UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
EMÍLIA GARCEZ DA LUZ
CARTILHA BIOCLIMÁTICA PARA O MUNICÍPIO DE SINOP - MT
Sinop
2016/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
EMÍLIA GARCEZ DA LUZ
CARTILHA BIOCLIMÁTICA PARA O MUNICÍPIO DE SINOP - MT
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientadora: Prof.ª Dr.-Ing. Érika Borges Leão.
Sinop
2016/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Descrição Arquivos EPW (EnergyPlus Weather File). ... 29 Tabela 2 - Cabeçalho presente no arquivo climático de formato csv. ... 39
LISTA DE EQUAÇÕES
x vs =22105649,25*e P Equação 1 ... 39 100 * U = P r v vs P Equação 2 ... 40 d g * * g = Tbu po bs d T T Equação 3 ... 40 atm P * 0,00066 = g Equação 4... 40 2 po 237,3) (T * 4098 = d v P Equação 5 ... 40 v v P P atm abs P * 0,621945 = U Equação 6 ... 41 ) * 86 , 1 2501 ( * T * 1,006 = E bs Uabs Tbs Equação 7 ... 41 atm P ) * 1,607858 (1 * T * 0,287042 = v Uabs Equação 8 ... 41 abs U 1 v 1 = Equação 9 ... 42 d b =I-I I Equação 10 ... 42LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Carta Bioclimática adotada para o Brasil. ... 16
Figura 2 - Zona de Conforto. ... 17
Figura 3 - Zona de ventilação. ... 18
Figura 4 - Ventilação diurna e noturna. ... 18
Figura 5 - Zona de Inércia para resfriamento. ... 19
Figura 6 - Zona de esfriamento evaporativo. ... 19
Figura 7 - Zona de umidificação. ... 20
Figura 8 - Zona de aquecimento solar. ... 20
Figura 9 - Zonas de condicionamento artificial. ... 21
Figura 10 - Linha de sombreamento na carta bioclimática. ... 21
Figura 11 - Carta solar para a cidade de Porto Alegre-RS. ... 23
Figura 12 - Rosa dos ventos extraída do programa Analysis SOL-AR. ... 24
Figura 13 - Metodologia esquematizada. ... 32
Figura 14 - Etapa 1 de importação de texto do EPW para a planilha do Excel. ... 34
Figura 15 - Etapa 2 de importação de texto do EPW para planilha do excel - Delimitadores. ... 34
Figura 16 - Geração de arquivo TRY. ... 35
Figura 17 - Carta psicrométrica vazia. ... 36
Figura 18 - Janela "Filtros" com todas as opções de visualização. ... 36
Figura 19 - Carta bioclimática de Sinop-MT, com suas respectivas zonas. ... 37
Figura 20 - Carta solar para o município de Sinop – MT. ... 38
Figura 21 - Inclusão de nova cidade no software Analysis SOL-AR. ... 43
Figura 22 - Rosa dos ventos para Sinop-MT, na opção de velocidades predominantes dos ventos. ... 44
Figura 23 - Rosa dos ventos para Sinop-MT, na opção de frequência de ocorrência dos ventos. ... 44
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASCII - American Standard Code for Information Interchange
ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers BBCC - Building Bioclimatic Chart
CSV – Comma Separated Value EPW – EnergyPlus Weather File IEA – International Energy Agency
INMET – Instituto Nacional de Meteorologia
LabEEE – Laboratório de Eficiência Energética em Edificações NCDC - National Climatic Data Center
PROCEL Info: Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética ProjetEEE – Projetando Edificações Energeticamente Eficientes
TBS – Temperatura de Bulbo Seco TBU – Temperatura de Bulbo Úmido TMY – Test Meteorological Year TRY – Test Reference Year
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Carta Bioclimática para o município de Sinop-MT
2. Tema: 3.01.00.00-3 – Engenharia Civil
3. Delimitação do Tema: 3.01.01.00-0 – Construção Civil
4. Proponente: Emília Garcez da Luz
5. Orientadora: Prof.ª Dr.-Ing. Érika Borges Leão
6. Coorientador(a): Nome do Professor(a) que está coorientando o Projeto
7. Estabelecimento de Ensino: Universidade do Estado de Mato Grosso –
UNEMAT
8. Público Alvo: Acadêmicos de Engenharia Civil, profissionais da
Construção Civil e público interessado.
9. Localização: Avenida dos Ingás, 3001, Jardim Imperial – Sinop/MT, CEP:
78550-000.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 10 3 JUSTIFICATIVA... 11 4 OBJETIVOS ... 13 4.1 OBJETIVO GERAL ... 13 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14 5.1 INTRODUÇÃO ... 14 5.2 CARTA BIOCLIMÁTICA ... 15 5.2.1 Zonas bioclimáticas ... 16 5.2.1.1 Zona de conforto ... 17
5.2.1.2 Zona de ventilação natural ... 17
5.2.1.3 Zona de inércia térmica para resfriamento ... 18
5.2.1.4 Zona de resfriamento evaporativo e umidificação ... 19
5.2.1.5 Zona de aquecimento solar ... 20
5.2.1.6 Zonas de condicionamento artificial com isolamento térmico ... 20
5.2.1.7 Zona de sombreamento ... 21
5.3 CARTA SOLAR ... 22
5.4 ROSA DOS VENTOS ... 23
5.5 ARQUIVOS CLIMÁTICOS ... 24
5.5.1 TRATAMENTO DE DADOS CLIMÁTICOS ... 26
5.5.1.1 TRY ... 26 5.5.1.2 TMY ... 27 5.5.1.3 EPW ... 28 5.5.1.4 Arquivo CSV e extensão *.csv ... 30 5.6 SOFTWARES ... 30 5.6.1 Analysis-BIO ... 30 5.6.2 Analysis SOL-AR ... 31 6 METODOLOGIA ... 32
6.1 ETAPA 1: GERAÇÃO DA CARTA BIOCLIMÁTICA ... 32
6.1.2 Plotagem da carta bioclimática ... 36
6.2 ETAPA 2: GERAÇÃO DA CARTA SOLAR ... 37
6.3 ETAPA 3: GERAÇÃO DA ROSA DOS VENTOS ... 38
6.3.1 Geração do arquivo CSV ... 38
6.3.2 Plotagem da rosa dos ventos ... 42
6.4 ELABORAÇÃO DA CARTILHA BIOCLIMÁTICA ... 44
7 CRONOGRAMA ... 46
1 INTRODUÇÃO
As preocupações relacionadas ao consumo de recursos naturais e desenvolvimento sustentável têm sido assuntos recorrentes e emergem, principalmente, nos períodos de crise econômica. O Relatório de Brundtland apresentou, na década de 80, o conceito de desenvolvimento sustentável pela primeira vez com temas associados aos sistemas que envolvem a Construção Civil. Desde então, várias discussões abrangendo o tema tiveram papel determinante para o elaboração do conceito de desenvolvimento sustentável nesse âmbito.
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). Guiada por concepções de sustentabilidade, a arquitetura bioclimática utiliza princípios do design passivo, o qual propicia a edificação a tirar vantagens do clima quando este a favorece, e a protege quando esse é desfavorável (ROSELUND, 2000).
Nessa abordagem, é importante a elaboração responsável de um projeto, visto que as decisões tomadas durante as fases de planejamento, construção, reforma e manutenção das casas têm efeitos diretos de longo prazo sobre muitos aspectos do meio ambiente, como, por exemplo, qualidade do ar, saúde, recursos naturais, uso da terra, qualidade da água e uso da energia (KRUGER; SEVILLE, 2016).
