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Texto

(1)UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE FACULDADE DE ARQUITETURA E URBANISMO. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR MEIO DA INTEGRAÇÃO DA LUZ NATURAL E ARTIFICIAL. ROGÉRIO DE CARVALHO FRANÇA DIAS. SÃO PAULO 2019.

(2) ROGÉRIO DE CARVALHO FRANÇA DIAS. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR MEIO DA INTEGRAÇÃO DA LUZ NATURAL E ARTIFICIAL. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial à obtenção de título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.. ORIENTADORA: PROF ª. DRA ª. GILDA COLLET BRUNA. SÃO PAULO 2019.

(3) D541e Dias, Rogério de Carvalho França. Eficiência energética e redução do consumo de energia por meio da integração da luz natural e artificial. / Rogério de Carvalho França Dias. 179 f.: il. ; 30 cm Dissertação (mestrado em Arquitetura e Urbanismo) – Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2019. Orientador: Gilda Collet Bruna. Bibliografia: f. 86-90. 1. Projeto luminotécnico integrado. 2. Iluminação natural. 3. Iluminação artificial 4. Eficiência energética. I. Bruna, Gilda Collet, orientadora. II. Título.. CDD 720.472.

(4) ROGÉRIO DE CARVALHO FRANÇA DIAS. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR MEIO DA INTEGRAÇÃO DA LUZ NATURAL E ARTIFICIAL. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Presbiteriana Mackenzie como requisito parcial à obtenção de título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.. Aprovado em 14 de agosto de 2019. BANCA EXAMINADORA.

(5) À minha família, que se fez presente nessa jornada.. Ao Universo que sempre conspirou ao meu favor.. À vida, por ter me conduzido no caminho certo..

(6) AGRADECIMENTOS. A dedicação da minha orientadora, Profa. Dra. Gilda Collet Bruna, que me conduziu com maestria ao longo deste trabalho.. À Fundação Armando Alvares Penteado - FAAP, que viabilizou essa pesquisa.. À Arquiteta Daniela Cardoso Laudares, por acreditar neste trabalho e ajuda concreta.. Ao Fundo Mackenzie de Pesquisa, pela bolsa concedida no último semestre.. Aos membros da Banca, Profa. Célia Regina e Prof. Isac Roizenblat pela avaliação deste trabalho, com críticas e sugestões pertinentes e construtivas.. À todos que de alguma forma, contribuíram para elaboração deste trabalho..

(7) A arquitetura é o jogo sábio, correto e magnifico dos volumes dispostos sob a luz.. Le Corbusier.

(8) SUMÁRIO. RESUMO. 15. 1 INTRODUÇÃO. 17. 1.1 JUSTIFICATIVA. 19. 1.2 PROBLEMA. 22. 1.3 OBJETIVOS. 24. 1.4 MÉTODOS. 24. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO. 25. 2. REFENCIAL TÉORICO. 26. 2. Histórico do estudo da iluminação natural em edifícios de ensino. 27. 2.1 Disponibilidade de luz natural. 32. 2.1.1 Classificação de tipos de céu. 35. 2.2 Iluminação natural e a saúde dos usuários. 38. 2.3 Iluminação natural e os ambientes de trabalho. 40. 2.3.1 Percepção da Luz nos espaços de trabalho. 42. 2.4 Eficiência Energética e o Desempenho Luminoso das Edificações. 47. 2.4.1 Eficiência Energética através do Uso da Luz Natural Controlada. 50. 3. ILUMINAÇÃO NATURAL E ARTIFICIAL – CONCEITOS E NORMAS. 52. 3. Projeto luminotécnico integrado: iluminação natural e artificial. 52. 3.1 Sistemas de controle da luz artificial em resposta à luz natural. 55. 3.1.1 Métodos para integração da luz natural e artificial. 59. 3.1.2 IASPI - Iluminação Artificial Suplementar Permanente Interiores. 60. 3.1.3 PALN - Percentual de Aproveitamento da Luz Natural. 61. 3.2 Desempenho da luz natural e o conceito de zonas luminosas. 62. 3.2.1 Método do Fator de luz Natural (Daylight Factor). 66. 3.2.2 Métricas e métodos para a avaliação da iluminação natural. 67. 3.3 Métodos de avaliação da iluminação natural. 69. 3.3.1 Programas computacionais. 71. 3.3.2 A escolha dos programas de simulação de iluminação. 72. 4. ESTUDO DE CASO:. 74. 4.1 Estudo de caso – Faap. 75. 4.2 Estudo de caso – Fau Usp. 105. 4.3 Estudo de caso – Mackenzie. 138.

(9) 4.4 Considerações sobre os resultados. 168. 4.4.1 Análise: Estudo de caso - Faap. 169. 4.4.2 Análise: Estudo de caso - Fau Usp. 170. 4.4.3 Análise: Estudo de caso - Mackenzie. 170. 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS:. 172. REFERÊNCIAS. 174.

(10) LISTA DE ILUSTRAÇÕES. imagem 01 - High Performance Schools - HPS. 28. imagem 02 - Iluminação zenital - Claraboias. 29. imagem 03 - Iluminação zenital - Lanternins. 30. imagem 04 - Iluminação zenital - Átrio. 30. imagem 05 - Iluminação zenital - Sheds. 32. imagem 06 - Iluminação zenital - Tubo solar. 43. imagem 07 - Azimute e altura solar. 28. imagem 08 - Produção de cortisol e da melatonina. 39. imagem 09 - Imagem da integração da luz natural e artificial. 54. imagem 10 - Zonas de iluminação com características semelhantes. 55. imagem 11 - Iluminação Artificial Suplementar Permanente em Interiores. 62. imagem 12 - Liminites das zonas luminosas. 65. imagem 13 - Delimitação das zonas luminosas no plano de trabalho. 66. imagem 14 - Mapas das zonas luminosas para três tipos de céu. 66. imagem 15 - Fontes de luz natural que alcançam o edifício. 68. imagem 16 - Renderização de um espaço de trabalho e a representação. 69. imagem 17 - Faap - Implantação da edificação. 76. imagem 18 - Faap - sala de aula de projeto, vista em perspectiva. 76. imagem 19 - Faap - sala de aula de projeto, vista frontal. 77. imagem 20 - Faap - sala de aula de projeto, vista perspectiva. 77. imagem 21 - Faap - sala de aula de projeto, vista lateral e aberturas. 78. imagem 22 - Faap - sala de aula de projeto, detalhe das aberturas. 78. imagem 23 - Malha de pontos de medição (Luz Natural). 80. imagem 24 - Malha de pontos de medição (Luz Artificial). 81. imagem 25 - Simulação da Iluminação Natural. 82. imagem 26 - Simulação da Iluminação Artificial. 82. imagem 27 - Iluminância média geral, gráfico de cores falsas. 83. imagem 28 - Iluminância média geral, grelha de valores em lux. 84. imagem 29 - Divisão das zonas de iluminação. 85. imagem 30 - Simulação Zona 1. 86. imagem 31 - Resultado da Simulação Zona 1. 87. imagem 32 - Simulação Zona 2. 87.

