1. Introdução ... 28 1.1 Objetivos ... 43 1.1.1 Objetivos gerais ... 43 1.1.2 Objetivos específicos ... 43 1.2 Hipótese ... 45 1.3 Métodos e Técnicas ... 45 1.4 Descrição dos Capítulos ... 49 2. A influência dos dados meteorológicos da cidade de São Paulo nos parâmetros de projeto ... 51 2.1 Índice de Transmissividade Atmosférica ... 66 2.2 Análise do céu da cidade de São Paulo ... 70 Discussão dos resultados ... 75 3. Desempenho da luz natural no interior do Rochaverá Corporate Towers:
abordagem paramétrica ... 77 3.1 Rochaverá Corporate Towers: análise do desempenho da pele de vidro. ... 86 3.1.1 Análise do Rochaverá Corporate Towers – Torre B ... 90 3.1.2 Análise do Rochaverá Corporate Towers – Torre A ... 96 3.2 Sistema de fachada proposto para ampliação da distribuição da luz natural difusa e redução da luz solar direta. ... 102
3.2.1 Torre B. Dimensionamento dos dispositivos das fachadas: prateleiras de luz ... 104 Discussão dos resultados ... 114 3.2.2 Torre B. Dimensionamento dos dispositivos das fachadas: proteções solares ... 115 3.2.3 Placas Perfuradas... 137 3.2.4 Vidros com transmissões luminosas acima de 60% ... 145 3.2.5 Torre A. Dimensionamento dos dispositivos das fachadas: proteções solares ... 154 Discussão dos resultados ... 172 4. Considerações Finais ... 179 Sugestão para trabalhos futuros ... 181 Referências ... 182
Capítulo 1
Introdução
28
1. Introdução
Segundo a National Aeronautics and Space Administration, NASA, e a Administração Oceânica e Atmosférica dos Estados Unidos, NOAA, o ano de 2014 teve a mais alta temperatura global média desde 1880, quando se iniciaram os registros meteorológicos (DEUTSCHE WELLE, 2015).
As Figuras de 1 a 4 indicam o aquecimento do planeta com intervalos de 5 anos. Nota-se que em 2014 a amplitude do globo foi de 1 a 2 graus Celsius maior do que no início da medição, em 1880. Entretanto, em algumas regiões dos polos, a variação foi de 4 graus.
Figura 1 - 2014 Continues Long-Term Global
Warming – 1880 a 1884. Fonte: NASA, 2015,
s/p.
Figura 2 - 2014 Continues Long-Term Global
Warming – 1900 a 1904. Fonte: NASA, 2015,
s/p.
Figura 3 - 2014 Continues Long-Term Global
Warming – 1980 a 1984. Fonte: NASA, 2015,
s/p.
Figura 4 - 2014 Continues Long-Term Global
Warming – 2010 a 2014. Fonte: NASA, 2015,
29 Em 2014 e 2015 o estado de São Paulo foi assolado por uma estiagem que resultou em temperaturas próximas aos 40 graus durante o verão e a primavera, e próximas aos 30 graus durante o outono e o inverno (INMET, 2015). Durante o mês de janeiro de 2015 foram frequentes as quedas de energia na cidade – por dias consecutivos em alguns bairros – aumentando a sensação de desconforto devido ao calor (ESTADÃO, 2015, REUTERS, 2015; SOUZA, 2015).
O aumento do consumo de ar-condicionado e das tarifas de energia elétrica tornaram mais frequentes as discussões sobre o uso de fontes renováveis, a redução do consumo de energia e o uso consciente de recursos naturais em diversos setores, principalmente entre aqueles com consumo elevado, como nos edifícios comerciais brasileiros.
Conforme a Avaliação do Mercado de Eficiência Energética no Brasil, as principais participações no consumo em edifícios de escritórios referem-se ao condicionamento ambiental e à iluminação artificial, “variando de 50% a mais de 70% do consumo total do setor” (ELETROBRÁS, 2009, p. 30). O Gráfico 1 demonstra a distribuição do consumo da classe comercial.
