o efeito do sombreamento no conforto tÉrmico …

VI Seminário Latino Americano de Geografia Física

II Seminário Ibero Americano de Geografia Física

Universidade de Coimbra, Maio de 2010

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O EFEITO DO SOMBREAMENTO NO CONFORTO TÉRMICO

ESTUDO DE CASO: CIDADE DE SÃO PAULO

Ana Claudia Carfan1, Emerson Galvani2, Jonas Teixeira Nery3

(1) Doutoranda- FFLLCH USP [email protected]. (2) Prof. Dr. - FFLLCH USP [email protected]

(3) Prof. Dr. - UNESP [email protected]

Introdução

O microclima nos espaços abertos das áreas urbanas é influenciado por diversos

parâmetros como a geometria urbana, a vegetação, corpo d’água e propriedades

térmicas dos materiais de construção. Os usos inadequados dessas variáveis

contribuem para um ambiente desfavorável com temperaturas no ambiente urbano

superior a do seu entorno, criando as chamadas “ilhas de calor”.

Ruas e praças estão entre os espaços urbanos que vêm se deteriorando quanto à

qualidade ambiental e conforto térmico. Esta degradação é devida, principalmente, a

uma descontinuidade no uso desses espaços. Em regiões tropicais onde predominam

altas temperaturas quase o ano todo, os espaços públicos abertos só podem ser

freqüentados se houver sombreamento o que torna as temperaturas amenas e

suportáveis.

Os primeiros estudos de conforto térmico foram realizados para áreas fechadas,

locais de trabalho, com a finalidade de proporcionar maior rendimento do trabalhador.

O ambiente interno sofre influência direta do ambiente externo, sendo necessária

também a realização de estudos de conforto térmico em áreas abertas.

Emmanuel et al., (2007) realizou um estudo de microclima urbano em Colombo, Sri

Lanka, utilizando o modelo ENVI-met para simular o efeito dos diferentes desenhos

urbanos, na temperatura e no conforto térmico. Neste estudo o autor utilizou o PET

(physiologically equivalent temperature). O PET é um índice de conforto térmico para

áreas externas que é baseado na temperatura radiante e do ar, bem como na umidade

e no vento. Emmanuel relaciona a razão altura (h) e largura(w), ou seja, a altura

dividida pela largura, dos chamados “cânions” urbanos com valores de temperatura,

ou seja, a temperatura máxima diária diminui com o aumento da taxa h/w. O conforto

térmico, portanto, está diretamente ligado ao desenho urbano, uma vez que o

aumento da referida taxa de 1 a 3 faz com que o índice PET diminua cerca de 10ºC.

Gaitani et al., (2005) estudaram o conforto térmico em espaços abertos na região

de Atenas, usando dois índices de conforto térmico, a saber, COMFA (Brown and

mailto:[email protected]

Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais

2

Gillespie, 1995), que é baseado na condução de energia da pessoa e TS que é baseado

na satisfação ou insatisfação de pedestres em ambientes externos. Estes índices foram

calculados para dois diferentes ambientes, onde o primeiro consiste em um espaço

construído convencional e o segundo um espaço construído de acordo com princípios

bioclimáticos. Os dois índices mostraram que o segundo espaço apresentou melhores

condições de conforto, devido à existência de áreas verdes, corpos de água e materiais

de construções com baixos valores de albedo.

Fahmy e Sharples (2009) estudaram a influência da forma urbana no conforto

térmico na cidade do Cairo, Egito. Foram analisadas as estruturas urbanas com suas

áreas verdes e a orientação das ruas, que podem influenciar no decréscimo da

temperatura e no aumento ou diminuição do vento.

Bueno - Bartholomei apud Guerra e Cunha (organizadores) (2009) avaliou a

atenuação da radiação solar por diferentes espécies de árvores e o conforto térmico

proporcionado pelas mesmas na cidade de Campinas, SP. O conforto térmico foi

avaliado através do Voto Médio Estimado (VME), proposto pela ISO 7730, 1994. A

espécie com melhor desempenho na redução da radiação foi o Jambolão, embora o

sombreamento desta árvore não tenha reduzido os valores de VME a níveis

considerados confortáveis.

