Mudanças climáticas e o impacto das cidades, v.4, n.1, 2011
ARTIGO
ESTUDO INTEGRADO DA ILHA DE CALOR EM ÁREAS URBANAS E SUA
CONTRIBUIÇÃO AO PLANEJAMENTO: O CASO DE BELO HORIZONTE, MG
INTEGRATED STUDY OF HEAT ISLAND IN URBAN AREASTHEIR
CONTRIBUTION TO PLANNING: THE CASE OF BELO HORIZONTE, MG
Assis, Eleonora Sad de
RESUMO
Apesar de se reconhecer que a urbanização provoca uma série de efeitos adversos sobre o clima local, há pouca aplicação das informações da climatologia urbana nas atividades de planejamento e projeto urbanos. Isto se deve em parte à limitada capacidade preditiva dos estudos sobre o clima urbano. Este trabalho apresenta um procedimento, desenvolvido com enfoque no termo de trocas radiativas do balanço energético em escala da UCL, para analisar o desempenho térmico de áreas urbanas. Utiliza-se um modelo físico reduzido de uma área da cidade de Belo Horizonte, MG, demonstrando sua capacidade preditiva quanto a fatos relativos à ilha de calor, pela comparação com resultados de um modelo numérico e dados medidos em campo. Os resultados permitem estimar os limites de ocupação urbana local para reduzir os impactos da urbanização sobre o processo de perda térmica por radiação durante a noite, podendo o procedimento ser generalizado.
PALAVRAS CHAVE: Clima urbano. Modelo físico radiativo. Aplicações no planejamento urbano.
ABSTRACT
Despite recognizing the adverse effects on local climate caused by urbanization there is still little application of the urban climatology knowledge on urban developmentdesign. This is partly due to the limited predictive ability of the studies on urban climate. This paper presents a procedure for assessing the thermal performance of urban areas focusing on the radiation term of the urban energy budget in the UCL scale. A scaled physical model of an existing area of the city of Belo Horizonte, Brazil, was used showing its predictive ability concerning the urban heat island facts through the comparison among results of numerical modelingfield measurements. The results allow estimating the limits of urban occupancy in order to reduce the urbanization impacts on the process of heat loss by radiation during the night. The developed procedure can be generalized.
KEYWORDS: Urban climate. Radiative physical model. Urban planning applications.
1 INTRODUÇÃO
O intenso processo de urbanização mundial que ocorreu no século XX, particularmente no Terceiro Mundo, provocou uma extensa modificação na paisagem natural das regiões onde as cidades se desenvolveram. A atmosfera sobre a cidade é um dos estratos naturais que mais sofrem mudanças ocasionadas pelo processo de urbanização, embora tradicionalmente os estudos urbanos do ambiente físico enfatizem os impactos sobre os outros estratos – solo e subsolo.
No caso das cidades tropicais, reconhece-se já uma série de efeitos adversos sobre o clima local, tais como: o aumento da temperatura do ar e a diminuição da umidade relativa, produzindo condições de stress bioclimático que podem afetar a saúde e produtividade humana; o aumento do consumo
energético para a refrigeração artificial dos edifícios, sem, contudo, resolver o problema do conforto térmico como um todo; a ocorrência mais freqüente de episódios severos de chuvas e enchentes, resultando em danos materiais e sociais; a concentração de ar poluído e a diminuição da ventilação natural devido ao aumento da rugosidade urbana, que afetam a saúde humana e prejudicam a conservação dos edifícios.
Muitos estudos realizados em campo e por meio de modelos físicos e numéricos têm demonstrado que a morfologia urbana, as propriedades térmicas dos materiais de construção e a proporção entre área verde e área construída são os principais fatores ligados à cidade responsáveis pela mudança climática. Entretanto, embora se reconheça a importância dessas questões para o planejamento urbano, para o projeto do edifício e para a intervenção de planejadores e projetistas sobre estes fatores (CHANDLER, 1976; ASSIS, 1990), existe uma grande deficiência na aplicação das informações da climatologia urbana às atividades de planejamento e aos projetos urbanos.
Essa deficiência é normalmente creditada, em parte, à relativa juventude dessa ciência, em parte, à abordagem fragmentada entre diversos campos de conhecimento (PAGE, 1970; OKE, 1984). Mas é preciso somar a esses fatos a falta de um consenso quanto a um quadro conceitual norteador para a elaboração de metodologias integradas, inclusive na abordagem das bases de dados e dos recursos — métodos empíricos, de modelagem física e numérica. Isso tem dificultado o desenvolvimento da capacidade preditiva na climatologia urbana, elemento fundamental para a etapa de planejamento¹e, portanto, para as aplicações no planejamento das cidades e dos edifícios.