(11) imagem 33 - Resultado da Simulação Zona 2. 88. imagem 34 - Simulação Zona 3. 88. imagem 35 - Resultado da Simulação Zona 3. 89. imagem 36 - gráfico de dimerização por zona. 89. imagem 37 - gráfico iluminância média (luz artificial). 90. imagem 38 - Resultados de iluminância média (janeiro). 92. imagem 39 - Resultados de iluminância média (fevereiro). 93. imagem 40 - Resultados de iluminância média (março). 94. imagem 41 - Resultados de iluminância média (abril). 95. imagem 42 - Resultados de iluminância média (maio). 96. imagem 43 - Resultados de iluminância média (junho). 97. imagem 44 - Resultados de iluminância média (julho). 98. imagem 45 - Resultados de iluminância média (agosto). 99. imagem 46 - Resultados de iluminância média (setembro). 100. imagem 47 - Resultados de iluminância média (outubro). 101. imagem 48 - Resultados de iluminância média (novembro). 102. imagem 49 - Resultados de iluminância média (dezembro). 103. imagem 50 - Percentual de iluminância anual (iluminação natural + artificial). 104. imagem 51 - Atelier de projeto - implantação. 105. imagem 52 - Atelier de projeto - vista em perspectiva - lateral direita. 106. imagem 53 - Atelier de projeto - vista em perspectiva - vista frontal. 107. imagem 54 - Atelier de projeto - vista em perspectiva - sistema zenital. 107. imagem 55 - Atelier de projeto - vista em perspectiva - lateral esquerda. 108. imagem 56 - Medição - Luz natural. 109. imagem 57 - Malha de pontos de medição (Luz Natural). 110. imagem 58 - Malha de pontos de medição (Luz Artificial). 111. imagem 59 - Simulação da Iluminação Natural. 112. imagem 60 - Simulação da Iluminação Natural. 112. imagem 61 - Simulação da Iluminação Artificial. 113. imagem 62 - Iluminância média geral, gráfico de cores falsas. 114. imagem 63 - Iluminância média geral, grelha de valores em lux. 115. imagem 64 - Iluminância média geral, gráfico de cores falsas. 116. imagem 65 - Iluminância média geral, grelha de valores em lux. 117. imagem 66 - Divisão das zonas de iluminação. 118.

(12) imagem 67 - Simulação Zona 1. 119. imagem 68 - Resultado da Simulação Zona 1. 120. imagem 69 - Simulação Zona 2. 121. imagem 70 - Resultado da Simulação Zona 2. 121. imagem 71 - Simulação Zona 3. 122. imagem 72 - Resultado da Simulação Zona 3. 123. imagem 73 - gráfico iluminância média (luz artificial). 124. imagem 74 - Resultados de iluminância média (janeiro). 125. imagem 75 - Resultados de iluminância média (fevereiro). 126. imagem 76 - Resultados de iluminância média (março). 127. imagem 77 - Resultados de iluminância média (abril). 128. imagem 78 - Resultados de iluminância média (maio). 129. imagem 79 - Resultados de iluminância média (junho). 130. imagem 80 - Resultados de iluminância média (julho). 131. imagem 81 - Resultados de iluminância média (agosto). 132. imagem 82 - Resultados de iluminância média (setembro). 133. imagem 83 - Resultados de iluminância média (outubro). 134. imagem 84 - Resultados de iluminância média (novembro). 135. imagem 85 - Resultados de iluminância média (dezembro). 136. imagem 86 - Percentual de iluminância anual (iluminação natural + artificial). 137. imagem 87 - Imagem aérea (FAU-Mackenzie). 138. imagem 88 - Sala de aula de projeto - vista em perspectiva, aberturas. 139. imagem 90 - Sala de aula de projeto - vista em perspectiva, lateral direita. 139. imagem 91 - Sala de aula de projeto - vista em perspectiva, vista frontal. 140. imagem 92 - Sala de aula de projeto - vista em perspectiva, abertura. 140. imagem 93 - Sala de aula de projeto - vista em perspectiva, abertura. 141. imagem 94 - Malha de pontos de medição (Luz Natural). 143. imagem 95 - Malha de pontos de medição (Luz Artificial). 144. imagem 96 - Simulação da Iluminação Natural. 145. imagem 97 - Simulação da Iluminação Artificial. 145. imagem 98 - Iluminância média geral, gráfico de cores falsas. 146. imagem 99 - Iluminância média geral, grelha de valores em lux. 147. imagem 100 - Iluminância média geral, gráfico de cores falsas. 148. imagem 101 - Iluminância média geral, grelha de valores em lux. 148.

(13) imagem 102 - Divisão das zonas de iluminação. 149. imagem 103 - Simulação Zona 1. 150. imagem 104 - Resultado da Simulação Zona 1. 151. imagem 105 - Simulação Zona 2. 152. imagem 106 - Resultado da Simulação Zona 2. 152. imagem 107 - Simulação Zona 3. 153. imagem 108 - Resultado da Simulação Zona 3. 153. imagem 109 - gráfico de dimerização por zona. 154. imagem 110 - gráfico iluminância média (luz artificial). 154. imagem 111 - Resultados de iluminância média (janeiro). 156. imagem 112 - Resultados de iluminância média (fevereiro). 157. imagem 113 - Resultados de iluminância média (março). 158. imagem 114 - Resultados de iluminância média (abril). 159. imagem 115 - Resultados de iluminância média (maio). 160. imagem 116 - Resultados de iluminância média (junho). 161. imagem 117 - Resultados de iluminância média (julho). 162. imagem 118 - Resultados de iluminância média (agosto). 163. imagem 119 - Resultados de iluminância média (setembro). 164. imagem 120 - Resultados de iluminância média (outubro). 165. imagem 121 - Resultados de iluminância média (novembro). 166. imagem 122 - Resultados de iluminância média (dezembro). 167. imagem 123 - Percentual de iluminância anual (iluminação natural + artificial). 168. imagem 124 - Quadro geral de resultados. 169.

(14) LISTA DE TABELAS. tabela 01 - Caracterização das condições do céu. 37. tabela 02 - Dados de entrada para simulação. 72. tabela 03 - Estratégia de controle para economia de energia. 174.

(15) RESUMO. O uso eficiente da iluminação na arquitetura está condicionado ao estudo da disponibilidade da luz natural e sua integração ao sistema de iluminação artificial. A iluminação artificial é considerada um dos maiores consumos energéticos nos edifícios de ensino, logo após os sistemas de ar-condicionado. O objetivo desta pesquisa é compreender, por meio de simulações computacionais, a potencialidade de aproveitamento da luz natural, em sistemas automáticos de controle da iluminação artificial. O método foi aplicado em análises realizadas em três estudos de caso desenvolvidos nas salas de aula de projeto do curso de Arquitetura e Urbanismo das seguintes universidades: Fundação Armando Alvares Penteado - FAAP, Universidade de São Paulo - USP e Universidade Presbiteriana Mackenzie. O modelo foi produzido por meio do uso do software de cálculo e modelagem Dialux Evo 8.2. Foram realizadas simulações dinâmicas da luz natural e artificial em todos os meses do ano em horário comercial, para obtenção da iluminância média mensal por zonas de iluminação. Serviram como parâmetros das análises realizadas as normas Brasileiras NBR ISO/CIE. Os resultados mostram que a eficiência energética e a conservação de energia no ambiente de ensino, depende de várias variáveis e não somente a integração dos sistemas, como: posição do edifício em relação ao norte, dimensão do ambiente como largura, comprimento e altura, tipo de abertura, transmitância do vidro e as refletâncias em relação a cor do piso, paredes e teto. Sendo a melhor estratégia a integração da luz natural e artificial por meio de sistemas de controle que permite a dimerização da luz artificial, de forma que ela seja ajustada para suplementar os níveis disponíveis pela luz natural, mantendo constante o nível de iluminância prescrito para cada ambiente, sendo necessário a utilização de zonas de iluminação de acordo com a atividade que será exercida, levando em consideração o desenho arquitetônico do ambiente e a função do espaço, de forma a alcançar a iluminância desejada no ambiente, cada vez que o sistema de controle entra em ação, de acordo com as variações da luz natural no decorrer do ano, permite a redução do consumo de energia e consequentemente a eficiente energética do edifício.. Palavras-chave: iluminação natural, iluminação artificial, eficiência energética.. 15.

