CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ARQUITETURA E URBANISMO MESTRADO ACADÊMICO
DESEMPENHO DA LUZ NATURAL EM AMBIENTES COM
ABERTURAS VOLTADAS PARA LESTE CONSIDERANDO A
INFLUÊNCIA DOS USUÁRIOS
VIVIANE DINIZ HAZBOUN Orientação: Prof° Aldomar Pedrini, PhD.
VIVIANE DINIZ HAZBOUN
DESEMPENHO DA LUZ NATURAL EM AMBIENTES COM
ABERTURAS VOLTADAS PARA LESTE CONSIDERANDO A
INFLUÊNCIA DOS USUÁRIOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo, Mestrado Acadêmico, da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre. Orientador: Prof° Aldomar Pedrini, PhD.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Dr. Marcelo Bezerra de Melo Tinôco - DARQ - -CT
Hazboun, Viviane Diniz.
Desempenho da luz natural em ambientes com aberturas voltadas para leste considerando a influência dos usuários / Viviane Diniz Hazboun. - Natal, 2018.
117f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Arquitetura e
Urbanismo.
Orientador: Aldomar Pedrini.
1. Arquitetura - Iluminação natural - Dissertação. 2. Desempenho luminoso - Dissertação. 3. Sistemas de aberturas - Dissertação. 4. Comportamento dos usuários - Dissertação. I. Pedrini, Aldomar. II. Título.
RN/UF/BSE15 CDU 72:628.92
Aos nove dias do mês de maio do ano de dois mil e dezoito, na sala de aula do LABCON/UFRN, realizou-se a Sessão Pública de Defesa da Dissertação intitulada DESEMPENHO DA LUZ NATURAL EM AMBIENTES COM ABERTURAS VOLTADAS PARA LESTE CONSIDERANDO A INFLUÊNCIA DOS USUÁRIOS, de VIVIANE DINIZ HAZBOUN, para obtenção do título de mestre em Arquitetura e Urbanismo.
Data de Aprovação: 09/05/2018 Banca Examinadora:
Dr. ALDOMAR PEDRINI, UFRN Presidente
Dra. SOLANGE MARIA LEDER, UFPB Examinador Externo à Instituição
Dra. SOLANGE VIRGÍNIA GALARCA GOULART, UFRN Examinador Externo ao Programa
Dra. GLEICE VIRGÍNIA MEDEIROS DE AZAMBUJA ELALI, UFRN Examinador Interno
VIVIANE DINIZ HAZBOUN Mestrando
AGRADECIMENTOS
A Deus, por guiar minha vida e me dar força ao longo desta trajetória.
Aos meus pais Nabil e Lenira, e minha irmã Natália, pelo amor e apoio incondicional, pela presença constante em todos os momentos da minha vida, pelas palavras de carinho e por sempre acreditarem em mim.
A Igor, pelo companheirismo, motivação, carinho e alegrias.
A Aldomar Pedrini, pela contribuição na minha formação como arquiteta e pesquisadora e, sobretudo, pela amizade e conselhos diários.
A Allyson e Juliana, por todo o suporte que me deram para o desenvolvimento desta pesquisa.
Aos meus queridos amigos que sempre estiveram presentes e me incentivaram em cada etapa da minha vida, pelo companheirismo nos momentos difíceis e alegrias divididas.
À equipe do Labcon/UFRN, por todo o conhecimento transmitido desde a graduação. Aos professores do DARQ e PPGAU/UFRN, por todos os ensinamentos.
Aos membros da banca, que gentilmente aceitaram participar e contribuir para esta pesquisa.
RESUMO
Esta pesquisa avalia o potencial de aproveitamento da luz natural em escritórios com sistemas de aberturas voltados para Leste considerando o comportamento dos usuários. Apesar dos benefícios e da grande disponibilidade de radiação solar em regiões de baixa latitude, é recorrente a subutilização da luz natural em função da relação entre o sistema de abertura e o comportamento do usuário. O ofuscamento e contraste com o monitor induzem o fechamento das cortinas, gerando insuficiência de luz natural, obstrução do contato com o exterior e aumento do consumo de energia elétrica. Os sistemas de aberturas sombreados são determinados por meio de máscaras de sombra, variados parametricamente quanto ao tamanho da abertura e fator de céu visível (FCV), e simulados para quantificação do desempenho na plataforma integrada Rhinoceros/Grasshopper/DIVA. O comportamento dos usuários é identificado por meio de pesquisa de campo com aplicação de questionários, e categorizado em ativo, passivo e intermediário. A avaliação do desempenho luminoso em função dos usuários é feita por meio de planilhas eletrônicas e os resultados são traduzidos em recomendações projetuais simplificadas. Há potencial de aproveitamento da luz natural e menor influência dos usuários para ambientes com grandes aberturas e sistemas externos móveis. Recomenda-se o aumento do tamanho da abertura e redução do FCV para sistemas de proteção fixos, associados ao comportamento ativo dos usuários para o aumento da profundidade de vão iluminado. Devem ser evitados sistemas sem sombreamento eficaz, pequenas aberturas e alto FCV.
ABSTRACT
This work evaluates the daylight potential in office rooms with fenestration systems oriented to East considering occupant behavior. Despite the benefits and great availability of solar irradiance in low-latitude zones, it is common to underuse daylight due to the relationship between fenestration systems and occupant behavior. The glare and VDT contrast leads occupants to close the blinds, generating insufficient daylight, obstructed outside view and increasing energy consumption. The shaded systems are determined by shading masks with parametrical variation of window size and visible sky factor (VSF), and are simulated for performance analysis on Rhinoceros/Grasshopper/DIVA platform. The occupant behavior is identified through field research with application of questionnaires, and it is categorized as active, passive and intermediate. The daylight performance considering occupant behavior is evalueted through spreadsheets and the results are translated into simplified design recommendations. There is a potential use of daylight and less influence of occupant behavior for the cases with large windows and mobile external devices. It is recommended to increase the window size and reduce the VSF to fixed shading devices, associated with active users to increase daylight depth. Systems with no shading devices, small windows and high VSF should be avoided.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1 – Aspectos de análise de desempenho da luz natural. ... 19
Figura 2-2 - Variação de índices de desempenho em função do PAF. ... 20
Figura 2-3 - Conceito de fracionamento da abertura. ... 22
Figura 2-4 - Funções e fatores relacionados ao projeto de sistemas de aberturas. ... 23
Figura 2-5 - Definição de diferentes geometrias a partir da geometria solar. ... 24
Figura 2-6 - Tipos de dispositivos externos. ... 26
Figura 2-7 - Sistema com inclinação ajustável. ... 27
Figura 2-8 – Sistema com brises de correr. ... 27
Figura 2-9 – Tabicão. ... 28
Figura 2-10 - Método de concepção projetual baseada na resposta dos usuários. ... 33
Figura 2-11 - Comparação dos modelos quanto à Autonomia de Luz Natural. ... 34
Figura 2-12 - Comparação dos modelos quanto à probabilidade de ofuscamento. ... 34
Figura 2-13 - Estrutura da abordagem de DNAs para definição do comportamento dos usuários. . 36
Figura 2-14 – Distribuição de DA para dois padrões divergentes de controle dos dispositivos de proteção. ... 42
Figura 3-1 - Diagrama geral do método. ... 49
Figura 3-2 - Variações dos parâmetros de brises e marquises. ... 50
Figura 3-3 - Classificação do FCV em pequeno, médio e grande (respectivamente). ... 51
Figura 3-4 - Geometria do modelo de referência. ... 54
Figura 3-5 - Dimensões da abertura - PAF 20%. ... 55
Figura 3-6 - Dimensões da abertura - PAF 40%. ... 55
Figura 3-7 - Dimensões da abertura - PAF 60%. ... 55
Figura 3-8 - Dimensões da abertura - PAF 80%. ... 55
Figura 3-9 - Modelo representativo e máscara de sombra com FCV pequeno. ... 56
Figura 3-10 - Modelo representativo e máscara de sombra com FCV médio. ... 56
