REABILITAÇÃO AMBIENTAL DE EDIFÍCIO PÚBLICO MODERNO: O CASO DO PALÁCIO ITAMARATY

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1 Universidade de Brasília Faculdade de Arquitetura e Urbanismo Programa de Pesquisa e Pós-graduação da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo REABILITAÇÃO AMBIENTAL DE EDIFÍCIO PÚBLICO MODERNO: O CASO DO PALÁCIO ITAMARATY JOSÉ CARLOS SOARES GRILLO Brasília, DF Dezembro de 2005

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3 ii Universidade de Brasília Faculdade de Arquitetura e Urbanismo Programa de Pesquisa e Pós-graduação da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo REABILITAÇÃO AMBIENTAL DE EDIFÍCIO PÚBLICO MODERNO: O CASO DO PALÁCIO ITAMARATY JOSÉ CARLOS SOARES GRILLO ORIENTADORA: PROF. DRA. CLÁUDIA NAVES DAVID AMORIM Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Arquitetura e Urbanismo da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de Brasília, como parte dos Requisitos para obtenção do título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo. Brasília, DF Dezembro de 2005

4 iii TERMO DE APROVAÇÃO REABILITAÇÃO AMBIENTAL DE EDIFÍCIO PÚBLICO MODERNO: O CASO DO PALÁCIO ITAMARATY Dissertação aprovada como requisito parcial à obtenção do grau de Mestre pelo Curso de Pós- Graduação da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de Brasília Candidato: José Carlos Soares Grillo Orientadora: Profa. Dra. Cláudia Naves David Amorim Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, UnB Comissão Examinadora : Prof. Dr. Otto Toledo Ribas Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, UnB Profa. Dra. Roberta Vieira Gonçalves de Souza Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, UFMG Brasília, DF Dezembro de 2005

5 iv À Inês pela ajuda nas diversas etapas

6 v AGRADECIMENTOS À Profª Cláudia Amorim, pela firme dedicação. Á amiga Juliana Garrocho, pelo apoio constante. Ao Grego, pela amizade e colaboração. Ao Junior e o João, da Secretaria da PPG-FAU. Ao Embaixador Almir Barbuda, pela confiança. Ao Ministro Paulo César de Camargo, pelo apoio. Aos colegas Antônio Aníbal e Patrício Porto, pela cooperação.

7 vi SUMÁRIO Lista de Figuras Lista de Tabelas Siglas e Abreviaturas ix x ix INTRODUÇÃO 1 1ª PARTE Conforto ambiental e eficiência energética, luz natural e arquitetura, Arquitetura moderna e preservação. Capítulo 1 Conforto ambiental 1.1 Conforto Térmico Conforto luminoso Principais grandezas fotométricas relativas à iluminação Eficiência energética Consumo de energia no Brasil Ações em andamento com apoio do Governo Federal Legislação brasileira sobre o uso e conservação de energia Normalização brasileira em conforto ambienta 15 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura 2.1 Projeto de luz natural e projeto arquitetônico Condições de céu e luz natural Características do clima e céu em Brasília Disponibilidade da luz natural Comportamento térmico dos edifícios Estratégias para a luz natural Funções das janelas Estratégias para o projeto das aberturas Estratégia para luz do céu Estratégia para céu nublado Estratégia para céu claro Estratégia para luz solar direta Acabamentos e mobiliário Sistemas para a Luz Natural Sistemas para Luz Natural, propostos para ambientes de escritórios Vidros refletivos e películas de superfície para proteção solar 32

8 vii Vidros refletivos Película de proteção solar Persianas para condução de luz Prateleiras de luz 36 Capítulo 3 - Arquitetura moderna e preservação 3.1 O Plano Piloto de Brasília A Esplanada dos Ministérios Preservação DOCOMOMO Declarações e Tratados Internacionais Retrofit e reabilitação ambiental de edifícios Estudo de caso: O Palácio Itamaraty 42 2ª PARTE: Estudo de caso -aspectos do conforto ambiental com otimização da luz natural no Palácio Itamaraty, proposta de intervenção, avaliação das propostas e conclusões. Capítulo 4 - Estudo de caso: Palácio Itamaraty, aspectos do conforto ambiental 4.1 Caracterização do edifício Metodologia Análise do edifício Seleção de ambiente representativo Identificação dos problemas ambientais do edifício Propostas para melhoria dos problemas identificados Características dos sistemas Configuração dos sistemas Avaliação das configurações propostas Condições luminosas Configuração Variáveis ambientais internas Configuração Variáveis ambientais internas Configuração 3 62

9 viii Variáveis ambientais internas Configuração Variáveis ambientais internas Configuração Variáveis ambientais internas Condições térmicas dos ambientes Configuração Variáveis ambientais internas Variáveis ambientais internas com iluminação artificial acesa Avaliação do usuário 74 Capítulo 5 - Conclusões 76 Referências Bibliográficas 82 Anexo I Avaliação do usuário 88 Anexo II Medições das condições ambientais do edifício 100

10 ix LISTA DE FIGURAS Capítulo 1 Figura 1 Escala índice PMV 10 Figura 2 Relação PMV e PPD 11 Capítulo 2 Figura 3 Fontes de luz natural que alcançam o edifício 19 Figura 4 Dados de radiação solar em um plano horizontal para Brasília 23 Figura 5 Transmissão de radiação solar dos vidros 32 Figura 6 Reflexão nos vidros incolor, refletivos e películas 35 Figura 7 Radiação incidente sobre um sistema de persianas 36 Figura 8 Prateleira de luz esquema 37 Capítulo 4 Figura 9 Imagem Palácio Itamaraty 46 Figura 10 Palácio Itamaraty 47 Figura 11 Sala de trabalho 47 Figura 12 Elemento de proteção solar 50 Figura 13 Planta do segundo pavimento 51 Figura 14 Corte esquemático Palácio e entorno 51 Figura 15 Planta baixa sala de referência 52 Figura 16 Sala de referência com persianas fechadas 53 Figura 17 Sala de referência com persianas recolhidas 53 Figura 18 Prateleira de luz 58 Figura 19 Prateleira de luz 58 Figura 20 Persiana para condução de luz 60 Figura 21 Detalhe persiana para condução de luz 60 Figura 22 Prateleira de luz e Persiana para condução de luz 62 Figura 23 Prateleira de luz e Persiana para condução de luz 62 Figura 24 Película de proteção solar 64 Figura 25 Aplicação de Película de proteção solar 64 Figura 26 Prateleira de luz e Persiana e película 66 Figura 27 Vista externa após aplicação da película 66 Figura 28 Termômetro de Globo na sala de referência 68 Figura 29 Termômetro de Globo e medidor de umidade relativa do ar 68 Figura 30 Detalhe prateleira, Persiana com lamelas invertidas e película 70