(16) ABSTRACT. The efficient use of lighting in architecture is conditioned to the study of the availability of natural light and its integration into the artificial lighting system. Artificial lighting is considered one of the largest energy consumptions in educational buildings, just after air-conditioning systems. The aim of this research is to understand, through computational simulations, the potential of natural light utilization in automatic systems of artificial lighting control. The method was applied in analyzes performed in three cases developed in the design classrooms of the following universities: Armando Alvares Penteado Foundation - FAAP, University of São Paulo - USP and Universidade Presbiteriana Mackenzie. The model was made through the use of Dialux Evo 8.1 calculation and modeling software and the Rhinoceros Diva Plug-in. Dynamic simulations of natural and artificial light were performed in all the months of the year during commercial hours, in order to obtain the average monthly illumination by lighting zones. The Brazilian standards NBR ISO / ICE were used as parameters of the analyzes. The results show that energy efficiency and energy conservation in the teaching environment depend on several variables and not only the systems integration, such as: building position in relation to the north, size of the environment as width, length and height, type aperture, glass transmittance, and reflectances in relation to the color of the floor, walls, and ceiling. The best strategy is the integration of natural and artificial light by means of control systems that allow the dimming of artificial light, so that it is adjusted to supplement the levels available by natural light, keeping the prescribed illuminance level constant for each environment. It is necessary to use lighting zones according to the activity to be performed, taking into consideration the architectural design of the environment and the function of the space, in order to achieve the desired illuminance in the environment, each time the control system enters. in action, according to the variations of natural light throughout the year, allows the reduction of energy consumption and consequently the energy efficiency of the building.. Keywords: natural lighting, artificial lighting, energy efficiency.. 16.

(17) 1. INTRODUÇÃO. A iluminação é um dos parâmetros essenciais para a concepção de qualquer projeto, e o tipo de iluminação irá caracterizar a edificação e adequar sua função, possibilitando o exercício de atividades visuais. Em edificações de ensino, o projeto de iluminação possibilita o desenvolvimento de tarefas visuais que auxiliarão no aprendizado.. A utilização da iluminação natural em edifícios de ensino é relevante tanto para atender questões econômicas (economia de energia), quanto pelo fato estético e psicológico, visto que a luz natural é preferida pelo ser humano. Apesar disto, devese lembrar de que a luz natural é variável e não está disponível em todas às 24 horas do dia, tornando necessário o emprego de uma fonte de iluminação artificial que substitua a iluminação natural durante a noite e suplemente a iluminação natural durante os períodos em que os níveis de iluminação fornecidos estejam menores que os recomendados. No que diz respeito à iluminação de edificações, a eficiência energética pode ser alcançada por meio de dois fatores: uso adequado da luz natural ao longo do dia e de sistemas de iluminação artificial eficientes. Quando ambos os fatores são reunidos numa proposta projetual, aumentam as chances de êxito com relação à economia de energia (TOLEDO, 2008).. No processo de ensino-aprendizagem que ocorre em salas de aula de projeto é necessário que o ambiente físico seja adequado e com condições mínimas de conforto, de forma a contribuir positivamente no desempenho das atividades desenvolvidas por alunos e professores. Neste contexto, o conforto térmico e lumínico são elementos fundamentais na garantia de uma boa condição ambiental, devendo haver preocupação quanto à escolha do sistema de iluminação artificial e elementos de controle da luz natural.. Uma das principais propriedades da luz natural é a qualidade da luz que proporciona. A visão humana evoluiu ao longo de milhões de anos usando a luz natural - uma combinação de luz solar direta e luz difusa do céu - e por esse motivo apresenta maior facilidade de se adaptar a ela. A luz natural é uma fonte luminosa que 17.

(18) abrange toda a gama de radiações do espectro eletromagnético e por isso é usada como referência na comparação com as fontes artificiais, por sua vez, também é considerada a melhor fonte de luz para a fidelidade na reprodução de cores (ROBBINS, 1986).. A luz é parte integrante do processo de aprendizado, sendo essencial para o mecanismo da visão, pois sem ela não se consegue ver. É fundamental também para todos os processos que tornam possível ao cérebro relacionar-se com o meio ambiente. Nas últimas décadas, a ênfase no desempenho de atividades de trabalho humano tem se deslocado da força física para o sistema visual, usando as funções moto-sensoras. O sistema visual transformou-se, assim, na principal ferramenta de trabalho para milhões de pessoas, que recebem boa parte das informações por meio da visão. Da mesma forma, entre os muitos fatores que influenciam os processos de aprendizagem, aqueles relacionados com as condições ambientais têm um papel importante, pois boas condições de iluminação, favorecem o desempenho visual (BERTOLOTTI, 2007).. Para Rennhackkamp (1964, p.60-61), "uma vez que a função primordial de uma instituição de ensino é estimular o processo educacional no seu sentido mais amplo, todos os esforços deveriam ser feitos para fornecer aos estudantes um ambiente educacional adequado e estimulante. Neste sentido, a importância de uma boa iluminação para o desenvolvimento dos alunos, preservando sua visão, não deve ser subestimado". Em linhas gerais, o sistema visual terá um desempenho mais rápido e mais apurado quanto maior for o campo visual, maior o contraste de luminâncias, melhor a diferenciação de cores, produzindo uma imagem clara na retina e, quanto maior for à iluminação na retina, mais rápido e mais refinado será o desempenho do sistema visual (BERTOLOTTI, 2007).. A utilização de iluminação natural como fonte principal de luz em edifícios de aprendizagem também tem um potencial enorme de conservação de energia. Instituições de ensino, tipicamente têm seu principal consumo de energia representado pela iluminação artificial. Romero (1996) verificou que o sistema de iluminação da Universidade de São Paulo, por exemplo, era responsável por 65,5% 18.

(19) do consumo de eletricidade total do campus. Também, Ghisi (1997) em sua dissertação de mestrado, avaliou as condições de iluminação natural em salas de aula do Centro Tecnológico da Universidade Federal de Santa Catarina, com o intuito de determinar o potencial de conservação de energia elétrica. Sua conclusão foi que os 9% de economia possíveis de serem gerados com a redução da utilização da iluminação artificial, obedecendo aos níveis mínimos estipulados em norma, representavam uma economia de 0,9 GWh/ano, equivalentes a R$ 86.650,00 ao ano (BERTOLOTTI, 2007).. A correta utilização da iluminação natural deveria prover níveis de iluminação satisfatórios para o desenvolvimento de tarefas visuais, com o mínimo de desperdício de energia. Nos Estados Unidos, onde os gastos com energia em Instituições de Ensino incluem despesas com ar condicionado e calefação, (Nickolas e Bailey, 2002) compararam três novas escolas construídas no estado da Carolina do Norte, e projetadas para permitir o uso sustentável da iluminação natural, com as outras existentes no estado. Eles concluíram que o potencial de redução dos gastos com energia representava de 22% a 64% nas novas unidades, economia de energia e valores que poderiam ser investidos nos professores.. Além disso, o crescente consumo da energia gerada tanto em países desenvolvidos como em desenvolvimento, precisam controlar esse gasto como parte do programa de economia do país. O Brasil se inclui neste grupo, embora o consumo de energia em seu território não seja tão elevado como o consumo de energia em países de área territorial equivalente, por exemplo, os Estados Unidos (EUA) e a Austrália (LAMBERTS, 2004).. 1.1 JUSTIFICATIVA. A crise energética pela qual a sociedade moderna passa hoje, obriga a todos a uma “economia” permanente nos processos de projetos de edifícios, visando o controle de gastos energéticos. Os sistemas de iluminação, responsáveis por grande parte da energia consumida em uma edificação vêm se tornando um dos principais alvos, na busca dessa eficiência energética. Segundo Jannuzzi (1992), cerca de 16% 19.

