Universidade de Braslia Faculdade de Arquitetura e Urbanismo Programa de Pesquisa e Ps-graduao da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo

(VWUDWpJLDV SDUD ,OXPLQDomR =HQLWDO HP &HQWURV GH &RPSUDVDissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre pelo Curso de Ps-Graduao da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de Braslia.

Juliana Saiter Garrocho Orientadora: Prof. Dr. Cludia Naves David Amorim

Braslia, 2005

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JULIANA SAITER GARROCHO

LUZ NATURAL e PROJETO DE ARQUITETURA:Estratgias para Iluminao Zenital em Centros de Compras

Dissertao apresentada como requisito parcial obteno do grau de Mestre pelo Curso de PsGraduao da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de Braslia.

Orientadora: Cludia Naves David Amorim

Braslia, 2005

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TERMO DE APROVAO

Juliana Saiter Garrocho

LUZ NATURAL e PROJETO DE ARQUITETURA:Estratgias para Iluminao Zenital em Centros de Compras

Dissertao aprovada como requisito parcial obteno do grau de Mestre pelo Curso de Ps-Graduao da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de Braslia.

Orientadora:

Prof. Dr. Cludia Naves David Amorim Departamento de Tecnologia, FAU-UnB

Prof. Dr. Marta Adriana Bustos Romero Departamento de Tecnologia, FAU-UnB

Prof. Dr. Paulo Srgio Scarazzato Departamento de Tecnologia, FAU-USP

Braslia, 21 de dezembro de 2005

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Ao L, com amor. Aos meus pais, com carinho. vov ngela (in memorian) com saudades.

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AGRADECIMENTOS prof Cludia Amorim, pela orientao, apoio e amizade. professora Marta Romero pela amizade, compreenso e pela possibilidade que me foi dada de trabalhar com a luz natural. Ao Roberto Boldo, pela colaborao em desvendar o Rayfront. Ao Grego, pela amizade e disponibilidade. Ao amigo, Z Carlos, pelo companheirismo e troca de conhecimento. Ao PROCEL Edifica, do convnio FUB/Eletrobrs pela concesso da bolsa de mestrado (2005). Ao CNPQ pela bolsa de pesquisa fornecida durante o ano de 2003. secretaria da PPG-FAU, em especial, o Junior e o Joo. Aos profs. Ian Edmonds, Renato Castanheira e Fernando Rutkay pelas informaes cedidas. Ao prof Scarazzato por ter aceitado fazer parte da banca examinadora. Aos queridos Liza, Marcos, Nina e Aninha pelo carinho de sempre e por toda amizade. amiga Darja pela constante solidariedade e amizade. amiga Delayse pelo carinho sempre maternal Aos amigos Paulinha, Valrio, Rejane e Ana Price pela torcida incondicional. Aos queridos Gi, Cladio, Dani, Gabi e Teteu; Beto, Dri e Luiza e a Kika que mesmo estando de longe sempre deram muito apoio e carinho. Ao meu pai (seus gloriosos jornais) e minha me, pelo amor, preocupao e dedicao. Por fim, ao L, pelo seu imenso amor, companheirismo e, principalmente pacincia durante esses anos...

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SUMRIOLISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS RESUMO ABSTRACT INTRODUO Justificativa Objetivos Estrutura do trabalho CAPTULO 01 - CLIMA, LUZ NATURAL E ARQUITETURA 1.1. O CLIMA COMO CONDICIONANTE DE PROJETO 1.1.1 Radiao Solar: 1.1.2 Temperatura 1.1.3 Vento 1.1.4 Umidade 1.2 CARACTERIZAO DO CLIMA 1.2.1 Clima de Braslia 1.2.2 Zoneamento Bioclimtico: estratgias de projeto para Braslia 1.2.3 Braslia: caracterizao do cu e disponibilidade de luz natural 1.3 LUZ NATURAL CAPTULO 02 - LUZ NATURAL: Conforto Visual , Fontes e Grandezas Fsicas 2.2 GRANDEZAS FSICAS 2.2.1 Componente Celeste CC 2.2.2 Componente Refletida Externa - CRE 2.2.3 Componente Refletida Interna - CRI 2.2.4 Fator de luz do dia (DF) 2.2.5 Iluminncia (E) 2.2.6 Luminncia (L) 2.2.7 Uniformidade: 2.2.8 Contraste (C) 2.2.9 Ofuscamento 2.3 LUZ NATURAL: fontes 2.3.1 Luz do Sol 2.3.2 Luz do Cu 2.4 FENMENOS FSICOS DA LUZ 2.4.1 Reflexo, Transmisso e Absoro 2.4.2 Lei do Cosseno 2.4.3 Refrao 2.4.4 Difrao CAPTULO 03 -ILUMINAO ZENITAL E SUA APLICAO NA ARQUITETURA 3.1 ILUMINAO NATURAL E ARQUITETURA IX XII XIII XIV 1 5 6 7 9 9 10 11 12 12 13 13 15 17 22 24 24 25 25 25 25 26 27 28 28 29 29 30 30 33 33 35 36 36 37 37

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3.2 ILUMINAO LATERAL 3.3 ILUMINAO ZENITAL 3.3.1 Tipologias de Aberturas Zenitais 3.3.1.1 Lanternin 3.3.1.2 Sheds para Sul 3.3.1.3 Clarabia 3.3.1.4 trio ou Teto de dupla inclinao 3.3.2 Tipologias de edifcios com iluminao zenital 3.3.2.1 Museus espaos culturais 3.3.2.2 Edifcios de escritrios 3.3.2.3 Edifcios comerciais 3.3.2.3.1 Evoluo histrica dos centros de compras 3.3.2.3.2 Tendncias atuais 3.3.2.3.3 Centros de compras em Braslia 3.3.3 Concluso CAPTULO 04 -TECNOLOGIAS E SISTEMAS PARA USO DA LUZ NATURAL 4.1 CARACTERSTICAS DOS FECHAMENTOS TRANSPARENTES 4.2 MATERIAIS CONVENCIONAIS 4.2.1 Vidros 4.2.1.1 Vidro Comum 4.2.1.2 Vidro Termo - absorvente 4.2.1.3 Vidro Laminado 4.2.1.4 Vidro Refletivo 4.2.2 Acrlico 4.2.3 Policarbonato 4.3 COMPONENTES ARQUITETNICOS E SISTEMAS PARA A LUZ NATURAL 4.3.1 Componentes de Conduo 4.3.2 Componentes de Passagem 4.3.3 Elementos de Controle 4.4 SISTEMAS AVANADOS PARA USO DA LUZ NATURAL 4.4.1 Prateleiras de luz (light shelf) 4.4.2 Painis Prismticos 4.4.3 Laser Cut Panel (LCP) 4.4.4 Zenital Angular Seletivo (LCP) 4.4.4.1 Laser Cut Panel em aberturas zenitais em Braslia: exemplos de aplicao 4.4.4.2 Sistema Laser Cut Panel e as Aberturas Zenitais 4.4.4.2.1 Aberturas Zenitais a 45, 50 e 55 - Equincio de Outono e Primavera. 4.4.4.2.2 Aberturas Zenitais a 45, 50 e 55 - Solstcio de Inverno. 4.4.4.2.3 Aberturas Zenitais a 45, 50 e 55 - Solstcio de Vero 4.4.4.2.4 Concluses do estudo geomtrico 4.4.5 Plexiglas Daylight (Inglas Y) 4.4.6 Okasolar

37 38 39 39 40 40 40 41 41 43 44 44 46 47 49 51 51 53 53 53 53 53 53 54 54 54 55 55 56 56 58 59 60 63 64 65 66 67 69 71 72 72

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CAPTULO 05 - ILUMINAO NATURAL: FERRAMENTAS E METODOLOGIAS 5.1 METOLOGIAS E FERRAMENTAS DISPONVEIS 5.1.1 Modelo em escala reduzida 5.1.2 Mtodos Manuais: mtodos grficos, analticos ou matemticos convencionais. 5.1.3 Simulao Computacional 5.1.4 Programas computacionais estudados e trabalhados 5.1.4.1 3DSOLAR verso 1.2.8 Hochschul 5.1.4.2 RAYFRONT verso 1.04 5.2 PROCEDIMENTO DE ESTUDO 5.2.1 Elaborao do Modelo 5.2.2 Escolha das configuraes dos zenitais 5.2.3 Critrios de anlise da iluminao natural 5.2.4 Simulaes computacionais 5.2.4.1 Condies de contorno CAPITULO 06 - ANLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSES 6.1 ANLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAES 6.1.1 Zenital 1 Teto de dupla inclinao 6.1.1.1 Vidro incolor 6.1.1.2 Painel Prismtico 6.1.1.3 Okasolar 6.1.2 Zenital 2 - Lanternin 6.1.2.1 Vidro incolor 6.1.2.2 Painel Prismtico 6.1.2.3 Okasolar 6.1.3 Zenital 3 Shed para Sul 6.1.3.1 Vidro incolor 6.1.3.2 Painel Prismtico 6.1.3.3 Okasolar 6.2 CONCLUSES SOBRE OS RESULTADOS DAS SIMULAES 6.2.1 Material utilizado nas superfcies iluminantes 6.2.2 Configurao das aberturas zenitais 6.2.3. Utilizao do software Rayfront 6.3. CONSIDERAES FINAIS 6.4. SUGESTES PARA PROSSEGUIMENTO DO ESTUDO REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

75 75 75 76 76 78 80 81 85 86 86 88 88 90 93 93 100 100 101 103 103 103 104 104 105 105 105 106 108 108 108 109 110 111 112

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LISTA DE FIGURASFigura 1.1 - Dados de Radiao Solar mensal num plano horizontal para a cidade de Braslia. Figura 1.2 - Zona Bioclimtica 4 Figura 1.3 - Carta Bioclimtica apresentando as normais climatolgicas de cidades desta zona, destacando a cidade de Braslia, Figura 1.4 - Carta solar de Braslia Figura 1.5 - Valores de iluminncias do outono para Braslia no plano horizontal Figura 1.6 - : Valores de iluminncias do inverno para Braslia no plano horizontal Figura 1.7 - Valores de iluminncias da primavera para Braslia no plano horizontal. Figura 1.8 - Valores de iluminncias do vero para Braslia no plano horizontal Figura 2.1 - Fontes de luz natural que alcanam o edifcio. Figura 2.2 - Esquema do campo de viso em funo dos nveis aceitveis de luminncia numa dada superfcie Figura 2.3 - Modelo de cu claro Figura 2.4 - Modelo de cu claro Figura 2.5 - Modelo de cu parcialmente encoberto Figura 2.6 - Modelo de cu parcialmente encoberto Figura 2.7 - Modelo de cu encoberto Figura 2.8 - Modelo de cu encoberto Figura 2.9 - Processo que ocorre na superfcie com a incidncia da luz absoro, reflexo e transmisso. Figura 2.10 - Interao da luz incidente na superfcie. Figura 2.11 - Lei do cosseno. Figura 2.12 - Refrao numa superfcie. Figura 2.13 - Difrao da luz Figura 3.1 - Relao profundidade X altura do vo da abertura. Figura 3.2 - Relao do nvel de distribuio da iluminao lateral A e iluminao zenital B em um ambiente. Figura 3.3 - Modelo de Lanternin Figura 3.4 - Exemplo de Shed. Figura 3.5 - Exemplo de Clarabia. Figura 3.6 - Exemplo de trio com teto com dupla inclinao. Figura 3.7 - Clarabia da Pinacoteca do Estado de So Paulo Figura 3.8 - Clarabia da Pinacoteca do Estado de So Paulo Figura 3.9 - Clarabia da Pinacoteca do Estado de So Paulo Figura 3.10 - Cobertura tipo domus revestida com painis prismticos. Figura 3.11 - Iluminao zenital ao longo do Escritrio Tcnico da Gartner. Figura 3.12 - Edifcios de escritrios da Audi Headquarters. Figura 3.13 - Edifcios de escritrios da Audi Headquarters. Figura 3.14 - Edifcio do Conjunto Nacional, centro de compras pioneiro na cidade de Braslia, est localizado na rea central, s margens do Eixo Monumental. Figura 3.15 - Edifcio do Conjunto Nacional, centro de compras pioneiro na cidade de Braslia, est localizado na rea central, s margens do Eixo Monumental. Figura 3.16 - Edifcio do Conjunto Nacional, centro de compras pioneiro na cidade de Braslia, est localizado na rea central, s margens do Eixo Monumental. Figura 3.17 - Braslia Shopping, vista externa do complexo: centro de compras e torre composta por salas comerciais. Figura 3.18 - Vista interna da edificao; a abertura zenital proporciona entrada de luz tanto no 1 pavt quanto no 2 pavt. Figura 3.19 - Vista interna da edificao; a abertura zenital proporciona entrada de luz tanto no 1 pavt quanto no 2 pavt. Figura 4.1 - Classificao dos componentes arquitetnicos proposta por Baker et al