Figura 3-11 - Modelo representativo e máscara de sombra com FCV grande. ... 56
Figura 3-12 - Sistema móvel regulável. ... 57
Figura 3-13 - Sistema móvel abre/fecha. ... 57
Figura 3-14- Estrutura do algoritmo. ... 58
Figura 3-15 - Malha de sensores dos modelos. ... 60
Figura 3-16 - Zonas de avaliação ... 62
Figura 3-17 - Gráfico de resultados do UDI 500-5000lux. ... 63
Figura 3-18 - Gráfico de resultados das faixas de iluminância útil, insuficiente e excessiva... 63
Figura 3-19 - Estrutura e partes do questionário. ... 64
Figura 3-20 - Exemplo de alternativas com escala ... 65
Figura 3-21 – INPE. ... 66
Figura 3-22 – C&T. ... 66
Figura 3-23 – CTEC. ... 66
Figura 3-24 – SIN. ... 66
Figura 3-25 – IIF. ... 66
Figura 3-26 - Registro fotográfico do ambiente. ... 68
Figura 3-28 - Modelo de ficha de avaliação do potencial de uso da luz natural. ... 70
Figura 3-29 - Representação do desempenho luminoso. ... 72
Figura 4-1 – Potencial de desempenho luminoso para diferentes PAFs: a) 20%, b) 40%, c) 60% e d) 80%. ... 73
Figura 4-2 - Faixas de iluminância para PAF de a) 20%, b) 40%, c) 60% e d) 80%. ... 75
Figura 4-3 – Ocorrência dos períodos de uso da luz natural. ... 78
Figura 4-4 - Ocorrência de aproveitamento da luz natural por hora. ... 78
Figura 4-5 – Ocorrência das sensações provocadas pela luz natural. ... 78
Figura 4-6 - Ocorrência da frequência de acionamento do sistema de proteção. ... 79
Figura 4-7 – Ocorrência do período de abertura da cortina. ... 79
Figura 4-8 – Ocorrência das principais causas para abertura da cortina. ... 79
Figura 4-9 – Ocorrência das principais causas para o fechamento da cortina. ... 80
Figura 4-10 - Ocorrência de fechamento da cortina por edificação. ... 81
Figura 4-11 - Relação entre o acionamento da luz elétrica e o fechamento da cortina. ... 81
Figura 4-12 - Relação de causa-efeito para interação dos usuários. ... 83
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1 - Iluminância (Em), ofuscamento (UGRL) e reprodução de cor (Ra) para escritórios. . 46
Tabela 3-1 – Parâmetros fixos dos modelos. ... 54
Tabela 3-2 - Faixa de refletância indicada para as superfícies internas. ... 54
Tabela 3-3 - Quantidade mínima de sensores conforma valor do índice K. ... 60
Tabela 3-4 - Propriedades das superfícies. ... 60
Tabela 3-5 – Configurações dos parâmetros do Radiance para modelos com brises e persianas. ... 61
Tabela 3-6 - Escala de ocorrência de UDI500-5000lux e classificação. ... 71
LISTA DE QUADROS
Quadro 3-1 - Variáveis dos sistemas de aberturas. ... 53 Quadro 3-2 - Checklist de avaliação das causas e hipóteses para acionamento da cortina interna. . 67 Quadro 3-3- Fatores de influência. ... 68 Quadro 4-1 - Tipos de comportamento dos usuários. ... 84
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 14
2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 17
2.1 APROVEITAMENTO DA ILUMINAÇÃO NATURAL ... 17
2.2 SISTEMAS DE ABERTURAS ... 22
2.2.1 O PROJETO DE SISTEMAS DE ABERTURAS _____________________________ 23 2.2.2 TIPOS DE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO _______________________________ 25 2.3 INFLUÊNCIA DO USUÁRIO NO DESEMPENHO DE EDIFICAÇÕES ... 29
2.3.1 PADRÕES DE COMPORTAMENTO EM EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIOS ____________ 31 2.3.2 CRITÉRIOS PARA O CONTROLE DOS SISTEMAS DE ABERTURAS _____________ 35 2.3.3 IMPACTO DOS USUÁRIOS NO DESEMPENHO LUMINOSO ___________________ 40 2.4 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA LUZ NATURAL ... 42
2.5 FERRAMENTAS DE MODELAGEM E SIMULAÇÃO... 47
3 MÉTODO ... 49
3.1 DEFINIÇÃO DOS SISTEMAS DE ABERTURAS ... 50
3.1.1 LEVANTAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DOS TIPOS _______________________ 50 3.1.2 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS ____________________________________ 51 3.1.3 DEFINIÇÃO DAS VARIÁVEIS _______________________________________ 52 3.2 SIMULAÇÃO DO DESEMPENHO LUMINOSO ... 53
3.2.1 DEFINIÇÃO DOS MODELOS ________________________________________ 53 3.2.1.1 Parâmetros fixos ... 53
3.2.1.2 Parâmetros variáveis ... 55
3.2.2 MODELAGEM PARAMÉTRICA ______________________________________ 58 3.2.3 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL _____________________________________ 59 3.2.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DE DESEMPENHO LUMINOSO _________________ 61 3.3 CARACTERIZAÇÃO IN LOCO DO COMPORTAMENTO DOS USUÁRIOS ... 63
3.3.1 CONCEPÇÃO DO QUESTIONÁRIO ____________________________________ 64 3.3.2 APLICAÇÃO DE QUESTIONÁRIOS ____________________________________ 65 3.3.3 IDENTIFICAÇÃO DOS CRITÉRIOS DE CONTROLE _________________________ 68 3.3.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DO COMPORTAMENTO DOS USUÁRIOS __________ 69
3.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS DO POTENCIAL DE USO DE LUZ NATURAL ... 69
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 73
4.1 DESEMPENHO LUMINOSO DOS SISTEMAS ... 73
4.2 CARACTERIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO DOS USUÁRIOS ... 76
4.3 POTENCIAL DE USO DA LUZ NATURAL ... 84
4.4 RECOMENDAÇÕES PROJETUAIS DE SISTEMAS DE ABERTURAS ... 87
5 CONCLUSÕES ... 90
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 93
APÊNDICE 1: QUESTIONÁRIO ... 100
APÊNDICE 2: PARECER CONSUBSTANCIADO DO CEP ... 102
APÊNDICE 3: FICHA DE AVALIAÇÃO DOS AMBIENTES ... 106
1 INTRODUÇÃO
Esta pesquisa demonstra que o aproveitamento da luz natural em ambientes de escritório com aberturas voltadas para Leste é influenciado diretamente pela relação entre as características do sistema de abertura e o comportamento dos usuários. O tema tem origem na observação do uso recorrente de cortinas fechadas devido ao ofuscamento e contraste com o monitor, causando insuficiência de luz natural e uso excessivo da luz artificial e condicionamento de ar.
Aberturas voltadas para Leste são recorrentes no projeto de edificações no clima tropical por causar menos desconforto ao calor quando comparadas à orientação Oeste, devido à inércia térmica da edificação. Também coincidem com parte da incidência dos ventos (que variam de Sul a Nordeste), e tendem a se beneficiar da vista externa, sobretudo quanto mais próximas ao mar. O uso de aberturas nessa orientação também pode ser influenciado pelas próprias restrições de projeto e do local. Entretanto, observa-se que o desempenho luminoso de edifícios de escritórios dotados de aberturas sem sombreamento externo ou projetadas de forma inadequada é comprometido pelo acionamento das cortinas pelos usuários, excluindo a função primária da janela de estabelecer integração visual e iluminação natural.
Os sistemas de aberturas são os principais componentes que influenciam no aproveitamento da luz natural no ambiente, e consequentemente no conforto dos usuários, no desempenho termoluminoso e na economia de energia das edificações. A geometria solar de aberturas voltadas para Leste apresenta particularidades que devem ser consideradas desde as primeiras fases do projeto arquitetônico. As primeiras horas do dia apresentam intensa luminosidade devido à incidência de topo da radiação solar no plano da abertura, o que pode ocasionar ofuscamento, contraste com o monitor e aumento da carga térmica. Ao longo do dia, o ângulo de incidência da insolação se torna tangencial à normal da abertura, havendo predominância de luz difusa. O projeto inadequado de sistemas de aberturas pode induzir os usuários a subutilizar ou bloquear completamente a entrada de luz natural no ambiente, demandando o uso de sistemas artificiais e reduzindo a qualidade dos espaços.
