O EFEITO DO SOMBREAMENTO NO CONFORTO TÉRMICO ESTUDO DE CASO: CIDADE DE SÃO PAULO

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1 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física O EFEITO DO SOMBREAMENTO NO CONFORTO TÉRMICO ESTUDO DE CASO: CIDADE DE SÃO PAULO Introdução Ana Claudia Carfan 1, Emerson Galvani 2, Jonas Teixeira Nery 3 (1) Doutoranda- FFLLCH USP acarfan@usp.br. (2) Prof. Dr. - FFLLCH USP egalvani@usp.br (3) Prof. Dr. - UNESP jonas@ourinhos.unesp.br O microclima nos espaços abertos das áreas urbanas é influenciado por diversos parâmetros como a geometria urbana, a vegetação, corpo d água e propriedades térmicas dos materiais de construção. Os usos inadequados dessas variáveis contribuem para um ambiente desfavorável com temperaturas no ambiente urbano superior a do seu entorno, criando as chamadas ilhas de calor. Ruas e praças estão entre os espaços urbanos que vêm se deteriorando quanto à qualidade ambiental e conforto térmico. Esta degradação é devida, principalmente, a uma descontinuidade no uso desses espaços. Em regiões tropicais onde predominam altas temperaturas quase o ano todo, os espaços públicos abertos só podem ser freqüentados se houver sombreamento o que torna as temperaturas amenas e suportáveis. Os primeiros estudos de conforto térmico foram realizados para áreas fechadas, locais de trabalho, com a finalidade de proporcionar maior rendimento do trabalhador. O ambiente interno sofre influência direta do ambiente externo, sendo necessária também a realização de estudos de conforto térmico em áreas abertas. Emmanuel et al., (2007) realizou um estudo de microclima urbano em Colombo, Sri Lanka, utilizando o modelo ENVI-met para simular o efeito dos diferentes desenhos urbanos, na temperatura e no conforto térmico. Neste estudo o autor utilizou o PET (physiologically equivalent temperature). O PET é um índice de conforto térmico para áreas externas que é baseado na temperatura radiante e do ar, bem como na umidade e no vento. Emmanuel relaciona a razão altura (h) e largura(w), ou seja, a altura dividida pela largura, dos chamados cânions urbanos com valores de temperatura, ou seja, a temperatura máxima diária diminui com o aumento da taxa h/w. O conforto térmico, portanto, está diretamente ligado ao desenho urbano, uma vez que o aumento da referida taxa de 1 a 3 faz com que o índice PET diminua cerca de 10ºC. Gaitani et al., (2005) estudaram o conforto térmico em espaços abertos na região de Atenas, usando dois índices de conforto térmico, a saber, COMFA (Brown and 1