11 x Figura 31 Prateleira, Persiana e película para proteção solar 71 Figura 32 Vista externa do edifício após a instalação dos sistemas 71 Figura 33 Vista externa do edifício após a instalação dos sistemas 73 Figura 34 Vista externa do edifício após a instalação dos sistemas 73

12 xi LISTA DE TABELAS Capítulo 1 Tabela 1 Contrastes máximos no campo visual 12 Capítulo 2 Tabela 2 Classificação dos sistemas para a luz natural 1/2 30 Tabela 3 Classificação dos sistemas para a luz natural 2/2 31 Tabela 4 Transmissão nos vidros 34 Capítulo 4 Tabela 5 Consumo energético no palácio 48 Tabela 6 Variáveis ambientais sala representativa 54 Tabela 7 Avaliação de desempenho Configuração 1 59 Tabela 8 Avaliação de desempenho Configuração 2 61 Tabela 9 Avaliação de desempenho Configuração 3 63 Tabela 10 Avaliação de desempenho Configuração 4 65 Tabela 11 Avaliação de desempenho Configuração 5 67 Tabela 12 Avaliação de desempenho térmico da Configuração 5 69 Tabela 13 Avaliação de desempenho Configuração 6 72 Tabela 14 Variáveis ambientais com iluminação artificial parcial 73

13 xii SIGLAS E ABREVIATURAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACR- Ano Climático de Referência ASHRAE- American Society of Heating, Refrigerating and Conditioning Engineers CLD- Coeficiente de Luz Diurna DLN- Disponibilidade de Luz Natural IEA- International Energy Agency IESNA- Iluminating Engineering Society of North America INMET- Instituto nacional de Meterologia ISO- International Organization for Standardization NBR- Norma Brasileira PMV- Predicted Mean Vote PPD- Predicted Percentage of Dissatisfied PROCEL- Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

14 xiii RESUMO Este trabalho estuda as possíveis soluções existentes para reabilitação de edifício público moderno, otimizando a iluminação natural, com utilização de conceitos e tecnologias inovadoras São estudados os fatores que interferem nas condições de conforto térmico e luminoso dos edifícios e analisados os componentes que controlam o ingresso da luz natural nos ambientes, otimizando sua aplicação. O trabalho foi desenvolvido por meio da implantação e avaliação de componentes disponíveis no mercado nacional, que se apresentaram potencialmente viáveis para aplicação no objeto de estudo, o Palácio Itamaraty, em Brasília, tendo como objetivo a busca do conforto ambiental e eficiência energética da edificação, garantindo a preservação das características originais da arquitetura do edifício. A metodologia do estudo inclui medições in loco dos níveis de iluminâncias internas e externas, de temperatura e umidade do ar em salas idênticas, representativas do edifício. Numa das salas, são incorporadas tecnologias inovadoras, e na outra são mantidas as condições originais, para comparação dos resultados. Os dados comparativos obtidos, demonstram o potencial de melhoria do conforto ambiental, luminoso e térmico, bem como a economia energética, decorrente da redução da carga dos sistemas de iluminação e refrigeração, que essas inovações podem proporcionar.

15 xiv ABSTRACT The present research studies the possible solutions to the rehabilitation of modern public buildings. With the use of innovative concepts and technologies, the main goal was to optimize the use of daylight, by analyzing factors that affect thermal and luminous comfort in the buildings, as well as devices that control the amount of daylight entering the spaces. The study was developed with the use and evaluation of devices available in the national market that seemed potentially viable to be used in the object of study, the Itamaraty Palace in Brasilia. The key objective was to achieve environmental comfort and energy efficiency, preserving the original characteristics of the building s architecture. The methodology of this research included measuring, in loco, in two identical rooms, the levels of internal and external illuminance, as well as the temperature and humidity of air. In one room, innovative technologies were applied, while in the other, the original conditions were kept, so that results could be compared. The comparative data have shown the great potential of improving environmental, thermal and luminous comfort, as well as the energy saving caused by the reduced load of lighting and air conditioning systems that those innovations may provide.

16 Introdução pág. 1 Introdução A maioria das edificações no Brasil desperdiça considerável parcela de energia para obtenção de conforto ambiental, devido à não incorporação, em seus projetos, de conceitos arquitetônicos, materiais, equipamentos e tecnologias construtivas voltados para eficiência energética. Segundo dados do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PROCEL, as edificações residenciais e comerciais são responsáveis por, aproximadamente, 48% do consumo de energia elétrica no país. Grande parte dessa energia é consumida na geração do conforto ambiental. Tal situação é atribuída ao fato de não serem considerados, desde o projeto arquitetônico, passando pela construção, até a utilização final, os importantes avanços ocorridos nas áreas de arquitetura bioclimática, materiais, equipamentos e tecnologias construtivas, vinculados à eficiência energética. Novos conceitos de projetos sustentáveis indicam as possibilidades de integração da natureza com os materiais e técnicas construtivas, resultando ambientes confortáveis, energeticamente eficientes e com baixo custo de manutenção. Do mesmo modo, é possível encontrar soluções para reabilitação ambiental de edifícios existentes, otimizando a iluminação natural, com o uso de conceitos e tecnologias inovadoras e preservando sua arquitetura original. O aparente rico potencial energético do país, não estimulava, em passado recente, o emprego das técnicas e elementos naturais de promoção de conforto ambiental nos edifícios. De acordo com a Eletrobrás, cerca de 89,9% (1998) da energia elétrica produzida no Brasil vêm de usinas hidrelétricas, tornando essa produção dependente dos índices pluviométricos. Com a recente escassez de chuvas, ocorrida em 2001 e a conseqüente queda na capacidade produtiva de energia do país, que impôs um racionamento de energia a toda população, foi constatada a vulnerabilidade de nossos recursos. Nos países de clima tropical, a principal causa do desconforto térmico dos edifícios é o ganho de calor por meio do envelope. A utilização excessiva do vidro nas fachadas dos edifícios modernos no Brasil impôs uma total dependência do condicionamento térmico artificial. As principais estratégias bioclimáticas para combater o ganho de calor solar e a conseqüente elevação da temperatura nos ambientes internos, consistem na correta orientação do edifício em relação aos percursos solares, no controle da entrada de sol nos ambientes, através das aberturas das fachadas, na redução da absorção da energia solar pelas superfícies das fachadas