O presente trabalho tem como objetivo comparar o conforto térmico apresentado

por uma mesma área com a altura das construções existentes no local modificada, ou

seja, as alturas das edificações da área real foram diminuídas quatro vezes, dentro da

cidade de São Paulo. Para tal, foi utilizado o modelo ENVI-met, para calcular o índice

de conforto térmico PMV (voto médio predito) desenvolvido por Fanger (1972).

Área de estudo

A cidade de São Paulo está localizada no Sudeste do Brasil, no Planalto Atlântico

em um compartimento rebaixado. Segundo o IBGE possui uma área de 1523km2 e uma

população estimada (2007), em 10.886.518 habitantes. Segundo Valente de Macedo

(2009) suas características ambientais são definidas por sua condição geográfica

acidentada com colinas que variam entre 650 e 1200m de altitude e a proximidade

com o oceano Atlântico influenciam fortemente o padrão de circulação atmosférica. O

clima é subtropical com a temperatura média no mês de julho de 14,3ºC e do mês de

fevereiro de 22,3ºC. As chuvas são predominantemente no verão, sendo janeiro o mês

mais chuvoso com uma média de 228,6mm de precipitação, dados da prefeitura

municipal (www.prefeitura.sp.gov.br 20/11/2009).

http://www.prefeitura.sp.gov.br/




3

O bairro da Consolação, na cidade de São Paulo, faz parte da subprefeitura da Sé e

está localizado na área central da cidade (Figura 1).

Figura 1 – Localização da área de estudo. Fonte: o autor

A área escolhida para simulação refere-se a quatro x quatro quadras (540 x 540m)

do bairro da Consolação. Trata-se de uma região densamente construída, com altos

edifícios e vegetação acompanhando a calçada.

A Figura 2 refere-se à grade de entrada do modelo. A resolução da grade é de:

X = 4,5m, y = 4,5m e Z = 6,0m e foi gerada dentro do próprio modelo. A borda do

modelo (condições de contorno) representada na Figura 2, com a cor amarela não

deve ser analisada, pois o modelo não realiza os cálculos nessa região.

Figura 2 – Grade de entrada do modelo para a área do Bairro

da Consolação, São Paulo.


4

Para este estudo determinou-se um ponto (x) dentro da grade, como mostra a

Figura 2 para análise mais detalhada da temperatura do ar, umidade específica,

velocidade do vento e número de Richardson.

Metodologia

Neste trabalho utilizou-se o modelo ENVI-met versão 3.0/3.1. O modelo micro-

climático é tridimensional concebido para simular a interação superfície - planta -

atmosfera no ambiente urbano, com uma resolução entre 0,5 e 10m. Este modelo foi

desenvolvido por Bruse e Fleer (1998) e Bruse (2004).

Os dados de entrada do modelo são: temperatura do ar, direção e velocidade do

vento e umidade relativa e foram obtidos do site Tempo Agora

(www.tempoagora.uol.com.br em 29/06/2009).

O tempo de simulação foi de 24h, com início às 6h00min. A data escolhida para a

simulação foi 29/06/2009, portanto um dia de inverno na região que apresentou

temperatura máxima média Tmax = 25,5ºC, temperatura mínima média Tmin = 13,4oC

e sem ocorrência de chuva, dados do Ciiagro (www.ciiagro.sp.gov.br em 27/06/2009).

A simulação foi feita para duas situações: uma com a altura real das construções

existentes no local e outra com uma diminuição de quatro vezes a altura real.

Escolheu-se este valor de diminuição, pois a menor cobertura, na altura real, apresenta

uma altura de 4m.

O modelo forneceu dados de temperatura do ar na superfície, temperatura média

radiante (TMR) e os índices de conforto térmico PMV (voto médio predito) e PPD

(porcentagem de pessoas insatisfeitas) desenvolvidos por Fanger (1972) e adotado

pela norma ISO 7730, norma internacional que estabelece critérios para avaliar o

conforto térmico.

O índice PMV varia segundo a escala a seguir: Tabela 1 - Escala do índice PMV

-3 muito frio -2 frio -1 levemente frio 0 confortável 1 levemente quente 2 quente 3 muito quente

Fonte: ISO7730 - 1994.