2 Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Gillespie, 1995), que é baseado na condução de energia da pessoa e TS que é baseado na satisfação ou insatisfação de pedestres em ambientes externos. Estes índices foram calculados para dois diferentes ambientes, onde o primeiro consiste em um espaço construído convencional e o segundo um espaço construído de acordo com princípios bioclimáticos. Os dois índices mostraram que o segundo espaço apresentou melhores condições de conforto, devido à existência de áreas verdes, corpos de água e materiais de construções com baixos valores de albedo. Fahmy e Sharples (2009) estudaram a influência da forma urbana no conforto térmico na cidade do Cairo, Egito. Foram analisadas as estruturas urbanas com suas áreas verdes e a orientação das ruas, que podem influenciar no decréscimo da temperatura e no aumento ou diminuição do vento. Bueno - Bartholomei apud Guerra e Cunha (organizadores) (2009) avaliou a atenuação da radiação solar por diferentes espécies de árvores e o conforto térmico proporcionado pelas mesmas na cidade de Campinas, SP. O conforto térmico foi avaliado através do Voto Médio Estimado (VME), proposto pela ISO 7730, A espécie com melhor desempenho na redução da radiação foi o Jambolão, embora o sombreamento desta árvore não tenha reduzido os valores de VME a níveis considerados confortáveis. O presente trabalho tem como objetivo comparar o conforto térmico apresentado por uma mesma área com a altura das construções existentes no local modificada, ou seja, as alturas das edificações da área real foram diminuídas quatro vezes, dentro da cidade de São Paulo. Para tal, foi utilizado o modelo ENVI-met, para calcular o índice de conforto térmico PMV (voto médio predito) desenvolvido por Fanger (1972). Área de estudo A cidade de São Paulo está localizada no Sudeste do Brasil, no Planalto Atlântico em um compartimento rebaixado. Segundo o IBGE possui uma área de 1523km 2 e uma população estimada (2007), em habitantes. Segundo Valente de Macedo (2009) suas características ambientais são definidas por sua condição geográfica acidentada com colinas que variam entre 650 e 1200m de altitude e a proximidade com o oceano Atlântico influenciam fortemente o padrão de circulação atmosférica. O clima é subtropical com a temperatura média no mês de julho de 14,3ºC e do mês de fevereiro de 22,3ºC. As chuvas são predominantemente no verão, sendo janeiro o mês mais chuvoso com uma média de 228,6mm de precipitação, dados da prefeitura municipal ( 20/11/2009). 2

3 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física O bairro da Consolação, na cidade de São Paulo, faz parte da subprefeitura da Sé e está localizado na área central da cidade (Figura 1). Figura 1 Localização da área de estudo. Fonte: o autor A área escolhida para simulação refere-se a quatro x quatro quadras (540 x 540m) do bairro da Consolação. Trata-se de uma região densamente construída, com altos edifícios e vegetação acompanhando a calçada. A Figura 2 refere-se à grade de entrada do modelo. A resolução da grade é de: X = 4,5m, y = 4,5m e Z = 6,0m e foi gerada dentro do próprio modelo. A borda do modelo (condições de contorno) representada na Figura 2, com a cor amarela não deve ser analisada, pois o modelo não realiza os cálculos nessa região. Figura 2 Grade de entrada do modelo para a área do Bairro da Consolação, São Paulo. 3

4 Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Para este estudo determinou-se um ponto (x) dentro da grade, como mostra a Figura 2 para análise mais detalhada da temperatura do ar, umidade específica, velocidade do vento e número de Richardson. Metodologia Neste trabalho utilizou-se o modelo ENVI-met versão 3.0/3.1. O modelo microclimático é tridimensional concebido para simular a interação superfície - planta - atmosfera no ambiente urbano, com uma resolução entre 0,5 e 10m. Este modelo foi desenvolvido por Bruse e Fleer (1998) e Bruse (2004). Os dados de entrada do modelo são: temperatura do ar, direção e velocidade do vento e umidade relativa e foram obtidos do site Tempo Agora ( em 29/06/2009). O tempo de simulação foi de 24h, com início às 6h00min. A data escolhida para a simulação foi 29/06/2009, portanto um dia de inverno na região que apresentou temperatura máxima média Tmax = 25,5ºC, temperatura mínima média Tmin = 13,4 o C e sem ocorrência de chuva, dados do Ciiagro ( em 27/06/2009). A simulação foi feita para duas situações: uma com a altura real das construções existentes no local e outra com uma diminuição de quatro vezes a altura real. Escolheu-se este valor de diminuição, pois a menor cobertura, na altura real, apresenta uma altura de 4m. O modelo forneceu dados de temperatura do ar na superfície, temperatura média radiante (TMR) e os índices de conforto térmico PMV (voto médio predito) e PPD (porcentagem de pessoas insatisfeitas) desenvolvidos por Fanger (1972) e adotado pela norma ISO 7730, norma internacional que estabelece critérios para avaliar o conforto térmico. O índice PMV varia segundo a escala a seguir: Tabela 1 - Escala do índice PMV -3 muito frio -2 frio -1 levemente frio 0 confortável 1 levemente quente 2 quente 3 muito quente Fonte: ISO Conforme a ISO 7730, os valores recomendados de PMV estão entre -0,5 < PMV < + 0,5 e PPD não deverá ultrapassar 10%. 4

