Cartilha Bioclimática para o município de Sinop-MT
Bioclimatic Handbook for the city of Sinop-MT
Emília Garcez da Luz1, Érika Fernanda Toledo Borges Leão2
Resumo: A arquitetura bioclimática se baseia na análise do clima e de recursos naturais para alcançar o conforto humano por meio do projeto e da construção. O conhecimento das condições climáticas externas com o intuito de estabelecer requisitos para projetos depende de dados meteorológicos, os quais, em muitos casos, não estão disponíveis ou não são direcionados à profissionais da área da construção civil, carecendo de um prévio tratamento estatístico para sua aplicação. Portanto, o objetivo deste trabalho consistiu na geração de uma base requisitos para projetos com princípios sustentáveis para o município de Sinop-MT. Para tanto, dados fornecidos pela estação automática do Intituto Nacional de Meteorologia (Inmet) foram tratados e posteriormente compilados em arquivos climáticos com base no ano de referência de 2007, o TRY e o CSV, cujos dados ausentes foram obtidos por meio de equações psicrométricas. Os arquivos foram utilizados como dados de input para a plotagem da carta bioclimática, da carta solar e da rosa dos ventos, fornecendo estratégias e parâmetros de projeto. Verificou-se que o município apresenta duas estações distintas: verão úmido, com ventos predominantes nas orientações norte e noroeste; e inverno seco, com ventos predominantes nas orientações leste e sudeste. O relatório geral indicou 72,8% das horas do ano em desconforto, e as estratégias mais indicadas foram de sombreamento (93,2%), ventilação (57,7%), alta inércia para resfriamento (25%) e resfriamento evaporativo (24,1%).
Palavras-chave: arquitetura bioclimática; dados meteorológicos; arquivos climáticos; estratégias.
Abstract: Bioclimatic architecture is based on analysis of climate and natural resources to achieve human comfort through design and construction. The knowledge of the external climatic conditions in order to establish requirements for projects depends on meteorological data, which in many cases are not available or are not directed to professionals in the field of construction, requiring a previous statistical treatment for their application. Therefore, the scope of this work was to generate a base of requirements for projects with sustainable principles for the city of Sinop-MT. For this purpose, data provided by the automatic station of Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) were treated and then compiled in climatic files based on the reference year 2007, TRY and CSV, whose missing data were obtained by psychrometric equations. The files were used as input data for plotting the bioclimatic chart, solar chart and wind rose, providing strategies and design parameters. It was verified that the city has two distinct stations: wet summer, with prevailing winds in the north and northwest orientations; and dry winter, with prevailing winds in the east and southeast orientations. The general report indicated 72.8% of the hours of the year in discomfort, and the most indicated strategies were shading (93.2%), ventilation (57.7%), high inertia for cooling (25%) and evaporative cooling (24.1%).
Keywords: bioclimatic architecture; meteorological data; climate files; strategies.
1 Introdução
O uso intensivo de sistemas de iluminação e de climatização artificial trouxeram agravantes ao setor energético nos períodos da crise do petróleo em 1973 e do crescimento da população nos centros urbanos na década de 80, que, em resposta, teve de aumentar sua produção de eletricidade para atender a demanda de consumo. Diante de tais dificuldades no setor, o Relatório de Brundtland apresentou, na década de 80, o conceito de desenvolvimento sustentável, com temas associados aos sistemas compreendidos pela Construção Civil.
Diante desse quadro, a arquitetura bioclimática – que teve incorporação reduzida em projetos nos anos 1950 devido à ampla utilização de sistemas de condicionamento de ar – ressurgiu na década de 1990, dado o reconhecimento dos benefícios na redução dos impactos ambientais e na mitigação dos efeitos do aquecimento global (WATSON; MILNE, 1998), pois permite que a edificação tire proveito do clima quando
este a favorece e a protege quando o mesmo é desfavorável (ROSELUND, 2000).
Os padrões construtivos e arquitetônicos são amplamente influenciados por conceitos naturais, em sua grande maioria importados de outras localidades, o que faz com que sejam vinculados precariamente à realidade cultural e econômica de onde se procura inserir a edificação (LASCALA apud OBATA, 2016, p. 22). Como resultado, essas construções oferecem condições precárias de clima interno da edificação, interferindo no conforto, saúde e eficiência energética. (ROSELUND, 2000).
No Brasil, o consumo de energia elétrica nas edificações residenciais e comerciais, de serviço ou públicas, corresponde a aproximadamente 50% do total de eletricidade consumida no país (PROCEL Info, 2016). Segundo Romero (2016), citado por Obata (2016, p. 21), as residências no Brasil não estão preparadas para as condicionantes climáticas exteriores, seja no inverno ou no verão. O principal responsável pelo desperdício de energia no país é o uso da mesma para resfriamento sem controle da eficiência da envoltória (PESSOA et al., 2013). A má orientação da edificação e o desenho inadequado de suas fachadas geram um consumo de 25 a 45% da energia consumida, sendo que 20 a 30% do total consumido seriam suficientes para o funcionamento de uma edificação (MASCARÓ, 1992).
1Acadêmica de Engenharia Civil, Universidade do Estado de
Mato Grosso, Sinop-MT, Brasil, [email protected]
2Doutora, Professora, Universidade do Estado de Mato
Sendo assim, o conhecimento das condições climáticas externas para se estabelecer requisitos básicos visando redução do consumo energético e o aumento do conforto do usuário é premissa básica para a elaboração de projetos. No entanto, tais condições dependem de dados meteorológicos, os quais muitas vezes não estão disponíveis ou não são direcionados para solucionar problemas de projetos de edificações (GOULART et al., 1998).