17 Introdução pág. 2 e no correto dimensionamento das aberturas, em função da necessidade de iluminação natural dos ambientes. Considerando que o principal objetivo da arquitetura é abrigar o ser humano, as estratégias devem priorizar os níveis de conforto, térmico e luminoso, necessários às atividades desenvolvidas em cada tipo de edificação. A eficiência energética deve ser buscada, porém o objetivo maior deve ser sempre o conforto do homem. Recentes inovações tecnológicas, de materiais e componentes que controlam o ingresso da luz natural nos ambientes, permitem reabilitar os edifícios existentes, garantindo condições mais favoráveis de conforto, menor dependência dos sistemas mecânicos de condicionamento de ar, maior eficiência e preservação da sua arquitetura original. De acordo com Lamberts et al.(1997) É possível tirar partido ou evitar a luz e o calor solar em uma edificação, e o critério mais sábio para definir o que fazer é ter como premissas básicas os conforto térmico e visual dos ocupantes e a economia de energia. Ainda segundo os mesmos autores, o que normalmente se faz é adotar um dos enfoques (luz ou calor) como prioridade, deixando o segundo para ser resolvido posteriormente, com sistemas artificiais consumidores em potencial de energia. Para romper essa tradição, o arquiteto deve compreender de forma integrada os fenômenos térmicos e visuais em uma edificação e, em conseqüência, as variáveis climáticas das quais decorrem. No enfoque bioclimático, considerando o clima como principal variável de projeto, Vianna et al. (1997) destaca que Para que as condições de conforto sejam atingidas, a construção tem de oferecer ambientes favoráveis do ponto de vista do controle da radiação solar, umidade, temperaturas do ar e ventilação. Segundo o mesmo autor, É dentro das relações Clima-luz, Clima-calor e Clima-ventilação que determina-se com precisão a importância que o clima tem para o homem e para a arquitetura. Na relação Clima-luz, tem-se desde a caracterização da abóbada do ponto de vista da intensidade da luz natural disponível até considerações sobre o sol, suas trajetórias e estações. É também pela compreensão e estudo de todas as variáveis que interferem nessa relação mencionada que será possível fazer da iluminação uma das mais fortes expressões da arquitetura, principalmente em um tipo de clima como o do nosso país, onde a luz é abundante. Estudo realizado por Szabo (2001) analisa a maneira como a luz natural foi pensada na arquitetura, no Movimento Moderno segundo a concepção de quatro arquitetos, Frank Lloyd Wright, Walter Gropius, Le Corbusier e Louis Kahn. De acordo com o autor detecta-se uma

18 Introdução pág. 3 clara mudança de paradigma no uso da luz natural com o advento do Movimento Moderno: com o aumento das iluminâncias internas, tem-se a impressão de que os espaços internos ficaram banhados pela luz. O uso dessa luz, apesar de tratado de forma distinta, tornou-se característico nesse movimento. Dentre os arquitetos citados, o autor identifica duas correntes referentes à maneira de pensar a luz natural. Uma corrente aponta para soluções universais, desvinculadas da situação geográfica (Gropius e fase purista de Corbusier). A outra procura trabalhar com as peculiaridades locais, levando em consideração as condições climáticas e geográficas (Frank Lloyd Wright, Louis Kahn e Corbusier, na fase brutalista). Ainda segundo o autor, a ampla utilização desse recurso apresenta aspectos positivos, sobretudo em relação ao surgimento de uma nova postura para iluminação do espaço interior e sua integração com o exterior. Entretanto, apresenta também aspectos negativos, decorrentes da alta intensidade luminosa dos espaços internos, que gera desconforto, devido ao ofuscamento e aumento da temperatura interna. A esse respeito, vários autores já se manifestaram. Segundo Gammarano (2002) Essa larga utilização de vidros nas fachadas dos programas arquitetônicos, praticamente impôs total dependência ao condicionamento térmico artificial, principalmente, devido à alta capacidade de transmissão de energia solar desse material. Para amenizar os inconvenientes da luz natural (direcionalidade e altíssima intensidade), é necessário utilizar sistemas de controle/difusão da radiação solar que interceptem uma parte da radiação direta, refletindo-a e difundindo-a (AMORIM, 2002). A energia admitida em um ambiente interno afeta tanto as condições térmicas como lumínicas. Sistemas de controle de admissão da radiação solar, corretamente projetados e operados, podem reduzir o ganho de calor nos ambientes e reduzir o consumo energético. Como dispositivos de iluminação natural, estes sistemas podem modificar a admissão de luz proporcionando um ambiente mais confortável e produtivo. Para Amorim (2002) A intervenção da luz artificial, no entanto, deve servir para complementar os níveis de iluminação, quando somente a luz natural, não consegue fornecer valores adequados de iluminância dentro dos ambientes. Nesse sentido os projetos de iluminação natural e artificial devem ser estudados em conjunto. Os níveis de iluminação desejados, poderão ser alcançados com economia direta, decorrente da redução dos níveis de iluminação artificial e economia indireta, resultante da redução da carga térmica dos sistemas de iluminação artificial, e seu impacto no sistema de ar condicionado. Para a mesma autora, a disponibilidade de luz natural nas regiões tropicais é grande e deve ser usada de forma criteriosa. Não se trata de, simplesmente, abrir janelas ou zenitais

