SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL APLICADA À ILUMINAÇÃO

NATURAL EM SALAS DE AULAS DE CUIABÁ/MT

Vitor Hugo Almeida Monteiro

CUIABÁ/MT AGOSTO/2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

TRABALHO DE GRADUAÇÃO

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL APLICADA À ILUMINAÇÃO NATURAL EM SALAS DE AULAS DE CUIABÁ/MT

Trabalho de Graduação submetido ao Corpo Docente da Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia da Universidade Federal de Mato Grosso como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Vitor Hugo Almeida Monteiro Graduando

Profª Dr.ª Luciane Cleonice Durante Orientadora

CUIABÁ/MT AGOSTO/2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

TRABALHO DE GRADUAÇÃO

i

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL APLICADA À ILUMINAÇÃO NATURAL EM

SALAS DE AULAS DE CUIABÁ/MT

Vitor Hugo Almeida Monteiro

TRABALHO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DA

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO, COMO REQUISITO PARCIAL

PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE BACHAREL EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovado por:

________________________________________ Profª. Dr.ª Luciane Cleonice Durante – Orientadora

________________________________________ Prof. Ms. Simone Berigo Buttner – Membro

________________________________________

Prof. Ms. Tula Kirst Romani – Membro

__________________________________ Prof. Dr. Paulo Celso do Couto Nince

Coordenador de Trabalho de Graduação

CUIABÁ/MT AGOSTO/2013

ii

DEDICATÓRIA

As barreiras que passamos no decorrer da vida, só são superadas com a

cooperação e união dos amigos. Sendo assim, agradeço aos meus fiéis amigos,

meus pais, Torreszome Monteiro e Antonia Elezir de Almeida Monteiro, que me

deram a vida e me ensinaram a vivê-la com dignidade. Pelo esforço, dedicação,

compreensão e ensinamentos desta e de outras caminhadas. Sem vocês esse

sonho não seria realizado.

iii

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, fonte inesgotável de bênçãos e amor, por estar ao meu lado

durante toda minha existência me guiando no discernimento da sua bondade.

Obrigado, Pai!

À minha família, minha avó Estelita Antonia Correa de Almeida, meus irmãos

Rafael Almeida Monteiro e Torreszome Monteiro, em especial aos meus pais

Torreszome Monteiro e Antonia Elezir de Almeida Monteiro, pelo apoio durante o

curso e por toda a vida. Não tenho palavras pra expressar minha eterna gratidão.

Aos meus colegas e amigos Alexandre, Cristhiano, Edgar, Fernanda, Gabriela,

Giancarlo, Luciano, Maria Fernanda, Rafhael, Raquel, Fernando e Willian, por me

acompanharem nessa intensa jornada de cinco anos de estudos e torná-la mais

fácil com o convívio diário. Cinco anos de amizade verdadeira que se estenderá a

vida toda.

À Universidade Federal de Mato Grosso e todos os professores que contribuíram

veementemente para minha formação pessoal e profissional.

Ao Professor Luiz Miguel de Miranda, pelo exímio profissional e pela dedicação

integral para com seus alunos.

A minha Orientadora Luciane Cleonice Durante, que me ajudou na elaboração e

que me deu as diretrizes para a realização deste Trabalho de Graduação.

À banca de avaliação do trabalho de graduação, pela contribuição para o

aprimoramento do trabalho final.

iv

RESUMO

Resumo do Trabalho de Graduação submetido à FAET/UFMT como requisito parcial para

a obtenção do título de bacharel em Engenharia Civil.

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL APLICADA À ILUMINAÇÃO NATURAL EM

SALAS DE AULA DE CUIABÁ/MT

Vitor Hugo Almeida Monteiro

Agosto/2013

Orientador: Luciane Cleonice Durante

Departamento: Engenharia Civil

No cenário atual de aperfeiçoamento das funcionalidades das edificações, a iluminação

natural surge como um parâmetro importante para o aprimoramento do desempenho

termoenergético dos edifícios. O objetivo desta pesquisa foi analisar os efeitos do

sombreamento arbóreo nos níveis de iluminamento. Os objetos de estudo foram salas de

aula da cidade de Cuiabá/MT, sendo uma sala com fachadas totalmente exposta à

radiação solar e outra sala com uma de suas fachadas totalmente protegida pelo

sombreamento arbóreo. Ambas foram avaliadas por meio de simulações computacionais,

utilizando o software ReluxPro. Os dados de iluminância da simulação foram comparados

com dados medidos e foi proposto um modelo para representar o sombreamento na

situação estudada. Os resultados evidenciaram que o sombreamento arbóreo influencia

diretamente na penetração do fluxo luminoso, reduzindo de forma significativa a

iluminância no interior da edificação.

Palavras chave: - desempenho termoenergético

- sombreamento arbóreo

- iluminância

v

ABSTRACT

Abstract of the monograph submitted to FAET/UFMT as partial of the requirement for

obtaining the degree of Bachelor in Civil Engineering.

COMPUTER SIMULATION APPLIED TO NATURAL LIGHTING IN

CLASSROOMS CUIABÁ / MT

Vitor Hugo Almeida Monteiro

August/2013

Advisor: Luciane Cleonice Durante

Department: Civil Engineering

In the current scenario of improved functionality of buildings, natural lighting emerges as

an important parameter for improving the thermoenergetic performance of buildings. The

aim of this study was to analyze the effects of tree shading levels of illuminance. The

objects of this study were classrooms in the city of Cuiabá / MT. A room with is facades

totally exposed to solar radiation, and an other room with its facades fully protected by

tree shading. Both were evaluated through computer simulations using the software

ReluxPro. The illuminance data simulated were compared with we measured data and a

model was proposed to represent the shading in the studied situation. The results showed

that the tree shading influences the penetration of luminous flux, significantly reducing the

illuminance inside the building.

Key Words: - performance thermoenergetic

- tree shading

- iluminance

vi

SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO............................................................................................1

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................3

2.1. Aspectos quantitativos e qualitativos da luz .........................................................3

2.1.1. Fluxo luminoso ..................................................................................................3

2.1.2. Iluminância ........................................................................................................3

2.1.3. Eficácia luminosa .......................................................................................3

2.1.4. Luminância .................................................................................................3

2.1.5. Intensidade luminosa ..................................................................................4

2.1.6. Absorção e absortância ..............................................................................4

2.1.7. Contraste ....................................................................................................4

2.1.8. Reflexão e refletância .................................................................................4

2.1.9. Refração .....................................................................................................6

2.1.10. Transmissão e transmitância ....................................................................6

2.1.11. Ofuscamento ............................................................................................6

2.1.12. Fator de luz diurna....................................................................................7

2.2. Iluminação natural ................................................................................................9

2.2.1. Importância da luz natural nas edificações .................................................9

2.2.2. Sistemas de iluminação natural ................................................................10

2.2.3. Iluminação lateral .....................................................................................12

2.2.4. Iluminação Zenital ....................................................................................14

2.3.1. O hemisfério unitário e o principio do ângulo solido projetado ..................18

2.3.2. Procedimento de calculo: Método do fluxo dividido - considerações ........20

vii

CAPÍTULO 3 - MÉTODO E MATERIAIS...........................................................................21

3.1. LOCAL DA PESQUISA ......................................................................................21

3.2. MATERIAIS ........................................................................................................22

3.3. MÉTODO ...........................................................................................................25

3.3.1. Variáveis características da simulação do software ReluxPro ..................25

3.3.2. Componentes dos resultados de Cálculo ReluxPro ..................................27

3.3.3. Calibração dos dados simulados ..............................................................28

CAPÍTULO 4 - ANÁLISE DOS RESULTADOS..................................................................30

4.1. Simulação computacional e medições in loco ....................................................30

4.2. Análise da iluminação natural com e sem sombreamento arbóreo .....................35

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO E SUGESTÕES.................................................................38

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................................39

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 01 - Formas de reflexão............................................................................................5

Figura 02 - Formas de refração...........................................................................................6

Figura 03 - Tipos de ofuscamento.......................................................................................7

Figura 04 - Principais variáveis que interferem na iluminação natural...............................11

Figura 05 - Hemisfério de raio unitário e sua projeção no plano horizontal.......................19

Figura 06 - Princípio do ângulo solido projetado................................................................19

Figura 07 - Fontes de Luz natural que alcançam a edificação..........................................20

Figura 08 - Localização da escola no perímetro urbano de Cuiabá..................................21

Figura 09 - Posição relativa da edificação escolar e da sala sem sombreamento (sl) e na condição de sombreamento arbóreo (sb)..........................................................................22

Figura 10 - Sala de aula com iluminação lateral por janelas baixas e altas......................23