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Figura 4.2 - Corte esquemtico da prateleira de luz e seu funcionamento. Figura 4.3 - Exemplo de utilizao de prateleira de luz abaixo de aberturas zenitais e seu funcionamento. Figura 4.4 - Esquemas com reflexo e refrao da luz incidente num painel prismtico. Figura 4.5 - Esquemas com reflexo e refrao da luz incidente num painel prismtico. Figura 4.6 - Esquemas com reflexo e refrao da luz incidente num painel prismtico. Figura 4.7 - Laser Cut Panel (LCP), sistema de re-direcionamento da luz natural. Figura 4.8 - Funcionamento do laser cut panel Figura 4.9 - Fraes de luz refletida (f) e transmitida (1-f). Figura 4.10 - Frao de luz refletida X inclinao do ngulo de luz incidente em um laser cut panel colocado na vertical. Figura 4.11 - Transparncia e amostragem do material. Figura 4.12 - Esquema de posicionamento do laser cut de acordo com a estao do ano. Figura 4.13 - Corte esquemtico do laser cut panel fixado na janela com inclinao de 20. Figura 4.14 - Corte esquemtico do laser cut panel fixado na janela com inclinao de 20. Figura 4.15 - Corte esquemtico do laser cut panel fixado na janela com inclinao de 20. Figura 4.16 - A luz solar direta A refletida pelo componente enquanto a luz difusa B penetra na edificao. Figura 4.17 - Laser cut panel colocado num zenital invertido voltado para o interior da edificao. Figura 4.18 - Tentativa de simulao com laser cut panel no programa computacional Rayfront. Figura 4.19 - Equincios de outono e primavera nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 45 de inclinao. Figura 4.20 - Equincios de outono e primavera nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 50 de inclinao. Figura 4.21 - Equincios de outono e primavera nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 55 de inclinao. Figura 4.22 - Solstcio de inverno nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 45 de inclinao. Figura 4.23 - Solstcio de inverno nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 50 de inclinao. Figura 4.24 - Solstcio de inverno nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 55 de inclinao. Figura 4.25 - Solstcio de vero nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 45 de inclinao. Figura 4.26 - Solstcio de vero nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 50 de inclinao. Figura 4.27 - Solstcio de vero nos horrios de 9h, 12h e 15h para abertura zenital com 55 de inclinao. Figura 4.28 - Plexiglas colocado na parte superior da janela luz difusa direcionada para o fundo da edificao. Croquis esquemticos: comportamento da luz nos sistema fixado na vertical e horizontal. Figura 4.29 - Corte esquemtico do sistema - fixao entre vidros. Figura 4.30 - Exemplo do Okasolar fixado em aberturas laterais e zenitais com ngulos de incidncia solar a 15, 45 e 60. Figura 4.31 - Exemplo do Okasolar fixado em aberturas laterais e zenitais com ngulos de incidncia solar a 15, 45 e 60. Figura 5.1 - Fluxograma de simulao. Figura 5.2 - Janela do Projeto Figura 5.3 - Janela que permite editar as propriedades dos objetos. Figura 5.4 - Visualizao da modelagem. Figura 5.5 - Exportao do objeto modelado em 3D e lanamento para o programa Rayfront de simulao da luz natural. Figura 5.6 - Interface de ajuste dos parmetros geogrficos. Figura 5.7 - Seleo do tipo de cu, data e hora. Figura 5.8 - Seleo de materiais. Figura 5.9 - Janela com os parmetros de simulao. Figura 5.10 - Janela de edio de dados referentes ao plano de medio. Figura 5.11 - Malha de pontos de medies lumnicas.

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Figura 5.12 - Fluxograma da metodologia de estudo. Figura 5.13 - Desenho esquemtico da planta baixa e perspectiva do modelo elaborado. Figura 5.14 - Zenital 1 (teto de dupla inclinao). Figura 5.15 - Zenital 2 (lanternin). Figura 5.16 - Zenital 3 (shed p/ sul) Figura 5.17 - Imagem sintetizada human sensitivity. Figura 5.18 - Imagem - greyscale. Figura 5.19 - Imagem iso contour. Figura 5.20 - Imagem sintetizada false color Figura 5.21 - Janela do programa DLN com dados de iluminncias Figura 6.1: 22 de junho - 12h cu claro. Superfcie iluminante simulada com vidro incolor. Figura 6.2: Representao em false color do ambiente em 22 de junho - 12h cu claro Figura 6.3: 22 de maro - 16h cu parcialmente encoberto Figura 6.4: Valores de iluminncia no ambiente em 22 de maro - 16h cu parcialmente encoberto. Figura 6.5: Simulao com o painel prismtico na superfcie iluminante do teto de dupla inclinao 23/09 12h cu parcialmente encoberto. Figura 6.6: Simulao com o painel prismtico na superfcie iluminante do teto de dupla inclinao 23/09 12h cu parcialmente encoberto. Figura 6.7: Valores de iluminncia obtidos no plano de medio para simulaes com o software Rayfront Figura 6.8: Zenital 1: 22/12 -12h cu encoberto Figura 6.9: Zenital 1: 22/12 -12h cu encoberto Figura 6.10: Zenital 2: 22/06 -16h cu claro incidncia de luz solar direta no ambiente. Figura 6.11: Zenital 2: 22/06 -16h cu claro incidncia de luz solar direta no ambiente. Figura 6.12: 22 de junho - 9h cu claro Figura 6.13: 22 de junho - 9h cu claro Figura 6.14: Simulao em 22 de junho - 9h -cu claro com o sistema Okasolar nas superfcies iluminantes. Figura 6.15: Valores de iluminncia na simulao do dia 22 de junho - 9h - cu claro lar. Figura 6.16: Simulao do dia 22 de junho - 9h -cu claro com vidro incolor nas superfcies iluminantes. Figura 6.17: Simulao do dia 22 de junho - 9h -cu claro com vidro incolor nas superfcies iluminantes. Figura 6.18: Valores de iluminncia no ambiente simulado no dia 23 de setembro - 12h -cu parcialmente encoberto com painel prismtico nas superfcies iluminantes. Figura 6.19: Valores de iluminncia no ambiente simulado no dia 23 de setembro - 12h -cu parcialmente encoberto com painel prismtico nas superfcies iluminantes. Figura 6.20: Simulao - 22 /12 (solstcio de vero) - 12h -cu encoberto. Figura 6.21: Simulao - 22 /12 (solstcio de vero) - 12h -cu encoberto. Figura 6.22: Valores de iluminncia obtidos no plano de medio para simulaes com o software Rayfront.

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LISTA DE TABELASTabela 1.1 - Dados climticos de Braslia (valores mensais) Tabela 1.2 - Estratgias bioclimticas para Braslia. Tabela 1.3 - Tempo de insolao, radiao solar incidente e altura solar ao meio-dia nos solstcios e equincios para a latitude de Braslia. Tabela 2.1 - Impresso visual em relao aos valores de Fator de luz Diurna (FLD). Tabela 2.2 - Iluminncias por classe de tarefas visuais. Tabela 2.3 - Eficcia luminosa de diversas fontes de luz. Tabela 4.1 - Incidncia solar e indicao de envidraados. Tabela 4.2 - Classificao dos componentes para a luz natural. Tabela 4.3 - Classificao dos Sistemas Avanados para a Luz Natural Tabela 4.4 - Comparativo de materiais empregados em aberturas zenitais. Tabela 5.1 - Softwares de simulao computacional da luz natural. Tabela 5.2: Parmetros adotados para anlise da iluminao natural nos modelos simulados. Tabela 5.3 - Respectivos ndices de nebulosidade e condio de cu para Braslia. Tabela 5.4 - Valores de iluminncia para Braslia no plano horizontal. Tabela 6.1 - Resultados simulaes no programa RAYFRONT Zenital 1. Tabela 6.2 - Continuao dos resultados simulaes Zenital 1. Tabela 6.3 - Resultados simulaes no programa RAYFRONT Zenital 2. Tabela 6.4 - Continuao dos resultados simulaes Zenital 2. Tabela 6.5 - Resultados simulaes no programa RAYFRONT Zenital 3. Tabela 6.6 - Continuao dos resultados simulaes Zenital 3.

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INTRODUOA luz natural uma das fontes de energia mais importantes para o homem desenvolver suas atividades, pois ela que proporciona a viso ntida do mundo. Alm disso, todo ser vivo depende da exposio luz natural para ativar o ciclo de funes fisiolgicas. A luz natural sempre teve um papel importante na arquitetura, do ponto de vista esttico e simblico, e em relao ao conforto e iluminao funcional. Pois, a luz natural pode proporcionar efeitos singulares em um determinado espao, dando-lhe identidade prpria, criando aspectos cenogrficos e caractersticas relevantes marcantes. No entanto, para se projetar com a luz natural garantindo uma iluminao eficiente na realizao de qualquer tarefa proporcionando um ambiente visual agradvel, torna-se necessrio conhecer suas vantagens e desvantagens. Segundo Majoros (1998), dentre os aspectos positivos da luz natural pode-se dizer que a qualidade da iluminao obtida melhor, pois a viso humana desenvolveu-se com a luz natural e a constante mudana da quantidade de luz natural no tempo e espao favorvel, pois proporciona efeitos estimulantes no ambiente. Todavia, necessrio tambm, conhecer seus inconvenientes, como direcionalidade e altssima intensidade, pois de acordo com Amorim (2002c), a maior desvantagem da luz natural sua imprevisibilidade. Monitorar a iluminao natural numa edificao existente pode no ser um trabalho fcil; mas, importante considerar os instrumentos disponveis aos arquitetos utilizados para o maior aproveitamento da luz natural. Dentre os componentes arquitetnicos1 classificados por Baker et al (1993) componente de conduo, de passagem e elementos de controle optouse pesquisar o componente de passagem zenital, pelo fato de permitir uma maior uniformidade de distribuio da luz natural em relao iluminao lateral, uma vez que, em geral, segundo Vianna e Gonalves (2001), as aberturas esto uniformemente distribudas pela rea de cobertura e tm suas projees paralelas ao plano de utilizao ou de trabalho. Existem diferentes configuraes de aberturas zenitais como modalidade de iluminao natural para serem utilizadas como soluo de projeto favorvel na melhoraria da quantidade e da qualidade de luz no espao interno. Entretanto, a iluminao zenital pouco estudada, e verifica-se uma carncia na literatura portuguesa de publicaes sobre suas caractersticas e desempenho ambiental, diferentemente da iluminao lateral, que encontrada em extenso volume. Do ponto de vista ambiental, a edificao deve proporcionar ao usurio, acima de tudo, uma condio mnima de habitabilidade seguida de uma sensao contnua de bem estar. Vale

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Componentes arquitetnicos - tm como funo o controle da quantidade e qualidade da luz natural empregada e o papel que vo exercer na arquitetura projetada (BAKER et al, 1993).

