ANÁLISE EXPERIMENTAL DO IMPACTE DE SOMBREAMENTOS INOVADORES NO
CONFORTO AMBIENTAL INTERIOR
M. CALHAU M. GLÓRIA GOMES A. SANTOS
Arquitecta Prof.ª Auxiliar Inv. Auxiliar
IST-UL/ICIST IST-UL/ICIST LNEC
Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal Lisboa; Portugal
madalenacalhau@hotmail.com maria.gloria.gomes@tecnico.ulisboa.pt asantos@lnec.pt
RESUMO
As áreas envidraçadas elevadas podem dar origem a consumos energéticos substanciais e a problemas de desconforto térmico e visual. De entre as estratégias de construção sustentável para a redução dos consumos energéticos dos edifícios destaca-se a adoção de dispositivos de sombreamento. Neste trabalho pretende-se analisar por via experimental o impacte de dispositivos de sombreamento inovadores, em particular estores venezianos com lamelas de dupla orientação, no conforto ambiental dos espaços interioresO estudo experimental foi efetuado em célula de teste em três períodos do ano correspondentes aos Solstícios e Equinócio. Os resultados obtidos permitiram aferir a influência das diferentes posições possíveis dos estores venezianos de dupla inclinação instalados numa fachada de dupla pele, na qualidade da iluminação natural interior (incluindo aferição das transmitâncias nos elementos da fachada e das iluminâncias e irradiâncias ao longo do plano de trabalho) e na amplitude térmica entre o interior e o exterior da célula.
1. INTRODUÇÃO
A utilização de áreas envidraçadas elevadas tem vindo a ser cada vez mais frequente na construção de novos edifícios. No entanto, as características do vidro permitem uma transmissão considerável de radiação solar e visível para o interior dos edifícios, o que pode originar situações de sobreaquecimento e de desconforto visual proveniente de encandeamento Dentro do contexto da arquitetura sustentável, através da qual se procura reduzir os consumos energéticos e tirar partido das condições exteriores para benefício do conforto interior, existem várias soluções de projeto e uso de materiais que podem garantir o conforto interior através do controlo das condições do local onde é implantado o edifício. Entre estas, destaca-se o uso de sombreamentos como uma solução para controlo da radiação solar e visível e redução de problemas de sobreaquecimento, especialmente em países do Sul da Europa, como Portugal, onde o Verão é longo e quente e existe predominância de condições do céu não encobertos [1]. Nos últimos anos têm vindo a ser efetuados vários estudos no que diz respeito à eficácia dos dispositivos de sombreamento na distribuição luminosa interior e no controlo da radiação solar incidente. Entre eles, destacam-se os relativos à posição dos sombreamentos relativamente ao vão [2], à eficácia de sombreamentos verticais e horizontais [3], à comparação de tipos de sombreamento [4], aos impactos ambientais, níveis de iluminação, níveis de conforto interior e de consumo de energia [5]. No que diz respeito aos estores venezianos e à sua eficácia, foram efetuados estudos por Gomes et al. [6], Gratia e Herde [7], Ali [8] e Tzempelikos [9], entre outros.
No presente trabalho, foi avaliado experimentalmente numa célula de teste o desempenho de estores venezianos inovadores de dupla inclinação (EVDI) que consiste numa variação dos estores venezianos tradicionais, onde as lamelas horizontais superiores e inferiores podem ser inclinadas simultaneamente com ângulos diferentes. A inovação alcançada através da dupla inclinação das lamelas aumenta a interação dos ocupantes na regulação da luz natural, prevenindo simultaneamente os sobreaquecimentos no Verão.