Figura 11 - Planta baixa da sala sem sombreamento arbóreo..........................................25

Figura 12 - Planta baixa da sala com sombreamento arbóreo..........................................26

Figura 13 – Gestor de cálculos – Divisão 1.......................................................................27

Figura 14 – Relação entre posição e nomenclatura dos pontos de medição..............................................................................................................................29

Figura 15 - Gráfico comparativo do ponto P11..................................................................32

Figura 16 - Gráfico comparativo do ponto P12..................................................................33

Figura 17 - Gráfico comparativo do ponto P13..................................................................33

Figura 18 - Correlação da variação média da iluminação natural com sombreamento....34

Figura 19 - Correlação da variação média da iluminação natural sem sombreamento....34

Figura 21 - Valores das iluminâncias nas medições in loco com e sem sombreamento

arbóreo...............................................................................................................................35

Figura 22 - Valores das iluminâncias nas simulações com e sem sombreamento arbóreo...............................................................................................................................36

ix

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Cores das texturas das salas de aula...............................................................24

Tabela 02 – Inventário das unidades arbóreas de sombreamento (UA) das salas...........25

Tabela 03 – Posições relativas das unidades arbóreas de sombreamento.......................25

Tabela 04 – Variação da iluminância nas simulações e medições no Ponto P11.............30

Tabela 05 – Variação da iluminância nas simulações e medições no Ponto P12.............31

Tabela 06 – Variação da iluminância nas simulações e medições no Ponto P13.............31

Tabela 07 – Iluminância em (lux) dos pontos das salas sombreada e sem sombreamento...................................................................................................................37

1

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

Este trabalho de graduação tem como temática a análise dos aspectos qualitativos e

quantitativos da iluminação natural por meio da simulação computacional. O trabalho

consiste de simulações computacionais do nível de iluminância de salas de aula,

buscado-se o melhor modelo para representar o ambiente da edificação escolar, por meio

do software ReluxPro. A validação dos dados foi feita pela comparação entre os dados

simulados e medidos in loco, baseado em Durante (2012).

Na construção civil, a eficiência energética refere-se às edificações que proporcionam as

mesmas condições ambientais com um consumo energético menor (LAMBERTS;

DUTRA; PEREIRA, 2004). O desempenho energético e ambiental da edificação é

resultado da relação que a mesma tem com o ambiente onde está inserida, além do

desempenho e eficiência de seus equipamentos.

Independentemente do setor da economia, o consumo de energia elétrica para

iluminação é elevado, podendo representar um grande potencial de economia de energia.

Conforme Ramos (2008) a iluminação chega a ser responsável por 10% a 17% do

consumo total de energia elétrica no Brasil; parcela esta que pode ser reduzida com

medidas que propiciem o uso da iluminação natural.

Tendo em vista este cenário, a iluminação natural surge como um grande potencial para

uma melhor integração com a iluminação artificial na busca da eficiência energética. Este

potencial pode ser aproveitado obtendo-se uma interação entre projetos arquitetônicos,

paisagísticos e disponibilizando de novas tecnologias na construção civil, que aprimoram

uma melhor adequação da arquitetura ao clima.

Assim sendo, esta pesquisa tem por objetivo analisar os efeitos do sombreamento

arbóreo nos níveis de iluminamento em salas de aula de Cuiabá/MT. Apresentam-se

como objetivos específicos: propor uma modelagem computacional para o sombreamento

arbóreo (a), simular computacionalmente a luz natural por meio do software ReluxPro (b),

comparar os aspectos quantitativos e qualitativos da luz natural medidos in loco com os

simulados (c) e analisar comparativamente os níveis de iluminamento natural da sala com

e sem sombreamento arbóreo.

A propriedade principal desta pesquisa é a investigação da influência do sombreamento

arbóreo na iluminação natural em edificações escolares típicas da cidade de Cuiabá/MT.

Dentro desse contexto, hipóteses foram formuladas como possíveis respostas para a

questão da pesquisa: o sombreamento oriundo de árvore de copa de grande porte e

2

denso reduz a iluminação natural da sala de aula em 80% (a), para o modelo de salas de

aula estudado, as perdas são significativas apenas nas áreas mais próximas à janela

sombreada (b) e a simulação computacional se apresentam como um recurso eficiente

para o estudo da iluminação natural (c).

Esta pesquisa pretende fornecer uma avaliação comparativa da interferência do

sombreamento arbóreo na iluminação natural em salas de aula, fornecendo dados dos

aspectos quantitativos e qualitativos da luz para otimização de futuros projetos de

edifícios escolares, do ponto de vista da integração da iluminação natural no

desempenho energético da edificação.

3

CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1. Aspectos quantitativos e qualitativos da luz

Apresenta-se a seguir os conceitos básicos em iluminação, obtidos conforme Vianna &

Gonçalves (2001).

2.1.1. Fluxo luminoso

Somente certo intervalo de comprimento de ondas eletromagnéticas é sensível ao olho

humano. Nesse sentido, a luz consegue produzir estímulos visuais. Então fluxo luminoso

é a energia de radiação emitida por uma fonte de luz percebida pelo olho humano. Essa

radiação é emitida em lúmen (lm), o intervalo de comprimento de onda citado esta entre

380 a 780nm. No caso da iluminação natural, o fluxo luminoso, é a potência radiante

emitida pelo sol e pelo céu.

2.1.2. Iluminância

É determinada como sendo o limite da razão entre o fluxo luminoso incidente sobre uma

superfície cuja área tende a zero, ou seja, é a quantidade de luz dentro de um ambiente,

sua unidade é o lux (lx = lm/m²).

Uma vez que os objetos possuem diferentes capacidades de reflexão da luz, fica

abrangida que certa quantidade de iluminância pode originar diversas luminâncias. Uma

das características mais importantes da iluminância é o fato de reduzir-se de forma

proporcional com o quadrado da distância da fonte.

2.1.3. Eficácia luminosa

Esta ligada à eficiência energética, sua unidade é lumen/watt, pois é a relação entre o

fluxo luminoso emitido por uma fonte e o seu fluxo energético (potência elétrica)

consumido para produzi-lo. Para avaliações mais detalhadas de economia no consumo

energético das instalações de iluminação artificial, esta grandeza se torna muito útil,

torna-se um parâmetro de comparação entre lâmpadas. Em outras palavras, obtém-se

mais luz com menor gasto de energia quanto mais eficácia luminosa.

2.1.4. Luminância

Lembrando o fato de que os raios luminosos não são visíveis, a percepção de

luminosidade é decorrente da reflexão desses raios por uma superfície. Essa

luminosidade, então visível, é chamada de luminância, ou seja, é uma parte da luz

4

incidente sobre uma superfície que é refletida. O brilho observado é chamado de

luminância. Vale observar que o nível de reflexão é a relação entre o fluxo luminoso

incidente e o refletido pela superfície, que varia de acordo com a cor e a textura. Assim,

podem-se obter diversas luminâncias de uma mesma iluminância. Sua unidade de

medida é o candela por metro quadrado (cd/m²), sendo o candela um coeficiente de

intensidade luminosa.

2.1.5. Intensidade luminosa

Para análise da quantidade de lúmens que são emitidos por uma fonte luminosa, é

imprescindível que sejam feitas medições na direção a qual se deseja aferir, pois a fonte

luminosa nunca irradia a luz de maneira uniforme. Assim, cada direção possui um vetor e

o seu comprimento indica a intensidade luminosa, sendo, portanto, a medida da

percepção da potência emitida por uma fonte luminosa em uma dada direção. Sua

unidade de medida é a candela (cd).

2.1.6. Absorção e absortância

A absorção é a capacidade de transformação da energia radiante, em outra forma de

energia, quando incidente sobre um objeto devido à interação com a matéria que o

compõe, sendo, portanto, a parcela da luz absorvida por uma superfície. A absortância é

a razão do fluxo luminoso absorvido em relação ao fluxo incidente.

2.1.7. Contraste

É a diferença relativa de luminância de um objeto e seu entorno, que na realidade fazem

com que o objeto seja distinguível de outros e do plano de fundo. Em outras palavras, o

contraste é a diferença de aparência de duas ou mais matérias quando avaliadas pelo

observador.

2.1.8. Reflexão e refletância

Segundo Vianna & Gonçalves (2001), a reflexão é determinada como sendo o regresso

de uma radiação sobre uma superfície sem a alteração de sua constância

monocromática. A refletância, por sua vez, é a medida da fração retornada do fluxo

luminoso incidente sobre a superfície em determinada condição.