5 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física A TMR é definida como a temperatura de um corpo negro imaginário que produz a mesma perda de calor por radiação como num local real e engloba os fluxos de radiação de ondas curtas e longas, tanto direta quanto refletida. É um dos parâmetros mais importantes no balanço de energia e no conforto térmico humano e é utilizada para calcular a perda de calor sensível (H), na equação do PMV. Um indivíduo que se encontre diretamente exposto à radiação solar pode estar sujeito a uma TMR muito superior à temperatura ambiente, podendo atingir diferenças acima de 25ºC, no caso de uma pessoa sentada com todo o corpo exposto à radiação solar máxima. A temperatura média radiante para uma condição de conforto, segundo a ISO 7730 deverá estar entre 10 e 40ºC para o ser humano não se sentir desconfortável. Condições de estabilidade ou instabilidade atmosféricas são detectadas através do número de Richardson (Ri). Segundo Stull (1988) os limites do parâmetro de estabilidade R i são os seguintes: R i > 0, caracteriza condições de atmosfera estável, convecção suprimida, R i < 0 caracteriza instabilidade atmosférica e R i = 0 indica neutralidade. Com dos dados gerados pelo modelo foram feitos gráficos de temperatura média radiante (TMR), dos índices PMV e PPD (Figuras 2 e 4). Para a análise da velocidade e direção do fluxo de vento e turbulência foram feitos gráficos de perfis verticais de temperatura do ar, velocidade do vento, umidade específica e número de Richardson em um ponto central para as diferentes alturas (Figura 15). Tabela 2 Dados de entrada do modelo Variáveis de entrada Dia Horário de início da simulação 6h Total de horas de simulação 24 horas Vel. Vento em 10m 1,0 m/s Direção do vento 225º Rugosidade 1.5 Umidade relativa 87% Temperatura do ar inicial 13ºC Atividade caminhando Vel. de caminhada 0,88m/s metabolismo 116 W/m 2 índice de resistência térmica 0,5 Clo 5

6 Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Resultados e discussão A Figura 3 apresenta os índices PMV para a área de estudo real, às 15h00min, no dia 26 de junho, inverno neste hemisfério. Os valores observados estão entre -1,5 e -1,0 que são considerados fora dos limites de conforto térmico, ou seja, desconforto tendendo a frio. Esses valores são apresentados tanto por superfície asfaltada quanto por superfície com concreto e neste horário sofrem o efeito do sombreamento pelas construções. Ainda na Figura 3, valores entre 1,5 e 2,0, em vermelho também estão fora da zona de conforto tendendo a quente. Essas são áreas fora do sombreamento com a radiação chegando diretamente a superfície, portanto mais aquecidas. O sombreamento, juntamente com o aumento do albedo e a diminuição da densidade de construção, tem sido uma alternativa para a mitigação da temperatura média radiante. Figura 3 Índice de conforto térmico PMV para a região do bairro da Consolação, São Paulo SP. A área com altura dos prédios reduzida, Figura 4, apresenta um PMV para as 15h00min, entre 1,5 e 2,0, ou seja, desconforto térmico tendendo a quente mostrado em vermelho na figura. Assim, com a redução da altura dos edifícios em quatro vezes, as áreas antes sombreadas passaram a receber radiação solar direta gerando os valores acima citados e apresentando desconforto térmico. 6