Segundo o PROCEL Info (2016), o consumo de energia elétrica nas edificações residenciais e comerciais, de serviços e públicas, é bastante significativo, correspondendo a aproximadamente 50% do total da eletricidade consumida no Brasil. Diante disso, é urgente a necessidade de criação de políticas públicas ou incentivos para utilização de práticas sustentáveis no país, como destacado por Romero (2016), citado por Obata (2016, p. 21). O autor expõe que “as residências brasileiras não estão preparadas para as condicionantes climáticas exteriores, nem para as condições de inverno ou para as de verão”, considerando a grande diversidade climática do Brasil devido à suas dimensões continentais.
Lascala (2016), apud Obata (2016, p. 22), considera que os padrões construtivos e arquitetônicos são amplamente influenciados por conceitos naturais, na maior parte dos casos importados de outras localidades, o que faz com que esses padrões sejam
vinculados precariamente à realidade cultural e econômica de onde se procura inserir a edificação. A exemplo disso tem-se o município de Sinop-MT, com características construtivas das obras de arquitetura oriundas de regiões frias devidas à cultura dos imigrantes colonizadores da região. Por exemplo, como constatado por Peterline (2013), o uso de vidro temperado incolor em Sinop fez-se absoluto como opção de aberturas, desprezando seu baixo desempenho no ponto de vista energético e suas limitações em relação ao conforto térmico do usuário.
A carência de informações, tanto a respeito da qualidade de vida quanto dos benefícios gerados por edificações que utilizem princípios sustentáveis, é um dos principais motivos para que os usuários do segmento residencial não valorizem devidamente esse tipo de imóvel (LEITE JR., 2013). Sendo assim, a elaboração da Cartilha Bioclimática para o município de Sinop-MT visa a divulgação de intervenções construtivas que estejam de acordo com as condições climatológicas locais para conhecimento por parte dos profissionais da área de construção e do público geral interessado, de maneira a facilitar a adoção de estratégias passivas na elaboração de projetos e, consequentemente, obter edificações energeticamente mais eficientes e que, naturalmente, promovam o conforto e bem-estar do usuário.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
A disseminação de técnicas generalizadas na elaboração de projetos podem levar a equívocos na arquitetura quando não se considera o meio no qual esta será inserida. Frequentemente, as edificações de países em desenvolvimento ignoram elementos como entorno ou características do terreno, orientação e projeto arquitetônico da edificação, escolha de materiais, entre outros, na concepção do projeto. Como resultado, essas construções oferecem condições precárias de clima interno da edificação, interferindo no conforto, saúde e eficiência energética (ROSELUND, 2000).
Com o uso de iluminação elétrica, aquecimento mecânico e de ar-condicionado, estas edificações passaram a utilizar sistemas mecânicos para compensar as perdas e o ganhos de calor decorrentes, principalmente, de paredes inteiramente de vidro em edificações (LERUM, 2008).
Conforme Pessoa et al. (2013), o principal responsável pelo desperdício de energia no Brasil é o uso da mesma para o resfriamento artificial sem o controle da eficiência da envoltória. Mascaró (1992), em pesquisa de campo, concluiu que 25 a 45% da energia consumida em uma edificação decorrem de sua má orientação e do desenho inadequado de suas fachadas, e que 20 a 30% do total da energia consumida seriam suficientes para o funcionamento de uma edificação.
O conhecimento das condições climáticas externas com o intuito de estabelecer requisitos básicos para projetos para reduzir o consumo de uma edificação e torná-la mais confortável ao usuário depende de dados meteorológicos. Em muitos casos, estes dados não estão disponíveis ou não são direcionados para solucionar problemas de projetos de edificações, que leva os profissionais da área a ignorá-los (GOULART et al., 1998).
Diante desse quadro, entende-se como urgente a necessidade da geração de dados e requisitos que sirvam de referência para realização de projetos de arquitetura
para o município de Sinop-MT que estejam em conformidade com as exigências climáticas locais, bem como sua divulgação aos profissionais da área, visto que tais informações são indisponíveis nessa localidade.
3 JUSTIFICATIVA
Embora a prática de construção de casas tenha sido motivada historicamente com finalidade de abrigo e de proteção diante de climas severos, o ato de construir, simplesmente, não resulta em ambientes internos aceitáveis e desejáveis aos seus usuários. Nestas condições, o controle climático na elaboração do projeto é um atributo crítico no desempenho de uma residência bem-sucedida, visando a obtenção de um ambiente confortável e saudável para seus ocupantes (HALL; GIGLIO, 2000).
O projeto bioclimático é baseado na análise do clima, incluindo energia ambientais proveniente do sol, do vento, da temperatura e da umidade. Ademais, utiliza estratégias passivas e fontes de energia passivas e ambientais para alcançar o conforto humano através do projeto e da construção da edificação, incluindo técnicas de aquecimento, de resfriamento e de iluminação natural. A análise e o projeto bioclimáticos, decorrentes das condições e oportunidades regionais e locais, promovem uma base de conhecimento para a arquitetura e o design sustentável (WATSON, 1989). Assim, com a análise bioclimática é possível obter recomendações sobre a forma, a orientação e os materiais de uma edificação, o tamanho de suas aberturas e o tipo de cobertura (GONZALEZ et al., 1986).
No Brasil, existe uma gama de trabalhos que apresentam estratégias apropriadas para uma determinada cidade com base na norma ABNT NBR 15575 “Edificações Habitacionais – Desempenho”, porém não foram encontrados manuais ou cartilhas específicos para o bioclimatismo que tragam essas informações de forma visual e didática.
O município de Sinop, localizado ao norte de Mato Grosso, com 129.916 habitantes (IBGE, 2015), 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 à sustentabilidade ambiental. (SANCHES, 2015)
Portanto, este projeto visa a elaboração de uma Cartilha Bioclimática para o município de Sinop-MT com a compilação de dados sobre o clima com as devidas intervenções construtivas visando minimizar o desconforto gerado pelas condições locais nas edificações e, por conseguinte, reduzir custos relacionados ao uso de condicionamento artificial de ambientes internos.
4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GERAL
Elaborar uma Cartilha Bioclimática contendo estratégias passivas de projeto adequadas para as condições climáticas do município de Sinop – MT.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Produzir diagramas e apresentar base de dados para projetos com princípios sustentáveis;
Atualizar o arquivo EPW disponível para Sinop-MT;
Gerar arquivos climáticos de inserção nos softwares;
Analisar as estratégias bioclimáticas cabíveis ao município junto ao output gerado pela carta bioclimática plotada no software Analysis-Bio;
Estudar junto à carta solar do software Analysis Sol-AR quais as formas de sombreamento mais adequadas à esta localização de Sinop-MT;
Apresentar a rosa dos ventos de Sinop no software Analysis Sol-AR como instrumento de diretrizes para projetos bioclimáticos no município.
5 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
5.1 INTRODUÇÃO
Durante a primeira crise de petróleo, no final dos anos 1970, alguns construtores aderiram à utilização de energia solar diante das preocupações com o consumo de recursos naturais e, a partir de então, deram início à prática de construção verde (KRUGER; SEVILLE, 2016). As preocupações emergentes relacionadas ao meio ambiente no âmbito global levaram, nos anos subsequentes, à concepção dos sistemas de arquitetura e de meio ambiente como parte complementar à manutenção da saúde e ecologia da edificação, do local e de uma região. Deste modo, o projeto que ignora seu contexto climático, mesmo quando a temperatura e as brisas locais criam condições de conforto exterior, tem como resultado uma edificação desconfortável e com perdas de energia. (WATSON; MILNE, 1983).
Segundo DeKay e Brown (2014), a principal finalidade do ambiente construído é fornecer lugares aos seres humanos para trabalho, divertimento e permanência, portanto, é imprescindível o atendimento às necessidades do usuário na edificação na etapa de elaboração do projeto. Kruger e Seville (2016) consideram a caracterização do local para implantação de uma construção e o atendimento aos conceitos básicos bioclimáticos premissas básicas de todo projeto de edificação sustentável que conduza à eficiência energética e conforto ambiental, de forma resiliente e ponderada, visando à maior incorporação de características de desempenho passivo no projeto.