Nesse sentido, o presente trabalho pretende desenvolver um procedimento para a análise do comportamento térmico de recintos urbanos, a partir da integração de perspectivas teóricas sobre o clima urbano úteis à geração de subsídios para o planejamento e projeto urbanos, ou seja, mediante a utilização de uma abordagem cujas variáveis estabelecem uma ligação entre os fenômenos do clima e o espaço da cidade.
2 BASES TEÓRICO-METODOLÓGICAS
Os modelos teóricos do clima urbano consolidaram-se nas décadas de 60 e 70 do século XX, com a assimilação da perspectiva sistêmica, a partir da análise comparada de casos urbanos. No final dos anos 70, os vários estudos de caso desenvolvidos, principalmente em cidades de latitudes médias, serviram de base para a identificação das muitas variáveis envolvidas e sua inter-relação, tais como as condições sinóticas e geográficas do sítio de assentamento, o tamanho da cidade e de sua população, o calor antropogênico, o grau de poluição do ar, além dos aspectos ligados à forma urbana e suas características de ocupação do solo. Desses estudos originaram os primeiros modelos descritivos do clima urbano, propiciando os avanços na modelagem numérica do balanço de energia urbano. A partir dos anos 80, as cidades tropicais passaram a ser mais estudadas, contribuindo também para o desenvolvimento desses modelos.
Monteiro (1976) propôs um modelo descritivo baseado na visão sistêmica e organizado segundo os canais de percepção humana, portanto, com um grande potencial para a integração interdisciplinar com a área de planejamento urbano, uma vez que aborda o ser humano como referencial para os problemas e valores do espaço urbano, substrato comum às duas áreas de conhecimento. Sezerino & Monteiro (1990) introduziram depois o conceito de campo térmico urbano como fenômeno de extensão diurna e noturna, mais apropriado à percepção das variações de parâmetros do clima nos recintos urbanos em sua correlação com a forma da cidade e em seu desenvolvimento temporal.
A proposta de Monteiro parece convergente em vários aspectos com a experiência alemã de planejar com o clima, que parte do conceito de clima urbano ideal (KATZSCHNER, 1997), cujos atributos principais — qualidade do ar e conforto térmico — estão também diretamente relacionados à habitabilidade do ambiente construído. A partir desses atributos, definem-se critérios quali-quantitativos locais de desempenho climático a que os objetivos do planejamento urbano devem atender por meio da adequada concepção e gestão do uso do solo.
Outra corrente da climatologia urbana baseia-se no conceito de ilha de calor², desenvolvido principalmente por Oke (1982) e outros pesquisadores, conceito esse mais comprometido com a compreensão do fenômeno meteorológico e sua modelagem do que com uma perspectiva de intervenção humana, o que dificulta sua apropriação na prática de planejamento e de projeto urbanos. Uma das contribuições dessa corrente foi o entendimento de que o clima da cidade é produto fundamentalmente da transformação da energia, da interação entre o ar atmosférico e o ambiente construído. Assim, nas cidades, onde predominam superfícies impermeáveis, a maior parte do fluxo térmico é de calor sensível, pois a grande capacidade calorífica dos materiais aumenta o potencial de estoque de calor no tecido urbano, provocando um aumento da temperatura noturna do ar, devido à irradiação do calor acumulado. Essa visão colocou em evidência o papel da geometria urbana e da inércia térmica dos materiais de construção no processo de mudança climática (OKE, 1980), que indica as variáveis da forma urbana de maior impacto nesse processo.
Embora trabalhem com conceitos e classificações climáticas diferentes³por adotarem o mesmo substrato teórico, é possível compatibilizar as visões de Monteiro e Oke, numa escala apropriada ao planejamento urbano, utilizando de cada uma dessas perspectivas o que de útil houver para cumprir com os objetivos de adequação ambiental das estruturas urbanas.
