MCE-01 Iluminação Natural

A iluminação natural só proporciona economia energética quando é capaz de substituir temporalmente a iluminação artificial. Entretanto, as economias obtidas da iluminação natural em um espaço não dependem exclusivamente da disponibilidade de iluminação natural no lugar da tarefa, mas também de quando e como o usuário utiliza dispositivos de sombreamento (como persianas) ou elementos de controle e regulação da iluminação artificial (FERNÁNDEZ et al., 2014).

Para definição dos elementos-chave da iluminação natural sob o enfoque da sua influência no consumo energético considera-se a sua influência no sistema de iluminação artificial e no balanço térmico da edificação. Portanto, opta-se por estratégias que, além da economia em energia para iluminação artificial, objetivam melhorar e/ou otimizar a quantidade e a distribuição de luz natural em cada um dos espaços que proporcionam acesso ao exterior.

Em geral considera-se que a utilização da iluminação natural traz benefícios ao bem-estar dos ocupantes, mas sua ausência pode proporcionar danos à saúde. Diversos estudos mostram como a iluminação natural atua diretamente não só na percepção dos usuários, como também no seu conforto, facilitando melhorias no seu desempenho (BELLIA et al., 2013) (TOLEDO;

CÁRDENAS, 2015). Para BELLIA et al. (2014) a luz do dia é a melhor luz disponível em termos de propriedade de representação de cor, uma vez que sua distribuição espectral de potência (DEP) possui todos os comprimentos de onda do espectro visível e porque os olhos humanos se adaptaram à luz do dia no decorrer de milênios. A autora caracteriza a luz natural como um dos principais agentes ambientais que estimulam o sistema circadiano, concluindo que a importância de quantificar, ou pelo menos estimar, o impacto que a fonte tem sobre o relógio biológico do cérebro humano na fase de projeto é de grande importância, garantindo desta forma o bem estar dos usuários.

Na edificação são utilizados sistemas que possibilitam a entrada de luz nos espaços: entradas de luz pela cobertura com lanternim; janelas de maiores dimensões (modificando a relação abertura-parede) à altura do plano de trabalho; e balancins altos sobre as janelas e portas internas e externas, para distribuição uniforme da iluminação natural. Nos espaços de circulação interna, por serem espaços de permanencia transitória (de ocupação nã constante), opta-se pela iluminação zenital, através do uso de skylights, que têm como objetivo melhorar ou otimizar a quantidade e a distribuição de luz natural na circulação e, consequentemente, nas salas anexas.

Destaca-se a importância dos balancins superiores, pois estes captam a luz do zênite e do céu de maneira eficiente, guiando-a com maior profundidade e uniformidade para o interior dos ambientes. A Figura 3.14 mostra as estratégias aplicadas para aproveitamento de iluminação natural, e a Tabela 3.1 apresenta as diferenças em relação ao modelo M_01.

Figura 3.14. Volumetria do modelo M_01 com MCE-01 aplicada.

Tabela 3.1. Diferenças de aberturas após a aplicação da MCE-01.

M_01 M_01 com MCE-01 para iluminação

Norte (°) -19 -19

Área de aberturas (m²) 49,16 160,26

WWR (%) 8,56 22,31

SRR (%) 0 12,89

3.2.1.1 Simulações computacionais para avaliação da MCE-01

O programa utilizado para avaliação da contribuição da iluminação natural é o DAYSIM/RADIANCE, que permite estudos de luz natural mais precisos e validados. Este programa é capaz de correlacionar simulações de luz do dia com dados climáticos e tem mais opções para configurações de ocupação e controles de luz diurna. Entre os relatórios gerados inclui: fator de luz do dia (DF); autonomia de luz do dia (DA); índice de luz de dia útil (UDI); e potencial de brilho do dia (DGP).

Com as simulações podem ser gerados três resultados, isto é, das simulações do DAYSIM, são obtidos os valores de DA, DF e UDI, os quais são utilizados na análise do desempenho da iluminação natural. Também é gerado um arquivo com relatório de rotinas, para ser inserido no EnergyPlus, para fornecer os resultados de consumo de energia, considerando-se o uso de dimerização, ou controle do sistema de iluminação artificial, e os resultados de consumo de energia sem controle automatizado da iluminação. Os relatórios conseguidos através dessa metodologia são utilizados na análise dos resultados.