Gráfico 1 Distribuição do Consumo por Uso Final. Fonte: a partir de ELETROBRÁS, 2009, p. 30.
De acordo com o levantamento feito pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) (2014), em janeiro de 2012 o consumo de energia elétrica do setor comercial da região sudeste foi de 3.512.097 MWh e, no mesmo período de 2014, foi de 4.289.955 MWh, ou seja, um aumento de mais de 22%. Este aumento é apontado nos gráficos 2,
Ar-condicionado 47% Iluminação 22% Demais cargas 31%
30 3 e 4, onde há a indicação do consumo anual do setor comercial, na região sudeste, de 2012 a 2014. O setor comercial compreende hotéis, hospitais, clínicas, shopping centers, supermercados, bancos, instituições de ensino e prédios empresariais (ELETROBRÁS, 2009).
Gráfico 2 Consumo de energia elétrica na rede em 2012, na região sudeste, em MWh. Dados atualizados em 26 maio 2014. Fonte: a partir de EPE, 2014.
Gráfico 3 Consumo de energia elétrica na rede em 2013, na região sudeste, em MWh. Dados atualizados em 26 maio 2014. Fonte: a partir de EPE, 2014.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Consumo 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000 3.000.000 3.500.000 4.000.000 4.500.000 5.000.000 MW h Meses
Consumo de Energia Elétrica na Rede em 2012 Sudeste Consumo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Consumo 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 4. 4. 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000 3.000.000 3.500.000 4.000.000 4.500.000 5.000.000 MWh Meses
Consumo de Energia Elétrica na Rede em 2013 Sudeste
31 Gráfico 4 Consumo de energia elétrica na rede em 2014, na região sudeste, em MWh. Dados
preliminares. Fonte: a partir de EPE, 2014.
Entre 2013 e 2015 não apenas o consumo de energia foi maior, como também se tornou mais dispendioso. Em 2013, as tarifas de energia elétrica foram barateadas pelo governo devido à prorrogação antecipada de concessões de geração e transmissão de energia elétrica e à extinção de dois encargos setoriais – Conta de Consumo de Combustíveis (CCC) e Reserva Geral de Reversão (RGR) - e à redução de outro – Conta de Desenvolvimento Energético (CDE). No entanto, em 2014 e 2015 houve o aumento das contas de energia decorrente da crise hídrica, que motivou um maior uso das termelétricas (DIEESE, 2015; ANEEL [2014?]).
(...) todo o esforço do governo federal em reduzir as tarifas de geração e transmissão em 2013 acabou sendo temporário, diante da crise hídrica e da estrutura mercantil de comercialização de energia, que resultaram na elevação dos preços mercado de curto prazo, contaminando os custos da energia no mercado como um todo em 2014 (DIEESE, 2015, p.12).
O Gráfico 5 aponta o aumento no custo da energia elétrica acumulada de janeiro de 2013 a março de 2015. Segundo Soares (2015) até março de 2015 o aumento foi de 60,42%. A Eletropaulo registrou até julho quatro reajustes na conta de energia
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Consumo 4. 4. 4. 4. 4. 3. 3. 3. 3. 4. 4. 500.000 1.000.000 1.500.000 2.000.000 2.500.000 3.000.000 3.500.000 4.000.000 4.500.000 5.000.000 MWh Meses
Consumo de Energia Elétrica na Rede em 2014 Sudeste
32 elétrica apenas em 2015 (UOL ECONOMIA, 2015), fazendo com que houvesse a aceleração da inflação.
O aumento supracitado, somado à desaceleração da indústria nacional, como indica o Gráfico 6, gerou impactos para a economia, com a elevação do custo de vida e do desemprego. A Revista Veja (2015) apontou que o Produto Interno Bruto (PIB) recuou 3,62% em 2015 e estima-se que recuará 2,67% em 2016.
Gráfico 5 Tarifa de Energia Elétrica, acumulado no ano (em %), Brasil – Jan/2013-mar/2015. Fonte: DIEESE, 2015, p. 6.
