Programas computacionais como RayMan (MATZARAKIS et al., 2007, 2010) e o ENVI-met (BRUSE; FLEER, 1998; BRUSE, 2009) foram desenvolvidos para dar suporte a estudos ambientais permitindo fazer uma análise da qualidade do espaço urbano. Diversos pesquisadores utilizam-se desses programas para avaliar e prever
PET( Europa central) Matzarakis e Mayer
1996
PET (São Paulo) Monteiro 2008
PMV
Fanger 1970 Sensação Térmica
<4 ˚C < 4 ˚C -3 Muito frio <8 ˚C <12˚C -2 Frio <18 ˚C <18˚C -1 Pouco frio 18 a 23˚C 18-26˚C 0 Neutralidade térmica >23 ˚C >26˚C +1 Pouco calor >35˚C >31˚C +2 Calor > 41˚C >43˚C +3 Muito calor
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situações relacionadas a fatores como: conforto térmico urbano, análise de insolação, acústica, eficiência energética, iluminação, ventilação, entre outros.
A simulação por meio desses programas computacionais faz previsões do grau de conforto térmico dos usuários de espaços livres nas cidades. Neste estudo, o RayMan Pro e o Envi-met, foram utilizados para avaliar situações atuais e prever situações futuras de determinadas áreas urbanas, permitindo verificar as interferências da vegetação no microclima urbano ao observar parâmetros ambientais como temperatura do ar, umidade relativa do ar, velocidade do vento e temperatura radiante média.
2.3.1 O modelo RayMan
O RayMan é um modelo computacional capaz de simular densidades de fluxo de radiação de ondas curtas e longas em ambientes simples e complexos, que usa um número limitado de dados meteorológicos para determinar a condição térmica fisiológica das pessoas. É um modelo que avalia o bioclima urbano por meio de índices térmicos tais como Voto Médio Predito (PMV) e a Temperatura Fisiológica Equivalente (PET), sendo adequado para o cálculo do fluxos de radiação, uma vez que considera fatores como a topografia e morfologia urbana (MATZARAKIS; RUTZ; MAYER, 2007).
Para calcular o PET, o modelo RayMan baseia-se nos seguintes parâmetros ambientais: temperatura do ar (Ta), umidade relativa do ar (RH), temperatura radiante média (Trm), velocidade do vento (V), e em parâmetros pessoais: resistência térmica da vestimenta (clo) e taxa de metabolismo (met) (LIN et al., 2010). Entretanto, o modelo considera valores fixos para o clo (0.90) e met (80 W), que equivalem a uma pessoa parada e com vestimenta consideravelmente quente e inadequada para algumas ocasiões, podendo interferir de forma considerável nos valores de PET e PMV. Os dados de entrada do programa podem ser observados na Figura 2.
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Figura 2 – Dados de entrada do modelo RayMan Fonte: Matzarakis et al. (2007)
O programa, por ser de simples aplicação, tem sido bastante utilizado em estudos relacionados ao conforto térmico em áreas urbanas como os estudos de Kàntor et al. (2007), que relacionaram fatores bioclimatológicos humanos às condições térmicas da cidade; de Matzarakis et al. (2009) assim como Abreu e Labaki (2010), que avaliaram interferências da vegetação no microclima urbano; de Urban e Kyselý (2014), que analisaram as condições térmicas de usuários do espaço urbano; de Abreu-Harbich et al. (2013), que investigaram informações climáticas para melhoria do clima urbano. As análises feitas por esse modelo podem ser realizadas em diferentes escalas de tempo e espaço considerando a diversidade de microclimas em áreas urbanas.
Devido à estrutura simples, o modelo RayMan pode ser utilizado não somente por especialistas em biometeorologia humana, mas também por pessoas com menos experiência nesse campo da ciência. Utilizando-se índices calculados com o modelo RayMan, a percepção térmica do ambiente pode ser transformada em um valor numérico. Entretanto, seus autores destacam a importância de se realizar entrevistas relacionadas à percepção das condições térmicas pessoais,
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considerando a adaptação e aclimatização das pessoas entrevistadas com o ambiente avaliado. Os resultados dessa análise possibilitam configurar escalas graduadas de índices que poderão ser utilizadas para avaliação do conforto térmico (MATZARAKIS et al., 2007).
