UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA FORMA URBANA SOBRE O MICROCLIMA E SOBRE AS CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO EM TRÊS BAIRROS NA
CIDADE DO RIO DE JANEIRO
EDUARDO PRAUN MACHADO
AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA FORMA URBANA SOBRE O MICROCLIMA E SOBRE AS CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO EM TRÊS BAIRROS NA
CIDADE DO RIO DE JANEIRO
EDUARDO PRAUN MACHADO
Projeto de Graduação apresentado ao curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientador: Prof. Elaine Garrido Vazquez
RIO DE JANEIRO SETEMBRO de 2018
Machado, Eduardo Praun
Avaliação dos impactos da forma urbana sobre o microclima e sobre as condições de conforto térmico em três bairros na cidade do Rio de Janeiro/ Eduardo Praun Machado – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2018.
X, 64 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Elaine Garrido Vazquez
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 66-70
1. Forma Urbana 2. Microclima 3. Conforto Térmico I. Vazquez, Elaine Garrido; II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Título
Dedico este trabalho à minha família, que sempre esteve comigo para me dar apoio e incentivo.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer aos meus amigos e colegas da Engenharia Civil por tornarem as horas de estudo mais agradáveis, pela motivação e por estarem comigo nos piores e melhores momentos do curso.
Agradeço, também, a todos os professores do curso de Engenharia Civil, em especial à minha orientadora do Projeto de Graduação, Elaine Garrido Vazquez, e da Iniciação Científica, Gisele Silva Barbosa, pela dedicação, pela disponibilidade e pelos conhecimentos transmitidos.
Por fim, agradeço a todos os servidores e funcionários da UFRJ, que tornaram possível a conclusão desse curso.
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
AVALIAÇÃO DOS IMPACTOS DA FORMA URBANA SOBRE O MICROCLIMA E SOBRE AS CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO EM TRÊS BAIRROS NA
CIDADE DO RIO DE JANEIRO
Eduardo Praun Machado
Setembro de 2018
Orientadora: Elaine Garrido Vazquez
Curso: Engenharia Civil
O acelerado e desordenado processo de urbanização, aliado a um rápido crescimento populacional, típico de países em desenvolvimento, provocam alterações do espaço urbano que impactam diretamente no microclima. Em regiões de clima tropical, a compactação excessiva e a supressão de vegetação podem induzir a formação de ilhas de calor e criar situações de desconforto térmico. Nesse contexto, o conhecimento das variáveis do conforto térmico, do desenho urbano e das interações entre o espaço construído e o natural é fundamental para a conformação e alteração desses espaços de modo que os tornem mais agradáveis. Este trabalho tem como objetivo avaliar a influência da forma urbana sobre o microclima e sobre o conforto térmico nos bairros de Copacabana, Ipanema e Ramos, na cidade do Rio de Janeiro. Para isso, analisaram-se os resultados de simulações microclimáticas, feitas no software ENVI-met. Além disso, os dados obtidos computacionalmente ainda foram comparados com parâmetros medidos in loco e utilizados como entrada nos cálculos para o índice de conforto Temperatura Fisiológica Equivalente (PET). Os resultados obtidos indicaram que a forma urbana é capaz de modificar significativamente o microclima local e que, durante o verão no Rio de Janeiro, a sensação é, de maneira geral, de desconforto térmico devido ao calor independentemente do bairro.
Palavras-chave: Microclima; Forma Urbana; Conforto Térmico; Adensamento Urbano; ENVI-met.
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fullfillment of the requirements for the degree of Engineer.
EVALUATION OF THE IMPACTS OF THE URBAN FORM ON THE
MICROCLIMATE AND ON THE THERMAL COMFORT CONDITIONS IN THREE NEIGHBORHOODS IN THE CITY OF RIO DE JANEIRO
Eduardo Praun Machado
September 2018
Advisor: Elaine Garrido Vazquez
Course: Civil Engineering
The accelerated and disordely urbanization process, coupled with a rapid population growth, typical of developing countries, causes changes in the urban space that directly impact on the microclimate. In regions of tropical climate, the excessive compaction and the vegetation suppression can induce the formation of urban heat islands and create thermal discomfort situations. In this context, the knowledge of thermal comfort variables, urban design and interactions between built and natural spaces is crucial for the conformation and alteration of these spaces in orde to make them more pleasant. This work aims to evaluate the influence of the urban form on the microclimate and on the thermal comfort in the neighborhoods of Copacabana, Ipanema and Ramos, in the city of Rio de Janeiro. For this purpose, the results of microclimatic simulations, carried out by ENVI-met, were analyzed. Furthermore, the computational data were still compared with on-site measured parameters and used as input for the comfort index Physiological Equivalent Temperature (PET) calculation. The results indicate that the urban form can modify significantly the local microclimate and that, during the summer in Rio de Janeiro, the sensation is, in general, of thermal discomfort due to the heat regardless of the neighborhood.
Keywords: Microclimate; Urban Form; Thermal Comfort; Urban Densification; ENVI-met.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Evolução da Taxa de Urbanização no Brasil entre 1940 e 2010 ... 12
Figura 2 – Carta Psicrométrica ... 22
Figura 3 – Localização das Áreas de Estudo ... 36
Figura 4 – Área de Estudo: Ramos. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua ... 37
Figura 5 – Área de Estudo: Copacabana. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua ... 37
Figura 6 – Área de Estudo: Ipanema. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua ... 38
Figura 7 – Modelo do ENVI-met ... 39
Figura 8 – Dados para a criação do modelo, exemplo de Ipanema ... 40
Figura 9 – Modelagem feita a partir de uma imagem de satélite, exemplo de Ipanema 41 Figura 10 – Arquivo de configuração do ENVI-met, exemplo de Ipanema... 42
Figura 11 – Termo-higrômetro digital portátil modelo HT-350... 44
Figura 12 – Termo-higrômetro apoiado no tripé ... 44
Figura 13 – Medidor de energia solar modelo MES-100 ... 44
Figura 14 – Pontos de medição em Copacabana ... 45
Figura 15 – Tela inicial do RayMan com os parâmetros fixos utilizados ... 48
Figura 16 – Localização aproximada dos receptores: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 49
Figura 17 – Temperatura do Ar: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 51
Figura 18 – Velocidade do Vento: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 52
Figura 19 – Umidade Relativa: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 53
Figura 20 – Fator de Visão do Céu: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 54
Figura 21 – Radiação Direta: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema... 55
Figura 22 – Radiação Difusa: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 56
Figura 23 – Temperatura Radiante Média: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema... 57
Figura 24 – Temperatura Superficial: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 58
Figura 25 – Modelos em três dimensões: (a) Ramos; (b) Copacabana; (c) Ipanema ... 60
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Taxa Metabólica para Atividade Típicas ... 18
Tabela 2 – Isolamento térmico para alguns trajes ... 26
Tabela 3 – Resultados da calibração do índice PET para algumas cidades brasileiras .. 29
Tabela 4 – Especificações do Termo-higrômetro digital portátil modelo HT-350 ... 43
Tabela 5 – Horário de referência para as medições ... 46
Tabela 6 – Parâmetros de Entrada do RayMan ... 48
Tabela 7 – Temperatura e Umidade equalizadas ... 61
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...12
2 REFERENCIAL TEÓRICO ...17
2.1.1 Variáveis Ambientais ou Físicas ... 19
2.1.2 Variáveis Individuais ... 24
2.1.3 Temperatura Fisiológica Equivalente (PET) ... 28
2.2.1 Adensamento Urbano ... 33
3 ESTUDOS MICROCLIMÁTICOS ...36
3.2.1 Simulações Microclimáticas com o ENVI-met ... 38
3.2.2 Medições Meteorológicas in loco ... 43
3.2.3 Cálculo do PET com o RayMan ... 47
4 ANÁLISE DOS RESULTADOS E DISCUSSÕES ...50
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...64
REFERÊNCIAS ...66
APÊNDICE 1 – DADOS DAS MEDIÇÕES ...71
APÊNDICE 2 – DADOS DOS RECEPTORES E PET ...72
1 INTRODUÇÃO
APRESENTAÇÃO DO TEMA E JUSTIFICATIVA
De acordo com dados da Organização das Nações Unidas (ONU), em 2016, aproximadamente 54% da população mundial vivia em áreas urbanas (UN, 2016). Até 2030, espera-se que esse percentual seja de pelo menos 60%, o que demonstra uma tendência das cidades se tornarem cada vez maiores e mais populosas. No Brasil, estimativas do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) indicam o aumento da população urbana, que passou de 31% em 1940 para 84% em 2010 (IBGE, s.d). Ainda que esse aumento tenha desacelerado nos últimos anos (Figura 1), diversos municípios apresentaram crescimento populacional de mais de 100% (BARBON, DAFFARA, 2017), exigindo a melhoria da infraestrutura.