2. TRABALHO EXPERIMENTAL
2.1 Caracterização da célula de teste e do sistema envidraçado com EVDI
O trabalho experimental foi realizado numa célula de teste com 2,7 m de pé-direito e 3,7 m de largura [10] situada no campus do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), em Lisboa (38º7’N, 9º1’W), (Figura 1). Na fachada orientada a Sul (com um desvio de cerca de 22º na direção Este), encontram-se instalados dois vãos envidraçados constituídos por: i) vidro simples exterior (5 mm de espessura); ii) estores venezianos de dupla inclinação com lamelas de 80 mm de largura e espaçamento entre lamelas de 70 mm de cor cinza e branca (Figura 1) com reflectâncias medidas
in situ de 40% e 68%, respetivamente, instalados a eixo de um espaço de ar de 0.20 m; iii) vidro duplo baixo emissivo
de 6-16-5 mm interior. De notar que a célula de teste se encontra dividida interiormente ao centro dos dois vãos constituintes da fachada envidraçada, permitindo assim a criação de duas áreas de influência distintas de cada um do estores (cinza e branco). O sistema de dupla inclinação permite que as lamelas da parte superior e inferior do sistema de sombreamento se encontrem com diferentes ângulos de inclinação, sendo que a parte superior corresponde a 38% da área total do vão.
Assim, foram testadas 7 configurações de EVDI com diferentes combinações de ângulos de lamelas que se ilustram na Figura 2. Os dispositivos encontram-se totalmente ativados, com exceção da opção “sem sombreamento” (Figura 2 a). As configurações a), b), e) e g) da Figura 2 são consideradas de referência e permitem a comparação entre o desempenho de EVDI e estores venezianos tradicionais. Para efeitos de comparação, ambos os sistemas de EVDI, cinza e branco, foram ensaiados simultaneamente com a mesma configuração de ângulos de lamelas.
Figura 1: Célula de teste com EVDI de cor cinza e branca.
Figura 2: Configurações de EVDI com diferentes combinações de ângulos de lamelas.
2.2 Procedimento experimental
Para a avaliação do desempenho lumínico e térmico dos EVDI foram efetuadas as seguintes medições, recorrendo-se a sensores de iluminância LI-COR LI-210, de irradiância LI-COR LI-200 e Delta T BF5 Sunshine Sensor e termohigrómetros Hygrolog-D Rotronic:
Iluminância global exterior desobstruída (Eext) em plano horizontal, iluminâncias horizontais interiores ao longo do
plano de trabalho (Eint) a uma cota de 0,70 m acima do pavimento interior (Figura 3a);
Irradiância global exterior desobstruída em plano horizontal, irradiâncias horizontais interiores ao longo do eixo central perpendicular ao vão (eixo central da Figura 3a);
Temperatura interior e exterior (Tint, Text) e humidade relativa interior e exterior (HR_int, HR_ext);
Iluminâncias e irradiâncias verticais (Figura 3b) nas faces: i) exterior do vidro exterior (Ev1); ii) interior do vidro
exterior (Ev2); iii) interior do dispositivo de sombreamento (Ev3); iv) interior do vidro interior (Ev4). A transmitância
total do vão é dada pela relação entre o valor de Ev4 e Ev1 através da seguinte relação [5]:
=Ev4/Ev1 (1)
Para a avaliação das condições de iluminação natural e radiação sob condições de céu limpo, são utilizados valores absolutos das iluminâncias e irradiâncias horizontais interiores, registados em três períodos do dia (9:00, 12:00 e 15:00 – Tempo Solar Verdadeiro – TSV) e em três períodos do ano correspondentes aos Solstícios de Verão e Inverno (21 de Junho e 22 de Dezembro) e ao Equinócio (22 de Março ou 21 de Setembro) [11,12,13]. Simultaneamente é registado o valor correspondente de iluminância e irradiância exterior para efeitos de comparação. Sob condições de céu encoberto, a avaliação é efetuada através do cálculo do Fator de Luz de Dia (FLD) que correlaciona os valores simultâneos de iluminância interior e exterior:
FLD(%)= (Eint/Eext)x100 (2)
Adicionalmente à avaliação das condições de iluminação, foram efetuadas medições de temperatura e humidade relativa do ambiente interior e exterior.
a) b)
Figura 3: Pontos de medição de iluminâncias e irradiâncias horizontais (a) e verticais (b)
3. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 3.1 Iluminação natural
3.1.1 Avaliação sob condições de céu encoberto
A avaliação das condições de iluminação natural sob condições de céu encoberto foram efetuadas através da determinação experimental da distribuição do FLD (eq. 2) num período de outono. A campanha experimental foi realizada para cada posição de estores (Figura 2) e aproximadamente ao meio dia solar. Nestas campanhas o valor de iluminância exterior (E_ext) foi aproximadamente de 15000 lux.