A reflexão luminosa é o alicerce da construção e utilização dos espelhos, tanto os planos,

como os esféricos. Têm função determinada na construção civil e na arquitetura como

elementos de decoração, mas também, elementos de trabalho utilizados para aumentar

5

espaços e obter mais luz para um espaço escuro. A reflexão é separada de três formas,

como é mostrado abaixo, na Figura 1.

Figura 01 - Formas de reflexão Fonte: Berti, 2009

I. Reflexão especular

Reflexão espelhada da luz em uma determinada superfície, no qual a luz de uma única

direção de entrada (vetor-raio) é refletida em uma única direção de saída (VIANNA &

GONÇALVES, 2001).

II. Reflexão difusa

Reflexão da luz a partir de uma superfície de tal forma que um raio incidente se reflete

em vários ângulos em vez de em apenas um ângulo tal como na ocorrência da reflexão

especular. Uma superfície difusa ideal iluminada refletindo terá igual luminosidade de

todas as direções em torno daquela superfície (VIANNA & GONÇALVES, 2001).

III. Reflexão mista

Reflexão parcialmente especular e parcialmente difusa (VIANNA & GONÇALVES, 2001).

6

2.1.9. Refração

É a alteração na propagação de uma radiação eletromagnética, acarretada pela mudança

de sua velocidade de propagação. Pode ocorrer quando a onda eletromagnética passa

através de um meio opticamente heterogêneo ou através de uma face que separa dois

meios distintos. A refração é separada de duas formas, conforme é mostrado na figura 2:

Figura 02 - Formas de refração Fonte: Berti, 2009

I. Refração Regular

Quando um feixe paralelo incide em meio transparente, ao refratar, ele continuará

paralelo (VIANNA & GONÇALVES, 2001).

II. Refração Difusa

Quando um feixe paralelo incide em meio translúcido, ao refratar, ele deixara de ser

paralelo (VIANNA & GONÇALVES, 2001).

2.1.10. Transmissão e transmitância

Transmissão é a passagem da onda eletromagnética por um meio sem a alteração de

freqüência de seus elementos monocromáticos. Já a transmitância é a medida da fração

do fluxo radiante ou luminoso incidente sobre a superfície que é conduzida através dessa

superfície.

2.1.11. Ofuscamento

Ofuscamento é o prejuízo ou a diminuição da capacidade de distinguir elementos ou

detalhes, dificultando o entendimento da mensagem visual e pode ser causado por

contraste excessivo ou a distribuição desfavorável das iluminâncias. Ocorre de maneira

direta: pela visão direta da fonte da luz; ou indireta: por reflexão.

7

O ofuscamento é uma sensação e, portanto, pode apenas causar desconforto visual, sem

necessariamente enfraquecer a visão dos objetos; as sensações de desconforto podem

ser distintas. Genericamente, os olhos se adaptam melhor a uma fonte luminosa grande,

que toma uma parte maior do campo de visão. O ofuscamento pode ser dividido em:

I. Ofuscamento direto

Acontece devido a uma fonte luminosa posicionada na mesma ou aproximadamente na

direção do objeto observado.

II. Ofuscamento indireto

Ocorre quando a uma fonte luminosa estabelecida numa determinada direção difere

daquela do objeto observado.

III. Ofuscamento por reflexão

Produzido por reflexões especulares derivadas de fontes luminosas, especialmente

quando as representações refletidas surgem na mesma ou aproximadamente na direção

do objeto analisado.

Figura 03 - Tipos de ofuscamento 1 Fonte: Berti, 2009

2.1.12. Fator de luz diurna

Para se conceituar o Fator de Luz do dia (FLD) conforme Cábus (1997), pode se dizer

que é a contribuição de iluminação natural absorvida no interior de um ambiente. Esta

consideração foi criada para contornar o problema da variabilidade da disponibilidade da

luz natural, expressando os valores internos através de valores percentuais em relação

8

aos níveis externos, ponderando que a quantidade de luz disponível em um ponto interno

de uma edificação altera proporcionalmente em relação à luz disponível externamente.

Hopkinson et al. (1975) apud. Cabús (1997) descrevem este fator como:

“O Fator de Luz do Dia é uma medida da iluminação natural em um

ponto de um dado plano, expressa como uma relação da iluminação no

plano dado e no ponto em causa, com a iluminação exterior imultânea

em um plano horizontal proveniente da totalidade de um céu não

obstruído com uma distribuição de luminâncias suposta ou conhecida. A

luz solar direta exclui-se de ambos os valores de iluminação (interior e

exterior).” (Cábus,1997, pg.155)

O Fator de Luz Diurna (FLD) é admitido como constante para cada um dos pontos do

espaço, sendo analisado como um céu com repartições de luminâncias constantes e

iguais em relação ao azimute (céu encoberto), ou seja, o FLD não depende da

orientação, da hora do dia ou do dia do ano, dependendo exclusivamente da localização

(latitude e longitude) do lugar ao qual pertence (Tavares et al., 2007 apud. Berti, 2009).

Segundo a norma brasileira de iluminação natural (NBR 15215-3, ABNT 2005) o FLD é

descrito como:

“[...]a razão entre a iluminância Ep, num ponto localizado num plano

horizontal interno, devido à luz recebida direta ou indiretamente da

abóbada celeste, com uma distribuição de luminâncias assumida ou

conhecida e a iluminância simultânea Ee num plano externo horizontal

devido à uma abóbada celeste desobstruída[...]” (ABNT NBR 15215-3,

2005, pg. 5)

O conceito de Fator de Luz do Dia foi desenvolvido para cálculo sob condição de céu

totalmente encoberto, com isso, o FLD apresenta-se como um valor constante durante

todo o ano, independente da orientação das aberturas. Por conseguinte, o FLD que é

comumente expresso em porcentagem, evidenciando a quantidade de luz disponível

internamente em relação à luz externa, pode ser empregado como critério de

comparação para analisar o desempenho entre distintas alternativas de edificações.

Estes valores do FLD podem ser multiplicados pelas disponibilidades de luz aferidas para

diversas épocas do ano, sob condição de céu encoberto e com isso, obter os valores de

iluminância nos ambientes internos da edificação (CÁBUS, 1997).

Alguns estudos realizados nos Estados Unidos sugerem uma metodologia de cálculo do

FLD sob condição de céu claro (Robbins et al., 1986 apud. Cabús, 1997). Nesta

9

qualidade, o FLD irá modificar de acordo com a hora do dia, a época do ano e a

orientação da abertura. Em nenhum dos dois casos, céu encoberto e céu claro, a

contribuição da luz direta do Sol é ponderada nos cálculos (CÁBUS, 1997).

2.2. Iluminação natural

2.2.1. Importância da luz natural nas edificações

A importância do uso da iluminação natural nas edificações relaciona-se com a

característica e qualidade da luz, a comunicação com o exterior, a conservação da

energia, bem como economia.

A história da Arquitetura é acompanhada pela utilização da luz natural em edificações

como fonte de iluminação. Sua apresentação é considerada, de acordo com Moore et al.

(1991, apud. Cabús, 1997), sinônimo de limpeza, pureza e sabedoria. (IES

DAYLIGHTING COMMITTEE et. al., 1979, apud. Cábus, 1997), por sua vez certifica que

a iluminação natural de acordo com a história sempre foi uma prestigiosa força na

acepção de formas arquitetônicas.

Nos últimos anos, quando se começou a falar mais metodicamente sobre conservação e

racionalização do uso da energia elétrica nos edifícios, o aspecto da inserção da luz

natural como fonte de iluminação passou a adquirir importância cada vez maior. A

eficiência da iluminação natural nas edificações pode ser vinculada a uma boa relação de

parâmetros arquitetônicos, como as aberturas projetadas nas edificações, definindo a

área e o espaço que irão ocupar nas fachadas e nas coberturas das residências

facilitando a passagem e a dispersão do iluminância nos ambientes.

As fontes de luz natural podem ser divididas em duas categorias: recurso direto (luz do

sol e da abóbada celeste) e recurso indireto (luz refletida). Assim sendo, a iluminância

que chega a um dado ponto pode ter recebido o aporte da radiação direta, difusa ou de

ambas, dependendo das circunstâncias do local aonde se encontra o objeto analisado.

Para o diagnóstico de todas as variáveis que interferem na iluminação natural é

imprescindível à concepção deste princípio básico (PEREIRA, 2006).

A deliberação por parte do projetista em usar a iluminação natural em edificações deve

ser tomada levando-se em conta todas as particularidades da luz solar, ponderando-as

de acordo com sua importância, como projetar-se um sistema de iluminação natural

fornecido essencialmente pela fonte secundária da abóbada celeste, evitando a

incidência direta de a luz solar nos ambientes, pois a luz do sol em excesso, sem nenhum

10

iluminação zenital ' L

tipo de atenuamento, pode causar distintos sintomas de desconforto visual aos ocupantes

como perda ou redução da capacidade de distinguir objetos ou detalhes (BERTI, 2009).