O escopo deste projeto, portanto, está relacionado à geração de dados e requisitos que sirvam de referência para a elaboração de projetos de arquitetura para o município de Sinop-MT, o qual apresenta relevância histórica na formação da rede urbana do norte do estado e exerce papel de polo sub-regional. Os novos vetores de crescimento da cidade - como, por exemplo, o aeroporto, a Embrapa e as instituições de ensino superior, principalmente –, aliados à expansão do agronegócio, são expressivos no processo de expansão urbana, como constatado por Macedo e Ramos (2015). Tais fatores impõem obstáculos no que se refere à oferta de infraestrutura urbana, pois verifica-se que, no Mato Grosso, apesar da elaboração e aprovação de Planos Diretores, leis complementares e instrumentos na última década em muitos municípios do estado, há pouco alcance dessa legislação nas decisões tomadas pelo poder público no que se refere aos desafios frente à introdução de opções que visem a sustentabilidade ambiental. (SANCHES, 2015). Deste modo, a elaboração da Cartilha Bioclimática para o município de Sinop-MT tem como objetivo a divulgação de intervenções construtivas que estejam em conformidade com as condições climatológicas locais – estas que serão determinadas a partir de arquivos climáticos com dados fornecidos por estações automáticas – a fim de facilitar a adoção de estratégias passivas na elaboração de projetos e, consequentemente, obter edificações mais eficientes energeticamente e que, naturalmente, promovam o conforto e o bem-estar do usuário.
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Arquivos climáticos
Grande parte das simulações tem como objetivo testar possibilidades de projeto alternativas contra dados de períodos relativamente curtos que caracterizem as condições climáticas típicas ou extremas para um local em questão (CLARKE, 2001).
Dentre as variáveis intervenientes no consumo energético estão os arquivos climáticos, cujos dados registram condições que representam na simulação o ambiente externo dentro do qual a edificação está inserida (CARLO, 2002).
Os arquivos climáticos possibilitam a criação de situações de referência para estudos paramétricos, cujo intuito é a otimização de estratégias e sistemas aplicados às edificações.
Uma das vertentes deste trabalho é a elaboração de arquivos climáticos com dados in loco - que passarão por um processo de tratamento de dados - para sua utilização na geração de diagramas auxiliares, os quais servirão de parâmetros para a elaboração da Cartilha Bioclimática de Sinop-MT.
2.2 Tratamento de dados
Conforme Carlo & Lamberts (2005), a dificuldade de obtenção de dados climáticos horários de qualidade, decorrentes da imprecisão dos registros do clima, falhas nos equipamentos ou interrupção das medições, é ainda prejudicada pela escassez de dados que meçam a radiação solar, que limitam a análise de desempenho térmico de edificações no Brasil. Dessa maneira, a geração de arquivos climáticos com esta finalidade deve envolver o tratamento dos dados para ajuste de falhas nos registros e para o desenvolvimento de modelos que representem parâmetros que não foram medidos, para então serem compilados no formato de escolha.
Em sequência, serão apresentadas algumas das metodologias utilizadas no tratamento de dados para geração de arquivos climáticos, as quais são de interesse para o desenvolvimento da metodologia deste projeto.
2.2.1 TRY
O Test Reference Year (TRY), ou Ano Climático de Referência, é um conjunto de dados climáticos de uma determinada localidade durante o período de um ano típico, com 8760 horas. O procedimento de determinação do ano é descrito por Stamper (1977) e consiste na seleção do ano a partir da eliminação de uma série de anos contendo meses com temperaturas extremas (altas e baixas), até a permanência de um ano, somente (CRAWLEY; HUANG, 1997).
O arquivo reúne informações como temperatura de bulbo-seco, temperatura de bulbo úmido, ponto de orvalho, direção e velocidade do vento, pressão barométrica, umidade relativa, dados de tipo e de cobertura de nuvem e marcação para radiação solar. O arquivo TRY não deve ser confundido com um arquivo com extensão try (*.try). De acordo com Carlo e Lamberts (2005), “o TRY é uma série de dados tratados conforme uma metodologia e representa uma situação referencial do clima do local analisado, enquanto o arquivo com extensão try é um formato para uso específico em um programa computacional, sendo de difícil visualização”.
O TRY, também, pode ser utilizado como parâmetro na confecção da carta bioclimática no software Analyisis-BIO, fornecido pelo Laboratório de Eficiência Energética (LabEEE), utilizando dados de temperatura de bulbo seco (TBS) ou temperatura de bulbo úmido (TBU) e umidade relativa (UR) para composição dos eixos do diagrama psicrométrico. Parte da metodologia deste trabalho será estruturada com base no software citado e no arquivo TRY referente ao município de Sinop, MT.
2.2.2 CSV
O arquivo CSV não deve ser confundido com o formato de extensão *.csv. De acordo com o LabEEE (2017), o arquivo CSV é composto de dados obtidos de arquivos TRY, porém com dados horários de radiação solar calculadas a partir da nebulosidade horária. São arquivos que possuem um cabeçalho próprio e apresentam compatibilidade com planilhas eletrônicas, com formato de extensão *.csv, permitindo a manipulação de dados.
As informações devem ser separadas por vírgula e sem aspas, e os números com casas decimais devem ser
separados por ponto. A extensão *.csv, por sua vez, é uma opção disponível no software de planilha Microsoft Excel, e compreende a separação de dados por vírgulas.
O software Analysis SOL-AR, disponibilizado pelo LabEEE, utiliza o arquivo CSV como input, fornecendo a carta solar, com opções de temperaturas e radiações ao longo do ano, e a rosa dos ventos, com opções de velocidades predominantes e frequência de ocorrência dos ventos para as quatro estações, em 8 orientações. Parte da metodologia deste trabalho será pautada nos diagramas fornecidos por esse programa.