O principal recurso para reduzir ou eliminar o ofuscamento é o sombreamento da abertura por dispositivos de proteção fixos ou móveis, por meio do bloqueio da radiação direta. Os dispositivos fixos obstruem significativamente a visão para o
exterior para garantir a proteção da abertura nas primeiras horas do dia. O aumento da fração de céu visível pode gerar ofuscamento e o consequente bloqueio da luz natural por meio de cortinas. Os sistemas móveis evitam esses problemas, porém dependem do acionamento dos usuários para a otimização do desempenho. Logo, o aproveitamento da luz natural no ambiente depende da interação do usuário com o sistema de abertura devidamente sombreado.
O objetivo desta dissertação é identificar sistemas de aberturas voltados para Leste com potencial de aproveitamento da luz natural considerando a interação dos usuários em escritórios localizados em baixa latitude.
Os objetivos específicos são:
Identificar configurações de sistemas de aberturas que otimizem o aproveitamento da luz natural;
Identificar padrões de comportamento dos usuários relacionados ao uso da luz natural;
Investigar a influência da relação do comportamento dos usuários com os sistemas de aberturas no desempenho luminoso.
O sistema de abertura é caracterizado nesta pesquisa pela combinação das variáveis Percentual de Abertura da Fachada (PAF), Fator de Céu Visível (FCV) e mobilidade do sistema. O PAF representa o tamanho da abertura em relação à fachada, o FCV caracteriza a área desobstruída da abóbada celeste e a mobilidade indica se o sistema externo é fixo ou móvel (com diferentes tipos de acionamento). O comportamento dos usuários caracteriza-se pela interação com os sistemas de aberturas, e consiste na principal lacuna entre o desempenho de edifícios reais e simulados (FOSTER, ORESZCZYN, 2001). Os tipos de comportamento podem ser categorizados a partir da identificação das causas e da frequência de acionamento dos sistemas. Destacam-se fatores como insuficiência de luz natural e contato com o meio externo como principais causas para abertura do sistema de proteção, e ofuscamento e contrastes como causas para o fechamento. A interação do usuário é determinante para a admissão da luz natural no ambiente, sobretudo quando há necessidade de controle dos dispositivos de proteção. Os tipos de comportamento são diferenciados em função das preferências dos usuários e da frequência de interação. Usuários de comportamento ativo frequentemente ajustam a entrada de luz para regulagem dos níveis de iluminância
no ambiente, enquanto que usuários passivos são indiferentes ao aproveitamento da luz natural, dando prioridade ao uso de sistemas artificiais.
Os procedimentos consistem na simulação dinâmica do desempenho luminoso, caracterização in loco do comportamento dos usuários e tratamento dos resultados. As variáveis dos sistemas de aberturas são definidas a partir da caracterização de tipos recorrentes para a modelagem paramétrica e simulação dinâmica na plataforma integrada do software Rhinoceros com os plug-ins Grasshopper e DIVA. A simulação dinâmica considera o comportamento do edifício com seus ocupantes, e as condições climáticas e do céu ao longo do ano, favorecendo a fidelidade do modelo (REINHART, MARDALJEVIC, ROGERS, 2006a). Os resultados da simulação são refinados de acordo com os comportamentos de usuários obtidos na pesquisa de campo, classificados e traduzidos em recomendações projetuais simplificadas.
O trabalho foi estruturado em cinco capítulos. O capítulo 1 apresenta a introdução do trabalho. No capítulo 2, são apresentadas as principais referências bibliográficas: sistemas de aberturas para aproveitamento da luz natural, interação dos usuários com os dispositivos de proteção solar, avaliação do desempenho luminoso, e ferramentas de modelagem e simulação. No capítulo 3, são descritos os procedimentos e as etapas de definição dos sistemas de aberturas, a simulação do desempenho luminoso, a caracterização in loco do comportamento dos usuários e o potencial de uso da luz natural. O capítulo 4 concentra os principais resultados das simulações computacionais, da caracterização dos usuários e do tratamento dos resultados, indicando recomendações projetuais simplificadas para o projeto de sistemas de aberturas voltados para Leste considerando o comportamento dos usuários. O capítulo 5 é referente às conclusões e limitações da pesquisa.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
A revisão da literatura aborda os principais temas que são integrados nesta pesquisa: aproveitamento da luz natural, sistemas de aberturas, influência dos usuários no desempenho de edificações, avaliação do desempenho da luz natural, ferramentas de modelagem e simulação computacional. Os sistemas de aberturas são abordados quanto ao projeto e classificação dos tipos. A influência dos usuários é demonstrada a partir da caracterização de diferentes padrões de comportamento, definição dos critérios de controle dos dispositivos de proteção e quantificação do impacto no desempenho luminoso.
2.1 APROVEITAMENTO DA ILUMINAÇÃO NATURAL
A luz natural contribui de forma funcional, ambiental e econômica nas edificações (AMORIM et al., 2011), trazendo benefícios fisiológicos e psicológicos para o ser humano (EDWARDS, TORCELLINI, 2002; BOYCE, HUNTER, HOWLETT, 2003), como redução da fadiga, aumento do bem-estar e produtividade (O’CONNOR et al., 1997; EDWARDS, TORCELLINI, 2002; BOYCE, HUNTER, HOWLETT, 2003; TZEMPELIKOS, 2005; FONSECA, 2015).
A luz natural tem relação com a humanização do espaço, conforto visual, orientabilidade temporal (COSTI, 2002) e contato com o meio externo (EDWARDS, TORCELLINI, 2002; BOYCE, HUNTER, HOWLETT, 2003). O conforto visual refere-se a uma “boa visualização do ambiente, com um nível de iluminação adequado para percepção de seus detalhes, sem ofuscamentos nem contrastes” (CORBELLA, YANNAS, 2003). O ofuscamento é uma sensação provocada pelo brilho no campo de visão, ou por reflexões em superfícies especulares, podendo ser classificado como desconfortável ou inabilitador (ABNT, 2013). Em geral, é provocado por luminâncias excessivas ou contrastes no campo de visão.
O uso da luz natural é uma estratégia de economia de energia elétrica em edificações (BOYCE, HUNTER, HOWLETT, 2003; LEDER, 2007; TZEMPELIKOS, ATHIENITIS, 2007; ROCHA, PEREIRA, 2011), reduzindo o acionamento de iluminação artificial e a demanda para resfriamento (DIDONÉ, 2009; RUCK et al., 2010; FONSECA, 2015). Em clima tropical, a redução pode variar de 20% a 62% no consumo de iluminação artificial quando há o aproveitamento da luz natural (DIDONÉ,
2009). Apesar da importância em se atingir níveis de iluminância adequados, a distribuição da luz no ambiente também determina a qualidade visual do espaço. Quando há uniformidade no ambiente, os usuários tendem a utilizar menos a iluminação artificial, mesmo que os níveis de iluminância estejam abaixo dos valores recomendados (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000).
Os principais fatores que influenciam o desempenho da luz natural correspondem às condições climáticas e de iluminação do local (RUCK et al., 2010; ROCHA, PEREIRA, 2011) e às características de projeto, como propriedades físicas e geométricas das aberturas, refletâncias das superfícies, geometria do ambiente, propriedades do vidro, formas de uso dos sistemas (O’CONNOR et al., 1997; RUCK et al., 2010; LIMA, 2012; FONSECA, 2015) e configuração do entorno (LEDER, 2007).
O uso de dispositivos de proteção externos reduz o fluxo luminoso que atinge o ambiente (FIUZA, 2008), sendo vantajosa a redução dos níveis de iluminância em países de clima quente (MACEDO, PEREIRA, 2003) para evitar o ofuscamento. O sombreamento adequado influencia simultaneamente o desempenho térmico e luminoso (RUCK et al., 2010), reduzindo a parcela de radiação solar que atinge o ambiente e garantindo melhor uniformidade e distribuição da luz (INKAROJRIT, 2005a; DIAS, 2016; AJMAT, MARDALJEVIC, HANBY, 2005).
O Comitê de Iluminação Natural da IES (HESHONG, 2011 apud FONSECA, 2015) destaca os aspectos para a análise do desempenho da luz natural, indicando as informações que devem ser consideradas no projeto. As colunas representadas pelas letras “A” a “F” indicam os parâmetros que influenciam no desempenho da luz natural: espaço, aberturas, contexto climático, contato com o exterior, comportamento do usuário e sistemas do edifício. As colunas 1 e 2 indicam os dados de saída resultantes dos parâmetros determinados no projeto e referem-se ao conforto ambiental e impactos energéticos (Figura 2-1).
