Apostila brises
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Desempenho térmico de edificações 40 3 PROTEÇÕES SOLARES A incidência da radiação direta e as sombras geradas por obstruções serão estudadas neste capítulo. As proteções solares são utilizadas quando a radiação direta não é desejada dentro do ambiente. O traçado das proteções exige o conhecimento dos movimentos do Sol e da Terra, e de seus efeitos sob a visão do observador na terra. Este pode ser um ponto, uma reta, um plano como uma parede ou janela ou um volume, no caso de uma edificação. 3.1 MOVIMENTOS DA TERRA 3.1.1 Rotação A rotação ao redor de um eixo Norte-Sul, que passa por seus pólos, origina o dia e a noite (Figura 52). Figura 52. Rotação da Terra. 3.1.2 Translação ao redor do Sol A Terra realiza um movimento elíptico ao redor do Sol conforme mostra a Figura 53. Figura 53. Translação da Terra ao redor do Sol. O movimento de translação da Terra ao redor do Sol determina as quatro diferentes estações do ano. A Tabela 5 apresenta a data de início destas estações no hemisfério sul, bem como a sua denominação. Tabela 5. Datas de início das estações do ano para o hemisfério sul. 21 DEZ 21 JUN 21 MAR 21 SET
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Desempenho térmico de edificações
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3 PROTEÇÕES SOLARES A incidência da radiação direta e as sombras geradas por obstruções serão estudadas neste capítulo. As proteções solares são utilizadas quando a radiação direta não é desejada dentro do ambiente. O traçado das proteções exige o conhecimento dos movimentos do Sol e da Terra, e de seus efeitos sob a visão do observador na terra. Este pode ser um ponto, uma reta, um plano como uma parede ou janela ou um volume, no caso de uma edificação. 3.1 MOVIMENTOS DA TERRA 3.1.1 Rotação A rotação ao redor de um eixo Norte-Sul, que passa por seus pólos, origina o dia e a noite (Figura 52).
Figura 52. Rotação da Terra.
3.1.2 Translação ao redor do Sol A Terra realiza um movimento elíptico ao redor do Sol conforme mostra a Figura 53.
Figura 53. Translação da Terra ao redor do Sol. O movimento de translação da Terra ao redor do Sol determina as quatro diferentes estações do ano. A Tabela 5 apresenta a data de início destas estações no hemisfério sul, bem como a sua denominação.
Tabela 5. Datas de início das estações do ano para o hemisfério sul.
21 DEZ
21 JUN
21 MAR
21 SET
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Data Denominação 21 de março Equinócio de outono 21 de setembro Equinócio de primavera 21 de junho Solstício de inverno 21 de dezembro Solstício de verão
Considere um observador sobre a terra, onde há um plano imaginário onde o sol se projeta. A localização do sol na abóbada celeste pode ser identificada através de dois ângulos: a altura solar e o azimute. O azimute é o ângulo que a projeção do sol faz com a direção norte enquanto a altura solar é o ângulo que o sol faz com o plano horizontal. Neste estudo, será considerada altura solar o seu ângulo complementar, ou seja, o ângulo que o sol faz com o zênite.
Figura 54 - Projeção estereográfica do sol sobre o plano do observador localizado em um ponto qualquer da Terra.
Para traçar os diagramas solares, considera-se a Terra fixa e o Sol percorrendo a trajetória diária da abóbada celeste, variando de caminho em função da época do ano, conforme mostra Figura 55. Nela, vê-se os limites da trajetória anual que consistem nos solstícios de inverno de verão, enquanto a linha do meio indica o equinócio.
S
N
L
a
h
zênite
O
Nadir
Linha do horizonte
Abóbada celeste
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Figura 55. Movimento aparente do Sol no hemisfério sul. 3.2 DIAGRAMAS SOLARES Através das informações mostradas até o momento e do conhecimento do traçado de projeção estereográfica (existem outros métodos) pode-se traçar os diagramas solares. A Figura 6 apresenta um exemplo de projeção estereográfica para a latitude 27o Sul e a Figura 57, o diagrama solar para esta latitude.