19 Introdução pág. 4 indiscriminadamente, mas sim equilibrar sabiamente o ingresso de luz difusa, bloqueando o calor gerado pela luz solar direta, que pode criar problemas de conforto térmico e luminoso (ofuscamento). Em Brasília, tem-se no verão, no mês de dezembro (21/12-12h), lux (iluminância no plano horizontal); no mês de março (21/03 12h), lux (ambos com céu parcialmente encoberto). No inverno, quando o céu é parcialmente claro, temos lux em junho (21/06 12h) e lux em agosto ( h). Estes valores são, em média, o dobro do que se considera na Europa Central. Por estes motivos, é importante não repetir soluções importadas, mas desenvolver metodologias próprias e aplicar com critério, os componentes e tecnologias de aproveitamento da luz natural existentes no mercado, adaptando-os quando possível às nossas necessidades específicas. A crescente busca do conforto ambiental associado à eficiência energética, impõe o desafio de preservar e reabilitar, criteriosamente, os edifícios de Brasília, cidade que apresenta os fundamentos da arquitetura moderna. Nesse contexto, este trabalho se propõe a analisar as possíveis soluções existentes para reabilitação do Palácio Itamaraty, edifício sede do Ministério das Relações Exteriores, em Brasília, otimizando a iluminação natural, com utilização de conceitos e tecnologias inovadoras, que preservem sua arquitetura original. O trabalho foi desenvolvido por meio da implantação de componentes existentes no mercado nacional, que se apresentaram potencialmente viáveis para aplicação no objeto de estudo e medições realizadas in loco, tendo como premissa a busca da qualidade ambiental, a eficiência energética da edificação e o custo de implantação, garantida a manutenção das características originais da arquitetura do Palácio Itamaraty. Objetivo Geral do trabalho: Estudar possíveis soluções para reabilitação ambiental de edifício público moderno em Brasília, otimizando a iluminação natural, com utilização de conceitos e tecnologias inovadoras, preservando a arquitetura original e o valor cultural do edifício. Objetivos Específicos: 1. Analisar os problemas de conforto ambiental, verificados nos edifícios modernos, de uso público, estabelecendo um panorama da forma com que a questão da preservação da arquitetura moderna e a busca do conforto ambiental e da eficiência energética vêm sendo tratadas;

20 Introdução pág Estudar possíveis soluções para reabilitação ambiental e preservação para a arquitetura moderna, com utilização de conceitos e tecnologias inovadoras, com mínima interferência na arquitetura; 3. Realizar, por intermédio de um estudo de caso, análise de implantação de soluções de proteção solar, distribuição da luz natural e automação da iluminação artificial; 4. Calcular os benefícios alcançados no Palácio Itamaraty, em termos de conforto ambiental e eficiência energética; O trabalho é apresentado em seis capítulos, estruturados em duas partes principais, quais sejam: 1ª PARTE: Revisão bibliográfica abordando os seguintes temas: Conforto ambiental, eficiência energética, luz natural, arquitetura moderna conservação e preservação. Capítulo 1: Conforto Ambiental: Aborda os principais aspectos referentes ao conforto térmico e luminoso nas edificações, bem como as principais ações em andamento no Brasil, relacionadas à eficiência energética das edificações. Capítulo 2: Luz Natural e Arquitetura: Apresenta as principais estratégias de uso da luz natural nas diversas fases de um projeto de edifício, bem como algumas alternativas tecnológicas de sistemas de luz natural, indicadas para edifícios de uso público, em Brasília. Capítulo 3 Arquitetura moderna e preservação: Caracteriza os edifícios públicos de Brasília, localizados no eixo monumental, e destaca a importância da sua preservação e reabilitação. 2ª PARTE: Estudo de caso -Aspectos do conforto ambiental com otimização da luz natural no Palácio Itamaraty, proposta de intervenção e avaliação, conclusões, bibliografia e anexos. Capítulo 4 -Estudo de caso: Caracteriza os ambientes de trabalho do Palácio Itamaraty, em relação aos níveis de iluminação natural e térmico e avalia in loco soluções consideradas viáveis para sua reabilitação, que otimizam a iluminação natural, utilizando conceitos e tecnologias inovadoras, para preservação de sua arquitetura original.

21 Introdução pág. 6 Capítulo 5 -Conclusões: Apresenta as considerações finais do trabalho. Bibliografia Anexos: Plantas esquemáticas referentes às medições dos níveis de iluminâcias, luminâncias, temperatura do ar, temperatura de globo e umidade relativa dos ambientes analisados e das áreas externas do edifício.

22 pág 7 1ª PARTE Conforto ambiental e eficiência energética, Luz natural e arquitetura, Arquitetura moderna e preservação

23 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 8 Capítulo 1 Conforto ambiental e eficiência energética Neste capítulo serão abordados os principais aspectos referentes ao conforto ambiental (térmico e luminoso) nas edificações, bem como as principais ações em andamento no Brasil, relacionadas à eficiência energética das edificações. De acordo com Vianna e Gonçalves (2001), o conforto é uma interpretação sensorial do homem frente a determinados estímulos físicos (de luz, som, calor, umidade, ventos etc), desse modo segundo os autores não pode ser feita nenhuma distinção marcante entre experiência sensorial e emocional, uma vez que a segunda depende da primeira e são elos inseparáveis. 1.1 Conforto térmico O conforto térmico, de acordo com a American Society of Heating, Refrigetation and Air Conditioning Engineers, inc ASHRAE (1993, apud LAMBERTS et al, 1997) é a condição da mente que expressa satisfação com o meio ambiente térmico que envolve uma pessoa. Para Frota e Schiffer (2001) o organismo experimenta sensação de conforto térmico quando perde para o ambiente, sem recorrer a nenhum mecanismo de termorregulação, o calor produzido pelo metabolismo compatível com sua atividade. As principais variáveis que afetam o conforto térmico são as ambientais, que provocam as trocas de calor entre o corpo humano e o ambiente, e as humanas, como atividade desenvolvida pelo indivíduo e sua vestimenta. As trocas térmicas garantem a regulação térmica do organismo humano, proporcionando o equilíbrio térmico. As variáveis ambientais que influenciam a sensação de conforto térmico são a temperatura do ar, a temperatura radiante média, a velocidade do ar e a pressão parcial de vapor d`água no ar ambiente. O corpo humano pode ser comparado a uma máquina térmica que necessita de certa quantidade de calor para seu funcionamento. É um organismo homeotérmico, isto é, sua temperatura interna deve permanecer praticamente constante, variando entre 36,1 e 37,2ºC. A manutenção dessa temperatura relativamente constante se faz por meio de seu aparelho termorregulador, que comanda a redução dos ganhos ou o aumento das perdas de calor. Para desempenhar qualquer atividade física, o organismo necessita de energia térmica conseguida por meio do metabolismo dos alimentos ingeridos. Cerca de 20% da energia produzida pelos alimentos é transformada em potencial de trabalho para desenvolver suas