Figura 2-1 – Aspectos de análise de desempenho da luz natural.
O sombreamento da abertura pode ser quantificado por meio de diferentes métodos, como a máscara da sombra. O dimensionamento do sistema deve priorizar a obstrução da fração de céu correspondente à trajetória solar, onda há incidência de luz direta, desobstruindo a fração da abóboda celeste em que há incidência de luz difusa, uma vez que se constitui em importante fonte de luz indireta para o ambiente (LEDER, 2007). A desobstrução da abóboda celeste corresponde ao Fator de Céu Visível (FCV) e está diretamente relacionada aos dispositivos de proteção e elementos do entorno, que influenciam no desempenho da luz no ambiente (LEDER, PEREIRA, CLARO, 2008). O cálculo do FCV pode ser obtido por meio da máscara de sombra, gerada a partir de ferramentas computacionais (LEDER, 2007), como o Solar Tool (MARSHALL, 2010), por exemplo. A Janela de Céu Preferível (LEDER, PEREIRA, CLARO, 2008) consiste em outro parâmetro relacionado ao desempenho da luz natural no ambiente interno. Esta corresponde à porção do céu com maior potencial de iluminação natural sobre um plano horizontal no ambiente. O parâmetro apresenta uma correlação linear com aproveitamento da luz, isto é, quanto maior a desobstrução dessa zona, melhor o desempenho luminoso.
A eficiência do sombreamento está relacionada a fatores como orientação, geometria das aberturas, entorno, vegetação e propriedades das superfícies opacas e transparentes (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000). O PAF consiste em uma das principais variáveis relacionadas à admissão de luz e calor no ambiente (TZEMPELIKOS, 2005; FONSECA, 2015). TZEMPELIKOS (2005) avalia o impacto do PAF em diferentes índices de desempenho (como disponibilidade de luz natural e consumo de energia) através de um gráfico simplificado que pode ser utilizado por projetistas para a tomada de decisões referentes ao tamanho da abertura (Figura 2-2).
Figura 2-2 - Variação de índices de desempenho em função do PAF.
A autonomia de luz natural (DA) cresce à medida que se aumenta a abertura, entretanto se mantem constante a partir de certo percentual, indicando que o aumento do PAF não mais contribui para a disponibilidade de luz natural no ambiente. Quanto maior for a área envidraçada, maior a necessidade de empregar dispositivos externos de sombreamento para o controle dos ganhos solares e ofuscamento (O’CONNOR et al., 1997).
A relação entre o FCV e o PAF é determinante no desempenho da abertura (CARVALHO, 2014; MORENO, 2015; DIAS, 2016). Para grandes aberturas, recomenda-se reduzir o FCV para evitar falta de uniformidade e ofuscamento; para pequenas aberturas, o aumento da FCV permite entrada de luz difusa e evita insuficiência de luz natural. Quando se tem restrições quanto ao FCV (grande obstrução da abertura), recomenda-se adotar aberturas maiores para que sejam atendidas as exigências de iluminância (MORENO, 2015; DIAS, 2016).
Quando se consideram aberturas voltadas para Leste e Oeste, torna-se complexo obter um sombreamento adequado (O’CONNOR et al., 1997), devido à dinamicidade e exposição ao arco completo da trajetória solar (MEEK, BRESHEARS, 2010). Elementos de proteção recorrentes, como beirais e marquises, não oferecem proteção quando há incidência de radiação solar de topo (LENOIR et al., 2013). A trajetória dinâmica do Sol sugere o uso de dispositivos móveis para alcançar bons níveis de desempenho, originando o conceito de fachadas “inteligentes”, “adaptáveis” ou “responsivas” (KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Quando projetados adequadamente, dispositivos de proteção podem reduzir em até 1/5 os ganhos térmicos em aberturas voltadas para Leste e Oeste, resultando em uma grande economia de energia (OLGYAY, 1963). Além do sombreamento, é necessário considerar a disponibilidade de luz difusa em locais de baixa latitude, para evitar ocorrências de ofuscamento (MORENO, 2015).
A estratégia de regulagem independente (Figura 2-3) consiste em uma solução de otimização do desempenho a partir do fracionamento da abertura em três sessões de acordo com a função: superior (entrada de luz natural), média (contato visual com o exterior) e inferior (peitoril) (TZEMPELIKOS, ATHIENITIS, 2003). Cada fração possui propriedades e dispositivos de proteção adequados à função, que podem ser operados separadamente para minimizar o ofuscamento e otimizar os níveis de
iluminância internos (O’CONNOR et al., 1997), sendo indicada para baixas latitudes (MACEDO, PEREIRA, 2003).
Figura 2-3 - Conceito de fracionamento da abertura.
Fonte: Adaptado de O’BRIEN et al. (2013) 2.2 SISTEMAS DE ABERTURAS
Os sistemas de aberturas consistem nos componentes básicos de janelas, (ASHRAE, 2001), incluindo áreas envidraçadas, montantes e dispositivos de proteção (TZEMPELIKOS, 2005). As aberturas possuem grande influência no desempenho do edifício (AJMAT, 2007; TZEMPELIKOS, ATHIENITIS, 2007) e conforto dos usuários (O’CONNOR et al., 1997; STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; FOSTER, ORESZCZYN, 2001), uma vez que são extremamente sensíveis às variáveis ambientais e conectam diretamente o interior ao meio externo (MACEDO, PEREIRA, 2003).
Nas últimas décadas, o uso crescente de grandes áreas envidraçadas nas fachadas, em geral por motivos estéticos, gerou um aumento excessivo no consumo de energia e ofuscamento no interior das edificações (YUN, YOON, KIM, 2014). O sombreamento possibilita o controle do ofuscamento e o bloqueio da radiação solar direta e ganhos térmicos (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; INKAROJRIT, 2005b; TZEMPELIKOS, 2005; GALASIU, VEITCH, 2006a; KIM, KIM, 2009; KIRIMTAT et al., 2016), aumentando o potencial de uso da luz natural em substituição da luz artificial e reduzindo a demanda de resfriamento por condicionadores de ar (BÜLOW-HÜBE, 2000; STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; INKAROJRIT, 2005b; TZEMPELIKOS, 2005; DIDONÉ, BITTENCOURT, 2006; KIRIMTAT et al., 2016).
2.2.1 O projeto de sistemas de aberturas
O projeto de sistemas de aberturas deve priorizar níveis adequados de iluminância sem ofuscamento, contato com o meio externo e otimização do desempenho energético (TZEMPELIKOS, RAO, 2010), além do impacto estético na volumetria da edificação (ZHANG, BARRETT, 2012b; MAZZICHI, MANZAN, 2013). É recomendável que as principais decisões para otimização do desempenho ocorram na fase de concepção projetual (RUCK et al., 2010; FONSECA, 2015).
Os principais fatores que devem ser considerados são as condições climáticas, disponibilidade de luz natural, latitude, orientação da abertura, uso da edificação, conforto visual, conforto térmico, condições do entorno, manutenção, facilidade de execução, custos, metas de desempenho e impacto estético (YENER, 1999; LEE et al., 2002; TZEMPELIKOS, 2005; CHOI et al., 2014; KIRIMTAT et al., 2016). O Anexo 29 do IEA (International Energy Agency) (RUCK et al., 2010) esquematiza os principais fatores e funções que devem ser considerados para o projeto de sistemas de aberturas, demonstrados na Figura 2-4.
Figura 2-4 - Funções e fatores relacionados ao projeto de sistemas de aberturas.
Fonte: Adaptado de RUCK et al. (2000)
Definidas as funções e metas, o projetista pode escolher entre uma ampla variedade de sistemas de aberturas, uma vez que tipos diferentes podem apresentar
desempenho semelhante (OLGYAY, 1963; STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; LIMA, 2012), conforme exemplificado na Figura 2-5.
Figura 2-5 - Definição de diferentes geometrias a partir da geometria solar.