Outro aspecto importante nos projetos arquitetônicos é que segundo Pereira (2006), a luz

natural colabora para o aumento da carga térmica nos ambientes, e com o objetivo de

aprimorar o desempenho ambiental das edificações é necessário analisar a participação

da luz natural sob o ponto de vista térmico e luminoso.

2.2.2. Sistemas de iluminação natural

A luz sempre foi essencial como fonte de energia para o desenvolvimento das mais

distintas atividades da humanidade, é ela que desponta a forma e o espaço da matéria.

Sendo assim, o homem sempre tentou trazer para dentro de sua moradia e demais

edificações a luz natural. Para tanto, se usa como um dos recursos para tal, a iluminação

zenital, que consiste em aberturas localizadas na cobertura de uma edificação (cobertura

translúcida, cúpulas, clarabóias, domos, lanternim, sheds, dentre outros) e/ ou iluminação

lateral (janelas, porta janelas em terraços, paredes translúcidas e cortinas de vidro).

A integração da luz artificial com diferentes sistemas de iluminação natural pode fornecer

melhores resultados em termos de redução no consumo de energia nas edificações.

Segundo Amorim et. al. (2002, apud. Pereira, 2006), os sistemas para a luz natural

empregam a luz do zénite e do céu de modo eficaz, guiando-a com mais

profundidade e uniformidade para o interior das edificações. A percepção dada à

iluminação em qualquer projeto tem de ser única, assim como, utilização dos

sistemas de iluminação natural deve ser minuciosamente estudada e projetada

juntamente com o sistema de iluminação artificial, para que efetivamente

resultem em um projeto sustentável, nos termos de eficiência energética, tendo

em vista os elevados gastos em iluminação artificial nas edificações.

As técnicas de iluminação para um ambiente qualquer dependem de qual atividade

específica será realizada neste local, assim como das necessidades dos usuários. Os

principais critérios para uma boa iluminação são garantir os níveis mínimos e a

uniformidade da luz em todo espaço tendo como diretriz a norma da ABNT (2005), assim

como, evitar o ofuscamento que pode ser ocasionado pela incidência direta do sol no

ambiente. Outra estratégia importante é a economia de energia através de um correto

aproveitamento da luz natural, sem prejudicar os níveis mínimos demandados para a

tarefa visual desempenhada e garantindo o conforto ao usuário (DIDONÉ, 2009).

11

O conceito de iluminação natural envolve o aproveitamento de todos os componentes

internos e externos a uma edificação que podem ser beneficiados pelo uso da luz natural.

Os dois objetivos primordiais de um bom projeto de iluminação natural são proporcionar

luz suficiente para uma tarefa visual eficaz e assegurar um ambiente luminoso confortável

e apropriado ao seu fim, além de representar economia de energia na edif icação. Uma

boa iluminação natural no interior de um edifício depende das dimensões internas do

ambiente, da distribuição das aberturas, e do tipo de esquadria utilizada (PEREIRA,

2006).

Um sistema de iluminação natural é composto pela fonte de luz, direta ou indireta do sol e

do céu, pelas aberturas no edifício com os seus elementos de sombreamento, filtros,

assim como pelas superfícies interiores de reflexão do ambiente.

A escolha do sistema de iluminação natural adequado é crucial para um bom

desempenho da edificação, deve levar em conta a forma e a disposição dos ambientes

que compõem o edifício, a integração da iluminação natural com a iluminação artificial, o

tipo de tarefa visual a ser executada, o conforto do usuário nos ambientes, bem como

condições de ordem econômica e tecnológica, assim como, aspectos relativos ao clima

local, conforme a Figura 04 (CÁBUS, 1997).

Figura 04 - Principais variáveis que interferem na iluminação natural Fonte: Vianna e Gonçalves, 2004

12

Podem-se classificar os sistemas de iluminação natural em lateral e zenital. Existe

também, a possibilidade da união das caracteristicas desses dois sistemas formando o

átrio, que configura-se por um espaço central, com iluminação zenital na cobertura que

serve para a captação e distribuição da luz nas aberturas laterais em edifícios de múltiplos

andares. A geometria e proporção do átrio estabelecem a quantidade de luz direta captada

por este sistema (PEREIRA, 2006).

A iluminação lateral é mais adequada às regiões próximas às janelas, porém como a

iluminância produzida reduz-se à medida que se afasta da fonte, este sistema provoca

uma distribuição de iluminâncias inadequada na maioria dos casos. Por sua vez, a

iluminação zenital fornece, em geral, uma maior uniformidade na distribuição da luz sobre

o campo de trabalho, quando comparada a sistemas laterais com mesma área de

abertura. Além disto, sua capacidade em captar a radiação luminosa, quer do sol, quer da

abóbada celeste é outro aspecto a ser ressaltado. No entanto, não fornece uma visão do

entorno, necessidade básica na grande maioria dos ambientes. Somado a essa questão,

outro problema dos sistemas zenitais é a limitação do seu uso em edificações de mais de

um pavimento ou ambientes de cobertura (CABÚS, 1997).

2.2.3. Iluminação lateral

As aberturas transparentes ou translúcidas que conformam a iluminação lateral incluem

os seguintes sistemas básicos: janelas simples, janelas com brises horizontais, janelas

com brises verticais, janelas com persianas, janelas com prateleiras de luz, janelas com

grelhas reflexivas, paredes e portas translúcidas ou de vidros, entre outros. A iluminação

unilateral tem como característica mais definida a não uniformidade de sua distribuição

de luz pelo espaço. Nota-se que a iluminância próxima às aberturas tem valores muito

elevados que decrescem velozmente em compasso com o afastamento das mesmas

(Pereira, 2006).

A iluminação natural lateral é a mais empregada nas edificações. Uma boa iluminação

lateral se baseia na adequada localização das janelas em relação ao interior e nas

características que cada tipo de fechamento tem, analisados do ponto de vista

luminotécnico. Uma característica marcante da iluminação lateral é sua diversidade em

termos de distribuição pelo local. Nos ambientes iluminados lateralmente, o nível de

iluminância diminui velozmente com o aumento da distância da janela, ocasionando uma

iluminação desigual, especialmente em ambientes muito profundos, onde as áreas

próximas à janela são bem iluminadas, enquanto a poucos metros adiante o ambiente

pode se mostrar bastante sombrio (Pereira et. al., 1993, apud. Didoné, 2009).

13

A eficiência de uma abertura num ambiente pode ser dividida em quatro grandes grupos:

insolação, visualização do ambiente externo, ventilação e iluminação natural. Os recentes

avanços tecnológicos ajudaram a fazer da janela um aliado nos esforços para conservar

a energia elétrica com o uso da luz natural. Usadas corretamente, as janelas podem

minimizar os ganhos solares não desejados no verão e as perdas de calor no inverno,

sem perda da iluminação natural (Mills et. al., 2005, apud. Didoné, 2009).

Um bom projeto arquitetônico leva em consideração o tipo de função que irá ser realizada

naquele espaço, assim como, utiliza-se de distintos recursos que podem ser utilizados

para melhorar a penetração da luz no ambiente atenuando de forma estratégica na

iluminação natural dos ambientes. Caso seja uma circulação, por exemplo, onde não é

um pré-requisito a uniformidade, devido a curta permanência, não são necessárias

estratégias adicionais para sanar o problema. Porém, no caso de ambientes em que a

uniformidade seja pré-requisito, deve-se dispor de janelas com altura maiores, utilizar o

recurso da reflexão em sistemas conhecidos como prateleiras de luz. Estes sistemas

redirecionam a luz direta do Sol para superfícies como o forro e paredes que, por sua

vez, através da reflexão, distribuirão a luz pelo ambiente, evitando a incidência direta no

plano de trabalho e permitindo uma penetração mais proporcional no ambiente e menos

“agressiva” ao usuário. A utilização de elementos de sombreamento externos como os

brise-soleils, beirais, varandas, entre outros, ajuda a diminuir a desuniformidade da

iluminação unilateral através da diminuição da iluminância em áreas próximas às

aberturas (PEREIRA, 2006).

As janelas são os sistemas de iluminação natural mais comumente utilizado nos projetos

que permite a entrada de luz nos ambientes, sendo definidos como uma abertura lateral

de vedação arquitetônica. Sua eficiência, no entanto, depende do tipo de material do

elemento de vedação (geralmente utiliza-se o vidro) e da escolha das dimensões da

abertura, tendo ainda uma perda considerável e proporcional da iluminância à medida

que aumenta a distância da mesma (BERTI, 2009).