24 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 9 atividades, os 80% restantes devem ser dissipados pelo organismo, por meio de seu aparelho termoregulador, para que não ocorra um aumento exagerado da temperatura interna e sejam mantidas as condições de equilíbrio. Esse calor é dissipado através dos mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o meio ambiente e se dá através de chamadas trocas secas condução, convecção e radiação e trocas úmidas evaporação. O calor perdido para o ambiente através das trocas secas é chamado de calor sensível e ocorre em função das diferenças de temperatura entre o corpo e o ambiente. O calor perdido através de trocas úmidas é chamado calor latente e envolve mudança de estado de agregação da água - tanto o calor produzido quanto o dissipado, dependem da atividade que o indivíduo desenvolve. Quanto maior a atividade física, maior será o calor gerado pelo metabolismo. A resistência térmica da roupa representa uma barreira para as trocas de calor do ser humano com ambiente por convecção e radiação. Quanto maior a resistência térmica da roupa, menores serão as trocas de calor com o meio. Ela reduz os ganhos de calor relativo à radiação solar direta, as perdas em condições de baixo teor de umidade e reduz o efeito refrigerador do suor. Sua resistência térmica depende do tipo de tecido, da fibra e do ajuste ao corpo. Sua unidade é medida em clo e equivale a 0,155 m²ºc/w. As condições de conforto térmico estão relacionadas à atividade desenvolvida pelo indivíduo, pela sua vestimenta e pelas variáveis ambientais que proporcionam as trocas de calor entre o corpo e ambiente. Os índices de conforto térmico procuram englobar, num parâmetro, o efeito conjunto dessas variáveis. De acordo com Frota (2001) existem cerca de três dezenas de índices e foram desenvolvidos com base em diferentes aspectos do conforto e podem ser classificados conforme discriminado a seguir: índices biofísicos que se baseiam nas trocas de calor entre o corpo e o ambiente, correlacionando os elementos do conforto com as trocas de calor que dão origem a esses elementos; índices fisiológicos que se baseiam nas reações fisiológicas originadas por condições conhecidas de temperatura seca do ar, temperatura radiante média, umidade do ar e velocidade do ar; índices subjetivos que se baseiam nas sensações subjetivas de conforto experimentadas em condições em que os elementos de conforto térmico variam.

25 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 10 O índice escolhido para auxiliar na análise de desempenho térmico dos ambientes selecionados neste estudo, foi o biofísico, que é o utilizado na Norma International ISO De acordo com esta Norma, quando os parâmetros físicos de um ambiente, temperatura do ar, temperatura radiante média, velocidade do ar e umidade do ar, bem como parâmetros pessoais como atividades físicas desempenhadas e vestimenta utilizadas pelas pessoas são conhecidos ou medidos, a sensação térmica do corpo pode ser estimada pelo cálculo do índice do voto médio estimado, PMV (Predicedt Mean Vote). O PMV é um índice que prevê o valor médio de um grande grupo de pessoas, segundo uma escala de sensações de 7 pontos. Os valores variam entre -3 e +3 e expressam a satisfação humana em relação ao ambiente térmico. O valor zero se refere ao ambiente neutro, valores negativos, à sensação de frio, e os valores positivos á sensação de calor. (Figura 1) Figura 1: Escala de índice de PMV A partir do valor do PMV define-se o índice conhecido como Predicted Percentage of Dissatisfed PPD, que estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas termicamente com o ambiente. O índice PPD pode variar de 5 a 100%. A figura 2 apresenta a relação entre os valores numéricos de PMV e PPD. Segundo a norma ISO 7730 os ambientes ideais possuem valores de PMV entre -0,5 e +0,5, o que corresponde a até 10% de pessoas insatisfeitas. São toleráveis, porém, os ambientes com PMV entre -1 e +1 e 20% de pessoas insatisfeitas.

26 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 11 Figura 2: Relação PMV e PPD 1.2 Conforto luminoso De acordo com Lamberts et al. (1997) a boa iluminação é definida pela adequada quantidade de luz para uma tarefa visual, distribuição uniforme de iluminância, direcionalidade suficiente para modelar objetos tridimensionais e superfícies, contrastes adequados, ausência de ofuscamento, bem como boa distribuição de cores. A radiação solar, radiação eletromagnética emitida pelo sol, compreende um espectro que varia entre a região do ultravioleta (comprimentos de onda entre 290 a 3880 nm), passando pelo visível (380 a 780 nm) até o infravermelho próximo (1780 a 2500nm). A radiação que atravessa a atmosfera e atinge a superfície terrestre distribui-se nas regiões do espectro nas seguintes proporções aproximadas: ultravioleta, 7%, visível 47% e infravermelho, 45%. A parcela dessa radiação que chega à terra e ilumina o interior dos edifícios é dividida em radiação solar direta e radiação solar difusa. Isto se deve às interferências encontradas pela radiação solar no seu trajeto em direção à terra. A intensidade da radiação solar direta depende da altitude solar (γ) e do ângulo de incidência dos raios solares em relação à superfície receptora (θ). A intensidade da radiação solar difusa é determinada pela nebulosidade do céu.