As estratégias passivas se ajustam às condições ambientais principalmente através da arquitetura e devem ser consideradas antecipadamente às estratégias ativas. A arquitetura deve ser estratégica, usando recursos locais ao invés de importar energia de uma fonte remota. (WATSON, 1989). Nesse contexto, a arquitetura bioclimática utiliza como recurso os fluxos naturais de energia em uma edificação e em seu entorno, gerados pela interação do sol, do vento, da precipitação, da vegetação, da temperatura e da umidade do ar e do solo (WATSON; MILNE, 1998).
Deste modo, utiliza-se de estratégias e fontes de energia passivas e ambientais para alcançar o conforto humano através do projeto e da construção da edificação, incluindo técnicas de aquecimento, de resfriamento e de iluminação natural. A análise e o projeto bioclimáticos, decorrentes das condições e
oportunidades regionais e locais, promovem uma base de conhecimento para a arquitetura e o design sustentável.
Portanto, a projeção e construção baseada na bioclimatologia local deve ser prioridade para os profissionais da área frente às restrições energéticas e dos impactos consequentes de sua produção, acarretando repercussões econômicas, sociais e ambientais para o meio (LASCALA, 2016, apud OBATA, 2016, p. 22).
5.2 CARTA BIOCLIMÁTICA
A arquitetura bioclimática surgiu na década de 1960, pelos irmãos Olgyay, com a finalidade de obter o conforto higrotérmico e baixo consumo energético por meio do uso correto de elementos arquitetônicos no projeto. Bogo e outros (1994) caracterizam como bioclimatismo o princípio da utilização dos elementos arquitetônicos de uma edificação dispostos de forma favorável ao clima, com o intuito de gerar condições de conforto térmico.
A ASHRAE Standard 55 (2010, p. 4) define como conforto térmico “a condição da mente que expressa satisfação com o ambiente térmico”, a qual pode ser constatada por meio de sensações do organismo perante às condições de temperatura e umidade do ambiente. O conjunto de variáveis climáticas e parâmetros para estabelecer as condições de conforto frente ao ambiente térmico determinam as zonas de conforto térmico, as quais podem ser delimitadas por cartas e diagramas bioclimáticos (MARAGNO, 2002). Estes diagramas facilitam a análise de características de um dado local - como variações de temperatura e de umidade e as influências nos processos de transferência de calor - e permitem a especificação de modelos arquitetônicos que maximizem as condições de conforto de ambientes internos em edificações que não são climatizadas mecanicamente. (GIVONI, 1992; LAMBERTS et al., 2014).
A premissa de identificar medidas mitigadoras para condições climáticas externas, como a radiação solar, o movimento do ar e o sombreamento, para obter níveis de conforto em ambientes internos fez com que Olgyay (1963) desenvolvesse a primeira carta bioclimática, baseada em dados do clima externo e plotada nos eixos x - referente à umidade relativa - e y - relativo à temperatura de bulbo seco. O diagrama de Olgyay, no entanto, se aplica especificamente para condições externas, apesar do
autor ter sugerido que sua carta poderia ser aplicada tanto para condições externas de temperatura quanto condições internas (GIVONI, 1992).
Givoni, em 1969, verificou que o diagrama da carta de Olgyay apresentava divergências significativas em edificações localizadas em regiões com elevadas temperaturas, principalmente em regiões áridas, devido às diferenças entre temperaturas externa e interna no decorrer do dia. Como alternativa ao problema, Givoni desenvolveu um novo modelo de carta bioclimática para o edifício (Building Bioclimatic Chart – BBCC), traçada sobre um diagrama psicrométrico convencional, baseada nas condições internas de temperatura ao invés de utilizar de condições externas, que corrigiam as limitações apresentadas no modelo antigo. A BBCC sugeria, também, estratégias de projeto e sistemas de refriamento passivos e de baixo consumo para obtenção de conforto interno sem utilizar de condicionamento de ar. (GIVONI, 1998). Em 1992, Givoni atualizou o modelo da BBCC, na qual os limites de conforto foram expandidos em relação à carta anterior também, de maneira a atender as necessidades de conforto de países em desenvolvimento. Bogo e outros (1994) analisaram as metodologias de vários autores, entre eles Olgyay (1968), Givoni (1992), Givoni e Milne (1979), Szokolay (1987) e Watson & Labs (1983) a fim de selecionar a carta bioclimática a ser adotada para o Brasil. Os autores concluíram que o diagrama de Givoni (1992) é o mais adequado para as condições climáticas do Brasil, e está demonstrada na Figura 1 a seguir.
Figura 1 - Carta Bioclimática adotada para o Brasil. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1 Zonas bioclimáticas
O zoneamento bioclimático é baseado na subdivisão da carta bioclimática em zonas que definem estratégias passivas de aquecimento solar e resfriamento, com os dados de temperatura e umidade relativa do ar exterior traçados diretamente sobre
ela (LAMBERTS et al., 2014), com base no trabalho de Givoni & Milne (1979) e de Watson & Labs (1983), mais tarde aperfeiçoado por Givoni, em 1992. (BITTENCOURT; CÂNDIDO, 2010). Cada zona indica uma estratégia que pode ser adequada para um determinado clima, com possibilidade de se combinarem estratégias a fim de obter um melhor resultado, as quais serão descritas adiante.
5.2.1.1 Zona de conforto
Essa zona é delimitada por condições que, em grande parte das vezes, geram a sensação de conforto térmico aos ocupantes nos ambientes internos. Nos países em desenvolvimento, a variação de temperatura sugerida para condições aceitáveis é de 18°C (ponto 1 na Figura 2) a 29°C (ponto 6), com limites de umidade relativa entre 20 e 80% (com limite superior representado pelos pontos 2 e 3 na figura), conforme Givoni (1992). Em temperaturas acima de 20°C, é indicado o sombreamento (ponto 3), e controle de incidência de radiação sobre os usuários quando essas estão próximas de 29°C (pontos 4 e 5).
Figura 2 - Zona de Conforto. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1.2 Zona de ventilação natural
Esta zona objetiva o conforto térmico utilizando da ventilação natural, indicada para temperaturas internas superiores a 29°C ou umidade relativa acima de 80%. Compreende a utilização de estratégias de ventilação cruzada, com efeito direto, que melhoram a sensação de refrescamento do usuário.
Figura 3 - Zona de ventilação. Fonte: Lamberts et al. (2014)
Outra forma de ventilação, com efeito indireto na edificação, é indicada para regiões com temperatura diurna superior a 29°C e umidade relativa inferior a 60%. Essa estratégia, conhecida como resfriamento convectivo noturno, é recomendada para regiões áridas, com variação de temperatura diurna considerável e tem como objetivo resfriar a estrutura de edificações com alta massa térmica para que essa desempenhe um papel de dissipador de calor durante o dia, reduzindo a temperatura do ambiente interno (GIVONI, 1998).
Figura 4 - Ventilação diurna e noturna. Fonte: Lamberts et al. (2014)
.
5.2.1.3 Zona de inércia térmica para resfriamento
A utilização dessa estratégia visa diminuir a amplitude térmica interna e atraso térmico no fluxo de calor em relação às condições externas através de materiais que proporcionem essa característica. Essa estratégia, indicada para climas mais secos, armazena o calor na estrutura durante o dia e o devolve ao ambiente no período
noturno, da mesma forma que resfria a estrutura no período diurno, de modo que as temperaturas internas durante esses períodos sejam amenizadas.
