MESTRADO ACADÊMICO
ANÁLISE DO IMPACTO DO SOMBREAMENTO VEGETAL NO
CONFORTO TERMO-LUMINOSO EM EDIFICAÇÕES NO CLIMA
QUENTE E ÚMIDO
ALICE RÜCK DRUMMOND DIAS
Orientação: Aldomar Pedrini
Alice Rück Drummond Dias
ANÁLISE DO IMPACTO DO SOMBREAMENTO VEGETAL NO
CONFORTO TERMO-LUMINOSO EM EDIFICAÇÕES NO CLIMA
QUENTE E ÚMIDO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo, Mestrado Acadêmico, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre.
Orientador: Aldomar Pedrini
Catalogação da Publicação na Fonte. Universidade Federal do Rio Grande do Norte / Biblioteca Setorial de Arquitetura.
Dias, Alice Rück Drummond.
Análise do impacto do sombreamento vegetal no conforto termo-luminoso em edificações no clima quente e úmido/ Alice Rück Drummond Dias. – Natal, RN, 2016
120f. : il.
Orientador: Aldomar Pedrini.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Arquitetura.
1. Paisagismo – Dissertação. 2. Iluminação natural – Dissertação. 3. Conforto térmico – Dissertação. 4. Eficiência energética – Dissertação. I. Pedrini, Aldomar. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.
RESUMO
Este trabalho visa analisar o potencial do sombreamento vegetal no edifício para promover conforto térmico, luminoso e eficiência energética, a partir de simulações computacionais nos softwares DesignBuilder e Daysim. Foram simuladas diferentes combinações de fator de céu visível (FCV), transparência da copa vegetal e percentual de abertura da fachada (PAF) para edificação residencial térrea em Nata / RN, a fim de quantificar os impactos e propor recomendações projetuais. Os modelos foram analisados por meio do método de conforto adaptativo indicado pela ASHRAE Standard 55 (AMERICAN SOCIETY OF HEATING, 2010), classificação do nível de eficiência energética do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R), resultados de Daylight autonomy (DA) e uniformidade da luz natural para as exigências lumínicas de 100-300-500 lux. Os resultados demonstram grande potencial para integração da
vegetação na edificação, principalmente para os fatores de céu médio e grande, e falta de coerência do RTQ-R para classificar as edificações da Zona Bioclimática 08 pelo método de simulação.
ABSTRACT
This master thesis aims to assess the landscape shading potential in building cells to achieve thermal and lighting comfort, and efficiency energy, using DesignBuilder and Daysim software. Simulations were carried out considering different combinations of sky view factor, vegetation density and window to wall ratio (WWR) for a sample of residential building in Natal / RN, in order to quantify their impacts to support building design. The results were analyzed using the adaptive thermal comfort method indicated by ASHRAE Standard 55, the Brazilian Energy Labeling for Residential Buildings (RTQ-R), Daylight Autonomy results (DA) and daylight uniformity for lighting requirements 100-300-500 lux. The results show great potential for integration of vegetation in buildings, especially for medium and large sky view factor, and a lack of RTQ-R coherence to classify buildings in bioclimatic zone number 08 by the simulation method.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2-1: Típica fragmentação da energia de diferentes superfícies do paisagismo durante o dia: as magnitudes relativas do fluxo de energia através dos vários
canais de dissipação são representadas pela largura das setas. ... 22
Figura 2-2: Efeitos de sombreamento conforme a posição do elemento arbóreo. .... 24
Figura 2-3: Formato de copa das espécies vegetais ... 24
Figura 2-4: Obstrução vegetal na abóboda celeste por meio de máscara de sombra em pontos do entorno e de uma janela, respectivamente. ... 25
Figura 2-5: Abstração de modelos de vegetação em softwares termo-energéticos .. 29
Figura 2-6: Simplificação dos modelos computacionais na forma da vegetação ... 29
Figura 2-7: Simplificação dos modelos de vegetação no Software Daysim ... 30
Figura 2-8: As Componentes da Luz Natural em relação a um ponto “P”. ... 32
Figura 2-9: Situações de obstrução do céu da janela em um ponto do ambiente ... 33
Figura 2-10: Cálculo de Fator de Céu Visível (FCV) ... 34
Figura 2-11: Percentual de Abertura na fachada (PAF) ... 35
Figura 2-12: Sombreamento ideal com obstrução da trajetória solar (em cinza) e desobstrução da abóboda celeste (em amarelo), destacando os horários de temperaturas mais altas. ... 35
Figura 2-13: Sombreamento otimizado para os trópicos para orientação Norte-Sul e Leste-Oeste, respectivamente ... 36
Figura 2-14: Sombreamento com brise e vegetação: a) Sombreamento com protetor típico para oeste com obstrução visual; b) Sombreamento com arborização permitindo maior integração interior exterior. ... 36
Figura 2-15: Resultados de DA (CINTRA, 2011) e UDI (CARVALHO 2014) em planta ... 44
Figura 2-16: Resultados de DA Reinhart e Wienold (2011) em corte ... 44
Figura 2-18: Resultados de Marques (2012) em gráfico de UDI pela profundidade do
ambiente ... 45
Figura 2-19: Resultados de Marques (2012) em gráfico geral de classificação dos modelos... 46
Figura 2-20: Exemplo de apresentação dos resultados de Moreno (2015) para recomendação de projeto... 46
Figura 2-21: Carta Psicrométrica de Natal/RN ... 47
Figura 2-22 – Exemplo da plataforma Gráfica do software DesignBuilder ... 49
Figura 2-23 – Gráfico de conforto térmico adaptativo proposto por Negreiros (2010) ... 51
Figura 2-24 - Modelo da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) para edificações comerciais e residenciais, respectivamente. ... 52
Figura 2-25. Localização de Natal / RN no Brasil ... 55
Figura 2-26. Trajetória solar e rosa dos ventos de Natal/RN ... 56
Figura 2-27. Radiação Solar Direta e Difusa em Natal / RN, para 2009... 56
Figura 3-1: Diagrama Geral dos Procedimentos Metodológicos ... 57
Figura 3-2: Variáveis da pesquisa - PAF, FCV e transparência da copa vegetal ... 60
Figura 3-3: Situações de posicionamento da vegetação da análise exploratória ... 61
Figura 3-4: Situações de diferentes FCV em edifícios ocasionada pela vegetação .. 64
Figura 3-5: Planta baixa do ambiente analisado ... 65
Figura 3-6: Composição da parede dos modelos ... 66
Figura 3-7: Composição da cobertura dos modelos ... 66
Figura 3-8: Dimensão das aberturas dos Modelos - PAFs de 20%, 40%, 60% e 90% ... 67
Figura 3-9: Configuração vegetal de sombreamento dos modelos para FCV pequeno ... 68
Figura 3-11: Configuração vegetal de sombreamento dos modelos para FCV grande
... 69
Figura 3-12: Máscara de sombra dos modelos para FCV grande ... 70
Figura 3-13: Máscara de sombra dos modelos para FCV médio ... 70
Figura 3-14: Máscara de sombra dos modelos para FCV pequeno ... 71
Figura 3-15: Etapas da Obtenção do FCV conforme método de Carvalho (2014) .... 72
Figura 3-16: Mapa de sensores dos modelos ... 76
Figura 3-17: Exemplo de Ficha de desempenho de luz natural para cada modelo ... 81
Figura 3-18: Intensidade de ocupação estabelecido pelo RTQ-R para sala ... 85
Figura 3-19: Intensidade de uso da iluminação do RTQ-R ... 86
Figura 3-20 –Gráfico de resultados do método de conforto adaptativo proposto por Negreiros (2010) ... 87
Figura 3-21: Exemplo de Ficha de desempenho de luz natural para cada modelo ... 90
Figura 4-1: Gráfico de desempenho luminoso geral dos modelos ... 93
Figura 4-2: Gráfico do impacto da transparência vegetal no desempenho luminoso 94 Figura 4-3: Gráfico de ocorrência de desconforto por calor dos modelos ... 95
Figura 4-4: Resultados de Conforto Térmico – Modelos com PAF de 20% ... 96