De fato, do ponto de vista das escalas climáticas, pode-se relacionar a UCL, escala onde se encontram as estruturas urbanas, aos níveis topo - a mesoclimático definidos pela classificação de Cailleux e Tricart. Com relação aos conceitos, verifica-se que o de campo térmico urbano é mais amplo e acaba abrangendo o conceito de ilha de calor urbana, sendo, portanto, mais interessante às aplicações em planejamento urbano. Tal compatibilização possibilita aliar a abordagem de conforto térmico em ambiente urbano à simulação física e numérica de comportamento térmico de recintos específicos, o que permite avaliar o impacto de estruturas locais da cidade sobre as condições climáticas e, assim, indicar soluções mais adequadas de uso e ocupação do solo tanto em nível de melhorias urbanas (gestão) quanto em nível do planejamento e projeto (legislação).
Para o desenvolvimento dessa abordagem, trabalhou-se simultaneamente com dados medidos em campo, simulação física e numérica da área de estudo. O método geral utilizado para relacionar o comportamento térmico dessa área ao do seu modelo físico reduzido foi o indutivo, por meio da aplicação de um modelo numérico similar aos dois casos. Isto é, se o mesmo modelo numérico puder se ajustar bem aos resultados do trabalho de campo e do experimento com o modelo físico, pode-se então inferir que há similaridade entre os fenômenos do mundo real e de seu modelo físico reduzido. Assim, ganha-se capacidade preditiva, pois, mediante ensaios em modelo físico reduzido, pode-se explorar soluções de ocupação urbana para um determinado sítio. Dentre as muitas vantagens do uso de modelos físicos na simulação de desempenho de projetos ou do ambiente já construído, destacam-se a de ser familiar aos projetistas, podendo servir como instrumento integrador para a consideração de vários aspectos do projeto; a de se adequar a situações complexas, como em estudos urbanos, e a de permitir análises qualitativas e quantitativas.
Os trabalhos de campo foram feitos por meio de medidas móveis em transecto, que são, segundo Taesler (1986), as mais indicadas para detalhar a distribuição horizontal das variáveis do clima na escala da UCL. Seguindo a experiência de Sezerino & Monteiro (1990), as medidas tiveram início no período da tarde, em percursos realizados a cada três horas. Sensores de resposta rápida (termo-higrômetro digital) permitiram realizar as medidas de cada transecto num curto período de tempo.
As abordagens de simulação física e numérica ficaram restritas ao conceito de ilha de calor, quando teria sido mais desejável trabalhar com o conceito de campo térmico urbano, devido à limitação da instrumentação laboratorial para reproduzir em modelo físico reduzido as condições de trocas térmicas ao longo do dia. Ao contrário, simular a ocorrência do fenômeno da ilha de calor urbana ou, mais precisamente, a diferenciação térmica entre distintos recintos urbanos após o pôr-do-sol, é relativamente simples e não menos importante, uma vez que já se demonstrou a sua grande influência no desempenho termoenergético dos edifícios (SANTAMOURIS, 1997; ASSIS, 1998).
Considerando que os efeitos do clima urbano ficam mais evidentes em certas condições meteorológicas, o trabalho de campo foi feito nas condições mais adequadas à pesquisa da ilha de
calor urbana, com tempo anticiclônico, céu claro e ventos leves, sendo também estas as condições descritas no modelo numérico adotado.
Partiu-se da hipótese de que, estando a cidade localizada em área tropical continental, com ventos médios de baixa velocidade (1,4 m/s), e preservada da influência marítima, as trocas térmicas por radiação deveriam prevalecer no balanço energético local pelo menos durante o inverno seco, em que a ocorrência frequente de condições típicas de céu claro e calmaria favorece a formação do fenômeno de ilha de calor. Nessas condições, justifica-se a consideração da variável geometria da malha urbana como principal parâmetro envolvido, devido à sua ligação com o fator de visão do céu (ys).
2.1 Modelo numérico da ilha de calor urbana como base da analogia entre o observado no mundo real e nos modelos físicos reduzidos da área de estudo
Embora atualmente uma certa quantidade de modelos climáticos urbanos esteja disponível, a grande maioria refere-se a estudos de caso, portanto, de aplicação restrita; muitos desses modelos foram idealizados para situações muito mais simples do que as encontradas em áreas urbanas e, por fim, poucos são os modelos capazes de se ajustar ao balanço de energia na escala da UCL. A situação representada pelos modelos (tanto físicos quanto numéricos) empregados aqui pode ser descrita como: condição noturna, com calmaria ou ventos leves e céu claro (condição típica para a prevalência local do fenômeno da ilha de calor), em que a superfície terrestre começa a irradiar calor para o céu, que passa a atuar como corpo negro; condições em que o calor antropogênico pode ser desconsiderado no balanço energético; modelo para a escala da UCL, onde se podem observar os efeitos da geometria urbana em seu papel de regular a perda de calor por radiação de onda longa.