A análise detalhada do consumo de energia em edifícios se faz relevante, pois indica possibilidades de aplicação de estratégias passivas para a redução do gasto energético.
Westphal (2013) analisa a distribuição do consumo de um edifício comercial e constata que seu maior gasto é com equipamentos de escritório, representando 34,8%, conforme aponta o Gráfico 7. Os gastos com ar-condicionado vêm diminuindo graças à introdução de melhorias tecnológicas neste setor e somam 28,2% do total do consumo de um edifício. A iluminação artificial contribui com 24,5% do consumo. Analisando os dados da Eletrobrás (2009) e de Westphal (2013) nota-se que a porcentagem do consumo com iluminação artificial praticamente se manteve nas
33 duas pesquisas, pois a empresa governamental indica que o consumo com iluminação artificial em edifícios da classe comercial é de 22% e o pesquisador aponta um gasto de 24,5% em um edifício comercial em São Paulo.
Embora Westphal (2013) faça a análise de apenas um edifício em São Paulo, e seja impreciso tomá-lo como referência de comparação, pela falta de outras pesquisas na área este trabalho será considerado como um indicativo de consumo.
Gráfico 6 Taxas de crescimento do PIB e do consumo de energia elétrica no Brasil e por setor 2012-2014. Fonte: EPE [2015?]; IBGE [2015?] apud DIEESE, 2015, p. 12.
Gráfico 7 Uso final de energia elétrica de um edifício de escritórios em São Paulo. Fonte: WESTPHAL, 2013, p.30.
Em paralelo a Eletrobrás (2009) registra os tipos de lâmpadas utilizadas nas áreas internas e externas dos edifícios do setor comercial – onde prevalece a utilização de
34 lâmpadas fluorescente tubulares - e pesquisa quantas empresas participam da redução do consumo de energia.
No que diz respeito ao racionamento de energia de 2001, cerca de 60% das unidades comerciais pesquisadas declararam terem participado do mesmo, adotando medidas para o cumprimento das metas de redução de consumo de energia. Dentre as medidas adotadas, foram apontadas principalmente as medidas de gerenciamento energético (ações gerenciais relacionadas com a melhoria da disciplina operacional) e de eficiência energética por respectivamente 61% e 31% das empresas que disseram ter participado do racionamento.
Não obstante, questionadas sobre a possibilidade atual de reduzir o consumo de energia, mantendo o nível de atividade, 34,4% dos entrevistados não souberam responder a essa questão. Dos 65,6% que responderam a essa pergunta, 40,3% não acreditam ser possível reduzir o consumo de energia mantendo o nível de atividade. Por outro lado, 59,7% desses entrevistados admitiram a possibilidade de redução de consumo (...) (ELETROBRÁS, 2009. p. 31-2).
Em seu relatório a Eletrobrás (2009) não aponta nenhuma pesquisa visando a redução do consumo mediante a utilização de recursos naturais, como a iluminação natural. A luz natural não possui relevância apenas do ponto de vista da economia de energia, mas da reprodução das cores, do aumento e da diminuição da produção de hormônios e neurotransmissores, frente ao relógio biológico, e da adaptação visual (CORBELLA; YANNAS, 2003; LOCKLEY [200-?] apud SHARMAN; ROBERTS, 2008).
No século XXI nota-se o crescimento da importância do bem-estar dos funcionários nos ambientes internos, com o objetivo de reduzir o absenteísmo e aumentar a produtividade (MARDALJEVIC; HESCHONG; LEE, 2009; DE CARLI; DE GIULI; ZECCHIN, 2008). Esses pontos são evidenciados pelos sistemas de certificação, como o
Leadership in Energy & Environmental Design (LEED), o Alta Qualidade Ambiental
35 outros que orientam o uso da luz natural e recomendam que os funcionários tenham acesso visual para o exterior do edifício.