Figura 5 - Zona de Inércia para resfriamento. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1.4 Zona de resfriamento evaporativo e umidificação
O resfriamento evaporativo baseia-se no processo de evaporação da água a fim de reduzir a temperatura e aumentar a umidade relativa de um ambiente. Pode ser alcançado de forma direta ou indireta, visando a redução da temperatura em cerca de 70 a 80 por cento no parâmetro de depressão de bulbo úmido - diferença entre a TBS e a TBU -, sendo de grande aplicabilidade à regiões de clima quente e seco (GIVONI, 1998). A forma direta compreende o uso de vegetação e fontes d’água, por exemplo, enquanto na indireta pode-se empregar tanques de água sombreados no telhado (LAMBERTS et al., 2014).
Figura 6 - Zona de esfriamento evaporativo. Fonte: Lamberts et al. (2014)
Outro recurso para aumentar a umidade relativa de um ambiente interno é pela utilização de recursos de umidificação do ar, como, por exemplo, recipientes com água e o hermetismo das aberturas, que aumentam a sensação de conforto mesmo com a possibilidade de gerar um efeito de resfriamento evaporativo indesejável.
Figura 7 - Zona de umidificação. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1.5 Zona de aquecimento solar
Segundo o ProjetEEE (2016), o aquecimento solar passivo é uma estratégia que utiliza radiação solar direto para aquecimento do ambiente interno da edificação, podendo ser direto ou indireto. No aquecimento solar direto, o ambiente é aquecido pela radiação admitida através de superfícies envidraçadas orientadas ao sol, com aberturas reduzidas nas orientações menos favoráveis, a fim de aproveitar a incidência solar no período de inverno. Nessa estratégia, situada entre 10,5°C e 14°C na zona, conforme Figura 8, o isolamento térmico deve ser considerado para impedir as perdas de calor e infiltração do ar frio noturno. O aquecimento indireto, por sua vez, localizado entre 14°C e 20°C na zona bioclimática, pode ser associado à inércia térmica com o intuito de reter o calor absorvido pela edificação e lentamente liberá-lo para o interior do ambiente para compensar os períodos em que a temperatura interna é inferior.
Figura 8 - Zona de aquecimento solar. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1.6 Zonas de condicionamento artificial com isolamento térmico
O uso de condicionamento artificial é recomendado para a climatização de ambientes em climas quentes quando a TBS for superior a 44°C e a TBU for maior
que 24°C, nos quais os sistemas passivos de resfriamento não são suficientes para a mesma função. Do mesmo modo, em locais com temperaturas inferiores a 10,5°C o aquecimento solar passivo pode não suprir as necessidades de conforto do usuário, tornando necessário o uso de aquecimento artificial. É de interesse energético associar estratégias de condicionamento artificial à sistemas passivos, tendo em vista que seu uso conjunto reduz o consumo.
Figura 9 - Zonas de condicionamento artificial. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.2.1.7 Zona de sombreamento
Em climas quentes, como o Brasil, o uso de sombreamento é altamente recomendado, devido às elevadas temperaturas na maior parte do ano. O sombreamento deve ser utilizado quando a temperatura de ar estiver acima de 20°C, e pode ser obtido pelo uso de proteções solares ou brises, beirais de coberturas, marquises, sacadas, persianas, orientação adequada da edificação e uso de vegetação (LAMBERTS et al., 2014).
Figura 10 - Linha de sombreamento na carta bioclimática. Fonte: Lamberts et al. (2014)
5.3 CARTA SOLAR
Na arquitetura bioclimática, um dos principais fatores a ser analisado é a incidência solar na edificação e em como a sua trajetória vai afetá-la, podendo variar consideravelmente em quantidade e em intensidade incidente nas faces do projeto de acordo com a localização da construção em relação à linha do Equador (GURGEL, 2012). Szokolay (2007) considera o uso de dispositivos externos de sombreamento como o mais eficaz método de controle solar quando o ganho solar na edificação é indesejado e frisa a importância do dimensionamento correto da estratégia para evitar o bloqueio total da penetração de raios solares na edificação a partir do conhecimento da geometria solar.
As estratégias de iluminação natural dependem da disponibilidade de luz natural, a qual é determinada pela latitude do local no qual a edificação está insterida, pelas condições circundantes e também pela sua orientação. As estratégias também são afetadas pelo clima, de forma que a identificação das estações, do clima prevalescente e da probabilidade de luz solar sejam premissas básicas para o daylight design. Dessa maneira, o estudo do clima e da disponibilidade de luz solar em um determinado local são imprescindíveis para o entendimento das condições operantes na fachada de uma edificação (IEA, 2000). A posição do sol em relação à localizações geográficas específicas, estações do ano e períodos do dia pode ser determinada de forma eficaz por meio de projeção gráfica, pois são de fácil entendimento e podem ser correlacionados à energia radiante e à calculos de sombreamento (HALL; GIGLIO, 2010).
A disponibilidade de luz solar em um local distinto é compreendida através do diagrama solar, que, em uma latitude específica, mapeia o movimento aparente do sol e determina a altitude solar e ângulos de azimute para horário e data específicos (DEKAY; BROWN, 2014). A trajetória diária percorrida na abóbada celeste pelo sol é caracterizada como movimento aparente do sol, variando seu caminho em função da época do ano. No decorrer do ano, ocorrem dois momentos de extremos de maior trajetória solar e o de menor trajetória solar na abóbada celeste, conhecidos como solstício de verão e de inverno, respectivamente, geralmente nos dias 21 de dezembro e 21 de junho; e dois momentos de igual incidência solar nos hemisférios norte e sul, chamados de equinócio, nos dias 21 de março (equinócio de outono no Hemisfério
Sul) e 21 de setembro (equinócio de primavera no Hemisfério Sul). Esse movimento pode ser definido por dois ângulos: a Altura Solar (H) e o Azimute Solar (A). A altura solar é definida como sendo o ângulo formado entre o sol e o plano horizontal da Terra, enquanto o azimute solar é o ângulo formado entre o norte geográfico e a projeção do raio solar no plano horizontal. (BITTENCOURT, 2000; LAMBERTS et al., 2014; SZOKOLAY, 2007)
Assim, a partir desses dados, é possível determinar a carta solar de uma determinada latitude. O diagrama solar de qualquer localidade pode ser desenhado através de dados de altitude e posições geográficas, latitude e longitude.
Figura 11 - Carta solar para a cidade de Porto Alegre-RS. Fonte: Software Analysis SOL-AR (2017)
Para a carta solar do município de Sinop-MT será utilizado o programa Analysis SOL-AR, que faz a plotagem do diagrama, descrito mais adiante neste trabalho.
5.4 ROSA DOS VENTOS
Os ventos são basicamente correntes de convecção na atmosfera que tendem a uniformizar as diferenças de temperatura entre zonas, cujo padrão de movimento é alterado pelo movimento de rotação da terra (KÖNIGSBERGER et al., 1973). Assim, as massas de ar são deslocadas das áreas de maior pressão (ar mais frio e pesado) para as de menor pressão (ar quente e leve). A velocidade e a direção do vento são mensuradas por estações meteorológicas, geralmente localizadas em regiões abertas
e distantes dos obstáculos urbanos, devido à influência da rugosidade da superfíce no movimento do ar (LAMBERTS et al., 2014).
Grande parte dos arquivos climáticos utilizados, como, por exemplo, TMY ou EPW, incluem informações sobre valores horários para velocidade, direção e frequência do vento (LERUM, 2008). Esses dados geralmente são exibidos graficamente na rosa dos ventos, com informações para um local específico no mês ou no ano (DEKAY; BROWN, 2014). A seguir, serão demonstrados exemplos de rosa dos ventos extraído do software SOL-AR, que indicam a frequência de ocorrência de ventos em cada direção, em porcentagem de horas do ano e a velocidade de incidência em cada direção.
Figura 12 - Rosa dos ventos extraída do programa Analysis SOL-AR. Fonte: Lamberts et al. (2014)
Com esse tipo de diagrama o projetista tem a possibilidade de determinar a posição das aberturas, de acordo com a probabilidade de ocorrência de vento para as principais orientações e sua velocidade (LAMBERTS et al., 2014), a fim de aproveitar o vento em situações vantajosas para a edificação.