Figura 1 – Evolução da Taxa de Urbanização no Brasil entre 1940 e 2010 IBGE, s.d. Adaptado pelo Autor.
Em um primeiro momento, portanto, é válido mencionar queo intenso crescimento da população urbana global, iniciado durante a Revolução Industrial, provocou uma grande migração de habitantes das áreas rurais para as áreas urbanas. A expansão das cidades sem um planejamento urbano apropriado é comum em países em desenvolvimento e favorece o surgimento de problemas de cunho social e ambiental, que pioram a qualidade de vida dos habitantes.
Em decorrência do processo de urbanização, verificam-se transformações significativas do ambiente, com ampliação do espaço construído em detrimento do natural. A expansão urbana, ainda quando acompanhada por infraestrutura eficiente, modifica a dinâmica das cidades. Uma das alterações observadas é no microclima local. O microclima corresponde às características climáticas em um espaço de proporções reduzidas dentro das cidades. As mudanças dessas condições podem contribuir com a piora da qualidade urbana, com o aumento da temperatura, a canalização dos ventos, exposição solar indesejada, entre outros. A ilha de calor é uma anomalia climática típica e comum em cidades densamente urbanizadas, podendo ser causada pela verticalização dos edifícios e/ou supressão da vegetação, entre outros fatores. Os efeitos desse fenômeno são, especialmente em regiões de clima tropical, o desconforto térmico, o aumento do consumo energético e da poluição (BARBOSA, ROSSI, DRACH, 2014).
Além do crescimento demográfico, as mudanças climáticas também impactam negativamente sobre as cidades. O último relatório do International Panel on Climate Change (IPCC) avaliou que as últimas três décadas foram mais quentes que qualquer outra desde 1850 (IPCC, 2014). Ainda segundo o relatório, a influência antropogênica sobre o clima é inegável e as emissões de gases do efeito estufa, intensificadas pelo crescimento econômico e populacional decorrente da Revolução Industrial, atingiram níveis jamais vistos (IPCC, 2014). Uma das principais consequências dessas mudanças é a maior ocorrência de eventos climáticos extremos. Pesquisas recentes apontam para o aumento da frequência e da intensidade das chuvas no sul e sudeste do Brasil, tornando alagamentos e deslizamentos de terra mais constantes (MAGRIN et al., 2014). A localização litorânea e o relevo acidentado da cidade do Rio de Janeiro, assim como a alta densidade populacional, a ocupação de áreas de risco e o alto índice de impermeabilização do solo, são fatores que a deixam ainda mais suscetível a esses desastres.
Cabe ressaltar que a problemática dos danos sobre o meio ambiente é recente e as primeiras discussões mais amplas acerca do tema foram pautadas apenas na segunda metade do século XX. Para exemplificar, pode-se citar a Conferência de Estocolmo, em 1972, e a Rio 92, em 1992, onde os conceitos de sustentabilidade e desenvolvimento sustentável surgiram e se consolidaram. Esses termos, no que diz respeito à questão urbana, estão presentes em práticas de planejamento e projeto que levam em consideração a questão ambiental (BARBOSA, 2005).
Diante desse cenário, o conhecimento da forma urbana, das condições de conforto e das interações entre homem, espaço e clima são fundamentais para a proposição de projetos
sustentáveis, tanto na escala das cidades quanto na das edificações. A determinação de princípios de traçado urbano que orientem a construção e adequação dos espaços ao clima, às atividades e às necessidades da população é tarefa de engenheiros e arquitetos, devendo, portanto, ser feita com base científica e de forma integrada.
OBJETIVO
Este trabalho tem o objetivo de verificar como aspectos da forma urbana, tais como o grau de adensamento urbano, a vegetação e as características das edificações e das vias, influenciam as condições microclimáticas e de conforto térmico em três bairros da cidade do Rio de Janeiro (Copacabana, Ipanema e Ramos).
METODOLOGIA
A metodologia aplicada no presente trabalho foi baseada em uma pesquisa exploratória, quantitativa e qualitativa. Em um primeiro momento, foi feito um levantamento bibliográfico, que deu o embasamento teórico para este estudo. Por meio da leitura de livros, artigos, monografias, dissertações e teses, buscou-se compreender as variáveis que influenciam no conforto térmico, as maneiras de se avaliá-lo e a relação entre a forma urbana com o microclima. Nesta etapa também se conheceu o funcionamento dos softwares ENVI-met e RayMan, utilizados nas simulações microclimáticas e no cálculo do índice PET, respectivamente.
No intuito de analisar a influência da forma urbana sobre o microclima, buscou-se entender, inicialmente, o clima da cidade do Rio de Janeiro e definir quais seriam as configurações urbanas das áreas de estudo. Então, foram selecionadas três áreas, as quais possuem diferentes configurações urbanas, localizações geográficas e densidades de ocupação, porém estão situadas próximas ao mar: Ramos, Copacabana e Ipanema. Posteriormente, cada região foi modelada no software ENVI-met e simulada, utilizando-se dados climáticos do verão de 2017 fornecidos pela estação meteorológica do Forte de Copacabana (INMET, s.d). Os dados de entrada foram as médias de temperatura do ar, umidade relativa e velocidade e direção do vento, de maneira que a simulação não fosse feita para um dia atípico do ano.
Após as simulações, seguiu-se para as medições meteorológicas in loco, no intuito de confirmar as condições verificadas no modelo computacional. Nessa etapa, apenas o bairro de Copacabana foi avaliado. Dessa forma, foram selecionados diversos pontos ao longo do bairro para a medição das seguintes variáveis: temperatura do ar, temperatura de bulbo úmido, ponto de orvalho, umidade relativa e radiação.
Em seguida, calculou-se o índice Temperatura Fisiológica Equivalente (PET) para os três bairros por meio do software RayMan. Para isso, utilizaram-se alguns dados climáticos de pontos específicos, obtidos no modelo computacional, informações geográficas da cidade do Rio de Janeiro e características humanas como parâmetros de entrada.
Por fim, analisaram-se os resultados de temperatura do ar ao nível do pedestre e superficial, temperatura radiante média, umidade, radiação direta e difusa, ventilação e fator de visão do céu, gerados pelo ENVI-met para os três modelos, e o PET, obtido com o RayMan. Além disso, avaliou-se, também, se a situação verificada in loco confirmou o previsto no modelo computacional.
ESTRUTURA DO TRABALHO
O primeiro capítulo deste trabalho faz uma breve introdução ao tema e ao contexto no qual ele está inserido. Além disso, também são expostas a justificativa, a motivação, o objetivo e a metodologia aplicada.
No capítulo 2, são apresentados os principais conceitos necessários para a realização e entendimento deste trabalho. Em um primeiro momento, explica-se as principais variáveis que influenciam no conforto térmico em ambientes externos, divididas em ambientais e individuais. Em seguida, introduziu-se o estudo sobre o índice Temperatura Fisiológica Equivalente (PET), utilizado na avaliação do conforto. Por fim, expôs-se a relação entre a forma urbana e o microclima. Tais conceitos foram encontrados em bibliografia específica.
No capítulo 3, apresenta-se detalhadamente as áreas de estudo e a justificativa de suas escolhas. Além disso, a metodologia utilizada no estudo microclimático também é descrita de forma mais aprofundada.
