáticos, não permitindo, por tanto, a visualização do comportamento anual do edifício;

2- Limitações de modelagem. A partir da versão 2014.1 o programa passou a importar arquivos no formato gbxml, isto é, de sistemas BIM21. Não é possível importar projetos modelados no SketchUp ou no AutoCAD;

3- Indicação incompleta do modelo de céu intermediário CIE. Observam-se 5 tipos modelos de céu intermediário de acordo com a CIE (Tabela 2), no entanto não há esta especificidade no programa. O fabricante do produto foi questionado e até o fim da pesquisa não apresentou uma resposta;

4- Aplicação de um único modelo de céu pode não ser representativo para a toda a cidade de São Paulo, devido aos diversos microclimas encontrados.

5- Restrição de acesso aos algoritmos utilizados nos cálculos.

Uma das principais vantagens do ReluxPro, em termos de utilização e manipulação dos dados, é o acesso ao suporte técnico.

O Daysim desenvolve análises de iluminação natural utilizando o algoritmo do Radiance para calcular com precisão a iluminância/ luminância no interior dos edifícios, com base no arquivo climático da cidade onde o edifício está inserido (REINHART, 2006).

Daysim first imports an EnergyPlus climate file that contains a series of hourly direct and diffuse irradiances. It then uses a stochastic autocorrelation model to convert the 1 hour time series down to a 1 minute time series of direct and diffuse irradiances. Using the Perez sky model these irradiances are first converted into illuminances and then into a series of sky luminous distributions of the celestial hemisphere for all sky conditions of the year. All of these calculations are carried out in the background without requiring any further user input (REINHART, 2006, p.22).

81 Segundo Schregle et al. (2015, p.217) “annual simulation is a significant indicator of a daylight redirecting component's performance, since it accounts for seasonal variations in daylight availability as well as the system's response under such conditions”.

Embora o Daysim, utilize um arquivo climático proporcionando análises do comportamento do edifício ao longo de um ano inteiro, sob mais de um tipo de céu, o resultado das simulações pode gerar dúvidas, como por exemplo, em relação ao próprio arquivo climático. De acordo com Reinhart (2006) o software Daysim extrai do arquivo climático as irradiâncias horárias diretas e difusas, que são medidas como rotina em poucas estações meteorológicas do Brasil, segundo Teramoto e Escobedo (2012). Roriz [2015?], o responsável pela compilação dos dados climáticos, para o desenvolvimento do arquivo Energyplus Weather Data, EPW, e aplicação a posteriori

nas simulações, afirmou ter detectado valores inconsistentes de irradiâncias solares na base de dados do Instituto Nacional de Meteorologia, INMET, o que demandou a correção destes dados por meio da comparação dos valores com outras fontes de dados climáticos. Roriz [2015?] afirma que o método utilizado não proporciona conclusões definitivas e, como as fontes adotadas para a comparação apresentam apenas médias mensais, elas não atendem aos requisitos exigidos pelos principais

softwares de simulação termo-energética.

As simulações dinâmicas de iluminação natural desenvolvidas no Daysim podem ser feitas a partir do software SketchUp, onde a modelagem é intuitiva, possibilitando a simulação do comportamento anual do edifício. No entanto, a afirmação de Roriz levanta dúvidas sobre a precisão do arquivo EPW22 e, consequentemente, sobre a validação da simulação.

The detailed calculation methods used to generate daylight autonomy and useful daylight illuminance can affect the results obtained. Issues like the choice of grid size, the use of an offset excluding points close to the walls, the time step for calculation, the

22 A última revisão dos arquivos climáticos disponíveis para o Brasil foi feita em 2012, a partir de dados horários fornecidos pelo INMET de 2000 a 2010 (LABEEE, [2012?]).

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weather data file and assumptions about the way shading is operated can particularly affect useful daylight illuminance, as it is influenced by the best and worst lit areas in the room, and on illuminances on particularly bright and dull days (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015, p.3).

Espera-se que trabalhos futuros esclareçam essas questões sobre o cálculo. Ticleanu, Littlefair e Howlett (2015) ressaltam que as simulações de luz natural baseadas em arquivos climáticos podem levar a erros significativos, pois os modelos de céu estão baseados em médias.