27 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág Principais grandezas fotométricas relativas à iluminação As principais grandezas fotométricas relativas à iluminação são a iluminância, luminância e o contraste. Neste estudo levam-se em consideração somente a iluminação natural e suas relações com o conforto: Iluminância: A energia radiante visível é medida pelo ritmo de transferência de energia avaliada em termos de seu efeito sobre o sentido visual humano médio. Este fluxo luminoso é expresso em lumens. A distribuição da luz sobre uma superfície é expressa em termos de lumens por unidade de área e dá-se lhe a designação de iluminação (HOPKINSON et.al. 1966). Nível de iluminação ou nível de iluminância ou nível de iluminamento ou aclaramento são todos sinônimos. A unidade de iluminância é o lumem por metro quadrado (lm/m²) denominado lux, ou seja 1 lm/m² corresponde a 1 lux (lx). No Brasil o nível de iluminância (E) ideal em ambientes é definido pela NB 57, que fixa as iluminâncias mínimas a serem atingidas em função do tipo de tarefa visual. Uniformidade (Uo): A uniformidade da iluminância dos ambientes é medida pela relação entre a iluminância mínima pela iluminância média. Luminância: Pelo fato dos raios luminosos não serem visíveis, a sensação de luminosidade é decorrente da reflexão desses raios por uma superfície. Essa luminosidade é chamada de luminância, portanto luminância se refere à luz refletida visível. Contraste: É a diferença relativa de luminâncias entre um objeto e seu entorno. A avaliação do contraste pode ser feita de forma simplificada observando-se as taxas de proporção de luminâncias apresentadas na tabela 1: Tabela 1 Contrastes máximos entre as tarefas e superfícies dentro do campo visual Proporção Relação Entre a tarefa e o entorno imediato 3:1 Entre a tarefa e superfícies escuras mais afastadas 10:1 Entre a tarefa e superfícies claras mais afastadas 0,1:1 Entre a fonte de luz (natural ou artificial) e superfícies adjacentes 20:1 Máximo contraste em qualquer parte do campo de visão 40:1 Fonte: Lamberts et al. (1997)

28 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 13 A perturbação, desconforto ou até mesmo a perda temporária da visibilidade, causadas por excessivo contraste das luminâncias no campo visual é chamado ofuscamento. São identificados dois tipos de ofuscamentos, o inabilitador e o pertubador. O ofuscamento inabilitador é causado pelo espalhamento de luz dentro do cristalino, produzindo uma luminância na retina e a visão é parcialmente ou totalmente perdida, por exemplo quando o olho é confrontado com farol de automóvel em sentido contrário. O ofuscamento desconfortável é a sensação causada por alta ou não uniforme distribuição de luminâncias no campo visual, porém não impede o desenvolvimento da tarefa visual. 1.3 Eficiência energética De acordo com Lamberts et alii (1997) eficiência energética pode ser entendida como a obtenção de um serviço com baixo dispêndio de energia Consumo de energia no Brasil Segundo dados do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica PROCEL, as edificações residenciais e comerciais são responsáveis por, aproximadamente, 48% do consumo de energia elétrica no país. Grande parte dessa energia é consumida na geração do conforto ambiental. Tal situação é atribuída ao fato de não serem considerados, desde o projeto arquitetônico, passando pela construção, até a utilização final, os importantes avanços ocorridos nas áreas de arquitetura bioclimática, materiais, equipamentos e tecnologias construtivas, vinculados à eficiência energética. Novos conceitos de projetos sustentáveis indicam as possibilidades de integração da natureza com os materiais e técnicas construtivas, resultando em ambientes confortáveis, energeticamente eficientes e com baixo custo de manutenção. Do mesmo modo, é possível encontrar soluções para reabilitação ambiental de edifícios existentes, otimizando a iluminação natural, com o uso de conceitos e tecnologias inovadoras e preservando sua arquitetura original Ações em andamento no Brasil, visando à conservação de energia com apoio do Governo Federal PROCEL - Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica Trata-se do programa do governo federal voltado para a conservação de energia elétrica. Foi implantado em 1986 pelos Ministérios de Minas e Energia e da Indústria e Comércio, e é gerido por uma Secretaria Executiva subordinada à Eletrobras. O objetivo do PROCEL é

29 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 14 promover a racionalização da produção e do consumo de energia elétrica, eliminando desperdícios e reduzindo custos e investimentos setoriais. Nessa linha de atuação o PROCEL desenvolve programas que visam o desenvolvimento tecnológico, segurança energética, eficiência econômica e a proteção ambiental. Desenvolvimento tecnológico implica pesquisa científica, implantação de laboratórios e capacitação de pessoal técnico PROCEL EDIFICA No âmbito do PROCEL foi criado o programa PROCEL-EDIFICA, que prevê uma articulação entre diversas entidades das áreas governamental, tecnológica, econômica e de desenvolvimento. No âmbito desse programa, foi lançado em setembro de 2003, o Plano de Ação para Eficiência Energética em Edificações. O plano, consoante com a LEI N /2001, que Dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e dá outras providências, tem por objetivo a promoção da conservação e do uso eficiente da energia elétrica em edificações, reduzindo os desperdícios e impactos sobre o meio ambiente. Este plano tem por base o desenvolvimento de projetos de pesquisas por diferentes instituições ou por grupos relacionados à elas. Uma das vertentes de pesquisa, trabalha na elaboração de uma Norma de Regulamentação de índices mínimos de Eficiência Energética, referentes aos materiais situados no envelope (fachadas e coberturas) dos edifícios novos e passíveis de reforma, considerando os usos das edificações e as diferenças climáticas, conforme as experiências bem sucedidas de outros países. Metas do Programa: O Programa tem como metas o desenvolvimento de um conjunto de projetos visando : Reduzir o consumo de energia elétrica nas edificações; Estimular as ações de consumo racional de energia elétrica; Divulgar os conceitos de eficiência energética em edificações, inserindo o tema arquitetura bioclimática; Disseminar o uso de energias renováveis;