O capitulo 4 trata da apresentação e análise dos resultados obtidos nas simulações e medições, discutindo-se a influência dos aspectos da forma urbana sobre o microclima e, também, de que maneira eles afetam o conforto térmico nessas regiões.
O capítulo 5 apresenta as considerações finais do trabalho, com constatações acerca dos resultados encontrados e da metodologia, além de sugestões para trabalhos futuros.
Por fim, encontra-se as referências bibliográficas que basearam este trabalho e os apêndices, com algumas informações obtidas e utilizadas na pesquisa.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
CONFORTO TÉRMICO EM AMBIENTES EXTERNOS
Pode-se definir o conforto térmico como o estado de conforto e de satisfação que um indivíduo sente em relação ao ambiente térmico ao seu redor. Em relação ao uso de espaços externos, como ruas, praças e parques, diversas pesquisas apontam a importância da existência de condições de conforto térmico (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 2001; YAO et al., 2018; GIVONI et al., 2003). Essas condições são capazes de incentivar a prática de atividades físicas, o desenvolvimento da economia e até mesmo a redução do consumo energético nesses locais e nas proximidades.
Corbella e Yannas (2003) afirmam que um indivíduo se sente confortável em um ambiente quando se encontra em neutralidade térmica em relação a ele. Segundo os autores, essa condição é verificada quando o fluxo de calor produzido pelo corpo é igual ao fluxo de calor perdido para o ambiente.
O corpo humano, uma vez que é homeotérmico1 e endotérmico2, depende da produção metabólica de calor para manter sua temperatura corpórea constante. Sendo assim, existem duas maneiras pelas quais essa produção pode ocorrer (AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997; LAMBERTS, XAVIER, 2008): metabolismo basal, que ocorre de maneira inconsciente para manter as funções vitais do organismo; e metabolismo muscular, o qual ocorre de maneira consciente e é fruto das atividades realizadas pelo indivíduo. Na Tabela 1, são apresentadas as taxas metabólicas para tarefas típicas3 do dia-a-dia.
Para manter ideal a temperatura corpórea, isto é, em torno dos 37ºC, é necessário que o calor produzido seja liberado para o ambiente. A dissipação do calor é feita por meio de trocas térmicas, que abrangem trocas secas e úmidas (FROTA, SCHIFFER, 2001). A primeira advém da diferença de temperatura entre o corpo e o ambiente e estão relacionadas à perda de calor sensível, podendo acontecer por convecção4, radiação5 e condução6. Por outro lado, o
1 Seres homeotérmicos são aqueles cuja temperatura corporal permanece relativamente constante,
independentemente do ambiente.
2 Seres endotérmicos são aqueles que utilizam o próprio metabolismo para a produção de calor e manutenção da
temperatura corporal.
3 Lista com as taxas metabólicas para mais atividades. IN: AMERICAN SOCIETY OF HEATING,
REFRIGERATING AND AIR CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE), INC. Thermal Environmental
Conditions for Human Occupancy. Atlanta, 2010.
4 Maiores detalhes sobre os mecanismos de troca térmicas. IN: FROTA, A. B.; SCHIFFER, S. R., 2001, Manual
de Conforto Térmico. 5 ed, São Paulo, Studio Nobel.
calor perdido por trocas úmidas é chamado de calor latente e provém da mudança de estado físico, ocorrendo por evaporação7 (FROTA, SCHIFFER, 2001).
Tabela 1 – Taxa Metabólica para Atividade Típicas
Atividade Taxa Metabólica (W/m²)
Dormindo 40
Reclinado 45
Sentado, repousando 60
Em pé, repousando 70
Caminhando sobre superfície plana (0,9 m/s) 115 Caminhando sobre superfície plana (1,2 m/s) 150 Caminhando sobre superfície plana (1,8 m/s) 220
ASHRAE 55, 2010. Adaptado pelo Autor.
O organismo humano possui alguns mecanismos para controlar a produção de calor e, consequentemente, a sua liberação para o ambiente, denominados mecanismos termorreguladores. A variação da temperatura corporal e a necessidade do aumento ou diminuição da geração de calor está baseada na equação do balanço térmico do corpo humano (Equação 1), apresentada a seguir (CORBELLA, YANNAS, 2003):
(𝑀 + 𝑊) − (𝐶𝐷+ 𝐶𝑉 + 𝐶𝑅 + 𝐸) = ∆𝑆 (Eq. 1)
Sendo:
M = taxa metabólica, ou seja, o calor produzido pelo corpo (W/m²); W = energia referente ao trabalho mecânico feito pelo corpo (W/m²); CD = perda por condução (W/m²);
CV = perda por convecção (W/m²); CR = perda por radiação (W/m²); E = perda por evaporação (W/m²);
∆S = variação do calor armazenado (W/m²).
É importante notar que essas trocas térmicas são influenciadas por variáveis ambientais, tais como a radiação, a temperatura, a umidade e a velocidade do ar, e, também, pessoais, como a vestimenta utilizada e a atividade feita pelo indivíduo (CORBELLA, YANNAS, 2003).
No caso do ganho de calor (∆S > 0), o organismo deverá responder de modo a aumentar as trocas térmicas com o ambiente e resfriar o corpo. Nesse propósito, existem duas
6 Ibidem. 7 Ibidem.
formas de se controlar a temperatura: por meio da vasodilatação e da transpiração. O primeiro mecanismo provoca o aumento do fluxo sanguíneo na camada subcutânea, resultando no aumento da temperatura da pele e nas trocas de calor por convecção. Caso isso não resulte no resfriamento do corpo, inicia-se a produção de suor, que provoca perda de calor por evaporação.
No caso de perda de calor (∆S < 0), as trocas térmicas com o ambiente deverão ser reduzidas para manter a temperatura corporal. Para isso, o organismo reage com a vasoconstrição, o qual possui efeito oposto ao da vasodilatação. Se essa reação não for suficiente, o corpo pode reagir com arrepios, diminuindo a perda de calor, e com tremores, aumentando sua produção.
Além da neutralidade térmica, Lamberts e Xavier (2008) mencionam outras duas condições para se atingir o conforto térmico: temperatura da pele e taxa de secreção do suor consoantes com parâmetros obtidos em estudos empíricos para diversas atividades; e a inexistência de causadores de desconforto localizado, isto é, condições do ambiente que afetem apenas uma parte do corpo e causam desconforto, como radiação não uniforme, correntes de ar, elevado gradiente de temperatura ao longo da altura do indivíduo e temperatura do piso.
Cabe ressaltar que grande parte dos estudos relacionados à verificação do conforto térmico são feitos para ambientes internos (GIVONI et al., 2003) e consideram apenas o balanço térmico (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 2001). No entanto, em espaços externos, devido à grande variabilidade e do pouco controle das condições ambientais, deve-se avaliar, também, variáveis individuais, relacionadas a adaptação psicológica e fisiológica dos indivíduos (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 2001).
2.1.1 Variáveis Ambientais ou Físicas
As variáveis ambientais ou físicas aqui tratadas são aquelas que mais influenciam no clima de um determinado local e no conforto térmico: temperatura, umidade e velocidade do ar e, também, radiação solar. É importante notar que, em relação ao conforto, a atuação dessas variáveis não deve ser analisada isoladamente, pois elas são interdependentes (HÖPPE, 1999) e o valor de uma delas pode apresentar diferentes condições de conforto caso se varie o valor das outras.
Uma das ferramentas utilizadas para se avaliar o conforto em ambientes externos é a sensação térmica. Essa análise indica a percepção do indivíduo em relação às condições térmicas de um ambiente (GIVONI et al., 2003) e pode ser feita por meio de diversos índices, os quais correlacionam essas variáveis. Entre eles, destacam-se o Voto Médio Previsto8 (PMV), proposto por Fanger (1970), e a Temperatura Fisiológica Equivalente (PET), proposto por Höppe (1999), que será detalhada mais à frente.