- Autonomiade luz natural (DA) e fator de luz do dia (DF)

Para avaliação da autonomia da luz natural são considerados sensores distribuídos nas salas a cada 0,90 m, com altura do plano de trabalho de 0,75 m. Os resultados mostram a porcentagem das horas ocupadas do ano em que o nível mínimo de iluminância estipulado é atingido em cada ponto, somente pelo incremento da luz natural.

FERNÁNDEZ et al. (2014), citando o Comitê de Métricas de Iluminação Natural da

Illuminating Engineering Society (IES), definem usar 50 % do tempo como limite temporal para

considerar um espaço iluminado naturalmente (DA), durante horário compreendido entre as 08h00 e as 18h00. Em termos de fator de iluminação natural (DF), os pontos de cálculo devem ter um valor maior ou igual a 2 %, para representar a contribuição da iluminância difusa que garante a obtenção da quantidade de lux solicitada para cada sala, pelo menos na metade do limite temporal estabelecido (REINHART; WALKENHORST, 2001).

A Figura 3.15 apresenta curvas de autônomia de luz natural para cinco zonas, selecionadas por representar as características dos espacos em cada bloco da edificação, comparando entre os dois modelos a porcentagem de horas do ano que cada ponto é atingido pela luminosidade requerida no programa, com base na norma ISO/CIE (ABNT, 2013), definida para construções educacionais. As zonas escolhidas e seus requerimentos em lux pela norma são apresentados na Tabela 3.2.

Tabela 3.2. Zonas escolhidas e características.

Zona Função Atividade (ISO/CIE) lux

Z03 Monitoração e Controle Estações de projeto assistido por computador 500 Z06 Laboratório de Energia Solar Sala de aplicação e laboratório 500 Z11 Laboratório de Conforto

Ambiental

Sala de aplicação e laboratório 500

Z20 Sala de de Professores Sala de de Professores 300

Z29 Salas de Aula Salas de Aula 300

Nota-se que no modelo base (Modelo_01), e pelas características das aberturas, existem espaços que não alcançam os níveis suficientes de autonomia em iluminação natural para desenvolvimento das atividades neles propostas. Após a aplicação da MCE para aproveitamento da iluminação natural, a maioria dos espaços avaliados apresentam porcentagens consideradas aceitáveis de iluminação natural. Entretanto, precebe-se que a medida não proporciona luminosidade suficiente para as zonas internas ( Z06 e Z20, por exemplo). Embora estes espaços recebam iluminação natural pela circulação anexa (skylight) e lanternins, esta não é suficiente para a realização das tarefas.

Na Z03, por exemplo, unicamente 8 % dos pontos da malha estabelecida têm um valor maior ou igual a 2 % de FD; porém, com a aplicação da MCE-01, 82 % dos pontos alcançam um índice acima de 2 %. Igualmente, a autonomia de luz natural para todos os sensores do plano de trabalho fica entre 50 % e 97 %, o que significa que na metade do tempo das horas de ocupação a iluminância em qualquer ponto é superior ao minimo requerido de 500 lux para a Z03. Na Z06, o FD encontra- se em uma porcentagem sempre abaixo de 2 %, concluindo-se que a iluminância nunca é superior à requerida (500 lux), e a porcentagem de autonomiaalcançada não é suficiente para as tarefas, determinando o uso de iluminação artificial em todas as horas de uso, nos dois modelos. A Z11 possui aberturas que comunicam com a área externa e a porcentagem aumenta próximo às janelas, registrando uma grande autonômia, que beneficia a economia em energia elétrica usada para iluminação artificial.

- Simulação Integrada EnergyPlus-Daysim/Radiance

Para configuração dos modelos e avaliação do consumo de energia em iluminação artificial, os relatórios adquiridos do Daysim são modificados em função do critério do UDI no intervalo de 100 lux a 2.000 lux.

O programa Daysim fornece o valor das iluminâncias para cada ponto. Encontrados os pontos com UDI específico para o nível de iluminância requerido, avalia-se o Percentual Útil de Iluminação natural (PULN) de acordo com o ambiente, sendo possível estabelecer, de acordo com a quantidade de lux recebida em cada ponto, a necessidade de iluminação artificial para as tarefas

ali desenvolvidas.