2 ressaltar que, com relao aos aspectos de iluminao, conforto trmico e luminoso2 (subreas do conforto ambiental), no projeto arquitetnico devem ser considerados conjuntamente. Esta viso integrada torna possvel tambm, o bom desempenho energtico da arquitetura que, sendo adequada s necessidades do usurio, resulta, sobretudo, em ambientes mais confortveis e eficientes energeticamente. Nesse sentido, importante frisar que, para se obter a eficincia energtica em uma edificao, a iluminao natural deve ser projetada em conjunto com o sistema de iluminao artificial. Pois, atravs do uso otimizado da luz natural, consegue-se a reduo do uso da luz artificial, de forma que quando a luz natural suficiente em um determinado ambiente, a luz artificial pode ser desligada ou diminuda. No contexto brasileiro3, principalmente, a utilizao da iluminao natural reflete-se diretamente na energia gasta em ar condicionado e iluminao artificial. Em grande parte das cidades brasileiras, como Braslia - cidade foco deste estudo -, por exemplo, a luminosidade do cu intensa, anualmente a radiao solar de 2365,3 horas por ano4, o que permite reduzir bastante o uso da luz artificial na maioria dos edifcios. Podem-se reduzir tambm os custos com ar condicionado, pois de acordo com Amorim (2002c), a luz natural produz menos calor por unidade de iluminao do que a maioria das luzes artificiais, reduzindo, portanto, tambm a carga do ar condicionado. Verifica-se que, atualmente, tm se desenvolvido principalmente na Europa Central, nos Estados Unidos e Austrlia, diversas tecnologias e sistemas avanados5, apropriados para serem empregados no melhor aproveitamento e otimizao do uso da luz natural. Esses sistemas, como por exemplo - os painis prismticos, o laser cut panel e o Okasolar geralmente, podem ser aplicados tanto em aberturas laterais quanto zenitais, e tm como principais caractersticas bloquear a entrada de luz solar direta e conduzir a luz difusa para o interior do edifcio. E ainda, podem ser utilizados como estratgia de projeto, tanto em novos edifcios como em reformas, para obter maior conforto ambiental e eficincia energtica em edificaes.

2 Conforto luminoso (visual) o principal determinante da necessidade de iluminao em um edifcio. entendido como a existncia de um conjunto de condies, num determinado ambiente, no qual o ser humano pode desenvolver suas tarefas visuais com o mximo de preciso visual, com o menor esforo, com menor risco de prejuzos vista e com reduzidos riscos de acidentes. Estas condies, segundo Lamberts et al (1997) esto relacionadas aos requisitos necessrios para ocorrncia tranqila do processo visual (viso), podendo ser classificadas como: iluminncia suficiente (em atendimento norma brasileira NB 57); uniformidade de iluminao; ausncia de ofuscamento; modelagem dos objetos (as sombras so importantes para definir a forma e posio dos objetos no espao, quando no h outras referncias). 3 Na Europa, por exemplo, o maior consumo de energia em edifcios no residenciais a iluminao artificial: quase 50% (AMORIM, 2002d). Desta forma, os maiores propsitos dos projetos arquitetnicos que buscam eficincia energtica so a otimizao da luz natural, alm do aquecimento solar passivo e o resfriamento passivo. (Sistema passivo sistema que utiliza meios no mecnicos e no eltricos para satisfazer as cargas de aquecimento, iluminao e esfriamento). 4 Normais Climatolgicas de Braslia (1961-1990). INMET. Braslia. DF, 2004. 5 Um sistema avanado para a luz natural uma adaptao na janela ou no zenital que tem como objetivo otimizar a quantidade e a distribuio de luz natural. Estes sistemas utilizam a luz do znite e do cu de maneira eficiente, guiando-a com maior profundidade e uniformidade para o interior dos ambientes (BAKER et al, 1993).

3 Estes sistemas, no entanto, requerem um estudo detalhado com relao ao seu posicionamento na construo, pois a sua utilizao otimizada depende da latitude e orientao em que sero empregados. Diante disso, optou-se utilizar a simulao computacional como metodologia de estudo para avaliao de tecnologias e sistemas avanados para o uso otimizado da luz natural, em superfcies iluminantes de aberturas zenitais. O uso da simulao computacional propicia a visualizao dos efeitos da entrada de luz difusa e direta atravs das aberturas zenitais ao longo do ano em um processo relativamente instantneo, que permite a verificao da adequao do dimensionamento e localizao de aberturas, os efeitos do uso de materiais, texturas e cores na iluminncia e na distribuio de luz nos ambientes. A realidade virtual criada por computadores e programas especficos facilita amplamente a obteno de uma imagem sintetizada do projeto de arquitetura e dos clculos relativos iluminao natural de ambientes. Estudos anteriores realizados por Cobella e Yannas (1998), Amorim (2000) e Christakou (2004) de anlise de edifcios tendo em vista a aplicao de sistemas naturais de iluminao, utilizando a simulao computacional como ferramenta para o clculo da iluminao natural, deixaram explcita a importncia do emprego de estratgias e tecnologias passivas no projeto arquitetnico, desde sua concepo, para a diminuio do consumo de energia e dos impactos ao meio ambiente natural, como tambm, na obteno de ambientes com maiores condies de conforto. A preocupao com o consumo de energia eltrica e com o meio ambiente natural , atualmente, uma questo relevante. No raro observar diversos pases com suas legislaes reformuladas, com uma preocupao notria com as questes energtico-ambientais, incluindo a busca pelo conforto nos ambientes construdos. Estudado em diversos nveis, de acordo com Frota (1995) o conforto ambiental6 considerado como um dos principais objetivos da arquitetura; busca parmetros adequados para o projeto e avaliao do desempenho do espao construdo, visando ao mximo o bem estar do usurio. Um novo paradigma surgiu na dcada de 70, obrigando a uma reavaliao, em todos os nveis, das estratgias energticas de produo e consumo de energia utilizadas at ento. Segundo Pessoa et al (2002), o uso indiscriminado e predatrio das fontes convencionais e a disseminao das instalaes nucleares colocaram de forma enftica o problema do impacto ambiental e da limitao das fontes energticas exploradas inadequadamente h tempos. O desafio no cenrio atual mudar e substituir o comportamento convencional dos consumidores, caracterstico do padro produtivo e de consumo massivo, visando racionalizar6

Conforto Ambiental - compreende o estudo das condies trmicas, acsticas, luminosas e energticas e os fenmenos fsicos a elas associados como um dos condicionantes da forma e da organizao do espao. O conceito de conforto ambiental em Arquitetura est ligado questo de proporcionar ao usurio de uma edificao, as condies bsicas necessrias de habitabilidade, utilizando-se racionalmente os recursos disponveis (FROTA, 1995).

4 o uso da energia e apontar medidas de utilizao mais responsvel, considerando no s o presente momento, mas seu impacto global no futuro. O crescimento acumulado no consumo de energia eltrica mais alto nos ltimos anos do setor comercial - cresceu de 70,1%, em 1988, para 89,7%, em 1993 - segundo dados do BEN Balano Energtico Nacional (1999). Os principais fatores que influenciaram o crescimento deste setor, segundo Lomardo et al (1998), foram: expanso e abertura de novos centros de compras (shopping centers7) com forte crescimento do sistema franchising; aumento da terceirizao na economia e uso crescente dos portos martimos. De acordo com a ABRASCE, Associao Brasileira de Shopping Centers (1998), os centros de compras do pas consomem cerca de 100,5 GWh/ms, energia suficiente para abastecer uma cidade de 1 milho de habitantes; 1 milho de m3/ms de gua; 200 mil TR de arcondicionado. Alm disto, os edifcios no residenciais, em geral, so os que apresentam maior potencial de economia energtica, nos usos finais de iluminao e de ar condicionado. Os centros de compras, em especial, possuem recursos financeiros para investir em novas tecnologias para conforto e economia energtica. Pode-se, ento, questionar quais as solues que esto sendo propostas para se amenizar os impactos causados por este setor e, principalmente, pelas edificaes do tipo centros de compras, consideradas grandes vils em termos de consumo energtico. Em edifcios comerciais, analisa Lamberts et al (1997), o uso de ar condicionado decorre, muitas vezes, da necessidade de aumentar as condies interiores de conforto e, conseqentemente, de produtividade. Nestes edifcios, o isolamento do ar exterior pode evitar a poluio sonora e ambiental, principalmente nos grandes centros urbanos. Entretanto, atravs deste estudo, pde-se identificar nas tipologias de centros de compras, somente tmidas tendncias em direo a uma arquitetura sustentvel8. O que se verifica, tanto no Brasil quanto no exterior, so preocupaes com relao a uma maior utilizao da iluminao natural. No exterior, devido s normas e leis que permeiam esta questo e, no Brasil, pela recente preocupao com o racionamento de energia9.

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Entende-se como shopping centers, um centro de compras planejado; desenvolvido em um nico edifcio, ou grupo de edifcios devidamente articulados, contendo lojas de diversos varejistas, com servios de estacionamento, segurana, manuteno, etc - em comum - pensado como unidade e administrado por um nico dono. Na Inglaterra, a nomenclatura shopping centers usada para designar os distritos comerciais, planejados ou no; enquanto na Amrica usado para definir o estabelecimento comercial do tipo shopping center voltado, fundamentalmente, para a administrao do negcio e marketing comercial. (VARGAS, 2001) 8 De acordo com Sabatella (2002), a arquitetura sustentvel estuda as possibilidades de se efetuar de maneira eficiente as interfaces de um projeto, sejam atravs da escolha do stio, utilizao de materiais de construo adequados, da orientao da edificao, da eficincia das aberturas, do estudo da ventilao e da insolao, dos ganhos e perdas trmicas, do estudo do microclima e do macroclima, do impacto ambiental, da vegetao e/ou dos aspectos culturais. 9 O consumo energtico de iluminao nesse setor (centros de compras) gira em torno de 49%, segundo Lamberts et al (1997), valor este altssimo, pois praticamente a metade do consumo total das edificaes. Aproximadamente 34% deste consumo computado para ar condicionado e o restante para os demais equipamentos, como escadas rolantes e elevadores.

5 Portanto, como as edificaes do tipo centro de compras utilizam basicamente a iluminao zenital como modalidade de iluminao, devido s suas caractersticas arquitetnicas, pretende-se analisar o desempenho de diferentes tipologias de aberturas zenitais nestes edifcios, com relao aos aspectos de iluminao, objetivando a otimizao do conforto ambiental e eficincia energtica.