One of the issues with CBDM23 is that it tends to average out some of

the largest fluctuations in daylight. Daylight and sunlight can vary considerably even within the space of an hour, and by taking an hourly average the highest and lowest values are lost. Walkenhorst et al have shown that this can lead to significant errors in predicting lighting use. Also partly cloudy skies, particularly with broken cloud, often have highly varying luminance distributions. Nearly all sky models are based on averages of these distributions and therefore tend to average out the brightest and dullest parts of the sky. Of course it can be argued that this is still much better than a daylight factor approach based on one single luminance distribution (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015, p.13).

Outro ponto a ser considerado é a forma como os resultados são fornecidos pelo Daysim. O software proporciona os resultados de três maneiras principais: Useful Daylight Illuminances (UDI), Daylight Autonomy (DA) e Continuous Daylight Autonomy (DAcon).

“Daylight Autonomyis defined as the percentage of occupied hours during the year when the minimum illuminance level (500 lux) is provided at a sensor by daylight alone” (REINHART, 2006, p. 72).

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Useful Daylight Illuminances (UDI), proposed by Mardaljevic and Nabil in 2005, is a dynamic daylight performance measure that is also based on work plane illuminances. As its name suggests, it aims to determine when daylight levels are ‘useful’ for the occupant, i.e.

neither too dark (<100 lux) nor too bright (>2000 lux24). The upper

threshold is meant to detect times when an oversupply of daylight might lead to visual and/or thermal discomfort. The suggested range is founded on reported occupant preferences in daylit offices. Based on the upper and lower thresholds of 2000 lux and 100 lux, UDI results in three metrics, i.e. the percentages of the occupied times of the year when the UDI was achieved (100-2000 lux), fell-short (<100 lux), or was exceeded (> 2000 lux). The last bin is meant to detect the likely appearance of glare (REINHART, 2006, p. 12).

As faixas de iluminâncias disponíveis para a análise da UDI são restritas, pois apresentam três distribuições de iluminâncias: iguais ou menores a 100 lux; de 100 lux a 2.000 lux; e acima de 2.000 lux. O segundo intervalo supracitado é amplo e não indica as faixas de iluminância entre 100 lux e 2.000 lux, ou mesmo o limite de até 500 lux, que é o nível médio da iluminância descrito nas normas nacionais e internacionais para edifícios de escritórios. O terceiro intervalo sugere que iluminâncias acima de 2.000 lux podem gerar desconforto, o que pode não ocorrer em todos os casos, como por exemplo, nos ambientes com iluminação natural difusa. O Daylight Autonomy é definido como a porcentagem das horas ocupadas por ano quando o nível de iluminância mínimo (500 lux) pode ser mantido apenas com luz natural (REINHART, 2006). Embora o Daysim aponte respostas válidas para a compreensão do desempenho de um edifício não fica claro a transição entre as faixas de iluminâncias, dificultando a leitura e posterior (eventual) projeto de iluminação artificial25.

24 Este limite foi ampliado conceitualmente para 3.000 lux, como citado anteriormente, porém o programa ainda utiliza iluminâncias até 2.000 lux.

84 Segundo Nabil e Mardaljevic (2005) os limites de iluminância dos intervalos foram revistos e ampliados para: ≤100 lux; 100-3.000 lux; ≥3.000 lux.

Outro obstáculo do Daysim é a sua interface. O programa não especifica o tipo de persiana utilizada (transmissão luminosa, refletância do material, tipo de material, etc) na parte da simulação do comportamento do usuário (Occupant Behavior). Alguns erros de cálculo, frequentes nos percursos das simulações, não são corrigidos facilmente, pois as causas são obscuras. A falta de suporte técnico dificulta os processos de análise dos ambientes internos.

O conceito de DA data de 1989 (REINHART; MARDALJEVIC; ROGERS, 2006), quando foi incluída em uma norma Suíça (ASSOCIATION SUISSE DES ELECTRICIENS, 1989, apud

TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015). Como sua aplicação não leva em consideração valores menores do que 500 lux, em 2006, Zack Rogers propôs o

Continuous Daylight Autonomy, que considera as contribuições da iluminação natural abaixo da iluminância estabelecida. Um sensor (da simulação) que indica 300 lux passa a contribuir com 60% da luz natural requerida, por exemplo. Este critério integra e orienta a dimerização das luminárias do projeto de iluminação artificial (REINHART; MARDALJEVIC; ROGERS, 2006).