Segundo Oke (1980), na ausência de advecção, o balanço energético de superfície de um ambiente natural à noite pode ser escrito como:
Em condições próximas à calmaria e sem nebulosidade, quando a camada atmosférica próxima à superfície tem uma estratificação estável, os termos QH e QE podem ser desprezados, de modo que é razoável supor que a energia irradiada da superfície terrestre é quase totalmente originária do calor armazenado no solo. O resfriamento resultante dessa superfície após o pôr-do-sol, durante um período qualquer de tempo, é, segundo Brunt (1941, citado por OKE, 1980):
Como L* e msão considerados aproximadamente constantes durante a noite, a temperatura superficial e a do ar próximo à superfície tendem, portanto, a decrescer com a raiz quadrada do tempo.
Para a aplicação desse modelo aos resultados do trabalho de campo, é necessário estimar as densidades dos fluxos de radiação de onda longa vinda do céu (¯L) e emitida pela superfície do solo (L), que compõem L*. Swinbank (1963) propôs uma equação para ¯L, como função da temperatura do ar medida à altura-padrão (1,5 m do solo):
A densidade do fluxo de radiação de onda longa emitida pela superfície do solo (L) pode ser calculada diretamente pela Lei de Planck:
As propriedades de condutividade térmica, calor específico e densidade do solo foram estimadas por meio de dados de literatura, resultando numa admitância térmica (m) média do solo da ordem de 1616 J.m-2.oC-1.s-1/2, valor considerado dentro do intervalo típico para paisagem urbana, segundo Oke (1980).
Lyons (1983) demonstrou que, no caso dos modelos físicos reduzidos, L* pode não ser constante ao longo do tempo, em função do tamanho relativamente pequeno do modelo e, portanto, de seu limite em estocar calor, o que estava em desacordo com o que o modelo de Brunt assumia a priori. Entretanto, a taxa de decréscimo de temperatura ( f ) permanecia aproximadamente constante no experimento de Oke (1980), o que era mais consistente com o modelo geral proposto por Groen (1947, citado por LYONS, 1983)[*]:
Esse modelo simula o resfriamento radiativo de uma superfície horizontal, mas o ambiente natural e o urbano possuem, também, superfícies verticais e/ou inclinadas, seja por causa da topografia e vegetação, seja pelas edificações. Escrevendo L* como função do fator de visão do céu (ys) e em termos das temperaturas superficiais, torna-se possível avaliar a influência do parâmetro geometria urbana, dado que o fator de visão do céu corresponde ao fator de forma da troca térmica por radiação:
Para a aplicação desse modelo numérico aos dados experimentais obtidos nos ensaios com os modelos físicos reduzidos da área de estudo,[‡]é necessário determinar o fator de visão do céu em cada ponto de cada modelo físico. Esse fator foi determinado usando o diagrama de fator de forma da hemisfera celeste em projeção equidistante, desenvolvido por Souza (1997).
No caso do modelo “rural”, a linha de obstrução da abóbada celeste pela topografia foi determinada por meio de desenho projetivo lançando cortes sobre o mapa do terreno a partir de cada ponto estudado, a cada 10o. No caso do modelo “urbano”, a linha de obstrução da abóbada celeste pelas edificações do entorno de cada ponto foi determinada a partir de fotografia em preto e branco de uma lente espelhada de projeção equidistante, colocada sobre o piso, no meio da rua, e nivelada, horizontalmente, nos pontos da área de estudo correspondentes aos pontos estudados no modelo “urbano”.
As propriedades de condutividade térmica, capacidade calorífica e densidade do material utilizado na confecção dos modelos físicos reduzidos foram determinadas por meio de testes laboratoriais, resultando numa admitância térmica (m) de 215,84 J.m-2.oC-1.s-1/2, empregada na Eq. 5 para determinação da T estimada ao longo do tempo válido dos ensaios[†].
