Neste subitem foram explorados três trabalhos recentes identificados a partir da análise bibliométrica. Estes foram selecionados tendo por critério a aplicabilidade de métodos de execução do experimento e de análise do desempenho térmico exclusivamente em caberturas vegetadas.
Eksi et al. (2017) realizaram um estudo de desempenho térmico de coberturas vegetadas em Michigan, Estados Unidos da América, durante períodos de inverno, verão, primavera e outono. O experimento possuía 232 m² de cobertura vegetada, com sombreamento no local a partir da edificação vizinha até 12 h para direção leste. Foi composto por duas configurações de mix de espécies vegetais com variações de espessura de substrato: uma configuração de sedum com 5 cm de profundidade e uma configuração de herbáceas com 20 cm. A Figura 20 demonstra a configuração do experimento no período de verão, e a Figura 21, a disposição das diferentes camadas presentes em uma mesma configuração, a considerar uma camada complementar de isolamento com chapa de poliestireno extrudado.
Figura 20 - Configuração do experimento durante o período do verão
Fonte: Eksi et al. (2017).
Figura 21 – Disposição das camadas e dos equipamentos em uma mesma configuração
Fonte: Adaptado de Eksi et al. (2017).
Ao se analisarem os resultados para o período do verão, são notáveis as diferenças de temperatura do ar e de fluxo de calor através de diversas camadas do sistema. A temperatura de superfície externa das espécies vegetais foi semelhante à temperatura do ar, exceto em dias ensolarados, quando as temperaturas de superfície foram mais altas que a temperatura do ar, principalmente no caso da espécie de
sedum.
Nesse mesmo período, a amplitude diária para temperatura de superfície na seção sedum foi de 32,8 ºC, enquanto na seção de herbáceas foi de 21,2 ºC. O pico de temperatura se destaca após o meio dia, quando a área medida deixa de ser sombreada e recebe incidência de radiação direta e contínua até o final da tarde. A Figura 22 apresenta a distribuição da temperatura da superfície externa do substrato, camada de isolamento, camada de substrato, camada impermeabilizante.
Figura 22 - Temperaturas máximas e mínimas médias de cada mês, ao longo de um ano, para Sedum e Herbácea na cobertura vegetada experimental
Fonte: Adaptado de Eksi et al. (2017).
Durante este período, foi constatado que a média de temperaturas de superfície da configuração sedum é mais alta do que a configuração de herbáceas. As temperaturas do substrato e a temperatura do topo do isolamento da cobertura seguem a mesma tendência da temperatura de superfície. As flutuações diurnas em dias ensolarados são maiores na configuração sedum, pois possuem uma espessura menor de substrato. A temperatura de substrato diurna teve uma variação de 27,5 ºC para a configuração sedum e apenas 9 ºC na configuração de herbáceas; essa diferença é resultante da menor espessura do substrato da configuração sedum.
Assim como a temperatura de superfície, a temperatura do substrato também foi maior devido à incidência direta, que variou em até 14 ºC entre as duas seções. A absorção de calor na configuração sedum, em magnitude, foi maior do que a configuração de herbáceas em dias ensolarados quando comparados aos dias chuvosos ou nublados. Isto ocorreu, pois o fluxo de calor está ligado à maior radiação, à maior temperatura do ar, à menor precipitação e à umidade do substrato.
Foram também verificados os teores de umidade no decorrer de um dia chuvoso de verão. Após o intervalo de chuva, a umidade do substrato na configuração
sedum aumentou imediatamente, enquanto que na configuração de herbáceas o
aumento foi constante ao longo desse dia. Essa última configuração teve um ganho de umidade de apenas metade, se comparado à primeira configuração. O gasto de energia está diretamente ligado à evapotranspiração, logo, em período chuvoso o fluxo de calor interno é invertido, ou seja, o fluxo de calor do sistema de cobertura vegetada é direcionado para fora – perda (EKSI et al., 2017).
A partir da pesquisa desenvolvida por Eksi et al., (2017) conclui-se que:
Coberturas vegetadas reduzem custo energético pelo aquecimento e resfriamento, principalmente de edificações com baixo índice de isolamento;
São três as principais propriedades térmicas identificadas a partir das camadas de substrato e de vegetação em uma cobertura vegetada: isolamento térmico; sombreamento e evapotranspiração;
A magnitude das variáveis de temperatura e de umidade depende da condição climática do dia, bem como a espessura e a composição do substrato, a espécie escolhida e a periodicidade de irrigação;
Espécies de plantas com grande biomassa e maior taxa de transpiração deveriam prover melhor efeito de resfriamento, dependendo do caso. O desempenho térmico das plantas é dado pela densidade foliar, resistência estomatal, tamanho, cobertura e índice de albedo. Desses fatores, o mais importante é a densidade foliar, por meio da qual a espécie vegetal é capaz de refletir a radiação solar (Eksi et al., 2017).