5.5 ARQUIVOS CLIMÁTICOS
A maioria 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). Hong e outros (2000) apontam que os requisitos energéticos de um edifício dependem não apenas do desempenho individual de seus sistemas e componentes da envoltória, mas também do desempenho de um sistema integrado das complexas e dinâmicas
interações que este tem com o ambiente e seus sistemas. 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).
No entanto, os dados climáticos carecem de um prévio tratamento estatístico ou métodos a fim de possibilitar sua aplicação na construção civil (GOULART, 1993), visto são apresentados com aplicabilidade restrita para profissionais da área (SATTLER, 1989). Os dados climáticos mais utilizados para este fim são:
a) Ano climático de referência: Representa o conjunto de dados de um ano típico, com 8760 h, que pode ser utilizado para simulações de desempenho térmico de edificações para cálculo de consumo energético (ASHRAE, 2009). O Test Reference Year (TRY), preparado pelo National Climatic Data Center (NCDC), e Typical Meteorological Year (TMY), preparado pelo Sandia National Laboratory, são exemplos de anos climáticos de referência utilizados em softwares para simulação energética, como ESP, DOE e COMFIE (GOULART et al., 1998).
b) Dia típico de projeto: Segundo Goulart (1993), o dia típico de projeto é importante na determinação das exigências higrotérmicas de verão e inverno. A elaboração do projeto pode ser feita com a adaptação da edificação ao clima local, baseada nas características climáticas desse dia para melhor responder ao conforto térmico do ocupante.
c) Temperatura de Projeto: Método baseado no uso de percentis anuais nas condições de temperatura e umidade de um determinado local para definir as condições de projeto, de maneira a garantir que estas condições representem a mesma probabilidade de ocorrência em qualquer clima, permitindo ao projetista considerar condições de pico operacional. Foram selecionados percentis de 0,4%, 2%, 5% e 10% para um intervalo de múltiplo riscos, critério cuja escolha fica ao encargo do projetista (ASHRAE, 2009).
d) Grau-dia e Grau-hora: De acordo com a ASHRAE (2009), são parâmetros utilizados em métodos para estimação das cargas de aquecimento ou
refrigeração em edificações. Grau-dia é a unidade que representa 1 grau de desvio da temperatura externa média diária com relação à uma determinada temperatura padrão (CHING, 2016), e pode ser definida como o somatório das diferenças de temperaturas médias diárias e a temperatura de base.
a) Normais Climatológicas: A WMO (2016) define normais climatológicas como um indicador das condições mais suscetíveis às quais uma determinada localidade está sujeita. Os aspectos climáticos podem ser descritos estatisticamente através de médias calculadas para longos períodos, cujo valor fixado pela WMO foi de 30 anos consecutivos. Dentre os valores mensais e anuais de parâmetros climáticos disponibilizados pelas estações meteorológicas podem-se citar: valores médios de temperatura máxima e mínima do ar, precipitação, insolação, vento e valores extremos da temperatura máxima e mínima do ar (LEÃO, 2007).
Através desses arquivos climáticos é possível criar situações de referência para estudos paramétricos, cujo intuito é a otimização de estratégias e sistemas aplicados às edificações.
5.5.1 TRATAMENTO DE DADOS CLIMÁTICOS
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.
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. A seleção do ano é feita pela eliminação de uma série de anos contendo meses com temperaturas extremas (altas e baixas), até a permanência de um ano, somente. (CRAWLEY; HUANG, 1997). Os TRYs são utilizados como dados de entrada em simulações computacionais de performance dos sistemas de energia solar, do consumo de energia e de cálculos climáticos no interior da edificação (LUND; EIDORFF, 1981). 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.
Stamper (1977) descreve o procedimento de determinação do TRY através da eliminação de anos que contenham temperaturas médias mensais extremas (altas e baixas), até restar um ano, somente. Os meses são classificados por ordem de importância para cálculos de energia, listando-se o mês mais quente e o mês mais frio do ano, considerados de maior importância. Em sequência, são alternados os meses mais quentes e mais frios remanescentes, seguindo a ordem de prioridade. Com o ano fechado, a sequência dos meses é repetida com o extremo oposto de temperatura, obtendo-se, então, os meses com temperaturas médias mensais extremas (mais altas e mais baixas). Anota-se o ano contendo o mês mais quente e, em seguida, o ano com o mês mais frio, dando continuidade ao processo para os anos restantes nos quais ocorrem extremos de temperatura. Após feita a marcação, estes anos são eliminados, sucessivamente, até que reste somente um. Este é designado, então, como Ano Climático de Referência (GOULART, 1993; HUI, 1996; LEÃO, 2007).
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”.
5.5.1.2 TMY
Crawley e Huang (1997) verificaram que as medições ou os cálculos de dados solares não estavam inclusos no formato TRY. Para lidar com suas limitações, o NCDC juntamente com o Sandia National Laboratory gerou novos arquivos
climáticos, o Typical Meteorological Year (TMY). De formato como o TRY, porém compilado com meses de diferentes anos para obtenção do ano típico - configurando um ano fictício - o TMY contém informações adicionais como radiação solar global e direta, entre outros dados.
Modificações subsequentes no método TMY levaram, em 1993, à instituição do modelo TMY2, composto por 12 meses de anos diferentes resultantes da eliminação de meses atípicos. O TMY2 envolve um número maior de dados de radiação solar direta e iluminação, quando comparado aos formatos anteriores (GHERRI, 2016). De acordo com Crawley (1998), o TMY2 é um método aperfeiçoado que apresenta uma maior aproximação das condições climáticas médias a longo prazo. Entretanto, assim como o TMY, por representar um ano típico sem condições extremas, não é apropriado para simulações de sistemas que busquem encontrar situações de ocorrência mais desfavoráveis em uma localidade, conforme informado pela página eletrônica do EnergyPlus (2016).
5.5.1.3 EPW
Nos últimos anos, na tentativa de facilitar as simulações através da utilização de softwares, foi desenvolvido um novo formato de dados climáticos generalizados, conhecido como EPW (EnergyPlus Weather format). O EPW, que usa o código ASCII, é um arquivo de texto cujas informações são separadas por vírgulas (Comma Separated Value – CSV) e as unidades são utilizadas no Sistema Internacional, com dados de origem para processamento derivadas do arquivo climático TMY2, rearranjados para facilitar seu uso. Conforme Gherri (cap. 4, 2015), no arquivo EPW é permitida a inserção de maior número de dados, como de iluminância da abóbada celeste e tempo presente, e o arquivo não carece de informação completa ao longo do ano. Portanto, o número de horas calculadas – geralmente um total de 8.760 – não é mais necessário, sendo substituído por subconjuntos reduzidos de anos selecionados.
Segundo o LabEEE (2017), cada arquivo EPW é acompanhado de um arquivo estatístico que apresenta um resumo dos dados, cuja visualização ou manipulação pode ser feita utilizando-se de planilhas eletrônicas. A descrição completa do arquivo pode ser visualizada na Tabela 1.
Tabela 1 - Descrição Arquivos EPW (EnergyPlus Weather File).