Figura 4-5: Resultados Detalhados de Conforto Térmico – Modelo 20peq20 ... 97
Figura 4-6: Resultados de Conforto Térmico – Modelos com PAF de 40% ... 98
Figura 4-7: Resultados de Conforto Térmico – Modelos com PAF de 60% ... 98
Figura 4-8: Resultados de Conforto Térmico – Modelos com PAF de 90% ... 99
Figura 4-9: Classificação de eficiência energética dos modelos pelo método de simulação do RTQ-R ... 100
Figura 4-12: Infográfico de recomendação de posição de alinhamento da vegetação para otimização térmica e luminosa de ambientes para Norte em Natal / RN .... 106
Figura 4-13: Infográfico de recomendação de posição e disposição da vegetação para otimização térmica e luminosa de ambientes para Norte em Natal / RN .... 107
Figura 4-14: Infográfico de combinações recomendadas de FCV pequeno, PAF (20%, 40%, 60% e 90%) e transparência da copa vegetal (40%, 20% e 0% opaca) para visando otimização térmica e luminosa de ambientes para Norte em Natal / RN ... 108
Figura 4-15: Infográfico de combinações recomendadas de FCV médio, PAF (20%, 40%, 60% e 90%) e transparência da copa vegetal (40%, 20% e 0% opaca) para visando otimização térmica e luminosa de ambientes para Norte em Natal / RN ... 109
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1: Transmissividade a luz natural de espécies vegetais ... 26
Tabela 2-2: Atenuação da radiação solar de espécies vegetais ... 26
Tabela 2-3: Atenuação da radiação solar de espécies arbóreas ... 27
Tabela 2-4: Exemplo de análise dos estudos de Mardaljevic, Reinhart e Rogers (2006) ... 39
Tabela 2-5: Programas de simulação de luz natural ... 40
Tabela 2-6: Resultado fornecido pelo Programa Daysim ... 41
Tabela 2-7: Regras internacionais de profundidade do ambiente com relação à altura de janela... 43
Tabela 2-8 –Escalas para etiquetagem da envoltória com ventilação natural por Zona Bioclimática do RTQ-R ... 53
Tabela 2-9. Propriedades Térmicas do RTQ-R para as Zonas Bioclimáticas do Brasil ... 54
Tabela 3-1: Casos da análise exploratória da obstrução vegetal ... 61
Tabela 3-2: Máscaras de sombra da análise exploratória. ... 62
Tabela 3-3: Máscaras de sombra da análise exploratória (cont.). ... 63
Tabela 3-4: Quantidade mínima de pontos conforme índice do Ambiente K... 76
Tabela 3-5: Classificação do desempenho lumínico ... 78
Tabela 3-6: Exemplo de parte II da ficha individual - Desempenho do Modelo ... 82
Tabela 3-7: Símbolos do desempenho lumínico final ... 82
Tabela 3-8: Coeficientes de pressão do modelo de exposição normal da edificação ... 84
Tabela 3-9: Taxa metabólica para cada atividade do RTQ-R ... 85
Tabela 3-11: Escalas para classificação do nível de eficiência energética da envoltória com ventilação natural por Zona Bioclimática do método de simulação do RTQ-R ... 88
Tabela 3-12: Planilha eletrônica para cálculo do nível de eficiência energética da envoltória pelo método prescritivo do RTQ-R ... 89
Tabela 4-1 – Desempenho luminoso dos modelos ... 91
Tabela 4-2 – Resultados de desempenho térmico dos modelos para os métodos de
conforto adaptativo, método prescritivo do RTQ-R e método de simulação do RTQ-R ... 101
LISTA DE ABREVIAÇÕES E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers
CC componente celeste
CIE Comission Internationale de l'Eclaraige
CRE Componente Refletida Externa
CRI Componente Refletida Interna
CT Capacidade Térmica
DA Daylight Autonomy
DAcon Continuous Daylight Autonomy
DAmax Maximum Daylight Autonomy
DF Daylight Factor
DSP Daylight Saturation Percentage
FCV Fator de Céu Visível
GHr Indicador de Graus-hora
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia
ISO/CIE International Organization for Standardization /International
Commission on Illumination
K Índice do Ambiente (adimensional)
L Leste
N Norte
NBR Normas Brasileiras Regulamentadoras
NRCC National Research Council of Canada
PAF Percentual de abertura da fachada
RTQ-C Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência
Energética de Edificações Comerciais, de Serviço e Públicas
RTQ-R Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência
Energética de Edificações Residenciais
S Sul
TRY test reference year
U Transmitância Térmica
UDI useful daylight illuminances
W Oeste
WWR window to wall ratio
SUMÁRIO
SUMÁRIO --- xii
1 INTRODUÇÃO --- 14
2 REFERENCIAL TEÓRICO --- 19
2.1 PAISAGISMO --- 19
2.1.1 Paisagismo como estratégia bioclimática --- 20
2.1.1.1 Sombreamento por obstrução --- 23
2.1.1.2 Transparência Vegetal --- 25
2.1.2 Benefício no desempenho da edificação --- 27
2.1.3 Quantificação do impacto do paisagismo --- 28
2.2 ILUMINAÇÃO NATURAL EM EDIFÍCIOS --- 31
2.2.1 Características da luz --- 32
2.2.2 Variáveis Externas --- 32
2.2.3 Variáveis do Edifício --- 34
2.2.3.1 Dimensões da abertura --- 34
2.2.3.2 Proteção solar das aberturas --- 35
2.2.3.3 Ambiente Interno --- 37
2.2.4 Critérios e métodos para avaliação da luz natural--- 37
2.2.4.1 Medida Dinâmica: Daylight Autonomy – DA --- 38
2.2.4.2 Medida Dinâmica: Useful daylight illuminances - UDI --- 39
2.2.5 Programa de Simulação de Luz Natural - Daysim --- 40
2.2.6 Critérios de desempenho--- 41
2.2.7 Análise de resultados --- 43
2.3 CONFORTO TÉRMICO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA ARQUITETURA --- 47
2.3.1 Simulação computacional --- 48
2.3.2 Método de conforto adaptativo --- 50
2.3.3 Regulamentos de eficiência energética de edifícios --- 51
2.4 CARACTERIZAÇÃO CLIMÁTICA DE NATAL/RN --- 54
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS --- 57
3.2 ANÁLISE EXPLORATÓRIA DA OBSTRUÇÃO VEGETAL --- 60
3.3 CARACTERIZAÇÃO DOS MODELOS --- 65
3.3.1 Variáveis comuns aos modelos --- 65
3.3.2 Determinação de PAFs --- 67
3.3.3 Determinação de FCVs --- 67
3.3.4 Determinação das transparências --- 72
3.4 ANÁLISE DO DESEMPENHO DA LUZ NATURAL --- 72
3.4.1 Modelagem --- 73
3.4.1.1 Modelo Tridimensional --- 74
3.4.1.2 Definição da malha de pontos dos sensores --- 75
3.4.2 Simulação --- 76
3.4.3 Análise de resultados --- 77
3.4.3.1 Critérios de desempenho --- 77
3.4.3.2 Apresentação dos resultados --- 80
3.5 ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO --- 83
3.5.1 Simulação no Design Builder --- 83
3.5.2 Análise de conforto térmico adaptativo --- 87
3.5.3 Determinação do nível de eficiência energética por simulação do RTQ-R 88 3.5.4 Determinação do nível de eficiência energética pelo método prescritivo do RTQ-R --- 88
3.5.5 Apresentação dos resultados de desempenho térmico --- 89
4 RESULTADOS --- 91
4.1 DESEMPENHO DA LUZ NATURAL --- 91
4.2 DESEMPENHO TÉRMICO E NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 95 4.3 INTEGRAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO E LUMINOSO ---102
5 CONCLUSÃO ---111
REFERÊNCIAS ---114
6 APÊNDICE A – DESEMPENHO DA LUZ NATURAL ---121
7 APÊNDICE B - DESEMPENHO TÉRMICO---229
1 INTRODUÇÃO
O paisagismo tem inúmeros benefícios no ambiente construído, inclusive o de melhorar, de forma passiva, as condições de conforto luminoso e térmico no interior de edificações. Da mesma forma que a arquitetura bioclimática valoriza as decisões projetuais que fazem uso do clima, o paisagismo tem similar potencial em lugares como Natal/RN, cujas principais recomendações são o sombreamento e a ventilação para o conforto térmico, e o uso da luz difusa para o conforto luminoso. Dessa forma, é possível proporcionar conforto ambiental, reduzir o consumo de energia no gasto com iluminação artificial e condicionador de ar, e reduzir o impacto ambiental de diversas formas (regulador térmico, captura de CO2, redução de insumos,
redução de CO2 embutido no meio construído, dentre outros).