Fonte: BITTENCOURT et al. (2004)
O projeto adequado não envolve regras fixas, visto que níveis satisfatórios de desempenho não estão atrelados a uma configuração única (CHOI et al., 2014). Há uma grande variedade de soluções de sistemas de proteção, sendo as normas ou regras fixas limitadas para avaliar se determinado sistema possui desempenho superior aos demais na tomada de decisões (BELLIA et al., 2014). Trata-se de um problema multivariável que requer incontáveis interações, no qual cada parâmetro pode gerar implicações nos demais, alterando o desempenho global do sistema (GONZÁLEZ, FIORITO, 2015). Faltam informações das propriedades dos dispositivos de proteção por parte dos fabricantes, bem como procedimentos padrões para avaliação do seu desempenho (TZEMPELIKOS, ATHIENITIS, 2007). No Brasil, as normas e regulamentos não especificam as características arquitetônicas que devem ser atendidas para garantir determinada condição de iluminação no ambiente (CINTRA, 2011). Os “Requisitos Técnicos da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos” (INMETRO, 2010) recomendam apenas ângulos verticais (AVS) e horizontais (AHS) de sombreamento, considerando-os na equação final de eficiência energética da edificação. Esses ângulos consistem em medidas simplificadas
para caracterizar o sombreamento uma vez que são insensíveis a fatores como orientação da abertura (RODRIGUES, DIAS, PEDRINI, 2011).
Alguns procedimentos básicos podem ser considerados no projeto de sistemas de aberturas: a) identificar os períodos em que há incidência de radiação direta para promover sombreamento; b) estabelecer os ângulos de sombreamento; c) projetar o sistema para atender as metas definidas (SZOKOLAY, 1996 apud STACK, GOULDING, LEWIS, 2000). É necessário considerar a posição solar durante o processo de concepção para o correto dimensionamento das aberturas e dos dispositivos de controle (CARVALHO, 2013).
Quando as aberturas devem satisfazer diversas funções simultaneamente, recomenda-se o uso de sistemas móveis que podem ser acionados de acordo com as necessidades dos usuários (RUCK et al., 2010). A mobilidade do sistema permite adaptar o espaço a diferentes tipos de uso e possibilitar uma variedade de preferências e padrões de ocupação (O’BRIEN, 2013). O impacto da mobilidade torna-se significativamente maior quando se considera grandes áreas de abertura (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012). Porém, os critérios de acionamento podem ser antagônicos, gerando configurações contrárias dos dispositivos. Por exemplo, o usuário fecha os dispositivos para minimizar ganhos térmicos e ofuscamento, enquanto tende a abri-los para promover iluminação natural e contato com o exterior (WIENOLD, 2007).
É fato que muitos arquitetos projetam de maneira intuitiva, sem reconhecer os verdadeiros efeitos das decisões projetuais no desempenho (CHOI et al., 2014). As cortinas internas se tornaram medidas populares de mitigação de luz indesejada, ofuscamento e excesso de calor (INKAROJRIT, 2005b), ainda que não sejam barreiras térmicas eficazes (KIRIMTAT et al., 2016) e obstruam a vista para o exterior (KIM, KIM, 2009).
2.2.2 Tipos de dispositivos de proteção
Os dispositivos de proteção podem ser partes constituintes da própria estrutura da abertura, com sistemas integrados que possibilitam o controle de uma ou mais variáveis climáticas (LIMA, 2012, p.12). Os diferentes tipos podem ser classificados (RUCK et al., 2010; WYMELENBERG, 2012; BELLIA et al., 2014):
quanto à posição em relação à fachada, podem ser internos, externos, intermediários (entre duas superfícies de vidro) ou combinados;
quanto à mobilidade, podem ser fixos ou móveis;
quanto ao acionamento, podem ser controlados de forma manual, motorizada ou automática.
Quanto à posição, os sistemas externos mais recorrentes são marquises, beirais e brises, e os sistemas internos são representados por cortinas ou persianas. Dispositivos externos (Figura 2-6) são mais eficientes, pois interceptam e dissipam grande parte da radiação antes de atingir a área envidraçada (OLGYAY, 1963; STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; LEE et al., 2002). Contribuem para a redução do ofuscamento (O’CONNOR et al., 1997) e podem aumentar em até 35% o desempenho do ambiente, se comparados a sistemas internos (OLGYAY, 1963). Proteções internas são ineficientes quanto ao desempenho térmico (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000), uma vez que absorvem a radiação solar ao invés de refletir (OLGYAY, 1963; FOSTER, ORESZCZYN, 2001).
Figura 2-6 - Tipos de dispositivos externos.
Fonte: STACK et al. (2000)
Quando à mobilidade, é recorrente o uso de sistemas fixos por questões de simplicidade, manutenção e custo (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000). A marquise horizontal consiste em um dos principais exemplos e é eficaz para o controle de ângulos elevados da trajetória solar (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000). Diferentemente dos
sistemas fixos, os dispositivos móveis proporcionam liberdade de controle, permitindo aos ocupantes melhor adaptação ao ambiente (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012). São ajustados de acordo com as condições externas, promovendo o controle dos ganhos térmicos e do ofuscamento (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000; LEE et al., 2002; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016), ao mesmo tempo em que possibilitam contato visual com o exterior (NIELSEN, SVENDSEN, JENSEN, 2011). Em geral, sistemas móveis possuem melhor desempenho quando comparados a sistemas fixos (TZEMPELIKOS, 2005), desde que sejam operados de forma adequada para otimização do desempenho (STACK, GOULDING, LEWIS, 2000).
Os sistemas móveis são utilizados principalmente para o controle da radiação direta com baixo ângulo de incidência. São recorrentes sistemas reguláveis ou do tipo abre/fecha, sendo os últimos deslizantes para a porção superior ou lateral da janela. Alguns exemplos são brises com inclinação regulável (Figura 2-7) e de correr (Figura 2-8).
Figura 2-7 - Sistema com inclinação ajustável.
Fonte: www.hunterdouglas.com.br
Figura 2-8 – Sistema com brises de correr.
Fonte: www.hunterdouglas.com.br
A mobilidade possibilita o uso da luz natural ao mesmo tempo em que promove o sombreamento quando há radiação solar direta, aumentando o conforto dos ocupantes no ambiente interno (LEE, DIBARTOLOMEO, SELKOWITZ, 1998; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016) e reduzindo do consumo de energia (MEEK, BRESHEARS, 2010). Os resultados demonstram o potencial de dispositivos móveis em elevar a iluminância do plano de trabalho em até duas vezes (MOORE, 1985), promover uma economia de 22 a 86% no consumo do sistema iluminação artificial (LEE, DIBARTOLOMEO, SELKOWITZ, 1998) e aumentar em
70 a 150% do Fator de Luz Diurna (NIELSEN, SVENDSEN, JENSEN, 2011), quando comparados a sistemas fixos.
Quanto ao acionamento, o controle automático otimiza o desempenho energético e termoluminoso, porém pode gerar desconforto aos ocupantes por não permitir ajustes pessoais sobre o sistema (LEE et al., 2002). O desempenho desse tipo de sistema depende diretamente da estratégia de controle e da integração com a iluminação artificial, assim como o desempenho de sistemas manuais decorre da interação e formas de regulagem dos usuários (KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). O tabicão (Figura 2-9) é um brise móvel tradicional da arquitetura vernacular do Nordeste brasileiro, utilizado desde o período colonial. Dependendo da regulagem, promove o controle dos ganhos térmicos sem prejudicar o desempenho da iluminação e ventilação natural. Os elementos estão inseridos no próprio sistema da abertura, podendo este assumir configurações diversas, de acordo com o efeito desejado.
Figura 2-9 – Tabicão.
Fonte: http://portalmad.com.br/
Quanto ao uso da luz natural, os tipos podem ser classificados em sistemas de controle da luz direta, que fazem uso apenas da luz difusa, e sistemas de redirecionamento, que refletem a luz para o teto ou áreas acima da linha de visão dos usuários (RUCK et al., 2010). Os brises externos podem obstruir, absorver, refletir e/ou transmitir a radiação solar para o interior do ambiente (LEE et al., 2002). Dependendo da configuração, podem bloquear a entrada de raios solares e o excesso de luminosidade no ambiente sem impedir a visão para o exterior e a ventilação natural (DIDONÉ, BITTENCOURT, 2006).