As janelas podem ser contínuas ou descontínuas posicionadas em diferentes alturas na

parede. As janelas contínuas proporcionam uma iluminação mais uniforme nas regiões

próximas às aberturas do que as descontínuas. Janelas posicionadas mais altas nas

paredes propiciam uma penetração mais profunda da luz, melhorando a uniformidade e

diminuindo o ofuscamento quando não estão situadas na linha de visão. Este é o caso

das janelas altas e estreitas. Esta tipologia permite uma maior privacidade. Quanto mais

baixa a janela estiver situada maior a iluminância próxima da mesma, diminuindo a

uniformidade e com maior risco de ocorrência do ofuscamento. Apesar destes

14

inconvenientes, esta tipologia é a mais utilizada, pois permite o contato dos ocupantes

com o meio externo, proporcionando enormes benefícios para os mesmos. Ambientes

com duas ou mais janelas possuem uma distribuição da luz mais equilibrada do que

aqueles que possuem apenas uma abertura (PEREIRA, 2006).

A principal função de uma abertura é a de proporcionar aos ocupantes o contato visual

com o mundo exterior e permitir que a luz penetre no interior de um edifício em tal

quantidade e com tal distribuição que resulte em uma iluminação interior satisfatória.

Dentro de certos limites, quanto maior for à área de uma abertura, maior será a

quantidade de luz recebida no interior do ambiente. Embora a janela permita a

penetração da luz do dia, não é exclusivamente dela que dependem a quantidade e a

qualidade da iluminação interior. É uma função do tamanho, formato e disposição das

janelas, mas também das propriedades refletoras das superfícies interiores,

representando todos estes elementos uma significativa contribuição para a iluminação

interna (Hopkinson et al., 1975, apud. Didoné, 2009).

2.2.4. Iluminação Zenital

A iluminação zenital é relacionada por aberturas situadas nas coberturas das edificações,

utilizadas nomeadamente em ambientes de grandes profundidades. A iluminação zenital,

segundo Robbins et. al. (1986, apud. Cabús, 1997), é aquela onde a luz natural adentra

no ambiente através de aberturas posicionadas no teto, as quais comumente fazem parte

da cobertura da edificação.

Devido à vinculação das condições externas, tanto a iluminação zenital quanto a lateral,

não se tem luz suficiente para todo o tempo diário de iluminação, além de em dias

nublados e chuvosos a quantidade de luz que chega até o usuário, reduz-se

consideravelmente, fazendo com que se utilize iluminação artificial. Já que não é possível

dominar o sol, faz-se necessário o controle deste através de sua transmissão e

distribuição. Assim sendo, como a luz direta deve ser evitada no plano de trabalho, a luz

proveniente de fonte zenital pode ser redirecionada, por exemplo, através de placas

sombreadoras e refletidas, tirando partido de elementos refletores da luz, como as

paredes.

As principais características da iluminação zenital são, segundo Gonçalves (2001):

“Maior uniformidade de distribuição da luz, visto que as aberturas podem

estar uniformemente distribuídas pela cobertura; quanto maior o pé-

direito do espaço, maior a tendência de uniformidade da luz; devem ser

15

utilizados preferencialmente para espaços com grandes dimensões,

inclusive em relação ao pé-direito; possuem o custo inicial mais alto e

necessitam de maiores cuidados de manutenção; deve-se atentar para

os problemas térmicos provenientes desta tipologia, pricipalmente

àquelas com superfícies iluminantes horizontais.” (Gonçalves, 2001, pg.

102)

A combinação da janela com a abertura zenital pode controlar a quantidade e melhorar a

distribuição de luz natural no espaço. Os sistemas para a luz natural que utilizam a luz do

zênite e do céu de maneira eficiente, e a guia com mais profundidade e uniformidade

para o interior dos ambientes. Podem ter o mesmo efeito de abrigo solar que

normalmente se consegue com os dispositivos de sombreamento externo, amortizando

as temperaturas internas devido à diminuição da carga térmica. Além disso, estes

sistemas podem reduzir os custos de energia para a luz artificial e possibilitam maior

liberdade de disposição nos locais de trabalho (DINONÉ, 2009).

A distribuição de luz no interior de um local iluminado zenitalmente dependerá da forma

dos elementos zenitais seguidos no projeto, as quais, segundo Gonçalves (2001) podem

ser divididas em:

I. Sheds

O shed é caracterizado por telhados em forma de dentes de serra (faces de pouca

inclinação alternadas com outras quase verticais), essa tipologia fornece uma iluminação

em torno de três quartos do valor obtido com a mesma superfície iluminante localizada

continuamente sobre um teto horizontal, pois, para proporcionar iluminação e ventilação

precisam ser guarnecidos com caixilhos ou com algo que possibilite essas funções,

impedindo a penetração de chuvas. Esse sistema é muito utilizado em fábricas,

especialmente quando não é possível obter luz lateral, ou está deficiente pela excessiva

largura do corpo do edifício.

II. Lanternins

O lanternim, abertura na parte superior do telhado, ideal para se conseguir boa

ventilação, já que, permite a renovação contínua do ar pelo processo de termossifão

resultando em ambiente confortável.

16

III. Teto de dupla inclinação

O teto de inclinação dupla que contém superfícies iluminantes possui quase a mesma

eficiência de um teto horizontal com superfícies envidraçadas, é da ordem de 90% de

eficiência, todavia, normalmente está associado a grandes ganhos térmicos.

IV. Clarabóias

Esta tipologia requer maior manutenção devido à posição mais horizontal da superfície

iluminante. Deve-se ter cautela quanto à questão térmica, pois essas podem promover

um aumento desagradável da temperatura do ambiente construído. Existem também as

Clarabóias tubulares, que são domus com tubos reflexivos que conduzem a luz natural da

cobertura até o ambiente a ser iluminado, recomendado usar em áreas que possuem a

cobertura com certa profundidade e em retrofits e espaços existentes.

V. Cúpula

Uma cúpula (ou domo) é uma abóbada hemisférica ou esferóide. Se a base é obtida

paralelamente ao menor diâmetro da elipse, resulta-se em uma cúpula alta, dando a

sensação de um alcance maior da estrutura. Se a seção é feita pelo maior diâmetro o

resultado é uma cúpula baixa.

Chicheerchio et. al. (1978, apud. Cabús, 1997) ressalta que a deliberação pelo uso da

iluminação zenital pode ser assumida tanto por aspectos objetivos, quanto subjetivos, em

função do efeito que se espera obter. Em muitos casos, em conseqüência das limitações

dos demais conceitos, representa a única solução. A otimização da relação entre o ganho

de luz e de calor, para circunstâncias que variam a cada dia e a cada estação. Rogers et.

al. (1964, apud. Cabús, 1997) por sua vez, lembra as dificuldades num projeto de

coberturas, devido a necessidade de se levar em conta diversos fatores independentes

entre si, como a transferência de calor, a iluminação e até infiltrações de água.

A vantagem da iluminação zenital é oferecer maior uniformidade e maior iluminância

média sobre a área de trabalho do que uma superfície iluminante lateral, sendo a zenital

indicada para locais profundos e grandes espaços contínuos.

Dentre as desvantagens do uso de aberturas zenitais, o Energy Research Group et. al.

(1994, apud. Cabús, 1997) levanta que, confrontadas com janelas verticais, elas coletam

mais luz e calor no verão que no inverno, normalmente o inverso do que seria esperado.

No entanto, Lam et. al. (1986, apud. Cabús, 1997) adverte que essa diferença entre as

estações em regiões equatoriais é pequena, portanto, não podendo ser considerado esse

17

fato. Em regiões de alta latitude, devem-se adotar sistemas de clarabóia, dente-de-serra

ou lantemim; os quais podem ser direcionados para a orientação mais apropriada. Caso o

sistema de abertura seja composto por um envidraçamento transparente, o ofuscamento

se torna outro problema na edificação.

Esse problema reduz-se com o uso de meios de transmissão difusos ou com a obstrução

da insolação direta Courret et al. (1994, apud. Cabús, 1997) apresentam um conceito de

iluminação zenital, denominado anidólico, que garante uma proteção total contra a

radiação direta do sol, permitindo a penetração da luz difusa da abóbada celeste, através

do uso de elementos parabólicos reflexivos, que selecionam a entrada da radiação

luminosa no ambiente interno. Outra limitação exacerbada por Lam e Robbins et. al.