Nesta análise é realizada a contagem da quantidade de pontos que recebem iluminância inferior à requerida em lux, em intervalos horários. Quando a porcentagem de pontos da zona que recebem uma iluminância inferior à requerida é de 50 %, considera-se que a iluminação artificial é necessária nessa hora. Com estes valores são criados cronogramas (schedules) de iluminação para cada zona e inseridos no EnergyPlus, gerando rotinas de uso de iluminação artificial em função da necessidade de iluminação de cada zona. Assim mesmo, quando a porcentagem de pontos que recebem iluminância superior a 2.000 lux é superior a 20 %, considera-se como necessário o fechamento das janelas e, consequentemente, o uso de iluminação artificial.

A Figura 3.16 mostra a Z11 e os pontos mais próximos às janelas externas para o dia 21/06, quando a declinação solar é maior para o lado norte, determinando, para cada hora do dia, a quantidade de pontos que recebem uma iluminância maior a 500 lux (laranja) e pontos com luminosidade superior a 2.000 lux (amarela).

Para o Modelo_01, tanto na Figura 3.15 quanto na Figura 3.16 percebe-se que a Z11, por exemplo, não recebe iluminação natural suficiente para desenvolvimento das atividades nela previstas. Nota-se também na Figura 3.16 que nos locais mostrados, a quantidade de pontos que recebem iluminância de 500 lux não ultrapassa 24 % às 14h00, determinando o uso de iluminação artificial durante todo o horário de uso. Após a aplicação da iluminação zenital e o aumento das aberturas na parede norte, a Z11 recebe iluminação suficiente entre as 09h00 e as 15h00. Este intervalo de tempo sem necessidade de iluminação artificial, representa a economia alcançada.

Figura 3.16. Pontos com luminosidade superior a 500 lux na Z11 para o dia 21/06. 3.2.1.2 Impacto no consumo de energia elétrica

Os níveis de autonomiade iluminação natural e o consumo de energia em iluminação artificial são calculados considerando tempos de uso das salas dependendo das atividades nela realizadas. Considera-se um horário geral das 07h00 às 20h00 durante os dias da semana, um modelo de usuário ativo por definição (default), e um interruptor manual localizado próximo às portas para cada fileira de luminárias paralelas às janelas. Isto implica que a zona está ocupada por um usuário ativo na hora de controlar a iluminação, quando há falta de suficiente luz natural, e os dispositivos de sombreamento, quando necessários. Embora este sistema de controle por si só não contribua para o melhoramento da eficiência energética, pois depende do comportamento do usuário, constitue-se na ferramenta mais adequada quando se realizam atividades diferentes em um espaço. Pelas características apresentadas entre o modelo base (M_01) e o modelo com MCE-01 aplicada, a diferença entre o atendimento com iluminação natural e o uso de horas em iluminação

artificial é perceptível ao fazer uso da simulação para entender a edificação com um todo. Estas diferençãs são mostradas na Figura 3.17, que apresenta as diferenças de consumo nos dias denominados dias de projeto (21/02 e 21/11), na Figura 3.18, que apresenta as diferenças entre consumo anual nas zonas exemplificadas, e na Figura 3.19, que mostra o consumo mensal de energia elétrica com iluminação artificial.

Figura 3.17. Consumo nos dias de projeto com iluminação artificial.

Figura 3.19. Consumo mensal com iluminação artificial.

A MCE-01 relacionada ao aproveitamento da iluminação natural mediante as estratégias aplicadas na edificação (Figura 3.14) mostra-se eficiente em relação ao consumo de energia ativa para uso final em iluminação artificial. O total de consumo anual para o M_01 em iluminação é de 16.404,05 kWh, representando 16,4 % do consumo total de energia elétrica da edificação.

Com a aplicação da MCE-01, este consumo anual em iluminação artificial é reduzido a 11.975,2 kWh, e sua equivalência no consumo total se reduz igualmente a 11,7 % do modelo modificado. Nesta ordem, a economia anual obtida é de 4.429,24 kWh, e a maior economia apresenta-se no mês de setembro com 423,88 kWh/mês, isto é, de 31,65 % com relação ao modelo sem a medida no mesmo mês.

A economia em consumo de energia para iluminação artificial representa 27 % ao ano em relação ao consumo de energia em iluminação do modelo base. Esse resultado comprova a eficácia das estratégias instaladas para aproveitamento da iluminação natural; no entanto, faz-se necessário ter controle sobre as medidas, para evitar incremento de carga térmica ao ambiente.