7 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física Para as áreas sob o efeito do sombreamento, os valores de PMV ficaram entre -1,5 e -1,0, apresentando desconforto tendendo a frio, como mostra a Figura 4, em áreas em cor rosa. Na análise das duas áreas, com relação ao PMV, a redução da altura dos edifícios não apresentou conforto térmico, uma vez que, a radiação que chega a superfície na região dos trópicos é intensa mesmo no inverno. Portanto, se a região recebe insolação direta, em virtude da diminuição da altura das construções, gera desconforto tendendo a quente, mantendo-se a altura dos edifícios, gera-se sombreamento e desconforto tendendo a frio. Figura 4 índice de conforto térmico PMV com redução da altura das construções na região da Consolação, São Paulo SP. A ISO 7730 considera um ambiente termicamente confortável onde menos de 10% das pessoas sentem-se insatisfeitas. A Figura 5 apresenta PPD entre 20 e 40% de pessoas insatisfeitas, portanto fora do limite aceitável, portanto a área é considerada termicamente desconfortável. 7

8 Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Figura 5 índice de conforto térmico PPD na região da Consolação, São Paulo. Na redução da altura dos edifícios, Figura 6, observa-se pequenas áreas com PPD abaixo de 10% que se pode considerar como manchas que podem ser termicamente confortáveis dentro da área de estudo. Figura 6 - índice de conforto térmico PPD, com redução da altura das construções na região da Consolação, São Paulo. Observa-se ainda, que a maior parte da região apresenta um PPD acima de 40%, cor rosa na Figura 6. 8

9 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física Considerando os valores recomendados pela ISO 7730, ou seja, -0,5 < PMV < + 0,5 e PPD não deverá ultrapassar 10%, nenhuma das duas situações, altura real ou reduzida, apresentou conforto para as 15h00min, horário que apresenta as maiores temperaturas do ar na região. A TMR ficou entre 20 a 25ºC, para as 15h00min, como mostra a Figura 7. Observase que em regiões não sombreadas, em vermelho, a TMR apresenta valores acima de 60ºC. Embora a superfície esteja toda impermeável, revestida de concreto e asfalto, a altura dos edifícios tem papel preponderante no aquecimento/resfriamento do ar e no conforto térmico. Assim, quando se leva em conta apenas a TMR, a região pode ser considerada confortável. Para o conforto térmico humano, além da temperatura, deve-se observar também a velocidade do vento e a umidade relativa, assim que os valores de PMV e PPD apresentam índices de desconforto, apesar da TMR apresentar valores dentro dos limites aceitáveis pela norma ISO Figura 7 Temperatura média radiante as 15h00min no bairro da Consolação, São Paulo. A TMR para os edifícios com altura reduzida (Figura 8) apresenta valores acima de 60ºC, para toda a área, excetuando as áreas próximas as construções, sob o efeito do sombreamento, que apresentam uma temperatura média radiante entre 20 e 25ºC. O efeito esperado na redução de quatro vezes a altura das construções, que era reduzir as áreas de sombreamento trouxe para a região valores de TMR acima dos limites toleráveis para o ser humano. 9

10 Temp. do ar ºC Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Figura 8 Temperatura média radiante às 15h00min, na Consolação, São Paulo. A modificação proposta na área de estudo provocou um aumento da temperatura do ar, (Figura 9), entre as 9 e 16h00min. O valor máximo foi de 19ºC, às 13h00min para a região com altura reduzida, quando o Sol está mais alto e 18ºC para a altura real dos edifícios. 20,0 19,0 18,0 17,0 16,0 15,0 14,0 13,0 12,0 Baixa Real Horas Figura 9 Evolução horária da temperatura do ar na região da Consolação, São Paulo. A maior diferença de temperatura entre as duas situações foi de 0,9ºC nos horários de 13 e 14h00min. A umidade específica na região de estudo, apresentou o mesmo comportamento da temperatura, ou seja, com a redução da altura dos edifícios houve redução do sombreamento e o aumento da temperatura e da umidade específica, que aumentou entre os horários de 8 e 16h como pode ser visto na Figura

