conforto tÉrmico em cÂnions urbanos … · · 2013-01-23foi: 500 m de comprimento, com altura...

CONFORTO TÉRMICO EM CÂNIONS URBANOS IDEALIZADOS PARA CAMPINAS, BRASIL

Loyde Vieira de Abreu-Harbich(1); Lucila Chebel Labaki(1); Andreas Matzarakis (2)

(1) Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas, e-mail: [email protected]; [email protected]

(2) Meteorologisches Institut, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,e-mail: [email protected]

ResumoO bioclima térmico e sua significância no desenho urbano pode ser analisado através dos componentes que predominantemente afetam o conforto térmico nas cidades: morfologia urbana construída representado pela razão altura e largura (H/W), orientaçao das ruas e presença de vegetação. Este artigo apresenta um estudo de quantificação de cânions urbanos para o bioclima térmico em Campinas, Brasil, baseando-se no processo generalização. Os dados meteorológicos utilizados foram: temperatura do ar, umidade do ar, velocidade do vento e radiação solar para o período de 2003 a 2010. As simulações de cânions urbanos vegetados foram realizadas a partir do software Rayman Pro. Os modelos tridimensionais de cânions urbano foram: sem árvores e com diferentes agrupamentos arbóreos lineares das sequintes espécies: Mirindiba-bagre (Lafoensia glyptocarpa L.), Sibipiruna (Caesalpinia pluviosa F.), Tipuana (Tipuana tipu F.). A configuração do modelo tridimensional do cânionfoi: 500 m de comprimento, com altura de 9m, onde a largura varia entre 5 a 40m. As direções dos canions urbanos simulados variaram de 0 até 180o, girando a cada 15°. Os resultados mostraram que a espécie Sibipiruna (Casealpinia pluviosa F.) é capaz de mitigar mais o bioclima térmico do que as outras árvores. A inserção de árvores em bairros residencias da cidade de Campinas é uma estratégia importante para restabelecer ascondições adequadas de conforto térmico nas cidades.Palavras-chave: Cânions urbanos, RayMan Pro Model, Conforto Térmico Urbano

AbstractThe thermal bioclimate and its significance in urban planning can be examined through components that predominate in affecting the city's climate: built-up morphology expressed by height-to-width ratios (H/W), street orientation and presence of vegetation. This paper presents the study of generalization procedure for quantifying the vegetated street canyons for thermal bioclimate of Campinas, SP. Meteorological data, air temperature, relative humidity,speed wind and solar radiation for the period 2003 to2010 were used. Simulations of vegetated street canyon with the aid of RayMan Pro were done. Tridimensional's models of street canyons were: without trees and with linear clusters of trees by followed arboreal species: Mirindiba-bagre (Lafoensia glyptocarpa L.), Sibipiruna (Caesalpinia pluviosa F.), Tipuana (Tipuana tipu F.). The following configurations and setups were used: the model canyon was 500 m in length, height 9m and the width varied from 15 to 40m. The canyon was rotated in steps of 15°. The results show that Sibipiruna (Casealpinia pluviosa F.) can best improve the thermal bioclimate than others species. Planting trees in residential areas of Campinas city is an importance strategy to reestablish the thermal comfort conditions in outdoor areas.Keywords: Street Canyons, RayMan Pro Model, Urban Thermal Comfort Urban

XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora

0071

1. INTRODUÇÃONas últimas décadas, estudos sobre bioclima térmico em ambientes externos no meio urbano tem sido desenvolvidos tanto no Brasil, (BUENO-BARTHOLOMEI, 2003, MONTEIRO; ALUCCI, 2010; LABAKI et al. 2011, 2012) como no exterior (GIVONI; NOGUCHI, 2000, MATZARAKI, 2001; LIN et al., 2010). Porém a maioria desses trabalhos se referem aestudos de caso baseados em medições locais, sem considerar projeções futuras a partir de possíveis modificações da malha urbana. Para desenvolver diretrizes de desenho urbano que visem a mitigação e adaptação do clima nas cidades tropicais é fundamental a quantificação dos cânions urbanos, vegetados ou não, utilizando-se os dados climáticos dos últimos anos,com base no processo de generalização.