2.1.1.1 Temperatura do Ar
A temperatura do ar indica a temperatura na qual o ar ao redor do indivíduo se encontra, sendo quantificada, principalmente, em graus Celsius (ºC) ou Kelvin (K). Ela é medida pela temperatura de bulbo seco (DBT) e afeta significativamente as trocas térmicas por convecção (AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997), uma vez que essas ocorrem devido à diferença de temperatura entre o ar e a pele do indivíduo.
Em um estudo realizado em Hong Kong, Ng e Cheng (2011) observaram que, para manter as condições de conforto térmico, um aumento de 1 m/s na velocidade do vento deve ser acompanhado por um aumento de 2,12ºC na temperatura do ar. Uma relação similar é verificada na pesquisa de Yao et al. (2018), realizada em Xangai, na China. Ademais, no que diz respeito ao último trabalho, os autores mencionam que a temperatura do ar foi o parâmetro que mais influenciou na sensação térmica.
Paralelamente a essa relação entre a temperatura e a velocidade do vento, percebe-se, ainda, sua interação com a radiação. Givoni et al. (2003), em uma análise feita em Tel Aviv, em Israel, constatam variações nas sensações térmicas para uma mesma temperatura do ar, dependendo das condições de exposição dos indivíduos – sob sombra ou sol.
Por último, ela ainda influencia a capacidade do ar em reter vapor de água, sendo maior para temperaturas mais altas, e em escolhas individuais, tais como a vestimenta ou a permanência em um determinado local.
8 Maiores detalhes sobre o Voto Médio Previsto (PMV). IN: FANGER, O. P., 1970, Thermal comfort:
2.1.1.2 Umidade do Ar
A umidade do ar refere-se à quantidade de vapor de água presente nele, caracterizando-o como seco ou úmido. Essa variável pode ser expressa pela umidade relativa (%), que indica o seu grau de saturação com vapor de água; pela umidade absoluta (kg/m³), a qual representa a massa de água presente em 1m³ de ar; e pela pressão de vapor da água (kPa), que exprime a pressão exercida pelo vapor da água em um determinado volume de ar.
Uma forma comum de se obter a umidade é medindo-se a temperatura de bulbo seco (DBT) e úmido (WBT). A carta psicrométrica9 (Figura 2) é um diagrama de onde é possível se ler os valores de umidade absoluta e relativa para uma determinada pressão atmosférica a partir de diversas variáveis, entre elas, as duas mencionadas anteriormente (AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997).
Essa ferramenta foi amplamente utilizada por diversos pesquisadores na concepção de cartas ou diagramas bioclimáticos, os quais definem limites para zonas de conforto e auxiliam na elaboração de estratégias para adequação dos espaços às condições climáticas. Entre eles, pode-se citar a Carta Bioclimática de Olgyay10 (1963) e a Carta Bioclimática de Givoni11 (1992).
Romero (2013) afirma que esses modelos “são um instrumento importante para o estudo das técnicas de controle do ambiente, uma vez que permitem a identificação daquelas variáveis do meio que devem ser modificadas e/ou aproveitadas para se conseguirem as condições de conforto desejadas”. Entretanto, a autora alerta que eles são adequados às regiões para onde foram concebidos e sua utilização em outras áreas pode não ser apropriada (ROMERO, 2013).
É importante ressaltar que a quantidade de vapor de água no ar influencia as trocas térmicas por evaporação. A alta umidade, por exemplo, dificulta a evaporação do suor e pode ser fator prejudicial ao conforto térmico (LAMBERTS, XAVIER, 2008). Nesse sentido, Ahmed (2003) observou que o aumento da umidade relativa é acompanhado por uma redução na tolerância a altas temperaturas.
Por outro lado, a renovação do ar, promovida pela ventilação, diminui sua umidade junto à superfície do corpo, possibilitando o aumento dessas trocas e da tolerância
9 Maiores detalhes sobre a composição da carta psicrométrica. IN: AULICIEMS, A.; SZOKOLAY, S. V.
Thermal comfort. 2. ed. Brisbane: PLEA, 1997.
10 Maiores detalhes sobre a Carta Bioclimática de Olgyay. IN: OLGYAY, V. Design with climate. New Jersey,
Princeton University, Princeton, 1963.
11 Maiores detalhes sobre a Carta Bioclimática de Givoni. IN: GIVONI, B. Confort, climate analysis and
(CORBELLA, YANNAS, 2003; AHMED, 2003). Além das correntes de ar, a presença de vegetação também pode influenciar significativamente na umidade do ar, porém, seus efeitos sobre as variáveis microclimáticas serão abordados mais à frente (ver item 2.2).
Figura 2 – Carta Psicrométrica AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997.
2.1.1.3 Velocidade do Ar
A velocidade do ar diz respeito à distância percorrida pelo ar em um dado espaço de tempo, sendo medida em m/s. Todavia, pelo fato dela ter grandes variações em intervalos muito curtos, assume-se, frequentemente, que seu valor corresponde à média verificada em um certo período.
Além de influenciar as trocas térmicas por evaporação (ver item 2.1.1.2), o vento também atua nas trocas por convecção. Isso ocorre pelo aquecimento do ar mais próximo à superfície do corpo, que se torna mais denso que o ar das camadas superiores. Em vista disso, criam-se correntes de convecção, que levam o ar frio para baixo e permitem que as trocas continuem.
O efeito do vento no conforto térmico é extremamente dependente das condições climáticas do ambiente. Assim, para certos limites de velocidade, sua existência em climas frios é prejudicial, enquanto em quentes é benéfica (GIVONI et al., 2003). Ainda, conforme dito anteriormente (ver item 2.1.1.1), a ação do vento é capaz de influenciar na sensação térmica.
Acrescenta-se, ainda, que o vento, junto com a radiação, são as variáveis mais afetadas pela forma urbana (TALEGHANI et al., 2014), que pode contribuir para permitir ou bloquear sua passagem e causar efeitos indesejados. Entretanto, a influência da forma urbana nas variáveis microclimáticas será discutida posteriormente (ver item 2.2).
2.1.1.4 Radiação Solar
A radiação solar, também chamada de radiação de onda curta, é a energia radiante emitida pelo Sol, isto é, aquela transmitida sob a forma de ondas eletromagnéticas. De maneira geral, os raios solares podem ser divididos em três faixas, segundo o comprimento de onda: ultravioleta, luz visível e infravermelho. Além disso, a intensidade na qual esses raios chegam à superfície terrestre depende das coordenadas geográficas do local (latitude, longitude e altitude), da densidade do ar e da transparência da atmosfera (ROMERO, 2013).
O termo radiação global se refere a quantidade total de energia solar que atinge um determinado plano. Seu valor pode ser calculado pela soma da radiação direta, a qual vem diretamente do Sol, sem sofrer nenhum desvio, e difusa, que alcança a superfície após ser dispersado por nuvens, partículas ou moléculas em suspensão na atmosfera.
A radiação solar absorvida pelas superfícies nas quais ela incide é convertida em energia térmica e liberada para o ambiente sob a forma de calor, aquecendo o ar ao redor delas. Desse modo, sua incidência em um determinado espaço é capaz de influenciar no conforto térmico, como mostram as pesquisas de Givoni et al. (2003) e Taleghani et al. (2014).
As trocas térmicas por radiação entre o corpo humano e o ambiente dependem da temperatura média das superfícies ao seu redor (AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997), denominada temperatura radiante média. Apesar da radiação solar incidente poder ser medida diretamente (em W/m²), a temperatura radiante média é mais utilizada em avaliações de conforto térmico. Ela pode ser definida como a “temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a transferência de calor por radiação do corpo humano é igual à transferência de calor por radiação em um ambiente real não uniforme” (LAMBERTS, XAVIER, 2008).
Por fim, de acordo com Höppe (1999), em situações onde a velocidade do vento é baixa, a temperatura radiante média possui a mesma importância que a temperatura do ar para o balanço térmico. Por outro lado, o autor afirma que, para maiores velocidades, essa variável é menos significativa devido à predominância das trocas de calor por convecção. Dessa forma, conclui-se que, além da influência que essas variáveis exercem entre si, o conhecimento da importância de cada uma delas para cada caso específico também é fundamental para se compreender o conforto térmico.