Fator de Luz de Dia
O FLD foi determinado com base nas medições de iluminância interior e exterior no plano horizontal de referência da Figura 3a com os dispositivos de sombreamento dispostos segundo as posições representadas na Figura 2. Adicionalmente, são referidos os valores médios de FLD (FLDm) e a uniformidade (Unif.) para cada posição dos sombreamentos. Ein Exterior Ev1 Ev2 Ev3 Ev4 Interior Eext
Nas Figuras 5 e 6 apresentam-se os resultados das medições para céu encoberto sob a forma de curvas de distribuição de igual FLD. É possível verificar que a dupla inclinação das lamelas (posições de 0º+45ºe 0º+90º) contribui para a garantia de níveis intermédios de iluminação natural no plano de trabalho (face às inclinações tradicionais - 0º, 45ºe 90º) prevenindo, ao mesmo tempo potenciais situações de encandeamentos e que os estores venezianos cinza conduzem a FLD inferiores aos de cor branca, como seria expectável.
Figura 5: Distribuição dos FLD no Equinócio de Outono sob condições de céu encoberto com sombreamento branco e posições de lamelas: 0º (a); 0º+45º (b); 45º(c); 0º+90º(d)
Figura 6: Distribuição dos FLD no Equinócio de Outono sob condições de céu encoberto com sombreamento cinza e posições de lamelas: 0º (a); 0º+45º (b); 45º(c); 0º+90º(d)
3.1.2 Avaliação sob condições de céu limpo
As avaliações quantitativas sob condições de céu limpo efetuaram-se a partir dos registos de irradiâncias e iluminâncias numa grelha de pontos (Figura 3a) num plano horizontal a uma cota de 0,70 m correspondente ao plano de trabalho (iluminâncias horizontais) e no eixo central perpendicular ao vão envidraçado (irradiâncias horizontais). Para além destas medições no interior dos dois compartimentos, foram ainda efetuadas medições complementares (Figura 3b) de modo a definir as transmitâncias visíveis e solares do sistema envidraçado para cada inclinação de estores representadas
a) FLDm=1,47% Unif.=0,46 (%) (%) 2% 1,8% 1,6% 1,8% 1,4% 1,2% 1% 0,8% 0,6% 0,8% 1% 1,2% 1% 0,4% 0,6% 0,8% 0,6% 0,8% 1% 1% 0,8% 0,8% 1,2% 1,4% 1,6% 1,8% 2% 1% 0,6% 0,8% 0,8% 0,4% 0,6% 0,8% 0,8% 0,6% 0,4% b) FLDm=0,97% Unif.=0,51 c) FLDm=0,54% Unif.=0,51 d) FLDm=0,84% Unif.=0,66 a) FLDm=1,33% Unif.=0,47 b) FLDm=0,78% Unif.=0,71 c) FLDm=0,37% Unif.=0,71 d) FLDm=0,59% Unif.=0,65
na Figura 2. As medições sob condições de céu limpo foram efetuadas nos períodos próximos do Solstício de Verão e Inverno ee do Equinócio de Outono.
Iluminâncias horizontais
As iluminâncias horizontais interiores foram medidas nos dezoito pontos representados na Figura 3a, sendo em simultâneo registado o valor de iluminância horizontal exterior.
Nas Figuras 7 a 9 são indicados os valores de iluminâncias horizontais medidos ao longo do eixo central nos compartimentos com estores brancos e cinza. De notar que os símbolos e não representam o valor exato de medição mas apenas indicam a existência de incidência de radiação solar direta no ponto em questão, o que foi verificado para o ponto de medição mais próximo do vão envidraçado na configuração sem sombreamento e com lâminas a 0º.