(20) do total da energia elétrica consumida no país é para iluminação, e este consumo é distribuído da seguinte maneira: 4% para iluminação residencial; 6% para iluminação comercial, 2% para iluminação industrial, 3% para iluminação pública. As projeções das demandas mundiais até 2030 mostram um cenário de escassez dos recursos chaves como energia (50%); água (40%); e alimentos (5%). (WORLD ENERGY COUNCIL, 2015) As constantes crises energéticas que vêm ocorrendo nos últimos 30 anos, com ameaças de racionalização de energia, associadas à falta de um padrão de qualidade nos equipamentos elétricos tornam este cenário mais alarmante.. No Brasil, segundo o relatório da EPE - (Empresa de Pesquisa Energética) de 2014, os edifícios de ensino representam um gasto energético de 4,6% da energia total. Nos edifícios de ensino, a iluminação artificial dos ambientes é responsável por grande parte do consumo de energia junto com o sistema de condicionamento artificial. Isto pode ser revertido, gerando maior economia, quando as edificações são dotadas de dispositivos mais eficazes, associados a estratégias e projetos que priorize o aproveitamento da iluminação e ventilação natural. Segundo a ABILUX (1995), a iluminação artificial pode ser responsável por até 90% do consumo de eletricidade. Com a otimização dos projetos de edifícios para o aproveitamento do potencial de iluminação natural disponível no país, é possível reduzir o consumo de energia elétrica para a geração de iluminação artificial.. Como discutido acima os maiores gastos energéticos nos grandes edifícios de ensino são devidos ao consumo de equipamentos com ar condicionado, e com a iluminação artificial. Na arquitetura, aplicando-se os conceitos de sustentabilidade pode-se contribuir para reverter esse quadro, sem deixar de considerar a busca de qualidade na iluminação artificial.. No que diz respeito à iluminação de edificações, a eficiência energética pode ser alcançada por meio de dois fatores: O uso adequado da luz natural e o uso de sistemas de iluminação artificial eficientes. Quando estes fatores são reunidos numa proposta projetual, aumentam as chances de êxito do projeto com relação à economia de energia. 20.

(21) De acordo com Souza (2003, p.13-14) "a utilização eficiente qualitativa e quantitativa de sistemas integrados de iluminação artificial e natural proporciona aos usuários ambientes agradáveis e prazerosos, evitando desperdício de energia elétrica e proporcionando o retorno em curto prazo do investimento inicial em sistemas tecnologicamente eficientes”. A economia de energia elétrica pode ser significativa quando a luz natural atuar em conjunto com um sistema de controle adequado da iluminação artificial.. Para tirar um maior aproveitamento da iluminação natural em um edifício, o sistema de controle da iluminação artificial deve desligar ou reduzir a intensidade (dimerizar) da iluminação artificial nos momentos em que a iluminação natural for suficiente. A iluminação artificial deve operar para suplementar as mudanças nos níveis da iluminação natural, durante o dia e manter constante a iluminância de projeto, usando as mais eficientes tecnologias e estratégias de controles disponíveis (LANL, 2002).. Atualmente com o grande avanço na tecnologia de controles para iluminação, a quantidade de projetos que buscam a integração do sistema natural com o artificial vem aumentando. Para a utilização destes controles, visando aproveitar ao máximo os benefícios da luz natural, torna-se necessário compreender o seu comportamento dentro do ambiente, e avaliar a economia proporcionada pela iluminação na etapa do pré-projeto de uma edificação ou de um retrofit.. A integração da luz natural e artificial tem início na determinação das intenções globais do projeto luminotécnico. É quando se define, então, os papeis a serem desempenhados pela luz natural e pela luz artificial para que os objetivos do projeto sejam atingidos. Antes de mais nada é preciso analisar o desempenho da luz natural no ambiente, em diferentes períodos ao longo do ano, para ser observados os níveis de luminância das superfícies, as zonas luminosas, as variações sazonais da disponibilidade de luz natural (direção e intensidade), e a mudança na distribuição da luminosidade com aberturas e elementos de controle da luz solar direta (IESNA, 2000).. 21.

(22) A luz natural é tanto elemento de projeto, quanto sistema ambiental. Enquanto elemento de projeto pode valorizar aspectos estéticos e qualitativos de conforto da edificação. Enquanto, o sistema ambiental deve ser analisado quantitativamente, segundo o desempenho de seus atributos (iluminação, energia e economia), suas características físicas, e sua interação com outros sistemas ambientais, incluindo iluminação artificial, condicionamento de ar e estruturas (ROBBINS, 1986).. Diferentes métodos para projeto luminotécnico são descritos por vários autores, principalmente em trabalhos que tratam da luz natural. Usualmente são divididos em métodos de cálculos, métodos gráficos e também é considerado o uso de modelos reduzidos para avaliação do comportamento da luz natural, seja sob a luz do dia real ao ar livre, ou sob um céu artificial criado em laboratório.. Com as facilidades oferecidas pelos recursos da computação, muitos programas de simulação foram criados para facilitar a aplicação das rotinas de cálculo estabelecidas pelos métodos. Os programas implementam os algoritmos de métodos de cálculo possibilitando o estudo de edificações de forma complexa com agilidade e precisão (Lima e Christakou, 2007).. O presente trabalho busca avaliar a adequação do sistema de iluminação suplementar ao sistema de iluminação natural existente, em sala de aula padrão, por meio da integração dos dois sistemas de iluminação. Objetiva-se o aproveitamento da iluminação natural, e a obtenção de propostas de um sistema de iluminação artificial diferenciado que permita o desenvolvimento das atividades executadas em sala de aula, além de oferecer melhor qualidade de iluminação aos seus usuários.. 1.2 PROBLEMA. O sistema de iluminação artificial apresentado atualmente em salas de aulas, não leva em conta a diversidade das atividades executadas nestes ambientes e, muitas vezes, desconsidera parâmetros importantes como: a orientação, as dimensões e as atividades visuais desenvolvidas. O fato ocorre, porque essas premissas essenciais, não são pensadas no processo de criação do projeto 22.