JUSTIFICATIVANo intuito de se racionalizar o uso da energia e apontar medidas de utilizao mais responsvel, no s no presente, mas considerando seu impacto global no futuro, passou a existir uma preocupao mundial em modificar e substituir o comportamento convencional dos consumidores, caracterstico do padro produtivo e de consumo massivo. O uso contnuo de energia possivelmente o maior impacto ambiental caracterstico de um edifcio, e por isso o projeto energeticamente eficiente deve ser a prioridade mxima. Isto est relacionado com diversos aspectos, dentre eles, a utilizao de fontes renovveis de energia, a minimizao das cargas de resfriamento e a otimizao da luz natural. Se buscamos a criao de uma sociedade ecologicamente sustentvel, porque no usarmos tecnologias que reforcem e ampliem o uso da luz natural? A luz natural oferece enormes vantagens, e pode ser utilizada como estratgia para obter maior qualidade ambiental e eficincia energtica em edifcios. Dentre os outros pontos positivos (j anteriormente citados) da luz natural, temos que: a luz natural permite valores mais altos de iluminao, se comparados luz eltrica; alm disso, a carga trmica gerada pela luz artificial maior do que a da luz natural, o que nos climas quentes representa um problema a mais; um bom projeto de iluminao natural pode fornecer a iluminao necessria durante 80/90% das horas de luz diria, permitindo uma enorme economia de energia em luz artificial; a luz natural fornecida por fonte de energia renovvel: o uso mais evidente da energia solar. (MAJOROS, 1998). Alm disso, tanto a reestruturao ou reabilitao quanto a construo de novos edifcios oferecem muitas oportunidades para melhorar o desempenho da iluminao natural; inmeras intervenes so possveis, e muitas tecnologias e componentes arquitetnicos para o uso da luz natural esto disponveis. Um grande impasse, que muitas vezes, os projetistas desconhecem tais tecnologias ou encontram dificuldades em empreg-las. A disseminao de informaes muito importante para que a utilizao destas estratgias em larga escala possa tornar-se de fato concreta contribuindo para a sustentabilidade da arquitetura de forma tangvel. Prope-se a cidade de Braslia como contexto de estudo, devido a vrias razes: primeiramente, observa-se que tanto em prdios pblicos quanto em prdios comerciais, de maneira geral, ocorre a adoo de solues padronizadas (como as fachadas envidraadas e janelas fixas, por exemplo), gerando desperdcio energtico e desconforto para os usurios;

6 em segundo lugar, quase toda a energia eltrica distribuda10 em Braslia provm de usinas hidreltricas, do sistema das regies Sul e Sudeste do pas; devido especialmente a sua vulnerabilidade com relao ao armazenamento de energia. (Balano Energtico do Distrito Federal, 2002) Em projetos de centros de compras, em especial, verifica-se que h muita nfase na arquitetura interna e no projeto de iluminao. Esta ltima tendncia tem ocasionado o retorno da luz natural, mais por uma questo de otimizao da condio de conforto do ambiente do que por razes de consumo energtico. De acordo com Amorim (2000), existe uma certa uniformidade na arquitetura dos centros de compras em todo o mundo, quase como se fosse um estilo internacional, ignorando a peculiaridade climtica e ambiental de um determinado lugar. A utilizao de aberturas zenitais em centros de compras para entrada da luz natural uma forte tendncia atual. Mas a maior parte destes elementos so projetados de forma arbitrria, sem um sistema efetivo de controle da luz direta e proteo solar do ambiente. Alm disso, a iluminao zenital sempre vista como uma interveno de custo inicial alto sendo muito pouco discriminada e estudada pelos projetistas. Os centros de compras, particularmente, possuem capacidade financeira para investir em novas tecnologias para conforto e economia energtica. interessante notar que uma efetiva integrao do dispositivo de controle solar nestes edifcios poderia ajudar a obter um eficaz equilbrio entre resfriamento e iluminao natural, especialmente em climas quentes.

OBJETIVO GERALComo objetivo geral pretende-se avaliar o desempenho de configuraes de aberturas zenitais nos projetos arquitetnicos de edifcios do tipo centros de compras em Braslia, bem como, a utilizao de tecnologias e sistemas avanados em suas superfcies iluminantes para a obteno de conforto trmico e luminoso dos mesmos.

OBJETIVO ESPECFICOComo objetivos especficos busca-se: 1. Estudar a iluminao zenital, considerando a configurao de suas aberturas e seu desempenho ambiental no edifcio; explorar como a forma arquitetnica pode auxiliar ou guiar a entrada da iluminao natural na edificao.

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O Distrito Federal especialmente vulnervel com relao ao armazenamento de energia. A Companhia Energtica de Braslia (CEB) atua como distribuidora de energia, adquirindo 98,3% da energia -conforme o Balano Energtico do Distrito Federal (2002) -, que distribuda aos consumidores. Isto reflete o alto grau de dependncia da regio com relao energia eltrica. Para agravar este quadro, o consumo de energia eltrica cresceu muito na regio nos ltimos anos, devido criao de novas reas urbanas no entorno.

7 2. Investigar estratgias de projeto, tais como componentes arquitetnicos ou sistemas avanados para o uso da luz natural em aberturas zenitais ou em conjunto com as mesmas, no intuito de encontrar equilbrio entre a otimizao da luz natural e a artificial, como tambm a reduo da carga trmica no edifcio; 3. Pesquisar os softwares de simulao de iluminao existentes, a fim de escolher o instrumento adequado para realizar as simulaes das estratgias projetuais e tecnolgicas escolhidas para os edifcios; fazer uma anlise de desempenho do software escolhido para as situaes examinadas; 4. Estudar o painel prismtico e o Okasolar, sistemas considerados promissores para o uso otimizado da luz natural, avaliando seu desempenho com relao ao contexto climtico da cidade de Braslia; 5. Realizar simulaes com o software escolhido para as configuraes de aberturas zenitais e componentes e sistemas mais promissores, elaborando recomendaes para o uso dos mesmos e para aberturas zenitais em geral, considerando o clima de Braslia; 6. Realizar uma anlise paramtrica11 das diversas solues e estratgias de projeto, utilizando-se a simulao computacional como instrumento de auxlio na melhoria da iluminao natural desta tipologia de edifcio.

ESTRUTURA DO TRABALHOEste trabalho estrutura-se em seis captulos: Captulo 01 - Clima, Luz Natural e Arquitetura Aborda as questes relativas ao clima de maneira geral, e mais especificamente o da cidade de Braslia, foco do estudo de caso, enfatizando a disponibilidade de luz natural e a potencialidade da regio no uso de sistemas passivos como condicionante de projeto. Captulo 02 -Luz Latural: Conforto Visual, Fontes e Grandezas Fsicas Abrange o conforto luminoso e as condies mnimas necessrias para o ser humano poder desenvolver suas tarefas visuais, descrevendo algumas grandezas fsicas e termos correlacionados com a luz natural e suas fontes. Captulo 03 -Iluminao Zenital e sua Aplicao na Arquitetura Relata o uso da iluminao atravs de aberturas zenitais, suas principais caractersticas e diferentes tipologias. E enfatiza a constante aplicao da iluminao zenital em tipologias de centros de compras, atravs de uma breve descrio de sua arquitetura, caractersticas e tendncias atuais.Paramtrico - relativo a parmetro. Todo elemento cuja variao de valor modifica a soluo dum problema sem lhe modificar a natureza. (Dicionrio Aurlio de Lngua Portuguesa)11

8 Captulo 04 -Tecnologias e Sistemas para uso da Luz Natural Descreve as tecnologias e sistemas avanados disponveis, atualmente, para o uso otimizado da luz natural no projeto de arquitetura. Captulo 05 - Iluminao Natural: Ferramentas e Metodologias Analisa as ferramentas e metodologias existentes para o clculo da luz natural. Definio da simulao computacional como metodologia de trabalho, e descrio desta. Captulo 06 - Anlise dos Resultados e Concluses Desenvolve a anlise e concluso dos resultados obtidos com a simulao computacional de tecnologias e sistemas avanados para o uso otimizado da luz natural, em superfcies iluminantes de aberturas zenitais.

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CAPTULO 01CLIMA, LUZ NATURAL E ARQUITETURAEste captulo aborda as questes relativas ao clima de maneira geral, e mais especificamente o da cidade de Braslia, foco do estudo de caso, enfatizando a disponibilidade de luz natural e a potencialidade da regio no uso de sistemas passivos como condicionante de projeto. Em seguida descreve-se a luz natural e sua relao com o projeto de arquitetura.

1.1. O CLIMA COMO CONDICIONANTE DE PROJETOA Terra abastece o homem de alimentos, gua e oxignio necessrios para viver, mas isto no basta para assegurar sua sobrevivncia. As condies climticas nas distintas regies do mundo podem variar muito e serem bastante inspitas para os seres humanos. O corpo humano tem desenvolvido suas prprias estratgias (como a pigmentao, por exemplo) para estar bem preparado na luta por sua sobrevivncia. Mas, a proteo mais importante contra as condies externas desfavorveis ainda so as vestimentas e as habitaes. Em todo o mundo, as habitaes humanas devem cumprir as mesmas necessidades bsicas: proteo e conforto (BEHLING, 2002). Entretanto, as formas e elementos tipolgicos das edificaes variam visivelmente de uma regio para outra e dependem ainda das diferentes culturas, dos materiais locais disponveis e das condies climticas predominantes. No foi por acaso que homens de diferentes continentes e culturas, diante de situaes climticas similares, chegaram independentemente a solues parecidas, todavia, desenvolvendo formas de construo especficas para cada regio. De acordo com Romero (2001) a otimizao do ambiente interno um dos objetivos mais importantes do projeto arquitetnico. Sua realizao depende de um profundo conhecimento do clima e de seus efeitos sobre os elementos construdos. Entende-se por clima o conjunto de fenmenos meteorolgicos que definem a atmosfera de um lugar determinado. No h duas zonas que tenham o mesmo clima; os parmetros que o determinam sempre apresentam valores diferentes (RIVERO, 1986). Uma das principais funes de uma edificao a de atenuar as condies negativas e aproveitar os aspectos positivos oferecidos pela localizao e pelo clima. Portanto, trata-se de neutralizar as condies climticas desfavorveis e potencializar as favorveis, tendo em vista o conforto dos usurios. Olgyay (1969:41) comenta que: se querem encontrar solues arquitetnicas que resolvam os problemas apresentados por um clima especfico, para obter construes climticas

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balanceadas, necessrio estabelecer um mtodo que relacione os distintos fatores do clima e os ordene em importncia. Para isso, necessrio considerar, que o clima afeta o corpo humano pela interao de seus fatores. De acordo com Lamberts et al (1997), para entender os fatores e os processos que determinam as particularidades dos diferentes climas, deve-se separar e estudar, individualmente, os elementos que interferem nesse processo; denominados tambm de variveis climticas. O conhecimento destes elementos indispensvel para se iniciar qualquer projeto de edificaes, so eles: a radiao solar, a temperatura, o vento e a umidade. 1.1.1 Radiao Solar: A radiao solar a energia transmitida pelo sol sob a forma de ondas eletromagnticas, ou seja, ondas constitudas de campos eltricos e magnticos oscilantes, e se propagam com uma velocidade constante no vcuo (BITTENCOURT, 2004). As vrias formas de radiao, caracterizadas pelo seu comprimento de onda, compem o espectro eletromagntico. A radiao eletromagntica do sol chega em todos os comprimentos de onda ou freqncias, mas principalmente entre 200 e 3000 nanmetros (nm) subdivididos em: radiao ultravioleta (UV): UVA, UVB e UVC 200 a 380 nm; radiao trmica (infravermelho): 700 a 10.000 nm; radiao visvel: 380 a 770 nm. A radiao (UV) ultravioleta corresponde a uma parte muito pequena do ndice total de energia proveniente do sol, aproximadamente 8% - 9%; a escala visvel representa 46% - 47% e os 45% restantes esto na escala infravermelha (ROBBINS, 1986). De acordo com Caram (1997) a parcela de UV, de comprimento de onda entre 290nm e 380nm, no representa uma fonte de calor e tampouco uma fonte de luz, mas deve ser evitada porque compromete a durabilidade dos materiais. A parcela de radiao visvel do espectro corresponde aos comprimentos de onda compreendidos entre 380nm e 780nm e representa apenas uma fonte de luz. Esta faixa do espectro para a qual o olho humano sensvel, garante as condies de iluminao natural dos ambientes, assim como o contato entre o meio externo e o interior das edificaes. A parcela de infravermelho prximo, cujo comprimento de onda vai de 780nm a 2500nm, representa apenas uma fonte de calor e no pode ser captada pelo olho humano. Acima de 2500nm (2500 a 3000nm) existem radiaes infravermelhas longas que so emitidas pelos corpos j aquecidos pela radiao solar (como o piso do entorno, as edificaes vizinhas, etc). A radiao solar que atinge a atmosfera terrestre pode de alguma forma: alcanar o solo (com as devidas filtragens); ser difundida pela atmosfera, ser espalhada pelas nuvens, ou ento, ser refletida pelo solo. Desta maneira, a intensidade com que a radiao atinge a Terra depender: da densidade do ar atravs do qual os raios devem penetrar, da nebulosidade local, da quantidade de partculas em suspenso e do meio circunstante.