Figura 56. Projeção estereográfica para a latitude 27o Sul.
Figura 57. Diagrama solar para a latitude 27o Sul.
A Figura 58 apresenta o diagrama solar para a latitude 28o Sul, muito próxima à latitude de Florianópolis (27o 35’ Sul).
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Figura 58. Diagrama solar para Florianópolis (latitude 27o Sul), projeção estereográfica. 3.3 GEOMETRIA SOLAR
A altura solar e o azimute são as informações necessárias para projetar uma sombra em uma determinada hora. Desta forma, é possível controlar a implantação de uma piscina, ou mesmo de uma edificação, em um terreno, para que não seja sombreada pelo entorno.
A Figura 59 mostra um exemplo da sombra de um poste (AO) no piso, ou seja, de uma reta em um plano horizontal. O azimute (a) é identificado a partir do Norte. Sobre o plano da linha do azimute, é encontrada a altura solar (h). Uma reta paralela a OH é traçada sobre o ponto A. O encontro desta paralela com uma paralela à linha do azimute, ou o encontro desta paralela com a própria linha do azimute (AzO) gera o ponto A’, que é a projeção do ponto A na altura solar h e no azimute a. A sombra do poste é a reta A’O.
Azimute = 10o
Altura solar = 40o
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Figura 59: Sombra de um poste no piso. A Figura 60 mostra a construção da sombra de um muro sobre um plano vertical.
Considere o muro ABCD. Centralizando o ponto C sobre na origem, o azimute (a) é identificado a partir do Norte. No plano que a linha do azimute (AzC) faz com a vertical, é traçada a altura solar (h). A reta encontrada (CH) é a direção da radiação solar, cuja paralela deve passar sobre os vértices A e B. Sobre os vértices D e C é traçada uma reta paralela a AzC, já que estes pontos se encontram no plano do observador. Os pontos encontrados são A’ e B’, no plano vertical, e C’ e D’ na linha de terra da vista em épura (linha comum ao plano vertical e horizontal). A sombra no plano horizontal é formada pelo plano D’C’CD, enquanto a sombra no plano vertical é formada pelo plano A’B’C’D’. Os pontos C” e D” seriam as projeções dos vértices A e B no piso caso não existisse o plano vertical.
Figura 60: Sombra de um muro em no piso e na parede. O princípio para sombras de um volume é o mesmo. A sombra de uma edificação é
construída ao traçar as projeções de seus vértices, que depois são ligados formando as arestas da sombra projetada no plano horizontal. A Figura 61 mostra o processo, com o ponto C na
H
B
A
D
C
B’
A’
D’
C’
N
LS
O
h
a
AzD’’
C’’
H
A
O
N
LS
O
h
aAz
A’
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origem. A partir da origem, são encontrados o azimute (a) e a altura solar (h). As paralelas à direção do sol (CH) passando pelos vértices do volume são as retas AA’, BB’, B1B1’ e A1A1’. O encontro destas com as retas paralelas à direção do azimute (AzC, direção do sol no plano horizontal) são as sombras das arestas verticais dos volumes. A sombra do volume é a união das arestas, sendo então formada pelo polígono C B’A’A1’D1. A projeção da aresta B1C1, formada pela reta B1’C1, está na área de sombra e, portanto, não limita a sombra do volume.
Figura 61: Sombra de uma caixa (representando uma edificação simplificada) no
piso. 3.4 TRANSFERIDOR DE ÂNGULOS Para facilitar o traçado de máscaras deve-se utilizar o transferidor de ângulos apresentado na Figura 62.
Figura 62. Transferidor de ângulos.