O dimensionamento das áreas envidraçadas é tema de estudo desde 1970, quando se acreditou que uma redução significativa das aberturas, ou sua completa eliminação, seria necessária para reduzir o consumo excessivo de energia, devido aos avanços no campo da iluminação artificial e da ventilação mecânica (FARLEY; VEITCH, 2001). Realizando uma pesquisa no edifício Co-operative Insurance Company, em Manchester, Wells (1965) verificou que, dos 2.500 entrevistados, 69% se sentem melhor trabalhando com luz natural. Em um estudo concomitante feito por Markus (1967) no edifício Robinson, em Bristol, foram entrevistadas 400 pessoas das quais 86% disseram preferir a luz do sol no ambiente de trabalho durante o ano todo. O desempenho da luz natural em ambientes internos é influenciado por alguns fatores como: dimensão das aberturas; tipo de caixilho; características dos vedos translúcidos e transparentes; pé-direito; dimensões do pavimento tipo; posição do
core; acabamentos internos; entorno imediato; variação da luminância do céu e reflexões internas e externas. O projeto das aberturas, e seus dispositivos de sombreamento, extrapola os limites do edifício e requer a transição entre as escalas do projeto, combinando conhecimentos de “óptica, matemática, ciência dos materiais, biofísica, comportamento humano e ambiental e ciência da computação” (MARDALJEVIC; HESCHONG; LEE, 2009, p. 8), que nem sempre permeiam o repertório dos arquitetos.
A proporção de área envidraçada e de vedos opacos, Window-to-Wall Ratio1 (WWR), é uma relação que influencia o resultado da iluminação natural e o conforto térmico do edifício. Embora haja um consenso para países na zona temperada entre a
American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers (ANSI/ASHRAE/IESNA, 2007), de que a área de abertura seja limitada a 40% da área da fachada, outras porcentagens maiores têm sido simuladas e aplicadas nos projetos, como justificativa para o aproveitamento da luz natural (LOVE; TIAN; TIAN, 2008).
1 WWR é a porcentagem resultante da divisão do total de área envidraçada pela área de parede (ASHRAE, 2011).
36 De acordo com a ASHRAE (2011, p. 131)
There are two steps to approaching window configuration and sizing. The first is that the fenestration design should follow interior-driven design criteria such as occupancy type and requirements for view, daylight, and outdoor connectivity. The second step targets peak load and energy use, which limit window size to comply with the mechanical systems target. For office buildings to achieve 50% savings, the overall WWR should not exceed 40%.
Segundo Al-Tamimi et al. (2009, p.426), para o setor commercial, “The French Thermal Standard FTS is proposing an optimum of 16.5% of window/floor area ratio but this value could go up to 22%, higher values increasing the risk of overheating during the summer period”. Ressalta-se que ainda não há uma indicação de WWR para o Brasil e, consoante as pesquisas supracitadas, estima-se que para os países de clima tropical o valor de WWR é, possivelmente, ainda menor.
Outro tema recorrente dos debates é a substituição da luz natural pelo Light-Emitting Diode, LED. Embora alguns LEDs tenham eficácia luminosa comparada ao sol2 - 105 lm/W - não há ainda equipamentos no setor que consigam reproduzir a mesma variação de intensidade e cor da luz do dia. A Tabela 1 apresenta a comparação da eficácia luminosa de fontes naturais e artificiais.
A variação de tons da luz natural, assim como sua intensidade, regula o ritmo circadiano. A luz do sol é um dos fatores da produção do cortisol, também conhecido como hormônio do stress (CARVALHO, 2012), e a melatonina, o hormônio do sono, é produzida na ausência de luz, seja natural ou artificial (ANDREWS, 2009). Usuários de ambientes desprovidos de aberturas estão sujeitos a oscilações no seu padrão de desempenho e no seu estado de alerta.
2 Baseado na lâmpada Master LEDtube GA 1200mm 20W 840 T8 I, da Philips Lighting, que possui 2.100lm e 20W.
37 Tabela 1 Valores de eficácia luminosa para fontes naturais e artificiais.
Fonte Eficácia luminosa
(lm/W)
Sol
Céu claro azul Céu nublado Luz natural global
70-105 130 110 105 Lâmpada incandescente Lâmpada fluorescente compacta
Lâmpada fluorescente tubular T5
15 57-72 70-100
Fonte: A partir de Mardaljevic; Heschong; Lee, 2009, p. 21, tradução nossa.