Conforme a ISO 7730, os valores recomendados de PMV estão entre

-0,5 < PMV < + 0,5 e PPD não deverá ultrapassar 10%.

http://www.tempoagora.uol.com.br/

http://www.ciiagro.sp.gov.br/




5

A TMR é definida como a temperatura de um corpo negro imaginário que produz a

mesma perda de calor por radiação como num local real e engloba os fluxos de

radiação de ondas curtas e longas, tanto direta quanto refletida. É um dos parâmetros

mais importantes no balanço de energia e no conforto térmico humano e é utilizada

para calcular a perda de calor sensível (H), na equação do PMV. Um indivíduo que se

encontre diretamente exposto à radiação solar pode estar sujeito a uma TMR muito

superior à temperatura ambiente, podendo atingir diferenças acima de 25ºC, no caso

de uma pessoa sentada com todo o corpo exposto à radiação solar máxima. A

temperatura média radiante para uma condição de conforto, segundo a ISO 7730

deverá estar entre 10 e 40ºC para o ser humano não se sentir desconfortável.

Condições de estabilidade ou instabilidade atmosféricas são detectadas através do

número de Richardson (Ri). Segundo Stull (1988) os limites do parâmetro de

estabilidade Ri

são os seguintes: Ri

> 0, caracteriza condições de atmosfera estável,

convecção suprimida, Ri

< 0 caracteriza instabilidade atmosférica e Ri

= 0 indica

neutralidade.

Com dos dados gerados pelo modelo foram feitos gráficos de temperatura média

radiante (TMR), dos índices PMV e PPD (Figuras 2 e 4).

Para a análise da velocidade e direção do fluxo de vento e turbulência foram feitos

gráficos de perfis verticais de temperatura do ar, velocidade do vento, umidade

específica e número de Richardson em um ponto central para as diferentes alturas

(Figura 15).

Tabela 2 – Dados de entrada do modelo

Variáveis de entrada

Dia 29.06.2009 Horário de início da simulação 6h Total de horas de simulação 24 horas Vel. Vento em 10m 1,0 m/s Direção do vento 225º Rugosidade 1.5 Umidade relativa 87% Temperatura do ar inicial 13ºC Atividade caminhando Vel. de caminhada 0,88m/s metabolismo 116 W/m2

índice de resistência térmica 0,5 Clo


6

Resultados e discussão

A Figura 3 apresenta os índices PMV para a área de estudo real, às 15h00min, no dia

26 de junho, inverno neste hemisfério. Os valores observados estão entre -1,5 e -1,0

que são considerados fora dos limites de conforto térmico, ou seja, desconforto

tendendo a frio. Esses valores são apresentados tanto por superfície asfaltada quanto

por superfície com concreto e neste horário sofrem o efeito do sombreamento pelas

construções.

Ainda na Figura 3, valores entre 1,5 e 2,0, em vermelho também estão fora da zona

de conforto tendendo a quente. Essas são áreas fora do sombreamento com a

radiação chegando diretamente a superfície, portanto mais aquecidas. O

sombreamento, juntamente com o aumento do albedo e a diminuição da densidade

de construção, tem sido uma alternativa para a mitigação da temperatura média

radiante.

Figura 3 – Índice de conforto térmico PMV para a região do bairro da

Consolação, São Paulo SP.

A área com altura dos prédios reduzida, Figura 4, apresenta um PMV para as

15h00min, entre 1,5 e 2,0, ou seja, desconforto térmico tendendo a quente mostrado

em vermelho na figura. Assim, com a redução da altura dos edifícios em quatro vezes,

as áreas antes sombreadas passaram a receber radiação solar direta gerando os

valores acima citados e apresentando desconforto térmico.




7

Para as áreas sob o efeito do sombreamento, os valores de PMV ficaram entre -1,5

e -1,0, apresentando desconforto tendendo a frio, como mostra a Figura 4, em áreas

em cor rosa.

Na análise das duas áreas, com relação ao PMV, a redução da altura dos edifícios

não apresentou conforto térmico, uma vez que, a radiação que chega a superfície na

região dos trópicos é intensa mesmo no inverno. Portanto, se a região recebe

insolação direta, em virtude da diminuição da altura das construções, gera desconforto

tendendo a quente, mantendo-se a altura dos edifícios, gera-se sombreamento e

desconforto tendendo a frio.

Figura 4 – índice de conforto térmico PMV com redução da altura das construções na região da Consolação, São Paulo SP.

A ISO 7730 considera um ambiente termicamente confortável onde menos de 10%

das pessoas sentem-se insatisfeitas.