11 O eixo de rotao da Terra em relao ao sol est inclinado mais ou menos 23,5 (em relao ao sol) o que modifica a forma como a Terra recebe a radiao influenciando na durao do dia e das estaes do ano. Nos equincios (22/03 e 23/09) os dias tm a mesma durao que as noites, o que no ocorre nos solstcios (22/06 e 22/12). O recebimento de energia em qualquer localidade do planeta depende da posio do sol no cu, independentemente de sua latitude e esta posio que define a altura do sol em relao aos observadores na superfcie da Terra. A radiao solar que atravessa diretamente e completamente a superfcie da Terra denominada de radiao solar direta. A radiao que foi dispersa fora do feixe direto chamada radiao solar difusa. A soma da componente de luz solar direta e a componente difusa da luz do dia que incide sobre uma superfcie horizontal resultam na radiao solar global, bem como na quantidade incidente desta radiao. A radiao solar direta chega em linha reta, atravessando a atmosfera desobstruda. A radiao difusa chega a Terra aps ser dispersa na atmosfera por molculas de ar, partculas de nuvens e outros. A radiao difusa medida tipicamente em uma superfcie horizontal, ou seja, uma superfcie horizontal recebe inteiramente a radiao difusa da abbada celeste (180). Por outro lado, a superfcie vertical receber somente a radiao difusa de metade da abbada do cu, independente de sua orientao. A radiao direta tambm pode ser medida em um plano horizontal ou em uma superfcie atingida pelos feixes de luz (ROBBINS, 1986). 1.1.2 TemperaturaRadiao direta

A variao da temperatura na superfcie da Terra resulta basicamente dos fluxos das grandes massas de ar e da diferente recepo da radiao do Sol de local para local.Radiao difusa

Atravs dos dados climticos obtidos nas normais climatolgicas ou em Anos Climticos (TRY Test Reference Year)12, pode se conhecer o comportamento da temperatura do ar para um determinado local ao longo do ano. Vale ressaltar que, para uma mesma temperatura, a sensao de conforto trmico, tanto no meio externo quanto no meio interno, pode ser diferente em funo de variveis como o vento e a umidade do local. De acordo com Rivero (1986) em climas secos, a diferena entre as temperaturas mnima e mxima diria maior do que em climas midos. Durante o dia a radiao solar incidente no plano horizontal menor no clima mido por causa da nebulosidade, aumentando tambm a perdas por evaporao. Durante a noite, as nuvens num clima mido impedem a perda de calor por radiao.

Ano Climtico de Referncia a base de dados mais precisa, segundo Lamberts et al (1997), para uma anlise completa da adequao da edificao ao clima local.

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12 1.1.3 Vento Direo, velocidade, variao e freqncia so as caractersticas mais importantes em relao aos ventos. As variaes a que esto sujeitos os ventos so refletidas nos dados velocidade e direo, direo esta que sempre se refere sua origem. As caractersticas dos ventos so determinadas em qualquer lugar por fatores locais e gerais, momentneos ou sazonais, responsveis pelas suas modificaes. Fatores como as diferentes presses atmosfricas, a rotao da Terra, a diferena entre a temperatura da terra e do mar e a topografia, so os agentes mais importantes das alteraes no movimento do ar. Embora a interao destes fatores seja algo muito complicado, pode-se dizer que h padres regulares que representam uma mdia na maioria dos lugares, podendo servir de guia para um projeto arquitetnico especfico, apropriado para cada clima. Geralmente, existem dados mensais da freqncia e da velocidade dos ventos e de sua direo dominante. 1.1.4 Umidade A umidade atmosfrica tem relao com a quantidade de vapor contido na atmosfera em funo da evaporao, da chuva e da transpirao das plantas. Qualquer que seja a temperatura h um limite de saturao do ar, ou seja, ao aquecer-se e expandir-se, o ar pode tolerar mais vapor, sendo que, ao esfriar-se e contrair-se, sua capacidade de conter vapor fica reduzida. Existem duas expresses para referir-se umidade: a umidade absoluta, que a medida da massa do vapor total num volume fixo de ar em uma dada temperatura; e umidade relativa, que a relao entre o vapor existente e o limite da saturao total do ar na mesma temperatura. Esta ltima expressa como uma porcentagem e o valor mais til para se determinar as conseqncias do clima em relao ao conforto. Considerados os elementos climticos, verifica-se que o clima apresenta caractersticas muito diversas, constituindo ento, no primeiro elemento verdadeiramente particular para cada regio (a ele vo se somar fatores como os materiais de construo, desenvolvimento tecnolgico, entre outros, que imprimem ao espao arquitetnico identidade prpria do lugar). Dentro da faixa tropical (entre os Trpicos de Cncer e Capricrnio), onde o Brasil est inserido, costuma-se identificar trs tipos climticos bsicos principais: o quente seco, o quente e mido e o composto ou de mones. Koenigsberger (1973) cita uma classificao cujas trs zonas climticas principais esto subdivididas ainda em trs subgrupos onde o clima quente e seco apresenta o subgrupo quente e seco martimo de deserto; o clima quente mido identifica-se o subgrupo quente mido de ilha e o clima composto, o subgrupo tropical de altitude.

13 Inserida no clima Tropical de Altitude est a cidade de Braslia, situada no Planalto Central brasileiro na latitude 1552S e longitude 47 53O, escolhida para estudo de caso onde a seguir faz-se sua caracterizao climtica.

1.2 CARACTERIZAO DO CLIMAPara caracterizao e anlise do clima da cidade de Braslia utilizaram-se dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) com base no perodo de 1960 a 1990, de pesquisas realizadas por Ferreira (1965), Romero (2000), Amorim (1998), Goulart (1997) e atualizadas por Maciel (2002) - estudo este que abrange um perodo de dezesseis anos, de 1982 a 1997, onde foram tratados e atualizados os dados climticos da cidade-, e a norma NBR 15.220-3 (ABNT, 2005) que diz respeito ao Zoneamento Bioclimtico Brasileiro. 1.2.1 Clima de Braslia A cidade de Braslia, construda na dcada de 60 para ser a capital do Brasil, apresenta uma altitude mdia de 1100 metros. Seu clima classificado como Tropical de Altitude, caracterizado por um perodo quente e mido, de outubro a abril, com predominncia de cu parcialmente encoberto e um perodo seco, de maio a setembro, com cu claro. Na tabela 1.1 abaixo, encontra-se um resumo dos valores mensais dos dados climticos relativos cidade de Braslia. Tabela 1.1: Dados climticos de Braslia (valores mensais)Jan Temp. Mdia (C)* Umid. Relativa mdia (%)* Insolao (h)** Radiao solar global (Wh/m2)*** Nebulosidade (0-10) ** Precipitao (mm)** 22,47 76 157,4 6383 7.0 241,4 2e3 NNE Fev 22,46 76 157,5 6831 7.0 214,7 2e3 L Mar 22,4 78 180,9 5944 7.0 188,9 2e3 L Abr 22,02 75 201,1 5524 6.0 123,8 2e3 L Mai 20,85 72 234,3 4849 5.0 39,3 2e3 L Jun 18,98 67 253,4 4705 3.0 8,8 2e3 L Jul 19,01 61 265,3 4466 3.0 11,8 2e3 L Ago 20,7 56 262,9 5340 3.0 12,8 2e3 L Set 22,45 58 203,2 6335 4.0 51,9 2e3 L Out 22,95 67 168,2 6357 7.0 172,1 2e3 L Nov 22,4 74 143 6425 8.0 238 2e3 L Dez 22,23 76 138,1 5999 8.0 248,6 2e3 NO Mdia anual Totais/ 21,6 C 70 % 2365,3 h 69162 Wh/m2 5.0 1552,1mm 2e3 L

Vento - Velocidade (m/s) e Direo *

Fonte: Adaptado de * Maciel (2002) ** Normais Climatolgicas (1960-1990), INMET. *** Colle et al (1998)

Com base na pesquisa feita por Maciel (2002) conclui-se que as amplitudes dirias podem alcanar valores considerveis, principalmente na poca da seca. No perodo quente e mido as amplitudes variam entre 9C (dezembro) e 11C (outubro). No perodo seco as

14 temperaturas dirias apresentam em mdia maiores oscilaes em julho (15C) e menores em maio (12,5C). Contudo, as temperaturas entre 18C e 28C, situada na Zona de Conforto proposta pela Carta Bioclimtica de Edificaes de Baruch Givoni (1992)13 representam os maiores percentuais mensais para todos os meses do ano, caracterizando, dessa forma, um predomnio de temperaturas amenas na cidade. importante salientar que o ms de setembro pode ser considerado, a partir dos dados anteriormente interpretados por alguns autores e tambm atravs dos dados contidos nas normais climatolgicas, como um dos meses mais desfavorveis do ponto de vista do conforto trmico, apresentando elevadas temperaturas e baixa umidade relativa. E, sobretudo tambm possui valores elevados de radiao solar, principalmente com relao radiao direta; por ser um perodo seco com cu claro; o cu azul profundo nestas condies tem uma luminncia muito baixa na altura do horizonte at 30, em torno de meio dia, e por este motivo pode no ser suficientemente luminoso para ser a principal fonte de iluminao interna (ver fig. 1.1).8000 GLOBAL 7000 25 6000 22,5 20Irradiao (Wh/m2)

30 DIFUSA DIRETA Temp. Mdia mdia (C) 27,5

5000 17,5 4000 15 12,5 3000 10 2000 7,5 5 1000 2,5 0 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Meses do ano 0

Figura 1.1: Dados de Radiao Solar mensal num plano horizontal para a cidade de Braslia.Fonte: Garrocho et al (2004).

J no perodo quente e mido, ao contrrio, na presena de nuvens, a abbada celeste muito luminosa. V-se na figura 1.1 que o ms de fevereiro, com valores de temperaturas13

Carta Bioclimtica de Edificaes foi desenvolvida e aprimorada por Baruch Givoni. Baseia-se em temperaturas internas do edifcio, propondo estratgias construtivas para adequao da arquitetura ao clima. Contm 9 zonas que indicam estratgias de atuao para melhorar a sensao trmica, so elas: ventilao, resfriamento evaporativo, massa trmica para resfriamento, ar condicionado, umidificao, massa trmica para aquecimento, aquecimento solar passivo e aquecimento artificial. A zona de conforto encontra-se com valores de umidade relativa entre 20% e 80% e temperaturas entre 18C e 29C (GIVONI, 1992).