2.3 INFLUÊNCIA DO USUÁRIO NO DESEMPENHO DE EDIFICAÇÕES
O comportamento dos usuários influencia o desempenho ambiental de edificações devido à interação com os sistemas de controle (FOSTER, ORESZCZYN, 2001; MAHDAVI, PRÖGLHÖF, 2009; REINHART, WIENOLD, 2010; FABI et al., 2011; O'BRIEN, 2013; YAN et al., 2015; D’OCA et al., 2016). A influência é comparável a fatores como envoltória, propriedades dos materiais, condições climáticas, sistemas artificiais, operação e manutenção do edifício (FABI et al., 2011; YAN et al., 2015).
O impacto dos usuários no desempenho se dá em função dos modos de operação dos sistemas e espaços internos do edifício (HOES et al., 2008; YAN, HONG, 2014), como o controle de aberturas, dispositivos de proteção, iluminação artificial, condicionamento de ar e equipamentos em geral (MAHDAVI, 2011; O’BRIEN, 2013; HONG et al., 2015b). Há uma crescente busca na compreensão da relação entre os diferentes padrões de comportamento e o desempenho ambiental para estimular o uso mais eficiente dos sistemas de controle (HONG et al., 2015b).
O termo “comportamento” se refere às ações ou reações de um indivíduo em resposta a estímulos internos e/ou externos (REINHART, VOSS, 2003; O’BRIEN, 2013; POLINDER et al., 2013; HONG et al., 2015b). Nesse sentido, os usuários de uma edificação não se constituem em receptores passivos das condições ambientais (LENOIR et al., 2013; HONG et al., 2015a), adaptando-se às variações de temperatura, qualidade do ar e iluminação natural (POLINDER et al., 2013). Em geral, as ações de controle visam promover ou restaurar as condições de conforto, minimizando as fontes geradoras de desconforto por meio de dispositivos e sistemas manuais ou automáticos (HOES et al., 2008; O’BRIEN, 2013; HONG et al., 2015b).
Através das ações de controle, os usuários podem alterar significativamente o desempenho de uma edificação, mesmo quando a envoltória e os sistemas internos estão bem definidos (YAN et al., 2015). Edifícios com mesmas características de materiais e equipamentos internos podem apresentar diferenças significativas na demanda de energia devido aos diversos perfis de usuários e formas de interação com os sistemas da edificação (ANDERSEN, 2012; LI, JIANG, WEI, 2014; YAN, HONG, 2014). As diferentes preferências de conforto e reações ao ambiente interno resultam em grandes variações no consumo de energia (FABI et al., 2013a). Assim, mais importante que as
tecnologias empregadas, são as ações de controle dos usuários para o conforto e qualidade do ambiente (YAN et al., 2015).
A melhoria do desempenho de edificações frequentemente prioriza os sistemas e tecnologias dos edifícios, ignorando ou reduzindo a influência do comportamento dos usuários para segundo plano (YAN, HONG, 2014). As ferramentas de simulação computacional ratificam essa importância ao destacar a caracterização detalhada de geometria da edificação, propriedades dos materiais e condições climáticas do local (MAHDAVI, 2011). Entretanto, o uso de tecnologias não garante, por si só, a otimização do desempenho ambiental e eficiência energética. A redução do consumo energético emerge como um desafio duplo, que depende da combinação de requisitos técnicos e ações humanas com os equipamentos e a envoltória do edifício (D’OCA et al., 2016).
A crescente demanda por edificações eficientes tem aumentado a importância do usuário, que passa a desempenhar papel ativo na otimização ambiental (ZHAO et al., 2014). Porém, apenas nas últimas décadas essa influência vem sendo reconhecida na fase de concepção projetual (HOES et al., 2008) e incorporada em análises computacionais (HOES et al., 2008; YAN, HONG, 2014). Em geral, as avaliações tradicionais de desempenho não consideravam a interferência do usuário devido à complexidade e incerteza dos dados (FABI et al., 2011).
O entendimento limitado do comportamento dos usuários pode resultar em simplificações e discrepâncias nos resultados das simulações computacionais (YAN, HONG, 2014), sendo um dos principais fatores geradores de incertezas no desempenho de edificações (HOES et al., 2008; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; YAN et al., 2015). Estudos que consideram o comportamento do usuário tendem a ser mais complexos, podendo revelar certa imprecisão e constituindo-se em um grande desafio para a área de eficiência energética (FONSECA, 2015). Além da complexidade, há limitações referentes à falta de uniformidade entre os estudos, uma vez que foram conduzidos em diferentes contextos e condições climáticas, reduzindo a universalidade dos resultados (FABI et al., 2013a; O'BRIEN, 2013; HONG et al., 2015b). Pesquisas da área indicam lacunas de consistência referentes à disponibilidade de dados, existência de algoritmos modelo e métodos de análise e modelagem (MAHDAVI, 2011; WYMELENBERG, 2012; YAN, HONG, 2014). Portanto, há uma grande necessidade de universalizar modelos que representem de forma realística as formas de interação dos
usuários para aplicação em análises de desempenho e para subsidiar o desenvolvimento de sistemas automáticos em edificações (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012).
O desempenho de estratégias passivas em edifícios reais difere do previsto pelo projetista na fase de concepção, uma vez que os usuários muitas vezes utilizam os sistemas de maneira inadequada, sem de fato aproveitar o potencial das soluções adotadas (FOSTER, ORESZCZYN, 2001). Nesse sentido, a causa para o baixo desempenho da edificação tem maior relação com os usuários do que com as próprias soluções projetuais (FABI et al., 2011). Nas últimas décadas, se tem buscado preencher a lacuna existente entre o desempenho energético de modelos computacionais e edificações reais para compreender o impacto dos usuários no desempenho (FABI et al., 2013a; HONG et al., 2015b; YAN et al., 2015; CHEN, LUO, HONG, 2016).
2.3.1 Padrões de comportamento em edifícios de escritórios
O comportamento dos usuários em edificações tem relação com uma série de fatores físicos e ambientais (REA, 1984; REINHART, VOSS, 2003; GALASIU, VEITCH, 2006b; MAHDAVI, PRÖGLHÖF, 2009; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; ZHANG, BARRETT, 2012a; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016), além de questões psicológicas, sociais e fisiológicas (INKAROJRIT, 2005b; D’OCA et al., 2016).
Os padrões de uso e operação dos sistemas podem ser baseados em suposições ou observações dos usuários (SORGATO, 2015), por meio de técnicas como monitoramento (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; REA, 1984; INOUE et al., 1988; FOSTER, ORESZCZYN, 2001; REINHART, VOSS, 2003; INKAROJRIT, 2005b) e aplicação de questionários (INKAROJRIT, 2005b; BROWN, 2009; D’OCA et al., 2016). Para a análise e simulação de desempenho, os padrões podem ser definidos a partir do nível de interação do usuário na edificação (WYMELENBERG, 2012; SORGATO, 2015).
A complexidade do problema consiste em caracterizar os diversos padrões de comportamento (REINHART, VOSS, 2003), e assumir a coexistência de usuários passivos, que não respondem prontamente à variação das condições internas (O'BRIEN, 2013). Algumas análises elevam o nível de responsabilidade do ocupante, considerando certa “hiperatividade” nas ações para a otimização do desempenho (O'BRIEN, 2013;
SORGATO, 2015), já outras apresentam apenas um “usuário médio”, que não representa as reais e distintas formas de interação (YAN et al., 2015).
Os modelos computacionais de comportamento envolvem regras simplificadas apesar da complexidade do tema, caracterizado pela diversidade de preferências e medidas de adaptação (FABI et al., 2013a; O'BRIEN, 2013). Tais simplificações podem gerar dados incapazes de reproduzir fielmente as ações e preferências dos usuários (SORGATO, 2015) e de gerenciar as incertezas do comportamento humano (FABI et al., 2013b). Ainda há pouca informação sobre como os usuários interagem com múltiplos cenários de sistemas de aberturas (REINHART, WIENOLD, 2010). O controle do sistema, apesar de individual, não é arbitrário; isto é, os mecanismos de controle são conscientes e consistentes (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; REINHART, VOSS, 2003; ZHANG, BARRETT, 2012b). Apesar de envolver ações complexas e dinâmicas (D’OCA et al., 2016), tendências comuns podem ser observadas em pesquisas precedentes (FABI et al., 2013a). A consistência dessas informações forma a base teórica para a formulação de padrões de comportamento para o uso em simulações de desempenho (REINHART, VOSS, 2003).