Como esperado, observa-se um decréscimo dos valores de iluminância à medida que os pontos se afastam do vão. Observa-se também uma diferença considerável entre os perfis de iluminância consoante a posição das lâminas dos estores, sendo mais significativa no Solstício de Inverno. Os valores de iluminância interior são também mais elevados no Solstício de Inverno devido o ângulo de altura solar ser menor permitindo assim uma maior transmissão da radiação solar para o interior.
a) Branco b) Cinza
Figura 7: Perfil de iluminâncias horizontais medidas para diferentes combinações de ângulos no Solstício de Verão às 12:00 TSV: Valores exteriores entre 112610 lux e 116820 lux.
a) Branco b) Cinza
Figura 8: Perfil de iluminâncias horizontais medidas para diferentes combinações de ângulos no Equinócio de Outono às 12:00 TSV: Valores exteriores entre 86120 lux e 88200 lux.
a) Branco b) Cinza
Figura 9: Perfil de iluminâncias horizontais medidas para diferentes combinações de ângulos no Solstício de Inverno às 12:00 TSV: Valores exteriores entre 53000 lux e 56800 lux.
3.2 Radiação solar Irradiâncias horizontais
As irradiâncias horizontais interiores (Figuras 10 e 11) foram medidas em dias de céu limpo em seis pontos no eixo central perpendicular ao vão, a uma cota de 0,70 m, nos compartimentos com os sombreamentos brancos e cinza. Em simultâneo, foi registado o valor de irradiância horizontal exterior. Nas Figuras 10 e 11 apresentam-se os valores das irradiâncias horizontais registadas no Solstício de Verão e no Equinócio de Outono às 12:00 TSV.
Tendo em conta os valores mais elevados de irradiância exterior registados no Solstício de Verão e os perfis de iluminância interior das Figuras 10 e 11, com valores mais elevados no Equinócio de Outono, pode concluir-se que a altura solar influencia bastante as irradiâncias interiores ao meio-dia solar, havendo mesmo penetração da luz direta do sol no compartimento com a inclinação das lâminas a 0º no Equinócio de Outono pelo facto do Sol se encontrar mais baixo e numa posição aproximadamente perpendicular aos vãos. Verificou-se também que o efeito da cor dos lamelas (e consequentemente da reflectância) tem maior influência no Equinócio de Outono pois a incidência mais horizontal da radiação solar aumenta a componente da reflexão verificada nas lamelas. O facto do Sol se encontrar mais alto ao meio dia solar aumenta o bloqueia da radiação devido às lamelas o que provoca a diminuição dos valores no interior.
a) Branco b) Cinza
Figura 10: Irradiâncias horizontais medidas para diferentes combinações de ângulos no Solstício de Verão, às 12:00 TSV: Irradiâncias horizontais exteriores entre 982,4 W/m2 e 1011,2 W/m2.
a) Branco b) Cinza
Figura 11: Irradiâncias horizontais medidas para diferentes combinações de ângulos no Equinócio de Outono, às 12:00 TSV: Irradiâncias horizontais exteriores entre 776,8 W/m2 e 798,3 W/m2.
3.3 Temperatura
O registo das temperaturas foi efetuado de forma contínua durante um período de Verão para cada posição de lamelas. Tendo em conta que as condições climáticas exteriores não foram exactamente as mesmas nos diferentes dias de ensaio recorreu-se à temperatura ar-sol (que relaciona a temperatura exterior e a radiação solar) de modo a fazer uma comparação dos valores obtidos para as diferentes inclinações de lamelas nos diferentes dias. Na Figura 12 representa-se a diferença entre a temperatura registada no interior da célula de teste e a temperatura ar-sol determinada nesrepresenta-se mesmo período de tempo. É possível concluir através da análise da Figura 12 que, de um modo geral, a temperatura interior correlaciona-se com o grau de inclinação das lamelas. À medida que o ângulo das lamelas, e consequentemente o efeito de sombreamento, aumenta a temperatura ambiente interior diminui.