Temperatura mdia (C)

15 semelhantes a setembro, possui radiao global aproximando-se dos 7000 Wh/m2 e, sobretudo, tem valores elevados de radiao solar direta. Conseqentemente, os usurios dos edifcios devem ser protegidos dos efeitos da luz direta (atravs dos elementos do edifcio) e da viso do cu. De antemo pode-se dizer que a nica estratgia suficiente para atender a estas duas exigncias ter elementos de proteo solar regulveis que possam ser usados de forma inteligente dependendo das condies prevalecentes no perodo. Para um maior e melhor conhecimento das estratgias de projeto que podem ser empregadas para Braslia, utiliza-se como referncia a norma tcnica, NBR 15220-3 (ABNT, 2005), que define o Zoneamento Bioclimtico Brasileiro descrevendo as principais diretrizes construtivas, com objetivo de otimizar o desempenho trmico das edificaes, atravs de sua melhor adequao climtica. 1.2.2 Zoneamento Bioclimtico: estratgias de projeto para Braslia A NBR 15220-3 (ABNT, 2005) estabelece um Zoneamento Bioclimtico Brasileiro abrangendo um conjunto de recomendaes de diretrizes e estratgias construtivas. Props-se a diviso do territrio brasileiro em oito zonas relativamente homogneas quanto ao clima e, para cada uma destas zonas, formulou-se um conjunto de recomendaes tcnico-construtivas que otimizam o desempenho trmico das edificaes, atravs de sua melhor adequao climtica. Para a classificao bioclimtica adotou-se uma Carta Bioclimtica a partir da sugerida por Givoni (1992). A carta bioclimtica, construda sobre um diagrama que relaciona temperatura do ar e umidade relativa, foi adaptada e classificada nas seguintes zonas: zona de aquecimento solar da edificao; de massa trmica para aquecimento; de conforto trmico (baixa umidade); zona de conforto trmico; de desumidificao (renovao do ar); de resfriamento evaporativo; zona de massa trmica de refrigerao; de ventilao; de refrigerao artificial e zona de umidificao do ar. Para a formulao das diretrizes construtivas, para cada zona bioclimtica brasileira e, para o estabelecimento das estratgias de projeto, foram considerados os parmetros e condies de contorno: tamanho das aberturas para ventilao; proteo das aberturas; vedaes externas (tipo de parede externa e tipo de cobertura)14; e estratgias de condicionamento trmico passivo. As estratgias podem ser classificadas em naturais (sistemas passivos) e artificiais (sistemas ativos). As estratgias naturais so as que no gastam energia para seu funcionamento: ventilao natural, resfriamento evaporativo, aquecimento solar passivo, etc. Os sistemas artificiais de uso mais comum na arquitetura so ventilao mecnica, aquecimento e refrigerao.14

Transmitncia trmica, atraso trmico e fator solar.

16 A cidade de Braslia est situada na Zona Bioclimtica 4 (ver figs. 1.2 e 1.3) que tem como estratgias de condicionamento trmico passivo para o perodo quente e mido (vero) resfriamento evaporativo e massa trmica para resfriamento onde temperaturas internas mais agradveis podem ser obtidas atravs do uso de paredes (externas e internas) e coberturas com maior massa trmica, de forma que o calor armazenado em seu interior durante o dia seja devolvido ao exterior durante a noite, quando as temperaturas externas diminuem. Ventilao seletiva (nos perodos quentes em que a temperatura interna seja superior externa) - a ventilao cruzada obtida atravs da circulao de ar pelos ambientes da edificao. E no perodo seco (inverno) - aquecimento solar da edificao - a forma, a orientao e a implantao da edificao, alm da correta orientao de superfcies envidraadas (indica-se como adequado a orientao norte-sul), podem contribuir para otimizar o seu aquecimento no perodo frio atravs da incidncia de radiao solar. E vedaes internas pesadas (inrcia trmica) - a adoo de paredes internas pesadas pode contribuir para manter o interior da edificao aquecido.

Figura 1.2: Zona Bioclimtica 4.Fonte: NBR 15220-3 (ABNT, 2005).

Figura 1.3: Carta Bioclimtica apresentando as normais climatolgicas de cidades desta zona, destacando a cidade de Braslia, DF.

Ainda como recomendaes para adequao da edificao ao clima local, sugerem-se aberturas mdias para ventilao, ou seja, entre 15% e 25% da rea de piso, bem como o seu sombreamento. J a cobertura necessita apenas de maior isolamento trmico que corte o pico de temperatura diurno, especialmente nos horrios entre 11:00h e 13:00h e conserve calor no perodo noturno. Maciel (2002) em sua pesquisa baseando-se na carta bioclimtica de edificaes elaborada por Givoni (1992), realizou a anlise bioclimtica do clima da cidade de Braslia para o perodo de 1982 a 1997, onde definiu o ano de 1987 como o Ano Climtico de Referncia (ACR)15. A partir dessa anlise observou-se que Braslia apresenta um grande percentual de ndices dentro dos limites da zona de conforto, pois apresenta em torno de 41% do ano15

Ano Climtico de Referncia (ACR) - a determinao do TRY (test reference year) para um local especfico baseada na eliminao de anos de dados que contenham temperaturas mdias mensais extremas, altas ou baixas, at que reste somente um ano. Os meses so classificados em ordem de importncia para as comparaes de energia. Fonte: Stamper citado por Maciel (2002).

17 condies de conforto trmico; o desconforto trmico por calor ocorre em 22,2% das horas do ano e o desconforto por frio em 36,6%, sendo que na tabela 1.2 abaixo o percentual de desconforto por calor ou frio no corresponde soma das estratgias indicadas, pois os percentuais destas estratgias tambm consideram zonas sobrepostas. Tabela 1.2: Estratgias bioclimticas para Braslia.Conforto Desconforto Frio 36,6% Calor 22,2%Fonte: Adaptado de Maciel (2002).

Estratgias bioclimticas (%)Massa trmica para aquecimento Aquecimento solar passivo Aquecimento artificial Ventilao Resfriamento evaporativo Massa trmica para resfriamento Ar condicionado 31,3 4,37 0,99 21,2 8,38 8,29 0,08

41,2%

Os dados obtidos com a tabela 1.2 vem completar as estratgias de projeto indicadas pela NBR 15220-3 para o zoneamento bioclimtico 4, vale ressaltar que, na carta obtida por Maciel (2002) o uso das estratgias artificiais recomendada somente em 1,07 %, enquanto na maioria das situaes de desconforto, so indicadas em ambas as fontes de pesquisa, estratgias passivas de condicionamento trmico, ou seja, ganho de calor atravs da radiao solar. 1.2.3 Braslia: caracterizao do cu e disponibilidade de luz natural Os nveis de iluminao internos proporcionados pela luz natural dependem de dois fatores principais: das caractersticas do ambiente construdo (geometria do ambiente, tamanho e orientao das aberturas, refletncia das superfcies internas, vizinhana, etc.) e da disponibilidade de luz natural externa. Como analisa Souza (2003), a iluminncia externa por sua vez depende da distribuio de luminncias do cu. A iluminncia da luz natural est sempre variando conforme as condies atmosfricas, tanto ao longo do dia quanto ao longo do ano. Outro fator importante que altera a disponibilidade de luz natural externa a latitude do local, fator este que faz com que os benefcios da luz natural mudem de regio para regio. Como j dito no item 2 (com relao radiao solar) as mudanas da posio do sol no cu fazem com que a distribuio de luminncias do cu seja diferente, proporcionando variaes na disponibilidade de luz natural. A quantidade e o tipo de nuvens tambm alteram a disponibilidade de luz natural, assim como a nvoa e poeira suspensa na atmosfera.

18 Buson (1998) em sua pesquisa utilizou o grfico de Dresler16 para estimar o valor de luminncia da abbada celeste do Distrito Federal. Nos clculos utilizou-se um valor igual a 15.000 lux, que um valor de luminncia garantido em 100% das horas do dia durante todo o ano no perodo de 8:00 as 16:00 horas. Esse valor encontrado confirma a regularidade da disponibilidade de luz natural na cidade de Braslia durante o ano todo e enfatiza o que descreve Olgyay (1969): a intensidade da radiao recebida pela superfcie da terra aumenta com a altura sobre o nvel do mar, pois se perde menos na atmosfera. Pois, Braslia apresenta uma altitude mdia de 1100 metros como dito anteriormente, e praticamente 2.365 horas de insolao anual, o que comprova a potencialidade da regio na aplicao de sistemas passivos como condicionante de projeto. Na figura 1.4 temos a carta solar de Braslia e nela plotados os valores horrios de temperatura. O conhecimento da geometria da insolao torna-se essencial para projetar, aproveitando o calor solar quando h interesse em aquecer e evitando ou protegendo a edificao na estao quente. Com base na carta solar de Braslia pode-se visualizar que a quantidade de luz proveniente do norte mais intensa e maior. J a proveniente do sul dita tipicamente morna e em menor quantidade, e assim, particularmente apropriada para espaos que requerem maiores nveis de iluminncia, sem muito risco no aumento dos ganhos trmicos da edificao, pela penetrao de radiao solar que se converte em energia trmica.

Figura 1.4: Carta solar de Braslia.Fonte: Lamberts et al (2005).

Com o Grfico de Dresler possvel obter nveis mnimos de luminncia externa para determinados perodos do dia, e a porcentagem de horas dos dias ao longo do ano em que este nvel igualado ou ultrapassado.

16

19 A partir da carta ou diagrama solar pode-se obter as alturas solares ao meio-dia nas diferentes estaes do ano para Braslia, ou seja, a altura solar alta (de 73 a 90); mdia (de 60 a 72) e baixa (de 50 a 59). Isto pode ser visualizado na tabela 1.3, como tambm, o tempo de insolao e a radiao solar para as quatro estaes do ano, onde se torna perceptvel a predominncia da incidncia de raios solares quase que perpendiculares superfcie horizontal durante todo o ano, ocasionando assim, uma maior densidade do fluxo energtico (ou seja, maior ganho de calor atravs de radiaes solares). Tabela 1.3: Tempo de insolao, radiao solar incidente e altura solar ao meio-dia nos solstcios e equincios para a latitude de Braslia. DataEquincio de outono 22/03 Solstcio de inverno 22/06 Equincio de Primavera 23/09 Solstcio de vero 22/12Fonte: Adaptado de Castanheira, 2002.

Tempo de insolao12 horas 11 horas 12 horas 13 horas

Radiao mdia diria mensal (kWh/m2dia)500,3 445,1 579,9 575,1

Altura solar s 12h74,5 (alto) 51 (baixo) 75,5 (alto) 82 (alto)

A disponibilidade da luz natural nas regies tropicais grande, e seus valores de iluminncias so muito altos. Por um lado este aspecto muito positivo, pois se pode empregar e utilizar a iluminao natural como recurso de projeto em grande parte do ano, diminuindo assim, o uso da energia eltrica com o sistema de iluminao artificial, por outro lado, esse excesso de luminosidade trs tambm ganhos trmicos para a edificao, entretanto, no geral, como aspecto favorvel na realidade climtica de Braslia que comprovadamente atravs da carta biclimtica de edificaes, comentada na tabela 1.2 anteriormente, as condies de desconforto trmico por calor ocorre em 22,2% das horas do ano, j o desconforto por frio maior, ocorrendo em 36,6%,das horas do ano. Nota-se nas figuras 1.5, 1.6, 1.7 e 1.8 que para as quatro estaes do ano tm-se valores horrios muito prximos e significantemente altos de iluminncias direta e difusa no plano horizontal para Braslia, por exemplo, s 12:00 h: em 22 de maro (equincio de outono) tmse 98.500 lux com cu parcialmente encoberto; em 22 de junho (solstcio de inverno) com cu claro - 85.500 lux; no equincio de primavera, 23 de setembro, com cu parcialmente encoberto o valor de iluminncia igual a 98.000 lux, enquanto para 22 de dezembro (solstcio de vero) quando a abbada celeste encontra-se obstruda tm-se 21.000 lux. Estas condies de iluminncias favorecem o uso da iluminao natural como soluo de projeto e refora a aplicao das diretrizes bioclimticas, anteriormente consideradas, ressaltando que a situao de desconforto ao frio superior a de calor. Estratgias como o uso

20 de superfcies iluminantes na cobertura necessitam, portanto, apenas de maior isolamento trmico que corte o pico de temperatura especialmente ao meio-dia e conserve calor no perodo da noite. Intervenes do tipo aberturas zenitais podem contribuir, se bem orientadas e planejadas, para o ganho trmico necessrio e desejvel para as horas de desconforto ocasionadas pelo frio.110

Outono - 22/03100 90 80

Ilumunncias (Klux)

70 60 50 40 30 20 10 0 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Figura 1.5: Valores de iluminncias do outono para Braslia no plano horizontalFonte: Garrocho et al (2005).100

Horas

Inverno - 22/0690 80 70

Iluminncias (Klux)

60 50 40 30 20 10 0 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Horas

Figura 1.6: Valores de iluminncias do inverno para Braslia no plano horizontal.Fonte: Garrocho et al (2005).