Uma nova concepção de modelagem dos usuários emergiu na tentativa de representar a diversidade de comportamentos, através da classificação em ativos ou passivos (REINHART, BOURGEOIS, DUBROUS, 2003; PARYS, SAELENS, HENS, 2011; YAN et al., 2015). É necessário observar que tipo de usuário considera o aproveitamento da luz natural no ambiente interno, podendo haver relação com diferenças culturais, com o tipo de edificação e como os sistemas de iluminação estimulam o nível de interação (REINHART, VOSS, 2003). Diferentes padrões de comportamento demandam soluções técnicas diversas que, por sua vez, podem induzir ou alterar as formas de interação dos usuários (YAN, HONG, 2014). Assim, é possível conduzir o projeto da edificação para otimizar o desempenho de acordo com o tipo de usuário.
Os usuários ativos são análogos a sistemas automatizados, uma vez que visam otimizar o desempenho luminoso, reduzir o consumo energético e promover a qualidade ambiental (FOSTER, ORESZCZYN, 2001; REINHART, BOURGEOIS, DUBROUS, 2003; BOURGEOIS, REINHART, MACDONALD, 2006; FABI et al., 2013a; YAN et al., 2015; D’OCA et al., 2016), a partir de respostas à variação das condições físicas internas e/ou externas (ROCHA, PEREIRA, 2011; KONSTANTOGLOU,
ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Esse tipo de usuário aciona os sistemas da edificação de acordo com as “intenções de projeto” (REINHART, WIENOLD, 2010). Entretanto, corresponde a uma situação hipotética ou ideal pois, em geral, os usuários não ajustam frequentemente os sistemas de aberturas.
Os usuários passivos priorizam o uso de sistemas artificiais (REINHART, 2001) e apresentam resistência em interagir com os sistemas de controle da edificação (REA, 2000 apud REINHART, VOSS, 2003). Em geral, fecham os sistemas de aberturas para garantir privacidade ou evitar o ofuscamento (TZEMPELIKOS, ATHIENITIS, 2007). Baseado nesse padrão de comportamento e na incerteza quanto às formas de interação dos usuários, o conceito de “robustez” do edifício é proposto para caracterizar projetos menos sensitivos à diversidade de comportamentos (HOES et al., 2008; O’BRIEN, 2013). A resposta dos usuários está diretamente relacionada com a concepção do edifício e a determinação das condições que interferem no desempenho (Figura 2-10). Esse método de projeto, inicialmente desenvolvido por Taguchi na década de 1940, ressalta a importância de aumentar a tolerância dos sistemas às diversas condições e tipos de usuários, ao invés de exigir interações frequentes (O’BRIEN, 2013).
Figura 2-10 - Método de concepção projetual baseada na resposta dos usuários.
Fonte: Adaptado de O’BRIEN et al. (2013)
Os modelos de comportamento dos usuários podem ser inseridos como dado de entrada em simulações, devendo seguir uma lógica de probabilidade para ocorrência de ações ou eventos (FABI et al., 2013a; HONG et al., 2015b), uma vez que se caracterizam como processos estocásticos (NICOL, 2001; FABI et al., 2013a; O’BRIEN, 2013; HONG et al., 2015b; SORGATO, 2015; YAN et al., 2015; D’OCA et al., 2016). A abordagem probabilística considera a avaliação de parâmetros internos e externos, além da variabilidade e imprevisibilidade da interação dos ocupantes (FABI et al., 2013a).
Diversos modelos estocásticos de usuários foram desenvolvidos para descrever o controle dos sistemas de aberturas (REINHART, BOURGEOIS, DUBROUS, 2003;
INKAROJRIT, 2005b; ZHANG, BARRETT, 2012a; FABI et al., 2013a). O Lightswitch 2002 (REINHART, 2001) consiste em um algoritmo que imita as formas de interação dos usuários com os dispositivos de proteção e a iluminação artificial, utilizando dados de entrada como ocupação, iluminância e radiação direta no plano de trabalho (REINHART, WIENOLD, 2010). O controle manual está relacionado a fatores como hora do dia, ocupação espacial e radiação solar. Os usuários ativos ajustam os dispositivos de proteção para o aproveitamento da luz natural e controle do ofuscamento (abrem os dispositivos na chegada e fecham quando há radiação direta acima de 50W/m²), enquanto que os usuários passivos acionam os dispositivos para excluir permanentemente a entrada de iluminação natural (BOURGEOIS, REINHART, MACDONALD, 2006).
Reinhart e Wienold (2010) utilizaram o algoritmo do Lightswitch para quantificar o desempenho luminoso considerando o uso de dispositivos de proteção e diferentes formas de acionamento (para evitar ofuscamento ou incidência de luz direta). Os resultados demonstram que o uso de dispositivos ajustados por usuários ativos, apesar de diminuírem a Autonomia de Luz Natural (Figura 2-11), minimizam o potencial de ofuscamento (Figura 2-12) quando comparados aos sistemas sem sombreamento.
Figura 2-11 - Comparação dos modelos quanto à Autonomia de Luz Natural.
Fonte: REINHART et al. (2010)
Figura 2-12 - Comparação dos modelos quanto à probabilidade de ofuscamento.
Fonte: REINHART et al. (2010)
Os modelos de comportamento de usuários ativos e passivos fornecem a base para predizer diferentes formas de interação com os sistemas de aberturas, estimando de forma mais realista o uso da iluminação sob condições variáveis (BOURGEOIS, REINHART, MACDONALD, 2006).
2.3.2 Critérios para o controle dos sistemas de aberturas
Os critérios para o controle dos sistemas de aberturas estão diretamente relacionados à sensação de desconforto dos ocupantes, que motiva ações para promover ou restaurar as condições de conforto térmico, luminoso e acústico no ambiente (FABI et al., 2013a; O’BRIEN, 2013; YAN, HONG, 2014; HONG et al., 2015a), buscando meios diversos de adaptação aos estímulos físicos internos ou externos (LENOIR et al., 2013; O’BRIEN, 2013; YAN, HONG, 2014). A luz natural, por exemplo, pode ser reduzida ou eliminada caso haja desconforto ou dificuldade para realização da tarefa no ambiente (BOYCE, HUNTER, HOWLETT, 2003). Em geral, os usuários são mais sensíveis a períodos prolongados de intenso desconforto (O'BRIEN, 2013). Por esse motivo, a operação dos sistemas de aberturas é minimizada quando o ambiente é provido de sistemas artificiais (lâmpadas elétricas e ar condicionado), que possibilitam manter o conforto termoluminoso em níveis constantes (INKAROJRIT, 2005b; O’BRIEN, 2013).
Apesar da dificuldade em universalizar os dados coletados devido à diversidade de condições nas quais os estudos foram aplicados (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012), há uma tendência em reconhecer a relação das ações dos usuários com os parâmetros ambientais do interior e exterior da edificação (MAHDAVI, 2011; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; SORGATO, 2015; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Essa relação de causa e efeito é a base para a derivação de modelos de comportamento na simulação computacional (MAHDAVI, 2011). Para fins de simplificação, é aceitável que nem todos os fatores que motivam as ações dos usuários sejam considerados no modelo, porém deve-se fazer uma previsão razoável do comportamento na maioria das situações (YAN et al., 2015).
A estrutura de DNAs (Drivers-Needs-Actions-Systems) proposta por Hong et al. (2015b) avalia o comportamento dos usuários em edificações por meio de quatro componentes: os condutores, que consistem nos fatores ambientais externos de estímulo; as necessidades, caracterizadas pelas exigências que devem ser atendidas para manter a satisfação do usuário no ambiente; as ações, que correspondem às interações com os sistemas para atingir as condições de conforto; e os sistemas, que se constituem nos equipamentos e mecanismos que podem ser acionados pelos usuários para manter ou restaurar o conforto (Figura 2-13). A estrutura proposta visa padronizar os perfis de
comportamento e definir procedimentos precisos para observação, modelagem e simulação computacional de modelos de usuários.
Figura 2-13 - Estrutura da abordagem de DNAs para definição do comportamento dos usuários.