A Figura 5 apresenta PPD entre 20 e 40% de pessoas insatisfeitas, portanto fora do

limite aceitável, portanto a área é considerada termicamente desconfortável.


8

Figura 5 – índice de conforto térmico PPD na região da Consolação, São Paulo.

Na redução da altura dos edifícios, Figura 6, observa-se pequenas áreas com PPD

abaixo de 10% que se pode considerar como manchas que podem ser termicamente

confortáveis dentro da área de estudo.

Figura 6 - índice de conforto térmico PPD, com redução da altura das construções na região da Consolação, São Paulo.

Observa-se ainda, que a maior parte da região apresenta um PPD acima de 40%, cor

rosa na Figura 6.




9

Considerando os valores recomendados pela ISO 7730, ou seja, -0,5 < PMV < + 0,5 e

PPD não deverá ultrapassar 10%, nenhuma das duas situações, altura real ou reduzida,

apresentou conforto para as 15h00min, horário que apresenta as maiores

temperaturas do ar na região.

A TMR ficou entre 20 a 25ºC, para as 15h00min, como mostra a Figura 7. Observa-

se que em regiões não sombreadas, em vermelho, a TMR apresenta valores acima de

60ºC. Embora a superfície esteja toda impermeável, revestida de concreto e asfalto, a

altura dos edifícios tem papel preponderante no aquecimento/resfriamento do ar e no

conforto térmico. Assim, quando se leva em conta apenas a TMR, a região pode ser

considerada confortável. Para o conforto térmico humano, além da temperatura,

deve-se observar também a velocidade do vento e a umidade relativa, assim que os

valores de PMV e PPD apresentam índices de desconforto, apesar da TMR apresentar

valores dentro dos limites aceitáveis pela norma ISO 7730.

Figura 7 – Temperatura média radiante as 15h00min no bairro da

Consolação, São Paulo.

A TMR para os edifícios com altura reduzida (Figura 8) apresenta valores acima de

60ºC, para toda a área, excetuando as áreas próximas as construções, sob o efeito do

sombreamento, que apresentam uma temperatura média radiante entre 20 e 25ºC. O

efeito esperado na redução de quatro vezes a altura das construções, que era reduzir

as áreas de sombreamento trouxe para a região valores de TMR acima dos limites

toleráveis para o ser humano.


10

Figura 8 – Temperatura média radiante às 15h00min, na Consolação,

São Paulo.

A modificação proposta na área de estudo provocou um aumento da temperatura

do ar, (Figura 9), entre as 9 e 16h00min. O valor máximo foi de 19ºC, às 13h00min para

a região com altura reduzida, quando o Sol está mais alto e 18ºC para a altura real dos

edifícios.

Figura 9 – Evolução horária da temperatura do ar na região da


A maior diferença de temperatura entre as duas situações foi de 0,9ºC nos horários

de 13 e 14h00min.

A umidade específica na região de estudo, apresentou o mesmo comportamento da

temperatura, ou seja, com a redução da altura dos edifícios houve redução do

sombreamento e o aumento da temperatura e da umidade específica, que aumentou

entre os horários de 8 e 16h como pode ser visto na Figura 10.

12,013,014,015,016,017,018,019,020,0

6 7 8 9 101112131415161718192021222324 1 2 3 4 5 6Tem

p. d

o a

r ºC

Horas

Baixa Real




11

Figura 10 – Evolução horária da umidade específica na região da


O aumento de umidade específica ocorreu entre as 12 e 14hmin e foi de 0,7g/kg.

Com a redução da altura dos edifícios a vegetação local passa a receber radiação direta

causando um aumento da evapotranspiração e justificando o aumento da umidade

específica.

Na análise da velocidade do vento observou-se que, com a diminuição da altura das

construções, a variação do fluxo de vento tornou-se menor. Na situação real a

velocidade do vento variou com altura, apresentando o menor valor de 0,14m/s, na

altura 2m e o maior valor de 3,54m/s na altura de 78m. Com o rebaixamento das

edificações a velocidade do vento apresentou o menor valor na altura de 2m (0,67m/s)

e a máxima velocidade 2,97 m/s na altura de 74m.

A Figura 12 apresenta o perfil vertical do número adimensional de Richardson (Ri).