3 Metodologia
A metodologia desse trabalho foi subdividida em algumas etapas que auxiliaram sua organização em uma sequência lógica. As etapas compreendem os procedimentos adotados para tratamento dos dados in
loco para a elaboração dos arquivos climáticos e para
obtenção dos diagramas que sustentarão os resultados desta metodologia. A Figura 1, a seguir, apresenta a metodologia esquematizada.
Figura 1. Metodologia esquematizada. Fonte: Autoria própria, 2017.
3.1 Caracterização do clima
Para uma análise acurada, é necessário caracterizar o clima e definir os critérios a serem utilizados na pesquisa. Assim, buscou-se a caracterização do clima baseada em Moreno e Riga (2005), em que a faixa climática compreendida por Sinop, MT, se trata da Unidade Climática Equatorial Continental. Nessa faixa estão contidas latitudes entre, aproximadamente, 7°30’S a 13°30’S e longitudes entre 51° a 61°30. No caso de Sinop, a latitude e a longitude da estação automática do Inmet, cujos dados fundamentaram esta pesquisa, é de 11°58’S e 58°33’, respectivamente, com altitude de 371 m.
Segundo os autores, a maior parte desta extensão é formada por terras baixas, com altitude entre 100 a 400 m, entrecortadas longitudinalmente por planaltos e chapadas, com altitudes entre 400 a 600 metros. Em vista disso, os climas quentes - com temperatura média anual acima de 24°C, superúmidos, com total anual de chuva superior a 1.800 mm, e pequena estação seca,
de 3 a 4 meses, com precipitação total mensal inferior a 100 mm - são predominantes na região.
A unidade climática ainda é dividida em três subunidades, I-A, I-B e I-C, das quais foi adotada a unidade I-B para esta pesquisa. Esta unidade compreende faixas de altitude entre 200 a 400 m, com temperaturas médias anuais variando entre 24,3° e 26,8°C e totais pluviométricos médios oscilando entre 1.800 e 2.200 mm, sendo a estação chuvosa concentrada nos meses de janeiro, fevereiro e março. A Tabela 1 traz o resumo das características referentes à zona utilizada para esta pesquisa.
Tabela 1. Clima Equatorial Continental: subunidade I-B.
Relevo Altitude (m) 200-400 Temperatura anual (°C) Média anual 26,8 – 24,3 Janeiro 25,6 – 24,3 Julho 26,7 – 22,5
Precipitação (mm) Total anual 1.800 a 2.200
Estação chuvosa out – mar
Trimestre + chuvoso jan – fev - mar
Estação seca abr – set
Fonte: Adaptado de Moreno e Riga, 2005.
Portanto, neste projeto foram convencionadas duas estações principais para o município de Sinop, MT: inverno seco e verão úmido. O inverno seco corresponde aos meses da estação seca, de abril a setembro, enquanto o verão úmido foi atribuído ao período correspondente aos meses da estação chuvosa, de outubro a março.
3.2 Tratamento de dados de TBS
A primeira etapa para a geração dos arquivos climáticos para o município de Sinop, MT, consistiu no tratamento dos dados de TBS fornecidos pelo Inmet, correspondentes ao período de outubro de 2006 a outubro de 2016, configurando uma amostra de dez anos. Os dados foram coletados pela estação automática do Inmet, localizada a 47,8 km do município.
Com o auxílio de uma planilha eletrônica, os dados foram organizados para o horário local, subtraindo-se quatro horas. Na, sequência, foram identificados os dados ausentes, que foram tratados com interpolação para períodos de até cinco horas consecutivas. Para intervalos com mais de cinco horas de dados ausentes, foi feita a análise dos dias posteriores e anteriores a estes e os espaços foram completados com seus referentes ao mesmo horário e com tendência de variação similar durante o dia, conforme metodologia adotada por Loureiro (2003). Para períodos em que as lacunas de dados se prolongaram por vários dias consecutivos, seus meses correspondentes foram descartados, em concordância com a metodologia adotada por Grigoletti et al. (2015). Sendo assim, os seguintes meses foram descartados: outubro de 2006; maio, junho, julho e agosto de 2011; abril e dezembro de 2013; janeiro, fevereiro, março, abril e maio de 2014; e julho e outubro de 2015. Os anos correspondentes aos meses descartados também foram desconsiderados, sabendo-se que o TRY deve corresponder a um ano real, portanto, com dados completos para as 8760 horas do ano.
3.2 Geração da carta bioclimática
3.2.1 Determinação do TRY
Com os anos restantes, foram obtidas as médias mensais de suas TBS correspondentes e seguiu-se para o procedimento de determinação do TRY, descrito
por Stamper (1977). Assim, os meses foram classificados por ordem de importância energética, listando-se o mês mais quente da amostra seguido do mês mais frio, prosseguindo-se para os meses mais quentes e mais frios remanescentes. Não houve necessidade de fazer o processo inverso, que consiste na listagem do mês mais frio seguida do mês mais quente, seguindo o processo para os meses restantes, pois esse tratamento utilizou uma amostra de dados reduzida quando comparada à recomendada pela
World Meteorological Organization (30 anos) devido à
quantidade limitada de dados para o município de Sinop, MT. Na Tabela 2 e 3 estão listados os critérios de seleção do TRY.