Coluna Variável Parâmetros EnergyPlus
1 Ano year 2 Mês month 3 Dia day 4 Hora hour 5 Minuto minute 6 Fonte datasource 7 TBS drybulb dry_bulb_temperature (°C)
8 Torv dewpoint dew_point_temperature (°C)
9 UR relhum relative_humidity (%)
10 AtmPa atmos_pressure atmospheric_pressure (Pa)
11 ETGlbHrz exthorrad extraterrestrial_horizontal_radiation (Wh/m²)
12 ETdirNrm extdirrad extraterrestrial_direct_normal_radiation (Wh/m²)
13 InfraVerm horirsky horizontal_infrared_radiation_intensity_from_sky (Wh/m²)
14 GlbHrz glohorrad global_horizontal_radiation (Wh/m²)
15 DirNrm dirnorrad direct_normal_radiation (Wh/m²)
16 DifHrz difhorrad diffuse_horizontal_radiation (Wh/m²)
17 LuzGLbHrz glohorillum global_horizontal_illuminance (lux)
18 LuzDirNrm dirnorillum direct_normal_illuminance (lux)
19 LuzDirHrz difhorillum diffuse_horizontal_illuminance (lux)
20 LuzZenit zenlum zenith_luminance (lux)
21 DirVen winddir wind_direction (degrees)
22 DirVel windspd wind_speed (m/s)
23 Nebul totskycvr total_sky_cover (tenths)
24 CeuOpaco opaqskycvr opaque_sky_cover (tenths)
25 Visibil visibility (km)
26 AltCeu ceiling_hgt ceiling_height (m)
27 TempObs presweathobs present_weather_observation
28 TempCod presweathcodes present_weather_codes
29 PrecipWat precip_wtr precipitable_watermm
30 Aerosol aerosol_opt_depth aerosol_optical_depth thousandths
31 NeveDepth snowdepth snow_depth (cm)
32 DiasUltNev days_last_snow days_since_last_snow
33 Albedo Albedo albedo
34 LiqPrecDep liq_precip_depth liquid_ precip_depth (mm)
35 LiqPrecTax liq_precip_rate liquid_precip_rate Hour
Fonte: LabEEE (2012)
É possível ter acesso ao arquivo EPW do município de Sinop através da página eletrônica do LaBEEE, no entanto, os arquivos foram gerados com dados até o ano
de 2012. Dessa forma, no arquivo disponibilizado para Sinop constam dados climáticos dos anos 2006 e 2008 na composição do arquivo TMY2 de base, apenas, visto que as estações meteorológicas do município dispõe de dados que datam a partir de 2006 (INMET, 2016).
5.5.1.4 Arquivo CSV e extensão *.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 apresentam compatibilidade com planilhas eletrônicas, com formato de extensão *.csv, permitindo a manipulação de dados. Na criação de novo arquivo CSV, deve-se inserir um cabeçalho contendo o seguinte formato:
Mês Dia Hora TBS {°C} TBU {°C} Temperatura de Ponto Orvalho Pressão Atmosférica {kPa} Umidade Relativa {%} Densidade do Ar {kg/m³} Entalpia {BTU/LB} Velocidade do Vento {m/s} Direção do Vento {graus} Cobertura Total de Nuvens {decimais} Rad. Horizontal Extraterreste {Wh/m²} Rad. Global Horizontal {Wh/m²} Rad. Direta {Wh/m²} Rad. Direta Normal {Wh/m²} Rad. Difusa Horizontal {Wh/m²}.
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.
5.6 SOFTWARES
5.6.1 Analysis-BIO
O programa Analysis-BIO (versão 2.2), desenvolvido por pesquisadores do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da Universidade Federal de Santa Catarina (LabEEE), é uma ferramenta que permite a plotagem de dados climáticos horários existentes em arquivos no formato TRY, CSV ou XLS sobre a carta bioclimática de Givoni (1992) para países em desenvolvimento combinada com o método de Watson e Labs (1983), que utiliza dados climáticos das 8760 horas de um ano típico (TRY) (LAMBERTS et al., 2014).
O software permite a visualização da distribuição de dados climáticos e calcula a porcentagem de horas do ano em que cada estratégia bioclimática é mais apropriada
para um determinado local, as quais podem ser ativas ou passivas (GOULART et al., 1998). As estratégias utilizadas pelo programa são baseadas na norma ABNT NBR 15-575. Além disso, utiliza dados de Normais Climatológicas - como temperatura e umidade médios mensais – para o traçado de linhas correspondentes de cada mês do ano para locais que não possuam dados climáticos horários.
No presente trabalho, o software Analysis-BIO será utilizado para a plotagem da carta bioclimática do município de Sinop, a fim de obter as estratégias mais adequadas ao clima local para a confecção da Cartilha Bioclimática, proposta no objetivo desta pesquisa.
5.6.2 Analysis SOL-AR
O Analysis SOL-AR (versão 6.2) é um software que permite a geração da carta solar de uma latitude especificada a fim de facilitar a projeção de proteções solares em edificações para qualquer ângulo de orientação. O programa permite visualizar a distribuição das temperaturas ao longo do dia e do ano através de cores diferenciadas para as cidades com dados horários disponíveis na base de dados. Possibilita, ainda, a obtenção da rosa-dos-ventos, contendo a frequência da ocorrência dos ventos e velocidade média do ar predominantes para cada estação do ano em oito orientações diferentes: Norte, Nordeste, Leste, Sudeste, Sul, Sudoeste, Oeste e Noroeste (LabEEE, 2012; LAMBERTS, et al., 2014). Além disso, o software permite inserção de novas cidades por meio do arquivo climático com extensão CSV. (BORTOLI; SARAMAGO, 2013).
A seguir a metodologia desta pesquisa descreverá as etapas de confecção do arquivo *.csv para a cidade de Sinop e utilização no software.
6 METODOLOGIA
A pesquisa tem como finalidade produzir a Cartilha Bioclimática para o município de Sinop-MT. Para isso, a metodologia do projeto será dividida em 3 etapas, a fim de facilitar a compreensão da obtenção dos dados necessários para sua elaboração. Sendo assim, a etapa 1 corresponde à obtenção da carta bioclimática, a etapa 2 se refere à geração da carta solar e, por último, a etapa 3 está relacionada à plotagem da rosa dos ventos. As cartas obtidas utilizando a metodologia desse projeto serão utilizadas para a confecção da cartilha com estratégias passivas de projeto pertinentes às condições do clima local.
Figura 13 - Metodologia esquematizada. Fonte: Autoria própria (2017)
6.1 ETAPA 1: GERAÇÃO DA CARTA BIOCLIMÁTICA
A plotagem da Carta Bioclimática para o município de Sinop-MT será feita no programa Analysis-BIO, cuja inserção de dados pode ser feita utilizando arquivo TRY
ou CSV. A metodologia consagrada para a geração de um arquivo TRY, é necessário determinar o Ano Climático – segundo Stamper (1977). Em seguida, dados horários medidos in loco de TBS e TBU, ou, TBS e UR do ano de referência serão tratados como descrito a seguir, para a confecção do arquivo (*.try). Caso não haja disponibilidade de dados medidos, uma opção seria confeccionar o TRY a partir do EPW disponível para a maior parte dos municípios brasileiros no site do LabEEE. O procedimento de obtenção do arquivo será desenvolvido em dois tópicos, a seguir, para melhor compreensão.
6.1.1 Geração do arquivo TRY
Primeiro, para gerar o TRY respectivo ao município, a partir de um arquivo climático epw, é necessário adquirí-lo no site do LabEEE em extensão *.epw (http://www.labeee.ufsc.br/downloads/arquivos-climaticos/inmet2015). A descrição do arquivo será possível por meio de um aplicativo de planilha eletrônica. Após feito o download, com o programa Excel aberto, seleciona-se a opção para abrir arquivo, em cuja janela de abertura deve-se escolher a opção “Todos os arquivos” no campo da extensão. É fundamental seguir essa sequência, pois a abertura do arquivo feita diretamente pela pasta vai resultar em uma planilha desorganizada, de difícil compreensão. Depois de escolhido o arquivo, uma janela será aberta para a formatação do texto importado para a planilha. Nesse passo, seleciona-se a opção de “Avançar”, sem fazer quaisquer alterações, como mostra a Figura 13.