Lockley, Arendt e Skene (2007, p.1) afirmam que
Many aspects of human physiology and behavior are dominated by 24-hour circadian rhythms that have a major impact on our health and well-being, including the sleep-wake cycle, alertness and performance patterns, and many daily hormone profiles. These rhythms are spontaneously generated by an internal “pacemaker” in the hypothalamus, and daily light exposure to the eyes is required to keep these circadian rhythms synchronized both internally and with the external environment.
Embora a luz natural possua inúmeras qualidades, como proporcionar sensação de bem-estar, regular a produção dos hormônios e dos neurotransmissores, proporcionar sensação de bem-estar e economizar energia, seu uso está associado aos ganhos térmicos e ao ofuscamento no interior dos edifícios envidraçados.
Os progressos na indústria do vidro permitiram o desenvolvimento de vidros de controle solar, eletrocrômicos, termo refletores, entre outros, o que possibilitou, em teoria, a ampliação do uso da luz natural e a redução dos gastos com ar-condicionado. No entanto, não obstante esses avanços, a aplicação da iluminação natural em edifícios de escritório é ainda, de certa forma, limitada. Esta limitação ocorre não somente pelo partido adotado no projeto, mas também por razões
38 comportamentais de quem ocupa o edifício. Segundo Mardaljevic, Heschong e Lee (2009), o cenário mais comum em edifícios com peles de vidro é o de persianas abaixadas e luzes acesas, sendo que por uma questão de comodismo estas persianas podem ficar abaixadas por dias, meses ou mesmo anos (REA, 1984).
As persianas – ou telas solares - são acionadas para controlar o ofuscamento, devido à iluminância3 excessiva próxima às aberturas do edifício. Mesmo com a utilização de vidros de controle solar, não há como impedir a entrada da luz solar direta. Estudos sobre o consumo de iluminação artificial em edifícios mostram que a obtenção de dados para ampliar o uso da luz natural vai além da seleção dos vidros. Para se especificar uma solução da fachada é necessário conhecer o tipo de clima e o céu da região onde o edifício será inserido.
Segundo Mardaljevic (2003, p.342)
The illumination produced by the sky depends on its luminance. Sky luminance varies according to a series of meteorological, seasonal, and geometric parameters that are difficult to specify. Characterizing the sun and the sky for lighting simulation is equivalent to light source photometry for electric luminaires.
A definição do céu de uma cidade é necessária para fomentar o projeto de arquitetura e possibilitar a predição coerente da iluminância interna resultante das soluções arquitetônicas. A Commission Internationale de L'Eclairage, CIE, órgão responsável pela coordenação internacional de normas técnicas relacionadas à iluminação, indica 15 tipos de céu, sendo o céu encoberto e o céu claro os recorrentes nas simulações estáticas.
As simulações estáticas de luz natural podem ser feitas utilizando o Daylight Factor
(DF), ou Fator de Luz do Dia, cuja definição é “(...) the ratio of the internal daylight illuminance to the corresponding horizontal unobstructed external illuminance”
3 Iluminância é a razão entre a quantidade de luz, ou fluxo luminoso, que incide sobre um ponto da superfície e a área dessa superfície.
39 (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015, p.6). Este cálculo utiliza o céu encoberto padrão CIE, excluindo os valores da luz solar direta. Pode-se obter o Fator de Luz do Dia médio por meio da fórmula 1 (%):
𝐷𝐹 = 𝑊 𝑇 𝜃
𝐴(1 − 𝑅²)
(1) Onde:
W - Área envidraçada;
T - Transmissão luminosa do vidro;
Θ - Ângulo (em graus) da porção de céu visível, a partir do eixo da janela, por meio de uma seção vertical;
A - Área de todas as superfícies (teto, piso, paredes e janelas);
R - Refletância média de todas as superfícies (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015, p.6, tradução nossa).