No Brasil crescem os esforços para reduzir o impacto ambiental do ambiente construído. Os selos de sustentabilidade estão se difundindo e a eficientização de edifícios se tornou obrigatória nos edifícios federais novos desde 4 de junho de 2014, com a Instrução Normativa nº 02, que exige que as edificações e os equipamentos adquiridos tenham nível de eficiência energética A. Esta tendência de obrigatoriedade é prevista para outros tipos de edifício, inclusive os privados. São resultados da Política Nacional de Conservação de Energia e publicação em 2009-2010 dos regulamentos de eficiência energética de edifícios que visam incentivar, orientar e tornar obrigatória as práticas de conservação de energia a partir de critérios de desempenho pautados no uso de recursos passivos e estratégias bioclimáticas. Os regulamentos passam por uma fase de aprimoramento quanto a sistemática e coerência dos métodos para cada Zona Bioclimática (ZB), dando ênfase para o uso do sombreamento, iluminação natural e ventilação natural em edifícios residenciais na Zona Bioclimática 08, de clima quente e úmido.
Essas estratégias possuem grande potencial para qualidade ambiental e eficiência energética de edificações. A iluminação natural é um recurso bioclimático extremamente abundante em Natal/RN, renovável, de fácil acesso, baixo custo e com qualidade e eficiência luminosa consideravelmente superior a luz artificial (ROBINS, 1986; MARTAU 2009; MASCARÓ, 1985), podendo reduzir de 35% a 70% do consumo com iluminação artificial (Segundo Vianna e Gonçalves, 2001). Já o uso do sombreamento é uma das estratégias fundamentais para promover conforto térmico em climas tropicais (OLGYAY, 1973), devido à alta incidência solar durante todo o ano. Parker e Barkaszi (1997) apontam economia de energia de até 60% durante os dias mais quentes do verão e de 30 a 40% em média para residências com sombreamento vegetal em região de clima quente e úmido.
ofuscamento (CORBELLA E YANNAS, 2003; PIETROBON, 1999; MARQUES, 2012, CARVALHO, 2014).
Apesar do crescente incentivo das práticas de baixo impacto e demanda brasileira nos regulamentos de avaliação ambiental, é crescente a retirada dos elementos arbóreos e vegetais das residências e meio urbano em Natal/RN (MEDEIROS, 2003). Quando existe projeto paisagístico, este é baseado nos critérios de estética negligenciando os aspectos sustentáveis. Nas edificações residenciais tem crescido a utilização de equipamentos de condicionamento de ar e predominam as edificações com pequenas aberturas, sem proteção solar externa, geralmente com cortinas internas fechadas, e uso contínuo de iluminação artificial com pouco aproveitamento da luz natural. Continuam surgindo edifícios verticais com vedação em pano de vidro, vendidos como de alta tecnologia e alto desempenho ambiental,
no padrão do “Internacional Style”1 (BITTENCOURT e CÂNDIDO, 2004). Ambos os
tipos contrastam com o conceito da arquitetura bioclimática e otimização termo
lumínica, sendo o entorno edilício arrematado pela “decoração vegetal”.
O objetivo dessa dissertação é analisar o impacto de características do paisagismo para obtenção de conforto luminoso e térmico no espaço construído no clima de Natal/RN. As características analisadas são fator de céu visível (FCV), transparência da copa vegetal e percentual de abertura da fachada (PAF). O espaço construído é caracterizado por uma célula com 5m x 5m térrea, com paredes externas para Norte e Sul.
Os objetivos específicos são:
Identificar as variáveis de maior influência térmica e lumínica na integração da vegetação à edificação;
Desenvolver modelos de análise representativos;
Avaliar o potencial de aplicação do paisagismo no RTQ-R para Zona
Bioclimática 08;
1
Resultado da globalização, o “Internacional Style” tem difundindo edifícios semelhantes em
todo o planeta, independente das suas especificidades climáticas. Este “estilo” incentivou largamente
a construção de edifícios com pele de vidro, ocasionando problemas de sobrecarga de
Identificar os modelos otimizados quanto ao desempenho termo lumínico;
Elaborar recomendações projetuais para o uso da vegetação como
sombreamento em ambientes térreos para o clima quente úmido de Natal/RN.
O trabalho foi estruturado em três capítulos, sendo o primeiro a revisão bibliográfica da temática abordada, o segundo descreve o método da pesquisa com a definição das variáveis estudadas, caracterização dos modelos elaborados além da descrição das simulações e o terceiro capítulo apresenta os resultados obtidos e principais discussões quanto ao desempenho dos modelos além das conclusões e sugestão de abordagens para futuros trabalhos.
O primeiro capítulo, revisão bibliográfica, aborda os principais temas: integração do paisagismo no desempenho ambiental de edifícios, iluminação natural e conforto térmico. São destacados os aspectos de impacto do desenho paisagístico no microclima, sombreamento vegetal, análise de desempenho do paisagismo; Iluminação natural, suas características, variáveis, métodos e critérios de avaliação; conforto térmico em edifícios, simulações computacionais, conforto adaptativo, regulamento de eficiência energética de edifícios e caracterização climática.
O método da pesquisa consistiu na simulação térmica e luminosa de diferentes combinações de fator de céu visível (FCV - pequeno, médio e grande), transparência da copa vegetal (40%, 20% e 0%) e percentual de abertura da fachada (PAF - 20%, 40%, 60% e 90%) para edificação residencial térrea em Natal / RN, a fim de quantificar os impactos da vegetação no conforto térmico, luminoso e eficiência energética e propor recomendações projetuais. Os 36 modelos elaborados foram simulados no Software DesignBuilder e analisados em termos de conforto térmico e eficiência energética por meio do método de conforto adaptativo indicado pela norma ASHRAE Standard 55 (ASHRAE, 2010) e classificação do nível de eficiência energética do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R) para os métodos prescritivo e por simulação. Para simulação de iluminação natural realizada no
software Daysim foram simuladas 3 situações de exigências lumínicas de
100-300-500 lux para cada um dos 36 modelos, resultando em 108 casos, extraindo-se
Os resultados demonstram grande potencial para integração da vegetação na edificação visando obter otimização térmica e luminosa em ambientes, principalmente para os fatores de céu médio e grande. Na classificação do nível de eficiência energética foi verificada falta de compatibilidade do RTQ-R para classificar as edificações da Zona bioclimática 08 pelo método de simulação, sendo aferido por este método o pior nível de eficiência energética (nível “E”) para todos os modelos enquanto que o método prescritivo aferiu melhor nível de eficiência energética (nível
“A” assim como o método de conforto adaptativo demonstrou o conforto térmico em
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Este capítulo apresenta a revisão do paisagismo como estratégia bioclimática integrado ao edifício, luz natural e conforto térmico. O paisagismo é revisto sob a ótica do desempenho ambiental de edifícios, o potencial de impacto no microclima, o paisagismo de baixo impacto ambiental e as variáveis e métodos de análise ambiental para integração em edificações. Os aspectos da iluminação natural são apresentados quanto aos seus benefícios, variáveis e características, além dos critérios e métodos de avaliação do desempenho por meio de simulação computacional dinâmica. Por fim, é abordada a temática de conforto térmico a partir das premissas bioclimáticas e de eficiência energética na arquitetura, simulação termo-energética, conforto adaptativo, além do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R) e caracterização climática.