As sensações de conforto térmico em ambientes externos de cidades tropicais estão estreitamente ligadas à incidencia da radiação solar e à variação da velocidade do vento (LINet al., 2010; ABREU, 2012). As alterações das configurações urbanas, tais como relação da altura e largura dos edifícios e ruas, e a arborização urbana, contribuem para a formação de diferentes microclimas urbanos e consequentemente, das ilhas de calor (OKE, 1984; MCPHERSON et al, 1994; TAHA et al., 1997). As trocas de energia térmica presentes nos cânions urbanos são afetadas formemente por sua geometria, que pode ser expressa pela relação altura e largura (H/W) das configurações urbanas (NUNEZ; OKE, 1977; MILLS, 1993; ALI-TOUDERT; MAYER, 2005). Entretanto os cânions urbanos representativos são difíceis de encontrar, se todos os parâmetros de modificação forem considerados (OKE, 1987).O objetivo deste trabalho é mostrar como as condições bioclimáticas em um cânion urbanopodem ser modificados com a presença de diferentes árvores. Para analisar o efeito do conforto térmico nos cânions urbanos sem e com agrupamentos arbóreos de diferentes espécies - Mirindiba-bagre (Lafoensia glyptocarpa L.), Sibipiruna (Caesalpinia pluviosa F.), Tipuana (Tipuana tipu F.) - foi adotado o método baseado no processo de generalização para a quantificação (HERRMANN; MATZARAKIS, 2012; ABREU et al., 2012) com o auxilio do software RayMan Pro (MATZARAKIS et al., 2007; 2010).

2. CÂNIONS URBANOS VEGETADOSAs árvores são capazes de controlar o microclima diretamente através do sombreamento proporcionado pela copa das árvores e indiretamente através da evapotranspiração (SANTAMOURIS, 2001; ABREU; LABAKI, 2011). As árvores dispostas em agrupamentos lineares em algumas ruas e avenidas de Tel-Aviv, Israel, contribuiram para o arrefecimento da temperatura do ar em até 5 °C na hora mais quente do dia (às 15h), (SHASHUA-BAR;HOFFMAN, 2005). Em Colombo, Sri Lanka, observou-se uma diferença de 7 °C entre as temperaturas superficias urbanas de ruas sombreadas e ensolaradas (EMMANUEL et al., 2007). Em cidades tropicais como Taichung, Taiwan, foi observado que o sombreamento das árvores é mais desejável do que o de edifícios, pois o sombreamento de edifícios pode causar desconforto térmico, ou seja sensações de frio, no período do inverno (LIN et al., 2008). Em estudos de campo que consideraram as peculiaridades de três espécies arbóreas - Ficus retusa, Tipuana tipu, Data Palm - nas ruas de Tel-Aviv, Israel, o efeito de arrefecimento dessasárvores no verão chegou até 4 °C para a temperatura do ar (SHASHUA-BAR, et al., 2010). No Brasil, vários estudos destacam a importancia do sombreamento de árvores para o controle do conforto térmico arbóreo (BUENO-BARTHOLOMEI et al., 2003; ABREU; LABAKI, 2010; ROMERO et al., 2010; DACANAL et al. , 2011).


0072

O efeito de aferrecimento das temperaturas a medida que se aumenta o número das árvorespode ser simulado no software ENVI-met (BRUSE, 2001) e RayMan Pro (MATZARAKIS et al, 2007). Em Ghardaia, Argélia, o aumento do número de árvores nos cânions urbanosvegetados com relação altura-largura (H/W) menor que 0.5, tiveram a temperatura média radiante reduzida e consequentemente maior conforto térmico nas ruas (ALI-TOUDERT;MAYER; 2005). Em Freiburg, o efeito do sombreamento proporcionado pelas árvores é capaz de reduzir em até 10oC o estresse térmico e consequentemente gerar mais conforto térmico(FRÖHLICH; MATZARAKIS; 2012). Em São Paulo, Brasil, as árvores em um canion urbano foram capaz de resfriar a temperatura do ar em 1,1 oC e reduzir o PET em 12oC, trazendo mais conforto térmico aos usuários apesar da redução da velocidade do vento (SPANGENBERG et al.; 2008).

3. METODOLOGIA3.1 Características do Clima LocalCampinas está localizada a 22°48´57"S, 47°03´33"W e com altitude de 640m. O clima da cidade é tipo Cwa, segundo a classificação Köppen, ou seja, Tropical de Altitude, apresentando um verão quente e úmido e um inverno seco e frio (KOTTEK et al. 2006). A média anual da temperatura do ar é de 22,3 ºC, índice pluviométrico anual de 1411 mm, com a predominância de chuvas nos meses de novembro a março e períodos de estiagem de 30 a 60 dias nos meses de julho e agosto. O período de verão, quando as temperaturas máximas variam entre 28,5 °C e 30,5 °C, e as temperaturas mínimas variam entre 18,1 °C e 19,9 °C correspondem aos meses de novembro a abril. O período de inverno, com temperaturas máximas variando entre 24,8 °C e 29,1 °C e as temperaturas mínimas entre 11,3 °C e 13,8 °C correspondem aos meses de junho, julho e agosto. Como o município tem um verão mais longo que o inverno, existe uma predominância da estação quente.