(23) luminotécnico. Aparentemente, o objetivo geral dos projetos de iluminação artificial é atingir níveis de iluminação satisfatória recomendados, com baixo custo de implementação. Apesar de busca-se economia e praticidade, os projetos de iluminação artificial implantados são “indiferentes” à incidência de luz natural no edifício, o que consequentemente leva ao desperdício.. Devido à grande preocupação mundial quanto à demasiada utilização da iluminação artificial, gerando um elevado custo na produção de energia elétrica e eventuais desperdícios, cada vez mais é preciso pensar em otimizar o uso da iluminação natural nos ambientes de ensino. Com isto, propiciando-se também um nível adequado de satisfação e bem-estar dos usuários das edificações, e custos razoáveis.. A melhor utilização do potencial de iluminação natural não significa simplesmente economia de energia elétrica, mas maior racionalidade na utilização devido ao dimensionamento adequado dos sistemas de iluminação natural e artificial, levando a ambientes com melhores condições de iluminação e conforto ambiental.. Assim, um projeto de iluminação inadequado, pode causar aos seus usuários um desconforto, que se traduz por fadiga visual, ofuscamento, redução de produtividade, além do aumento do consumo de ar condicionado, causado pela elevação da carga térmica. Enfrenta-se assim, gastos energéticos frente ao consumo de iluminação e demanda-se maior uso dos sistemas de controles automáticos. Passa a ser importante, também compreender por meio de simulações computacionais a potencialidade de aproveitamento da luz natural pelo uso de sistemas automáticos de controle da iluminação artificial.. Mais. especificamente,. procura-se. analisar. por. meio. de. simulações. computacionais o comportamento dinâmico da luz natural e, ao mesmo tempo, avaliar a potencialidade de aproveitamento da luz natural; analisar em que momentos a luz artificial pode suplementar a luz natural; bem como, caracterizar zonas de iluminação natural por meio de sistemas de controles; definindo assim, estratégias de controle da iluminação artificial. 23.

(24) 1.3 OBJETIVO. Compreender por meio de simulações computacionais a potencialidade de aproveitamento da luz natural pelo uso de sistemas automáticos de controle da iluminação artificial.. Objetivos específicos: •. Analisar por meio de simulações computacionais as variações da luz natural;. •. Avaliar a potencialidade de aproveitamento da luz natural;. •. Analisar em quais momentos a luz artificial pode suplementar a luz natural;. •. Caracterizar zonas de iluminação natural por meio de sistemas de controles;. •. Definir estratégias de controle da iluminação artificial.. 1.4 MÉTODO. Assim sendo, utilizando o método aplica o conceito de estudo de caso incorporado, como observa Robert Yin (2010), que recomenda diferentes formas de análise do objeto, com a criação de um banco de dados organizado. Nesse trabalho será realizada análises de pesquisa nas salas de projeto do curso de Arquitetura e Urbanismo da: Fundação Armando Alvares Penteado - FAAP, Universidade de São Paulo - USP e Universidade Presbiteriana Mackenzie. O método utiliza o estudo de caso, seguindo as seguintes etapas: •. Visita no local;. •. levantamento de dados e reconhecimento dos sistemas de iluminação;. •. levantamento e medição das iluminância nas salas de projeto;. •. modelagem e simulação por meio do software Dialux Evo e o plug-in Diva do Rhinoceros;. •. simulação dinâmica da luz natural e artificial de todos os meses do ano em (horário comercial); 24.

(25) •. análise dos resultados com as normas vigentes NBR ISSO/CIE 8995-1;. •. apresentação de soluções de integração da luz natural e artificial.. 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO. O presente trabalho está organizado da seguinte maneira:. Após o Capítulo 1 - Introdução,. o capítulo 2 - Revisão bibliográfica reúne os principais estudos sobre a iluminação natural em edifícios de ensino, a importância da luz para a saúde dos usuários e seleciona algumas estratégias para economia de energia e eficiência energética por meio da iluminação natural.. O Capítulo 3 - Projeto luminotécnico integrado apresenta as métricas e métodos para a avaliação da potencialidade da iluminação natural e reúne métodos para integração da iluminação natural e artificial por meio de simulações computacionais. O Capítulo 4 – aborda os Estudos de Caso: salas de aula de projeto do curso de Arquitetura e Urbanismo das seguintes universidades: Fundação Armando Alvares Penteado - FAAP, Universidade de São Paulo - USP e Universidade Presbiteriana Mackenzie.. O Capítulo 5 - Considerações finais e conclusões. Referências e apêndices. 25.

(26) CAPÍTULO 2. 2. Principais estudos sobre iluminação natural em edifícios de ensino.. A luz natural sempre foi uma preocupação em projetos de edifícios de ensino. Em um livro publicado em 1874, Robson (2003) já enfatizava a importância de levar em consideração a saúde, conforto no aprendizado dos alunos nos projetos de edifícios de ensino. Ele acreditava que a iluminação natural nas salas de aula era um fator importante para se atingir esses objetivos, chegando a delinear instruções práticas acerca da orientação e aberturas de forma a aproveitar melhor a luz do sol na orientação norte, de modo a evitar ofuscamento. A iluminação artificial passou então a ser aplicada em larga escala a partir de 1955, com o barateamento do processo de produção das lâmpadas fluorescentes. A substituição do sol pela iluminação artificial não se deu imediatamente após a invenção da lâmpada elétrica incandescente de Edson. O marco foi a invenção da lâmpada fluorescente, antes da Segunda Guerra Mundial. Sua invenção forneceu níveis de iluminância suficientes - e a um custo acessível - para que as atividades humanas dentro dos edifícios pudessem se desenvolver independentemente da luz natural (BERTOLOTTI, 2007).. No decorrer da década de 70, com a crise do petróleo, a preocupação com a conservação de energia começou a crescer nos projetos de edifícios de ensino. Inicialmente essa preocupação se concentrava na redução da carga térmica para o ar condicionado, e uma forma de atingir esse objetivo era reduzindo a área das aberturas. Muitos edifícios foram construídos sem janelas nos Estados Unidos, na Flórida, foi declarada uma lei determinando que todas as escolas fossem equipadas com ar-condicionado e sem janelas (BERTOLOTTI, 2007).. Segundo Toledo (2008), a utilização da iluminação natural em edifícios de ensino é importante tanto para atender questões econômicas (redução do consumo de energia), quanto pelo fato estético e psicológico, visto que a luz natural é preferida pelo ser humano. Apesar disto, é necessário lembrar de que a luz natural é variável e não está disponível em todas às 24 horas do dia, tornando necessário a utilização de uma fonte de iluminação artificial que substitua a iluminação natural durante a noite e 26.

(27) suplemente à iluminação natural durante os períodos em que os níveis de iluminação fornecidos estejam menores que os recomendados. Em relação à iluminação de edificações, a eficiência energética pode ser alcançada por meio de dois fatores: uso adequado da luz natural e de sistemas de iluminação artificial eficientes. Quando ambos os fatores são reunidos numa proposta projetual, aumentam as chances de êxito com relação à economia de energia.. Ainda segundo Toledo (2008), a conservação de energia está intimamente relacionada com a disponibilidade de luz natural e as características do edifício, a tipologia da abertura, as dimensões, cor do piso, paredes, teto e texturas. Além destes fatores é necessário considerar um sistema de iluminação artificial projetado para complementar a luz natural, com circuitos independentes e sistema de controle elétrico e automação apropriado para cada situação.. Um conceito muito utilizado é o "High Performance Schools" - HPS, ou "Green Schools", está relacionado não só a edifícios de ensino que economizam energia, mas também que forneçam ambientes saudáveis, confortáveis e bem iluminados onde o aprendizado possa se desenvolver. Nesse conceito geralmente estão incluídos ambientes com luz natural em quantidade adequada, um requisito imprescindível para assegurar a sua boa qualidade, das estratégias para o projeto das HPS, a iluminação natural pode ser a mais significativa na arquitetura e a mais desafiadora. "A iluminação natural tem demonstrado ser uma das melhores estratégias de conservação de energia em edifícios escolares e a decisão de utilizar iluminação natural em um projeto terá influência nas decisões sobre os outros sistemas desse edifício" (BERTOLOTTI, 2007).. Para atingir esses objetivos, os projetos da HPS utilizam várias estratégias para otimizar o uso da luz natural, fazendo a luz difusa adentrar mais profundamente nos espaços internos, barrando a incidência direta dos raios solares, utilizando a reflexão indireta da luz do sol e evitando o ofuscamento. (ver imagem 01). 27.