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 9:00 10:12 11:24 12:36 13:48 15:00 16:12 17:24 18:36 Ti nt -Tar -s ol Hora Aberto 0º 0º+45º 45º 0º+90º 45º+90º Fechado
Figura 12: Diferença entre a temperatura interior e a temperatura ar-sol
4. CONCLUSÕES
Neste trabalho apresentam-se os resultados de estudo experimental em célula de teste para avaliar o comportamento de estores venezianos de dupla inclinação. Foi possível concluir que a dupla inclinação das lamelas confere maior eficiência aos estores venezianos no que diz respeito à proteção solar, ao controlo e modelação da luz natural, conseguindo uma maior uniformidade de iluminâncias e um consequente controlo do encandeamento provocado por contrastes excessivos de luz. Embora os dispositivos tradicionais concedam uma proteção solar bastante razoável através da rotação das lamelas até 90º, a dupla inclinação dos estores permite o fornecimento de níveis intermédios de iluminação natural, com valores difíceis de atingir com estores tradicionais , nomeadamente entre a posição totalmente fechada e de lâminas a 45º(45º+90º e 0º+90º). Também a inclinação de 0º+45º atinge valores de iluminação no interior que se situam entre os registados com as lâminas horizontais e a 45º.
A grande vantagem destes sombreamentos inovadores é o controlo do encandeamento, em particular no plano de trabalho. Com a possibilidade de uma maior obstrução na parte inferior do sombreamento, ou seja com as lamelas fechadas ou a 45º, é possível reduzir o valor das iluminâncias que atingem o plano de trabalho junto ao vão em inclinações como a horizontal, mantendo, ainda assim, um nível mínimo de iluminâncias necessário às diferentes tarefas em posições mais afastadas do vão. Uma maior eficácia da iluminação natural é possível através de reflexões nas lamelas (por exemplo, a 45º) na parte inferior do EVDI e na entrada direta de radiação combinada com reflexões nas lamelas superiors (por exemplo, a 0º), que tornam o ambiente luminoso mais uniforme.
O efeito de reflectância das lamelas(branco=68%, cinza=40%) foi percetível no estudo efetuada, verificando-se
distribuições interiores de iluminância e irradiância semelhantes, embora com valores inferiores no caso dos estores cinza em particular em posições que incluam as lâminas horizontais ou a 45º.
5. REFERÊNCIAS
[1] Santos, A.J. Development of a method for the dynamic characterisation of daylighting in Mediterranean climates. PhD Thesis. Lisbon: IST/LNEC, 2011. (in Portuguese)
[2] Atazeri, Anna, et al. – Internal versus external shading devices performance in office buildings. Energy Procedia. 45 (2014), p. 463-472.
[3] Alzoubi, H. H. e Al-zoubi, A. – Assessment of building facade performance in terms of daylighting and the
associated energy consumption in architectural spaces: Vertical and horizontal shading devices for southern exposure facades. Energy Conversion and Management. 51 (2010), p.1592-1599.
[4] Stazi, F., Marinelli, S., Perna, C. Di, Munafò, P. – Comparison on solar shadings: Monitoring of the
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[5] Aldawould, A.– Conventional fixed shading devices in comparison to an electrochromic glazing system in hot, dry
climate. Energy and Buildings. 59 (2013), p. 104-110.
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venetian blinds: numerical, experimental and blind control study. Building and Environment 71 (2014) 47- 59.
[7] Gratia, E., Herde, A. De – The most efficient position of shading in a double-skin façade. Energy and Buildings. 39 (2007), p. 364-373.
[8] Ali, A.– Using simulation for studying the influence of horizontal shading device protrusion on the thermal
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[9] Tzempelikos, Athanassios – “The impact of venetian blind geometry and tilt angle on view, direct light transmission and interior illuminance.” Solar Energy. 82 (2008), p. 1172-1191.
[10] Gomes, M. G. – Thermal behavior of double skin facades: Numerical modeling and experimental analysis. PhD Thesis. Lisbon: IST, Universidade Técnica de Lisboa, 2010. (in Portuguese)
[11] Santos, A.J. - Development of a methodology for Characterizing the Daylight Conditions in Buildings Based on
“in situ” Evaluation. Master Degree Thesis. Lisbon: LNEC/FCUL, 2002. (in Portuguese)
[12] Santos, A.J. - Daylighting in Buildings: An approach in the context of sustainability and energy efficiency. Lisbon: LNEC, 2007. Series Com 133. (in Portuguese).
[13] Calhau, M. - Análise experimental do impacte de sombreamentos inovadores no conforto ambiental interior. Dissertação de Mestrado Integrado em Arquitetura. Lisboa, IST, Universidade de Lisboa, 2014.