3 A ÁREA DE ESTUDO
Belo Horizonte está localizada a 19o55’ de latitude sul e 43o56’ de longitude oeste, a uma altitude média de 875 m. O clima da região é tropical chuvoso, com distinto período seco no inverno e temperatura média do mês mais frio abaixo dos 18oC (Cwa, de acordo com a classificação de Köppen). Planejada, em fins do século XIX, para ser a capital do estado de Minas Gerais, a salubridade do clima foi, então, um dos fatores para a escolha do antigo sítio de Curral d’El Rey para a instalação da nova cidade.
A intensa urbanização que marcou as décadas de 60 e 70 do século XX parece dar início ao processo de mudança climática, detectada a partir dos anos 60 (RIBEIRO & MÓL, 1985). Já nos anos 80, a área central, delimitada pela Av. do Contorno (plano original da cidade), bem como as regiões pericentrais a sul e a oeste estavam consolidadas como as mais densamente construídas e verticalizadas. A pressão imobiliária sobre esses terrenos acabou, assim, por gerar um processo de degradação climática, com a formação de núcleos relativamente mais quentes e secos nessas áreas da cidade (ASSIS, 1990).
A área de estudo foi selecionada dentro da região urbana apontada por Assis (1990) com tendência à ocorrência das temperaturas máximas noturnas (ilha de calor). Uma área de cerca de 25 ha foi delimitada em torno da Estação Meteorológica de Lourdes (estação-padrão de Belo Horizonte), considerada como estação fixa de referência, onde foram registradas essas temperaturas. Trata-se de uma área muito interessante para esse tipo de estudo, pois contém uma grande diversidade de tipos de ocupação, com áreas residenciais unifamiliares bem arborizadas e áreas verticalizadas de uso misto sem muita vegetação (FIG. 1).
Figura 1 — Em (a), o mapa-base da área com classificação do número de pavimentos edificados por lote, e em (b), com os pontos de medição agrupados em três transectos fechados, tendo o Ponto 1 (estação fixa) como início e fim de cada transecto. Extraído de Assis (2000).
4 SIMULAÇÃO FÍSICA DA ILHA DE CALOR URBANA NA ÁREA DE ESTUDO
Em seu experimento, Oke (1980) trabalhou com modelos urbanos teóricos, como a maior parte dos modelos usados nesse tipo de experimento, tanto na escala da UCL quanto na escala da UBL. Embora úteis para a compreensão dos fenômenos de trocas térmicas que ocorrem em meio urbano, tais modelos teóricos não se prestam ao planejamento urbano, uma vez que não são representativos
das variáveis locais com que o planejador precisa lidar. Para superar essa dificuldade, o experimento original de Oke foi adaptado para se utilizar modelos de uma área urbana real da cidade de Belo Horizonte — a área delimitada de estudo.
Os dois modelos (“rural” e “urbano”) foram construídos na escala 1:1000, com dimensões na base de 500 x 500 mm, correspondendo a 25 ha em torno da Estação de Lourdes. Os materiais usados foram papelão tipo paraná no. 80 de 1 mm de espessura para o modelo de terreno e madeira maciça leve para as edificações. Esses materiais têm grande resistência térmica, permitindo, deste modo, uma melhor observação dos efeitos da geometria urbana. Cada modelo recebeu, na base, uma placa de 40 mm de espessura de poliestireno para isolamento térmico. Foram, ainda, revestidos superficialmente com uma camada de resina acrílica fosca para prevenir trocas de calor latente durante os ensaios. A figura 2 mostra esses modelos, com os pontos de medição indicados, em comparação ao modelo urbano teórico de Oke.
Figura 2 — Um dos modelos teóricos de Oke, em (a), e modelos físicos reduzidos da área de estudo. Em (b), modelo “rural” e, em (c), modelo “urbano”. Extraído de Assis (2000).
Os modelos foram ensaiados numa câmara fria de 6,41 m2 e pé-direito de 2,42 m, revestida de madeira encerada e ajustada para uma temperatura interna de aproximadamente — 10oC. Os modelos foram mantidos durante pelo menos 24 horas, antes de cada ensaio, numa antecâmara à temperatura ambiente de cerca de 20oC. Deste modo, a diferença de temperatura superficial entre um modelo e a câmara era de cerca de 30oC aproximadamente, semelhante à diferença, no mundo real, entre a temperatura do solo e a temperatura do céu. As condições de início de cada ensaio foram controladas para assegurar o mínimo de variação entre um experimento e outro. De cada série de ensaios realizados com cada modelo, os três melhores resultados foram selecionados para gerar as médias, demonstrando a repetibilidade do experimento.