(28) imagem 01 - "High Performance Schools" – HPS. fonte: Lavalle Brensinger, 2018. Segundo Matheus (2018). A iluminação zenital é uma estratégia de aproveitar a iluminação solar natural como garantia afim de melhorar a qualidade espacial da luz no ambiente, além de economizar energia. A consciência da finitude dos recursos naturais e demandas por redução do consumo energético têm diminuído cada vez mais o protagonismo de sistemas artificiais de iluminação, de modo que arquitetos tem buscado assumir novos posicionamentos na concepção projetual, apropriando-se determinados sistemas construtivos no aproveitamento dos recursos naturais. Nesse diálogo, diferentes tipos de artifícios têm sido adotados para a captação lumínica natural.. A iluminação zenital é todo tipo de iluminação natural que vem de cima, por meio de algum elemento zenital revestidos com materiais translúcidos como de vidro, acrílico ou policarbonato. Os sistemas zenitais são classificados em claraboias, lanternins, átrio, sheds e tubos solares.. Claraboias - Estão entre as aberturas zenitais mais utilizadas em projetos residenciais, são capazes de iluminar até oito vezes mais do que uma janela de mesmo tamanho, são planas e podem ser construídas com estrutura metálica, policarbonato ou vidro laminado. Com um visual contemporâneo e leve, são indicadas para a iluminação de escadas, circulações e banheiros. Além da atenção em relação às questões térmicas, as claraboias demandam mais manutenção por seguirem a 28.

(29) inclinação da cobertura. Estabelecidas como aberturas horizontais estrategicamente posicionadas na cobertura das edificações, permitem a entrada direta da luz natural à região interna da construção. Como vedação, comumente recebe a aplicação de vidro translúcido em sua face superior, permitindo maior porcentagem lumínica ao espaço. Deve ser utilizada com cuidado, já que tende a favorecer o ganho de cargas térmicas na. edificação,. aumentando. a. temperatura. interna.. Portanto,. deve. ser. estrategicamente posicionada e projetada no que diz respeito às dimensões e materiais vedantes (MATHEUS, 2018). Além disso, como alternativa a vedação superior, pode receber películas de vidro leitoso ou chapas de policarbonato, de modo a propiciar a entrada de luz de maneira indireta e a dosagem do percentual lumínico. Como o sistema de iluminação zenital mais empregado, são indicadas a espaços de menor permanência como áreas de circulação, halls ou banheiros, por exemplo. Permite ainda uma gama de modelos a partir da variação de desenhos, dimensões e materiais, desde a tradicional abertura sobre a laje até modelos tubulares mais inventivos (MATHEUS, 2018). (ver imagem 02). imagem 02 - Iluminação zenital – Claraboias. fonte: Decorsalteado, 2018. Lanternins - Os lanternins são aberturas que sobressaem em relação à parte superior do telhado e possuem duas faces opostas e translúcidas. Muito usados em edifícios industriais, costumam ser abertos (ou permitir a abertura) para favorecer a ventilação e a renovação do ar. São indicados para ambientes quentes e com pédireito alto. Como aberturas que se sobressaem em relação à cobertura, podem ser pequenos telhados sobrepostos às cumeeiras ou ainda superfícies sobrepostas às lajes, criando pequenas saliências a receber aplicação de vidro à entrada de luz natural pelas duas laterais. Além da entrada lumínica, o sistema permite a renovação 29.

(30) contínua do ar se empregado caixilhos móveis, possibilitando trocas constantes a partir do pressuposto de que o ar quente tende a subir (MATHEUS, 2018) (ver imagem 03). imagem 03 - Iluminação zenital – Lanternins. fonte: Decorsalteado, 2018. Átrio - Mais utilizados em grandes construções, como shoppings centers, os átrios são aberturas na cobertura que ocupam um espaço central na edificação. Bastante presente em construções históricas, foi muito usado como elemento condutor de luz para o centro dos edifícios. Pode (ou não) ser acompanhado de um domo (cobertura convexa). Como o espaço central de uma edificação, o termo também nomeia uma das tipologias à iluminação zenital. Assim como as claraboias, possui aberturas posicionadas diretamente sobre as coberturas, na maioria dos casos por geometrias piramidais ou com duas águas construídas com perfis metálicos e fechamento em vidro. Contanto, diferente dos casos anteriormente citados, esta tipologia é indicada a edifícios com maior número de pavimentos ou grandes pé direito, permitindo o recebimento de maior luminosidade de modo a não gerar altas cargas térmicas (MATHEUS, 2018). (ver imagem 04). imagem 04 - Iluminação zenital – Átrio. fonte: Decorsalteado, 2018. 30.

(31) 'Sheds' - Também conhecidos como dentes de serra, os 'sheds' são mais comuns em construções industriais, ao serem aplicados junto a coberturas metálicas. No Brasil, os projetos para este tipo de abertura tendem a ser mais eficazes quando voltados para o sul. Recorrentemente empregados em edifícios industriais e galpões junto a coberturas metálicas, configuram-se como dispositivos a partir da geometria em dente de serra dos telhados, com inclinações estrategicamente dispostas de modo a receber determinada quantidade de luz. Usualmente são posicionados em relação à fachada com menor insolação (sul no hemisfério sul e norte, no norte), permitindo receber luz natural sem raios solares. Em alguns casos, também contemplam aberturas à ventilação (MATHEUS, 2018). (ver imagem 05). imagem 05 - Iluminação zenital – Sheds. fonte: Decorsalteado, 2018. Tubos Solares - Assim como as claraboias, podem ser instalados em diferentes tipos de coberturas - planificadas ou inclinadas. Com uma variedade de tamanhos em largura e dimensão, podem ser flexíveis ou rígidos. A diferença é que levam a luz, através de reflexões, onde não é possível instalar uma claraboia, por exemplo. Internamente. recebem. materiais. reflexivos,. havendo. variação. da. intensidade da luz em decorrência de suas dimensões e materialidade, apresentando ótima solução à projetos industriais e comercial. Há ainda modelos com fibra de vidro comercializados especialmente à projetos com curtas distâncias entre o forro e laje, indicados a projetos residenciais (MATHEUS, 2018). (ver imagem 06). 31.

(32) imagem 06 - Iluminação zenital - Tubo solar. fonte: Archidaily. 2.1 Disponibilidade de luz natural. A disponibilidade de luz natural é a quantidade de luz em um determinado local, em função de suas características geográficas e climáticas, que se pode dispor por um certo período de tempo. Dados e técnicas para a estimativa das condições de disponibilidade de luz natural são importantes para a avaliação do desempenho final de um projeto em termos de conforto visual e consumo de energia. Isto refere-se à maneira como varia a quantidade de luz durante o dia e épocas do ano, quanto dura essa iluminação ao longo do dia e os motivos pelos quais as localidades dispõe de mais ou menos luz face aos parâmetros que influem no cálculo da disponibilidade da luz natural (NBR 15215-2, 2003).. A movimentação diária e sazonal do sol na abóbada celeste produz um padrão previsível de quantidade e direcionalidade da luz natural disponível, relativo a uma localidade no globo terrestre, diretamente influenciado por mudanças de clima, temperatura e poluição do ar (IESNA, 2000). Essas características físicas e geográficas, orientação e configuração morfológica do entorno construído também afetam direta ou indiretamente a disponibilidade de luz natural (VIANNA; TOLEDO, 2008).. Em relação ao espectro da radiação solar recebida pela superfície da Terra, apenas 40% correspondem à radiação visível, ou seja, luz. A parcela desta radiação 32.