No segundo estudo avaliado, Bevilacqua, et al., (2017) também analisaram o comportamento térmico de coberturas vegetadas, comparando-as com uma cobertura convencional. O experimento foi realizado na Universidade de Calabria - Itália, região caracterizada por clima mediterrâneo, em condições de inverno e de verão no ano de 2015. Foram desenvolvidos quatro protótipos com a superfície de aproximadamente 50 m² cada. A representação esquemática das camadas existentes é apresentada na Figura 23.
Figura 23 – Disposição dos equipamentos e camadas em teste
Fonte: Adaptado de Bevilacqua et al. (2017).
O protótipo 4, onde foi mantida a configuração original do telhado composto apenas por impermeabilizante betuminoso, foi tomado como referência para os comparativos. Os demais protótipos (1, 2 e 3) eram compostos, além dessa configuração original, por diferentes materiais que formavam a camada drenante, resultando consequentemente em espessuras variadas do sistema: 21,7 cm, 20,36 cm e 24,5 cm para protótipos 1, 2 e 3 respectivamente. Entretanto, essas camadas de retenção e drenagem pluvial não foram investigadas. O protótipo 3 possuía uma camada de impermeabilizante adicional de 3cm. Quanto à camada vegetal, nos protótipos 1 e 2 foram plantadas espécies nativas, enquanto que no protótipo 3, a vegetação não foi inicialmente plantada, mas no período de análises, houve o crescimento espontâneo de espécies vegetais semelhantes à gramíneas. A camada de substrato, por sua vez, foi composta por seixos de diferentes tamanhos e matéria orgânica (<6%).
Em função da composição diferenciada de cada protótipo, a resistência térmica avaliada para cada um deles foi de 1,57 W/m².ºC para a configuração 1; 1,42W/m².ºC para a 2 e 2,45 W/m².ºC para configuração 3. As coberturas vegetadas eram irrigadas por um sistema de irrigação automático, programado para operar durante uma hora nos protótipos 1 e 2 com início à meia noite. No protótipo 3, o sistema de irrigação operava durante duas horas, com início às 19h.
A análise de dados foi realizada com base no trabalho de Teemusk e Mander (2009), que determinaram três índices numéricos para avaliação do fenômeno de ilhas de calor. O primeiro índice, denominado Redução de Temperatura de Superfície (Surface Temperature Reduction – STR), avaliou a redução de temperatura de superfície, obtido pela razão da temperatura de superfície do protótipo pela temperatura de superfície do protótipo referência, podendo ser avaliado segundo valores médios ou valores máximos. O segundo índice, denominado Taxa de Temperatura Externa (External Temperature Ratio – ETR), foi obtido pela razão da temperatura de superfície do protótipo pela temperatura do ar, calculada a partir de valores médios ou mínimos. E o terceiro índice, denominado Redução de temperatura de excursão (Temperature Excursion Reduction – TER), foi obtido pela razão das variações de temperatura de superfície no protótipo pela variação de temperatura do protótipo referência. A Figura 24 apresenta o índice de Redução de Temperatura de Superfície para todas as configurações monitoradas.
Figura 24 – Resultados de STR para todas as configurações em teste
Fonte: Adaptado de Bevilacqua et al. (2017).
As temperaturas de superfície registradas (máximas e mínimas) para as três configurações de cobertura vegetada foram de 52,3 º C e 13,3 ºC; 48,3 ºC e 12,8 ºC; e 46,1 ºC e 18,3 ºC, para os respectivos protótipos 1, 2 e 3. O protótipo referência (4) atingiu temperaturas significativamente maiores do que as demais coberturas, devido à exposição direta da camada impermeabilizante na cor preta, bem como por sua inércia térmica, mais baixa se comparada às das demais configurações as quais
membrana de betume tenha alcançado valores mínimos baixos durante a noite devido às trocas térmicas, essa diferença noturna foi menor em valores absolutos, se comparada com a diferença durante o dia.
O padrão de umidade dos substratos, por sua vez, demonstrou um aumento acentuado até que o máximo diário era atingido. Após esta ocorrência, havia um declínio gradual da umidade até que o valor mínimo fosse atingido, período próximo ao início da irrigação. Também foi observado que a temperatura de superfície da cobertura vegetal eventualmente era mais alta que a temperatura do ar.