(1986, apud Cabús, 1997) é o seu uso limitado em edificações com vários pavimentos,

uma vez que pode apenas iluminar um ou dois andares, para outras situações tomam-se

imperiosos sistemas de átrios e pátios de iluminação natural, por essa e outras razões.

O átrio é uma tipologia de iluminação natural que convenciona características dos sistemas

laterais e zenitais. Conformar-se por um espaço central de uma edificação, com iluminação

zenital na cobertura que convém para a captação e distribuição da luz principalmente em

edifícios de múltiplos de andares (PEREIRA, 2006).

Em edifícios comerciais e residenciais de antigamente, a maior função do átrio era levar

um pouco do ambiente externo, através da iluminação natural para as áreas destinadas à

circulação de pessoas. Atualmente o átrio faz parte de uma arquitetura típica de prédios

comerciais, como por exemplo, em centros de compras (BERTI, 2009).

A geometria e proporção do átrio instituem a quantidade de luz direta captada por este

sistema, se ele possuir a altura maior do que a largura, a contribuição de luz direta recebida

nos pavimentos inferiores será muito pequena e, por isto, as paredes laterais do ambiente

central devem ter alta refletividade para aumentar a iluminância nas partes mais baixas dos

edifícios (PEREIRA, 2006).

De acordo com o tratamento da superfície destas paredes laterais, será definida a

contribuição da repartição da luz por reflexão, fechamentos envidraçados amortizam a

quantidade de luz refletida, por isto eles devem ser reduzidos de acordo com a

necessidade mínima de luz em cada pavimento. As formas escalonadas propiciam uma

boa repartição da luz no ambiente da edificação (PEREIRA, 2006).

18

2.3. Métodos de avaliação da luz natural nos ambientes internos

Apresentam-se a seguir os procedimentos de cálculo para a determinação da iluminação

natural em espaços internos, baseados conforme a NBR 15215-3 (ABNT, 2005).

A amplitude e a distribuição da luz no ambiente interno dependem de um conjunto de

variáveis, tais como: disponibilidade da luz natural (quantidade e distribuição variáveis

com relação às condições atmosféricas locais), obstruções externas, tamanho,

orientação, posição e detalhes de projeto das aberturas, características óticas dos

envidraçados, tamanho e geometria do ambiente e das refletividades das superfícies

internas.

As decisões mais críticas para um bom projeto de iluminação natural são tomadas nas

etapas iniciais do projeto, assim como, para maximizar suas vantagens e reduzir custos é

ideal tirar proveito e controlar a luz disponível em cada ambiente. O critério para a análise

da iluminância em ambiente onde os usuários ocupam posições fixas durante longo

período do dia, deve ser distintas daquelas onde pessoas transitam livremente nas

direções das aberturas ou paralelo a elas; em alguns ambientes é recomendada uma

iluminação variada em outros e desejável uniformidade.

Para quantificar a iluminação natural nos espaços internos não se utiliza de um

conjugado de valores absolutos, mas um conceito de a iluminação natural interna num

dado local como uma porcentagem da iluminação externa.

“A figura mais conhecida para esta medida é o “Daylight Factor – DF”,

recomendada pela CIE – Commission Internationale de I’Eclairage,

definido como a razão entre a iluminância Ep num ponto – localizado

num plano horizontal interno, devido a luz recebida direta ou

indiretamente da abóboda celeste, com uma distribuição de luminâncias

assumida ou conhecida – e a iluminância Ee num plano externo

horizontal, devida à uma abóboda celeste desobstruída, conforme a

seguinte expressão: DF=Ep/Ee *100%”

2.3.1. O hemisfério unitário e o principio do ângulo solido projetado

Para consigná-la da distribuição espacial da luz que chega a qualquer ponto P em um

plano horizontal, é apropriado considerar o ponto envolvido por um hemisfério de raio

unitário. Círculos de raios de azimute auxiliam a definir a direção do ponto P para cada

ponto no hemisfério e a direção de qualquer ponto no espaço interno ou externo, (Figura

05).

19

Figura 05 - Hemisfério de raio unitário e sua projeção no plano horizontal Fonte: ABNT NBR 15215-3, 2005

Para a computação da iluminação determinada num ponto P por uma abertura, produz-se

a projeção radial da abertura sobre um hemisfério de raio unitário centrada num ponto P

e obtém-se dS, um componente do hemisfério, conforme a Figura 06. Em P a área dS vai

acobertar o mesmo ângulo sólido que a abertura.

Figura 06 - Princípio do ângulo solido projetado Fonte: ABNT NBR 15215-3, 2005

“Caso P esteja num plano horizontal e β seja o ângulo entre a vertical e

a direção de dS e L seja a luminância do céu visível através da

cobertura, a iluminância em P será calculada pela seguinte expressão:

dE = L * dS * cos β

Caso a projeção ortogonal de S no plano horizontal seja Q:

20

Q = dS * cos β

Substituindo expressão 2 em 1, tem-se:

dE = L * dQ

e integrando a expressão acima obtém-se, de modo simplificado:

E = ʃ L * dQ

Como a iluminância E é proporcional a projeção horizontal dQ, é possível

a utilização de métodos de representação gráfica que relacionem a

geometria e distancia dos objetos ao ponto de referencia.” (ABNT – NBR

15215-3, 2005, pg.06)

2.3.2. Procedimento de calculo: Método do fluxo dividido - considerações

O método do fluxo dividido fundamenta-se na consideração de múltiplos caminhos

através dos quais a luz natural pode alcançar um ponto no interior de uma edificação.

Distinguem-se três caminhos básicos resultantes da divisão do fluxo luminoso admitindo

em três componentes, (Figura 07).

Figura 07 – Fontes de luz natural que alcançam a edificação Fonte: ABNT NBR 15215-3, 2005

a) CC – Componente do céu: luz que obtém um ponto do ambiente interno

derivado absolutamente do céu;

b) CRE – Componente refletida externa: luz que alcança um ponto do

ambiente interno após abranger refletido em uma superfície externa;

c) CRI – Componente refletida interna: luz que obtém um ponto do ambiente

interno exclusivamente após ter sofrido uma ou mais reflexões nas superfícies

internas.

21

CAPÍTULO 3 - MÉTODO E MATERIAIS

3.1. LOCAL DA PESQUISA

A pesquisa foi realizada em uma edificação escolar típica do Estado de Mato Grosso,

conforme SEDUC (2009), localizada na região Norte de Cuiabá, e possui as seguintes

coordenadas geográficas no centro do pátio 53º03‟ O; 15º33‟ S.

O clima da cidade predominante é do tipo tropical semi-úmido, sendo a sua principal

característica a presença constante de temperaturas elevadas e sol intenso durante o dia.

A escola possui fachada principal orientada para direção Sudeste, localizado com altitude

de 233m, (Figura 08).

Figura 08 – Localização da escola no perímetro urbano de Cuiabá

Fonte: Durante, 2012

22

A escolha da edificação escolar para a realização do trabalho foi uma opção para a

extensão da pesquisa de Durante (Desempenho termoenergético de edificações

escolares – 2012), com ênfase na iluminação natural. Utilizaram-se os dados das

medições para garantir a validade dos resultados da simulação computacional.

As amostras consistiram de duas salas de aula, uma protegida parcialmente e a outra

exposta aos raios solares, conforme mostra a Figura 09, onde se visualiza também a

implantação da edificação escolar no terreno, assim como sua identificação conforme sua

condição de exposição sem sombreamento (sl) e com sombreamento (sb).

Figura 09 – Posição relativa da edificação escolar e da sala sem sombreamento (sl) e na condição de sombreamento arbóreo (sb)

Fonte: Durante, 2012

O sombreamento da sala era resultado de algumas unidades arbóreas na lateral, e o

ponto de referência para a posição relativa da sala sem sombreamento foi o pátio central.

Em relação à posição relativa das salas nos blocos da edificação escolar, a sala

sombreada (sala sb) ocupou posição ligeiramente deslocada da sala sem sombreamento

(sala sl).

3.2. MATERIAIS

A edificação escolar constitui-se de blocos horizontais paralelos entre si, distribuídos a

esquerda e a direita de uma circulação central que se inicia no acesso principal da

escola. Entre os blocos, formam-se espaços livres e há um pátio central principal entre o

23

primeiro e segundo bloco à direita da circulação central. O sistema estrutural é em

concreto armado, com pórticos a cada 3,00m portando balanços de 1,25m. Esses

balanços formam beirais que desempenham a função de circulação coberta para as

salas.

As salas medem 6,0 x 8,0m, possuem forros em laje com pé-direito de 2,9m. São

providas de iluminação natural oriundas das janelas de peitoris baixos (0,90m) e altos

(2,10m) nas paredes laterais (Figura 09).