(33) visível que atravessa a atmosfera é variável em função das condições e profundidade das camadas atmosféricas (IESNA, 2000). A luz que atinge a atmosfera se divide em duas frações, uma direta e outra difusa. Uma parte atravessa a atmosfera em forma de feixes de luz direta. A outra parte é difundida pela poeira, vapor de água e outros elementos em suspensão no ar, os componentes direta e difusa formam a iluminação global (VIANNA; IESNA, 2000; TOLEDO, 2008).. A disponibilidade e a potencialidade de luz natural se referem à quantidade de desta proveniente do sol e do céu para uma localidade, data, hora e condição de céu específicas (IESNA, 2000). Varia em função da altura do sol no céu e das condições de nebulosidade e turvamento da atmosfera. Essas variações impossibilitam a adoção de valores exatos para a predição de luminosidade e desta forma adotam-se valores estatísticos estabelecidos por meio de medições (SOTERAS, 1985; TOLEDO, 2008).. Para efeito de estudo da iluminação natural, considera-se que a luz natural provém do sol (luz direta), do céu (luz difusa) e também a luz refletida pelo entorno (luz indireta) (IESNA, 2000; TOLEDO, 2008). A identificação exata do sol no céu com relação a uma dada localidade, dia e horário, e consequentemente a direção da luz direta, usam-se coordenadas angulares: azimute e altura solar (imagem 07). A altura solar é o ângulo compreendido entre o sol e o plano do observador. O azimute é o ângulo horizontal marcado a partir do Norte geográfico em sentido horário até a projeção do sol no plano. Em ambos os casos, o vértice do ângulo será sempre o centro da projeção horizontal da abóbada. Os percursos aparentes do sol na abóbada celeste para uma determinada latitude são observados nas cartas ou diagramas solares (TOLEDO, 2008).. imagem 07 - Azimute e altura solar. (adaptado de: BITTENCOURT, 2004).. 33.

(34) Parâmetros sobre disponibilidade da luz natural são importantes para a definição de estratégias para uso conjunto da luz natural e artificial. Dados de frequência de ocorrência de tipos de céu podem definir os períodos do ano em que haverá maior disponibilidade de luz natural. Associada às iluminâncias médias de cada tipo de céu esta informação poderá ser utilizada para estimar a economia energética potencial para projetos que integram sistemas de iluminação natural e artificial (TOLEDO, 2008).. Pelo comportamento dinâmico da luz natural e consequente variação das condições de iluminação, é necessário conhecer informações sobre a disponibilidade de luz natural específicas da região para onde se projeta. Tais informações são formuladas a partir de medições periódicas das condições de luminosidade externa para determinada localidade. A partir da criação do Programa Internacional de Medição de Iluminação Natural em 1985, a CIE deu início à implementação de estações de medição pela Europa, América do Norte e América do Sul, onde detectaram a carência de dados sobre a disponibilidade de luz natural no Brasil.. Segundo Souza (2008), havia somente duas estações de medição em território nacional: Florianópolis e Belo Horizonte.. A falta de dados medidos da disponibilidade de luz natural em nosso país, poderão ser adotados os dados referentes às condições de nebulosidade constantes nas normais climatológicas em conjunto com valores médios de iluminâncias externas calculados para planos horizontais e verticais gerados, por exemplo, a partir do programa computacional DLN (Disponibilidade de Luz Natural) O programa DLN calcula por meio das equações IES, para qualquer localidade (latitude e longitude) e data, as iluminâncias médias direta, difusa ou global (direta + difusa) para céus claro, parcialmente encoberto e encoberto, sobre planos horizontais ou verticais. Também pode calcular a luminância em qualquer ponto da abóbada celeste, a partir da altura solar e azimute, para as mesmas condições de céu anteriores (SCARAZZATO, 2004; TOLEDO, 2008).. 34.

(35) Segundo a tese de Scarazzato, que deu origem ao programa DLN, desenvolveu o conceito do Dia Luminoso Típico de Projeto aplicado à iluminação natural, que melhor representa, em termos de disponibilidade de luz natural, um dado período de tempo. Para o período estabelecido, o DLN calcula as médias das iluminâncias horizontais estimadas de duas em duas horas, para céus claro, parcialmente encoberto e encoberto. Em seguida o programa busca o dia cujas iluminâncias horizontais mais se aproximam das iluminâncias médias calculadas e este será então considerado o Dia Luminoso Típico, DLT daquele período. Normalmente calcula-se o DLT para todas as estações climáticas ou para cada um dos meses, para uma percepção mais minuciosa da disponibilidade de luz natural ao longo do ano (SCARAZZATO, 2004; TOLEDO, 2008).. 2.1.1 Classificação de tipos de céu. A luz natural difusa proveniente do céu está diretamente relacionada às condições atmosféricas. Tais condições foram classificadas como tipologias de céu. Os tipos de céu podem ser organizados em duas categorias (SOUZA, 2004; TOLEDO, 2008):. •. Céus homogêneos - variam de claro a encoberto e são caracterizados por uma distribuição espacial homogênea da densidade atmosférica;. •. Céus não homogêneos - céu azul com nuvens, céus parcialmente encobertos e céus com nuvens esparsas são irregulares quanto à distribuição da densidade atmosférica e consequentemente das luminâncias.. Segundo Souza (2004) os tipos de céus mais empregados em estudos sobre iluminação natural são três tipos clássicos de céus homogêneos: céu encoberto, céu claro e céu parcialmente encoberto, este último caracterizado como um céu claro com alto índice de turvamento. (TOLEDO, 2008). A IESNA, em 1984, publicou um documento, IESNA, RP 21-84 – Recommended Practice for Calculation of Daylight Availability, apresentando uma série de algoritmos de cálculo aplicáveis à iluminação natural, baseados em medições e métodos 35.

(36) preditivos existentes. O modelo proposto incluía pela primeira vez a tipologia de céu parcialmente encoberto além dos céus claro e encoberto (SCARAZZATO, 2004). A IESNA classifica padrões de luminosidade do céu de acordo com o parâmetro da razão de cobertura do céu (sky-covet) (IESNA, 2000; TOLEDO, 2008).. Segundo Toledo (2008) a razão de cobertura do céu estima a quantidade de nuvens que cobrem o céu, é expressa em décimos, numa escala de 0,0 para céu sem nuvens a 1,0 para céu completamente encoberto.. A distribuição de luminâncias é um conceito muito utilizado em análise de modelos de céus foi proposto pela CIE para a padronização de condições de luz natural exteriores na recém-publicada ISO 15469:2004 (E) / CIE S 011/E:2003 Spatial Distribution of Daylight - CIE Standard General Sky. O novo conceito abrange um vasto registro de ocorrências, desde o céu encoberto ao céu claro considerandose ou não a luz direta do sol respectiva. São descritos 16 diferentes modelos padronizados de céu objetivando formular uma base universal para a classificação de medições de luminâncias de céu e fornecer um método para o cálculo de luminâncias do céu (TOLEDO, 2008).. A ABNT adotou no Brasil, em sua recente normatização para Procedimentos de cálculo para a estimativa da disponibilidade de luz natural, três tipos de céu: céu claro, céu encoberto e céu parcialmente encoberto ou intermediário, assim descritos: (TOLEDO, 2008). •. Céu claro - inexistência de nuvens ou baixa nebulosidade, é mais brilhante em torno do sol e próximo ao horizonte. É caracteristicamente azul devido à existência de pequenas partículas de água em suspensão, fazendo com que apenas os menores comprimentos de onda (porção azul do espectro) venham em direção à superfície da Terra. A luminância de qualquer ponto na abóbada é relacionada à luminância do zênite e à altura solar (TOLEDO, 2008);. •. Céu encoberto - a superfície da abóbada celeste é completamente preenchida por nuvens. Grandes partículas de água em suspensão na atmosfera refletem e refratam a luz direta do sol, para todos os comprimentos de onda. O céu é 36.