21110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Primavera - 23/09

Iluminncias (Klux)

Horas

Figura 1.7: Valores de iluminncias da primavera para Braslia no plano horizontal.Fonte: Garrocho et al (2005).22,5

Vero - 22/1220 17,5 15 12,5 10 7,5 5 2,5 0 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Iluminncias (Klux)

Horas

Figura 1.8: Valores de iluminncias do vero para Braslia no plano horizontal.Fonte: Garrocho et al (2005).

Com o decorrer do tempo, a linguagem das novas edificaes construdas em Braslia foi sendo modificada com a apropriao de novas tendncias. Contudo, ainda observa-se, tanto em prdios pblicos quanto em prdios comerciais, a continuidade da cultura do desperdcio energtico e a adoo de solues padronizadas, resultado de um processo de globalizao. O

22 Brasil no uma exceo, e o processo de cpia de paradigmas internacionais vem se mantendo independente das realidades culturais e climticas locais. Deste modo, aps analisar o clima local e verificar a disponibilidade de luz natural nesta regio, conclui-se que as aberturas zenitais so solues favorveis para a melhoria das condies de conforto interno do edifcio, ponderando sempre a geometria solar local. O projetista, no entanto, deve estar atento nesta busca, pelo maior conforto do ambiente construdo e conseqentemente da eficincia energtica; pois o desafio equilibrar sabiamente o ingresso da luz difusa, bloqueando o calor gerado pela luz solar direta, evitando assim, problemas de conforto trmico. Para se projetar utilizando a luz natural como ferramenta preciso conhec-la mais detalhadamente, no item a seguir descreve-se a luz natural caracterizando seus efeitos benficos e nocivos; suas fontes e conceitos relativos.

1.3 LUZ NATURALOs seres humanos, em comum com a maioria dos outros organismos complexos, dependem da exposio luz natural para ativar uma srie de funes fisiolgicas. Enquanto os perigos da exposio excessiva luz solar foram amplamente divulgados, os perigos da pouca exposio so freqentemente desconsiderados. A evoluo humana ocorreu devido exposio luz natural, incluindo os raios UV (componente ultravioleta), e, embora o esgotamento da camada de oznio cause preocupao, no altera o fato de que a fisiologia humana depende de um certo grau de exposio aos raios UV. A radiao ultravioleta a parte do espectro solar cujos comprimentos de onda so menores que os das ondas da faixa desse espectro visualmente captadas pelos seres humanos. Indubitavelmente, a exposio excessiva luz solar, especialmente aos raios UV, causa danos, mas existem evidncias de que a exposio moderada benfica. Vrios dados estatsticos, segundo Baker et al (2002), esto abertos interpretao e no so conclusivos, mas certamente do algum crdito ampla e divulgada crena de que a luz do sol um importante fator para promover no s a boa sade como a sensao de bem-estar e conforto ao ser humano. A luz natural pode ajudar a evitar em alguns indivduos uma condio conhecida como Desordem Emocional Sazonal (Seasonal Affective Disorder SAD)17. As pessoas que vivem diariamente em ambientes climatizados e iluminados artificialmente sentem, em algum grau, mudanas sazonais no seu humor ou comportamento. Entretanto, as pessoas que sofrem de

17 A luz natural pode ajudar a evitar fenmenos como a Sndrome do Edifcio Doente (Sick Building Syndrome - SBS), associada a edifcios com ar condicionado e luz artificial - e mais especificamente da Desordem Emocional Sazonal (Seasonal Affective Disorder SAD), ligada carncia de luz. (BAKER et al, 2002).

23 SAD e vivem em altas latitudes, durante o inverno, sentem esses sintomas de forma mais severa, o que faz com que se sintam seriamente debilitadas. Enquanto as pessoas que vivem e trabalham em altas latitudes, no inverno, esto em posio de maior risco, prdios inadequadamente iluminados durante o dia podem colocar seus ocupantes em risco em qualquer latitude, mesmo no vero. Nesse contexto, no sem propsito que o sintoma mais comum relatado em estudos sobre a Sndrome do Edifcio Doente (Sick Building Syndrome - SBS) a letargia. De acordo com Baker et al (2002), os edifcios com luz natural, devido variao da iluminao no tempo e espao, fornecem os estmulos suficientes para desencadear os processos fisiolgicos que evitam esta sndrome. Todavia, quanto luz natural, seus efeitos prejudiciais e benficos esto ligados de forma inseparvel; difcil obter qualquer benefcio do sol sem, ao mesmo tempo, se expor aos prejuzos que ele pode causar. Obviamente, o equilbrio neste aspecto relevante, e um projeto arquitetnico adequado pode ajudar a equacionar a questo. Assim sendo, importante ressaltar que a luz proveniente do sol a fonte de luz natural principal, mas como afirma Hopkinson et al (1975) a luz do sol difundida na atmosfera que, como luz do cu, serve de fonte primria na iluminao natural de interiores. A partir disso, relaciona-se no prximo captulo o conceito fsico da luz e suas fontes.

24

CAPTULO 02LUZ NATURAL: Conforto Visual, Fontes e Grandezas Fsicas 2.1 CONFORTO VISUALEntende-se como conforto visual a existncia de um conjunto de condies, num determinado ambiente, no qual o ser humano pode desenvolver suas tarefas visuais com o mximo de acuidade2 e preciso visual, com o menor esforo, com menor risco de prejuzos vista e com reduzidos riscos de acidentes (LAMBERTS et al, 1997) Apresentar um bom nvel de luz para a tarefa que se deseja realizar condio necessria, e existem normas para diversas tarefas, para diferentes idades dos que realizam as tarefas para diferentes precises das tarefas, e para ambientes diversos. Porm, no suficiente satisfazer os nveis de iluminncia ditados pelas normas. Tambm preciso atender aos requisitos necessrios para ocorrncia tranqila do processo visual (viso), como: uniformidade de iluminao; ausncia de ofuscamento; modelagem dos objetos (as sombras so importantes para definir a forma e posio dos objetos no espao, quando no h outras referncias). Corbella (2003) acrescenta que para um projeto que vise utilizao da iluminao natural, quanto mais dados se possuam sobre as caractersticas do cu, tanto melhor. Algumas ferramentas de clculo precisam de percentagens de tipo de cu (classificados segundo a densidade das nuvens), ou dados mdios mensais de transparncia do cu, ou ainda quais os perodos de cu com muita ou pouca luminncia. Portanto, Hopkinson et al (1975) ressalta que a essncia de um bom projeto de iluminao natural consiste na colocao de aberturas de tal modo que a luz penetre onde ela desejada, isto , sobre o trabalho, e de tal maneira que proporcione uma boa distribuio de luminncia em todos os planos do interior. A iluminao interior, tanto em quantidade como em qualidade, uma funo, no apenas do tamanho, formato, e colocao das aberturas, mas tambm das propriedades refletoras das superfcies interiores, representando todos estes elementos uma significativa contribuio para a iluminao total do ambiente.

2.2 GRANDEZAS FSICASA partir da consulta de autores como: Hopkinson et al (1975), Fontoynont (1998), Baker et al (1993/2002), Robbins (1986), Vianna e Gonalves (2001) so descritas algumas grandezas fotomtricas, leis e propriedades ticas de materiais ao interagir com a luz natural, bem como,

2 A capacidade do olho de reconhecer com nitidez e preciso os objetos - habilidade do olho de ver detalhes. A acuidade funo: do nvel de iluminncia do objeto, de seu tamanho, da distncia at os olhos, do tempo de viso, do contraste entre o objeto e seu entorno imediato e de perturbaes visuais dentro do campo visual (VIANNA e GONALVES, 2001).

25 os parmetros adotados, neste trabalho, para anlise das simulaes computacionais realizadas. 2.2.1 Componente Celeste CC a relao entre a iluminao diurna em um ponto interior do local dividida unicamente pela luz que provm diretamente da abbada celeste e a iluminao exterior simultnea sobre um plano horizontal iluminado pelo total da abbada de um cu coberto normal. 2.2.2 Componente Refletida Externa - CRE a relao entre a iluminao diurna em um ponto interior do local, que recebe luz unicamente das superfcies externas por reflexo direta e a iluminao exterior simultnea sobre um plano horizontal iluminado pelo da abbada de um cu coberto normal. 2.2.3 Componente Refletida Interna - CRI a relao entre a iluminao diurna em um ponto interior do local, que recebe luz unicamente por reflexo das superfcies interiores e a iluminao exterior simultaneamente sobre um plano horizontal iluminado pelo total da abbada celeste de um cu coberto normal.CC CRE CRI

Figura 2.1: Fontes de luz natural que alcanam o edifcio.Fonte: NBR 15215-3 (ABNT, 2005)

2.2.4 Fator de luz do dia (FLD) Devido a variabilidade dos nveis exteriores de iluminao difcil se calcular a iluminao interior em funo da iluminncia fotomtrica. No entanto, em determinado ponto de um edifcio, pode-se considerar constante a relao entre sua luminncia e a luminncia exterior simultnea. Esta relao constante, expressada em porcentagem, o Fator de Luz do Dia FLD (Daylight Factor DF). % FLD = (Ei / Eo) x 100 Ei = iluminncia interior em um ponto considerado. Eo = iluminncia exterior procedente de um cu sem obstrues. O conceito de fator de luz do dia vlido somente para condies de cu encoberto, quando no h incidncia de luz solar direta. constitudo pela contribuio das trs componentes de iluminao: CC+CRE+CRI.

26 O FLD expressa a quantidade de luz natural em um ambiente interno, relacionada com a quantidade de luz percebida em um ambiente externo, sem obstrues. Em geral o fator de luz do dia (FLD) determinado para um plano de trabalho afastado do piso, que considera a altura de uma mesa, expressando a eficincia de um ambiente e seu sistema de aberturas determinado para receber a iluminao natural. Adotou-se como parmetro para o clculo do fator de luz diurna (FLD) a tabela descrita por Butera (1995) onde se expressa a impresso visual em relao ao valor de fator de luz diurna. Este autor adota como referncia de iluminncia externa o valor de 5.000 lux, derivado de medies executadas em pases do norte-europeu. Tabela 2.1: Impresso visual em relao aos valores de Fator de luz Diurna (FLD).Fator de luz diurna (FLD) Zona considerada Impresso da luminosidade Atmosfera 12% muito elevado

Zona afastada da abertura Distncia de 3 a 4 vezes a altura da abertura. De bom a pouco luminoso

Prximo abertura ou abaixo de um zenital De luminosos a muito luminoso Ambiente se abre para o exterior

De pouco luminoso a bom

Ambiente fechado em si mesmo

Fonte: Adaptado de Butera (1995)

2.2.5 Iluminncia (E) O termo iluminncia, tambm conhecido como nvel de iluminao, indica a quantidade de luz (lumens - lm) por unidade de rea (m) que chega em um determinado ponto. O nvel de iluminao pode ser medido, porm no visto. O que percebido so as diferenas na reflexo da luz incidente. Sua unidade o lux, ou lm/m . E = (fluxo) = (lm) = lux rea (m2)

Para anlise dos nveis de iluminncia no ambiente simulado, utilizou-se como referncia a norma que diz respeito Iluminncia de interiores, NBR 5413 (ABNT, 1992) que estabelece os valores de iluminncias mdias mnimas em servio para iluminao artificial em interiores, onde se realizem atividades de comrcio, indstria, ensino, esporte e outras. Apesar da norma ser direcionada para a iluminao artificial, esta comumente utilizada como parmetro tambm nas medies de iluminao natural, pois ainda no existe uma norma especfica deste tipo no Brasil. Segue na tabela abaixo de forma simplificada os valores de iluminncia estipulados para determinadas classes de tarefa visual.