A altura total da edificação é de 3,78m e os vãos das telhas de fibrocimento Canalete 90

no sentido longitudinal permitem a ventilação do ático (Figura 10).

Figura 10 – Sala de aula com iluminação lateral por janelas baixas e altas Fonte: Durante, 2012

As paredes são de bloco cerâmico de oito furos rebocados em ambas as faces, cobertura

em telha de fibrocimento, modelo Canalete 90, espessura de 8 mm, forro em laje,

esquadrias de chapa metálica com vidros 4mm e piso em granilite. Os valores adotados

no projeto para as cores são os relacionados nas especificações da Tabela 01.

Tabela 01 – Cores das texturas das salas de aula

24

Conforme Durante (2012), fez-se o inventário do sombreamento arbóreo, identificando as

espécies, projeção da copa e altura (Tabela 02). Na Tabela 03 são apresentadas as

posições das unidades arbóreas relativamente às fachadas da sala.

Tabela 02 – Inventário das unidades arbóreas de sombreamento (UA) das salas

Tabela 03 – Posições relativas das unidades arbóreas de sombreamento

Dentre os diversos tipos de softwares disponíveis atualmente no mercado para a

realização de pesquisas envolvendo aspectos quantitativos e qualitativos da luz, foi

escolhido o ReluxPro, um software totalmente traduzido para o português, além de ser

gratuito disponível para Download na internet. Este programa é simples e intuitivo de

usar, garantindo assim um planejamento de forma eficiente. Com mais de 300.000

luminárias e sensores disponíveis, os tornam um dos melhores softwares para o uso no

planejamento de trabalho, com procedimento Raytracing, ou seja, a luz é representada

por feixes de raios que permite gerar imagens profissionais para o projeto, simulações

com avaliação de luz e cores em imagens, assim como, fazer uso dos resultados de

cálculos dos aspectos qualitativos e quantitativos da luz. No trabalho foi executada a

simulação computacional da luz natural em salas de aula de Cuiabá/MT por meio de

gráficos e planilhas nos cálculos do software.

25

3.3. MÉTODO

3.3.1. Variáveis características da simulação do software ReluxPro

Foram apontados três pontos da sala dispostos em posições estratégicas, também foram

levantados todos os materiais e texturas que representam o ambiente interno da sala de

aula sem sombreamento (Figura 11), conforme Durante (2012).

Figura 11 – Planta baixa da sala sem sombreamento arbóreo Fonte: Software ReluxPro

26

Juntamente com a modelagem da sala sem sombreamento foi feita a modelagem da sala

com sombreamento, com os mesmos materiais e texturas, porém, com a inclusão da

representação do sombreamento arbóreo (Figura 12).

Figura 12 – Planta baixa da sala com sombreamento arbóreo Fonte: Software ReluxPro

27

A modelagem do sombreamento arbóreo foi definido por tentativas na calibração da

simulação, assim, foi escolhido um modelo fornecido pelo software, com características

de grande porte e copa compacta. Foram utilizados 3 árvores idênticas dispostas em um

eixo paralelo a sala de aula, à uma distância média de 6 metros do tronco a fachada.

O modelo apresenta uma largura de 12 metros perpendicular à fachada e 11 metros de

largura paralela à fachada, o fuste possui comprimento de 3,98 metros e a copa com 8,06

metros, totalizando uma altura total de 12,04 metros. Para corresponder à realidade do

local, os modelos arbóreos foram alocados lado a lado, com as copas se entrelaçando

em média de 6 metros.

3.3.2. Componentes dos resultados de Cálculo ReluxPro

O ReluxPro dispõe de diversas opções e variáveis que interferem nos resultados da

iluminação dentro de um ambiente interno ou externo. A Figura 13 representa o gestor de

cálculos do software.

Figura 13 – Gestor de cálculos – Divisão 1 Fonte: Software ReluxPro

28

Nessa etapa do projeto são inseridos os dados referentes ao cenário de simulação da

luz. Têm-se diversas opções de tipos de iluminação: luz artificial, luz natural, iluminação

de emergência, sensores, gráficos de altitude solar, e tem-se a opção de interpolar todas

elas. Após a escolha da iluminação ao qual irá simular, entra-se com os dados referentes

ao cenário da edificação.

Calculando totalmente a malha da área de medição à 0,75m do piso, no plano de

referência da visão de estudos dos alunos, a malha foi dividida a cada 10 cm no plano

horizontal aonde os alunos abrangem sua visão de trabalho.

Realizou-se uma simulação para cada hora do dia, para sala com e sem sombreamento

arbóreo, das 06h00min do período da manhã até as 18h00min do período da tarde,

executando assim, um total de vinte e quatro simulações.

O gestor de cálculos do Reluxpro apresenta os resultados da simulação em diversas

etapas e planilhas, com isso se obtém um melhor resultado nos aspectos quantitativos e

qualitativos da luz, com uma adequada calibração equivalente aos dados reais.

3.3.3. Calibração dos dados simulados

O levantamento dos aspectos quantitativos e qualitativos da iluminação natural no

ambiente escolar foi realizado por meio de sensores instalados nas salas de aulas e no

pátio do lado de fora do bloco da edificação escolar, conforme Durante (2012), das quais

o dia 30/12 foi a data escolhida para a realização da simulação da luz natural no

ambiente interno das salas, esta que por sua vez estava em um dia de céu limpo,

facilitando a calibração dos dados e aspectos da iluminação natural.

Obteve-se uma planilha completa da iluminância, nos pontos (P11, P12, P13) conforme a

Figura 14, no ambiente interno da sala de aula, e assim fez-se a comparação dos dados

da simulação e medição nas condições de iluminância com e sem sombreamento

arbóreo.

Nos mesmos pontos, de medição de Durante (2012) no interior das salas, foram

investigados os valores da iluminância no software ReluxPro. Primeiramente realizou

diversas tentativas nas simulações, com alternância das texturas do cenário da sala e

mudança de dados para realização dos cálculos, até se obter a melhor calibração dos

dados simulados com o real. Com isso obteve-se um conjunto de dados dos aspectos

qualitativos e quantitativos da luz.

29

Figura 14 – Relação entre posição e nomenclatura dos pontos de medição

Fonte: Durante (2012)

As janelas baixas (J1) e altas (J2) possuem peitoris de 0,90 e 2,10m, com alturas de 0,84

e 1,20m, respectivamente.

Para a melhor calibração dos dados da simulação computacional optou-se por iluminação

totalmente natural, com céu limpo conforme CIE, ou seja, o céu é azul e o disco solar é

quase branco, na data de 30/12 conforme (Durante, 2012), com a quantidade máxima de

16 reflexões, parâmetro essencial para o resultado da simulação.

Os valores obtidos na simulação computacional por tentativas de adequação dos dados

inseridos no programa ReluxPro, foram calibrados em relação aos valores das medições

de Durante (2012).

Para análise comparativa dos efeitos do sombreamento arbóreo nos níveis de iluminância

foi utilizado à análise técnica de linha de tendência R², a linha de tendência é uma linha

formada por mínimos relativos consecutivos ou por máximos relativos consecutivos.

A linha de tendência serve para análise técnica que serve para verificar se existe relação

entre duas ou mais variáveis. O diagrama de dispersão mostrará que a correlação será

tanto mais forte quanto mais próxima estiver o coeficiente de –1 ou +1, e será tanto mais

fraca quanto mais próxima o coeficiente estiver de zero.

30

CAPÍTULO 4 - ANÁLISE DOS RESULTADOS

Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos neste trabalho bem como uma

análise e interpretação dos mesmos, através das metodologias descritas no capítulo

“Método e Materiais”. Em se tratando de um trabalho de caráter exploratório de

tentativas, a análise de resultados consiste no repasse sintético das informações

adquiridas nas fontes de medições de Durante (2012) e na calibração dos dados das

simulações computacionais, sempre respeitando os critérios e métodos descritos no

capítulo 3.

4.1. Simulação computacional e medições in loco

A simulação da geometria real da sala em estudo foi realizada no dia 30/12, um dia de

céu limpo conforme CIE, assim para que os resultados fossem calibrados e comparados

com a realidade. Como pode ser observado na metodologia deste trabalho um dos

pilares que sustentam o pretexto dessa pesquisa é a análise comparativa entre os dados

da iluminação natural simulados computacionalmente com os dados medidos in loco. A

comparação dos aspectos qualitativos da luz natural se deu por conta da iluminância, ou

seja, a quantidade de luz dentro do ambiente, medida em (lux), nos pontos P11, P12 e

P13, conforme as Tabelas 04, 05 e 06, respectivamente.