3.2 Dados MeteorológicosForam utilizados os dados horários meteorológicos - temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e radiação solar - ao longo de um período de sete anos (25/06/2003/ a14/12/2010) de uma estação urbana localizada no Instituto Agronomico de Campinas (IAC).

3.3 Configuração dos Canions Urbanos de Campinas

H/W = 0.3 H/W = 0.6 H/W= 1.05 H/W=1.76 H/W= 2.2

Figura 1 - Razão H/W de algumas ruas de Campinas, São Paulo

As típicas configurações urbanas da cidade de Campinas possuem uma relação altura-largura (H/W) que varia entre 0.3 e 2.2, (fig. 1), segundo a pesquisa de Pezzuto (2007) e levantamento de campo. As seguintes configurações foram utilizadas: o modelo tridimensional do canion foi de 500 m de comprimento e altura de 9m e sua largura em passos de 5 a 40m. Além disso, o canion foi rotacionado a cada 15°, fig. 2. A figura 3 mostra a configuração das árvores inseridas no canion urbano, bem como os dados arbóreos necessários para a configuração dos modelos tridimensionais da vegetação. Foram utilizados modelos de cânions urbanos: sem árvores e com árvores agrupadas linearmente das espécies arboreas: Lafoensia glyptocarpa L., Caesalpinia pluviosa F., Tipuana tipu F. (Fig. 4).


0073

O quadro 1 apresenta as características das árvores isoladas usadas como exemplos para a simulação no canion urbano.

Figura 2 - Cânion urbano e suas configurações

h = altura da árvorer = raio da copa

l = altura do fusted = diâmetro do tronco

Figura 3 - Configurações do cânions urbanos com vegetação arbórea

Caesalpiniapeltophoroides(Sibipiruna) Tipuana tipu (Tipuana) Lafoensia glyptocarpa (Mirindiba-bagre)

Figura 4 - Arvores anlisadas

CARACTERÍSTICAS ARBÓREAS Caesalpinia pluviosa Tipuana tipu Lafoensia glyptocarpaPerfil Altura (m) 11.2 13.45 6.45

Diametro 16.15 14.9 7.3COPA

Planta baixaÍndice da Area de Planta (PAI) 0.92 0.72 0.75

Rugosidade Medium High MediumDiâmetro 0.578 0.63 0.32Tipo Plagiotrópic a Plagiotrópic a Plagiotrópic a

TRONCO Altura do fuste 2.93 2.87 1.3

Quadro 1 - Características das árvores utilizadas para a construção do modelo tridimensional na simulação

3.3 Métodos e AnálisesPara análise do conforto térmico, foi utilizado o PET (Temperatura Fisiologicamente Equivalente) de Höppe (1993), que é um índice de conforto térmico indicado para avaliação

W

H


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de ambientes externos, baseado no balanço energético do corpo humano (HÖPPE 1993) e nos efeitos do ambiente térmico nos seres humanos (VDI 1998). Existem muitas vantagens emutilizar o PET para quantificar o conforto térmico em micro escalas, das quais pode-se descatar: este índice é universal e independe da roupa e da atividade metabólica; permite utilizar dados meteorológicos para se construir um painel futuro e seu efeito real sobre os seres humanos, antes da verificação em estudos de campo; é medido em graus celsius (oC), facilitanto a comparação dos resultados; o índice não se baseia em medidas subjetivas, possibilitanto comparações. O PET foi dividido em classes de sensasões térmicas (MATZARAKIS; MAYER, 1996), porém neste estudo também foram consideradas as calibrações do índice para climas tropicais como as de Lin e Matzarakis (2008) e Monteiro e Allucci (2009), quadro 2.

Sensações térmicas Meio-Oeste Europeu (oC PET)

(Matzarakis; Mayer, 1996)

Taiwan (oC PET)

(Lin; Matzarakis 2008)

São Paulo

(Monteiro; Allucci, 2009)Muito Frio <4 <14Frio 4-8 14-18 < 4

Fresco 8-13 18-22 4-12Ligeiramente Fresco 13-18 22-26 12-18

Confortável 18-23 26-30 18-26Ligeiramente Calor 23-29 30-34 26-31

Calor 29-35 34-38 31-43Quente 35-41 38-42 >43

Muito Quente >41 >42

Quadro 2 - Sensações térmicas e a classificação do PET para Meio-Oeste Europeu, Taiwan e São Paulo