27 Tabela 2.2: Iluminncias por classe de tarefas visuais. ClasseA Iluminao geral para reas usadas interruptamente ou com tarefas visuais simples B Iluminao geral para rea de trabalho C Iluminao adicional para tarefas visuais difceisFonte: NBR 5413 (ABNT, 1992). Nota: As classes, bem como os tipos de atividade no so rgidos quanto s iluminncias limites recomendadas, ficando a critrio do projetista avanar ou no nos valores das classes/tipos de atividade adjacentes,dependendo das caractersticas do local/tarefa.

Iluminncia (lux)20 - 30 - 50 50 - 75 - 100 100 - 150 - 200 200 - 300 - 500 500 - 750 - 1000 1000 - 1500 - 2000 2000 - 3000 - 5000 5000 - 7500 - 10000 10000 - 15000 - 20000

Tipo de atividadereas pblicas com arredores escuros Orientao simples para permanncia curta Recintos no usados para trabalho contnuo; Depsitos. Tarefas com requisitos visuais limitados, trabalho bruto de maquinaria, auditrios. Tarefas com requisitos visuais normais, trabalho mdio de maquinaria, escritrios Tarefas com requisitos especiais, gravao manual, inspeo, indstria de roupas. Tarefas visuais exatas e prolongadas, eletrnica de tamanho pequeno Tarefas visuais muito exatas, montagem de microeletrnica Tarefas visuais muito especiais, cirurgia

Quanto aos valores de iluminncias por tipo de atividade (valores mdios em servio) destacase os nveis estabelecidos para os centros comerciais, tipologia escolhida para modelo de estudo e simulao de configuraes de aberturas zenitais, so eles: vitrinas e balces (centros comerciais de grandes cidades): Geral .................................... 750 - 1000 - 1500 (lux) interior de: Centros comerciais.................. 300 - 500 750 (lux) Entretanto, neste estudo, adota-se como parmetro de anlise dos nveis de iluminncia nas simulaes computacionais de modelos do tipo centro de compras, valores de iluminncia mnima 750 lux; mdia 1000 lux e mxima 2000 lux. Adota-se o valor mximo de 2000 lux, pois relevante considerar que as reas comuns ou de circulao destes edifcios, geralmente, so utilizadas para exposio e comrcio de mercadorias (como a colocao de quiosques de vendas, por exemplo). 2.2.6 Luminncia (L) Luminncia definida como o coeficiente do fluxo luminoso num elemento da superfcie ao redor de um ponto, e propagado nas direes definidas por um cone elementar que contm a direo dada pelo produto do ngulo slido e a rea da projeo ortogonal do elemento da superfcie num plano perpendicular para a direo dada (ver fig. 2.2). Por esta razo, segundo Hopkinson et al (1975), necessrio que se faa a distino entre brilho fsico de um objeto

28 (medido por um fotmetro) e o brilho subjetivo desse objeto, visto pelos olhos adaptados ao ambiente. A luminncia denota a intensidade por metro quadrado de rea aparente da fonte de luz ou de uma superfcie iluminada. Quando as superfcies so iluminadas, a luminncia dependente tanto do nvel de iluminao quanto das caractersticas de reflexo da prpria superfcie. Unidade: nit ou cd/m2 Em funo do campo de viso em um edifcio do tipo centro de compras, descrito na figura 2.2, define-se, para este estudo, um valor mximo de luminncia igual a 2.500 cd/m2. E o valor de 25.000 cd/m2 para a luminncia mdia da cena. 2.2.7 Uniformidade: A uniformidade de iluminncia (Uo) determinada atravs da relao entre a iluminncia mnima (Emn) de uma superfcie e a mdia aritmtica das iluminncias (Emd) nesta superfcie, como mostra a expresso: Uo = Emn/Emd Considerou-se, no presente estudo, como adequado, o ambiente que obteve um valor superior a 0,8. Ressalta-se que, o ndice de Uniformidade de iluminncia adotado para avaliao dos resultados das simulaes, um parmetro retirado da iluminao artificial, e o que ser ponderado aqui a melhoria dele nas diversas alternativas analisadas, e no o valor absoluto. 2.2.8 Contraste (C) O contraste definido por como a relao entre a luminncia de um objeto e o seu entorno imediato. Por ser uma medida relativa, a percepo do contraste tambm relativa. Desse modo, um objeto pode parecer mais ou menos brilhante dependendo do brilho do seu entorno. Quantativamente o contraste determinando pela expresso: C = (Lobj. Lfundo) / Lfundo De acordo com Baker et al (1993) e Lamberts et al (1997) a avaliao do contraste pode ser feita de forma simplificada observando-se as seguintes taxas de proporo de luminncias: Proporo Entre a tarefa e o entono imediato Entre a tarefa e superfcies escuras mais afastadas Entre a tarefa e superfcies claras mais afastadas Entre a fonte de luz (natural ou artificial) e superfcies adjacentes Mximo contraste em qualquer parte do campo de viso Relao 3:1 10:1 0,1:1 20:1 40:1

29 Considerou-se para anlise, no presente estudo, a relao de proporo 40:1, como parmetro de contraste marcante. 2.2.9 Ofuscamento Ofuscamento a sensao produzida pela luminncia com o campo visual que suficientemente maior que a luminncia a qual os olhos esto adaptados para causar incmodo, desconforto ou perda na performance visual e visibilidade. A magnitude da sensao de ofuscamento depende de alguns fatores como o tamanho, posio e luminncia de uma fonte, o nmero de fontes e a luminncia a qual os olhos esto adaptados.A B

C D E

1.60

1.60 5.95 18.25

A) 5-580 cd/m2; B) 15-850 cd/m2; C) 25 - 1250 cd/m2

D) 35 - 1800 cd/m2

E) 45 - 2500 cd/m2

Figura 2.2: Esquema do campo de viso em funo dos nveis aceitveis. O esquema acima ilustra os nveis de luminncia utilizados como parmetro aceitvel em funo do campo de viso num edifcio do tipo centro de compras, objeto de estudo (com dimenses de 30m x 18m) com abertura zenital central. Considerou-se para anlise, neste estudo, valores acima de 2500 cd/m2 como parmetro para possibilidade de ofuscamento.

2.3 LUZ NATURAL: fontesA principal causa da variao da luz natural ocorre com o movimento aparente do sol no cu, da hora do dia e da estao do ano, e da posio do edifcio (latitude, longitude e orientao) na superfcie terrestre. Assim sendo, a luminncia do cu no constante nem uniforme, devido s mudanas na posio do sol e s variaes das nuvens a intensidade da luz natural varia de acordo com o as condies climticas. necessrio conhecer o comportamento da fonte luminosa, separando a luz direta do sol da luz do cu e tratando cada uma de modo diferente, para se poder prever e calcular o aproveitamento da iluminao natural em um projeto. O sol uma fonte concentrada, e pode ser considerado como uma fonte luminosa pontual, ao passo que o cu uma fonte grande e difusa com uma distribuio de luminncia varivel.

30 2.3.1 Luz do Sol A luz do sol ilumina uma superfcie normal com 6.000 a 100.000 lux. Este valor muito intenso para ser usado diretamente sobre o plano de trabalho. Por este motivo, analisa Lamberts et al (1997), muitos projetistas preferem excluir completamente a luz direta do sol no interior do edifcio. Devido sua importncia como aquecimento solar passivo, a radiao solar direta muitas vezes considerada indesejvel para iluminao pela sua componente trmica, mas esta concepo errnea. De fato, a luz do sol no contm calor esta consiste em radiao eletromagntica, na regio visvel e na regio invisvel (a maior parte infravermelho, com um pouco de ultravioleta) em propores quase iguais. Segundo fundamenta Lamberts et al (1998), aproximadamente metade da energia est na regio visvel, o restante no infravermelho e no ultravioleta. Somente quando a radiao (visvel ou invisvel) absorvida pelas superfcies que esta convertida em calor. normal ouvirmos falar na parte invisvel da radiao como radiao trmica, significando que somente esta parte a causa do aquecimento. Certamente, estamos interessados somente na parte visvel do espectro, mas esta responsvel por metade da energia que potencialmente pode se transformar em calor. A eficcia luminosa da luz do sol tambm maior que muitas das alternativas de luz artificial conhecidas. A luz natural direta introduz menor quantidade de calor por lmem para o interior de um edifcio que a maioria das lmpadas (ver tabela 2.3). Isto comprova que a luz natural pode ser uma estratgia importante para diminuir a carga de resfriamento necessria em um edifcio por causa da iluminao artificial, assumindo-se que pode ser distribuda e largamente utilizada para este fim. Tabela 2.3 Eficcia luminosa de diversas fontes de luz.SOL Altitude de 7,5 - 90 lm/W Altitude mdia 100 lm/W Altitude > 25 - 117 lm/W CU Claro 150 lm/W Mdio (parcialmente encoberto) 125 lm/W LMPADAS Incandescente = 5-30 lm/W Fluorescente = 20-100 lm/W Sdio alta presso = 45-110 lm/W

Fonte: Adaptado de Lamberts et al (1997).

Dessa forma, sua variabilidade possui como vantagem, por exemplo, permitir ao homem a percepo espao-temporal do lugar onde se encontra. O jogo de intensidades diferenciadas de luz, sombras e de reproduo de cores constitui informaes espaos-temporais que a luz natural fornece ao homem, fundamentais ao funcionamento do seu relgio biolgico. 2.3.2 Luz do Cu A luz do cu o resultado da refrao e da reflexo da luz solar ao passar pela atmosfera. Souza (2003) descreve que os nveis de iluminao resultantes so menores do que os produzidos pela luz solar direta; podendo variar de 5000 a 20.000 lux. A luz natural

31 proporcionada pelo Sol, porm sua aparncia, distribuio e quantificao esto condicionadas a predominncia da condio atmosfrica da abbada celeste. Em geral, consideram-se trs variaes de cu real: cu claro, cu parcialmente encoberto e cu encoberto. A NBR 15215 (ABNT, 2005) adota a caracterizao das condies do cu, utilizando o mtodo da cobertura do cu preconizado pela National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA, EUA), sendo que a cobertura estimada visualmente pela observao do montante de cobertura de nuvens. Esta cobertura de nuvens estimada em percentual e expressa numa escala de 0 a 100%. Portanto, apresenta-se as seguintes condies de cus: Cu claro: 0% a 35% Cu parcialmente encoberto: 35% a 75% Cu encoberto: 75% a 100% A condio de cu claro considerada quando a abbada celeste apresenta-se azul e sem nuvens. O dia apresenta-se com muitos contrastes de luz e sombra. A presena pontual da luz do Sol faz com que a iluminao ao longo do dia seja varivel, tanto na distribuio quanto na intensidade. De acordo com Moore (1991) sob estas condies as superfcies que refletem a luz do Sol tornam-se importantes fontes secundrias de luz natural, j que a luz do Sol muito forte para ser usada diretamente sobre uma rea de trabalho.

Figuras 2.3 e 2.4: Modelo de cu claro.(Fonte: Baker et al, 2002)

O cu parcialmente nublado ou encoberto uma combinao de cu claro, de fundo, com nuvens sobrepostas nele. A dificuldade neste tipo de cu padronizar a intensidade de sua luminncia, pois esta varia ao longo das horas e, pode apresentar-se muito diferente de um dia para o outro, dependendo da quantidade de nuvens formadas na atmosfera (MOORE, 1991).

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Figuras 2.5 e 2.6: Modelo de cu parcialmente encoberto.(Fonte: Baker et al, 2002)

O cu encoberto caracteriza-se por esconder o sol e difundir a luz proveniente dele, atravs das nuv