Com base nesta questão a Illuminating Engineering Society of North America, IESNA, propôs o conceito de spatial Daylight Autonomy (sDA) que:

It is defined as the percentage area of a space which meets a minimum daylight illuminance for a specified fraction of operating hours. It suggests default values of 300 lux for the minimum illuminance and 50% for the fraction of operating hours (default operating hours are taken to be 8am to 6pm local clock time). This

would be written as sDA300,50% (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT,

2015, p.14).

A IESNA (2012, apud TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015, p.14) faz duas recomendações em relação à sDA:

For preferred daylight sufficiency it recommends that 75% of points analysed exceed 300 lux for more than 50% of the above time period;

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For ‘Nominally accepted’ daylight sufficiency it recommends that 55% of points analysed exceed 300 lux for more than 50% of this time period.

Schregle et al. (2015) propuseram a ferramenta EvalDRC, que calcula a disponibilidade de luz do dia espacial e temporal. A ferramenta é um script em Python que desenvolve as simulações com base no mapa de fótons do Radiance.

The sDA specifies the percentage of a workplane area receiving sufficient daylight over the course of one year, assuming occupancy hours from 8 am to 6 pm. In addition, we also evaluate the daylight autonomy on a monthly basis (…), which we refer to as the msDA

(SCHREGLE et al., 2015, p. 219).

A simulação com a ferramenta proposta consiste nos seguintes itens:

1. Configuração do céu: levantamento de dados cumulativos do sol, determinação do trecho de céu e verificação da distribuição da radiação solar para a cidade em estudo;

2. Cálculo: geração do mapa de fótons e determinação independente dos coeficientes do trecho de céu e contribuição solar;

3. Acumulação: superposição dos dados para produzir os resultados finais, como, por exemplo, os valores de irradiância nos sensores;

4. Redução: aplicação das métricas para luz natural e verificação do desempenho luminoso no cenário simulado (SCHREGLE et al., 2015).

A ferramenta proposta possibilita uma variedade de tarefas, como simulações anuais ou análises individuais de períodos específicos. Diversos modelos de céu estão disponíveis no programa, desde aqueles baseados em fórmulas genéricas da CIE, como os modelos de céu baseados em arquivos climáticos (Perez all-weather sky model) (SCHREGLE et al., 2015).

Infelizmente a ferramenta EvalDRC não está disponível fora da Universidade de Lucerna.

Até o fim da presente pesquisa não se encontrou nenhuma ferramenta que fornecesse resultados em sDA.

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3.1 Rochaverá Corporate Towers: análise do desempenho da pele de vidro.

O conjunto de quatro torres de edifícios de escritórios Rochaverá Corporate Towers

está localizado em um terreno de 33.000 metros quadrados, na zona sul da cidade de São Paulo, e foi projetado pelo escritório Aflalo e Gasperini Arquitetos. A Figura 21 indica a localização do conjunto e a Figura 22 aponta as torres A e B.

Figura 21 Vista do conjunto do Rochaverá

Corporate Towers. Fonte: BESSI, 2013, s/p. ^{Figura 22 Torres A e B. Fonte: FÓRUM DA} _{CONSTRUÇÃO, [2009?], s/p.}

As quatro torres do conjunto são assimétricas, com ângulos não ortogonais em uma das fachadas de cada torre, como demonstra a Figura 23 (PURARQUITETURA, 2015). O conjunto Rochaverá Corporate Towers conquistou a certificação Leadership in Energy & Environmental Design (LEED) na categoria ouro por apresentar vários quesitos que garantem a sustentabilidade ambiental e social do empreendimento. Quanto à gestão de energia, foram empregadas várias técnicas, tais como: a eficiência da iluminação artificial em todo o conjunto por meio de automação; sistema de ar condicionado com central de geradores de energia a gás; instalação de elevadores de alto desempenho por meio de crachás eletrônicos, automação e aproveitamento da luz natural. Os vidros de alto desempenho recobrem 41% da área da fachada, criando uma barreira ao calor e exigindo menor consumo energético dos edifícios. Todos esses procedimentos fizeram com que o conjunto ficasse de 2% a 3% mais caro que os convencionais. As torres, no entanto, economizam recursos na ordem de 20% a 30% em relação aos edifícios clássicos paulistanos, fazendo com que

87 o tempo de retorno financeiro do conjunto ocorra na primeira década do ciclo de vida do edifício (CORBIOLI, 2009; AECWEB, 2015).