Tabela 2. Temperaturas médias mensais dos anos 2007, 2008, 2009, 2010 e 2012. Mês 2007 2008 2009 2010 2012 Janeiro 25,0 24,0 24,9 24,5 23,8 Fevereiro 24,7 24,0 24,8 25,6 24,4 Março 25,9 24,4 25,4 25,6 24,8 Abril 25,7 24,7 24,8 25,6 25,1 Maio 24,8 24,1 24,5 25,0 24,3 Junho 25,2 24,1 24,0 25,2 24,8 Julho 24,8 25,2 25,3 24,7 24,8 Agosto 25,8 27,5 26,3 25,8 26,4 Setembro 27,2 26,9 26,1 28,1 27,4 Outubro 26,2 26,2 26,0 26,7 26,9 Novembro 25,4 25,1 25,6 25,4 25,2 Dezembro 24,6 24,4 24,3 24,9 25,1 MÉDIA 25,4 25,1 25,2 25,6 25,3 3° +Q 2° +Q 2° +F 1° +Q 1° +F
Fonte: Autoria própria, 2017. Tabela 3. Sequência de eliminação de anos. Ordem de
eliminação Classificação TBS Mês/Ano
1 +Q 28,1 Set/2010
2 +F 23,8 Jan/2012
3 +Q 27,5 Ago/2008
4 +F 24,0 Jun/2009
5 +Q 27,2 Set/2007
Fonte: Autoria própria, 2017.
Dessa maneira, obteve-se o TRY para o ano de 2007, utilizado como parâmetro para a confecção dos arquivos climáticos, cujas variáveis serão descritas mais adiante.
3.2.2 Geração do arquivo *.try
Nesta etapa, será utilizado o software Analysis-BIO, disponibilizado pelo LabEEE, que fornecerá a carta bioclimática para o município de Sinop-MT.
Após determinado o TRY, deu-se sequência ao tratamento de dados ausentes da umidade relativa referentes ao ano de 2007. Na sequência, os dados foram dispostos em duas colunas na planilha eletrônica, sem espaçamento ou vírgulas separando os fatores climáticos, que foram transferidas para um editor de texto com extensão *.txt e o arquivo foi salvo para ser utilizado na etapa seguinte.
No software Analysis-BIO, foi selecionada a opção “Gerar TRY” no menu “Ferramentas”, que abriu uma janela para inserção de informações necessárias para sua geração. Foi, então, selecionado o arquivo de texto a ser lido, com dado de latitude preenchido manualmente, seguido da seleção da normal climatológica utilizada para geração do arquivo – neste caso, U.R. (Umidade Relativa), clicando-se em “OK” na sequência para gerar o TRY.
3.2.3 Plotagem da carta bioclimática
Ainda no software Analysis-BIO, no menu “Opções” selecionou a opção “AnáliseBioclimática-TRY”, em que o arquivo TRY foi escolhido para geração da carta bioclimática. O programa, em um primeiro momento, fornece a carta psicrométrica vazia, permitindo a exibição dos dados psicrométricos para o ano todo, em dias/horas específicos, estações do ano, entre outros, no menu “Opções”, logo ao lado da carta.
Assim, obteve-se a carta bioclimática para o TRY de 2007, com possibilidade de apresentar dados psicrométricos para o ano todo, dias/horas específicas, estações do ano ou mesmo médias diárias e mensais, além de máximas e mínimas dos dados plotados.
3.3 Geração do arquivo CSV
Para a geração da carta solar e da rosa dos ventos, foi necessário desenvolver o arquivo climático de inserção no software Analysis SOL-AR, o CSV, em razão da ausência do mesmo para o município de Sinop, MT. O arquivo foi feito com base nas normais climatológicas disponibilizadas pelo Inmet, que se apresentaram insuficientes para elaboração completa do arquivo, como será tratado na sequência.
3.3.1 Cálculo de variáveis sem registros
O arquivo csv apresenta um cabeçalho que compreende 19 variáveis climatológicas, dentro das quais apenas 11 estão disponíveis com base em dados
in loco fornecidos pelo Inmet, como mostra a Figura 2.
Figura 2. Cabeçalho do arquivo csv, com variáveis ausentes destacadas. Fonte: Adaptado de Carlo & Lamberts, 2005.
Assim, fez-se necessário obter as propriedades psicrométricas ausentes a partir das variáveis disponíveis. As propriedades psicrométricas foram calculadas, com auxílio de uma planilha eletrônica, segundo as metodologias a seguir:
a) Wilhelm (1976): Pvs;
b) Hermann et. al (2009), citado por ASHRAE (2009): Pv, Uabs, E, v e ρ;
c) Jensen et. al (1990), citado por Kuemmel (1998): índices g e d e Tbu;
d) Liu & Jordan (1960), citados por Duffie & Beckman (2013): Ib;
e) Duffie & Beckman (2013): I0, Id e Ibn;
Ademais, para composição do arquivo csv, foi necessário adotar a média diária da nebulosidade correspondente à Gleba Celeste, à 83,6 km de Sinop, devido à ausência de dados de cobertura de nuvens na estação do município, sendo esta, então, a estação mais próxima. A nebulosidade, indicada em décimos, foi fornecida para três períodos do dia em Tempo Universal Coordenado, do inglês Universal Time
Coordinated (UTC), cujos dados foram passados pro
horário local e, com eles, foi calculada a média diária, sendo adotada para seus respectivos dias para melhor aproximação. A média anual teve valor correspondente a 4,56 décimos.
3.3.2 Geração do arquivo csv
Após encontradas as variáveis ausentes, todos os dados foram dispostos em colunas, na sequência apresentada no cabeçalho. Em seguida, os dados foram transpostos para linhas e, então, compilados em outra planilha com formatação compatível à do arquivo csv, que foi salva com extensão *.csv, disponível dentre as opções de extensão do programa.