Fonte: Adaptado de HONG et al. (2015)
Os critérios de controle dos sistemas de aberturas podem ser diversos e, em geral, o acionamento visa balancear critérios positivos e negativos (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978). A interação dificilmente está relacionada a um critério único, sendo necessária uma análise multivariável para maior representatividade dos modelos (INKAROJRIT, 2005b; HALDI, ROBINSON, 2010). A literatura enumera alguns fatores principais, como conforto visual e térmico, privacidade e relação com o exterior (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; WYMELENBERG, 2012). Apesar das condições de conforto e satisfação corresponderem aos condutores primários, as ações podem ser motivadas por outros fatores que precedem a sensação de desconforto ou que não possuem relação alguma (FABI et al., 2013a). Existem cinco fatores principais que influenciam o comportamento dos usuários no ambiente interno: físicos, contextuais, psicológicos, fisiológicos e sociais (FABI et al., 2012). Em geral, os modelos computacionais focam apenas nos fatores físicos, sendo os demais considerados como referências secundárias (YAN, HONG, 2014).
Os fatores físicos de maior influência na interação dos usuários com os sistemas de aberturas são o conforto luminoso (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012), devido à incidência de luz direta (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; REA, 1984) e ofuscamento (PIGG, EILERS, REED, 1996; BÜLOW-HÜBE, 2000; NICOL, 2001; INKAROJRIT, 2005b), e o conforto térmico, devido à entrada de radiação solar direta (REA, 1984; INOUE et al., 1988; REINHART, VOSS, 2003; INKAROJRIT, 2005b; ZHANG, BARRETT, 2012b).
Quanto ao conforto luminoso, a iluminância no plano de trabalho (REINHART, VOSS, 2003; HALDI, ROBINSON, 2010) e o ofuscamento (PIGG, EILERS, REED, 1996; BÜLOW-HÜBE, 2000; INKAROJRIT, 2005b; ZHANG, BARRETT, 2012a) foram identificados como os principais critérios para a abertura e fechamento dos dispositivos de proteção, respectivamente. Há registros de abertura e fechamento dos sistemas de proteção quando a iluminância do plano de trabalho atinge respectivamente 200lx e 1200lx (HALDI, ROBINSON, 2010) ou quando a iluminância vertical corresponde a 25klux e 50klux, respectivamente (REINHART, VOSS, 2003). A iluminância também influencia o acionamento da iluminação artificial (PIGG, EILERS, REED, 1996; REINHART, VOSS, 2003; BOYCE, 2006).
O critério de ofuscamento pode ter relação com a intensidade da radiação, posição do Sol (LINDSAY et al., 1993 apud REINHART, VOSS, 2003) e reflexão na tela dos computadores (ESCUYER et al., 2001 apud KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Observou-se por meio de monitoramento que 43% dos usuários fecham os dispositivos de proteção devido à entrada de radiação direta e 37% devido ao ofuscamento na tela dos computadores (PIGG, EILERS, REED, 1996), assim como 60-70% dos ocupantes deixam os dispositivos abertos sempre que possível, quando não há interferência de fatores negativos nas áreas próximas às janelas, como aquecimento e ofuscamento (INOUE et al., 1988). A probabilidade de fechamento dos dispositivos cresce com o aumento dos níveis de luminância e radiação solar vertical, critérios relacionados diretamente com o ofuscamento (INKAROJRIT, 2005b). Constatou-se que os usuários ajustam os dispositivos com maior frequência para controlar o ofuscamento, tanto em dias de céu claro como em dias nublados, de acordo com as manchas de luz direta no campo de visão do usuário, sem relacionar com níveis de iluminância e luminância externa (BÜLOW-HÜBE, 2000).
A vista externa também influencia a abertura dos dispositivos de proteção, principalmente quando há qualidade das visuais (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; BÜLOW-HÜBE, 2000; INKAROJRIT, 2005b; WIENOLD, 2007; HALDI, ROBINSON, 2010; ZHANG, BARRETT, 2012b). Observou-se por monitoramento que menos de 10% dos usuários optaram por obstruir completamente a vista externa, dando preferência para abertura dos dispositivos (BÜLOW-HÜBE, 2000). A influência desse fator também foi constatada por Inkarojrit (2005b), que indicou que 62% dos usuários abrem os dispositivos para manter contato com o exterior, e Zhang e Barrett (2012a), que demonstrou o interesse dos usuários em manter o protetor parcialmente aberto mesmo em situações de desconforto, indicando a importância da função primária da janela.
A orientação da abertura consiste em outro fator de impacto na regulagem dos dispositivos de proteção (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; REA, 1984; INOUE et al., 1988; PIGG, EILERS, REED, 1996; FOSTER, ORESZCZYN, 2001; MAHDAVI, PRÖGLHÖF, 2009; WYMELENBERG, 2012; ZHANG, BARRETT, 2012a). Fachadas voltadas para Leste e Oeste caracterizam-se pela ampla variação da incidência solar, ocasionando a entrada de radiação direta nos períodos do nascente e poente, e induzindo uma maior frequência de ajustes (MAHDAVI, PRÖGLHÖF, 2009; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Outros estudos enfatizam a influência das condições de céu (céu limpo ou encoberto) para o controle (INKAROJRIT, 2005b) ou em conjunto com a orientação da abertura (REA, 1984; WYMELENBERG, 2012).
Em geral, as decisões formuladas pelos usuários quanto ao posicionamento dos dispositivos são relativas a períodos semanais ou mensais, e não a horas ou dias (RUBIN, COLLINS, TIBBOTT, 1978; REA, 1984; FOSTER, ORESZCZYN, 2001; ZHANG, BARRETT, 2012a). Há certa inércia dos usuários em reagir conforme alterações do meio externo (REA, 2000 apud REINHART, VOSS, 2003). Outras pesquisas vão de encontro a tais resultados, demonstrando que os usuários ajustam os dispositivos com frequência menor que 24 horas (INOUE et al., 1988; INKAROJRIT, 2005b). Inoue et al. (1988) relacionaram a frequência dos ajustes com a orientação da abertura, concluindo que os dispositivos de proteção localizados em fachadas voltadas para Leste eram fechados após a entrada dos usuários no ambiente e abertos
gradualmente ao longo do dia. O fenômeno contrário foi observado na fachada Oeste, com o fechamento gradativo dos dispositivos.
Além disso, a frequência de acionamento pode ter relação com a chegada e saída do ambiente (REINHART, BOURGEOIS, DUBROUS, 2003; HALDI, ROBINSON, 2010; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012) e com a facilidade de operação do sistema, isto é, o esforço necessário para adaptar o dispositivo às condições desejáveis (FOSTER, ORESZCZYN, 2001; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012). A dificuldade de operação pode ocasionar a falta de uso ou o uso inadequado, reduzindo o potencial de desempenho do sistema de abertura (FOSTER, ORESZCZYN, 2001). Nesse sentido, torna-se evidente que promover sistemas de uso simplificado aos usuários tende a estimular o controle e frequência de operação (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012).
A satisfação dos usuários está relacionada não apenas ao nível de conforto, mas à capacidade de controlar as condições do meio em que estão inseridos (INKAROJRIT, 2005b; DEUBLE, DEAR, 2012; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). Em geral, o nível de aprovação dos usuários é superior para sistemas de controle manual (GALASIU, VEITCH, 2006a). A aceitação de sistemas automatizados é superior quando há possibilidade de correção a partir do controle manual (INOUE et al., 1988; INKAROJRIT, 2005b; KONSTANTOGLOU, ARISTSANGRASSOULIS, 2016). O estudo conduzido por Reinhart e Voss (2003) contabilizou uma média de 3,7 movimentos dos dispositivos por dia, atribuindo a maior parte dos ajustes às reações dos usuários ao controle automático.
Outro fator que influencia na operação dos sistemas é o tipo de ambiente no qual o usuário se insere. Tipologias de escritórios de planta livre e espaços compartilhados tendem a limitar a interação dos usuários com os sistemas da edificação, devido às diferentes preferências de uso (O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012) e às pressões sociais, uma vez que as ações de um indivíduo podem não ser avaliadas satisfatoriamente pelos demais ocupantes (FOSTER, ORESZCZYN, 2001; O’BRIEN, KAPSIS, ATHIENITIS, 2012; D’OCA et al., 2016).
D’oca et al. (2016) desenvolveram um questionário sobre as relações dos usuários com os sistemas das edificações, buscando identificar as motivações sociais e coletivas, além de considerar questões relativas ao contexto, cultura e normas de trabalho. O questionário tem como base a estrutura de DNAs (HONG et al., 2015b),