2.1 PAISAGISMO
A crescente importância do paisagismo devido ao aumento da demanda e valorização das áreas verdes nos grandes empreendimentos (de edifícios verticais a resorts à beira mar) coloca em questão seu desempenho. O paisagismo, na prática corrente, enfatiza a estética, sendo limitado porque desconsidera vários aspectos ambientais. O novo paradigma entende que o paisagismo deve se focar na importância do contexto e do significado onde as preocupações extrapolam a composição visual para abarcar outros níveis, reforçando o caráter multidisciplinar da profissão (FRANCO, 1997). No mercado imobiliário, o paisagismo deixa de exercer lugar periférico para se tornar o ponto de marketing como forma de compensar os ambientes reduzidos e teoricamente compensação natural (FRANCO 1997).
espécies tropicais e nativas e chamou atenção para o potencial de ornamento das plantas brasileiras, alargando o repertório paisagístico.
“O novo paisagismo deixa ver múltiplas vanguardas. Os modelos que prevê
para o futuro descansam na investigação, tanto de temas elementares e situações limites como na exploração de combinações de múltiplos temas. Se há um ponto em comum entre estas novas frentes, é que o paisagismo já não será uma versão madura e em grande escala do jardim doméstico como foi no século XVIII, mas uma
paisagem determinante de um novo momento da arquitetura.” (FRANCO, 1997)
A vegetação nativa tem muitas vantagens. Ela se mostra adaptada às características térmicas e hídricas do local, resultando em economia de água e tratamento do solo, além de interagir com a fauna e todo o ecossistema circundante de forma sinergética. Ela contribui para a preservação da paisagem local, reforçando o aspecto de regionalidade, em direção oposta aos modismos internacionais (MEDEIROS, 2003).
2.1.1 Paisagismo como estratégia bioclimática
O paisagismo poder ser abordado como uma estratégia bioclimática para proporcionar conforto térmico e reduzir gastos com condicionamento de ar (OLGYAY, 1963). A vegetação estrategicamente alocada sombreia e reduz a transferência de calor (condução, convecção e radiação) para o ambiente construído, contribuindo para a melhoria das condições de conforto térmico e redução do consumo de energia elétrica de condicionadores de ar. Os efeitos mais comuns são: a redução da temperatura do ar, temperaturas superficiais e temperatura operativa, redirecionamento da ventilação, além de outros benefícios, como a melhoria da qualidade ambiental por meio de redução do ofuscamento, filtragem da luz, bem estar, filtragem do ar, absorção de ruídos, privacidade visual, abrigo para a microfauna da região, equilíbrio do ecossistema, e produção de oxigênio (PAULA, 2004; IZARD, 1983).
energia solar, que pode ser refletida ou absorvida, armazenada sob a forma de calor, e transferida por condução, convecção e radiação para as estruturas, o ar e o entorno. O microclima pode ser analisado por meio de balanço energético (BROWN, 1954). A energia pode evaporar água, irradiar em onda longa, aquecer o ar, o solo. Se a paisagem é seca, a energia não será utilizada para evaporar água, se é úmida, muita energia é usada para evaporar água, então, menos sobra para aquecer as superfícies e o ar. A proporção de energia usada em cada uma dessas funções pode ser um recurso eficiente para criar um determinado microclima.
A vegetação é uma das estratégias mais recomendadas no projeto ambiental para mitigar os efeitos da ilha de calor, da poluição urbana e para reduzir o consumo de energia nas cidades (MASCARÓ, 2002). Por meio da evapotranspiração, a vegetação diminui a temperatura do ar, aumentando a umidade relativa do ar e bombeando toneladas de água, regulando os ciclos pluviais e amenizando as temperaturas urbanas e das edificações (IZARD e GUYOT,1983). A radiação solar absorvida e movimento do ar são as variáveis mais influenciadas pelo paisagismo, enquanto que a temperatura do ar e umidade são comumente menos impactados (BROWN, 1954). Por exemplo, Berry et al. (2013) demonstra reduções de temperaturas superficiais na faixa de 9°C na edificação por meio de sombreamento
arbóreo e redução de 1°C na temperatura do ar externo, através de medições in loco
Figura 2-1: Típica fragmentação da energia de diferentes superfícies do paisagismo durante o dia: as magnitudes relativas do fluxo de energia através dos vários canais de dissipação
são representadas pela largura das setas.
Fonte: Traduzido de Brown (1954)
A vegetação atua no resfriamento passivo dos edifícios de duas formas: através da obstrução solar que reduz a conservação da energia radiante em calor sensível, consequentemente reduzindo as temperaturas superficiais dos elementos sombreados; e pela evapotranspiração na superfície da folha, resfriando-a e ao ar adjacente devido à troca de calor latente (OLGYAY, 1963).
opta-se por espécies de copa frondosa. Em climas temperados, são empregadas
espécies caducifólias ou decíduas para possibilitar o aquecimento passivo da edificação nos períodos frios (BROWN, 1954). Para que a vegetação possa se transformar em elemento de sombreamento ou outra estratégia de otimização ambiental em edifícios é necessário conhecimento das variáveis do paisagismo mais impactantes no desempenho edilício como a posição e distância da vegetação com relação à construção, características de formato e porte da espécie além da transparência da copa vegetal, relacionando-as com o efeito na transmissão de calor, luz interna e aspectos microclimáticos (PAULA, 2004).
2.1.1.1 Sombreamento por obstrução
Figura 2-2: Efeitos de sombreamento conforme a posição do elemento arbóreo.
Fonte: Furtado (1994)
Figura 2-3: Formato de copa das espécies vegetais
Fonte: Adaptado de Furtado (1994) e Sattler (1987)
A estrutura aérea dos vegetais formada pelo caule/tronco, seus ramos e componentes (folhas e flores), resulta no formato, na arquitetura específica de cada vegetal (Figura 2-3). Esta arquitetura vegetal e o modo de distribuição e cor das folhas são importantes para o efeito de transmissão de luz e calor nos ambientes. Cada tipo de espécie, com sua arquitetura vegetal particular, é o produto de muito tempo de especialização e adaptação da espécie ao meio, traduzindo a necessidade de cada vegetal para otimização de suas funções, sendo notável o número de espécies existentes e perceptíveis diferenciações para a mesma espécie, conforme a região e meio ambiente (MEDEIROS, 2003). Em seu estudo sobre a arborização urbana de Natal, Medeiros (2003) classifica os principais tipos de copas em formas
simplificadas: esférica, cônica, “calota” e irregular ou “amorfa”, para visualização das
podas da vegetação em Natal.
ideais para o controle solar, enquanto que árvores altas e estreitas criam sombras reduzidas.
Como cada orientação de fachada em cada latitude terá diferentes trajetórias do sol, os diagramas da máscara de sombra são extremamente úteis como ferramenta para auxiliar a elaboração de uma obstrução vegetal eficiente (PIVETTA, 2010). Assim é possível aferir se determinada forma de copa é otimizada para interceptação da radiação solar. O FCV representa o percentual da abóboda do céu que é desobstruído pelos elementos do entorno, sendo comumente utilizado para analisar o efeito de protetores solares ou sombreamento do entorno, sendo explanado em maiores detalhes mais adiante. O FCV pode ser facilmente visualizado por meio da ferramenta de Máscara de Sombra (Figura 2-4). Assim a obstrução vegetal no edifício vai depender do arranjo específico de posição e porte/formato da (s) espécie (s) ao longo da trajetória solar diária e sazonal, resultando na área da superfície sombreada (BUENO, 2003).
Figura 2-4: Obstrução vegetal na abóboda celeste por meio de máscara de sombra em pontos do entorno e de uma janela, respectivamente.
Fonte: Acervo próprio
2.1.1.2 Transparência Vegetal
comparar a qualidade de sombreamento de diferentes espécies (LIMA, 2014; BERRY et al, 2013).