Para o cálculo do PET, utilizou-se o software RayManPro (MATZARAKIS et al 2007, 2010a), onde os dados de entrada (input data) foram os dados horários climáticos do período estudado (2003-2010). Os parâmetros do corpo humano utilizados foram: taxa de metabolismo igual a 90 W e resistência térmica da roupa 0.9 clo. O software RayMan Pro é capaz de calcular dados históricos de longos períodos, bem como fazer simulação da interferência de edifícios e árvores, onde a radiação global e outras variáveis climáticas como velocidade do vento são transferida para o local estudado. O cálculo de bioclima térmico baseado em dados de períodos longos, bem como simulações da interferência de edifícios e árbores foi realizado pelo software RaymanPro que é capaz de transferir a radiação global deuma área com o horizonte livre para as estruturas urbanas (MATZARAKIS et al 2007, 2010).O cálculo do modelo RayMan Pro é baseado nas influências atmosféricas - nuvens e outros compostos meteorológicas tais como pressão de vapor ou partículas - e nas características do meio urbano - a topografia e morfologia urbanas que podem atuar como obstáculos, modificar as propriedades da radiação solar e do vento (LIN et al., 2010).Os resultados foram apresentados usando o software CTIS (Climate-Tourism/Transfer-Information-Scheme) que é capaz de transformar as informações climaticas em gráficos (MATZARAKIS et al. 2010b).

4. RESULTADOSPara analisado o bioclima térmico da cidade de Campinas, os resultados do PET do período estudado (2003-2010) foram divididos em classes (MATZARAKIS, et al., 1996), figura 5.Em geral, Campinas possui um clima confortável e levemente quente de acordo com aclassificação das sensações térmicas do PET. Cerca de 18,4% das sensasões térmicas são consideradas de calor (PET> 29o), quente (PET> 35º), ligeiramente quente (PET> 41º), muito


0075

quente (PET> 45º), e extremamente quente (PET> 50.1º).

A figura 6 apresenta as frequencias médias mensais do período estudado. Os dados mensais foram dividos em classes de PET. Foi observado que cerca de 35% das temperaturas representam sensações térmicas de calor (PET>29o) e ocorrem nos meses de janeiro a março, novembro e dezembro.

0.01%

5.41%

20.53%

29.68%

13.71%11.88% 10.99%

6.44%

0.83% 0.28% 0.24%0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

Extre

m. F

rio

Mui

to Fr

io

Frio

Ligeir

am.Fr

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Conf

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am. C

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Ligeir

am. Q

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e

Quen

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Mui

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uent

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Extre

m. Q

uent

e

PET - Classificação

> 50.145.1 -50.041.1 - 45.035.1 - 41.029.1 - 35.023.1 - 29.018.1 - 23.013.1 - 18.08.1 - 13.00.1 - 8.0< 0

Figura 5 - Classificação do PET para Campinas no período de 2003 a 2010

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Freq

uênc

ia %

Mês

Campinas, 2003-2010

> 50.1

45.1 -50.0

41.1 - 45.0

35.1 - 41.0

29.1 - 35.0

23.1 - 29.0

18.1 - 23.0

13.1 - 18.0

8.1 - 13.0

0.0 - 8.0

< 0

Figura 6 - Freqüência Mensal da distribuição do PET para Campinas no período de 2003 a 2010

As figuras 7 e 8 mostram os cursos diarios do PET para a estação meteorológica de Campinas e também para quatro tipos de canions urbanos estudados - sem árvores e com árvores das espécies: Sibipiruna (Caesalpinia pluviosa),Tipuana (Tipuana tipu) e Mirindiba-bagre(Lafoensia glyptocarpa) - nas orientações norte-sul e leste-oeste, respectivamente. Em todas as larguras de canions urbanos (15 a 40 m), razões H/W iguais a 0.22, 0.30, 0.45, 0.60, as árvores foram capazes de mitigar o PET e trouxeram maior conforto térmico no nível do usuário. Observou-se uma relação entre a cobertura vegetal das árvores e o conforto térmico, onde, à medida que a relação H/W diminui, a necessidade de sombreamento arbóreo aumenta. As árvores urbanas com uma cobertura vegetal maior tais como Sibipiruna (Caesalpiniapluviosa) e Tipuana (Tipuana tipu) reduziram as temperaturas durante o dia e aumentaram as temperaturas durante a noite, principalmente na direção leste-oeste. Esse fenômeno pode ser explicado pelo trabalho de termoregulação das árvores.