Para minimizar a troca de calor sensível por convecção entre os modelos e o ar da câmara fria, eles foram colocados sob uma tenda de polietileno de 15 mm de espessura e apoiados, já dentro da câmara, sobre um banco de madeira a cerca de 0,5 m do piso da câmara. Após introduzir, o mais rapidamente possível, o modelo na câmara, o refrigerador era desligado e o decréscimo de temperatura superficial do modelo era monitorado durante 60 minutos.
Para o registro das temperaturas da câmara fria (ar, paredes e teto) e dos modelos (4 pontos superficiais em cada um), utilizou-se uma placa de aquisição de dados Omega WB-AAI, montada numa CPU-386, com 2 drivers de saída de 8 canais cada, aos quais foram conectados os termopares, montados em junta torcida, de fio tipo E (cromel-constantan) 30 AWG e fixados com fita crepe e massa térmica.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Trabalho de campo: tendência de variação térmica na área de estudo e comparação com dados estimados pelo modelo numérico
A figura 3 mostra alguns resultados de plotagem das variáveis de temperatura e umidade relativa na área de estudo, em pesquisa ocorrida nos dias 11 e 12 de agosto de 2000. Observa-se a ocorrência de núcleos relativamente mais quentes e secos nas áreas mais verticalizadas no período noturno até
antes do nascer do sol (registro das 6h, hora local), enquanto que, durante o dia, as áreas menos verticalizadas e mais abertas e, portanto, mais expostas à insolação, ficam mais quentes, como mostra o registro das 15 horas.
Os dados medidos de todos os pontos em todos os horários foram, também, plotados sobre o índice de conforto térmico mais apropriado à região — o diagrama bioclimático de Givoni sobre carta psicrométrica para Belo Horizonte (figura 4). Por meio do diagrama, foi possível estimar as condições de conforto térmico ao longo do período do trabalho de campo, tendo-se verificado, ainda, uma diferenciação das condições psicrométricas do ar e de conforto nos vários recintos urbanos correspondentes a cada ponto de medição.
Tal diferenciação ocorreu mais marcadamente durante o período diurno, sendo que nos registros das 12h e das 15h ocorreram situações de desconforto térmico (stress térmico de calor), o que é significativo, principalmente se levarmos em conta que as medidas foram feitas à sombra e que o levantamento ocorreu no período de inverno. Além disso, verificou-se uma tendência à homogeneização das condições psicrométricas do ar depois do pôr-do-sol até as 6h, horário em que se observa que os pontos estão todos muito próximos no diagrama. No começo da manhã, ocorre stress térmico de frio, com os registros caindo em zona de influência do aquecimento passivo para resgatar as condições de conforto, o que é uma situação típica do inverno belorizontino.
Os dados de temperatura de solo medidos na Estação Meteorológica de Lourdes no período do trabalho de campo foram comparados aos resultados obtidos com a aplicação da equação de Brunt, tendo-se obtido um bom ajuste para a série medida entre 18h e 6h, como mostra a figura 5.
Figura 3 — Distribuição de temperatura do ar (a) e umidade relativa (b) na área de estudo, respectivamente às 6h e às 15h, hora local. Extraído de Assis (2000).
Figura 4 — Dados do trabalho de campo plotados sobre o diagrama bioclimático de Givoni, para Belo Horizonte (curva normal anual plotada para comparação). Extraído de Assis (2000).
Figura 5 — Variação medida e calculada da temperatura de solo na Estação de Lourdes . Em (b), a tendência linear da relação T/L* versus t(1/2); em (c), a correlação entre temperatura medida e calculada. Extraído de Assis (2000).
5.2 Ensaio em modelo reduzido: comparação entre pontos no “modelo rural” e no “modelo urbano”
Os dados de temperatura superficial medidos nos modelos “rural” e “urbano”, nos pontos indicados na figura 2, foram tratados para gerar os gráficos de decréscimo das temperaturas ( T) durante o tempo (t) de ensaio válido. A figura 6 mostra, como exemplo, os gráficos resultantes no ponto 1, que corresponde a um dos recintos urbanos mais verticalizados da área de estudo. Observa-se um bom ajuste da equação de Groen aos dados medidos, nos dois modelos, o que ocorreu em todos os pontos, com índices de correlação (r2) variando de 95,2% a 99,8%.