No janela seguinte, na opção “Delimitadores”, deve-se marcar as opções “Vírgula” e “Espaço”, na sequência, selecionar “Concluir” na parte direita inferior da janela (Figura 14). Nessa etapa decide-se como será o layout da planilha do arquivo epw.
Figura 14 - Etapa 1 de importação de texto do EPW para a planilha do Excel. Fonte: Adaptada do software Microsoft Excel (2016)
Figura 15 - Etapa 2 de importação de texto do EPW para planilha do excel - Delimitadores. Fonte: Adaptada do software Microsoft Excel (2016)
Com a planilha aberta, pode-se identificar as colunas de TBS e UR para gerar o arquivo *.try no programa Analysis-BIO. Para isso, é preciso, primeiramente, identificar as numerações das colunas correspondentes às duas variáveis, encontrada na Tabela 1. Neste caso, TBS corresponde à coluna 7, enquanto UR relaciona-se à coluna 9. Os dados na extensão try são apresentados sem espaçamento ou vírgulas separando os fatores climáticos (CARLO; LAMBERTS, 2005), portanto, deve-se configurar a planilha para que as vírgulas do arquivo epw sejam retiradas. As colunas selecionadas - sem pontuação e somente com os dados respectivos às normais
climatológicas utilizadas - devem ser transferidas para um editor de texto com extensão *.txt, cujo arquivo criado será utilizado para geração do TRY no programa Analysis-BIO. Nessa etapa, será utilizado o bloco de notas, incluso nas versões do Windows, no qual as informações copiadas para o editor devem ser salvas no arquivo em uma pasta de escolha.
Na sequência, será gerado o arquivo TRY no programa Analysis-BIO a partir do *.txt criado. Nesta etapa, o arquivo *.txt deve ser criado com dados reais e medidos in loco, do ano de referência, caso estes estejam disponíveis. Para esta pesquisa em questão, os dados horários dos últimos 10 anos de coleta de dados em Sinop, através das estações meteorológicas automáticas (INMET, 2016), serão utilizados para a confecção do arquivo TRY, segundo a metodologia descrita em Goulart et al. (1998).
Em seguida, deve-se abrir o programa Analysis-BIO e selecionar a opção “Gerar TRY” no menu “Ferramentas”. Na janela que se abrir (Figura 16), deve-se escolher o arquivo na pasta de destino em “Arquivo a ser lido” (1). Depois, selecionar o nome do arquivo (mantendo a terminação da extensão *.try) e o local onde este será salvo (2). Então, escolher normal climatológica utilizada no arquivo de texto (3) e fornecer a altitude do município (4), cuja informação pode ser encontrada na planilha do epw. O restante dos dados permanece o mesmo, logo, pode-se clicar em “OK” (5) para gerar o TRY.
Figura 16 - Geração de arquivo TRY. Fonte: Adaptada do software Analysis-BIO (2016)
6.1.2 Plotagem da carta bioclimática
Com o arquivo TRY gerado, segue-se, então, para a plotagem da carta bioclimática. No mesmo programa, seleciona-se a opção “AnáliseBioclimática-TRY” no menu “Opções” - ou clica-se no ícone logo abaixo deste menu, a qual mostrará uma janela para escolha do arquivo TRY para geração do diagrama. A Figura 17 mostra a Carta Psicrométrica vazia, a qual pode ser configurada no menu auxiliar à esquerda.
Figura 17 - Carta psicrométrica vazia. Fonte: Adaptada do software Analysis-BIO (2016)
No menu mencionado, a seleção “Opções” exibe uma janela com filtros de visualização dos dados para a carta bioclimática, como mostra a Figura 18. Nesse caso, marca-se a opção “Ano Todo”, a fim de projetar as informações para os 365 dias do ano.
Figura 18 - Janela "Filtros" com todas as opções de visualização. Fonte: Software Analysis-BIO (2016)
Por último, seleciona-se a opção “Zonas” no menu auxiliar para exibição das zonas bioclimáticas. A carta bioclimática final gerada pode ser verificada na Figura 19.
Figura 19 - Carta bioclimática de Sinop-MT, com suas respectivas zonas. Fonte: Software Analysis-BIO (2016)
O output do programa trará as estratégias bioclimáticas indicadas para o município de acordo com o clima local. As mesmas serão apresentadas e discutidas como resultados desta pesquisa.
6.2 ETAPA 2: GERAÇÃO DA CARTA SOLAR
Para a plotagem da Carta Solar do município de Sinop-MT será utilizado o programa Analysis SOL-AR. O dado de input corresponde à latitude, cuja informação pode ser encontrada no epw do município, que deve ser inserida no seu respectivo campo, seguido da tecla Enter. Então, a carta solar correspondente à latitude inserida será exibida, conforme mostra a Figura 20.
TBS [°C] TBU [°C ] U [g /k g ] UR [%]
Figura 20 - Carta solar para o município de Sinop – MT. Fonte: Adaptada do Software Analysis SOL-AR (2016)
O output do programa trará as informações de ângulos infinitos de proteções solares mais eficientes, relacionando inclusive temperaturas resultantes em determinadas horas do dia (caso um arquivo *.csv da cidade utilizada esteja inserido no programa). As mesmas serão apresentadas e discutidas como resultados desta pesquisa.
6.3 ETAPA 3: GERAÇÃO DA ROSA DOS VENTOS
Por último, a geração da rosa dos ventos será feita também por meio do programa Analysis SOL-AR, que neste caso, utiliza especificamente o formato *.csv como arquivo de input. Dessa maneira, esse processo será dividido em dois estágios: um para a geração do arquivo csv e outro para plotagem da rosa dos ventos.
6.3.1 Geração do arquivo CSV
Em razão da ausência de arquivo csv para o município de Sinop-MT, é necessário que este seja gerado para plotagem da rosa dos ventos. A descrição do arquivo csv compreende 4 outras variáveis além daquelas apresentadas no cabeçalho do epw, destacadas na Tabela 2, que serão obtidas por meio de equações, apresentadas mais adiante no texto.
Tabela 2 - Cabeçalho presente no arquivo climático de formato csv. Mês Dia Hora TBS {°C} TBU {°C} T. Ponto de Orvalho {°C} Pressão Atmosférica {kPa} Umidade {kg/kg} U. R. {%} Densidade do ar {kg/m³} Entalpia {BRU/LB} Velocidade do Vento {m/s} Direção do Vento {graus} Cobertura Total de Nuvens {decimais} Radiação Horizontal Extraterrestre {Wh/m²} Radiação Global Horizontal {Wh/m²} Radiação Direta {Wh/m²} Radiação Direta Normal {Wh/m²} Radiação Difusa Horizontal{Wh/m²}
Fonte: Adaptado de Carlo & Lamberts (2005)
As equações relacionam propriedades psicrométricas a partir de variáveis conhecidas a fim de obter, de maneira simples e precisa, as variáveis indisponíveis para os dados em questão. Assim, para esta pesquisa serão aplicadas equações para estimativa das variáveis psicrométricas baseadas nos seguintes autores: Wilhelm (1976) para a equação 1; Hermann et al. (2009), citado por ASHRAE (2009), para as equações 2, 6, 7, 8 e 9; Jensen e outros (1990), citado por Kuemmel (1998), para as equações 3, 4 e 5; e Liu & Jordan (1960), citados por Duffie & Beckman (2013), para a equação 10. As equações seguem demonstradas a seguir.
a) Temperatura de bulbo úmido
Cálculo da pressão de vapor de saturação: Pvs=22105649,25 eX (eq. 1) Sendo: X= -27405,526+97,5413*T-0,146244*T 2+0,00012558*T3-0,000000048502*T4 (4,34903*T-0,0039381*T2)
Pvs – pressão, em Pa, do vapor da água no ar saturado na temperatura
T;
T - temperatura absoluta em Kelvin (K); T(K)=TBS(°C)+273; e – número exponencial.