Mascaró (1996), Bartolomei (2003) e Bueno (2003) apresentam dados de transmissividade à luz e atenuação da radiação solar de algumas espécies vegetais, a partir do monitoramento e medição de exemplares arbóreos em determinadas condições climáticas como pode ser observado na Tabela 2-1, Tabela 2-2 e Tabela 2-3.
Tabela 2-1: Transmissividade a luz natural de espécies vegetais
Fonte: Mascaró (1996), com case em Weingartener (1994)
Tabela 2-2: Atenuação da radiação solar de espécies vegetais
Tabela 2-3: Atenuação da radiação solar de espécies arbóreas
Fonte: Bartolomei (2003)
Alguns estudos como Silva et al. (1996) e Ghelfi Filho et al. (1996) não recomendam espécies arbóreas de copa densa e baixa e folhas largas para otimização térmica em edifícios, devido à dificuldade de ventilação através da copa.
2.1.2 Benefício no desempenho da edificação
O sombreamento das plantas pode modificar as condições de conforto térmico e diminuir o consumo de energia elétrica com condicionamento de ar porque reduz a carga térmica das aberturas e dos fechamentos opacos que absorvem, transmitem e transferem calor da radiação solar para o interior das edificações.
Na Tailândia, de clima tropical, o estudo de Sunakorn et al. (2011) avaliou o efeito de paredes com vegetação (trepadeiras - espécie Thunbergia grandiflora) no
interior de ambientes naturalmente ventilados, verificando redução da temperatura interior do ambiente em até 9,93°C em comparação a temperatura do ar externo. O estudo aponta que inesperadamente as folhas da trepadeira em estudo não obstruíram os ventos quando na condição de ventilação cruzada e que, em climas tropicais, o ar por baixo das folhas sempre mantém uma temperatura menor que a temperatura do ambiente. Outro estudo na África do Sul (MORAKINYO et al., 2013) demonstrou o grande potencial do resfriamento passivo por meio da vegetação em
edifícios no clima quente úmido, apontando através de medições in loco diferenças
de temperatura interior e exterior com pico de 5,4°C em ambiente com entorno não vegetado, enquanto ambiente semelhante não ultrapassou diferença de 2,4°C, devido ao efeito da vegetação como sombreamento.
Toronto o consumo de condicionamento artificial de ambientes pode diminuir 40% nas cidades e 30% nas áreas rurais, tanto para resfriar como para aquecer ambientes internos. Os dados são baseados em simulação das mudanças microclimáticas em função do aumento da cobertura vegetal e do albedo das superfícies de áreas urbanas. Quanto ao aspecto da iluminação natural, os estudos têm buscado principalmente aprofundar a caracterização vegetal e dos efeitos da vegetação na disponibilidade e uniformidade da luz natural, para equacionar a necessidade de amenização térmica com luz natural suficiente e de qualidade (PIETROBON, 1999; MARQUES, 2012). Além disso, é buscado desenvolver e
validar métodos apropriados, de medições in loco e computacionais, para estimar a
quantidade da luz natural que a vegetação permite ao ambiente interno (LIMA, 2014; AL-SALLAL, 2013). Se devidamente projetado, o elemento de sombreamento pode aumentar o potencial de uso da luz natural em lugares com muita abundância de luz externa, como em Natal (CARVALHO, 2014), porque reduz a possibilidade de ofuscamento. Na Flórida (EUA), região de clima quente e úmido, Parker e Barkaszi (1997) realizaram medições em casa móvel com e sem vegetação e os resultados demonstraram economia de energia de até 60% durante os dias mais quentes do verão e de 30 a 40% para toda a temporada.
2.1.3 Quantificação do impacto do paisagismo
Existem métodos diversos para analisar o impacto do paisagismo no desempenho de edifícios. Brown (1954) propõe a utilização de balanço energético como uma maneira eficaz de descrever os efeitos do paisagismo no microclima. É realizado através de equações ou simplesmente através da compreensão dos mecanismos de troca energética, no intuito de servir de ferramenta de projeto.
Com a disponibilidade de recursos computacionais, os programas de simulação dos comportamentos térmico, luminoso e de geometria solar se tornaram ferramentas usuais, além dos métodos de medições de campo para avaliar o desempenho de modelos reais in loco (BUENO,1998). A utilização da combinação
dos métodos de medição em campo e simulação computacional é frequentemente encontrada na validação de modelos computacionais (MORAKINYO et al, 2013;
BERRY et al, 2013; PIETROBON, 1999; KAUFFMAN et al, 2001). Os softwares mais
comuns e acessíveis são os de elaboração de máscaras de sombra como Ecotect e Solar Tool, que possibilitam modelar a vegetação a partir de simplificações geométricas para cada tipo de copa para avaliar a forma da obstrução (Figura 2-5) e assim identificar os períodos de sombreamento ao longo do ano. Os softwares de desempenho termo energético como Energyplus e DesignBuilder (AKBARI e TAHA, 1992; PIETROBON, 1999; MARQUES, 2012; LIMA, 2014; AL-SALLAL, 2013; PIVETTA, 2010) são empregados para quantificar o impacto do sombreamento proporcionado pela vegetação nas temperaturas internas da edificação e no consumo de energia para com sistemas de climatização artificial, ainda que as modelagens precisem ser adaptadas para considerar de maneira uniforme a transparência (Figura 2-6).
Figura 2-5: Abstração de modelos de vegetação em softwares termo-energéticos
Fonte: Sattler et al. (1987)
Figura 2-6: Simplificação dos modelos computacionais na forma da vegetação
Os softwares de simulação do desempenho luminoso são empregados para quantificar o impacto da vegetação no comportamento da luz no interior das edificações. Lima (2014) analisa os elementos vegetais na simulação digital da luz natural contribuindo para o desenvolvimento e validações de modelos tridimensionais virtuais. Através de simulações computacionais no programa Daysim e medições em campo de quatro espécies vegetais, a autora avalia três procedimentos de elaboração de modelos virtuais para simplificar a representação da vegetação: o primeiro sendo o modelo de persianas, o segundo com inserção de frestas e o terceiro modelo com material translúcido (Figura 2-7), verificando que este último é o que melhor se aproxima dos dados reais obtidos in loco, sendo
recomendado pela autora para construção dos modelos de vegetação além de ser o mais simples em termos de construção geométrica.
Figura 2-7: Simplificação dos modelos de vegetação no Software Daysim
2.2 ILUMINAÇÃONATURALEMEDIFÍCIOS
A iluminação deve proporcionar conforto visual, isto é, permitir a execução das atividades visuais considerando acuidade e segurança com menor esforço, por meio do atendimento da iluminância, e sem ofuscamentos (CORBELLA e YANNAS, 2003, p.253). A luz natural adequada no ambiente construído pode contribuir para o conforto luminoso, para o uso racional de energia elétrica e redução do impacto ambiental. Seus benefícios se estendem à qualidade ambiental, bem-estar nos usuários, saúde física e mental, estética, e economia de recursos (MARTAU, 2009; AMORIM, 2007; CINTRA, 2011; CORBELLA e YANNAS, 2003). Por exemplo, a economia direta obtida com luz natural a partir do desligamento e/ou redução de uso da luz artificial, e a economia indireta a partir da diminuição da carga térmica de refrigeração do sistema de condicionamento de ar, podem diminuir o consumo energético de um edifício de 35% a 70% (VIANNA e GONÇALVES 2001).
Mesmo com suas muitas vantagens, a luz natural passou a ser negligenciada ao longo do século XX, quando os sistemas artificiais foram se popularizando e a arquitetura foi se tornando insensível ao clima. O clima externo passou a ser ignorado no projeto e o conforto térmico e luminoso passaram a depender dos sistemas ativos como o condicionador de ar e as lâmpadas. Esse processo foi
agravado pelo “Internacional Style”, que promove o modismo e uniformização da arquitetura, independentemente das características climáticas do lugar (BITTENCOURT e CÂNDIDO, 2004). Na contramão, a bioclimatologia cresceu paralela a esse cenário, proporcionando subsídios para que a arquitetura fosse uma resposta ao clima e não o contrário (OLGYAY e OLGYAY, 1957; OLGYAY, 1963).
2.2.1 Características da luz
O fluxo luminoso incide no ambiente interno a partir de três caminhos denominados componente celeste (CC), componente refletida externa (CRE) e componente refletida interna (CRI), segundo a NBR 15215-3 (2005) (Figura 2-8). A soma das três resulta na luz natural total que incide sobre um determinado ponto (HOPKINSON et al, 1975).
Figura 2-8: As Componentes da Luz Natural em relação a um ponto “P”.
Fonte: Viana e Gonçalves (2001)
A componente celeste (CC), que promove a luz natural através da abóboda do céu, é a fonte mais adequada para iluminação dos ambientes, apesar de sua variação conforme o horário do dia, época do ano, latitude, orientação da fachada e tipo do céu (encoberto, claro e parcialmente coberto). A área da abóboda do céu visível e a posição desta área (mais próxima do zênite ou do horizonte) vão influenciar a quantidade de luz natural advinda da componente celeste (CC). A componente refletida externa (CRE) é obtida pela reflexão da luz nas superfícies externas que atingem determinado ponto em determinada superfície interna, enquanto que a Componente Refletida Interna (CRI) se refere a porção da luz que é refletida nas paredes, teto e piso antes de chegar ao ponto onde suas características serão analisadas.
2.2.2 Variáveis Externas
movimento diário e sazonal da posição do sol com relação à abertura, dentre outros. A luz solar direta se comporta como fonte de iluminação demasiadamente intensa e pontual para utilização diretamente no plano de trabalho, enquanto que a luz difusa proveniente da abóbada celeste, gerada por refração e reflexão da luz, é uma fonte superficial, de iluminação suave e adirecional (MOORE,1985; PEREIRA, 1994). Considerando que as diversas partes da abóboda do céu apresentam diferentes valores de luminância (TREGENZA, 1993 apud LEDER 2007), Fonseca (2010) salienta que o posicionamento das aberturas deve ser concebido considerando a área de céu visível.
O entorno da edificação é uma das variáveis de maior impacto para iluminação natural nos ambientes devido à obstrução do céu (ÜNVER et al., 2003). O nível de iluminância em um ponto do ambiente é diretamente influenciado pela luminância da área do céu visível (a partir do ponto), sendo que o restante da abóbada do céu contribui para iluminância do ambiente por meio das reflexões internas dos materiais (TREGENZA e WATERS 1983, apud CABÚS 2002) (Figura 2-9). Geometria, disposição e quantidade de elementos naturais ou construídos, a exemplo das áreas altamente adensadas e verticalizadas ou com grande quantidade de vegetação, são os obstáculos mais recorrentes (HOPKINSON et al.,1975; CÓRICA E PATTINI, 2011; LEDER E PEREIRA, 2008). Por isso é necessário quantificar o impacto das ocupações máximas do solo e definir limites de obstrução do céu, visando reformulação das normas e regulamentos (CÓRICA E PATTINI, 2011).
Há procedimentos simplificados para determinação de potencial de iluminação ainda na fase de esboço do projeto arquitetônico que consideram a
fração de obstrução externa de um observador próximo à janela (O’CONNOR et al.,
1997), conforme Figura 2-9.
Fonte: O'CONNOR, LEE et al. (1997)
A parcela de céu visível a partir de um determinado ponto é quantificada pelo FCV, que possibilita avaliar o impacto de obstruções causadas por elemento vegetal ou construído, como árvores, edificação vizinha ou equipamento urbano (SOUZA et al., 2005). O FCV é obtido por meio do método de máscara de sombra, que pode ser modelado com auxílio de ferramenta computacional (LEDER, 2007), a exemplo Carvalho (2014), que mapeia os percentuais de obstrução da abóbada celeste e utiliza média ponderada destes percentuais para cada área da abóbada em projeção estereográfica (Figura 2-10).
Figura 2-10: Cálculo de Fator de Céu Visível (FCV)
Fonte: Carvalho (2014)
2.2.3 Variáveis do Edifício
A arquitetura interfere no comportamento da luz natural quanto às dimensões da abertura e suas proteções solares, transmissão de luz do vidro, profundidade dos ambientes e refletâncias internas (O’CONNOR, LEE et al., 1997).
2.2.3.1 Dimensões da abertura
A aberturas podem ser caracterizadas pelo percentual da abertura na fachada
em relação à área total de uma fachada (PAF, ou WWR em inglês – window to wall
ASHRAE (2010), da ABNT (2005) e dos regulamentos do nível de eficiência energética de edificações do INMETRO.
Figura 2-11: Percentual de Abertura na fachada (PAF)
Fonte: adaptado de Pedrini (PEDRINI, 2003)
2.2.3.2 Proteção solar das aberturas
As proteções solares nas aberturas são imprescindíveis para evitar o ofuscamento no plano de trabalho em lugares com abundância de luz natural. O dimensionamento do protetor passivo deve obstruir a fração de céu correspondente à trajetória solar para evitar a luz direta, principalmente nos horários mais críticos em clima quente úmido como Natal / RN (CARVALHO, 2014) Figura 2-12.
Figura 2-12: Sombreamento ideal com obstrução da trajetória solar (em cinza) e desobstrução da abóboda celeste (em amarelo), destacando os horários de temperaturas
mais altas.
Fonte: Acervo da autora
de baixa altura solar e obstrução visual (Figura 2-13). Neste caso, o sombreamento pode ser obtido com brises na frente da janela ou vegetação. Esta última garante sombreamento e ainda integração com o exterior (Figura 2-14).
Figura 2-13: Sombreamento otimizado para os trópicos para orientação Norte-Sul e Leste-Oeste, respectivamente
Fonte: R3E, 2012
Figura 2-14: Sombreamento com brise e vegetação: a) Sombreamento com protetor típico para oeste com obstrução visual; b) Sombreamento com arborização permitindo maior
integração interior exterior.
Fonte: www.refax.com.br Fonte:blogdacidadedeourofino.blogspot.com
Fonte: Dias (2010)
2.2.3.3 Ambiente Interno
Usualmente a luz natural tem um grande decaimento à medida que se afasta da abertura. Por isso, a profundidade do ambiente que se deseja iluminar tem grande influência no projeto das aberturas (O’CONNOR, LEE et al., 1997). A
recomendação projetual mais conhecida é relacionar a profundidade do ambiente com o ponto mais alto da abertura, variando de 2 a 2,5 vezes, independentemente
do clima (BAKER e STEEMERS, 1996; O’CONNOR, LEE et al., 1997).
Coincidentemente, o valor encontrado por Carvalho (2014) é similar, ainda que seja para um céu com muita luz e para abertura 100% sombreada em relação à luz direta.
As refletâncias das superfícies internas causam a reflexão da radiação luminosa dentro do ambiente. Quanto maior a refletância, maiores são as reflexões de luz, a iluminância interna e a profundidade passível de ser iluminada naturalmente (HOPKINSON, 1975 apud MARQUES, 2012). Além da refletância de todas as superfícies, a reflexão da luz também depende da configuração espacial do ambiente, do layout e tipo dos móveis.
A luz natural é maximizada no ambiente quando a refletância é alta, como na cor branca com reflexão da luz incidente de 80% a 98%, ou absorvida pela superfície quanto mais escura, chegando de 0% a 4% quando é pintada de preto. (OKIMOTO, MARCHI, 2008).
