Simulações computacionais: Calibração do modelo ENVI-met

Com o objetivo de verificar a aplicabilidade/validação do modelo micrometeorológico ENVI-met para avaliação de cenários hipotéticos, foram realizadas as simulações computacionais dos tecidos urbanos monitorados climaticamente, para análise comparativa entre os dados simulados/estimados e dos dados coletados in loco.

O modelo trabalha diretamente com a Camada Limite Urbana (CLU), com um formato tridimensional de traçado em grade, com volume de controle nos eixos x, y e z. No Brasil, o modelo ENVI-met já foi adotado para avalição de microclimas urbanos e mostrou algumas limitações relacionadas com o ajuste da curva de temperatura do ar para o clima tropical, como observado por Brandão (2009), que apontou como principal dificuldade, o tamanho máximo da área e da malha para o detalhamento preciso das superfícies construídas. Nakata (2010), também, identificou diferenças entre dados medidos e simulados e apontou dificuldades quanto ao processo de simulação, principalmente, quanto à capacidade computacional exigida para o processamento da simulação.

Estes estudos foram fundamentados a partir da adoção da versão antiga do programa computacional ENVI-met, versão 3.0 (BRUSE, 2004) e 3.1 (BRUSE, 2008). É importante destacar que, nessas versões anteriores, a capacidade térmica de fachadas não era considerada nos cálculos de energia e turbulência. Na versão 4.0 (lançada em 2013), o cálculo da temperatura da superfície das fachadas foi completamente reescrito e incorporado na equação de balanço de energia, baseado no modelo das propriedades físicas dos materiais e componentes da superfície da fachada, incluindo: reflexão, absorção, transmissão, emissividade, coeficiente de transferência de calor, capacidade térmica específica e a espessura da parede.

Gusson (2014) calibrou o modelo a partir na nova versão ENVI-met 4.0, para a realidade climática do município de São Paulo, para quantificar o efeito da densidade construtiva sobre o microclima urbano a partir da avaliação de cenários paramétricos, representados por uma mesma densidade populacional. Os cenários representavam possíveis padrões de ocupação de quadra, com diferentes tipologias de edifícios. Para calibração do modelo, foram realizadas medições microclimáticas para fins comparativos dos dados simulados. Gusson destaca que o modelo respondeu bem ao ajuste da curva entre dados medidos e dados simulados mostrando-se confiável para simulação com cenários paramétricos.

Uma das mais recentes pesquisas fundamentada na validação do modelo ENVI-met foi realizada por Helge Simon para o desenvolvimento de sua tese de doutorado, na Universidade de Mainz, na Alemanha, finalizada em março de 2016. Esta tese descreve uma série de novos recursos introduzidos na nova versão do ENVI-met 4.0, incluindo um vasto conjunto de testes numéricos e validações baseadas em medições in loco. Os novos recursos são avaliados com base em cenários, bem como por comparação com medições. As validações foram baseadas na análise da modelagem 3D, referente ao comportamento de transpiração das plantas, além de outros processos e reações químicas relacionados com desempenho microclimático da vegetação. Uma das importantes conclusões do estudo de Helge Simon aponta que as mudanças no processo de cálculo do modelo micrometeorológico, a partir da consideração da vegetação/árvore como um objeto (com detalhamento de sua geometria e de seus elementos constituintes e características e propriedades diferenciadas, como a densidade foliar), possibilitou o alcance da representatividade dos resultados referentes à influência do elemento arbóreo no microclima, como também, permite a avaliação da vitalidade da árvore em diferentes microclimas (SIMON, 2016; p.77).

Os primeiros estudos desenvolvidos na presente pesquisa foram realizados utilizando- se a versão 3.1. Após a publicação da versão 4.0, os estudos foram fundamentados na nova versão. Esta versão possibilita a especificação de muitos componentes de edificações como vidros, paredes, pisos e tetos e pavimentações urbanas. Um dos principais avanços em relação às versões anteriores é a possibilidade de caracterização nas aberturas dos edifícios e a elevação dos mesmo (no caso de existência de pilotis). Estas inovações foram incorporadas a partir da adoção na plataforma 3D para a caracterização do modelo de simulação.

Na versão 4.0, o programa trabalha com a possibilidade de modelagem do terreno (desconsiderado nas versões anteriores) e possui como grade máxima 250 x 250 x 30 unidades de volume de controle. O volume de controle da malha urbana deve ser estudado a partir da quantidade de metros necessária para o espaço/ estrutura a ser modelado. Essa grade é determinada por quadrículas (largura: x, profundidade: y e altura: z). As três opções de volume de controle para a grade são: 100x100x40; 150x150x35 e 250x250x25. Cada quadrícula pode possuir um valor de até 10m em cada dimensão ou de 0,5m, o que delimita o tamanho e a escala da área que será estudada. O programa utiliza ainda: a) arquivos de entrada (que definem as características da simulação específica), configurados no item Spaces, arquivo de dados (já configurados do sistema e dados acrescentados), que são especificados

no módulo ConfigWizard e arquivos de saída (esses criados pelas simulações do programa computacional), processados através do módulo ENVI-met run.

Para cada recinto urbano estudado e monitorado climaticamente, foi desenvolvido um estudo de grade para simulação no modelo ENVI-met. Vários testes de calibração foram realizados, para verificar as respostas do programa, sendo comparados os resultados com os dados coletados em campo. A grande dificuldade encontrada para adoção do modelo foi a necessidade de obtenção de dados de entrada de escala mesoclimática não disponibilizados nem coletados pela estação automática localizada na área de estudo, a cidade de Arapiraca- AL. Por isso, foram levantados dados de estações meteorológicas e instituições localizadas em outros centros urbanos circunvizinhos para o desenvolvimento de testes de sensibilidade do modelo até obter resultados próximos aos identificados através do monitoramento microclimático, apresentados no capítulo anterior. Assim, foram realizadas 4 simulações referentes às condições da estação quente e seca (verão: a partir do dia representativo estudado através dos dados microclimáticos coletados), sendo uma para cada recinto estudado. Foi ainda simulado um modelo para a condição da estação quente e úmida (dia representativo 18/04/2016), referente ao tipo 3 – Residencial Espace. Devido à necessidade de adiantamento dos procedimentos para avaliação dos cenários hipotéticos da análise preditiva, não foram simuladas as condições climáticas referentes à estação quente e úmida para as demais tipologias estudadas.