Baseado nos resultados, foram desenvolvidas diretrizes de desenho urbano para a cidade de Campinas, São Paulo, para as razões H/W estudadas (quadro 3). Recomenda-se o plantio de árvores em qualquer orientação para ruas com razões H/W abaixo de 0.45. Já nas ruas com razão H/W maiores que 0.45 até 1, manejo de árvores, principalmente, na direção norte-sul.


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Figura 7 - Curso diurno da Temperatura Fisiologicamente Equivalente (PET) (o C) para um canion urbano com orientação norte-sul, altura de 9 m e largura variável de (15 a 40m) para um período 25 de julho de 2003 a 31 de dezembro de 2010.

Figura 8 - Cuso diurno da PET (o C) para quatro canion urbano com orientação leste-oeste, altura de 9 m e largura variável de (15 a 40m) para um período 25 de julho de 2003 a 31 de dezembro de 2010.

H/W DIRETRIZES URBANAS VISTA LATERAL

< 0.45Manejo de árvores urbanas com maior cobertura vegetal, como as espécies Casealpinia pluviosa eTipuana tipu em todas as direções.

0.45 to 0.6

Manejo de árvores urbanas com maior coberturavegetal como as espécies Casealpinia pluviosa eTipuana tipu em todas as direções e a espécie Lafoensia glyptocarpa na direção Norte-Sul

Quadro 3 - Diretrizes de desenho urbano para Campinas com base no bioclima térmico

5. DISCUSSÕES E CONCLUSÕESO estudo analisou e quantificou o microclima e sua importância no planejamento urbano por meio de dois componentes que afetam predominantemente microclima da cidade: as configurações urbanas e a orientação das ruas. A inserção das árvores funciona como um elemento mitigador do clima urbano em todas as razões H/W analisadas - 0.22, 0.30, 0.45 e

Estação15 m (s/ árvores)15 m (Mirindiba)15 m (Sibipiruna)15 m (Tipuana)20 m (s/ árvores)20 m (Mirindiba)20 m (Sibipiruna)20 m (Tipuana)30 m (s/ árvores)30 m (Mirindiba)30 m (Sibipiruna)30 m (Tipuana)40 m (s/ árvores)40 m (Mirindiba)40 m (Sibipiruna)40 m (Tipuana)

Estação15 m (s/ árvores)15 m (Mirindiba)15 m (Sibipiruna)15 m (Tipuana)20 m (s/ árvores)20 m (Mirindiba)20 m (Sibipiruna)20 m (Tipuana)30 m (s/ árvores)30 m (Mirindiba)30 m (Sibipiruna)30 m (Tipuana)40 m (s/ árvores)40 m (Mirindiba)40 m (Sibipiruna)40 m (Tipuana)


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0.60. Sugere-se para as razões maiores que 0.45 escolher espécies com uma grande cobertura vegetal, tais como Sibipiruna (Casealpinia pluviosa) e Tipuana (Tipuana tipu). Apesar da sombra de edifícios trazer conforto, salienta-se que o sombreamento das árvores é mais desejado do que o de edifícios (Lin et al. 2010). Estudos sobre as modificações climáticas devido à razão H/W devem ser considerados para o desenvolvimento de medidas de mitigação e adaptação do clima urbano.Esses resultados sugerem que as condições de bioclima térmico de bairros residenciais ou com a relação altura e largura até 1 podem ser modificados com o plantio de árvores com uma cobertura vegetal considerável. A análise do efeito dos cânions urbanos com a presença devegetação a partir de dados históricos para o cálculo do PET pode ser quantificada através da aplicação do modelo Rayman (MATZARAKIS, et al, 2007; 2010). Estes resultadosconfirmam as conclusões de Shashua-Bar et al. (2010), Lindberg e Grimmond (2010) e Lin et al. (2010).Sugere-se o manejo de árvores para melhoria do micro-clima nas cidades de duas maneiras dentro da malha urbana: dentro do lote, sombreando uma fachada; e nas ruas, sombreando o passeio e os carros. A melhor maneira de inserir a vegetação na malha urbana é a previsão de canteiros nas calçadas e centrais durante o processo de desenvolvimento do desenho urbano. Para a inserção de árvores em áreas consolidadas, o ideal é fazer um levantamento das configurações urbanas e simulações de canions urbanos para verificar a melhor estratégia de plantio. Os arquitetos e urbanistas, bem como planejadores do ambiente construído e engenheiros florestais devem atentar para essas diretrizes urbanas que promovem a contribuição das árvores no bioclima térmico das cidades.

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AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPESP, CAPES e DAAD pelo apoio financeiro e bolsa para o desenvolvimento desta pesquisa.


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