2.2.4 Critérios e métodos para avaliação da luz natural
A avaliação da quantidade e qualidade da luz natural nos espaços pode ser realizada por parâmetros estáticos e dinâmicos. O daylight factor (DF) era o principal
parâmetro, representando a relação da iluminância de um ponto do ambiente interno com a iluminância horizontal externa na condição de céu nublado desobstruído no padrão da Comission Internationale de l'Eclaraige (CIE). Este parâmetro possui
grandes limitações por não considerar variáveis essenciais da luz natural como a orientação da abertura, a latitude do lugar, a penetração da luz do sol e as condições climáticas, sendo substituído recentemente por medidas dinâmicas a partir de uma base anual (MARDALJEVIC et al., 2006; CARVALHO, 2014). Diferentemente do Daylight Factor (DF) e dos parâmetros estáticos, limitados a
solstícios de verão e inverno), os parâmetros dinâmicos consideram um ano climático completo, por meio do arquivo climático do lugar, a variação temporal e espacial do céu, a orientação do ambiente com relação ao sol, a ocorrência de insolação direta e os níveis horários de iluminação natural absoluta (DIDONÉ e PEREIRA, 2010). Os principais parâmetros dinâmicos utilizados atualmente são o
daylight autonomy (DA) (Reinhart and Walkenhorst 2001) e useful daylight illuminances (UDI) (Nabil and Mardaljevic 2005).
2.2.4.1 Medida Dinâmica: Daylight Autonomy – DA
O DA consiste no percentual das horas de ocupação ao longo do ano em que
o nível mínimo da exigência luminosa é atendido apenas pela iluminação natural (REINHART, MARDALJEVIC et al., 2006, p.10). É uma das métricas mais utilizadas atualmente nas pesquisas e regulamentos de desempenho sobre luz natural em edifícios, pois é um indicador simples e claro quanto ao cumprimento das exigências mínimas de iluminância.
Foram criados outros parâmetros dinâmicos a partir de variações do DA, como o Continuous Daylight Autonomy (DAcon) e o Maximum Daylight Autonomy
(DAmax), propostos por Rogers (2006). Estes parâmetros visam identificar se as iluminâncias que estão abaixo do nível lumínico mínimo podem contribuir para a luz natural e se as iluminâncias possuem valores muito discrepantes no ambiente (com altos contrastes), respectivamente.
Tabela 2-4: Exemplo de análise dos estudos de Mardaljevic, Reinhart e Rogers (2006)
Fonte: MARDALJEVIC et al., 2006
O DAmax indica o percentual das horas ocupadas no ano em que um ponto excede em dez vezes o nível de iluminância mínimo estabelecido, visando identificar a ocorrência e a área onde se encontram altos níveis de contraste da iluminação, com possibilidade de ocorrer ofuscamento (REINHART, MARDALJEVIC et al., 2006, p.10).
2.2.4.2 Medida Dinâmica: Useful daylight illuminances - UDI
O Useful Daylight Iluminances (UDI) corresponde a frequência que
determinada faixa de iluminância considerada útil é atendida ao longo das horas ocupadas do ano (MARDALJEVIC e NABIL, 2005). A faixa está compreendida entre 100lux e 2000lux e é resultado de pesquisas sobre a preferência de ocupantes de escritórios. A utilização da medida de UDI difere do DA pois esta primeira descarta todos os resultados acima do limite estabelecido de 2000 lux, considerando estes valores inadequados no ambiente, devido a probabilidade de excesso de luz podendo causar desconforto visual e/ou térmico.
Com base no estabelecimento do intervalo das iluminâncias consideradas úteis, são calculados três UDIs: UDI<100lux com o resultado percentual das ocorrências de iluminância abaixo da faixa útil, UDI100-2000lux com a ocorrências de iluminância útil, e a UDI>2000lux com as ocorrências que excedem a faixa útil. (REINHART, MARDALJEVIC et al., 2006, p.10).
2.2.5 Programa de Simulação de Luz Natural - Daysim
Há vários métodos para estimar ou calcular o comportamento da iluminação natural, como cálculos matemáticos, métodos gráficos simplificados, simulações com modelos em escala reduzida e simulações computacionais. Esta última possibilita avaliar com rapidez e eficiência o desempenho de situações mais complexas com análise de uma série de variáveis interdependentes. Há softwares disponíveis para simulação estática e dinâmica (Tabela 2-5), sendo que a dinâmica fornece resultados de um período anual e faz uso de arquivo climático.
O software de simulação dinâmica mais recorrente nas publicações é o Daysim, que foi desenvolvido pelo National Research Council of Canada (NRCC)
utilizando o algoritmo do Radience e o método do daylight coefficient combinado
com o modelo de céu de Perez (REINHART, 2006). É um programa que possui interface amigável e calcula de forma eficaz as iluminâncias do ambiente sob todas as condições de céu durante o ano através de arquivos climáticos TRY (test
reference year). A simulação é realizada por meio da importação de um modelo
tridimensional com as propriedades geométricas e ópticas das superfícies e inserção de parâmetros como a rotina de ocupação e arquivos de sensores. Após a simulação, são gerados os resultados de iluminância para todas as horas do ano em formato .ILL e um relatório em formato .HTM com os resultados do daylight factor
(DF), useful daylight illuminance (UDI), daylight autonomy (DA), continuous daylight
autonomy (DAcon), maximum daylight autonomy (DAmax) e do daylight saturation percentage (DSP) para cada ponto de referência, de forma tabular e não gráfica,
necessitando de outros programas para apresentar os dados obtidos de forma gráfica (REINHART, 2006).
Tabela 2-5: Programas de simulação de luz natural
Tabela 2-6: Resultado fornecido pelo Programa Daysim
Fonte: Acervo da autora
2.2.6 Critérios de desempenho
Para a definição dos níveis mínimos de iluminância conforme o tipo de uso do ambiente, existem normas de referência como a ISO/CIE 8995-1 – Iluminação de ambientes de trabalho parte 1: interior (ABNT, 2013) que substituiu em 2013 a NBR 5413 (ABNT, 1992), e a ABNT 15575 (2013) que estabelece valores inferiores as duas primeiras com relação ao uso residencial, com limites mínimos de 60 lux.
O Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edifícios Residenciais (RTQ-R) aborda o item de luz natural como bonificação por meio de simulação dinâmica e estabelece como critério de desempenho o atendimento de 60 lux de iluminância em 70% do ambiente, durante 70% das horas com luz natural no ano (DA de 70%), para ambientes sem proteção solar. Com proteção solar é necessário comprovar a obtenção de 60 lux de iluminância em 50% dos ambientes, durante 70% das horas com luz natural no ano (DA de 70%) (BRASIL, 2012).
O critério de desempenho a partir do DA varia entre autores. Cintra (2011) utiliza um DA de 70% para análise de ambientes residenciais, em conformidade com os requisitos do RTQ-R, enquanto que Reinhart (2005) admite DA de 50% para considerar a área naturalmente iluminada de ambientes (Daylight area), através de
Mardaljevic et al. (2006) analisa a luz natural em escritórios utilizando UDI nas faixas de 100-2000 estabelecendo os valores de DAcon e DA max conforme Rogers (2006) DAcon nas faixas de >40%, >60% ou >80% e DAmax como limite máximo o valor de 5% para a percentagem de pontos dez vezes o valor do nível de iluminância mínimo. Mardaljevic (2011) discute a aplicabilidade de UDI entre 300-3000lux, que pode variar conforme as condições de potencial lumínico específicas de cada local, porque possibilita o melhor aproveitamento da luz natural e quase não há necessidade de complementação com a iluminação artificial (MARDALJEVIC, et al., 2011, apud CARVALHO 2014).
Marques (2012) analisa o comportamento da luz natural através da média do UDI útil classificando por faixas de desempenho (bom, regular e ruim) estabelecendo os intervalos de >80%, 60-80% e <60% de UDI, sendo estes limites adaptados de abordagens de estudos anteriores semelhantes. Adotou o limite máximo de 5%, utilizado por Rogers (2006) na medida do DAmax, para o UDIexcessiva. O critério de DAmax foi utilizado para rebaixar os modelos classificados como bom e como bônus para os modelos situados nas faixas regular e ruim. Assim o modelo foi classificado bom se sua média do UDIútil for >80% e apresentar média do UDIexcessivo <5%, e nas faixas regular e ruim, os modelos com UDIexcessivo <5% melhoraram de posição, porém continuaram na mesma faixa de classificação.
Tabela 2-7: Regras internacionais de profundidade do ambiente com relação à altura de janela
Fonte: Cintra (2011) adaptado de Reinhart (2005)
O código de obras da cidade de Natal apresenta determinações para atendimento de insolação, iluminação e ventilação para áreas de uso prolongado, com relação entre a área da abertura voltada para o exterior não inferior a 1/6 do vão e, para janelas em área transitória, 1/8 (AQUINO, 2004, p.332).
2.2.7 Análise de resultados
fontes de iluminação. Este mapeamento é utilizado tanto para DA como UDI (Figura 2-15).
Figura 2-15: Resultados de DA (CINTRA, 2011) e UDI (CARVALHO 2014) em planta
Fonte: Cintra (2011) e Carvalho (2014)
Reinhart e Wienold (2011) apresentam perfil de DA no corte do ambiente para os resultados de distribuição de DA para 500 lux e 100 lux em escritórios, permitindo comparação e visualização rápidas do desempenho de ambas as situações (Figura 2-16).
Figura 2-16: Resultados de DA Reinhart e Wienold (2011) em corte
Fonte: Reinhart e Wienold (2011)
Figura 2-17: Resultados de Reinhart e Wienold (2011) de UDI >500, UDI >2000, UDI 100-2000, UDI >100 em planta
Fonte: Reinhart e Wienold (2011)
Marques (2012) apresenta o gráfico do comportamento das faixas de UDI com relação a profundidade da sala conforme Figura 2-18, sendo possível visualizar a complementariedade dos valores de UDI, facilitada pela diferenciação das cores a cada parâmetro. O autor apresenta o gráfico de classificação dos modelos, utilizando a métrica UDI e utilização de desvio padrão para caracterizar o desempenho (Figura 2-19).
Figura 2-18: Resultados de Marques (2012) em gráfico de UDI pela profundidade do ambiente
Figura 2-19: Resultados de Marques (2012) em gráfico geral de classificação dos modelos
Fonte: Marques 2012
Moreno (2015) analisa os resultados por meio de combinações de fração de céu visível, tamanho da abertura e tipologias de proteção solar a partir de gráfico com classificação do desempenho, facilitando o entendimento e permitindo visualizar de forma clara a relação entre a combinação das variáveis e os resultados de desempenho (Figura 2-20).
Figura 2-20: Exemplo de apresentação dos resultados de Moreno (2015) para recomendação de projeto
2.3 CONFORTOTÉRMICOEEFICIÊNCIAENERGÉTICANAARQUITETURA
As estratégias bioclimáticas consideram as variáveis ambientais (temperatura do ar, temperatura radiante média, umidade relativa e velocidade do ar) aliada às condições de adaptabilidade do ser humano em cada clima. Procura-se evitar a perda ou ganho de calor mantendo equilibrado o mecanismo de regulação térmica do homem, oferecendo assim as condições de conforto (MASCARÓ, 2002). No Brasil, há a classificação de Zonas Bioclimáticas (ZB) e suas respectivas recomendações para otimização de desempenho térmico. A NBR 15220 (2003) recomenda para a ZB08, na qual se insere Natal/RN, aberturas amplas e sombreadas, com leves vedações externas para paredes e coberturas (ABNT, 2003, p.3 e 11), com o objetivo de proporcionar ventilação natural e proteção contra a radiação solar, além de ventilação noturna e movimento do ar interno com associação de ventilação (Figura 2-21).
Figura 2-21: Carta Psicrométrica de Natal/RN
Fonte: adaptado do software Analysis
soluções como camadas de ar entre coberta e forro, isolamento térmico das cobertas, além de grandes beirais de sombreamento das vedações verticais. As vedações sombreadas no clima quente-úmido podem ter menor resistência térmica, porém, quando expostas ao sol, devem ser observadas as propriedades de transmitância térmica e absortância para evitar os ganhos solares (MASCARÓ, 2002). As aberturas, devido à presença de material transparente ou translúcido, são responsáveis por grande parte da carga térmica transmitida a um ambiente, devendo ser apropriadamente concebida sua orientação e sombreamento da abertura para cada situação específica. O sombreamento de aberturas em Natal/RN pode reduzir o consumo de energia em 30%, aumentando para o potencial de economia de 54% quando aliada a outras estratégias passivas na arquitetura (LIMA, 2007).
Estudos de Lima (2007), Venâncio (2007), Negreiros (2010) e Rodrigues (2014) demostram o impacto destas recomendações de otimização no clima quente úmido principalmente na aplicação do sombreamento nas aberturas, baixa absortância das superfícies opacas não sombreadas e transmitância baixa da cobertura.
2.3.1 Simulação computacional
Os recursos computacionais têm possibilitado a análise termo energética em tempo reduzido e minucioso dos efeitos de parâmetros diversos da edificação e condição climática (HENSEN et al., 2011). Foram desenvolvidos na década de 70, e alguns deles como o BLAST e o DOE-2 são utilizados até hoje. Foi com base nestes dois programas que na década de 90, seus principais recursos foram utilizados pelo EnergyPlus (MENDES et al., 2001).
O EnergyPlus é um software de simulação térmica e energética elaborado por
Lawrence Berkeley National Laboratory juntamente com outros laboratórios para o
é pouco amigável, onde a entrada de dados obedece aos padrões de sintaxe sem visualização gráfica facilitada.
O software DesignBuilder é um programa de simulação térmica e energética que funciona como uma interface do programa EnergyPlus. Utiliza o mesmo algoritmo de cálculo, porém com a vantagem de possuir uma interface gráfica acessível que permite uma rápida e fácil introdução de geometrias tornando mais simples a modelagem de edifícios (Figura 2-22) (VENÂNCIO, 2007; RODRIGUES,
2014). Ambos os programas atendem a ASHRAE 140 – BEST TEST
(DESIGNBUILDER, 2010). Com as saídas gráficas mais práticas, algumas funções de entrada de dados do DesignBuilder são mais genéricas que o EnergyPlus a exemplo da caracterização do coeficiente de rugosidade do entorno e dos coeficientes de pressão.
Figura 2-22 – Exemplo da plataforma Gráfica do software DesignBuilder
Fonte: Rodrigues (2014)
externo, temperatura radiante média, temperatura operativa, consumo de energia, dentre outros (DESINGBUILDER, 2010).
As simulações podem ser realizadas para atender a alguma norma ou regulamento específico devendo para isso ser inserido os dados de entrada conforme os parâmetros e padrões especificados por estes, a exemplo das simulações do RTQ-R, que determinam a classificação do nível de eficiência energética da envoltória pelo método de simulação a partir da inserção de uma série de dados pré-determinados. Os dados de saída das simulações podem ser analisados conforme tais regulamentos ou também por meio dos métodos de conforto adaptativo, que utilizam os dados de temperatura operativa considerando o efeito benéfico da ventilação para o conforto térmico das edificações. O método de conforto adaptativo é recomendado para edifícios ventilados naturalmente de clima quente-úmido, como Natal/RN, onde as duas principais recomendações para obtenção do conforto térmico são a ventilação natural abundante e o sombreamento das aberturas (NEGREIROS, 2010).
2.3.2 Método de conforto adaptativo
Para a análise de conforto térmico de ambientes naturalmente condicionados Negreiros (2010) verifica que o método de conforto adaptativo de De Dear e Brager (2002), que se utiliza da influência do movimento do ar, é o mais indicado para locais de clima tropical quente úmido, como Natal/RN. Este é o modelo no qual se baseia a ASHRAE Standard 55-2010 (ASHRAE, 2010) para ambientes ventilados naturalmente. A ocorrência de conforto térmico segue a ASHRAE Standard 55-2010 (ASHRAE, 2010), e a influência do movimento do ar sobre a elevação do limite da temperatura de desconforto ao calor adota os parâmetros da ASHRAE Standard 55-2010 (ASHRAE, 55-2010). Os resultados são apresentados conforme proposto por Negreiros (2010) a partir de faixas percentuais das horas ao ano classificadas em conforto, conforto quando existe movimentação de ar, desconforto ao frio e desconforto ao calor, permitindo identificar essa distribuição ao longo do ano, os horários de pico e a intensidade do nível de desconforto (Figura 2-23).