30 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 15 Utilizar tecnologias mais eficientes em projetos, equipamentos e na fabricação de materiais de construção; Conscientizar profissionais que podem influenciar o planejamento de uma cidade, na concepção de projetos e na construção de prédios eficientes; Elaborar guias técnicos, incluindo a revisão de publicações existentes; Apoiar a realização de projetos-demonstração; divulgar boas práticas nos projetos e construções que agreguem conceitos de conforto ambiental e eficiência energética Legislação Brasileira sobre o uso e conservação racional de energia. Decreto n 4.059, de 19 de Dezembro de 2001 Este Decreto regulamenta a Lei n , de 17 de outubro de 2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. O Decreto estabelece as condições para a criação de regulamentações e indicadores técnicos visando o controle dos níveis máximos de consumo de energia, ou mínimos de eficiência energética, de máquinas e aparelhos consumidores de energia, fabricados ou comercializados no país, bem como da edificações. Representa uma ação impulsionadora da pesquisa voltada para a eficiência energética e conforto ambiental. Ao estabelecer níveis máximos de consumo de energia elétrica nas edificações, conduzirá à incorporação de recursos que otimizem o uso racional da energia nas edificações Normalização brasileira em conforto ambiental Já se encontram homologadas e publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas - ABNT, as normas em conforto ambiental nas áreas de iluminação natural e desempenho térmico de edificações, que foram baseadas em texto normativo elaborado pela Universidade de Santa Catarina, com o financiamento da Agência FINEP, no âmbito do Comitê Brasileiro da Construção Civil (COBRACON/ABNT). As normas apresentam as seguintes estruturas: Desempenho térmico de edificações NBR Desempenho térmico de edificações - Parte 1: Definições, símbolos e unidades.

31 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 16 NBR Desempenho térmico de edificações - Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificação. NBR Desempenho térmico de edificações - Parte 3: Zoneamento Bioclimático Brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social.. NBR Desempenho térmico de edificações - Parte 4: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio da placa quente protegida. NBR Desempenho térmico de edificações - Parte 5: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método fluxímetro. No conjunto de normas apresentadas cabe destacar a NBR que apresenta recomendações quanto ao desempenho térmico de habitações unifamiliares de interesse social aplicáveis na fase de projeto. Além de estabelecer um Zoneamento Bioclimático Brasileiro, são feitas recomendações de diretrizes construtivas e detalhamento de estratégias de condicionamento térmico passivo, com base em parâmetros e condições de contorno fixados. Iluminação Natural NBR Iluminação natural - Parte 1: Conceitos básicos e definições. NBR Iluminação natural -Parte 2: Procedimentos de cálculo para a estimativa da disponibilidade de luz natural. NBR Iluminação natural - Parte 3: Procedimento de cálculo para a determinação da iluminação natural em ambientes internos. NBR Iluminação natural - Parte 4: Verificação experimental das condições de iluminação interna de edificações. O objetivo desse conjunto de normas é apresentar dados técnicos e informações básicas para ajudar os profissionais envolvidos em projetos de edificações a lidar com questões relacionadas à iluminação natural. Para tanto, disponibiliza métodos de cálculo e verificação dos níveis de iluminação natural no interior das edificações com precisão adequada, auxiliando, desse modo, na identificação das estratégias a serem adotadas para maximização de suas vantagens

32 Capítulo 1 - Conforto ambiental e eficiência energética pág 17 No próximo capítulo serão apresentadas as principais estratégias de projeto para a luz natural, bem como algumas alternativas tecnológicas de sistemas de luz natural, que otimizam o seu uso, e que são apropriadas para os edifícios públicos localizados em Brasília.

33 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura pág. 18 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura Este capítulo apresenta as principais estratégias de uso da luz natural nas diversas fases de um projeto de edifício, bem como algumas as alternativas tecnológicas de sistemas de luz natural, indicadas para edifícios de uso público, em Brasília. 2.1 Projeto de luz natural e o projeto arquitetônico Para o IEA (2000) as estratégias de iluminação natural e projeto arquitetônico são inseparáveis. O projeto de luz natural tem início na identificação da melhor localização do edifício e continua até a sua ocupação Este planejamento tem diferentes objetivos em cada etapa do projeto do edifício e pode ser dividido em fases distintas: Fase conceitual: Desde a criação do estudo preliminar do edifício, o projeto da luz natural influencia ou é influenciado pelas decisões básicas da forma, proporções e aberturas do edifício, bem como sobre a integração e o papel dos sistemas construtivos. Fase de projeto: Ao longo do desenvolvimento do projeto do edifício, estratégias de luz natural vão sendo concebidas para as diferentes partes do edifício. As fachadas e acabamentos de interiores assim como a seleção e integração dos diversos sistemas a serem implantados, incluindo a iluminação artificial, estão relacionados ao projeto de luz natural. Uso e pós ocupação: Uma vez implantados e calibrados os sistemas de luz natural, é iniciada a progressiva operação e manutenção desses sistemas. Este planejamento influenciará de forma determinante o projeto de iluminação artificial. Evitará soluções de projeto que utilizem a luz artificial de forma excessiva e irrestrita. A busca de habitabilidade e conforto nos ambientes, além da economia de energia, exigem a concepção conjunta do projeto iluminação (artificial e natural) com o projeto arquitetônico. A luz natural é uma fonte dinâmica de iluminação. A iluminância proporcionada pelo céu não é constante e grandes variações da luz natural podem ocorrer em função da estação, localização, latitude e nebulosidade. Desse modo, sistemas de controle de luz, natural e artificial, serão necessários para adaptar, continuamente, os sistemas de iluminação às mudanças das condições de luz natural disponível (IEA,2000).