2.1.2 Variáveis Individuais
Apesar dos índices de avaliação de conforto estabelecerem intervalos onde uma condição de neutralidade seria verificada, diversas pesquisas observaram que grande parte das pessoas se sente confortável ao experimentar leve calor ou frio, em valores fora dessas faixas (YAO et al., 2018; NIKOLOPOULOU, STEEMERS, 2003). Adicionalmente, Lin (2009) observou que a relação entre o valor do PET e a quantidade de pessoas em uma praça varia dependendo da estação do ano, sendo positiva para os períodos mais frios e negativa para os mais quentes. Tais circunstâncias podem ser explicadas pela grande importância que as variáveis individuais possuem sobre a sensação de conforto térmico nesses locais.
Auliciems e Szokolay (1997) mencionam a idade, o gênero e o biotipo dos indivíduos como características que afetam a sensação de conforto. Segundo os autores, pessoas com
idade mais avançada tendem a ter preferências térmicas mais restritas. Em relação ao gênero, as mulheres, de maneira geral, preferem temperaturas 1ºC mais altas que os homens. Por último, pelo fato de a dissipação do calor aumentar proporcionalmente à superfície corpórea, pessoas mais magras trocam mais calor com o ambiente, podendo preferir temperaturas mais elevadas.
De acordo com Nikolopoulou e Steemers (2003), para ambientes externos, os fatores ambientais podem representar apenas aproximadamente 50% da variação nas avaliações de conforto. Os autores ainda sustentam que o restante pode ser explicado por questões individuais, relacionadas à adaptação física, psicológica e fisiológica dos indivíduos.
2.1.2.1 Adaptação Física ou Comportamental
As adaptações físicas ou comportamentais dizem respeito às ações realizadas pelas pessoas a fim de se ajustarem às condições térmicas de um ambiente. Tais ações podem ser divididas em interativas, relacionadas às mudanças do ambiente; e reativas, ligadas às alterações pessoais (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 1999). No entanto, neste trabalho serão apresentadas apenas a última, uma vez que ações que modificam as condições em espaços externos são extremamente limitadas.
Em uma pesquisa realizada na cidade de Taichung, em Taiwan, Lin (2009) notou que a ação mais comum para se adaptar à um ambiente muito quente seria a busca por sombra sob as árvores, seguida pela busca por abrigo. O trabalho de Hirashima, Assis e Nikolopoulou (2016) demonstra que, de fato, esse comportamento é habitual, uma vez que a maioria das pessoas entrevistadas estavam em locais protegidos da ação do Sol. Por outro lado, para temperaturas mais baixas, além da maior presença de pessoas em áreas com incidência solar direta, procura-se por locais protegidos do vento (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 1999).
Outro mecanismo de adaptação reativa é o consumo de bebidas quentes ou frias, as quais são capazes de alterar a produção metabólica de calor (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 1999). Nos estudos de Lin (2009), essa foi a terceira resposta mais frequente entre os homens, tendo sida mencionada por 50% dos entrevistados.
Ainda, a vestimenta é, provavelmente, a forma mais comum de adaptação ao ambiente. A unidade “clo” (ICL), do inglês “clothing”, foi criada com o intuito de quantificar o isolamento térmico proporcionado por cada traje e colaborar com os estudos sobre o conforto
térmico (AULICIEMS, SZOKOLAY, 1997). O valor de 1 clo corresponde à 6,45 W/m²K ou 0,155 m²K/W. A Tabela 2 apresenta os valores típicos12 para alguns trajes.
Tabela 2 – Isolamento térmico para alguns trajes
Vestimenta ICL (clo)
Calça e camisa de manga curta 0,57 Calça e camisa de manga longa 0,61 Calça, camisa de manga longa e paletó 0,96 Saia e camisa de manga curta 0,54 Saia e camisa de manga longa 0,67 Saia longa, camisa de manga longa e paletó 1,10 Short de caminhada e camisa de manga curta 0,36 Calça de moletom e camisa de moletom 0,74
ASHRAE 55, 2010. Adaptado pelo Autor.
A quantidade de roupa utilizada irá variar de acordo com as condições climáticas, sendo maior para climas mais frios e vice-versa. A escolha feita tem como objetivo oferecer a resistência necessária para que as trocas térmicas entre o corpo e o ambiente configurem um estado de conforto.
Por fim, observa-se que, de maneira geral, as medidas adaptativas aqui apresentadas, além de sofrerem influência das condições climáticas, também são afetadas por questões psicológicas.
2.1.2.2 Adaptação Psicológica
A adaptação psicológica está diretamente relacionada com a percepção e a preferência térmica dos indivíduos em um determinado local. No entanto, para um mesmo espaço, as respostas entre uma pessoa e outra poderão ser diferentes, em virtude de diversos fatores. Entre eles, destacam-se os estímulos do ambiente e o controle percebido, as expectativas e as experiências dos indivíduos (NIKOLOPOULOU, STEEMERS, 2003; LIN, 2009).
Os estímulos do ambiente, de acordo com Nikolopoulou e Steemers (2003), são a principal razão para as pessoas usufruírem de um espaço externo. Os autores constataram que a maioria dos usuários desses espaços apreciavam a sensação de leve calor ou frio,
12 Lista com valores de isolamento térmico para mais trajes. IN: AMERICAN SOCIETY OF HEATING,
REFRIGERATING AND AIR CONDITIONING ENGINEERS (ASHRAE), INC. Thermal Environmental
principalmente aqueles que vinham do interior de edifícios. Isso se justificaria pela existência de um ambiente variado, com presença de sol, sombra, vento e ar fresco. Ainda mais, em uma pesquisa conduzida em Belo Horizonte, Hirashima, Assis e Nikolopoulou (2016) observaram que, sob as mesmas condições microclimáticas, pessoas em um espaço mais diversificado e com maior presença de áreas naturais tendem a demonstrar maior grau de tolerância térmica.
Além de aumentar a tolerância térmica, a variedade de opções para aproveitar esses recintos permite que os usuários passem mais tempo neles, uma vez que há um maior controle sobre as condições térmicas experimentadas (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 2001). Outra questão relativa ao controle diz respeito à autonomia dos indivíduos quanto à sua presença nesses locais. Lin (2009) notou que os melhores níveis de satisfação térmica em uma praça foram verificados para aqueles que praticavam atividades de lazer, uma vez que possuíam mais opções de locais para realiza-las, enquanto os piores foram para quem estava apenas de passagem e tinham menos controle sobre a situação.
As expectativas sobre um ambiente representam as condições nas quais um indivíduo espera que ele esteja e são influenciadas por sua memória recente, que, por sua vez, induzem adaptações físicas (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 2001). Ademais, tais condições também variam de acordo com a estação do ano e com o tipo de clima de cada local, afetando tanto a percepção quanto a preferência térmica dos indivíduos.
Nesse sentido, estudos sugerem que, em regiões de clima quente, a temperatura que as pessoas desejam é mais baixa do que a aquela na qual elas se sentem confortáveis em todas as estações do ano, enquanto que nos climas frios a tendência é que isso ocorra apenas no verão (LIN, 2009; HIRASHIMA, ASSIS, NIKOLOPOULOU, 2016, YAO et al., 2018). Adicionalmente, percebe-se, ainda, que as regiões mais quentes geralmente apresentam zonas de conforto com temperaturas mais elevadas (LIN, 2009; HIRASHIMA, ASSIS, NIKOLOPOULOU, 2016) e que os habitantes de cidades com clima de menor amplitude térmica parecem menos tolerantes ao frio e ao calor (HIRASHIMA et al., 2018).
2.1.2.3 Adaptação Fisiológica
Essa adaptação está ligada às mudanças nas respostas fisiológicas do corpo humano devido às condições térmicas do ambiente. Entretanto, essas respostas são lentas, ocorrendo progressivamente ao longo do tempo e de acordo com a frequência na qual o indivíduo está
exposto à tais condições. Sendo assim, ela não possui grande importância para o estudo do conforto térmico em ambientes externos (NIKOLOPOULOU, BAKER, STEEMERS, 1999).