Quanto à avaliação por meio dos índices tem-se a síntese, ou seja, o comportamento da superfície vegetada investigada, da cobertura convencional e da comparação de desempenho entre ambas. Para o primeiro índice aplicado, STR, as temperaturas médias e máximas dos protótipos 1, 2 e 3 foram consideravelmente menores do que o protótipo referência (4); os menores índices calculados em relação ao valor de referência foram de 0,63; 0,58; e 0,57 respectivamente. Para o segundo índice, ETR, as configurações de cobertura vegetada apresentaram comportamento similar, com temperaturas de superfície máximas de 1,40 a 1,79 vezes da temperatura média do ar. No verão, foi possível notar que o protótipo 3 apresentou um ETR mínimo mais alto do que as demais seções vegetadas e o protótipo referência, assim como menores valores de resfriamento do substrato durante a noite. Para o terceiro e último índice, TER, em todas as configurações vegetadas avaliadas a 1 apresentou maiores variações (entre 19,1 ºC a 26,1 ºC). Por sua vez, a configuração 3 apresentou os menores índices, variando de 16,1 ºC a 16,7 ºC. A maior quantidade de água por conta do sistema de irrigação, juntamente com o efeito da camada de isolamento, levou à essa importante redução da temperatura, e portanto menores valores de TER, que variaram de 0,314 a 0,460.
Os resultados obtidos realçaram o quanto a quantidade de água no substrato é uma variável que influencia significativamente a temperatura de superfície de coberturas vegetadas, sendo um meio efetivo de regulação térmica. Além disso, o comportamento da temperatura de superfície externas não foi afetado pela diferença de materiais entre os protótipos.
Contudo, com base no trabalho de Bevilacqua et al. (2017), conclui-se que as variações de temperatura em diferentes configurações (espessura de substrato e espécie vegetal) resultam em comportamento de temperatura distintos,
principalmente na camada de substrato. O sistema demonstrou-se capaz de reduzir as amplitudes térmicas durante o verão, e de prevenir a perda de calor de ambientes durante o inverno.
O terceiro trabalho avaliado foi o de Morais e Roriz (2003), que realizaram avaliação do desempenho térmico por meio de comparação entre coberturas vegetadas e lajes comuns de guaritas de segurança em São Carlos/ SP. Os monitoramentos foram realizados no período de verão (fevereiro de 2003). A pesquisa foi realizada a partir de protótipos instalados em biótipos desiguais, ou seja, mesma cidade, porém locais diferentes. Por isso, uma vez que o meio externo possui distinção, o autor ao longo da pesquisa realiza uma equalização dos dados. A Figura 25 apresenta a característica da guarita com laje comum.
Figura 25 - Configuração da guarita LC
Fonte: Morais e Roriz (2003).
A guarita com cobertura em laje comum (LC) foi constituída por alvenaria e cobertura em laje de concreto com 7,22 m² de área, 20 cm de espessura e impermeabilização com camada de betume. A Figura 26, por sua vez, apresenta a distinção da guarita com cobertura vegetada.
Figura 26 - Configuração da guarita CV
como cobertura a laje de concreto com 4,44 m² de área, 10 cm de espessura e camada impermeabilizante. As demais camadas da cobertura vegetada foram a camada drenante, composta por cacos de telha cerâmica de 5 cm de espessura, a camada antiraiz com manta geotêxtil, a camada de substrato de terra vegetal e a camada da vegetação constituída por espécies Duranta repens e Asparagus densiflorus. Esse sistema de cobertura vegetada dispôs de uma altura total de 20 cm.
Primeiramente, foram analisadas as diferenças de temperatura externa às edificações, em razão da diferença do local de implantação. Nesse caso, foram constatadas temperaturas mais altas em torno da guarita LC, que implica em maior carga para temperatura interna e como consequência, em condições diferenciadas de efeitos térmicos para comparação. Para contornar esse efeito, os autores estabeleceram um método para aferir as temperaturas a um mesmo microclima.
Após a definição de equações preditivas que avaliariam o desempenho das coberturas, foram reconhecidos os horários de ocorrência de temperaturas máximas, identificando-se o atraso térmico para cada sistema de cobertura. Os resultados confirmaram que a CV resfriou o ambiente, visto que as temperaturas superficiais internas foram inferiores à temperatura interna do ar entre as 9h e 18h, correspondentes a temperatura superficial de 23 ºC e temperatura do ar de 26,3 ºC. Em contraponto, a variação da temperatura superficial interna da LC em relação à temperatura do ar foi registrada a partir das 16h, com diferença de 3,7 ºC e seguiu até a noite às 21h, com diferença de 4,4 ºC.
A partir da comparação realizada por Morais e Roriz (2003), foi possível concluir que o sistema de coberturas vegetadas é uma técnica econômica e viável para edificações, em geral, a contribuir para o microclima onde será implantado.
Ao explorar esses três trabalhos acadêmicos, conclui-se:
A composição das camadas de substrato e vegetal para o sistema de cobertura é fundamental, e deve ser escolhida com base na estrutura e na proporção de um telhado edificado;
A combinação de espécies vegetais em um único sistema possibilita melhores desempenho térmicos;
O entorno imediato para qualquer projeto deve ser previamente analisado para correção de interferências no local de estudo;
Os índices de Redução de Temperatura de Superfície e Relação de Temperatura Externa possibilitam a análise condensada do desempenho térmico para um período monitorado;
As temperaturas superficiais apresentam redução significativa a partir das coberturas vegetadas e as mesmas podem ser intensificadas conforme espécie vegetal utilizada.