34 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura pág Condições de céu e luz natural A luz natural que alcança o interior de uma edificação, é resultante da divisão desse fluxo luminoso em três componentes (figura 3): a) CC - Componente do Céu; luz que alcança um ponto do ambiente interno, proveniente diretamente do céu; b) CRE - Componente Refletida Externa: luz que alcança um ponto do ambiente interno, após ter refletido em uma superfície externa;e c) CRI - Componente Refletida Interna que alcança um ponto do ambiente interno, somente após ter sofrido uma ou mais reflexões nas superfícies internas. CC CRE CRI Figura 3 - Luz natural que alcança o edifício Fonte: NBR A soma destas três componentes, corrigidas por fatores relativos aos efeitos redutores produzidos pelos separadores contidos na abertura, tais como, transmissividade do vidro (kt) e fator de caixilho (KC), representa o nível de iluminação natural num ponto do ambiente interno. Entre os principais fatores determinantes da disponibilidade da luz natural, cabe destacar a latitude, o clima, a orientação, a continentalidade, e as condições morfológicas do entorno. A latitude vai determinar os ângulos de incidência do sol e o período de sua permanência acima do horizonte do lugar. Quanto mais alta for, menor os níveis de luz natural disponível, sobretudo no inverno. Nas altas latitudes, as variações sazonais do nível de luz são acentuadas, enquanto nas baixas latitudes são menos aparentes. Nesses locais, no inverno quando o nível de luz natural é baixo, a estratégia usada pelos projetistas é maximizar a penetração de luz natural nos edifícios, por meio do redirecionamento da luz natural vinda das

35 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura pág. 20 regiões mais brilhantes do céu. Nos trópicos, o nível de luz natural é alto ao longo do ano, dessa forma a estratégia recomendada é restringir a entrada de uma parcela de radiação direta nos edifícios, evitando dessa forma o excesso de calor. As condições climáticas do local irão determinar a configuração básica das condições de céu 1 predominante. Para efeito de estimativa de cálculo da disponibilidade da luz natural em planos horizontais e verticais externos, a Norma NBR , publicada em março de 2005, estabelece três tipos básicos de céu: céu claro, encoberto e parcialmente encoberto ou intermediário. A caracterização das condições de céu é estimada visualmente pela observação do montante de cobertura de nuvens no céu, conforme descrito a seguir: céu claro: Condição na qual, dada a inexistência de nuvens e baixa nebulosidade, as reduzidas dimensões das partículas de água fazem com que apenas os baixos comprimentos de onda, ou seja a porção azul do espectro, emirjam em direção à superfície da terra, conferindo a cor azul, característica do céu. Montante da cobertura de nuvens: 0 a 35% céu parcialmente encoberto ou intermediário: Condição de céu na qual a luminância de um dado elemento será definida para uma dada posição do sol sob uma condição climática intermediária, que ocorre entre os céus padronizados como céu claro e totalmente encoberto. Montante da cobertura de nuvens: 35% a 75% céu encoberto: Condição de céu na qual as nuvens preenchem toda a superfície da abóbada celeste. Montante da cobertura de nuvens: 75% a 100% A orientação dos planos verticais de fachadas tem um efeito decisivo na disponibilidade de luz natural. Quando direcionadas para região do céu onde o sol faz sua trajetória, estarão submetidas a maiores níveis de intensidade luminosa, durante períodos mais extensos do dia. No hemisfério sul, corresponde à fachada voltada para a orientação norte e no hemisfério norte à fachada voltada para o sul. Esta situação se acentua a medida que se afasta do Equador. Próximo ao Equador, latitude 0º, as orientações norte e sul recebem a mesma quantidade de radiação solar. A continentalidade tem influência na disponibilidade de luz natural devido à capacidade de refletir a luz natural proporcionada pelas grandes massas de água, sobretudo quando o sol se encontra em baixos ângulos de altitude. 1 É aparência da abóbada celeste quando vista por um observador situado na superfície terrestre, que está relacionada à distribuição espacial da sua emissão de luz.

36 Capítulo 2 Luz natural e arquitetura pág. 21 A luz natural que chega às aberturas localizadas nas fachadas pode ser obstruída por edifícios vizinhos, vegetações e outros elementos. Essas obstruções podem alterar, significativamente, a disponibilidade da luz natural no interior do edifício. Estudando essas obstruções o projetista poderá estabelecer as relações das aberturas assim como locar as áreas de piso, em relação à disponibilidade da LN. Em muitos casos os edifícios se auto obstruem. Nos climas tropicais, isto pode se reverter como um recurso de auto-sombreamento. 2.2 Caracterização do clima e céu em Brasília A preocupação com as condições climáticas da cidade de Brasília se apresenta desde o momento da escolha do local para sua implantação. A comissão constituída em 1892, denominada Comissão Exploradora do Planalto Central do Brasil, chefiada por Luís Cruls, diretor do Observatório Astronômico do Rio de Janeiro, que teve por objetivo a escolha da área destinada a futura capital, em seu relatório afirma: nutrimos, pois a convicção de que a zona demarcada apresenta a maior soma de condições favoráveis possíveis de se realizar, e próprias para nela edificar-se uma grande Capital, que gozará de um clima temperado e sadio. Essas condições climáticas favoráveis, foram confirmadas posteriormente por Goulart et al.(1997), que constata que Brasília apresenta o maior percentual de horas de conforto, em relação a outras treze cidades estudadas, localizadas em diferentes regiões do país. Durante cerca de 41% do ano, apresenta condições de conforto térmico. O desconforto térmico por calor pode ocorrer durante 22% e por frio durante 36% do ano. Tais índices confirmam que durante grande parte do ano, são verificadas condições climáticas dentro dos limites da zona de conforto. Com base na Carta Bioclimática de Edificações 2, as estratégias bioclimáticas indicadas para projeto seriam: - para a situação de calor - a ventilação, a inércia térmica para resfriamento e o resfriamento evaporativo; - para a situação de frio - a inércia térmica com ganhos solares. 2 Carta Bioclimática de edificações-foi desenvolvida e aprimorada por Givoni em Baseia-se em temperaturas internas do edifício, propondo estratégias construtivas para adequação da arquitetura ao clima. A zona de conforto encontra-se com valores de umidade relatriva entre 20% e 80% e temperaturas entre 18ºC e 29ºC. Fonte: Lamberts et alii, 1997.

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