3.4 Inserção no Analysis SOL-AR e plotagem da carta solar e da rosa dos ventos
Finalizada a etapa de geração do arquivo csv, seguiu-se pra inseguiu-serção do arquivo no software Analysis SOL-AR selecionando-se a opção “Incluir Nova Cidade” no menu “Arquivo” do programa. O programa abre uma janela, na qual foi selecionado o arquivo gerado na opção “Buscar”, seguido de “Incluir Cidade”.
Para a plotagem da carta solar, marcou-se a opção “Carta Solar” no menu “Arquivo” e então selecionou-se a cidade de Sinop, correspondente ao arquivo inserido. O programa apresenta, então, o diagrama solar, cuja visualização pode ser apresentada de acordo com as temperaturas durante o ano, a radiação global horizontal ou a radiação direta normal.
Para a rosa dos ventos, marcou-se a opção “Rosa dos Ventos” no menu “Arquivo”, que pode ser visualizada com relação às velocidades predominantes ou para com a frequência de ocorrência dos mesmos.
4 Análise dos resultados
Nesta pesquisa, foram obtidos três diagramas a partir dos dados climáticos medidos in loco, os quais serão apresentados separadamente a fim de oferecer uma análise paramétrica detalhada, que servirá de referência para a confecção da Cartilha Bioclimática. A partir dos dados disponibilizados, foram obtidas médias anuais das variáveis mais significativas durante a etapa de tratamento de dados, indicadas na Tabela 4.
Tabela 4. Médias anuais das variáveis climatológicas do TRY. Média anual TBS (°C) 25 TBU (°C) 23 Patm (kPa) 97 U.R. (%) 70 Velocidade Vento (m/s) 2,0
Direção do vento (graus) 165,1
Radiação Global Extraterrestre (W.h/m²) 421
Radiação Direta Normal (W.h/m²) 233
Radiação Global Horizontal (W.h/m²) 221
Radiação Direta (W.h/m²) 196
Radiação Difusa (W.h/m²) 26
Fonte: Autoria própria, 2017.
Os dados obtidos para o TRY de 2007 atenderam, também, à todos os parâmetros climáticos adotados e abordados na metodologia, com temperatura média de 25°C e precipitação total anual de 1906.8 mm. Foram gerados gráficos a partir dos principais dados climáticos utilizados como parâmetro na exibição dos diagramas, apresentados posteriormente com maior
detalhamento, que atestaram os critérios retratados previamente na caracterização do clima. Na Figura 3, estão representados graficamente os dados de médias mensais de TBS e TBU no eixo vertical, comparados aos dados de médias mensais de umidade relativa - plotados no eixo vertical secundário – ao longo do ano de 2007.
Figura 3. Médias mensais de TBS e TBU em relação à umidade relativa. Fonte: Autoria própria, 2017.
Na Figura 4, estão apresentados, em forma de gráfico, os dados de médias mensais de velocidade e de rajada máxima do vento, plotados no eixo vertical primário, comparados às médias mensais de dados de umidade relativa (eixo secundário), ao longo do ano. Foram verificadas velocidades e rajadas de vento mais elevadas para períodos com índices mais baixos de umidade relativa.
Figura 4. Médias mensais de velocidade e de rajada máxima do vento em relação à umidade relativa. Fonte: Autoria
própria, 2017.
Com relação à frequência de ocorrência das temperaturas ao longo do ano, verificou-se que a temperatura mais recorrente no município é a de 22°C, com 13,61% de frequência, seguida pelas temperaturas de 23, 21 e 24°C, com frequências de ocorrência de 11,72%, 8,94% e 8,82%, respectivamente. Além disso, notou-se que, apesar de apresentarem menor frequência de ocorrência comparadas às citadas anteriormente, as temperaturas que vão até 33°C apresentam relevância na composição da curtose, como observado na Figura 5.
Figura 5. Frequência de ocorrência de TBS no município. Fonte: Autoria própria, 2017.
Em seguida, pode-se proceder para a análise dos diagramas.
4.1 Carta bioclimática
O output do software Analysis-BIO forneceu as estratégias para todo o ano climático de referência, ano de 2007, conforme a Tabela 5. Os dados foram plotados em pontos na Carta Bioclimática, que pode ser visualizada na Figura 6.
Tabela 5. Estratégias bioclimáticas indicadas para o ano todo, em porcentagem. Ano todo - 2007 Dia e mês inicial: 01/01 Dia e mês final: 31/12 Total de horas: 8760 Pressão: 101,13 kPa Estratégia % Conforto 27,2
Desconforto Calor Ventilação 57,7
Alta Inércia p/ Resfr. 25
Resfr. Evaporativo 24,1
Ar Condicionado 0,274
Frio Alta Inércia/Aquec. Solar 4,6
Aquec. Solar Passivo 0,16
Aquec. Artificial 0,0114
Umidificação 0
Sombreamento 93,2
Fonte: Adaptado do software Anaylisis-BIO, 2017.
Figura 6. Carta bioclimática de Sinop-MT. Fonte: Software Analysis-BIO, 2017.
Os dados climáticos plotados cujas zonas estão situadas em temperaturas acima de 20°C são aquelas em que o sombreamento é imprescindível, conforme Lamberts et. al (2014). Nota-se que, na carta psicrométrica, há uma ocorrência maior de dados em temperaturas acima de 20°C, o que comprova a porcentagem expressiva de horas do ano em que o sombreamento é recomendado. Dessa maneira, as estratégias de sombreamento devem ter relevância na
fase de elaboração de projetos no município de Sinop-MT.