2.1.3 Temperatura Fisiológica Equivalente (PET)
A temperatura equivalente fisiológica (PET) é um índice de avaliação de conforto idealizado por Höppe (1999) e está fundamentada na equação de balanço térmico do corpo humano13. Seu valor representa a temperatura do ar na qual, em um ambiente interno imaginário, o balanço térmico do corpo humano seria mantido com as mesmas temperaturas da pele e interna que se encontrariam no ambiente analisado.
Para seu cálculo, as seguintes considerações acerca do ambiente interno são feitas: a temperatura radiante média é igual à temperatura do ar; a velocidade do ar é de 0,1 m/s; a pressão de vapor da água é de 12 hPa (equivale à umidade relativa de 50% à 20ºC). Além disso, para o balanço térmico supõe-se um gasto energético de 80 W e isolamento térmico da vestimenta de 0,9 clo.
Em comparação com outros índices, a principal vantagem do PET é apresentar os resultados na unidade de graus Celsius (ºC), tornando mais fácil a sua compreensão (MATZARAKIS et al., 1999). Höppe (1999) acrescenta, ainda, que é mais simples imaginar a temperatura do ar em um ambiente interno do que em um externo, onde a variabilidade climática é muito maior.
Por outro lado, por fixar a atividade e a vestimenta nos cálculos, as condições de conforto para certos valores do PET podem não ser verídicas para outras circunstâncias. Ainda, pelo fato de a percepção térmica ser influenciada por fatores psicológicos (ver item 2.1.2.2), seus valores devem ser calibrados individualmente para cada local e clima (HIRASHIMA et al., 2018). A Tabela 3 apresenta os resultados da calibração do índice PET para algumas cidades brasileiras e a percepção térmica associada.
Recentemente, esse índice tem sido utilizado de forma ampla em diversas pesquisas (CALLEJAS, NOGUEIRA, 2013; HIRASHIMA et al., 2018; DRACH, BARBOSA, 2016; LIN, 2009, EMMANUEL, ROSENLUND, JOHANSSON, 2007), com o objetivo de melhor entender os impactos das variáveis ambientais, humanas e urbanas sobre o microclima e o conforto nas cidades.
13 A equação utilizada por Höppe (1999) é similar à apresentada no item 2.1. Maiores detalhes sobre ela. IN:
HÖPPE, P. “The physiological equivalent temperature – a universal index for the biometeorological assessment of the thermal environment”, International Journal of Biometeorology, v. 43, n. 2, pp. 71-75, out. 1999.
Tabela 3 – Resultados da calibração do índice PET para algumas cidades brasileiras Percepção Térmica PET (°C) Belo Horizonte (HIRASHIMA et al., 2018) São Paulo (MONTEIRO, 2008) Salvador (ANDRADE et al., 2016) Muito calor > 36 > 43 ≥ 34,1 Calor 32 - 35 > 31 29,4 - 34,1 Pouco calor 31 > 26 26,8 - 29,4 Confortável 16 - 30 18 - 26 < 26,8 Pouco frio 13 - 15 < 18 - Frio < 12 < 12 - Muito frio - < 4 -
Belo Horizonte – HIRASHIMA et al., 2018; São Paulo – MONTEIRO, 2008; Salvador – ANDRADE et al., 2016. Adaptado pelo Autor.
FORMA URBANA E MICROCLIMA
O crescimento acelerado da população urbana e as alterações climáticas, em uma escala global, têm provocado problemas de cunho socioambiental e impactado negativamente na qualidade de vida nas cidades. A ineficiência dos sistemas de transporte, os altos níveis de poluição e a ocorrência de eventos climáticos catastróficos evidenciam a necessidade de ações que tornem as cidades mais eficientes e resilientes. No entanto, devido a outros aspectos, como a especulação imobiliária e a inadequação da legislação urbana, as mudanças na configuração física da urbe têm ido contra os interesses e necessidades da população.
A forma urbana é definida pela maneira como os elementos que compõem a cidade estão organizados, ou seja, pelo traçado e tamanho das vias, pela dimensão dos quarteirões e calçadas, pela volumetria e geometria dos edifícios, pela existência de espaços livres, pela presença de vegetação, entre outros (ROCHA, 2018; XIMENES, 2016). A conformação e alteração dos espaços urbanos e seus elementos levam em consideração fatores sociais, culturais, políticos, econômicos, geográficos, ambientais e climáticos, conferindo uma identidade única para cada cidade. Sendo assim, fica evidente a importância do estudo da forma urbana para a proposição de alterações desses espaços e a imprescindibilidade de se avaliar individualmente cada caso.
Esses elementos da forma urbana apresentam particularidades em uma escala menor que a da cidade. Ao se percorrer um trajeto, é possível percebê-las em cada bairro, quarteirão
ou rua, por meio de edifícios com distintas expressões arquitetônicas e fins ou vias com diferentes dimensões, níveis de arborização e sombreamento (BARBOSA; ROSSI; DRACH, 2014). Tais características são capazes de influenciar no consumo energético, na qualidade do ar, no tipo de uso do solo e, também, no microclima. Em relação a este último, diversos estudos recentes demonstram que os efeitos de uma forma urbana que não considerem as características climáticas locais podem ser significativos e causar desconforto térmico.
Segundo Borges (2009), microclima pode ser definido como:
“resultado das variações climáticas decorrentes de um espaço de proporções reduzidas, onde os principais elementos climáticos (temperatura e umidade do ar, radiação, e velocidade do vento) sofrem influência direta do seu entorno: elemento geográfico (topografia), edificações (gabarito, ocupação), malha urbana, revestimentos, vegetação.” (BORGES, 2009).
Em cidades como o Rio de Janeiro, onde predomina o clima tropical úmido, algumas diretrizes gerais de desenho urbano devem ser observadas a fim de adequar os espaços às condicionantes climáticas e proporcionar conforto à sua utilização pelos habitantes. As altas temperaturas e umidades, típicas desse clima, associadas à pouca ventilação e às mudanças na cobertura do solo, as quais permitem o acúmulo de calor, são as principais causas das ilhas de calor. Esse fenômeno microclimático é comum em áreas urbanas e é caracterizado pela verificação de temperaturas mais elevadas em um determinado local, quando comparado com regiões próximas (XIMENES, 2016). Como consequência disso, verifica-se o aumento do consumo energético para sistemas de resfriamento e a piora da qualidade do ar, além do desconforto térmico (BARBOSA, ROSSI, DRACH, 2014).
De acordo com Romero (2013), os principais elementos que devem ser controlados nesse tipo de clima são: temperatura, umidade, vento, radiação e chuvas. Nesse sentido, as propostas para os espaços urbanos devem procurar ampliar a ventilação e as perdas de calor por evaporação e convecção, além de reduzir a incidência de radiação sobre os pedestres e sua absorção pelos espaços construídos (ROMERO, 2013; DUARTE, 2015).
Uma das características da ocupação urbana é a impermeabilização do solo e o revestimento dos edifícios com materiais de baixo albedo, isto é, baixa capacidade de reflexão, tais como o asfalto e o concreto. Isso significa que, durante o dia, esses componentes absorvem a radiação solar, aumentando suas temperaturas superficiais e do ar ao seu redor, enquanto que, à noite, essa radiação é liberada sob a forma de calor. Esse efeito pode ser mitigado por meio da substituição desses materiais por outros, com alto coeficiente de
reflexão, como pavimentos frios e telhados e fachadas claras, ou telhados e paredes verdes, por exemplo.