Figura 6 — T(t) medida e calculada pela equação de Groen, para os modelos “rural” (a) e “urbano” (b), no ponto 1 (área verticalizada). Extraído de Assis (2000).
As maiores discrepâncias entre as curvas “rural” e “urbana” ocorreram nos pontos 1 e 2, localizados nos recintos urbanos mais densos e verticalizados da área de estudo. O ponto 4, correspondente à Estação Meteorológica de Lourdes, situado em uma quadra de baixa densidade e ocupação horizontal, apresentou a menor discrepância entre as duas curvas, como mostra a figura 7. Assim, observou-se uma certa variabilidade na resposta térmica dos pontos amostrados nos modelos físicos, que encontra correspondência, pelo menos de modo qualitativo, com os fatos observados em campo.
O bom ajuste alcançado com o modelo numérico, tanto nos resultados de ensaio em modelo físico reduzido quanto nos resultados do trabalho de campo, demonstra que os resultados obtidos com os modelos físicos são representativos do que ocorre no mundo real.
Vê-se, na figura 7, que uma obstrução de até 15% da abóbada celeste local não causa um aumento relevante na capacidade de o recinto urbano conservar calor, enquanto que, quando ys é da ordem de 60% (ou seja, 40% da hemisfera está obstruída por construções), ocorre o efeito de sobreaquecimento noturno, cuja persistência pôde ser observada em campo até por volta das 9h (ASSIS, 2000).
Aplicando-se o transferidor auxiliar de ângulos para a projeção equidistante aos diagramas da área urbana mostrados na figura 7 e “regularizando” a área visível de céu em cada ponto, foi possível estimar o ângulo médio correspondente à condição local de obstrução (figura 8). Nas áreas mais verticalizadas, encontrou-se um ângulo de altura entre 40o (ponto 1, no exemplo da figura 8) e 45o. Aplicando-se esses ângulos de altura desde os pontos de estudo, no meio da rua, até a divisa frontal dos lotes, encontra-se uma altura máxima admissível de 3 a 4 pavimentos para ruas com largura entre 17 m e 19 m. Entretanto, se as edificações estiverem recuadas da divisa frontal, chegando a uma distância horizontal da ordem de 30 m, o que ocorre com certa frequência nesses recintos urbanos, inclusive em função do tamanho dos lotes, pode-se chegar a uma altura de 8 a 9 pavimentos.
No caso do ponto 4, o ângulo de altura encontrado foi de 25o, correspondendo a edificações de baixa altura — 3 a 4 pavimentos — em ruas mais largas (23 m) e com recuo frontal de pelo menos 3 m. Nessas condições, reduz-se ao mínimo o efeito de sobreaquecimento noturno, porém é preciso observar que, sem a adequada proteção contra a excessiva insolação no espaço público em cidades de clima tropical, como Belo Horizonte, esses ambientes correm o risco de apresentar desconforto térmico durante o dia.
Figura 7 — Resultados comparados dos experimentos com os modelos físicos reduzidos “rural” e “urbano” da área de estudo, respectivamente para os pontos 1 (área urbana verticalizada) e 4 (na estação meteorológica). Sobre os diagramas estão projetadas as áreas obstruídas em função da topografia (área hachurada), no modelo “rural”, e das edificações, no modelo “urbano” (neste, a área hachurada corresponde ao céu visível). Extraído de Assis (2000).
Figura 8 — Transferidor auxiliar de ângulos para projeção equidistante sobre área de céu visível (hachurada), respectivamente nos pontos 1 e 4. Em vermelho, a linha de obstrução regularizada. Extraído de Assis (2000).
6 CONCLUSÕES
O crescente interesse na aplicação de critérios ambientais aos planejamento e projeto urbanos, notadamente na área do conforto ambiental e da climatologia, requer o desenvolvimento de uma abordagem integrada e interdisciplinar com objetivos específicos de preservar a qualidade dos recursos naturais e a sua acessibilidade em várias escalas, garantindo ao ambiente construído as condições adequadas de desempenho térmico, luminoso e energético das edificações e de seu entorno. Monteiro (1986) já chamava a atenção para a necessidade do desenvolvimento de
modelagem para a simulação a partir de situações observadas, fortalecendo as bases de previsão para subsidiar o planejamento urbano.