(37) tipicamente cinza-claro, e a luminância da porção em torno do zênite é três vezes maior que da área próxima à linha do horizonte. A luminância de qualquer ponto na abóbada é relacionada à luminância do zênite (TOLEDO, 2008); •. Céu parcialmente encoberto - condição de céu intermediária entre céu claro e céu encoberto na qual a luminância em qualquer ponto da abóbada celeste é definida em função do posicionamento do sol no céu (altura solar). O sol e sua auréola ao redor não são considerados na distribuição de luminâncias. Análises da iluminação natural sob condições de céus parcialmente encobertos dependem do azimute, altura e declinação solaria (TOLEDO, 2008).. Segundo Toledo (2008) a ABNT adotou o método da cobertura do céu recomendado pela NOAA - National Oceanic and Atmospheric Administration - EUA, para a caracterização das condições de céu. A cobertura de nuvens da abóbada é estimada visualmente segundo os seguintes parâmetros:. TIPO DE CÉU. COBERTURAS DE NUVENS. Claro. 0% a 35%. Parcial encoberto. 35% a 75%. Encoberto. 75% a 100%. Tabela 01 - Caracterização das condições do céu - ABNT fonte: ABNT, 2005. As equações que definem as luminâncias em pontos da abóbada para todos os três tipos de céu são encontradas na norma. A norma não considera a condição de céu uniforme, caracterizada pela distribuição uniforme de luminâncias, "devido à inexistência dessa situação em condições reais? (ABNT, 2005).. 2.2 Iluminação natural e a saúde dos usuários. 37.

(38) A presença da iluminação natural afeta o desempenho dos seres humanos em três aspectos principais: visibilidade, saúde e estado de espírito (BERTOLOTTI, 2007).. A iluminação influencia a saúde e está relacionada às seguintes questões: ao esforço visual e aos aspectos não visuais da luz. O esforço visual, causado por uma iluminação inadequada tem como consequências: perturbações visuais, cansaço visual, ofuscamento, dores de cabeça, variações no sistema nervoso, acidentes e erros no trabalho e diminuição da produtividade (PEREIRA, 2017).. Em relação à luz, os aspectos não visuais, também conhecidos como efeitos biológicos desta interferem no sistema circadiano ou ritmo circadiano dos seres humanos influenciando aspectos químicos, biológicos e comportamentais. O sistema circadiano funciona como um relógio biológico interno que regula diversas funções no corpo: ritmo de sono e vigília, temperatura corporal, secreção de hormônios como melatonina, serotonina e cortisol (IESNA, 2011; PEREIRA, 2017).. A luz e sua informação são capturadas pelos olhos por meio de um tecido nervoso formado por fotorreceptores, os cones e bastonetes, os quais transformam a energia luminosa em impulsos nervosos levados ao cérebro. Eles são responsáveis pela informação visual, fazendo funcionar o sistema visual que permite aos seres humanos avaliarem o ambiente por meio da percepção do espaço e dos detalhes (IESNA, 2011).. O relógio biológico regula os ritmos fisiológicos e modifica o estado de ânimo dos seres humanos. Ele designa o período de 24 horas, que se baseia no ciclo biológico de quase todos os seres vivos, sendo influenciado pela variação da luz entre o dia e a noite (IESNA, 2011).. Conforme a imagem abaixo (imagem 08), é possível verificar a influência da luz na regulagem química do corpo através da produção do cortisol e da melatonina afetando, desta forma, o estado de ânimo dos seres humanos.. 38.

(39) imagem 08 - Produção de cortisol e da melatonina ao longo do dia de acordo com a luz natural. fonte: adaptado de http://www.licht.de. Com essas variações da luz no início da manhã ocorre a produção do cortisol, também conhecido como hormônio do estresse. Este hormônio é responsável pelo estado de alerta e atenção, aumentando a produção de adrenalina e inibição da melatonina e serotonina. (BERTOLOTTI, 2007).. Responsável pelo controle da liberação de alguns hormônios, a serotonina é um neurotransmissor que tem a regulação do ciclo circadiano. Ela por sua vez age na regulação do sono, do apetite e a transmissão de serotonina não tão efetiva pode causar depressão, distúrbios de humor, enxaqueca, entre outros (PEREIRA, 2017).. A ausência de luz provoca a produção de melatonina desacelerando as funções corporais, o hormônio cortisol é estimulante e a melatonina relaxante. Ele prepara o corpo para o descanso noturno. Nesta fase, o corpo secreta hormônios de crescimento que reparam as células durante a noite. Durante a manhã, o nível de melatonina no sangue cai devido à produção do cortisol, o hormônio do estresse que estimula o metabolismo e programa o corpo para as atividades durante o dia. Ao final do dia este relógio interno muda novamente, com a ausência de luz e a diminuição do nível de cortisol no sangue (PEREIRA, 2017).. O relógio biológico ou ritmo circadiano nos seres humanos não tem exatamente 24h, mas um período próximo a este. Por isto ele deve ser ajustado por meio de pistas 39.

(40) externas, sendo que uma das mais eficazes é o ciclo do claro e do escuro, proporcionado pela luz natural (PEREIRA, 2017). O relógio biológico poderá ficar desregulado se não houver exposição à luz suficiente durante o dia, ou ao contrário se houver a exposição em demasia durante a noite (IESNA, 2011).. Alguns aspectos devem-se considerar também a influência do projeto arquitetônico no ciclo circadiano, considerando as variáveis ligadas às aberturas (orientação e dimensionamento), condições climáticas e as vistas predominantes devido à integração do interior das edificações com o seu exterior. Todos estes atributos interferem na saúde e bem-estar dos seres humanos. Para o projeto da luz natural e artificial no interior das edificações é importante considerar aspectos da fonte de luz relacionados à intensidade, distribuição, comprimento de onda e tempo de exposição da mesma. É possível mudar esses aspectos, por meio de filtros, filmes e vidros especiais que alteram o espectro de luz. (PEREIRA, 2017).. 2.3 Iluminação natural e os ambientes de trabalho. A iluminação natural é uma fonte de energia, que proporciona muitos benefícios aos seres humanos. Além destes fatores, podemos citar sua influência no aumento da produtividade em ambientes de trabalho, ela tem sido associada à satisfação e bem-estar dos usuários, influenciando o estado mental, o humor, aspectos psicológicos e a saúde geral dos mesmos, redução do consumo de energia e sua contribuição na busca pela sustentabilidade das construções (PEREIRA, 2017).. A luz é essencial para visão, tornando-se fundamental para todos os processos cerebrais em relação ao meio ambiente. Em suma, o sistema visual terá um desempenho mais apurado quanto maior for o campo visual, maior o contraste de luminâncias, maior a diferenciação de cores, produzindo uma melhor imagem na retina e quanto maior for a iluminação na retina, mais rápido e mais refinado será o desempenho do sistema visual. Condições precárias de iluminação em tarefas que requerem alto nível de desempenho visual são percebidas como desconfortáveis, assim como fontes de luz que levem á distração da tarefa, como por exemplo, ofuscamento ou pulsação intermitente (BERTOLOTTI, 2007; PEREIRA, 2017). 40.