Em uma comparação entre pavimentos frios e convencionais, Tsoka (2017) observou que os primeiros podem proporcionar uma redução de até 10ºC na temperatura superficial. Paralelamente, Chatzidimitriou e Yannas (2016) alertam que, apesar dessa redução, as consequências sobre o conforto térmico podem ser negativas, uma vez que as múltiplas reflexões da radiação solar aumentam a temperatura radiante média. No entanto, os autores destacam que, nos telhados, materiais com alta refletividade não afetam o conforto no nível do pedestre e que tal solução reduz a carga térmica no topo dos edifícios (CHATZIDIMITRIOU, YANNAS, 2016) que, por sua vez, pode reduzir o gasto energético (DUARTE, 2015).
É importante mencionar que as múltiplas reflexões, além do desconforto térmico, podem causar ofuscamento e desconforto visual (EMMANUEL, ROSENLUND, JOHANSSON, 2007; DUARTE, 2015). Entretanto, alguns recursos de projeto arquitetônico e urbano são capazes de atenuar essas consequências. Entre eles, destacam-se as fachadas irregulares, as quais refletem a radiação de maneira difusa; e a vegetação, que atua de maneira mais ampla (ROMERO, 2013; DUARTE, 2015).
Nesse sentido, Barbosa (2005) afirma que a vegetação pode afetar quatro variáveis microclimáticas: radiação solar, temperatura, umidade e velocidade do ar. Além disso, ela ainda possui grande importância na purificação do ar, devido a estrutura foliar14 (BARBOSA, 2005), e na redução dos impactos da chuva (GIVONI, 1994), uma vez que permite a infiltração da água no solo.
A capacidade de intervir sobre o microclima se deve ao fato de que a vegetação aumenta o resfriamento evaporativo, bloqueia a passagem da radiação solar e possui maior albedo que os materiais produzidos pelo homem (DUARTE, 2015; TALEGHANI, 2017). Acrescenta-se, ainda, que parte da radiação é absorvida pelas plantas e utilizada no processo de fotossíntese, sem ocasionar o aumento da temperatura (BARBOSA, 2005).
Por outro lado, essa interação depende das espécies vegetais, que possuem não só diferentes tamanhos e formatos, mas também, taxas de evapotranspiração, de transmissão da radiação solar, de reflexão e de permeabilidade ao vento. Sendo assim, na elaboração de um
14 Maiores detalhes sobre a atuação da vegetação como purificadora do ar. IN: BARBOSA, R. V. R., 2005,
Áreas Verdes e Qualidade Térmica em Ambientes Urbanos: estudo em microclimas de Maceió (AL).
projeto urbano, é fundamental que se conheça as características das espécies e sua adequação ao clima local.
Os estudos para entender o efeito da vegetação sobre o microclima têm concluído que seu uso, seja ele em parques, arborização das vias ou em telhados verdes, é uma das ferramentas mais efetivas para reduzir a temperatura do ar e atenuar os efeitos da ilha de calor, proporcionando melhores condições de conforto térmico em ambientes urbanos (CHATZIDIMITRIOU, YANNAS, 2016; TSOKA, 2017; THANI, MOHAMAD, ABDULLAH, 2013; HWANG, LUM, CHAN, 2015; DRACH, BARBOSA, 2016; HIEN, YUSUF, 2010).
Givoni (1994) afirma que a criação de áreas verdes abertas, como parques, por exemplo, especificamente em regiões de clima quente e úmido, deve ter como objetivo formar locais sombreados e promover a melhora da ventilação urbana, permitindo a passagem do vento para áreas mais interiores da cidade. Além disso, observa-se que a influência desses espaços não se restringe apenas à sua própria área, afetando a região ao seu redor (DIMOUDI, NIKOLOPOULOU, 2003).
De acordo com Hwang, Lum e Chan (2015), o sombreamento é o fator mais importante para a redução das temperaturas e, consequentemente, para a criação de locais termicamente confortáveis em zonas tropicais. No entanto, deve-se salientar que ele deve estar presente de maneira contínua e em maiores volumes para que seu efeito seja potencializado (HWANG, LUM, CHAN, 2015; DIMOUDI, NIKOLOPOULOU, 2003).
Em contraste com os benefícios verificados, deve-se ressaltar que a vegetação também pode prejudicar as condições de conforto. A grande concentração de árvores altas e com copas densas aumenta o nível de umidade e bloqueia a passagem do vento, o que dificulta as trocas de calor por evaporação e convecção (ver itens 2.1.1.2 e 2.1.1.3), enquanto que as árvores com copas mais esparsas, além desses efeitos, não fornecem sombreamento suficiente (GIVONI, 1994). Em vista disso, espécies vegetais com essas características devem ser evitadas em regiões quentes e úmidas.
Além da vegetação, outros fatores que influenciam na ventilação e sombreamento dos espaços urbanos são: a orientação das vias e a forma, as dimensões e o espaçamento entre as edificações. O estudo dos seus efeitos sobre essas duas variáveis é fundamental para a formação de espaços urbanos mais agradáveis, principalmente em ambientes de clima tropical, já que podem mitigar os efeitos da ilha de calor.
A orientação das vias e as características dos edifícios é capaz de alterar o regime dos ventos em uma área. Para viabilizar as melhores condições de ventilação, Givoni (1994)
afirma que as ruas devem ser paralelas à direção principal dos ventos durante a tarde, já que é nesse período que as maiores temperaturas ocorrem. No entanto, essa configuração ocasiona a sua canalização (ROMERO, 2013) e dificulta a ventilação entre os edifícios, caso eles sejam pouco espaçados (GIVONI, 1994).
Por outro lado, nas vias perpendiculares ao vento, verifica-se que os edifícios atuam como uma barreira, bloqueando sua passagem (ROMERO, 2013; GIVONI, 1994). A existência de áreas pouco ventiladas é capaz de induzir a formação de ilhas de calor (DRACH, CORBELLA, 2010). Portanto, o desenho urbano deve ser pensado de forma a evitar a criação de zonas de estagnação.
Sendo assim, posicionar as vias com ângulo entre 30º e 60º com os ventos dominantes é a configuração ideal para favorecer a ventilação em regiões de clima quente e úmido (GIVONI, 1994). Orientá-las na direção Norte-Sul também contribui para a melhora do microclima, uma vez que propicia uma maior proteção do Sol, o qual, em regiões tropicais, apresenta alto ângulo de incidência (EMMANUEL, ROSENLUNG, JOHANSSON, 2007). Além disso, alternar prédios altos com baixos e/ou deixá-los afastados entre si torna o ambiente mais permeável aos ventos (ROMERO, 2013).
A dimensão e disposição das ruas e dos edifícios, além dos efeitos sobre a ventilação, também podem contribuir com o sombreamento dos espaços urbanos. Nesse sentido, o adensamento das áreas urbanas tem sido apontado por pesquisadores como uma possível estratégia. Contudo, apesar dos seus benefícios, é necessária a realização de estudos mais aprofundados a fim de verificar sua aplicabilidade em zonas de clima tropical.
2.2.1 Adensamento Urbano
O modelo de cidade compacta tem surgido como solução para os problemas decorrentes da urbanização, uma vez que possibilita o encurtamento dos deslocamentos, a redução do uso do automóvel e da emissão de poluentes, a maior facilidade na implantação de meios de transporte de massa, menores custos com infraestrutura, entre outros. No entanto, a densificação excessiva pode ocasionar uma verticalização exagerada das cidades, que por sua vez prejudica a ventilação e a iluminação natural, além de favorecer o acúmulo de poluentes atmosféricos (BARBOSA; DRACH; CORBELLA, 2010), colaborando para a formação de ilhas de calor, principalmente em regiões tropicais.
Uma das formas de se avaliar a densidade de ocupação de uma determinada região é por meio da relação entre a altura dos edifícios e a largura das vias (H/W). Nas pesquisas feitas por Emmanuel, Rosenlund e Johansson (2007) e Chatzidimitriou e Yannas (2016), verificou-se que esse fator possui forte vínculo com as temperaturas radiante média e do ar, influenciando, consequentemente, as condições de conforto. Nos dois casos, os autores observaram que o aumento da relação H/W levou a redução do PET, principalmente devido ao sombreamento proporcionado pelos prédios.