Nesse trabalho, foi dada ênfase ao potencial e limites de integração de perspectivas teóricas em climatologia urbana como suporte ao desenvolvimento e aplicação de um procedimento metodológico para uma abordagem de campo comprometida com a modelagem de característica preditiva. Como resultado, pôde-se chegar a definir a volumetria mais adequada (limites máximos admissíveis) para a ocupação urbana local, em termos de alturas e afastamentos dos edifícios, com base no fator de visão do céu e no impacto da obstrução da abóbada celeste sobre a variação das temperaturas durante a noite, relacionando as medidas em campo a um índice de conforto térmico. Além disso, Assis (2000) também mostrou que há, por um lado, grande potencial de integração entre as visões da climatologia urbana e da arquitetura e urbanismo, por meio da utilização das variáveis comuns que caracterizam as trocas térmicas por radiação no contexto urbano e, por outro lado, que há os critérios de acessibilidade ao sol e à luz natural para uso passivo de energia nos edifícios e/ou para conversão de energia solar, reunidos no conceito arquitetônico de “envelope solar”.
Embora os resultados alcançados estejam restritos ao caso de Belo Horizonte, parece viável o aproveitamento do processo metodológico em outros sítios urbanos, desde que guardem semelhança com as características urbanas verificadas na área de estudo.
Contudo, muito ainda deve ser pesquisado, não apenas para que a abordagem de geometria urbana possa evoluir do conceito de ilha de calor para campo térmico urbano, mas para que outras variáveis, igualmente importantes, tais como a inércia térmica do recinto urbano e a massa presente de vegetação, possam ser consideradas, assim como outros termos do balanço energético urbano.
REFERÊNCIAS
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¹Echenique (1975) mostrou que, no processo de construção de um modelo — e em sua relação com a realidade que representa —, as etapas preditiva e exploratória antecedem e são básicas para gerar subsídios para a tomada de decisão na etapa seguinte, a de planejamento.
²Note-se que a ilha de calor urbana é definida como um fenômeno tipicamente noturno, uma vez que o maior diferencial entre as temperaturas da área urbana e da área rural adjacente ocorre à noite, quando o calor estocado pela cidade é irradiado para o céu, que atua como corpo negro.
³Monteiro (1976) adota as categorias de Cailleux e Tricart, relacionando a cada classe as unidades ou graus de urbanização — em termos espaciais, o clima urbano, classificado como “clima local”, corresponderia à área metropolitana. Oke (1976), por sua vez, usa a proposição de Orlansky, definindo duas escalas no contexto do clima urbano, a “camada urbana ao nível das coberturas” (urban canopy layer, UCL), que se estende do solo até o nível médio das coberturasdas edificações e a “camada limite urbana” (urban boundary layer, UBL), deescalamesoclimática (ressalte-se que não há correspondência com o mesoclima de Cailleux e Tricart). [*]Lyons (1983) observa que uma expansão da série de Taylor da equação de Groen reduz-se à equação de Brunt, quando L* é mantida constante ao longo da noite. Uma vez que L* varia ao longo da “noite” do modelo físico reduzido, constatou-se que a equação geral é mais apropriada para descrever a situação do modelo, enquanto que a equação de Brunt se adapta melhor ao mundo real.
[‡]A ideia básica do fenômeno da ilha de calor urbana como uma diferença de temperatura registrada na cidade e o que deveria ser, se a cidade não estivesse presente (LOWRY, 1988), levou-nos a trabalhar com dois modelos da mesma área: um deles representando o terreno (a cidade não presente) — chamado modelo “rural”, simplesmente para adotar a mesma nomenclatura usada em trabalhos semelhantes — e o outro, com a implantação das edificações existentes — chamado modelo “urbano”. Assim, uma vez controladas as características de massa e o tipo de material usado nos modelos, qualquer alteração dos resultados do modelo “urbano” para o “rural” pode ser creditada aos efeitos dos arranjos das edificações.
[†]Segundo Oke (1980), o fenômeno da troca térmica por radiação não é escalado entre o mundo real e o modelo físico reduzido, mas o tempo sim, o que determina a série medida válida para comparação com a série estimada pela equação de Groen. A escala de tempo do ensaio foi encontrada comparando-se o período de tempo calculado pela equação de Groen com a observação do período válido de ensaio, ou seja, o período em que as variáveis se comportavam como o que fora esperado. Houve uma grande concordância entre o período calculado e o observado. Nos ensaios com o modelo “rural”, o período válido de tempo foi de 27minutos; nos ensaios com o modelo “urbano”, de 28 minutos