Observa-se valores negativos que variam de -0,05 até -170,0 para as duas situações,

sendo que a situação de altura reduzida apresentou valores superiores aos

apresentados pela situação real, mostrando uma diminuição da turbulência com a

redução da altura das construções.

5,06,07,08,09,0

10,011,012,013,0

6 7 8 9 101112131415161718192021222324 1 2 3 4 5 6

Um

idad

e

esp

eci

fica

g/k

g

Horas

Real Baixa


12

Figura 11 - Perfil vertical da velocidade vento no ponto de estudo (x) no centro da grade.

Figura 12 - Variação vertical do número de Richardson no ponto de estudo (x) no centro da grade.

Conclusão

A redução da altura das construções apresentou modificação das variáveis

ambientais como temperatura e umidade, na representação do espaço analisado.

Na situação de redução da altura dos edifícios, o sombreamento foi diminuído e

aumentaram os valores de temperatura do ar e TMR. Com o aumento da temperatura

houve um aumento da umidade específica do ar. A velocidade do vento apresentou

maior variabilidade na situação real, comparativamente a situação de redução da

altura. As duas situações apresentaram desconforto térmico, sendo que a área real

apresentou desconforto tendendo a frio e a situação da altura reduzida apresentou

desconforto tendendo a quente.

Embora a alteração da altura das edificações não tenha gerado conforto térmico,

mostrou a modificação das variáveis ambientais na camada limite, conseqüentemente

alteração de parâmetros meteorológicos no local, mostrando, portanto, a importância

do estudo da estrutura urbana no clima local.




13

Bibliografia

Bueno-Bartholomei, C.L. 2003, Influência da vegetação no conforto térmico urbano e

no ambiente construído. Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade

Estadual de Campinas. 189p. Tese (Doutorado).

Bruse, M.; FLEER, H. 1998, ‘Simulating Surface- Plant-Air Interactions Inside Urban

Environments with Three Dimensional Numerical Model’. Environmental Modelling

and Software, v.13, p. 373–384.

Bruse M. 2004: ENVI-met website. http://www.envi-met.com.

Emmanuel, R.; Rosenlund, H.; Johansson, E. 2004, ‘Urban shading- a design option for

the tropics? A study in Colombo, Sri Lanka’. International Journal of Climatology,

vol. 27, issue 14, pp. 1995.

Fanger, P. O. 1972, Thermal comfort: analysis and applications in environmental

engineering. United States: McGraw-Hill Book Company.

Fahmy, M.; Sharples, S. 2009, ‘On the development of an urban passive thermal

comfort system in Cairo, Egypt’. Building and Environment. Volume 44, Issue 9,

September , p 1907-1916.

Gaitani, N.; Santamouris, M.; Mihalakakou,G. 2005, ‘Thermal comfort conditions in

outdoor spaces’. International Conference Passive and Low Energy Cooling for the

Built Environment, May, Santorini, Greece.

Guerra, A. J. T.; Cunha, S. B. (Org). 2009, Impactos ambientais urbanos no Brasil. Rio de

Janeiro: Bertrand Brasil.

Stull, R.B., 1988. An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic

Publishers, Dordrecht.

Thom, E.C. 1959, The discomfort index. Weatherwise (V). 2:57-60.

www.prefeitura.sp.gov.br acessado em 20/11/2009.

www.ciiagro.sp.gov.br acessado em 27/06/2009.

www.tempoagora.uol.com.br acessado em 29/06/2009.

http://www.envi-met.com/

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/author_form?author=Emmanuel,+R&fullauthor=Emmanuel,%20R.&charset=UTF-8&db_key=PHY

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/author_form?author=Rosenlund,+H&fullauthor=Rosenlund,%20H.&charset=UTF-8&db_key=PHY

http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/author_form?author=Johansson,+E&fullauthor=Johansson,%20E.&charset=UTF-8&db_key=PHY

http://doi.wiley.com/10.1002/joc.1609

http://www.sciencedirect.com/science/journal/03601323

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%235691%232009%23999559990%231037062%23FLA%23&_cdi=5691&_pubType=J&view=c&_auth=y&_acct=C000049647&_version=1&_urlVersion=0&_userid=972052&md5=c28d9af792e56f77b5509df3f78488e0

http://www.prefeitura.sp.gov.br/

http://www.ciiagro.sp.gov.br/

http://www.tempoagora.uol.com.br/

o efeito do sombreamento no conforto tÉrmico …

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