Pv=Ur*Pvs 100
(eq. 2) Sendo:
Pv – pressão, em Pa, de vapor da água no ar em uma determinada
temperatura;
Ur – umidade relativa (%);
Pvs – pressão, em Pa, de vapor da água no ar saturado na mesma
temperatura.
Cálculo da temperatura de bulbo úmido: Tbu= g*Tbs+d*Tpo g+d (eq. 3) g=0,00066*Patm (eq. 4) d= 4098*Pv (Tpo+237,3)² (eq. 5) Sendo:
Tbu – temperatura de bulbo úmido, em °C;
Tbs – temperatura de bulbo seco, em °C;
Tpo – temperatura de ponto de orvalho, em °C;
Patm – pressão atmosférica, em °Pa;
Pv - pressão, em Pa, de vapor da água no ar em uma determinada
b) Entalpia
Cálculo da umidade absoluta:
Uabs=0,621945* Pv Patm-Pv
(eq. 6) Sendo:
Uabs – umidade absoluta ou razão de umidade, em kg de vapor/ kg de
ar seco;
Patm – pressão atmosférica, em Pa;
Pv – pressão de vapor atual, em Pa.
Cálculo da entalpia:
E=1,006*Tbs+Uabs*(2501+1,86*Tbs)
(eq. 7)
Sendo:
E – entalpia do ar, em kJ/kg de ar seco (convertida posteriormente em BTU/LB);
Tbs – temperatura de bulbo seco, em °C;
Uabs – razão de mistura ou razão de umidade, em kg de vapor/kg de ar
seco.
c) Densidade do ar:
Cálculo do volume específico:
v=0,287042*T*(1+1,607858*Uabs) Patm
(eq. 8) Sendo:
v – volume específico do ar saturado, em m³/kg de ar seco; T – temperatura absoluta, em K;
Uabs – umidade absoluta ou razão de umidade, em kg de vapor/ kg de
Patm - pressão atmosférica, em kPa;
Cálculo da densidade do ar: ρ=1 v+ 1 Uabs (eq. 9) Sendo:
ρ – densidade do ar, em m³/kg de ar seco;
v – volume específico do ar saturado, em m³/kg de ar seco;
Uabs - umidade absoluta ou razão de umidade, em kg de vapor/ kg de
ar seco.
d) Radiação Solar Direta:
Ib=I-Id
(eq. 10) Sendo:
Ib – radiação solar direta sobre o plano horizontal, em W/m²;
I – radiação solar global horizontal, em W/m²; Id – radiação solar difusa horizontal, em W/m².
Com o auxílio de uma planilha no programa Excel, os dados do cabeçalho do arquivo csv deverão ser dispostos em colunas, na medida em que as variáveis ausentes são calculadas em outra planilha, seguindo a ordem de cálculo das equações apresentadas previamente. Dispondo de todas as variáveis do cabeçalho, os dados são, então, compilados em outra planilha com formatação compatível com o arquivo csv, que deverá ser salva com extensão *.csv, disponível dentre as opções de extensão do programa para armazenamento de arquivos. Finalizada essa etapa, deve-se seguir para a plotagem da rosa dos ventos no software Analysis SOL-AR.
6.3.2 Plotagem da rosa dos ventos
Para a plotagem da rosa dos ventos, deve-se incluir a cidade cujo arquivo será elaborado conforme previsto na metodologia desse trabalho. Para isso, deve-se abrir o programa Analysis SOL-AR, marcar a opção “Rosa dos Ventos” no menu “Arquivo” e em seguida selecionar “Incluir Nova Cidade” no mesmo menu. Na janela que se abrir
(Figura 21), deve-se escolher o arquivo na pasta de destino em “Buscar” (1) e em seguida selecionar a opção “Incluir Cidade” (2).
Figura 21 - Inclusão de nova cidade no software Analysis SOL-AR. Fonte: Adaptada do software Analysis SOL-AR (2017)
A inclusão da cidade salva as informações do arquivo no banco de dados do programa, possibilitando a seleção da cidade correspondente no campo “Cidade” (1), conforme mostra a Figura 22. O output do programa trará as informações de velocidade predominante (2) e frequência do vento (Figura 23) na localidade, em porcentagem de horas do ano e velocidade em m/s, para cada estação do ano. As mesmas serão apresentadas e discutidas como resultados desta pesquisa.
Figura 22 - Rosa dos ventos para Sinop-MT, na opção de velocidades predominantes dos ventos. Fonte: Adaptada do software Analysis SOL-AR (2017)
Figura 23 - Rosa dos ventos para Sinop-MT, na opção de frequência de ocorrência dos ventos. Fonte: Adaptada do software Analysis SOL-AR (2017)
6.4 ELABORAÇÃO DA CARTILHA BIOCLIMÁTICA
Os outputs fornecidos pelos softwares servirão de base para a análise das informações obtidas nas cartas e o posterior estudo das estratégias bioclimáticas passivas mais adequadas a serem implementadas na construção civil para o clima de
Sinop-MT. Pretende-se estruturar a cartilha em seções as informações apresentadas nos tópicos a seguir:
i. Carta Bioclimática
- apresentação do diagrama psicrométrico;
- verificação dos outputs obtidos com o software Analysis-BIO, apresentando as estratégias indicadas para Sinop-MT;
- ilustração e explanação de exemplos de aplicação das estratégias recomendadas.
ii. Carta Solar
- apresentação do diagrama solar;
- estudo dos limites dos ângulos α, β e ɤ adequados para o município; - dos ângulos para cada orientação;
- estudo da eficiência dos tipos de brises para cada temperatura; - divulgação de recomendações gerais de sombreamento.
iii. Rosa dos Ventos
- apresentação do diagrama com valores de direção e velocidade dos ventos para o local;
- indicação de aplicações relacionadas ao uso do vento em projetos por meio de exemplos.
O formato de cartilha tem o intuito de disponibilizar o conteúdo de forma mais direta e resumida aos profissionais da área e público interessado, para servir de diretriz base de futuras construções, de forma a contribuir com o desenvolvimento urbano do município.
7 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
2017
JAN FEV MAR ABR MAI JUN Revisão bibliográfica
complementar
Tratamento dos dados Formatação dos arquivos Plotagem dos diagramas nos softwares
Análise dos outputs e discussão dos resultados Elaboração do artigo Revisão e entrega oficial do trabalho
Apresentação do trabalho em banca
8 REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO
ABNT. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15575:2013:
Edificações habitacionais – Desempenho. Rio de Janeiro, 2013.
AMERICAN Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Handbook: Fundamentals. New York, ASHRAE, 2009.
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ANSI/ASHRAE Standard 55: Thermal Environmental Conditions for Human
Occupancy. Atlanta - USA: 2010.
BITTENCOURT, L. Uso das cartas solares: diretrizes para arquitetos. Maceió: EDUFAL, 2004. 109 p. 4ª ed.
BOGO, A.; BARBOSA, M. J.; GOULART, S.; LAMBERTS, R.; PIETROBON, C.; PITTA, T. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto
térmico. Relatório Interno no 02/94, Núcleo de Pesquisa em Construção, UFSC,
Florianópolis, SC, 1994.
BORTOLI, K. C. R.; SARAMAGO, R. C. P. Analysis SOL-AR. In: Desenvolvimento de tutoriais de softwares da série Analysis, Projeto de pesquisa. Laboratório de Eficiência Energética, Universidade de Santa Catarina – SC, 2013.
CARLO, J. C. Diferenças na simulação do consumo de energia elétrica em
edificações decorrentes do uso de arquivos climáticos de sítios e anos
distintos. 122 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal
de Santa Catarina, 2002.
CARLO, J; LAMBERTS, R. Processamento de Arquivos Climáticos Para
Simulação do Desempenho Energético de Edificações. In: Arquivos Climáticos.
Florianópolis: UFSC/LabEEE. 2005. Disponível em: