Curso de Pós-Graduação em Arquitetura Bioclimática Sustentabilidade e Eficiência Energética. Módulo 2. Conforto Térmico

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1 Módulo 2 Conforto Térmico Profa. Dra. Cláudia Barroso-Krause GPAS-FAU/UFRJ outubro/2009

2 SUMÁRIO INTRODUÇÃO O CONFORTO, AS FONTES DE DESCONFORTO E O USUÁRIO O novo cenário de nossos projetos arquitetônicos: as intervenções humanas e o microclima O homem e suas necessidades ambientais O HOMEM, SUAS NECESSIDADES HIGROTÉRMICAS, A EDIFICAÇÃO Trocas higrotérmicas entre o homem e o seu entorno livre As trocas térmicas entre o homem, a edificação e seu entorno TROCAS POR RADIAÇÃO ENTRE A CONSTRUÇÃO E O ENTORNO Arquitetura e trocas por radiação TROCAS POR CONDUÇÃO ENTRE A CONSTRUÇÃO E O ENTORNO Condução e Resistência à passagem de calor O conceito de massa térmica Arquitetura e trocas por condução TROCAS POR CONVECÇÃO Trocas por convecção entre a construção e seu entorno Arquitetura e trocas por convecção Cobertura e ventilação Ventilação e Umidificação Outras situações de conforto higrotérmico no projeto O DIAGNÓSTICO DO MICROCLIMA: OS INSTRUMENTOS DE PROGNÓSTICO PARA O PROJETO O Diagrama bioclimático de Givoni Diagrama solar RESUMO DAS PRINCIPAIS DIRETRIZES DE PROJETO GlOSSÁRIO BIBLIOGRAFIA CONSULTADA E DE APOIO Cláudia Barroso-Krause Página 2 de 72

3 INTRODUÇÃO Esta apostila propõe, em linguagem simples, as informações básicas para o início da abordagem bioclimática do projeto sujeito à climatização mista com opção prioritária pela não climatização. Apresenta além do texto principal, um glossário simples, que explica os principais conceitos utilizados (sublinhados no texto) e instrumentos úteis para acompanhar o desenvolvimento da concepção do projeto. Ela não pretende resolver os problemas ligados ao bioclimatismo e a conservação de energia em edificações em clima tropical brasileiro, nem apresentar em detalhes todo o resumo do conhecimento disponível sobre o assunto, mas apresentar noções básicas que, compreendidas pelos arquitetos, possam ser incorporadas ao processo de concepção arquitetônica permitindo a otimização do projeto face a seu entorno climático e às necessidades de seus futuros ocupantes. A pesquisa em qualidade das construções em clima tropical úmido vai muito mais longe e tem sido objeto de pesquisa intensa. Nossos centros universitários - de Norte a Sul do país - e institutos de pesquisas tecnológicas vêm procurando integrar e adequar os princípios físicos da transmissão de calor e as necessidades de caráter ambiental dos diversos tipos de usuários às nossas diversidades climáticas, culturais e às nossas leis de uso do solo. Muitas das informações aqui transmitidas vêm dessa massa multidisciplinar de pesquisadores. Outras, de uma geração anterior, a quem o pioneirismo deve ser reconhecido. Especificamente a pesquisa em conforto higrotérmico nas edificações tem procurado tomar uma nova atitude frente à arquitetura. Ela procura definir uma abordagem do projeto da construção desde seu início em ligação íntima com o lugar, seu entorno, o clima e os hábitos construtivos locais. Ela procura preservar a liberdade de escolha, mas associando-a a sua responsabilidade ambiental. Viemos nos dar conta que fomos um pouco longe demais, ao ter confiança cega no uso de equipamentos para resolver a posteriori aspectos do conforto ambiental no interior das edificações. A arquitetura do século XX se caracterizará talvez (ao menos do ponto de vista histórico) por ter dado exagerada importância à tecnologia, a exclusão de qualquer outro valor. Esta dependência atual em relação ao controle mecânico do ambiente interior, em detrimento da exploração dos fenômenos climáticos naturais para satisfação de nossas exigências de conforto. Embora tenha havido um grande acúmulo de conhecimento, o acesso a essa informação já disponível constitui hoje um dos grandes problemas em todas as áreas, inclusive a da construção. À medida que os fenômenos envolvidos tornam-se mais complexos e que a gama de materiais e técnicas possíveis se aperfeiçoam, nos defrontamos na prática, com a dificuldade de acesso a esse saber. Assim, em geral, arquitetos, construtores e, sobretudo auto-construtores, deixam de lado estas informações, mesmo disponíveis, por se apresentarem sob forma técnica, complexa e fastidiosa. Donde os erros, ou no mínimo riscos consideráveis na concepção do projeto arquitetônico. Com isso, a qualidade do ambiente resultante acaba sempre diferente - e em geral bem inferior - do esperado. Para o profissional já em campo permanece certa dificuldade na matéria. Quando sem tempo para reciclar, com hábitos já enraizados, acaba com dificuldades para incluir, desde os primórdios do projeto, os conceitos necessários a uma boa inserção de sua arquitetura no meio. No entanto, comprovadamente, este é talvez o momento mais importante da concepção onde há mais liberdade de escolha (implantação, partidos, Cláudia Barroso-Krause Página 3 de 72

4 materiais, etc.), escolha essa que engessará para sempre (ou até uma reforma) a edificação. Esta apostila procura, dentro deste quadro, uma primeira aproximação ao arquiteto dos conceitos da Física da Construção, no sub-tema da higrotermia, sempre inserida dentro do universo projetual. Neste contexto, alguns fenômenos complexos foram omitidos, como efusividade e difusividade, por exemplo, podendo, uma ver compreendidos os fenômenos básicos, serem buscados na busca de novas e mais eficientes alternativas construtivas. Que não se espere obter daqui valores precisos do comportamento higrotérmico do projeto após sua construção. Estes dados serão sempre resultados de um trabalho especializado, de um nível de detalhamento muito superior. Mas espera-se que as informações sejam úteis para orientá-los na iniciação da abordagem bioclimática do projeto. Como última lembrança, nestes tempos de legislação brasileira de eficiência energética em edificações em vias de implementação, quanto mais se conseguir chegar à compreensão das teorias apresentadas nas apostilas, tanto maior será a liberdade de escolha do partido, da volumetria, dos materiais, etc., enfim do projeto arquitetônico global, sem perda da qualidade para o ambiente resultante interno e externo, ou a fatura de eletricidade associada. Cláudia Barroso-Krause Cláudia Barroso-Krause Página 4 de 72

5 1 O CONFORTO, AS FONTES DE DESCONFORTO E O USUÁRIO 1.1 O novo cenário de nossos projetos arquitetônicos: as intervenções humanas e o microclima Os grandes centros urbanos assistiram recentemente a uma variação importante no seu microclima, em função da mudança de ritmo da atividade humana. Milhares de deslocamentos diários dos automóveis, a refrigeração (ou o aquecimento) e a iluminação intensiva dos edifícios e dos locais públicos, e mesmo a presença dos milhares de seres humanos constituem hoje, fonte de calor e de tipos diversos de poluição (ruídos, poeiras, hidrocarburetos e vários produtos das combustões) e determinam o microclima urbano. Se a estes fatores se associam situações geográficas especiais, assistimos, tanto em São Paulo como em Atenas e na cidade do México - situadas em uma depressão e fora do alcance dos ventos de alta velocidade - a um acúmulo destes digamos subprodutos das atividades humanas, gerando um adensamento dos gases e uma situação de poluição muito forte. Figura 1: Fachada de escritório, Papeete, Tahiti Fonte: Autor, 2003 Figura 2: Vista São Conrado, Rio de Janeiro. Construções em paredão como observado em Acapulco no México ou em Copacabana no Rio de Janeiro impedem tanto o acesso dos ventos locais aos quarteirões internos, quanto do Sol às ruas estreitas e aos andares mais baixos das edificações, prejudicando a qualidade do ar em climas úmidos quer frios quer quentes. Cláudia Barroso-Krause Página 5 de 72

6 Figura 5: Efeito barreira provocado pelo urbanismo Figura 6: Disponibilidade de Recursos naturais e ocupação urbana Fonte: Autor, 2003 Fonte: Internet, 2004 Ou seja, ao concentrar suas atividades em um só lugar - a cidade - o homem modifica seu microclima: acontecem temperaturas médias mais elevadas, há a modificação do regime de chuvas, o aumento da nebulosidade devido à poluição do ar. As chuvas, sendo rapidamente evacuadas para o sistema de esgoto, pelo excesso de solo impermeável, não têm tempo de refrescar o solo e o ar, salvo perto dos parques e jardins. Bairros inteiros passam a sofrer com o calor no verão e na meia-estação. Figura 3: Centro da cidade, Rio Figura 4: Vista da cidade, Belém Fonte: Autor, 2004 Fonte: Autor, 2003 Estes bairros, mais quentes, acabam atraindo as massas de ar, e, quando estas estão carregadas de partículas poluentes, tornam-se bairros quentes e poluídos. ar frio ar frio ar quente Figura 7: Esquema de massas de ar Fonte: Figura 8: exemplo de camada de poluição sobre cidades, China Fonte: pt.wikipedia.org/wiki/ficheiro:pollution_over... Cláudia Barroso-Krause Página 6 de 72

7 As antigas regras de bem morar, modificam-se. Pela insegurança das grandes e médias cidades, como proteção ao ruído urbano ou à chuva, cercar-se de divisórias apenas insinuantes de propriedade, ou dormir de janelas semi-abertas, deixam de ser recorrentes. Figura 9: Fachada casario Belém, Pará Figura 10: condicionador Split em fachada externa Levados por imitações e modismos, terrenos tem sua cobertura vegetal retirada e construções passam a ser projetadas em função de modelos nem sempre adaptados a gestão provável de seu usuário e entorno Figuras 11,12: Construções no Morro do Batan, Rio de Janeiro, RJ Fonte: Autor, 2008 Esta mudança de hábitos impede a livre circulação de ar no interior das construções; e os muros, cada vez mais altos e impenetráveis, afastam os ventos de todo o terreno. Mas não é só o meio urbano quem sofre. As zonas rurais por vezes, quando da troca da área de plantio ou da implantação de fábricas padecem de filosofias agrícolas trabalhando com a técnica de terreno arrasado, mais simples de execução. Limpa-se, planifica-se, aterra-se o terreno e em seguida se dá início, com mais conforto a viabilização do projeto de implantação. Cláudia Barroso-Krause Página 7 de 72

8 Figura 11: Esquema de efeito diferenciado de absorção da radiação solar Com a retirada da camada fértil do solo, e da variedade florestal existente, o microclima se modifica. Partes importantes da fauna e da flora desaparecem e permitem a ocorrência de erosão e do empobrecimento progressivo do solo Figura 12: Efeito do desmatamento sobre temperatura de superfície de solo Fonte: Perde-se o amortecimento da vegetação em relação à ação das chuvas, da correnteza dos rios, dos ventos, da radiação solar. A amplitude de temperatura aumenta. A qualidade da água dos mananciais é comprometida o que será, segundo alguns, o desafio maior do próximo século. Cláudia Barroso-Krause Página 8 de 72

9 Figura 13: Efeito de assoreamento em rio, Belém, AM O microclima se degrada e as soluções regionais de projeto, tradicionais, deixam de responder aos anseios de seus usuários Cláudia Barroso-Krause Página 9 de 72

10 1.2 O homem e suas necessidades ambientais Sentir-se confortável é talvez a primeira sensação procurada pelo ser vivo. Qualquer bebê 1 confortável ressona ou brinca tranqüilo e, à medida que esse equilíbrio fisiológicoambiental vai se rompendo, dá sinais claros de agitação e descontentamento. Cada um de nós é incapaz de descrever, quando confortável, os limites ou as características desta sensação. Entretanto, ao rompimento deste estado, conseguimos descrever se tratar de um ruído, do excesso ou falta de calor, da ausência ou excesso de luz que nos incomoda. Figura 15: Situações de Conforto Figura 16: Situações diferenciadas de Conforto 2 Fonte: Fonte: Autor, ar_bears_ _1.jpg, 2005 Depreendemos daí que só existe um conforto ambiental, global, indefinível, mas várias fontes, físicas e psicológicas independentes (mas capazes de se somarem) de desconforto. Portanto, enquanto arquitetos, o que nos deve preocupar na realidade não é o conforto, mas o desconforto. É a possibilidade de sua ocorrência que devemos bem conhecer, para melhor determinarmos suas causas. Desta forma, poderemos, no projeto nosso de cada dia, projetar mecanismos para evitar ou minorar suas conseqüências sobre o usuário. O estudo de conforto ambiental é dividido usualmente em três grandes grupos: conforto térmico, lumínico e acústico, embora sejam apenas algumas das facetas 2 de um único conceito que envolve o Homem e suas necessidades ambientais. Conhecendo as bases conceituais destes confortos, capacitamo-nos ao projeto arquitetônico responsável para com o usuário e o seu entorno. Alguns dos recursos apresentados nesta apostila de conforto higrotérmico deverão interagir com outras necessidades que os ambientes possuem, que, pela sua importância ou por estar incluído em outros enfoques, estarão desenvolvidos em outras apostilas desta coleção. 1 Escolhido aqui como testemunha ainda não influenciada por pressões psicológicas 2 Como arquitetos, outros confortos igualmente importantes nos são cobrados como respiratório ergonômico, táctil, visual, etc. que devem interagir no momento das decisões projetuais. Cláudia Barroso-Krause Página 10 de 72

11 Assim por exemplo, a ventilação natural, que é o grande recurso de resfriamento passivo, e de umidificação dependendo de seu uso, será tratada aqui em linhas gerais, sendo detalhada em apostila própria. O acesso à luz do céu que permite a iluminação de melhor qualidade e custo zero possui seus próprios requisitos de projeto. O conforto acústico vem por vezes de encontro a alguns princípios de conforto térmico, na medida em que o mesmo ar que traz o arrefecimento do calor pode, dependendo do que esteja ocorrendo em sua origem trazer a onda sonora que gerará o desconforto acústico. A aplicação fortuita de alguns princípios como a permeabilidade da construção poderá propagar sons que, se são considerados por quem os emitem como desejáveis ou agradáveis ensaios musicais, ou animados debates por exemplo podem, em função de outros perfis e requisitos de ocupação serem compreendidos como ruído pela vizinhança. Figura 17: Parede externa com elemento vazado, Lauro de Freitas, Bahia Fonte: Autor, 2004 Entretanto a leitura atenta das apostilas e a reflexão da relação dos fundamentos ali contidos com as decisões específicas de cada Programa capacitará o arquiteto, face à diversidade de escolhas, em termos de implantação até materiais à sua disposição em seu projeto, junto à sua experiência projetual, realizar a melhor escolha global. Cláudia Barroso-Krause Página 11 de 72

12 2 O HOMEM, SUAS NECESSIDADES HIGROTÉRMICAS, A EDIFICAÇÃO O homem é o que chamamos um animal homeotérmico, ou seja, sua energia vital é conseguida através de fenômenos térmicos a partir de sua alimentação, em um processo fisiológico mínimo, chamado metabolismo. Para cada indivíduo, o metabolismo, a partir de um valor básico de sobrevivência, variará em função do tipo de atividade exercida, da idade e do estado de saúde. A energia útil necessária à esperada atividade muscular e biológica - entretanto é apenas 20% da metabolizada. Os restantes 80% - reserva para uma emergência - são transformados em calor e devem ser eliminados para que sua temperatura interna de equilíbrio em torno de 36,7 C - seja mantida constante. A saída da temperatura de equilíbrio de patamares que são muitos estreitos gera danos mais ou menos permanentes ao corpo humano, sendo imperativa sua manutenção. Os recursos de que o corpo humano se utiliza para manter esta temperatura neste patamar giram em torno da sua capacidade de reter ou dissipar o calor e a umidade: o suor, o arrepio, a redução do trabalho físico, o vestir e o despir, a busca pela sombra ou pelo Sol, são recursos mais ou menos involuntários que buscam este equilíbrio. E sempre que o organismo, através de seu sistema termo-regulador, necessita trabalhar muito para manter este equilíbrio, ocorre a fadiga, e a conseqüente queda de rendimento das atividades, em um primeiro estágio, e em longo prazo, algum tipo de dano físico (tontura, desmaio, etc.). É o que pode acontecer, por exemplo, ao se jogar partidas seguidas de vôlei de praia no verão, ou durante as corridas feitas em horários de muito calor, etc. Figura 18: Conforto externo Aliás, este exemplo permite ilustrar a diferença entre os aspectos fisiológicos do conforto higrotérmico e a percepção do mesmo, que pode ser retardada ou anulada face a uma situação psicológica favorável. Imaginem-se dois jogadores de níveis de vôlei e saúde diferenciados que se encontram e onde o mais fraco se superpõe - por sorte - ao mais forte. A percepção do desconforto térmico será menos intensa ou mais retardada - condições psicológicas prevalecendo - junto ao que está inesperadamente ganhando, porem será provavelmente neste que primeiro deverão ocorrer os danos físicos, como tontura ou mesmo desmaio (condições fisiológicas prevalecendo - e de forma mais intensa, em Cláudia Barroso-Krause Página 12 de 72

13 função de quanto tempo a decisão de continuar jogando motivado pelos fatores psicológicos se superpor à de suspender a partida). Resumindo, o conforto higrotérmico é obtido sempre que se consegue manter um equilíbrio entre as necessidades do corpo em cada atividade, sua reserva metabólica e a oferta climática do entorno, de forma que a temperatura de equilíbrio interna permaneça constante e em torno de 36,7 C, sendo fundamental para o pleno exercício de todas as atividades humanas. 2.1 Trocas higrotérmicas entre o homem e o seu entorno livre O conforto higrotérmico pode ser obtido através do equilíbrio dinâmico entre as necessidades do corpo e a oferta do seu entorno. Se pensarmos inicialmente nas relações do homem com o meio natural, poderemos destacar algumas possibilidades de obtenção deste equilíbrio através da ocorrência de trocas térmicas 3, ilustradas na figura abaixo: Figura 19: Esquema básico de trocas térmicas entre o homem e entorno M Metabolismo, ou a produção de calor interno do corpo. Possível de ser incrementada pela ingestão de alimentos e líquidos. R Trocas por radiação. Entre o Sol e o corpo, entre o corpo e a abóbada celeste, entre o corpo e os demais corpos (paredes, etc.) C Trocas por condução, contato. Entre o corpo e toda superfície em que ele toca. Cv Trocas por convecção. Entre o corpo e o ar que está em seu contato direto. E Trocas por evaporação/sudação. Eliminação do calor pela troca pulmonar, na expiração e através da pele, pelos poros. As trocas higrotérmicas ilustradas na figura acima ocorrem todo o tempo e podem mudar de sentido perda (ilustradas em azul) a ganho (ilustradas em vermelho) de calor segundo haja mudança de local, de momento (dia/noite), vestuário (em função da resistência térmica da vestimenta) ou atividade (taxa metabólica). Em função do nível de atividade desenvolvida e da vestimenta requerida pela atividade (terno e gravata para advogados, macacão para determinados operários, roupa de ginástica, etc...) estas respostas se tornam mais ou menos facilitadoras para o organismo na obtenção deste equilíbrio: 3 O glossário detalha de forma mais detalhada estas trocas Cláudia Barroso-Krause Página 13 de 72

14 Figura 20, 21: Atividades desenvolvidas x vestimenta requerida. Restaurantes em Capetown, na Africa do Sul, e no Mercado de Ver-o-Peso, Belem Fonte: Autor, 2006 e 2009 Figura,22e 23 Atividades desenvolvidas x vestimenta requerida Fontes: e Na realidade, de forma mais completa, podemos afirmar que o bom aproveitamento da atividade humana no lazer ou no trabalho é função (com pesos distintos e variáveis) do perfil de cada indivíduo. Chamaremos aqui de perfil sua descrição em termos de compleição física (devido à idade, tamanho, sexo, saúde, raça, etc.), vestimenta, atividade, e, de mais difícil mensuração, de seus fatores culturais, sociais e psicológicos. O fundamental, para que estejamos em sensação de conforto higrotérmico é que o somatório dessas trocas seja nulo, a chamada neutralidade térmica. Ou seja, que tenhamos toda a energia necessária à atividade em exercício, que o calor produzido em excesso possa ser eliminado e que não percamos aquele necessário à manutenção do equilíbrio interno 4. Assim, o rendimento de qualquer atividade, possui um vínculo estreito com as condições higrotérmicas do seu entorno. E os parâmetros mais significativos para estas condições são: - o metabolismo, que varia do basal ao relacionado à atividade exercida; - a vestimenta, pela alteração da área de pele exposta às trocas e à resistência suplementar às trocas entre a superfície da pele e o entorno; - a temperatura do ar ambiente, pelo efeito convectivo; - as temperaturas de superfície dos corpos sólidos no entorno do corpo, porque 4 Ou seja, para garantir as condições de saúde do organismo, necessitamos que a equação M ±R ± C ± Cv - E = 0 se mantenha ao longo do tempo. Cláudia Barroso-Krause Página 14 de 72

15 intervêm nas trocas radiativas; - a umidade relativa do ar circundante, facilitando ou dificultando a evaporação; - velocidade do ar próxima ao corpo, pelo seu papel nas trocas convectivas; entre outros; Como foi dito, o corpo humano é capaz de se auto-ajustar dentro de certos limites. Para conhecer um pouco mais o alcance deste ajuste face às características de seu entorno, diversas pesquisas foram realizadas com inúmeras pessoas em diferentes situações de entorno climático. A bibliografia que acompanha este apostila traz algumas das fontes mais conhecidas sobre este tema. De forma geral, compreendendo da contribuição tanto dos valores de umidade quanto os de temperatura para a obtenção do conforto térmico, os estudos mais detalhados foram impressos sobre um diagrama psicrométrico. Os mais significativos foram transformados em gráficos de ajuda ao diagnóstico de conforto higrotérmico chamados diagramas bioclimáticos 5. Eles interpretam os valores instantâneos de umidade e temperatura do ar em função de parâmetros de conforto, gerando zonas comuns de reação do corpo e subsequentemente de estratégias de intervenção. O mais utilizado para apoio ao projeto de arquitetura é o realizado pela equipe do Prof. Givoni a partir de seus estudos descritos no livro Homem, Arquitetura e clima : Frio úmido Suor aparente desidratação Ressecamento das mucosas Figura 24 e 25: Diagrama original de Givoni e as situações vividas fora do polígono de conforto Legenda do diagrama: N, N zona de conforto e zona de conforto AC resfriamento através de métodos ativos ainda aceitável; (condicionamento de ar) EC, EC resfriamento através da evaporação. W necessidade de umidificação suplementar D desumidificação necessária H, H limite do aquecimento por métodos passivos. V, V resfriamento através de ventilação. M, M uso de materiais do envoltório construtivo. O diagrama bioclimático utiliza as respostas dadas por vários usuários semelhantes a diferentes situações à sombra de temperatura do ar e umidade para determinar zonas de 5 Como os de Olgyay e Givoni, ver bibliografia. Cláudia Barroso-Krause Página 15 de 72

16 resposta sobre o diagrama. Uma determinada combinação entre unidade e temperatura que a maioria das pessoas aceita sem maior problema é denominada zona de conforto. Fora de seus limites (representado na figura pelo polígono verde), estão valores associados a situações de desconforto higrotérmico, caracterizadas por reações físicas imediatas (secura na boca, suor, frio nos ossos, ou frio úmido) ou em médio prazo (fadiga, desatenção, retesamento muscular), em geral incompatíveis à qualidade esperada do ambiente para a tarefa prevista. Alguns destes valores incompatíveis ao bem-estar humano podem ser amenizados ou resolvidos segundo algumas técnicas específicas, às chamadas estratégias bioclimáticas. Alguns climas oferecem a possibilidade de uso de algumas estratégias, mas não de outras (em função de pouca ocorrência de ventos, períodos ou regiões aonde o Sol não chega a prover o calor necessário, valores muito elevados de umidade, etc.). O objetivo do uso do diagrama é facilitar a escolha da estratégia mais adequada às necessidades daquele usuário alvo do projeto. O capitulo 6 detalha de maneira mais objetiva seu uso como apoio às escolhas projetuais das edificações. 2.2 As trocas térmicas entre o homem, a edificação e seu entorno Gerar uma arquitetura adequada a determinado clima significa elaborar espaços que propiciem a seus usuários nos respectivos tempo de uso, condições internas microclimáticas compatíveis ao funcionamento de seu metabolismo nas diversas atividades ali exercidas. Quando construímos uma edificação, criamos uma interface entre o homem e o seu entorno imediato, e na realidade estamos estabelecendo um novo ritmo e uma nova relação entre as trocas que ocorriam anteriormente. Nesta nova relação os fenômenos de troca térmica são os mesmos, mas a intensidade e locais de ocorrência podem variar bastante segundo a decisão de projeto: Principais trocas higrotérmicas entre o homem e a construção: R trocas por radiação: entre o Sol e a construção, entre a abóbada celeste e a construção, entre o corpo e as paredes, entre as faces internas das paredes. C trocas por condução, contato entre o corpo e toda superfície em que ele toca, através das paredes. Cv trocas por convecção. Entre o corpo e o ar que está em seu contato direto, entre o ar e as paredes (externa e internamente). Figura 26: Principais trocas higrotérmicas entre o homem e a construção Cláudia Barroso-Krause Página 16 de 72

17 A qualidade e intensidade das trocas entre o entorno e o usuário se modificam, pois as trocas se darão em várias etapas e envolvendo todo o processo projetual, da decisão de implantação e volumetria à especificação dos materiais. Embora os fenômenos de radiação, condução e convecção ocorram ao mesmo tempo, para melhor compreensão de cada um, iremos tratá-los separadamente inicialmente. 3. TROCAS POR RADIAÇÃO ENTRE A CONSTRUÇÃO E O ENTORNO As trocas por radiação acontecem entre dois corpos que não se tocam, que estejam em temperaturas distintas, na forma de cessão de calor do mais quente para o menos quente, em função das propriedades óticas dos dois elementos (ver glossário), até que ambos estejam na mesma temperatura. Elas acontecem apenas enquanto esta diferença de temperatura existe e nas regiões dos corpos que se vem. Quando projetamos, por exemplo, uma fachada, estamos colocando um anteparo entre o homem e o Sol (mais quente, durante o dia) e a calota celeste (mais fria o tempo todo). Esta situação induz a uma troca por radiação em duas etapas entre o Sol e o homem: 20 C 30 C 40 C 30 C Figura 27: Troca térmica por radiação - entre o Sol e a parte externa da fachada; - em outro momento entre a face interna da fachada e o usuário 6. Figura 28: Principais trocas térmicas na construção 6 A troca por condução se encarregará de fazer a ligação as duas faces da parede. Cláudia Barroso-Krause Página 17 de 72

18 O resultado da primeira troca térmica - aquecimento ou resfriamento da face externa da fachada - se dará em função do balanço entre o ganho (do Sol ou de outro elemento com maior temperatura à sua volta) face à perda (para a calota celeste ou outro elemento com menor temperatura à sua volta) que possa ocorrer. Poderá haver a ocorrência simultânea de duas trocas significativas, vinculadas à radiação solar e à radiação infravermelha (chamada radiação térmica, ou calor). O ganho e perda mencionados ocorrerão em função da capacidade dos elementos externos de emitirem e absorverem o calor por radiação, as chamadas propriedades óticas. Pesquisas são conhecidas e disponibilizadas em diversos livros para a maioria dos materiais de construção. Em princípio a capacidade de absorver e emitir calor (a chamada radiação infravermelha) é mais ou menos a mesma para a maior parte dos materiais de construção, em torno de 90% da radiação envolvida (ou gerando índices em torno de 0.90). Já a capacidade de um elemento de absorver a radiação solar função de sua camada mais externa - varia enormemente de um material construtivo a outro. A tabela abaixo ilustra a variação da capacidade de absorção solar e de emissão e absorção na faixa do infravermelho (calor), em função do material escolhido: MATERIAL absorção para a radiação solar ( ) absorção e emissividade ( e ) infravermelha entre 10ºC e 40ºC Telha ou tijolo de barro vermelho 0,70 0,90 Telha de barro amarelo, bege 0,40 0,50 telha de fibrocimento nova 0,50 0,95 telha de fibrocimento suja 0,70 0,95 chapa nova de alumínio galvanizado 0,50 0,25 chapa suja de ferro galvanizado 0,80 0,28 Vidro de janela (3mm) 0,05 0,87 1 Vidro de janela (8 mm) 0,27 0,65 tinta branca 0,30 0,90 tinta marrom escura, preta 0,95 0,90 revestimento tipo caiação 0,30 0,90 revestimento tipo branco de chumbo 0,20 0,89 revestimento tipo asfalto, betume 0,93 0,93 Lajotas e azulejos escuros 0,80 0,90 grama 0,67 - Tabela 1: Tabela de propriedades frente a radiação das superfícies (acabamentos, tintas, vidros) Fonte: Corbella e Yannas, 2003 Algumas ponderações projetuais preliminares saem apenas da leitura da tabela acima: - Uma superfície pintada de preto fosco representa uma capacidade de retenção 75% maior (0,95-0,20) da radiação solar incidente em determinado local, em relação à mesma 1 Do material vidro quando aquecido, não confundir com sua capacidade de transmissão na faixa do solar, Cláudia Barroso-Krause Página 18 de 72

19 superfície com um revestimento com tinta branca óleo, o que seria um indicativo de escolha de projeto. Uma laje com impermeabilização escura é um excelente elemento para aquecer os ambientes ( = 0,90) - As superfícies metálicas reflexivas devem ser olhadas com cuidado, pois se forem projetadas para locais com ação da maresia ou outro poluente atmosférico, podem oxidar perder o brilho - e passarão a absorver mais radiação solar que uma superfície comum com pintura clara, com a circunstância nada atenuante de que, em sendo metal, conduzirão o calor melhor e mais rápido. - A maior parte dos materiais de construção sendo opaca, reflete a parcela que não absorvem. Assim, a escolha de um elemento de piso na trajetória dos raios do sol face a uma fachada merece ser feita ponderando a parcela que será absorvida com a que será refletida e incidirá sobre a mesma. Figuras 29 e 30: Exemplos de influência do piso sobre o acesso à radiação solar Alguns materiais mais ou menos translúcidos, como o vidro, são capazes de deixar a radiação solar atravessá-los, permitindo que alcance piso e paredes, mas impedem, por sua constituição, o sentido contrário, de volta à calota, da radiação na faixa do infravermelho, gerada pela absorção da radiação solar, retendo o calor no ambiente. É o princípio do tão famoso efeito-estufa. Utilizado nos aquecedores solares para aquecer um outro fluido a água - é igualmente interessante para aquecer gratuitamente o ar interno. Figura 31 e 32: Esquema de transferência de calor pelo vidro Cláudia Barroso-Krause Página 19 de 72

20 Interessante estratégia para climas frios, pois evitam ou reduzem o aquecimento por meios de fontes energéticas como gás, ou eletricidade. Também pode ser uma fonte interessante de aquecimento mesmo para climas quentes quando em presença de uma estação fria trabalhando com a geométrica solar, (ver capítulo mais a frente) para ambientes onde o usuário esteja com um baixo índice de resistência de roupa (clo), como banheiros, vestiário, podendo inclusive ser uma fonte gratuita de iluminação diurna. Figura 33, 34 e 35: Exemplo de insolação em banheiros Porém talvez não tão boa escolha para usuários plenamente vestidos em horário de insolação, em clima tropical quente, visto a ação da radiação ser independente do valor da temperatura de ar, mesmo em ambiente refrigerados como no exemplo dos edifícios da Caixa Econômica Federal em Belém, Pará ou no Rio de Janeiro: Figura 36: CEF Belém, Figura 37: CEF Rio de Janeiro Cláudia Barroso-Krause Página 20 de 72

21 3.1 Arquitetura e trocas por radiação Os principais locais de trocas por radiação nas edificações variam em função do entorno, da implantação, volumetria e da localização das fontes de calor no interior de cada projeto (caldeiras, máquinas de produção, lareiras, fogões, etc.). Ao ar livre se localizam nas superfícies exteriores da construção, coberturas e fachadas, por absorção da radiação solar durante o dia, e emissão para a abóbada celeste tanto de dia quanto de noite 7, como nas fotos anteriores. Figura 38: Arquiteura e entorno Em geral, em função da contínua exposição à trajetória solar, lajes planas recebem uma carga térmica muito maior que telhados inclinados ou fachadas. Tarde Meio- dia Manhã Tarde Meio- dia Manhã Figura 39 e 40: Efeito do projeto de telhados sobre o acesso à radiação solar Entretanto, em função do entorno construído e da diferença de gabarito, esta assertiva merece ser verificada, como se observa nestas fotos do centro do Rio de Janeiro: 7 Em função da temperatura do céu. Ver glossário Cláudia Barroso-Krause Página 21 de 72

22 Figura 41 e 42:Radiação solar e gabarito O local de maior incidência das trocas por radiação no interior das edificações varia segundo 3 tipos de fontes significativas: - em função do resultado da troca ocorrida na face externa, nas superfícies internas do envelope construtivo opaco, sobretudo tetos; - nas superfícies internas expostas à radiação solar direta, por absorção da mesma em pisos e paredes e de sua re-emissão, quando possível, através de aberturas não envidraçadas, da energia gerada para a abóbada celeste, como nestes casos de quarto na Noruega, no saguão do Museu São José Liberto, no Pará ou no hotel da Costa de Sauípe na Bahia; Figura 43: Noruega Figura 44: Pará, Brasil Figura 45: Costa de Sauípe, Brasil Fonte: Autor, 2006 Fonte: Autor, por absorção e emissão de calor gerado por máquinas térmicas nas superfícies internas da construção, paredes, teto e piso, e entre aquelas e o corpo humano, segundo a temperatura que se encontrem. Estas últimas se inserem no grupo das aplicações de projeto inconscientes dos efeitos térmicos da radiação solar e de outras fontes de calor, utilizadas desde tempos imemoriais. A área de estar junto ao foyer (palavra francesa que traduzia o local do fogo e terminou significando lar), a grande cozinha, o aquecimento do andar superior através da Cláudia Barroso-Krause Página 22 de 72

23 exposição da chaminé da lareira, como nas casas populares de Portugal, o segundo estar à beira da boca do fogão, o uso do tijolo quente ao pé da cama no inverno Figuras 46 e 47: senhora aquecendo ao pé do fogo e restaurante atual com lareira Fonte: cartão postal, Mas como funciona o aquecimento do ambiente por uma lareira, por exemplo? A fonte de calor encontra-se aprisionada dentro de um compartimento, que se bem projetado só permite as trocas por radiação pela abertura projetada. Assim, embora o calor das brasas ou do fogo da madeira irradie tanto para o próprio corpo da lareira quanto para o espaço à frente da boca, é para este último que serão dirigidas as ondas das brasas em si e aquelas emitidas pela parte posterior da lareira, aquecidas, visíveis ao ambiente. Ao entrar em contato com corpos sólidos, cadeiras, mesas e pessoas, estas ondas eletromagnéticas absorvidas provocarão efeitos térmicos (esquentam). Figura 48: Esquema de transferências por radiação(r) Fonte: Autor, 2002 Se por acaso a lareira for mal feita, a parede poderá deixará passar, por condução - conceito trabalhado a seguir nesta apostila (ver seta verde na figura acima)- o fluxo de calor provocado pelo excesso de temperatura da superfície interna da lareira e aquecerá suas superfícies externas de fechamento ou escapará para o exterior. Entretanto é possível o uso deliberado desta fuga por condução do calor gerado dentro do corpo da lareira de forma a propagar para outros ambientes o calor oriundo da exaustão da queima, já em vias de ser descartado. Sistema bastante utilizado nas Cláudia Barroso-Krause Página 23 de 72

24 habitações populares do norte de Portugal, por exemplo, pressupõe a existência da chaminé no interior da edificação, e não como costumeiramente se vê, integrada à fachada. A exposição de parte da obra do arquiteto finlandês Alvar Aalto na Bienal do ano de 2005, trouxe um elegante exemplo de troca por radiação - após a absorção do calor e da elevação da temperatura por condução - das peças em pedra que ornamentam o exterior da chaminé: Figura 49: Chaminé projeto de Alvar Aalto Fonte: Autor, Foto exposição Bienal São Paulo, 2005 É importante ressaltar que a radiação não esquenta o ar diretamente, pois se trata de uma onda eletromagnética que só se converterá em térmica quando em contato e absorvido por um corpo sólido. Deste modo, o ar se aquece indiretamente pela troca por convecção 8 (conceito detalhado mais à frente e na apostila ventilação da mesma coleção) provocada pelo aumento de temperatura das superfícies atingidas pela radiação emitida em sua direção pela lareira. Outro exemplo de aplicação do uso consciente da radiação na arquitetura, é o teto radiante (ou piso radiante), usado em locais frios. Figura 50: esquemas de piso radiante Fonte: Trata-se da inclusão na constituição destes elementos de um sistema ativo de aquecimento (uma resistência elétrica ou tubulação de água quente embutida no teto ou 8 ver exemplo de convecção no glossário Cláudia Barroso-Krause Página 24 de 72

25 piso 9 ). Os componentes do teto/piso aquecidos emitem - por radiação - para o ambiente adjacente, podendo ser conseguidas, em função do projeto, diferenças de 6 a 7 C acima da temperatura local do ar ambiente. A importância desta técnica é a possibilidade de mudança de patamar de sensação. Se, para uma temperatura do ar de 17 C, se obtém uma temperatura resultante de 23 a 24 C, o desconforto térmico relativo ao frio (ressentido em geral até 18 C) deixa de existir. Finalmente, é importante frisar dois pontos: - no projeto bioclimático e para o conforto térmico, a troca por radiação constitui talvez o mais poderoso instrumento para controle das condições higrotérmicas internas desejadas das edificações, extremamente necessárias para a obtenção do conforto ambiental por meios passivos ou o mais baixo consumo de energia nos casos onde for necessário utilizar condicionamento de ar ativo 8 (ar condicionado ou calefação). Dada sua importância nesta troca, o uso dos elementos externos translúcidos deve ser pensado com cuidado e visando um objetivo previamente determinado. No exemplo do supermercado em Itaipava, na serra do Rio de Janeiro (foto a frente) os elementos projetados permitem o acesso `a luz natural 10 mas, pela espessura envolvida, dificultam a perda da temperatura do ar condicionado com o meio exterior. Isto foi possível através da escolha do uso de tijolos de vidros na fachada ao invés de simples panos de vidro (ver trocas por condução, mais a frente) ou evitam a entrada da radiação solar direta através da correta orientação e projeto dos lanternins, neste caso abaixo também utilizados para exaustão do ar quente gerado: Figura 51,52 e 53: Aberturas em supermercado, Itaipava, RJ - O controle pelo arquiteto da geometria da edificação e das relações com seu entorno e a trajetória solar é fundamental, pois a troca por radiação é instantânea, ou seja, se inicia face a presença de uma matéria mais quente à vista - o Sol, por exemplo - e se extingue com a presença de qualquer anteparo que impeça a troca, ou a visão mútua, como árvores e beirais até onde a geometria proteja da incidência dos raios solares. 9 Hoje em dia quase abolida para locais de uso prolongado em função da alteração provocada na circulação periférica das pernas.. 8 Lembrando que o princípio da climatização ativa é o de obter o conforto ao uso mínimo de energia. Não se trata de sacrificar as condições de conforto higrotérmico, mas assegurá-las racionalmente. 10 Ver apostila de iluminação correspondente. Cláudia Barroso-Krause Página 25 de 72

26 Entretanto seu valor residual (o aquecimento das superfícies) pode ser significativo e duradouro. Desta forma o sombreamento integrado à construção como nestes brises e venezianas dos quartos do projeto dos irmãos Roberto de Copacabana, Rio de Janeiro, permitem o acesso ao Sol matinal necessário em clima úmido para a salubridades dos ambientes mas foram projetados para gerarem sombra a partir das 10horas, e sem prejuízo do acesso à ventilação. Figura 54 e 55: Tipos de tratamento de fachadas, Rio de Janeiro Fonte: Autor, 2004 Neste outro projeto, de uma edificação em Itaipava, a 800 m de altitude na latitude 21 S, observa-se a utilização de parte do telhado como fonte de aquecimento e de iluminação natural porém em função das condições climáticas locais impedindo-se o acesso direto à radiação solar entre 12 e 14 horas do solstício de verão, para prevenir um sobreaquecimento no ambiente interior. Cláudia Barroso-Krause Página 26 de 72

27 Figura 56, 57, 58 e 59: Uso da cobertura como fonte de iluminação, Itaipava,RJ Para tal bastou uma consulta ao diagrama solar da região, que determinou os ângulos para serem trabalhados em planta e corte no projeto por um sombreamento do pavimento superior: Finalmente superfícies externas fachadas ou lajes de cobertura com maior dificuldade de ser tratadas facilmente com sombreamento integrado, como beirais e brises, podem sê-lo através do uso do elemento vegetal 11 : Este elemento, além do sombreamento que agrega à superfície, utiliza a radiação solar incidente para seus próprios processos metabólicos fotossíntese, evapotranspiração, etc. - o que reduz significativamente a parcela da radiação solar incidente sobre a edificação. Em locais de climas frios alternando a de maior calor, a utilização de espécies de folhas caducas que perdem as folhas no inverno permitem atender tanto à necessidade de captação solar do inverno, quanto à sua proteção no verão. 11 Que pode requerer desde um substrato e um cálculo de sobrepeso, para lajes, ou, para superfícies verticais, apenas necessitar o mesmo tratamento que outros revestimentos, como placas de pastilha, ou seja, colocação sobre superfícies sem patologia pré existente, como fissuras. Cláudia Barroso-Krause Página 27 de 72

28 Figura 60: Revestimento de empena lateral, Paris (latitude 43 N) Fonte: Autor, 2004 Figura 61, 62,63: Prédio residencial multifamiliar no Rio de Janeiro Figura 64: Telhado verde em casa da Urca, Rio de Janeiro Fonte: Além da contribuição à redução das cargas térmicas da cobertura, as superfícies revestidas de material vegetal chamadas naturadas propiciam uma redução da superfície impermeável das cidades, ajudando a modelar as temperaturas superficiais, contribuindo à redução de sobre-aquecimento dos bairros, em uma contribuição significativa pelos princípios da sustentabilidade - à qualidade ambiental global. Cláudia Barroso-Krause Página 28 de 72

29 4 TROCAS POR CONDUÇÃO ENTRE A CONSTRUÇÃO E O ENTORNO- As trocas térmicas por condução são as responsáveis pelo transito do calor no interior dos elementos construtivos dos ambientes. Isto porque é ela quem propicia a propagação do calor através de um corpo homogêneo ou entre camadas distintas de um corpo em temperaturas diferentes. Figura 65: Trocas térmicas: destaque para trocas por condução Fonte: Autor, 2003 O fluxo de calor variará além da diferença de temperatura - em função da densidade do material (o ar enclausurado é melhor isolante que a matéria), de sua natureza química (medida através da condutividade) onde materiais amorfos são menos sujeitos à condução que os cristalinos, e de sua taxa de umidade (já que a água é melhor condutora de temperatura que o ar). Assim, materiais comumente utilizados nos projetos de construção apresentam comportamento bastantes distintos na transmissão de calor por condução em função de suas propriedades físicas e de fabricação, como exemplificado nos valores de condutividade da tabela abaixo: MATERIAL condutividade ( ) W/m.K Ar a pressão normal e a 20 C 0,024 Água a 4 C 2,26 Aço carbono 43,00 Alumínio (Al-Si) 204,00 Concreto (1-2-4) 1,37 Concreto celular 0,40 Madeira em painel aglomerado (seca) 0,14 Tijolo comum maciço 0,69 Tijolo comum (furado) 0,67 Telha de fibro-cimento 0,95 Telha de fibra vegetal (tipo ONDULINE) 0,46 Vidro plano comum 1,1 12 Cortiça seca em placas 0,051 Poliestireno expandido 0,036 Tabela 2: Valores de condutividade 12 Não confundindo aqui com a sua capacidade de transmissão da radiação solar direta Cláudia Barroso-Krause Página 29 de 72

30 Fonte: Corbella e Yannas e do fabricante Onduline, 2003 Ponderando sobre os valores da tabela anterior, verificamos que quanto maior for o valor da tabela, para uma mesma espessura e mesma diferença de temperatura, tanto maior será sua capacidade de deixar entrar ou sair a energia térmica absorvida pelas superfícies, influindo na temperatura final dos ambientes. No verão, é uma reflexão a ser feita tanto em termos de ganho de calor por ocorrência de incidência solar na face externa, por exemplo quanto em termos da perda, para ambientes climatizados, que estarão certamente com valores de temperatura muito abaixo dos das superfícies externas, aquecidas pelo clima e pela radiação solar eventualmente incidente. 4.1 Condução e Resistência à passagem de calor Enquanto na qualificação dos materiais para uso nas trocas radiativas apenas a camada externa é significativa, nas trocas por condução, todo o conjunto tem seu peso e paredes com dimensões diferentes ou compostas apresentam valores diferenciados de transmitância, em função das espessuras empregadas. A resistência térmica de uma parede será, portanto, o resultado da decisão da espessura a ser utilizada pela capacidade de condução do material utilizado. Ex. uma parede apenas em tijolo maciço com 10 cm de espessura terá uma resistência à passagem por condução de calor de 0,15 m².k/w (a fórmula da resistência sendo R = e/ ou seja, neste caso 0,10/0,69) Quando tratarmos de paredes compostas por várias camadas será necessário efetuar a somas das resistências de cada uma para uma avaliação adequada. e = 0,10 m e = 0,02 m e = 0,10 m = 0,02 W/mK m = 0,69 W/mK m = 0,69 W/mK m Figura 66 e 67: exemplo de valores de espessura e condutividade de materiais como tijolo e compensado Fonte: Autor, 2002 Assim, se revestirmos aquela parede de tijolos internamente com 2 cm de compensado de madeira aglomerada (0,02/0,14 = 0,14 m².k/w), o resultado ficará: R parede com revestimento = R tijolo + R compensado R parede com revestimento = 0,14+0,15 = 0,29 m².k/w Ou seja, pelas características deste tipo de madeira, acrescentar internamente 2 cm de compensado a uma parede de 10 cm de tijolo maciço dobra a resistência à passagem de calor desta parede entre o exterior e o interior. Artifício já conhecido dos habitantes das regiões frias ou de ambientes climatizados artificialmente. Cláudia Barroso-Krause Página 30 de 72

31 Esta é a magia da leitura das tabelas. Através delas, é possível conjugar a eficiência com outros valores próprios a cada projeto, como disponibilidade, orçamento, pertinência ao estilo desejado, sem que se perca a eficiência térmica que se pretende. As janelas podem ser escolhidas com a mesma cautela. A transmissão de calor 13 em uma janela se faz, pela esquadria e madeira, alumínio ou PVC possuem valores bastantes diferenciados de condução - pelas frestas deixadas pela sua execução e pela área envidraçada. Assim, dobrar o numero de vidros de uma janela e colocar uma camada de ar entre eles é a decisão acertada, econômica 14 e requisito legal em muitos países para evitar a saída do fluxo de calor por um vidro simples quando condicionamos um ambiente, resfriando ou aquecendo. O ar possui uma condutividade térmica baixa e pode ser considerado, quando enclausurado até 5 cm, por exemplo, 15 - como um componente interessante para ajudar a impedir a eventual troca de calor por condução indesejada. T exterior T interior Figura 68 e 69: esquema de transmissão de calor face a projeto de esquadrias: Assim, se utilizarmos os valores da tabela anterior para comparar a eficiência de um segundo vidro nas esquadrias fixas ou móveis, apenas considerando as transferências pela área envidraçada fechada, verificamos que uma esquadria com um vidro simples de 3 ou 4 mm de espessura, terá uma resistência fraca à passagem de calor, de ordem de apenas 0,003m²K/W 16. No entanto os catálogos de fabricantes de esquadrias metálicas, com bom desenho e vidro duplo nos apresentam valores de resistência de ordem de 2,2 m²k/w Um excelente substituto para vidros duplos em panos fixos é o tijolo de vidro. Recentemente re-descoberto pelo mercado, apresenta-se para uso em pisos e paredes internas e externas, inúmeras formas e cores e apresentam uma resistência térmica da ordem de 2,8 a 3,0 m²k/w 13 Não confundir com a transmissão da radiação solar direta, aqui trata-se apenas das trocas por condução. 14 Do ponto de vista da gestão da fatura de energia da edificação. 15 Para maiores detalhes ver ABNT NBR : R= e/ ; 0,003/1,1 = Cláudia Barroso-Krause Página 31 de 72

32 Figura 70, 71 e 72: tijolos de vidro Fonte: catálogo de fabricantes diversos, 2005 Um excelente exemplo de uso do tijolo de vidro pode ser observado no aeroporto de Paris: Figura 73 e 74: Uso do tijolo de vidro no Aeroporto de Paris Fonte: Autor, O conceito de massa térmica Como visto anteriormente, as trocas de calor por condução, ao contrário das por radiação, não se interrompem ao simples cessar da presença da fonte de calor. Verifica-se com freqüência nas edificações submetidas a forte insolação, ambientes internos que permanecem quentes muitas horas depois do Sol ter se posto. Este caráter transiente é função da maior ou menor capacidade de absorção, armazenamento e transmissão do fluxo térmico de cada elemento construtivo constituinte da parede, aos que lhe são contíguos. É a chamada capacidade térmica, função de sua densidade, natureza química, calor específico, projeto de construção e mesmo da umidade que exista no momento da troca em seu interior. Figura 75: diversos tipos de fechamento Fonte: catálogos diversos, 2005 Cláudia Barroso-Krause Página 32 de 72

33 Em princípio, quanto maior a densidade e a espessura utilizada, por exemplo, tanto maior será a capacidade térmica. Quanto maior a capacidade térmica de um material, tanto maior a sua capacidade de armazenamento antes de transmitir o fluxo de calor térmico para os elementos adjacentes. E tal como a escolha dos revestimentos externos é importante para as trocas radiativas, a escolha dos materiais constituintes de paredes externas e coberturas pode alterar o desempenho de uma edificação e o horário do conforto térmico final obtido. Considerando que as construções podem estar submetidas externamente a uma variação significativa de temperatura, quer em função da exposição à radiação Solar, quer da modificação ao longo do dia da temperatura exterior, é esta decisão arquitetônica que determinará se o fluxo de calor atingirá a face interna no momento do uso ou não. Um material de grande capacidade térmica - como o concreto - pode atrasar a passagem do fluxo de calor de um ponto a outro, alterando o resultado final desta transferência, assim como um outro, de baixa, como o vidro ou o aço, transferirá quase que imediatamente as condições de temperatura a face externa para a interna. Figura 76: Esquema simplificado de fluxo de calor em função de espessura de paredes O mesmo raciocínio se aplica no outro sentido. Se um ambiente tiver artificialmente sua temperatura abaixada ou elevada em relação à temperatura externa, a dificuldade de fuga deste ambiente térmico mantido pelo sistema estará diretamente relacionada às características das paredes 17, teto e piso envolventes. 4.3 Arquitetura e trocas por condução Vamos dar um exemplo objetivo da importância da condução no conforto dos ambientes. Imaginando uma sala sem janelas onde seja necessário condicionar artificialmente o ar (o auditório da UFRJ na Praia Vermelha, ou sala de espera de embarque no aeroporto de Belém, por exemplo), e mantê-lo a 18 C para que a temperatura resultante (considerando o calor dos corpos dos ocupantes, dos computadores, das impressoras, da iluminação, etc.) fique em torno dos C. 17 A legislação dos países a mais tempo preocupados com o custo energético do condicionamento artificial do ar refrigeração ou calefação possuem normas que obrigam ao uso de vidros duplos e paredes com constituintes isolantes, aqueles com valores de condutividade inferiores a 0,05 W/mK. Cláudia Barroso-Krause Página 33 de 72

34 Figura 77: Auditório UFRJ Figura 78: Aeroporto de Belém Olhando especificamente um instante inicial, em que o Sol aparece e o ar exterior está a 37 C: Figura 79: No instante seguinte o que acontece: A parede externa, em função do revestimento externo escolhido absorve a radiação solar incidente, ( ) sofre um incremento de temperatura, e chega, digamos a 40 C. Tendo de um lado 40 C e de outro 18 C, inicia-se um fluxo de calor por condução - de fora para dentro que só irá parar quando as duas superfícies limites da parede estiverem em uma temperatura de equilíbrio. Imaginando, por hipótese, que os raios solares deixem de chegar (Fig.81), que não haja mais trocas da parede externa com o exterior e que não haja mais nenhuma outra fonte interna de troca, este valor será no momento de equilíbrio ( ) /2, ou 29 C nas duas faces da parede 18. Figura 80: 18 A temperatura resultante seria obtida através da fórmula T interno; S i a superfície de cada parede envolvida, incluindo teto e piso e T pi sua temperatura. Cláudia Barroso-Krause Página 34 de 72 res S * T i pi 1 / 2Tar 1/ 2, sendo T ar, a temperatura do ar Si

35 A face interna da parede iria emitir para todas as demais a 18 C anteriormente - incrementando as trocas com os usuários e o ar do ambiente. A nova temperatura resultante de equilíbrio dentro do ambiente será uma média entre a temperatura do ar anterior e a das paredes circundantes, agora a 29 C, o que em um calculo simplista seria 23,5 C ou superior. O termostato do aparelho de condicionamento de ar registrando este novo valor, indica ao sistema de refrigeração a necessidade a produzir uma novo aporte de ar a uma temperatura ainda mais baixa que 18 C, o que gerará: - um consumo maior de energia; - um provável desconforto no usuário provocado pelo insuflamento de ar a uma velocidade e temperatura muito mais baixa que do corpo, como vem sendo observado nos centros urbanos em projetos de reforma ou condicionamento de ar com o uso inadequado de sistemas split. 5 TROCAS POR CONVECÇÃO Embora objeto de apostila específica, vinda da aula de ventilação ( Conforto Térmico III), é necessária a compreensão dos princípios básicos de convecção. Definindo as trocas apresentadas até agora e considerando dois componentes da edificação ou de seu entorno em temperaturas diferentes, a troca por radiação pôde ser compreendida como a que acontece quando estes se vêem mas não se tocam e as por condução necessitando de uma superfície de contato para fazer a transferência de calor. Neste contexto didático, as trocas por convecção se assemelhariam à troca anterior, mas com a particularidade de que uma das superfícies se movimenta, é fluida. Constituem o recurso mais próximo ao ser humano, pois intervém diretamente na capacidade do ser humano de evacuar o calor pela evaporação nos poros. Elas C v na figura abaixo - servem também, para dissipar o calor e a umidade acumulados nas superfícies internas da edificação paredes, pisos e teto. Figura 81: Trocas térmicas na construção: destaque para trocas por convecção - Cv Através de um meio fluido o ar em movimento são promovidas trocas térmicas por condução de diversas zonas gasosas do ambiente e entre o ar que nos circunda e a pele Cláudia Barroso-Krause Página 35 de 72

36 de nosso corpo e dos elementos sólidos em contato paredes, tetos, pisos, móveis, etc. criando um processo de equilíbrio térmico. Essas trocas ocorrem naturalmente sempre que há uma diferença de temperatura entre um sólido e um gás, ou uma diferença de pressão entre dois pontos gasosos distintos. Em climas quente-úmidos, quando o corpo perde pouco calor por radiação e por condução (porque as temperaturas das superfícies do ambiente tambem estão elevadas) e se refresca pouco através da transpiração, devido à alta umidade relativa do ar, as correntes de ar controladas podem agir de forma bastante positiva para obtermos um conforto higrotérmico no verão. Bem projetadas, desde o projeto de urbanismo até a arquitetura de interior e de esquadrias, é possível conjugar as necessidades permanentes dos usuários, daquelas sazonais, tão características da diversidade climática de nosso país,. Figura 82, 83 e e 84: diferentes formas projetuais de captação de ar em fachadas : Buenso Aires, Salvador, Rio de Janeiro, 2006 Além disto, internamente, são as trocas de ar que garantem a manutenção da qualidade do ar que respiramos. Se a taxa de renovação de ar de um ambiente é insuficiente para o tipo de atividade que ali se desenvolve, o usuário será prejudicado, a respiração torna-se menos ativa e há o aparecimento de uma fadiga prematura e o risco de contaminação aumenta 9. Segundo a atividade exercida, admitem-se taxas diferentes de renovação mínima de ar novo para mantermos a qualidade do ar interno. Estas taxas são fatores determinantes no projeto dimensões, tipos e posição - das aberturas nas edificações. A apostila sobre ventilação detalha todas estas relações do projeto com a movimentação de ar. Embora varie em função da vestimenta, da atividade de condições metabólicas e da temperatura circundante, há alguns valores de velocidades do ar consideradas como máximas confortáveis 19. Pois o vento pode trazer sensação de frescor, mas também de desconforto, à medida que se torna mais forte do que nossa necessidade de eliminação de suor. Aqui alguns valores apresentados por Fernandez: 9 Diversos parâmetros agem sobre a qualidade do ar e o homem é extremamente sensível às menores variações de sua composição. Por exemplo, a proporção de CO 2 no ar fresco é em torno de 0,03% em volume. Logo que esta proporção atinge 0,15%, o ar já é considerado viciado, a partir de 0,4%, acontecem as dores de cabeça e os problemas de concentração. 19 A sensação de arrepio, por exemplo, é uma reação do organismo à perda de calor acima da desejada. Cláudia Barroso-Krause Página 36 de 72

37 Velocidade máxima tolerada (m/s) 5 sentado ou em pé, imóvel. Situação do usuário (atividade) 10 estado de pouca mobilidade (conversando em pé, dando pequenos passos). 15 andando. 25 andando rápido ou correndo. >25 desconforto em qualquer atividade. Tabela 3: Valores máximos de velocidade do ar, degundo alguns autores, para pessoas vestidas Fonte: Fernandez, 2005 Embora no ambiente construído as trocas térmicas por convecção estejam relacionadas ao ar, é possível a troca com água ou outro fluido, em geral sobre coberturas e paredes externas. Entretanto neste caso, é possível haver uma umidificação do ar, modificando as condições de conforto higrotérmico. aspersores Ar mais frio e mais úmido Figura 85 e 86: parede com umidificação, restaurante Rio de Janeiro 5.1 Trocas por convecção entre a construção e seu entorno Na Natureza, os principais responsáveis pelas trocas por convecção são os ventos. Embora um estudo mais aprofundado dos ventos e de seu manuseio esteja descrito na apostila de ventilação desta coleção, é possível adiantar algumas ponderações úteis para o projeto: No exterior, à medida que o ar se aquece, ele fica mais leve (ou menos denso) e sobe, cedendo espaço para outra massa de ar mais frio (e mais denso), o princípio do termosifão. O ar quente que sobe cria uma área que chamada de depressão (sucção) e o ar frio que desce gera uma força de pressão sobre a terra, como mostra o esquema da figura abaixo: Cláudia Barroso-Krause Página 37 de 72

38 + pressão - depressão Figura 87 O vento possui movimento preponderantemente horizontal (esquema abaixo) com duas características essenciais: turbulência e velocidade: - a turbulência, que se caracteriza por um movimento desordenado do vento em várias direções, provocado pela rugosidade em grande escala (prédios), é maior perto do solo e diminui com a altitude; - a velocidade do vento, que aumenta à medida que a altitude (altura) aumenta até tornarse estável (z ± 400m). Em zona muito urbanizada (com muitos obstáculos), o vento não é disponibilizado com a intensidade que se mede na estação meteorológica e sim geralmente com valores reduzidos e eventualmente até em direção contrária, como mostra o esquema abaixo; Figura 88: Esquema de deslocamento do vento face ao entorno construído Alguns estudos, como de Van Straaten, dão indicativos da redução que a urbanização pode trazer para a velocidade do vento disponibilizado nas estações meteorológicas: Tipo de entorno Cláudia Barroso-Krause Página 38 de 72 % de aproveitamento Planície, zona rural de plantio, lagos, etc Subúrbio de casas, urbanismo de pouco porte 66 Centro de cidade, áreas densamente construídas 33 Tabela 4: Percentuais potenciais de aproveitamento do vento em função da rugosidade do local Fonte: Van Straaten, 2005

39 Com as maiores diferenças de velocidade e direção se dando até 100m do solo, a criação de edifícios de grande altura merece um estudo mais aprofundado dos ventos locais, do entorno construído e a construir, tanto em termos de estabilidade quanto na decisão do tipo de esquadrias. Projetadas considerando estas restrições elas poderão efetivamente permanecer abertas pelos usuários, sem gerar correntes de ar muito superiores às do limite de conforto dos usuários. Figura 89: Cidade de Belém Outro fator de turbulência que ocorre com o aumento da altura das edificações, se dá pelo incremento do movimento aleatório provocado quando do encontro deste movimento com a subida do ar por convecção (pela diferença de temperatura entre a área da empena junto ao térreo e ao teto). De uma maneira genérica, quanto mais alta a edificação, mais afastada será a zona de turbulência da fachada oposta à direção dos ventos dominantes; esta situação pode ser atenuada pela alternância das posições relativas em planta, o que vai aumentar as zonas de pressão (que irão succionar as turbulências) Linha de separação Zona de turbulência Ponto de atração Figura 92: Esquema ilustrativo de zonas de turbulência A adoção do uso de pilotis, por direcionar o fluxo a nível do solo, afasta a zona de turbulência da fachada posterior do edifício, como ilustrado no esquema acima e na foto do prédio da FAU-UFRJ abaixo. Cláudia Barroso-Krause Página 39 de 72

40 Figura 90: Prédio da FAU/UFRJ Figura 91:Prédio da FAU/UFRJ O projeto de loteamento também é dependente da direção e velocidade de ventos. Quando da implantação de diversos lotes para unidades residenciais independentes, a decisão do desenho dos lotes se alinhados ou não será determinante para a penetração dos ventos frontais. Figura 94: Belém Embora cálculos precisos sobre o efeito dos ventos sobre as edificações sejam difíceis de serem antecipados com precisão, experimentos em túneis de ventos levam alguns autores ao estabelecimento de relações de projeto recorrentes. Tratam em geral de afastamentos mais promissores em relação à volumetria prevista de implantação: gabarito e plantas das futuras edificações versus localização no lote... Em função do chamado efeito de barreira à ventilação (causado pela obstrução frontal ao vento da fachada mais ampla das construções da primeira fila), como o transcrito do livro de Hertz, abaixo, algumas relações entre afastamento de linhas de edificações com a altura média das edificações da primeira linha a receber o vento frontal (A) tendem a permitir uma maior porosidades das construções das linhas internas. Cláudia Barroso-Krause Página 40 de 72

41 < 2 A A Figura 95: proposta de afastamento de edificações face a altura da primeira linha Fonte: Hertz, Arquitetura e trocas por convecção No interior das construções o mesmo fenômeno acontece: o ar aquecido - pela entrada de Sol, pelo calor das pessoas e máquinas existentes - tende a se estratificar, ou seja, a subir rumo ao forro, ou a um eventual andar de cima. Uma vez sem ter para onde se deslocar, cria uma camada quente estacionária, que irá aquecer o teto, provocando trocas por radiação complementares: Camada de ar aquecida estacionária Figura 96: esquema de estratificação de ar quente no interior das edificações Em paralelo, o monóxido de carbono das expirações e a maior parte dos demais gases 20 produzidos pela rotina de uso das edificações também tenderá a ascender, comprometendo a qualidade do ar do ambiente. A única forma de trazer qualidade a estes ambientes é através da renovação do ar. Esta renovação poderá ser feita de 3 formas: - de forma mecânica, através da instalação de exaustores; - pela diferença de pressão do ar entre as fachadas. - por termo-sifão, através do projeto interior e da cobertura. Este último caso é exemplificado neste exemplo na ilha de Moorea, na Polinésia Francesa, onde por necessidade de custo de transporte, as telhas de aço termicamente inadequadas ao clima - são as mais utilizadas na arquitetura moderna local e devem, no projeto, ter seus efeitos nocivos térmicos reduzidos; 20 A mudança da fonte de aquecimento de água quente de gás manufaturado vindo de GLP (mais pesado que o ar), para gás natural, mais leve que o ar, requer uma mudança na concepção por exemplo de banheiros e cozinhas, gerando a necessidade de aberturas para exaustão tanto do gás de queima quanto dos eventuais vazamentos. Cláudia Barroso-Krause Página 41 de 72

42 Figura 97: Cobertura ventilada em Papeete,Tahiti Aberturas e muros são os "instrumentos" que administram este tipo de renovação, em função da ofertada pelo entorno natural ou construído. Em clima tropical úmido e em condição urbana, torna-se muito importante que se tenha o pleno aproveitamento das aberturas para a ventilação mesmo em situação de chuvas para garantir o melhor aproveitamento possível, já que a ventilação cruzada não é matéria fácil de se obter em edificações multi-ambientes. Só haverá renovação de ar de qualidade se existir efetivamente uma superfície de entrada (identificada na figura à frente com o símbolo + ) e outra de saída ( - ) em cada ambiente, ou conjunto de ambientes, garantindo a permeabilidade da construção; e desde que a fonte deste ar novo não esteja poluída. A existência de zonas de turbulência na fachada posterior das edificações pode prejudicar esta renovação. Figura 98: Esquema de possibilidades de ventilação Algumas considerações finais: as trocas por convecção facilitam rapidamente o equilíbrio das temperaturas externa e interna, o que introduz o aspecto de horário de troca às considerações projetuais. Em função de um diferencial importante de temperatura externa-interna, com o conforto higrotérmico já assegurado no interior, a ventilação cruzada, pode deixar de ser interessante quando sem controle do fluxo de ar, como quando do uso de cobogós.. Assim, um bom projeto de esquadria e a posição de aberturas deve permitir ao usuário resfriar ou aquecer seu ambiente em caso de queda de temperatura, em caso de chuvas ou à noite, mantendo a obscuridade e a renovação de ar mínima ao pleno desenvolvimento de suas atividades. Cláudia Barroso-Krause Página 42 de 72

43 É possível observar deste foto de prédio residencial dos Irmãos Roberto como a retirada do excelente projeto de persiana externa em alguns dormitórios, termina por incluir a gerar a necessidade de condicionamento de ar nos dormitórios pela inviabilidade da alternativa obscuridade+ventilação, que as cortinas internam não atendem. Figura 99: Fachada edifício Rio de Janeiro, projeto Irmão Roberto, RJ A correta escolha do tipo, componentes móveis e posição no ambiente projetado é que determinará o melhor aproveitamento dos ventos incidentes e garantirão a permeabilidade da edificação. É muito importante que não se confunda aberturas destinadas à renovação de ar com as destinadas à iluminação. As aberturas para ventilação dos ambientes serão sempre no máximo de mesma superfície que aquelas projetadas para iluminação do ambiente. Elas podem em função da decisão de projeto - ou da pouca importância dada aumentar ou reduzir o fluxo de ar, redirecioná-lo para longe do usuário, o que pode ser uma vantagem ou desvantagem, em função da atividade, do perfil do usuário e do clima envolvido. Figura 100 diversos tipos de esquadrias e sua permeabilidade ao vento A mesma lógica deve ser aplicada quando da decisão projetual sobre o tipo de fechamento do lote. É ela que determinará a qualidade - velocidade, zona de turbulência, direção - do acesso à ventilação para a edificação. Cláudia Barroso-Krause Página 43 de 72

44 Fechamentos como muros de alvenaria, arbustos, cobogós, gradis, possuem diferentes níveis de permeabilidade e modificam a qualidade do acesso aos ventos pela edificação. Figura 101: diversos tipos de fechamentos de lote A métrica destas distâncias varia em função de um número grande de fatores, entre eles, além da permeabilidade do fechamento em si, da velocidade do vento e da rugosidade do terreno. Alguns autores, após ensaios em túneis de vento ensaiam algumas proporções relativamente recorrentes, como a abaixo, citada por Hertz. Altura = h Distância à casa = 2h Figura 102: Fórmula sugerida de distância de muro à edificação Fonte: Hertz, 2005 Em tempos de verticalização urbana, a ação destes fechamentos pode ser encontrada no momento da decisão sobre o tipo de guarda-corpos das edificações. E a necessidade de aproveitamento do vento ou de sua proteção ajuda a determinar a porosidade do projeto. Nas fotos a seguir, a edificação de South Beach na Flórida, EUA, aproveita o vento frontal, enquanto que o hotel em Papeete, na Polinésia Francesa, por estar face ao oceano, opta por reduzir o impacto dos ventos marítimos sobre as aberturas das varandas dos quartos. Figura 103 Parapeito vazado, South Beach, EUA Figura 104: Varandas escalonadas, Papeete, P.F. Fonte: Autor, 2004 Cláudia Barroso-Krause Página 44 de 72

45 5.3 Cobertura e ventilação A ventilação dos telhados em clima quente úmido é solução vernacular, como pode ser observado neste armazém em Boa Vista, às margens do Amazonas. Figura 105: Detalhe de cobertura em venda em Boa Vista, AM E um dos usos mais consensuais das trocas por convecção é o do resfriamento da superfície interna das coberturas. Salvo em condições bastante específicas, a cobertura é responsável pela sua geometria pela maior fonte de desconforto higrotérmico de origem radiativa. A temperatura de superfície externa de uma cobertura pode, em função de seu material de revestimento (metálico) e de sua inclinação (lajes planas com revestimento asfáltico), atingir valores superiores a 70 C. Parte destes valores passará, por condução, para a face inferior da cobertura e a partir deste ponto, por radiação para o usuário. Neste caso, a opção por uma ventilação específica para a cobertura, permanente, pode induzir a uma troca por convecção de um ar externo que estará no máximo a 38 C em condições excepcionais com a face inferior da cobertura, próxima de 70 C, provocando uma redução, à sua passagem, deste valor. É, aliás, o que torna naturalmente tão atraente o telhado feito com telha de barro colonial sem verniz ou pintura. Em termos de trocas térmicas, além de se considerar a existência de 2 coberturas superpostas (pois a telha-capa gera sombra para a maior parte da cobertura, representada aqui pela telha calha), há uma natural e permanente ventilação, garantindo a saída por termo-sifão de parte do calor acumulado. Cláudia Barroso-Krause Página 45 de 72

46 Figura 106: detalhe de cobertura colonial Figura 107: Esquema de ventilação natural Fonte: Autor, 2000 Quando em presença de um forro entre o telhado e o usuário, a redução da temperatura do ambiente se torna mais significativa, pois insere-se o que se chama uma barreira radiante à troca. Observando a figura seguinte, é possível afirmar que, ao menos durante o dia, a temperatura do telhado será sempre mais elevada que a temperatura externa, pois se soma à temperatura do ar externo em contato com o telhado a parcela oriunda da absorção solar, conforme visto nas trocas por radiação. Figura 108 A intensidade do fluxo térmico por radiação neste momento se expressa por: q= h c T (W/m 2 ) onde T é a diferença de temperatura das duas superfícies onde ocorre a troca por radiação, T na foto abaixo, a superfície interna do telhado e a superior do forro. Assim, ventilando bastante o ático, são promovidas trocas entre a superfície interna do telhado e o ar exterior que passa, diminuindo sua temperatura. A temperatura de superfície sendo mais baixa ocorrerá menos troca por radiação entre a parte inferior do telhado e o forro; donde menor temperatura de forro e menos fluxo de calor atingindo o ambiente. Cláudia Barroso-Krause Página 46 de 72

47 Figura 109 ventilação do ático Figura 110:trocas térmicas x ventilação do ático Esta busca pelo resfriamento da cobertura pode ser observado mesmo em climas muito frios, em função de condições de verão. A foto abaixo é do aeroporto de El Calafate (extremo sul da Argentina), onde observa-se, ao lado dos grandes blocos de pedra - absorvedores da radiação solar ao longo do dia e depois emissores de calor em infra-vermelho para o interior - a existência das venezianas fixas sob a cobertura para exaustão do ar aquecido que poderia gerar um sobreaquecimento no verão. Após diagnóstico climático ver próximo capítulo - o aeroporto foi projetado para os momentos de inverno, e conta apenas com a calefação como fonte de conforto para estes períodos, mais duradouros e mais intensos. Entretanto no verão, deve contar apenas com a ventilação natural como meio de resfriamento, e precisa que as decisões arquitetônicas de suporte à economia de energia para calefação não sejam tais que impliquem em situação de desconforto extremo nos meses de verão para seus usuários. Figura 111 Uso combinado de radiadores térmicos e proteção à insolação. Aeroporto da Patagônia, AR Cláudia Barroso-Krause Página 47 de 72

48 5.4 Ventilação e Umidificação Conforto higrotérmico pressupõe eventualmente a capacidade do projeto de retificar condições de umidade incompatíveis ao uso do ambiente. Por vezes cidades ditas quentes não o são pelo valor de sua temperatura, e sim pela quantidade de água no ar em relação às necessidades de evaporação pessoal. Em Manaus, no Amazonas, por exemplo, a enorme ocorrência de rios e a vegetação tropical em contínua evaporação deixa no ar uma quantidade significativa de água, dificultando a necessidade de perda de calor em excesso produzido via evaporação no corpo humano. Figura 112: Palafita no rio Guajará,Belém Já em Brasília, a quantidade de água no ar é pouca, e por vezes, cai a valores inferiores aos necessários ao que o organismo precisa para sua lubrificação cutânea, ressecando as mucosas. A conciliação da proximidade de espelhos d água no Paranoá, nas piscinas e lagos permite, com a direção do vento a montante, o aumento das condições de higroscopia, o que pode alterar significativamente as condições de conforto higrotérmico. O vento ao soprar por sobre a superfície de água, se umidifica (em valores absolutos), o que faz refrescar o ar e assegura uma umidade relativa menos baixa e mais confortável. 26 C 35 C 65% UR 30%UR 80% 90% 100% 80% 7 Figura 113 Na realidade também é possível em climatização passiva o uso da água como forma de resfriamento do ambiente como ilustrado no saguão deste hotel em Costa do Sauípe, na Cláudia Barroso-Krause Página 48 de 72

49 Bahia: Figura 114: Hotel Costa do Sauípe, Bahia Fonte: Autor, 2004 O saguão do hotel, onde funcionam desde a recepção quanto áreas de espera à excursões, possui grandes proporções e é dotado de ventilação cruzada permanente. Em momentos de maior temperatura do ar e correspondente baixa umidade, utiliza a movimentação de pequenos esguichos no lago interno para fazer evaporar parte da água para o ar imediatamente em contato. Este processo físico requer energia para a sua transformação, que é retirada do ar, que assim reduz sua temperatura. Os circuladores de teto ora na função exaustão ora na função ventilação - auxiliam na distribuição deste ar mais fresco, aumentando a sensação de conforto dos usuários. Evidentemente, em caso de climas ou estações frias, o uso deste instrumento deve ser bastante ponderado, para não gerar condições ainda mais desagradáveis ao usuário. Cláudia Barroso-Krause Página 49 de 72

50 5.5 Outras situações de conforto higrotérmico no projeto O projeto arquitetônico tambem pode proporcionar outras situações de conforto térmico aplicado a outros meios que não o ar, com grandes vantagens para o usuário. É o caso do aquecimento da água de banho domiciliar e de piscinas, por exemplo. A temperatura da água pode ficar gratuitamente mais quente quando do uso de coletores solares para seu aquecimento. Embora a descrição dos requisitos deste sistema seja objeto de outra apostila, alguns conhecimentos que subsidiam o projeto podem ser destacados aqui. No hemisfério Sul, a melhor orientação e inclinação dos panos de telhados receptores das placas solares são os virados para Norte, afastados de sombras projetadas, inclinados no máximo 21 na latitude do local do projeto. Entretanto como são estes mesmos panos receptores que recebem a maior carga térmica ao longo do dia, o que pode gerar um sobre aqueciemnto às edificações, é importante que seja feito um cálculo preliminar da área de telhado efetivamente necessária para a colocação das placas, para otimização da superfície projetada da água Norte. E não é toda a superfície virada à trajetória solar ou ao Norte na maior parte do teritório brasileiro que é útil à colocação das placas.o sistema desde o acesso à caixa d água até o termo-sifão de bombeamento exige algumas especificações, ilustradas na figura abaixo: Uma vez tendo o diâmetro do boiler e a metragem de coleta solar expressa em número de coletores (com suas respectivas dimensões), é necessário determinar que superfície do pano de telhado a Norte pode efetivamente ser aproveitada para sua colocação, considerando alguns requisitos termodinâmicos de funcionamento do sistema. Figura 115: Corte esquemático de um telhado com os principais elementos para aquecimento solar funcionamento por termo-sifão 21 A inclinação ótima das superfícies receptoras de radiação solar, além da latitude, é fortemente influenciada pelo período de maior uso da edificação. Assim uma casa na praia de uso exclusivo de veraneio, pode ter sua inclinação otimizada para os meses de férias de verão, o que provavelmente não será o caso para as edificações casas, ginásios - de uso permanente ou nas montanhas. Cláudia Barroso-Krause Página 50 de 72

51 Olhando o desenho esquemático acima que mostra um corte vertical padrão verifica-se espaços não-aedificandi (X), resultado de algumas decisões a critério do arquiteto e outras pela Física, parceira neste projeto: - como a caixa d água deve poder ser limpa, é preciso prever um espaço para que se tire a tampa e se limpe o lado interno (H); - em seguida um outro (h) que é o resultado da altura da caixa d água projetada e o espaço para colocação do joelho que leva até a entrada de água fria do reservatório (boiler), que deve ser mais baixo para que a gravidade faça naturalmente o abastecimento da água fria necessária da caixa d água para o boiler; - para o sistema funcionar corretamente por termo-sifão, a Física diz que é necessário um desnível vertical (Y) mínimo 22 de (30cm) entre a parte de baixo do boiler e a saída de água quente (parte superior) da placa coletora, bem como um desnível da parte de cima do coletor para a entrada de água quente do boiler. Obtendo o diâmetro do boiler apropriado, e o número de placas necessárias, segundo a metragem por placa de cada fabricante, é possível colocar os valores no corte esquemático da figura acima e determinar que região do telhado (X) não pode ser ocupada com os coletores. Naturalmente são possíveis outras disposições relativas do sistema boiler- caixa d água - coletor, alinhadas por exemplo no sentido longitudinal - desde que os desníveis sejam respeitados. Da mesma forma, para os que podem optar por telhados com bastante pédireito, o boiler vertical é ainda mais eficiente que o mesmo boiler colocado na horizontal. Estes procedimentos feitos resultarão em um projeto de cobertura preparado para receber a qualquer momento instalação de coletores solares para aquecimento de água. As lajes planas tambem podem se beneficiar desta forma útil de sombreamento, como pode ser observado na cobertura deste prédio residencial na zona litorânea do Rio de Janeiro: Figura 116:Placas de aquecimento solar em cobertura predial 22 Alguns fabricantes falam em máximo de 5 metros para baixa pressão. Cláudia Barroso-Krause Página 51 de 72

52 A utilização dos conhecimentos de trocas térmicas quando aplicado ao aquecimento da água de piscinas pode de forma gratuita - proporcionar uma sobrevida ao tempo de uso de piscinas ao longo do ano, sobretudo nas latitudes mais altas (ao Sul) ou em terrenos de altitude. O principio é o mesmo do sistema de aquecimento solar para banho, com a diferença da ausência possível dos reservatórios térmicos, o que só permitirá o aquecimento da água enquanto houver Sol. O uso para o conforto térmico em meio aquoso, no aquecimento solar de piscinas, tambem exige que se conheça e administre - nesta casa em Teresópolis a importância no projeto de implantação da posição dos coletores face à trajetória virtual do Sol em todas as estações e face às interferências do entorno projetado ou existentes. Figura 117: Piscina com aquecimento solar Figura 118:Aquecimento solar Cláudia Barroso-Krause Página 52 de 72

53 6- O DIAGNÓSTICO DO MICROCLIMA: OS INSTRUMENTOS DE PROGNÓSTICO PARA O PROJETO Os instrumentos para suporte do trabalho em Térmica das construções variam em função das etapas construtivas a que se destinam. Cada etapa possui suas próprias especificidades que devem ser respeitadas pelos instrumentos de apoio à decisão. Um programa de simulação dinâmica que requer a inércia dos móveis para cálculo da carga térmica poderá ser muito perigoso se utilizado nas fases iniciais da concepção, onde certamente a ausência deste dado levará a uma informação que poderá conduzir a um resultado equivocado. Por outro lado, a auditoria energética necessita do detalhamento das faturas de energia elétrica e dos pontos de consumo, não podendo se servir de instrumentos que não levem estes fatores em seu cálculo. Assim, a classificação dos instrumentos para conforto higrotérmico segundo as etapas construtivas se dá segundo seu objetivo primário: - destinados à térmica de anteprojeto (uso do arquiteto); - destinados ao cálculo de carga térmica (uso de engenheiros mecânicos, instaladores..); - destinados à gestão energética (uso dos administradores prediais); - destinados à auditoria energética (uso das ESCo, ou de seus representantes) Nesta apostila, o que se procura é otimização da primeira etapa, quando as grandes decisões projetuais significativas para o desempenho térmico são tomadas: implantação, volumetria, envelope construtivo, organização dos ambientes internos, entre outros. Alem do conhecimento de como traduzir as trocas higrotérmicas para o processo projetual, é necessário o conhecimento do potencial de seu entorno climático face às necessidades de seus potenciais usuários para uma correta identificação das trocas mais interessantes na adequação das edificações. Neste contexto são apresentados aqui 2 instrumentos complementares de apoio às decisões projetuais básicas que visam o suporte à atividade projetual inicial sob o enfoque do conforto higrotérmico: o diagrama bioclimático de Givoni, para um diagnóstico básico das condições do local de implantação e o diagrama solar, com seu respectivo transferidor. São instrumentos antigos que já estão disponibilizados em versões informatizadas, proporcionando a facilidade de ajustes finos em termos de horários de ocupação, necessário ao estudo. Figura 119: Diagrama de Givoni original Figura 120: Diagrama de Givoni Fonte: Givoni, 1974 Fonte: Labeee, 2001 Cláudia Barroso-Krause Página 53 de 72

54 O diagrama bioclimático desenvolvido por Givoni em 1960 e readequado às condições de paises em desenvolvimento em 1994 foi objeto de um trabalho de processamento informático e gerou o programa Analysis Bio, freeware disponibilizado no site da UFSC ( O diagrama solar utilizado nesta apostila é o disponibilizado no livro de Frota. Ele existe em algumas versões informatizadas como a desenvolvida pelo Prof.Mauricio Roriz, o Luz do Sol 1.1 ou o Programa Sol Ar do Labee da Universidade Federal de Santa Catarina Figura 121: Diagrama solar na versão papel Figura 122: Diagrama solar na versão informatizada Fonte: Frota,A Fonte: Roriz, M., O Diagrama bioclimático de Givoni Como foi dito antes, o diagrama bioclimático de Givoni é um excelente instrumento de apoio à escolha das estratégias mais adequadas a serem desenvolvidas quando do processo de concepção arquitetônica do ponto de vista do conforto higrotérmico. Seus livros L'homme, L'architecture et le Climat de 1992 e Passive and low energy cooling of buildings de 1994, bem como o livro Eficiência Energética na Arquitetura, dos Profs. Lamberts, Pereira e Dutra detalham com bastante apuro seu manejo. Entretanto são necessárias algumas considerações preliminares sobre sua elaboração e portanto para seu uso: - sobre o usuário: O diagrama foi estabelecido considerando pessoas já aclimatadas, em situação de repouso ou em atividade mais ou menos sedentárias, vestidas com roupas leves de ordem de no máximo 1 clo. Isto significa dizer que se o usuário tiver uma atividade mais intensa, for mais frágil (idosos), estiver com a saúde alterada ou necessitar por exigências outras de roupas mais pesadas, a interpretação da localização e extensão da zona de conforto se modifica. Algumas dissertações relacionadas na bibliografia possuem alguns ensaios neste sentido, mas só o bom senso já pode ajudar. - sobre a radiação solar direta incidente: salvo quando se trata de uma sugestão de estratégia aquecimento solar passivo, por exemplo a hipótese básica do diagrama é que a insolação sobre janelas e paredes é considerada já administrada pelo projeto, quer através de beirais, sombreamento distante ou outro método, sendo insignificante para o Cláudia Barroso-Krause Página 54 de 72

55 contexto em estudo. Na prática, é preciso considerar que sua ação será sempre no sentido do movimento de aumento de temperatura interna. O uso dos diagramas solares (próximo item do apostila) pode estabelecer esta situação em termos de sua ocorrência, duração e pertinência à necessidade de uso. - sobre os limites das estratégias: O diagrama do Prof. Givoni identifica zonas de conforto e/ou de estratégias de arquitetura bioclimática, em função dos valores que encontramos no local de umidade e temperatura do ar. Os limites se dão em função da disponibilidade dos climas em oferecerem condições para as estratégias corrigirem um valor de temperatura ou umidade fora da zona de conforto. Entretanto, como foi calculado sobre um diagrama psicrométrico à nível do mar,algumas incorreções quanto a posição dos limites podem ocorrer em grandes altitudes, pelo maior valor da radiação solar incidente e da emissividade para o céu. Da mesma forma, é necessário um cuidado por parte do arquiteto na hora de escolher o arquivo climático na versão informatizada em função de eventuais especificidades de seu local. Por exemplo, para a cidade do Rio de Janeiro, o arquivo climático representativo é o obtido a partir de dados da Ilha do Governador, que não representa as características climáticas da região litorânea ou das partes mais altas da cidade. Mas uma análise cuidadosa das diferenças observadas deve permitir verificar a oportunidade de adoção de determinadas estratégias. De forma geral a leitura e o uso do diagrama é bastante simples: sobre um diagrama que reúne valores de temperatura e umidade é traçado um polígono que agrupa valores de temperatura e umidade que permitem ao corpo humano a manutenção de seu equilíbrio homeotérmico sem esforço. Figura 123 Diagrama bioclimático de Givoni Fonte: Programa Analysis Labeee/UFSC, 2005 Fora do polígono central C encontram-se situações climáticas associadas à sensações de desconforto higrotérmicas, que podem ser corrigidas ou minoradas se aplicarmos as determinadas estratégias, disponibilizadas em zonas adjacentes e em função da potencialidade climática dos sítios. Zonas: do diagrama de Givoni 1. Conforto higrotérmico 2. Ventilação 3. Resfriamento evaporativo Cláudia Barroso-Krause Página 55 de 72

56 4. Massa térmica para resfriamento 5. Umidificação 6. Aquecimento solar passivo 7. Aquecimento artificial 8. Ventilação + massa térmica para resfriamento 9. Ventilação + massa térmica para resfriamento.. + Resfriamento. evaporativo 10. Massa térmica para resfriamento. + Resfriamento. evaporativo. Tabela 5: Zonas com as principais estratégias bioclimáticas Fonte: Givini in Labeee, 2005 Abaixo do limite inferior de temperatura (18 C) as estratégias envolvem o aproveitamento da insolação de forma controlada, assim como acima de 29 C, o sombreamento certamente se faz necessário, a ventilação sendo boa estratégia para os valores superiores de umidade relativa e altas temperaturas 23. Assim, ao se marcar no diagrama bioclimático os principais valores de temperatura e umidade de um local, é possível obter um primeiro diagnóstico de seu clima e das melhores estratégias de projeto. Eis abaixo um exercício proposto sobre 6 cidades brasileiras:: Cidade dados climáticos médios diagnóstico Estação verão inverno verão inverno Valores temperatura média ( C) umidade rel. média (%) temperatura media ( C) umidade rel. média (%) Belém 26, ,2 82 Brasília 21, ,1 65 (50) Fortaleza 27, ,9 81 R. de 25, ,6 23,3 Janeiro São Paulo 20, ,6 80 Porto 23, ,2 85 Alegre Tabela 6: Climatologia do Ministério da Aeronáutica Período 1961/1965 Fonte: Frota, 1978 Entretanto para o projeto bioclimático, as médias mensais são pouco úteis, já que na verdade é a variação dia-noite que reflete a verdade das transferências higrotérmicas face as necessidades dos ocupantes e, portanto seu conhecimento é que traz as melhores oportunidades de projeto. Assim, a escolha das estratégias deve ser feita em função do tipo e do período de ocupação (meses e horas do dia). Para tal, se faz necessário o uso da versão informatizada do diagrama e da confecção de arquivos climáticos com valores horários feitos pelo Laboratório de Eficiência Energética em Edificações Labeee que permite esta aproximação aos diversos períodos de uso de cada projeto. Como exemplo, e em homenagem ao belo trabalho de apoio desenvolvido pelos Labcon e Labeee (UFSC), as estratégias ilustradas aqui foram aplicadas para um projeto de casa de férias usada prioritariamente no verão em Florianópolis e no Rio de Janeiro. 23 Sempre lembrando as restrições de microclima que podem estar envolvidas, tais como direção de vento tendo na origem uma situação de maior temperatura, etc... Cláudia Barroso-Krause Página 56 de 72

57 W [g /K g ] W [g /K g ] AB Diagrama bioclimático por Reg. Geog. ZONAS: 1. Conforto 2. Casa de praia, 24 horas, Ventilacao 3. Resfriam ento Evaporativo 4. Massa Térmica p/ uso majoritário: 15/12 Resfr. 5. Ara 15/02 Condicionado 6. Um 7. Massa idificação Térmica/ Aquecimento Solar 8. Aquecimento Solar Passivo 9. Aquecim ento zona Estratégias mais eficientes Artificial 1 0.Ventilação/ M as 1 Conforto higrotérmico sa 11.Vent./ M assa/ Resf. Evap. 1 2.M assa/ Resf. 2 Ventilação Evap. 3 Resfriamento evaporativo 4 Massa térmica para resfriamento 5 Ar condicionado 6 Umidificação 7 Massa térmica e aquecimento solar 8 Aquecimento solar passivo 9 Aquecimento artificial 10 Ventilação + massa térmica para resfriamento 11 Vent. + massa térmica para resfr.. + Resfr. evap. 12 Massa térmica para resfriamento. + Resfr. Evap TBU[ C] Florianópolis (SC) 8 Rio de Janeiro (RJ) 7 T B U [ C ] TBS[ C] UFSC - ECV - LabEEE - NPC 5 0 W[ g/k g] Figura 124: Diagrama bioclimático em diferentes regiões geográficas Observa-se que embora o diagrama indique claramente a ocorrência das estratégias de ventilação para as duas capitais, ele é sensível o suficiente para destacar as noites menos quentes da capital catarina, o que indicará disposições diferenciadas para os quartos de dormir, para a forma de aproveitar ou sombrear a radiação solar incidente. E mesmo dentro da mesma cidade é possível observar a sensibilidade de uso quando da troca entre períodos de ocupação entre a casa do exemplo anterior, agora só no Rio de Janeiro, e uma creche para o turno da manhã. TB S [ C] O diagrama bioclimático por ocupação, no Rio 7. Massa Térmica/ Aquecimento Solar zona Estratégias mais eficientes Conforto higrotérmico Ventilação Resfriamento evaporativo 4 Massa térmica para resfriamento Creche de bairro, escola com turno da manhã (7 às 13hs), 5 Ar condicionado ano inteiro 6 Umidificação Casa de praia, 24 horas, uso majoritário: 15/12 a 15/02 7 Massa térmica e aquecimento solar 8 Aquecimento solar passivo 9 Aquecimento artificial 10 Ventilação + massa térmica para resfriamento 11 Vent. + massa térmica para resfr.. + Resfr. evap. 12 Massa térmica para resfriamento. + Resfr. Evap. TBU[ C] T B U [ C ] W[ g/ Kg ] TB S [ C] Figura 125: Diagrama bioclimático para diferentes perfis de ocupaçã Cláudia Barroso-Krause Página 57 de 72

58 6.2 O diagnóstico do microclima. Além do tipo de clima, para todo estudo arquitetônico, é necessário o conhecimento do microclima envolvido, ou seja, o clima do entorno próximo. Os valores que encontramos nas estações meteorológicas, são medidos em circunstâncias muito especiais e em geral distintas daquelas do nosso dia a dia. É necessário um estudo, sobre planta de relevo, para verificar as mudanças ocasionadas por topografia, cobertura vegetal, densidade urbana, etc. As montanhas, e construções vizinhas ao entorno do lote podem esconder a radiação solar direta, refletir os raios de Sol, obstruir e modificar o sentido ou a velocidade dos ventos dominantes. Figura 126: Vista aérea de Itajubá, MG Fonte: Na realidade, no estudo do microclima existe um limite além do qual, o assunto torna-se estudo de urbanismo, escapando às possibilidades de intervenção do arquiteto. Desta forma, é preciso avaliar apenas o impacto do entorno próximo à edificação - entorno natural, construído ou legislado - sobre a performance da construção. O que se quer é conseguir identificar os elementos específicos deste entorno capazes de modificar os dados climáticos padrão das estações meteorológicas. Para uma primeira definição das estratégias bioclimáticas de projeto, não sendo possível conseguir os dados das estações climatológicas, uma pesquisa no terreno pode ajudarnos a determinar qual o tipo de clima em jogo. Medem-se os valores médios (média das médias) da temperatura do ar e da umidade dos meses extremos - que são os piores - e aplica-se na tabela a seguir: TEMPERATURA diagnóstico UMIDADE ABSOLUTA diagnóstico < que 10 C Frio > 6 g/kg Úmido <4 g/kg Seco 10 C a 20 C Temperado > 6 (10 C) e >9 g/kg (10 C) Úmido < 4 g/kg Seco 20 C a 30 C Quente > 10 (20 C) e >16 g/kg (30 C) Úmido <4 g/kg Seco > que 30 C Muito Quente > 186g/Kg Úmido < 14 g/kg Seco Tabela 7: Tipos de Clima Fonte: Cláudia Barroso-Krause Página 58 de 72

59 Combinando os diagnósticos de temperatura e umidade é possível gerar definições de clima como temperado úmido, quente seco, etc. Os resultados servirão de base na escolha das estratégias mais adequadas. Quanto aos ventos, em caso de ausência de dados, uma conversa com um ribeirinho, uma olhada no terreno com uma bússola e a tabela de Beaufort (ver a frente), em horas, dias e estações diferentes, podem dar uma idéia, pela simples observação dos fenômenos ocorrentes, da velocidade e direção dos ventos e do tipo de abertura e esquadria necessária ao pleno aproveitamento deste recurso natural. Escala de Velocidade dos Beaufor ventos Fenômenos comumente observados t 0 0 a 0,2 m/s a fumaça (churrasqueira, chaminé, cigarro, etc.) sobe de forma vertical. 1 0,3 a 1,5 m/s o vento faz a fumaça se inclinar, mas ainda não consegue girar um cata-vento. 2 1,6 a 3,3 m/s o ser humano percebe o vento no rosto, as folhas das árvores e do cata-vento começam a se mexer. 3 3,4 a 5,4 m/s as folhas e os pequenos ramos das árvores se mexem de forma contínua e o vento faz as bandeiras se mexerem. 4 5,5 a 7,9 m/s o vento tira a poeira do chão e levanta folhas de papel. 5 8,0 a 10,7 m/s as pequenas árvores começam a balançar e começa a fazer espumas nas ondinhas dos lagos. 6 10,8 a 13,8 m/s fios elétricos começam a se mexer e fica muito difícil usar guarda-chuva. 7 13,9 a 17,1 m/s as árvores ficam completamente agitadas e fica muito difícil de se andar de frente para o vento. os pequenos ramos das árvores se quebram e não se pode 8 17,2 a 20,7 m/s andar normalmente sem um esforço terrível, de frente para o vento. 9 20,8 a 24,4 m/s as telhas dos telhados começam a ser arrancadas, ocorrem pequenas catástrofes com relação à casa ,5 a 28,4 m/s normalmente só ocorre no mar. Quando ocorre na terra, pode arrancar árvores com a raiz. Tabela 8:Tabela de Beaufort, relacionada a eventos urbanos tropicais Fonte: Fernandez, 1990 Os dados geo-climáticos podem ser assim em seguida classificados pelo arquiteto como vantagens, trunfos, ou desvantagens, facilitando sua compreensão na escolha das estratégias de resfriamento passivo ou ativo, umidificação, desumidificação, aquecimento passivo ou ativo, inércia, etc., e serem incorporados à seu estilo, sua estética e a de seu entorno. Cláudia Barroso-Krause Página 59 de 72

60 6.3-Diagrama solar O diagrama solar nos permite trabalhar a geometria do projeto de forma a usando as informações do diagrama de Givoni estabelecer as melhores relações com a insolação Massa Térmica/ Aquecimento Solar TBU[ C] 20 Figura 127: Zona de insolação, sobre diagrama bioclimático de Givoni Em função deste conhecimento é possível administrar o projeto, suas sombras integradas (beirais, brises, varandas) e sua relação com o entorno de forma a captar a radiação solar nos momentos em que ela se adeque às estratégias levantadas no diagrama de Givoni para um período determinado, inverno, por exemplo: Para efeitos de suporte ao projeto, o que queremos saber é, no período desejado, onde está o Sol, ou seja, conhecer a direção de seus raios e sobretudo,suas projeções horizontal e vertical. Desta forma poderemos trabalhar em planta e em corte a edificação: dimensionando as fachadas mais expostas à radiação, prevendo aberturas, calculando a forma de suas proteções. Falamos da recepção do corpo humano às diversas formas de calor vindas da construção. Falamos também, dos meios de transmissão desse fluxo de calor pelo envoltório construído. Comentamos a maneira pela qual este envoltório interage com o meio ambiente, sobretudo com a calota celeste e o Sol. O valor da radiação solar varia de acordo com a orientação. Ela também varia, de acordo com os dias do ano, pela maior ou menor proximidade e inclinação dos raios solares. O Sol possui uma trajetória aparente que varia ao longo do dia, ao longo do ano. 2 1 Entretanto, para cada latitude, essa trajetória teoricamente se repete a cada ano. Assim, para cada local, segundo a hora do dia, a estação do ano e a orientação escolhida, é possível trabalhar sempre uma única posição espacial e um único valor de radiação 11. Para efeitos de projeto, o que se quer saber é, a cada hora desejada, onde está o Sol, para conhecermos a direção de seus raios e a potência desta radiação. Desta forma pode-se deduzir as fachadas mais expostas à radiação, para dimensioná-las e calcular a forma de suas proteções (beirais e brises). Para isso, o primeiro passo é a compreensão da posição solar W[ g/ Kg ] 11 Na realidade, as condições de nebulosidade e poluição também influenciam, atenuando seu valor. Cláudia Barroso-Krause Página 60 de 72

61 A posição espacial do Sol pode ser reproduzida no projeto em função da sua altura solar α- e o seu azimute - a. Se sobre um ponto do globo, se marcar a direção dos pontos cardeais e uma projeção sobre o solo do Sol em determinado instante, chega-se ao azimute, o ângulo plano que esta projeção fará com o Norte 12. E sobre este novo eixo, de α, ao ângulo relativo à altura solar. Meio dia solar Altura solar (em corte normal à fachada) O Por do Sol a N Azimute (em planta) S E Nascer do Sol Figura 128: Esquema de trajetória solar Estes pontos estão marcados em cartas solares disponíveis para as principais altitudes, podendo ser encontradas em Frota, por exemplo. Mas como lê-las? Bastante simples: N 10 a Figura 129: esquema de leitura das cartas solares 22/06 22/ /09 O 16 8 L 21/ /12 22/ S 12 Foi Considerado que para as latitudes Sul do Equador o Sol está ao Norte. No hemisfério Norte a situação se inverte (literalmente questão de ponto de vista), e o Sol passa a se posicionar a Sul. Para os seus habitantes, o azimute é então calculado em relação ao Sul. Como considera-se para efeito de projeto a Terra cilíndrica e repartida ao meio no Equador, isto não faz nenhuma diferença. Cláudia Barroso-Krause Página 61 de 72

62 Fonte: Frota, 1998 Na figura acima observa-se um grande círculo, representando uma projeção do horizonte visto de cima. Nele, estão marcados os pontos cardeais e as trajetórias solares, sob forma de linhas que vão do Leste ao Oeste e que têm à sua direita e esquerda o número do dia ao qual se referem. Cortando-as, existe outro grupo de linhas que identificam os pontos de passagem do Sol em determinadas horas 13 do dia. Finalmente, na parte inferior do eixo Norte-Sul, encontram-se marcações com valores da altura solar, de 0 representado pelo círculo externo do horizonte, até 90, no zênite (representado nas cartas solares pelo ponto de interseção dos 2 eixos). Assim, para conhecer um ponto na trajetória solar, basta traçar um segmento de reta até o círculo externo. O valor do ângulo formado pela reta com o Norte dará o valor do azimute solar neste instante. A altura solar correspondente se consegue com ajuda de um transferidor solar: Figura 130: decodificando o transferidor solar E como aplicá-la para construção das proteções? Em princípio, para conhecer o efeito dos raios solares em uma determinada hora e dia sobre as plantas baixas, usa-se seu valor do azimute, e para conhecer a projeção vertical do ângulo espacial, traça-se o valor da altura solar sobre os cortes. Assim abaixo está ilustrada uma aplicação para 10h dos dias 21/3 ou 24/9 e projeção sobre desenho de Olgyay º 13 Horas solares, e não horas legais. Ver glossário. Entre outros cuidado, é necessário descontar os horários de verão, quando estivermos trabalhando com este valores. Cláudia Barroso-Krause Página 62 de 72

63 Figura 131 e 132: Efeito dos raios solares Fonte: Olgyay, 2005 Depois é só geometria e desejo para achar a projeção que melhor se adeqüe ao projeto. Existem uma infinidade de soluções para as Projeções com a mesma eficiência (sobre desenho original de Olgyay, em Hertz): Figura 133: Diversos exemplos Esta é talvez a parte mais importante da apostila e é preciso confessar talvez a menos atraente em uma primeira abordagem. No entanto após a segunda inserção dos ângulos transferidos sobre cartas solares no projeto, desenvolve-se um automatismo e a tarefa flui sem problemas. Fig.134 A obstrução da abóbada celeste da placa horizontal (A) sobre a janela representada sobre o transferidor auxiliar de ângulos (B). Extraído de MOORE (1991) apud Souza, RVG A planilha DICAS 2 distribuída ao longo do curso poderá ajudar este procedimento. Para aqueles que sempre projetam em uma mesma cidade, é possível a obtenção de um diagrama específico para os pontos cardeais e os secundários, de forma a obtermos um traçado de sombra em horas exatas, o que nos permite ganhar algum tempo. Tal como para o diagrama bioclimático de Givoni, a versão informatizada deste instrumento ajuda bastante na escolha da organização interna dos ambientes, e na construção das sombras integradas à edificação ou no entorno. O programa Sol Ar ilustra aqui algumas possibilidades: Cláudia Barroso-Krause Página 63 de 72 A B