Outro indicador utilizado para avaliar a densidade urbana é o fator de visão do céu (FVC). Esse é um índice adimensional, que varia entre 0 e 1 e representa a quantidade de céu visível existente em um determinado ponto. O FVC é reduzido à medida que novas construções surgem no ambiente. Além disso, a vegetação também o reduz, uma vez que restringe a observação da abóbada celeste.
A análise do FVC ajuda a compreender as trocas térmicas no meio urbano. Durante o dia, os espaços abertos e com maior FVC tendem a apresentar temperaturas mais elevadas, uma vez que recebem mais radiação solar, enquanto, à noite, as áreas mais densas e com menor FVC se mostram mais quentes, pois a perda de calor é mais lenta (HIEN, YUSUF, 2010). Portanto, a investigação dos efeitos causados pelo adensamento deve ser feita antes de escolhê-lo como diretriz para o desenvolvimento urbano, principalmente em regiões de clima tropical.
Nesse sentido, Wei, Song, Wong e Martin (2016) verificaram que, para um mesmo índice de aproveitamento15 do terreno, o FVC diminui com o aumento da taxa de ocupação16, ou seja, a redução do espaçamento entre os prédios é mais significativa para o FVC do que a redução dos gabaritos. Também, os autores perceberam que o mesmo efeito acontece ao se fixar a taxa de ocupação e aumentar os gabaritos. Como consequências microclimáticas, esse estudo demonstrou que a ampliação da taxa de ocupação, até certos limites, pode resultar na redução das médias diárias da temperatura radiante média e do ar e melhorar o conforto térmico dos pedestres.
Por outro lado, em locais já muito adensados, a simples introdução de um edifício pode ser suficiente para restringir a ventilação e aumentar a temperatura de seus arredores, que criam condições para a formação de ilhas de calor (DRACH, CORBELLA, 2010). No caso da compactação de um bairro inteiro, por exemplo, os efeitos se mostram ainda maiores.
15 O índice ou coeficiente de aproveitamento representa a razão entre a área total construída e a área total do
terreno.
Em simulações feitas para o bairro de Camboinhas, em Niterói, as diferenças de temperatura observadas entre a situação espraiada e compactada chegaram até 4K (BARBOSA, DRACH, CORBELLA, 2010). Um caso similar é verificado no bairro de Copacabana, no Rio de Janeiro, onde o adensamento excessivo entre 1930 e 2010 também ocasionou o aumento da temperatura (BARBOSA, ROSSI, DRACH, 2014).
Em suma, percebe-se que as interações entre o espaço construído e o natural possuem grande complexidade e que pequenas alterações neles podem provocar impactos significativos no clima urbano. Dessa forma, para a proposição de soluções adequadas e eficientes, é necessário que se estude as características ambientais, urbanas e humanas, próprias de cada localidade.
3 ESTUDOS MICROCLIMÁTICOS
LOCALIZAÇÃO DAS ÁREAS DE ESTUDO
A seleção das áreas de estudo buscou locais com diferentes características no que diz respeito ao nível de adensamento, localização geográfica e densidade ocupacional. No entanto, devido à localização litorânea da cidade do Rio de Janeiro, optou-se por escolher regiões próximas ao mar, onde se tenha grande influência da brisa marítima. Além disso, devido a uma limitação do software ENVI-met, foram escolhidos locais de relevo plano e com dimensões de 600m x 600m. A Figura 3 apresenta a localização das áreas de estudo.
Figura 3 – Localização das Áreas de Estudo GOOGLE MAPS, 2018.
A área de estudo 1 está localizada no bairro de Ramos (Figura 4), entre a Avenida Brasil e a Baía de Guanabara, próxima a um espaço de lazer conhecido como “Piscinão de Ramos” e a uma área livre, pertencente a Marinha do Brasil. A região apresenta forma urbana irregular e com um solo altamente adensado, edificações majoritariamente baixas (até 3 pavimentos), praticamente sem afastamentos frontais e laterais e vias muito estreitas (becos). A orla não possui faixa de areia, exceto por uma pequena parcela do “Piscinão”, e quase não há presença de vegetação.
(a) (b)
Figura 4 – Área de Estudo: Ramos. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua GOOGLE MAPS, 2018.
A segunda área de estudo está localizada no bairro de Copacabana (Figura 5), próxima a Praça Serzedelo Corrêa. A região apresenta forma urbana ortogonal e é altamente adensada, porém, diferentemente da área 1, é composta majoritariamente por edificações altas (12 pavimentos), praticamente sem afastamento lateral, mas com um pequeno afastamento frontal. As vias possuem aproximadamente 12 m de largura, com exceção da Avenida Atlântica (orla) e a Avenida Nossa Senhora de Copacabana, que são mais largas. Além disso, há uma grande faixa de areia entre a orla e o mar, com aproximadamente 80 m de extensão e a vegetação se distribui de maneira esparsa.
(a) (b)
Figura 5 – Área de Estudo: Copacabana. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua GOOGLE MAPS, 2018.
A terceira área de estudo fica no bairro de Ipanema, vizinho a Copacabana, próxima a Praça Nossa Senhora da Paz (Figura 6). Algumas semelhanças com Copacabana podem ser verificadas, como a largura média das vias (12 m) e a forma urbana ortogonal. Por outro lado, o bairro de Ipanema possui edificações mais baixas (entre 5 e 12 pavimentos) e, apesar de adensada, conta com consideráveis afastamentos laterais, aumentando a área livre. Ademais, a faixa de areia é ligeiramente menor, com cerca de 50 m, e nota-se a presença significativa de vegetação em algumas vias do bairro.
(a) (b)
Figura 6 – Área de Estudo: Ipanema. (a) Imagem de satélite; (b) Vista da rua GOOGLE MAPS, 2018.
METODOLOGIA DO ESTUDO
A metodologia deste estudo pode ser dividida em três etapas, onde a primeira compreende a execução de simulações microclimáticas com o software ENVI-met, a segunda a realização de medições meteorológicas in loco, e a última envolve o cálculo do índice de conforto PET pelo software RayMan.
3.2.1 Simulações Microclimáticas com o ENVI-met
Inicialmente, foram feitas simulações microclimáticas das três áreas descritas no item 3.1 por meio do software ENVI-met (versão 3.1), utilizando-se como dados de entrada a configuração urbana de cada local e as médias dos dados climáticos fornecidos pela estação meteorológica do Forte de Copacabana para o verão de 2017 (INMET, s.d). Com isso,
buscou-se entender a influência da forma urbana sobre o microclima e identificar os locais com maiores possibilidades de desconforto térmico.
O ENVI-met trabalha com um modelo tridimensional que simula o microclima urbano e foi desenvolvido pelo geógrafo alemão Michael Bruse (BRUSE, 2009). Este modelo está baseado nos princípios da mecânica dos fluídos, nas leis da termodinâmica, na fisiologia vegetal e em ciências do solo e leva em consideração suas inter-relações (BRUSE, 2017). Dessa forma, o programa calcula o balanço de energia por meio das variáveis: radiação, reflexão, sombreamento de edifícios e vegetação, fluxo de ar, temperatura, umidade, turbulência local e sua taxa de dissipação e trocas de água e calor dentro do solo. A Figura 7 apresenta uma esquematização desse modelo.
Figura 7 – Modelo do ENVI-met BRUSE, 2009.
O modelo do ENVI-met é composto por células tridimensionais (grid cells) com formato de cubo e de dimensões dx, dy e dz. Para iniciar a representação da área a ser modelada, deve-se definir o tamanho do modelo, determinando a quantidade e o tamanho das células. Para isso, considera-se o tamanho e a altura das edificações existentes na região de estudo, e sua área (600m x 600m).
A escolha de células com grandes dimensões torna os resultados mais imprecisos, uma vez que cada célula possuirá informações relativas ao solo, à vegetação e à edificação existentes na região de estudo. Sendo assim, optou-se por células com dimensões 3,0m x 3,0m x 3,0m para todos os modelos. Por conseguinte, o grid escolhido para cada área de estudo neste trabalho foi de 200 x 200 x 30 (Figura 8).