Tabela 04 – Variação da iluminância nas simulações e medições no ponto P11

31

Tabela 05 – Variação da iluminância nas simulações e medições no ponto P12

Tabela 06 – Variação da iluminância nas simulações e medições no ponto P13

32

No ponto P11, observou-se que na comparação da simulação sem sombreamento

arbóreo houve uma diferença média de 10% de em relação às medições reais, já na

simulação com sombreamento arbóreo houve uma diferença média 14%, conforme a

Figura 15. Inclui-se que houve um aumento na iluminação natural no período vespertino,

por se tratar de um ponto que recebe radiação direta do sol a partir das 12 horas do dia.

a) b)

Figura 15 – Gráficos comparativos do ponto P11 na sala sem sombreamento arbóreo (a) e

com sombreamento arbóreo (b)

O ponto P12 localiza-se praticamente no centro da sala, entre os pontos P11 e P13. Na

análise nota-se que houve calibração dos valores da iluminação natural, principalmente

na simulação da sala sem proteção arbórea, ou seja, pois no gráfico sem sombreamento

arbóreo houve uma diferença média de 7%, e nas simulações com sombreamento

arbóreo houve uma diferença de 29% nos resultados, (Figura16).

a) b)

Figura 16 – Gráfico comparativo do ponto P12 na sala sem sombreamento arbóreo (a) e

com sombreamento arbóreo (b)

A iluminação natural nesse ponto acontece por raios diretos e por reflexões da luz solar.

Com isso, a modelagem do cenário influenciou bastante nos resultados da iluminação

natural nesse ponto.

33

Já o ponto P13 recebe incidência direta dos raios solares no período matutino,

fundamentalmente das 9hs ate às 11hs da manhã, pois esse ponto fica ao lado da janela

na fachada secundária da sala e se localiza em uma área que não recebe influência

direta do sombreamento arbóreo (Figura 17).

Na análise comparativa dos dados simulados e medidos houve uma diferença média de

7% na sala sem sombra, já na sala com sombreamento houve diferença de 13%.

a) b)

Figura 17 – Gráfico comparativo do ponto P13 na sala sem sombreamento arbóreo (a) e

com sombreamento arbóreo (b)

Em análise ao resumo dos resultados, observa-se que houve calibração dos dados

simulados e medidos, principalmente na sala sem sombreamento. Na sala com

sombreamento arbóreo houve uma maior diferença nas médias das iluminâncias

simuladas e medidas, fato pelo qual a modelagem da árvore se torna um objeto abstrato

no software, sendo muito difícil sua representação em programas computacionais.

Na comparação das simulações e das medições por meio de planilhas, obteve-se a linha

de tendência R² para a comparação da diferença da iluminação natural na sala exposta à

radiação solar e na sala protegida parcialmente com sombreamento arbóreo. As

medições de Durante (2012) apresentaram nos três pontos uma média de 319,69 lux e

60,15 lux, enquanto as simulações obtiveram-se médias de 340,43 lux e 68,68 lux para

sala sem sombreamento e com sombreamento arbóreo respectivamente.

Com a análise dos gráficos comparativos foi possível atingir uma média da diferença de

valores da luz natural, obtidos da medição in loco em relação à simulação computacional.

Nessa comparação obteve-se na sala sem sombra uma média de 20,74 lux de diferença

da simulação em relação à medição, já na sala com sombreamento arbóreo obteve-se

uma diferença média de 8,53 lux na comparação, conforme mostram as Figuras 18 e 19,

34

que apresenta a correlação dos pontos da variação da medição e simulação, nas salas

sem e com sombreamento arbóreo, respectivamente.

Figura 18 – Correlação da variação da iluminação natural sem sombreamento

Figura 19 – Correlação da variação da iluminação natural com sombreamento

35

Analisando os resultados da iluminação natural no diagrama de dispersão, obteve-se um

coeficiente 0,949 da linha de tendência no cenário sem sombreamento arbóreo, já na

análise da iluminação com sombreamento arbóreo obteve-se um coeficiente de 0,887;

havendo então a calibração aceitável dos resultados da iluminação natural nas salas com

e sem sombreamento arbóreo, evidenciando a eficiência do software nas simulações da

iluminação natural.

4.2. Análise da iluminação natural com e sem sombreamento arbóreo

Outro objetivo é a análise comparativa dos aspectos qualitativos e quantitativos da

iluminação natural com e sem sombreamento arbóreo. Com isso obteve-se dois gráficos

comparativos, o primeiro nas medições de Durante (2012) (Figura 20) e outro, nas

simulações computacionais por meio do software ReluxPro (Figura 21).

Figura 20 – Valores das iluminâncias medidas nos pontos P11, P12 e P13 das salas

A iluminância na sala de aula com sombreamento, teve uma redução média de 259,54

lux, em relação à sala exposta à radiação solar nas medições. Já nas simulações do

Software ReluxPro, houve uma redução média na iluminação natural de 271,75 lux na

comparação das salas de aula. Com isso pode se inferir que o sombreamento arbóreo

contribui significativamente na redução da luz natural em ambientes internos, uma

redução média de 80,5% na iluminação natural em relação a ambientes não sombreados.

36

Figura 21 – Valores das iluminâncias simuladas nos pontos P11, P12, P13 das salas

Ao se avaliar a comparação dos valores, observa-se que a iluminância impetrados tanto

nas medições in loco como nas simulações, o sombreamento arbóreo faz-se reduzir

consideravelmente a luz natural do ambiente interno da sala de aula, principalmente no

ponto P11 que recebe influência direta do sombreamento arbóreo, conforme se observa

na Tabela 07.

37

Tabela 07 – Iluminância em (lux) dos pontos das salas sombreada e sem

sombreamento

Observando a Tabela 07, nota-se que no ponto P11 houve uma redução média de 78%

na iluminância da sala não sombreada em relação à sala sombreada, já no ponto P12

houve uma redução média de 64% na iluminação natural, uma redução mais moderada

em relação ao ponto P11, pois esse ponto recebe iluminação natural por reflexões da luz

solar. Na comparação da sala sem sombreamento em relação à sala sombreada no

ponto P13, houve uma redução média de 45% na iluminância. A menor redução da

iluminação natural em relação aos pontos pesquisado, assim sendo por se tratar de um

ponto que não recebe influência direta do sombreamento arbóreo.

38

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO E SUGESTÕES

Os efeitos do sombreamento arbóreo na edificação foram analisados e quantificados em

relação à iluminação natural. Os resultados da diminuição da iluminação natural em

ambientes internos, tanto nas medições como nas simulações foram muito expressivos.

Pôde-se constatar através dos gráficos gerados, o comportamento da iluminação natural

por meio da iluminância (lux) durante o período do dia de 30/12 para o interior das salas

sombreada e não sombreada.

O sombreamento arbóreo foi capaz de reduzir consideravelmente a iluminação natural na

sala de aula, reduzindo 66% nas medições, já nas simulações houve uma redução de

65% na comparação das salas sombreadas e exposta a radiação solar. É importante

ressaltar, que a modelagem do sombreamento arbóreo foi apenas uma escolha de um

modelo arbóreo disponível no software ReluxPro, aonde pode-se ressalvar algumas

possíveis diferenças nos resultados das simulações com sombreamento arbóreo.

O software ReluxPro é praticamente todo em português de fácil manipulação, em que,

também pode-se criar um modelo arbóreo próprio por métodos construtivos dentro do

programa, apresenta muita variabilidade nas formas de cálculo da iluminação natural,

com essas ferramentas foi possível a calibração dos valores, produzindo resultados muito

próximo a realidade.

Assim, para todas as simulações e avaliações, pode-se constatar que o sombreamento

arbóreo influencia diretamente na iluminação natural, reduzindo em até 80% da

iluminância em ambientes internos dependendo do modelo arbóreo que se apresenta no

projeto. Constatou-se que com a calibração dos resultados da iluminância da luz natural

nas salas de aula, a simulação computacional por meio do software ReluxPro, apresenta-

se como um recurso eficiente para a avaliação e o estudo da iluminação natural.

Recomenda-se ao realizar a simulação do efeito da luz natural em edificações, a variação

das espécies arbóreas com características de área foliar distintas, nas condições de

radiação solar da cidade de Cuiabá.

Para complementar esta pesquisa, sugere-se para trabalhos futuros a realização da

simulação computacional da iluminação natural, nestas mesmas condições de edificação

e entorno, construindo um novo modelo arbóreo. O objetivo é obter uma calibração nos

dados simulados e medidos para a comprovação da eficiência do software e para

avaliação da economia que se pode obter, com a iluminação totalmente natural em salas

de aula e o aprimoramento no conhecimento desse tema.

39

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