As normas brasileiras de iluminação natural (NBR 15215-3) e de desempenho (NBR 15575-1) orientam o emprego do Daylight Factor. No entanto, na análise das referências, o DF tem sido criticado por muitas razões, pois:
1- Subestima a razão de iluminância em ambientes com aberturas verticais; 2- Não considera a posição do sol. A orientação do edifício ou das aberturas não
são afetadas pela posição do sol, pois a iluminância do céu encoberto não varia com o azimute;
3- Reduz a precisão do cálculo em regiões onde o céu encoberto é raro;
4- Não leva em consideração a contribuição de sistemas de iluminação natural inovadores, como prateleiras de luz, light pipes, proteções solares ou vidros prismáticos;
5- Não indica o resultado em lux. A iluminância, ao invés de fator de luz do dia, é um parâmetro da satisfação subjetiva em relação à luz natural. Em edifícios
40 reais as pessoas tendem a acender a luz com o decréscimo da iluminância da luz natural, mesmo quando o DF se mantém constante;
6- Aumenta o desconforto visual e térmico. Um projeto que utiliza este parâmetro pode resultar em excesso de áreas envidraçadas, excesso de calor e ofuscamento, com consequente uso excessivo de persianas (TICLEANU; LITTLEFAIR; HOWLETT, 2015).
As aberturas projetadas pelo método do DF podem levar à situações de ofuscamento em dias de céu claro com sol, pois este procedimento leva em consideração apenas o céu como fonte de luz.
Outros métodos de predição de luz natural podem ser elencados, como simulações estáticas com outros tipos de céus e simulações dinâmicas utilizando arquivos climáticos, conhecidas também por Climate-Based Daylight Modelling. As ferramentas disponíveis para o cálculo de luz natural serão abordadas em detalhe no capítulo 3.
O uso de parâmetros mais próximos da condição de céu real possibilita a aplicação de sistemas específicos para cada situação, seja do ponto de vista de iluminação natural, artificial, do ar-condicionado ou da aplicação de materiais. A utilização de um parâmetro de projeto equivocado pode resultar em projetos de iluminação artificial sub- ou superdimensionados.
De acordo com Darula e Kittler (2002, p.1)
To accomplish energy simulations correctly it is necessary to know daylight conditions during the whole year […] Because illuminance is calculated by the integration of luminance in the window solid angle it is important to define luminance distribution on the sky under different situations.
O desenvolvimento de simulações computadorizadas, sob mais de uma condição de céu, permite a ponderação de dados de iluminâncias internas e a eleição de soluções projetuais eficientes, baseada em dados próximos do real.
De acordo com Li e Lam (2001) a radiação solar e a iluminância externa são dois elementos principais que afetam o consumo energético do edifício. A radiação solar
41 para uma cidade específica pode ser encontrada a partir de dados climáticos regionais, medidos usualmente em estações meteorológicas, no entanto, a iluminância externa disponível depende do índice de transmissividade atmosférica (quantidade de radiação solar, nebulosidade, poluição, poeira e outros) (SILVA, 2011). A análise dos dados meteorológicos define os céus recorrentes da cidade e, consequentemente, orienta os arquitetos no dimensionamento das aberturas, escolha dos vidros dos edifícios, materiais, partido arquitetônico, forma dos edifícios, pé-direito, etc. Durante o processo de projeto é relevante verificar a relação entre as áreas transparentes e opacas (WWR) e a relação entre as áreas das aberturas e as áreas de piso (Window-to-Floor-Ratio, WFR4) com o objetivo de dimensionar espaços adequados ao emprego de iluminação natural e ao conforto térmico.
Segundo Willis (1995) a forma do edifício possui uma estreita relação com o aproveitamento da luz natural. A autora analisou o desenvolvimento dos edifícios de escritórios das escolas de Chicago e Nova York, no fim do século XIX e início do século XX, e constatou que a valorização dos imóveis, no período onde a iluminação artificial era incipiente, era proporcional à profundidade dos ambientes. Isto é, o valor do metro quadrado dos imóveis estava relacionado ao alcance da luz natural no interior