10o
20o
30o
40o
50o
60o
90o
80o 70o
60o
50o
40o
30o
20o
10o 10o
20o
30o
40o
50o
60o
70o 80o
70o 80o
H
B
A
D
C
B’
A’
A1’
N
LS
O
h
a
AzB1
A1
D1
C1
B1
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3.5 ANÁLISE DE PROTEÇÕES SOLARES Entendido o movimento aparente do sol percebido por um observador na Terra, pode-se utilizar este conhecimento para o traçado de proteções solares (brises) que impeçam a entrada de raios solares no interior do ambiente durante as horas do dia e os meses do ano em que se deseja esta proteção. O tipo de brise e suas dimensões são função da eficiência desejada. Portanto, um brise será considerado eficiente quando impedir a entrada de raios solares no período desejado. 3.5.1 Traçado de máscaras Para projetar proteções solares, a segunda informação que deve ser conhecida é o tipo de mascaramento que cada tipo de brise proporciona. Portanto, o traçado de máscaras é a ferramenta utilizada no projeto de proteções solares. 3.5.2 Brise horizontal infinito
Os brises horizontais impedem a entrada dos raios solares através da abertura a partir do ângulo de altitude solar. O traçado do mascaramento proporcionado por este brise é determinado em função do ângulo α e é apresentado na Figura 63.
Figura 63. Mascaramento proporcionado pelo brise horizontal infinito.
Pode-se perceber que há incidência do sol no interior do ambiente apenas quando o seu ângulo de altitude estiver entre a linha do horizonte e o ângulo α.
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3.5.3 Brise vertical infinito
Os brises verticais impedem a entrada dos raios solares através da abertura a partir do ângulo de azimute solar. O traçado do mascaramento proporcionado por este brise é determinado em função do ângulo β e é apresentado na Figura64.
Figura 64. Mascaramento proporcionado pelo brise vertical infinito.
Neste caso, a incidência de raios solares no ambiente ocorre quando o ângulo de azimute solar está entre os dois ângulos β determinados. Como em situações reais é difícil a existência de brises que podem ser considerados infinitos, surge a necessidade de definição de um terceiro ângulo, o γ. Este ângulo limita o sombreamento produzido pelos ângulos α e β.
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3.5.4 Brise horizontal finito
Este tipo de brise tem a sua eficiência limitada pois a sua projeção lateral é limitada pelos ângulos γ, como mostra a Figura65.
Figura 65. Mascaramento proporcionado pelo brise horizontal finito.
3.5.5 Brise vertical finito
Para o brise vertical o sombreamento produzido pelos ângulos β será limitado pelos ângulos γ, como mostra a Figura 66.
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Figura 66. Mascaramento proporcionado pelo brise vertical finito.
3.5.6 Brises mistos Através do mascaramento produzido pelos quatro tipos básicos de brises apresentados anteriormente pode-se determinar o mascaramento para qualquer tipo de brise com diferentes combinações de brises horizontais e verticais, conforme mostra a Figura67.
Figura 67. Brises mistos.
3.6 O PROGRAMA SOL-AR O programa Sol-Ar, desenvolvido pelo LabEEE, é uma ferramenta para projeto de proteções solares. Ele traça a máscara de sombra sobre a carta solar dados os ângulos α, β e γ (Figura 68). Indica também as temperaturas do arquivo TRY para cada localidade cadastrada (Figura 69) e fornece a Rosa dos Ventos do TRY (Figura 70). Através do Sol-Ar, é possível traçar a máscara desejada para, posteriormente, partir para o projeto das proteções solares.
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Figura 68: Carta solar para a latitude de Florianópolis e transferidor auxiliar com
máscara de proteção solar orientada a 20o do programa Sol-Ar.
Figura 69: Temperaturas horárias do primeiro semestre do TRY de Florianópolis (1963)
do programa Sol-Ar.
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Figura 70: Freqüência de ocorrência do vento do TRY de Florianópolis (1963) do
programa Sol-Ar.