As fachadas são compostas de dois elementos verticais distintos: fachada-cortina e peitoris pré-fabricados de concreto, revestidos com granito (PURARQUITETURA, 2015). As fachadas cortinas empregaram vidros laminados de alta eficiência energética e bom isolamento acústico (AECWEB, 2015).

Figura 23 Corte das torres B e C. Fonte: PURARQUITETURA, 2015, s/p.

A distância das aberturas até o core das torres varia na fachada inclinada, conforme indica o corte, Figura 23. O pé-direito das torres é de 2,80m e os vidros empregados foram o Cool Lite, da Cebrace, com transmissão luminosa de 21% (CEBRACE, [200-?]). A Figura 24 indica a planta do 16º pavimento tipo das torres A e B e a Figura 25 demonstra a implantação do conjunto de quatro torres, com a identificação de cada uma.

88 Figura 24 Planta do 16º andar das torres A e B. Fonte: PURARQUITETURA, 2015, s/p.

Figura 25 Implantação Rochavera Corporate Towers. Fonte: a partir de PURARQUITETURA, 2015, s/p.

A pele de vidro original das torres foi analisada por meio dos programas ReluxPro e Daysim e foi chamada de Sistema A, para ser diferenciada dos seis experimentos desenvolvidos para as fachadas dos edifícios (Sistema B a G). O 16º pavimento foi

Torre B Torre A Torre C ^{Torre D} 16,80 12,09 11 ,3 5 11 ,3 5

89 escolhido para ser analisado, devido às poucas obstruções externas, demonstrando a situação com o menor sombreamento ocasionado pelas torres do entorno. Como este pavimento encontra-se mais exposto ao sol, dentre os demais, ele favorece a verificação do desempenho dos dispositivos de proteção solar propostos.

As simulações foram desenvolvidas para uma malha disposta a cada 0.50m sobre o plano de trabalho (a 0.75m do piso acabado). As refletâncias dos acabamentos adotados para teto, parede e piso foram de 70%, 50% e 20%, respectivamente. A transmissão luminosa do vidro utilizada no Sistema A foi de 21%. As transmissões luminosas dos vidros utilizadas nos demais sistemas serão apresentadas nos subcapítulos subsequentes.

As simulações estáticas utilizaram o modelo de céu intermediário26 com sol no cálculo raytracing e foram calculadas para os dias 21/03; 22/06 e 22/12 às 9h, 12h e 16h. Os resultados foram apresentados em iluminância, de acordo com a escala a seguir: 0-100 lux; 100-200 lux; 200-300 lux; 300-500 lux; 500-750 lux; 750-1.000 lux; 1.000-3.000 lux; acima de 3.000 lux.

Foram destacadas as iluminâncias máximas nas simulações, devido à preocupação com o conforto visual. O parâmetro de avaliação utilizado foi 3.000 lux, valor baseado na pesquisa de Nabil e Mardaljevic (2005).

As simulações dinâmicas utilizaram o arquivo climático de São Paulo (LABEEE, [2012?]). Os dados horários foram obtidos em 2008, a partir do registro da estação climatológica do INMET27 e compilados pelo Prof. Maurício Roriz (LABEEE, [2012?]). Os edifícios foram modelados no programa SketchUp e exportados para o Daysim por meio de um plugin instalado no SketchUp.

A iluminância de referência para os cálculos do Daylight Autonomy é de 500 lux.

26 Céu recorrente, de acordo com os cálculos matemáticos desenvolvidos nesta pesquisa.

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3.1.1 Análise do Rochaverá Corporate Towers – Torre B

A Figura 26 indica o desempenho do Sistema A do 16º andar do edifício, por meio do

Daylight Autonomy, e a Figura 27 demonstra os valores obtidos nos sensores.

Figura 26 Torre B. Daylight Autonomy do 16º andar - pele original. Fonte: Acervo da autora, 2016.

A escala em porcentagem indica que, com base na iluminância de 500 lux, o edifício possui um desempenho máximo próximo às aberturas. A fachada inclinada (lateral esquerda) alcança um desempenho menor em relação às demais, devido ao