2.3.2 O programa ENVI-met
O software ENVI-met foi desenvolvido em 1998 por Michael Bruse da Universidade de Mainz na Alemanha, sendo um modelo que pode ser detalhado conforme as necessidades espaciais do projeto a ser avaliado. Esse programa é largamente utilizado em diversos campos de estudo como o de climatologia urbana, arquitetura, design e planejamento ambiental. Possibilita a criação de diferentes cenários no tecido urbano por meio de interações entre superfície - vegetação - atmosfera objetivando analisar a relação entre o desenho urbano e o microclima em uma microescala. Permite ainda inserir vegetação e outros elementos construtivos alterando a morfologia da área a ser estudada, o que possibilita avaliar os efeitos das interferências do desenho urbano no microclima (SHINZATO, 2009).
Na camada da atmosfera, o modelo faz o prognóstico do fluxo de ar (velocidade e direção), turbulência, temperatura potencial, umidade do ar e fluxos de radiação de ondas curtas e longas, com base nas leis fundamentais da dinâmica de fluidos e termodinâmica. Na camada de solo o modelo calcula o perfil vertical de temperatura e umidade do ar a partir da superfície, enquanto os processos hidrológicos e termodinâmicos variam de acordo com as propriedades de cada tipo de composição do solo. O dimensionamento horizontal dos grids deve estar compreendido entre 0,5 e 10 m, sendo o grid máximo disponível de 250x250x30, e deve ser definido na área de configuração do modelo (Figura 3). A plataforma operacional exigida deve ser MS Windows com no mínimo 1GB RAM e 2 GHz CPU (BRUSE, 2009).
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Figura 3- Área de configuração do modelo ENVI-met v.3.1
A condição de inicialização de atmosfera definida pelo modelo é neutra (estabilidade estática), que ocorre no início do anoitecer ou antes do nascer do sol, quando a temperatura potencial pode ser considerada constante ao longo do perfil da camada de mistura de ar (STULL, 1988). As primeiras 24 horas de cada simulação devem ser descartadas para que o programa se estabilize, como recomenda Assis et al. (2013). Para se obter a umidade específica e a temperatura potencial a 2500 m, os dados são extraídos e ajustados a partir da Universidade de Wyoming (DOBBERT et al., 2014; MENDES et al., 2014). Outras variáveis utilizadas são padrão do ENVI-met. Os dados de entrada requeridos pelo modelo podem ser observados no Quadro 1.
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Dados de entrada Valores
Dia de início da simulação (DD.MM.YYYY) 18.02.2013
Hora de início da simulação (HH:MM:SS) 21:00:00
Total de horas de simulação 48.00
Dados salvos a cada (min) 120
Velocidade do vento a 10 m [m.s-1] 1.7
Direção do vento 223
Rugosidade z0 a partir do ponto de referência 0.1
Temperatura atmosférica inicial[K] 312.23
Umidade específica a 2500m [g agua/kg ar] 11.3
Umidade relativa a 2m [%] 72.3
Tamanho do modelo 120x100x20
Tamanho da malha utilizada 180x180x30
Fator de ajuste de radiação 0.6
Quadro 1 - Dados de entrada do programa ENVI-met 3.1
Em estudo realizado em Freiburg, na Alemanha, com o uso dos programa ENVI-met e RayMan pôde-se fazer uma análise das diferenças de distribuição espacial de estresse térmico entre um espaço existente e um cenário simulado. O programa RayMan Pro constatou diferenças de stress térmico devido à alteração do desenho urbano, baseado em dados meteorológicos de 10 anos atrás, enquanto o programa ENVI-met apresentou diferenças de condições climáticas condicionadas à troca de pavimento de asfalto por pedra natural (FRÖLICH; MATZARAKIS, 2011). Confirma-se, portanto, a aplicabilidade dos programas apresentados para avaliação de conforto térmico e avaliação das condições climáticas. Neste estudo, a utilização destes programas foi indispensável, pois tornou possível avaliar as condições de conforto térmico humano no meio urbano utilizando índices de conforto (PMV e PET) obtidos pelo modelo RayMan e simular cenários por meio do software ENVI-met.