De forma análoga, nota-se uma quantidade significante de pontos englobados pela zona de ventilação. Há, também, grande concentração de dados com temperaturas entre 20°C e 25°C e com umidade relativa acima de 80%, o que indica que o projeto deve contemplar ventilação cruzada, principalmente para orientações em que há grande incidência de radiação solar e no verão.
Com relação à temperatura média durante o ano, as temperaturas de maior incidência observadas foram de 22° e 23°C, com frequências variando de 12 a 13% do total de horas do ano, seguidas da temperatura de 24°C, por volta de 10% de ocorrência no mesmo período.
Também foram plotados os diagramas referentes aos meses das estações de verão úmido (Figura 7) e inverno seco (Figura 8), com intuito de ressaltar as estratégias necessárias para os períodos determinados previamente.
Na carta obtida para os meses de verão (outubro – março), foram observadas grandes concentrações de dados nas zonas que compreendem ventilação e alta inércia térmica, principalmente, conjugadas ou não - essa última podendo estar conjugada ao resfriamento evaporativo. Isso ocorre em função das altas temperaturas do período associadas aos elevados índices de umidade relativa, em sua maioria superiores a 70%. Isso indica que estratégias que contemplem ventilação cruzada são altamente recomendadas, visto que, nesta época do ano, retirar umidade de ambientes internos propicia maior conforto aos usuários. Deve-se atentar, entretanto, quando a ventilação está associada à alta inércia térmica, deve-se restringir a ventilação durante o dia para que não ocorra ganhos térmicos indesejados no interior da edificação. O sombreamento da edificação deve ser considerado durante o período integralmente.
As temperaturas registradas com maior frequência de ocorrência foram de 22° e 23°C, com índices de 16 a 18%.
Figura 7. Carta bioclimática plotada para os meses de verão úmido (outubro – março) em Sinop-MT. Fonte: Software
Analysis-BIO, 2017.
No diagrama obtido para os meses de inverno seco (abril – setembro), notou-se uma quantidade superior de dados horários plotados na zona de conforto quando comparados aos do diagrama dos meses de verão úmido. Neste diagrama, foram identificados dados com menores temperaturas e, consequentemente, índices mais baixos de umidade relativa. Assim como nos meses chuvosos, a ventilação e a alta inércia térmica
TBS [°C] TBU [°C ] U [g /k g ] UR [%]
UFSC - ECV - LabEEE - NPC
TBS [°C] TBU [°C ] U [g /k g ] UR [%]
são indicadas, porém esta última associada à resfriamento evaporativo, à ventilação ou à aquecimento solar. Também foi identificada uma parcela de dados pequena com indicação de que é necessário o aquecimento solar passivo em algumas horas do ano (apenas 14 horas). O sombreamento também é recomendado para a maior parte das horas do ano.
Figura 8. Carta bioclimática plotada para os meses de estação seca. Fonte: Software Analysis-BIO, 2017.
Por fim, os relatórios obtidos a partir dos três diagramas, plotados por períodos, foram organizados no quadro da Tabela 6, com valores em porcentagem.
Tabela 6. Quadro comparativo do relatório das estratégias por zonas bioclimáticas indicadas por período.
Estratégias/Período Ano todo
(%) Verão Úmido (%) Inverno Seco (%) 1. Conforto 27,2 12,8 41,6 2. Ventilação 42,4 66,8 18,2 3. Resfriamento Evaporativo 0,24 0,275 0,228 4. Ventilação/Alta Inércia 0,913 1,24 0,592 5. Ventilação/Alta I nércia/Resfr. Evaporativo 14,4 13,2 15,6
6. Alta Inércia Térmica p/
Resfriamento 0,251 0,458 0,0455
7. Alta Inércia/Resfriamento
Evaporativo 9,49 4,56 14,4
8. Alta Inércia Térmica/
Aquecimento Solar 4,6 0,137 9,04 9. Aquecimento Artificial 0,0114 0 0 10. Aquecimento Solar Passivo 0,16 0 0,319 11. Ar Condicionado 0,274 0,549 0 12. Sombreamento 93,2 99,9 86,5
Fonte: Adaptado do software Analysis-BIO, 2017.
4.2 Carta solar
O output do Analysis SOL-AR forneceu as cartas solares plotadas com temperaturas para os períodos com dados até 21 de junho, indo de 22 de dezembro a 21 de junho (Figura 9), e dados após 21 de junho, indo de 22 de junho a 22 de dezembro (Figura 11), delimitando duas estações distintas, com pontos de referência definidos a partir do solstício de verão (22 de dezembro) e do solstício de inverno (21 de junho). A leitura das cartas deve ser baseada nas cores representadas na Figura 10.
A carta solar para o município de Sinop-MT, cuja latitude usada como referência é de 11°58’S, apresenta, de forma geral, maior curvatura para os meses da estação de verão, indicando maior duração da radiação solar durante o dia, portanto maior necessidade do uso de sombreamento nos períodos compreendidos por esses meses. À medida em que se aproxima dos meses de inverno, a trajetória solar encurta, indicando menor incidência de radiação solar ao longo do dia.
No que se refere às temperaturas, na carta solar com dados até 21 de junho, notam-se temperaturas entre 20 e 25 graus nos horários entre 6 e 8 h e 17 às 18 h, denotando períodos mais amenos de temperatura. O sombreamento deve ser priorizado, principalmente, nos períodos em que a temperatura supera 25°C, em horários de pico de radiação, localizados entre às 9 e 15 h. Foram verificadas temperaturas variando de 14° e 20°C apenas em uma faixa estreita da carta solar, próximo ao dia 21 de maio, entre 6 e 8 h e entre 16 e 18 h.
Figura 9. Carta solar para o município de Sinop-MT, com visualização das temperaturas, para o período de 22 de dezembro até 21 de junho. Fonte: Software Analysis
SOL-AR, 2017.
Figura 10. Legenda de temperaturas plotadas na carta solar. Fonte: Analysis SOL-AR, 2017.
Na carta solar delimitada para dados após 22 de junho, verifica-se maior incidência de temperaturas superiores a 25°C ao longo do dia, sobretudo nos meses de junho a outubro, cujas elevadas temperaturas são características dos mesmos. O sombreamento é ainda mais desejável para períodos de maior incidência de radiação solar, com alcance de elevadas temperaturas até às 18 h. Tal qual no diagrama anterior, foi verificado um pequeno número de ocorrências de temperaturas entre 14° e 20°C, que ficaram restritos a períodos entre 6 h e 8 h. TBS [°C] TBU [°C ] U [g /k g ] UR [%]
Figura 11. Carta solar para o município de Sinop-MT, com visualização das temperaturas, para o período de 22 de junho até 22 de dezembro. Fonte: Software Analysis
SOL-AR, 2017.
No que concerne às orientações, não são recomendadas fachadas com maiores extensões voltadas à leste e à oeste, visto que tais orientações recebem elevada insolação por longos períodos durante o ano todo, portanto, uso de vegetação como barreira e de proteções horizontais e verticais são recomendados. As fachadas voltadas à orientação norte demandam de proteções horizontais, ou que protejam a insolação zenital, como brises ou pergolados, durante o ano todo. Já as fachadas voltadas à orientação sul são recomendadas, pois, conforme os diagramas, são as que recebem insolação com temperaturas mais amenas em relação às outras orientações, requerendo proteções verticais, ou, por exemplo, uso de vegetação como barreira, quando necessário.
4.1 Rosa dos ventos
O output do Analysis SOL-AR forneceu as rosas dos ventos plotadas para as opções de velocidades predominantes do vento (Figura 12) e frequência de ocorrência de ventos (Figura 13) para oito orientações, nas quatro estações do ano.
Na rosa dos ventos plotada para a opção de velocidades predominantes do vento, verificaram-se velocidades médias de 1,84 e 2,34 m/s, para todas as orientações, nas estações de outono e inverno, respectivamente. Ambas delimitam os meses de estação de inverno seco - determinados no início desta metodologia - em que se verificam menores índices de umidade relativa na atmosfera, propiciando ventos de velocidades mais elevadas, principalmente, nos meses referentes à estação de inverno apresentada no software. Por outro lado, as estações de primavera e verão, que delimitam os meses da estação de verão úmido, apontaram velocidades médias, para todas as orientações, de 2,11 e 1,79 m/s, respectivamente, em cujos meses há maior incidência de chuvas, portanto, maior umidade relativa presente na atmosfera. As orientações leste, sudeste, sul e sudoeste apresentaram velocidades médias elevadas para os meses da estação de inverno seco, entre 1,94 e 2,22
m/s para os meses de outono, e entre 2,56 e 2,98 m/s para os meses de inverno. Por sua vez, na estação de verão úmido, foram verificadas velocidades médias elevadas no verão para as orientações norte e noroeste, com velocidades de 2,21 e 2,37 m/s, respectivamente, e velocidades médias entre 2,23 a 2,6 m/s respectivamente para as orientações noroeste, norte e sudoeste para a primavera. A orientação nordeste apresentou baixas velocidades médias para o ano todo.
Figura 12. Rosa dos ventos para o município de Sinop-MT, na opção de velocidades predominantes por direção. Fonte:
Software Analysis SOL-AR, 2017.
Com relação à rosa dos ventos plotada para a opção de frequência de ocorrência dos ventos, verificou-se que as orientações que apresentaram maior frequência de ocorrência para a estação definida como inverno seco foram leste e sudeste, respectivamente com 22,91 e 28,8% para o outono, e 25,31 e 33,36% para o inverno. No que se refere ao período definido como verão úmido, foram verificas elevadas frequências de ocorrência para as direções noroeste, norte, nordeste e leste, tanto para a primavera, com frequências entre 12,89 a 15,91%, quanto para o verão, com frequências entre 15,63 e 17,75%. A orientação oeste foi a que apresentou menor frequência de ocorrência de ventos ao longo do ano.
Figura 13. Rosa dos ventos para o município de Sinop-MT, na opção de frequência de ocorrência dos ventos. Fonte:
Software Analysis SOL-AR, 2017.
Portanto, os dados apresentados acima devem ser parâmetro ao contemplar edificações com o uso de ventilação cruzada. De forma prática, indica-se o uso de ventilação cruzada durante a estação de verão úmido, por exemplo, no sentido das orientações com maior velocidade e frequência de ocorrência, ou seja, nas orientações norte e noroeste (e sudoeste na primavera), em direção às faces opostas, a fim de permitir a troca do ar e remover o excesso de umidade dos ambientes internos, mantendo a qualidade do ar interno e aumentando o conforto térmico dos usuários. No verão úmido, também, a ventilação cruzada é favorecida no período matutino e vespertino, quando há maior incidência dos ventos na atmosfera.
No inverno seco, por outro lado, deve-se atentar ao uso de ventilação cruzada nos períodos matutino e vespertino, em que há maior incidência dos ventos, podendo trazer desconforto aos usuários devido ao fato dessa estação apresentar mais partículas suspensas no ar. Dessa maneira, recomenda-se que, nestes casos, para as orientações leste e sudeste, a ventilação esteja associada ao uso de estratégias de resfriamento evaporativo, como espelhos d’água, microaspersores, entre outros, visando elevar a umidade relativa dos ambientes, especialmente nos meses que compõem o inverno. A ventilação no período da madrugada é recomendada, visto que há menor incidência dos ventos durante o período, principalmente durante o outono.
5 Conclusão
A metodologia aplicada neste trabalho forneceu dados representativos para o clima de Sinop-MT, com base em um intervalo de dez anos, que produziu o ano típico de referência correspondente ao ano de 2007. A partir deste ano, foi possível obter diagramas auxiliares utilizando de softwares livres, com os quais puderam-se extrair informações imprescindíveis para a elaboração de projetos no município.
Verificou-se que Sinop possui duas estações distintas, sendo elas verão úmido e inverno seco. Devido às elevadas temperaturas ao longo do ano, responsáveis
por grande parte do desconforto aos usuários de edificações, foram obtidas estratégias pertinentes à ambas estações, como, por exemplo, o uso de sombreamento na maior parte das horas do ano. Com relação às estratégias recomendadas para estações definidas previamente, decidiu-se, então, elencar quais são apropriadas para cada período, com intuito de minimizar as 72,8% horas do ano em desconforto, sem, necessariamente, utilizar de energia elétrica para este fim.
1. Verão úmido:
a) Propiciar a formação de microclimas através do uso de vegetação;
b) Projetar de maneira que as maiores dimensões da edificação se situem nas orientações norte e sul, distribuindo os ambientes de acordo com o tipo de uso e permanência;
c) Possibilitar a captação de vento nas orientações norte e noroeste por meio de árvores e arbustos, principalmente nos períodos matutino e vespertino;
d) Garantir ventilação cruzada dos ambientes mais ventilados para as orientações menos favorecidas com relação aos ventos, durante os meses de outubro a fevereiro; e) Bloquear a radiação solar com uso de brises
horizontais e verticais, varandas, vegetação, cobogós, entre outros, sem comprometer a captação do ar, ao longo de toda a estação; f) Utilizar de aberturas mais elevadas nas paredes ou na cobertura para permitir a ventilação pelo efeito chaminé em orientações com menor incidência de ventos nesse período, como oeste, sudoeste e sul, de forma que tais aberturas possam ser bloqueadas no período de seca;
g) Empregar fontes de água em pátios internos associados ao uso de aberturas, de maneira a potencializar as correntes de convecção; h) Usufruir de vegetação externa e interna, que
contemplem o sombreamento da edificação durante quase 100% das horas;
i) Dispor de ventilação mecânica quando não for possível obter a ventilação por meios naturais, sendo o uso de ar-condicionado recomendado para somente 24 horas durante toda a estação;
2. Inverno seco:
a) Utilizar de barreiras permeáveis (árvores, muros vazados, cobogós) nas orientações leste e sudeste a fim de permitir a ventilação cruzada sem causar desconforto devido ao deslocamento de partículas em suspensão; b) Dar preferência a paredes com alta inércia térmica associadas à ventilação noturna, principalmente nas faces de maior incidência solar;
c) Bloquear a radiação solar nas orientações norte e oeste com uso de vegetação e/ou de brises verticais associados à beirais ou brises horizontais associados à pergolados verticais, principalmente nos meses de junho a setembro;
d) Utilizar de aberturas zenitais e/ou massa térmica de forma que a radiação solar alcance ambientes com orientações menos favorecidas no período (sul e leste), a fim de
aquecê-los passivamente nas 411 horas – principalmente no mês de junho - em que o aquecimento se faz necessário;
e) Empregar sistemas de microaspersão na cobertura ou nas faces com maior incidência de radiação solar, em períodos com elevadas temperaturas e baixa umidade relativa (especialmente nos meses de agosto e setembro), nas 632 horas da estação em que o resfriamento evaporativo é requisitado;
f) Aplicação de vegetação na cobertura ou faces com elevada incidência solar, ou faces sudeste e leste, associadas às rajadas de vento, para resfriamento do ambiente; g) Uso de espelhos d’água ou fonte de água
em pátios internos, devidamente sombreados.
As diretrizes construtivas obtidas a partir da análise dos diagramas forneceram parâmetros que permitiram a determinação do escopo da cartilha a ser confeccionada para o município de Sinop-MT. Dessa maneira, a elaboração de projetos poderá ser feita a partir de uma base de dados precisa e representativa das condições locais, cujos critérios resultarão em edificações com maiores índices de conforto ao usuário e menor consumo energético.
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, à minha mãe, pelo exemplo de pessoa, mãe e amiga, e pelo suporte emocional e intelectual oferecido durante todos os anos de minha vida, e que foram determinantes para a forma como a encaminhei.
Agradeço à minha orientadora, Érika Borges Leão, por ter me oferecido a oportunidade de desenvolver um tema tão fascinante, cujo produto oferece retorno não só ao meio acadêmico, como também aos profissionais da área e à sociedade.
Agradeço ao meu namorado, Thiago Moreira Lima, que me deu assistência em todos os momentos, dos mais agradáveis aos mais penosos, me motivando e trazendo equilíbrio ao meu cotidiano, sem o qual eu padeceria.
Agradeço aos meus amigos que contribuíram de forma direta, como o Gabriel Oberon, que sem seus conhecimentos exímios em Excel minha pesquisa teria se prolongado por período incerto; e de forma indireta, que tornaram mais agradável todo o percurso, me incentivando e me oferecendo companheirismo: Jamilly Specht, Karoliny Arruda, Mateus Bavaresco, Caroline Scarsi, Gustavo Capeletti, Bárbara Sales, Kássio Nilo, Cristiane Rossato, João Bauer, Gustavo Maciel, Evellyn Dollenkei, Maria Lavínia, e todos os outros que a memória ou o cansaço não me permitiram recordar.
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