11 Umidade especifica g/kg VI Seminário Latino Americano de Geografia Física 13,0 12,0 11,0 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 Real Horas Figura 10 Evolução horária da umidade específica na região da Consolação, São Paulo. Baixa O aumento de umidade específica ocorreu entre as 12 e 14hmin e foi de 0,7g/kg. Com a redução da altura dos edifícios a vegetação local passa a receber radiação direta causando um aumento da evapotranspiração e justificando o aumento da umidade específica. Na análise da velocidade do vento observou-se que, com a diminuição da altura das construções, a variação do fluxo de vento tornou-se menor. Na situação real a velocidade do vento variou com altura, apresentando o menor valor de 0,14m/s, na altura 2m e o maior valor de 3,54m/s na altura de 78m. Com o rebaixamento das edificações a velocidade do vento apresentou o menor valor na altura de 2m (0,67m/s) e a máxima velocidade 2,97 m/s na altura de 74m. A Figura 12 apresenta o perfil vertical do número adimensional de Richardson (Ri). Observa-se valores negativos que variam de -0,05 até -170,0 para as duas situações, sendo que a situação de altura reduzida apresentou valores superiores aos apresentados pela situação real, mostrando uma diminuição da turbulência com a redução da altura das construções. 11

12 Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais Figura 11 - Perfil vertical da velocidade vento no ponto de estudo (x) no centro da grade. Figura 12 - Variação vertical do número de Richardson no ponto de estudo (x) no centro da grade. Conclusão A redução da altura das construções apresentou modificação das variáveis ambientais como temperatura e umidade, na representação do espaço analisado. Na situação de redução da altura dos edifícios, o sombreamento foi diminuído e aumentaram os valores de temperatura do ar e TMR. Com o aumento da temperatura houve um aumento da umidade específica do ar. A velocidade do vento apresentou maior variabilidade na situação real, comparativamente a situação de redução da altura. As duas situações apresentaram desconforto térmico, sendo que a área real apresentou desconforto tendendo a frio e a situação da altura reduzida apresentou desconforto tendendo a quente. Embora a alteração da altura das edificações não tenha gerado conforto térmico, mostrou a modificação das variáveis ambientais na camada limite, conseqüentemente alteração de parâmetros meteorológicos no local, mostrando, portanto, a importância do estudo da estrutura urbana no clima local. 12

13 VI Seminário Latino Americano de Geografia Física Bibliografia Bueno-Bartholomei, C.L. 2003, Influência da vegetação no conforto térmico urbano e no ambiente construído. Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas. 189p. Tese (Doutorado). Bruse, M.; FLEER, H. 1998, Simulating Surface- Plant-Air Interactions Inside Urban Environments with Three Dimensional Numerical Model. Environmental Modelling and Software, v.13, p Bruse M. 2004: ENVI-met website. Emmanuel, R.; Rosenlund, H.; Johansson, E. 2004, Urban shading- a design option for the tropics? A study in Colombo, Sri Lanka. International Journal of Climatology, vol. 27, issue 14, pp Fanger, P. O. 1972, Thermal comfort: analysis and applications in environmental engineering. United States: McGraw-Hill Book Company. Fahmy, M.; Sharples, S. 2009, On the development of an urban passive thermal comfort system in Cairo, Egypt. Building and Environment. Volume 44, Issue 9, September, p Gaitani, N.; Santamouris, M.; Mihalakakou,G. 2005, Thermal comfort conditions in outdoor spaces. International Conference Passive and Low Energy Cooling for the Built Environment, May, Santorini, Greece. Guerra, A. J. T.; Cunha, S. B. (Org). 2009, Impactos ambientais urbanos no Brasil. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil. Stull, R.B., An Introduction to Boundary Layer Meteorology. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Thom, E.C. 1959, The discomfort index. Weatherwise (V). 2: acessado em 20/11/ acessado em 27/06/ acessado em 29/06/

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