Elemento de controle térmico, lumínico e acústico

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1 Elemento de controle térmico, lumínico e acústico Egon Vettorazzi (1) Marcelo Langner (2) Odoni Ruschel Junior (3) Patrícia Soares Teixeira (4) (1) Universidade Federal da Integração Latino-Americana - UNILA, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil. egon.vettorazzi@unila.edu.br (2) Centro Universitário Dinâmica das Cataratas UDC, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil. marcelolangner@hotmail.com (3) Centro Universitário Dinâmica das Cataratas UDC, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil. odoni.com@hotmail.com (4) Centro Universitário Dinâmica das Cataratas UDC, Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil. patriciasoaresteixeira@gmail.com Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo de controle da radiação solar direta que também tem a finalidade de melhorar o desempenho acústico, luminoso e a eficiência energética do ambiente ao qual é aplicado. Esse elemento pode ser instalado durante ou após a construção da edificação, sendo adaptado facilmente a maioria das janelas disponíveis no mercado. Além de bloquear os ruídos externos e a radiação solar excessiva, permite a entrada de iluminação e ventilação natural no interior das edificações, melhorando as condições internas de conforto ambiental ao mesmo tempo que contribui com a eficiência energética devido a diminuição do uso de ar condicionado. Para realização do trabalho foi construído um protótipo em escala real para testar o desempenho na redução de ruídos no interior de uma edificação. Para a avaliação do desempenho quanto à proteção da radiação solar e à iluminação natural, foram realizadas simulações com uso de programas computacionais. Os resultados demonstram uma redução entre 9,4 e 16,1 decibéis dos ruídos no interior da edificação, representando uma diminuição aproximada de três a cinco vezes na intensidade do som. Além disso, foi constatado que o elemento de proteção solar desenvolvido protege da radiação solar direta, ao mesmo tempo em que diminui a excessiva iluminação natural no interior da edificação. Palavras-chave: elemento de proteção solar; conforto acústico; ruído; poluição sonora. Abstract: We have developed a device to control direct solar radiation which also aims to improve the sound, light performance and energy efficiency of the environment to which it is applied. This element can be installed during or after construction of the building and is easily adapted to most of the windows available on the market. In addition to block outside noise and excessive solar radiation, allows the entry of natural lighting and ventilation inside the building, improving the internal conditions of environmental comfort while contributing to energy efficiency due to decreased use of air conditioning. To perform the job it was built a prototype to test the real performance in noise reduction inside a building scale. For the evaluation of the performance as the protection from solar radiation and daylighting simulations using computational programs were held. The results show a

2 reduction of between 9.4 and 16.1 decibels of noise within the building, representing an approximate decrease three to five times the sound intensity. Furthermore, it was found that the element of sun protection designed protect from direct sunlight, while it decreases the excessive natural light inside the building. Keywords: element of sun protection; acoustic comfort; noise; noise pollution. 1. INTRODUÇÃO O crescimento desordenado da população no meio urbano acarreta diversos problemas sociais, econômicos e ambientais. No Brasil, segundo o censo demográfico do IBGE (2010), cerca de 84% da população vive em meio urbano. Entre os problemas diagnosticados atualmente, a poluição sonora e o aumento de consumo de energia per capita são alvos de estudo, em virtude das dificuldades encontradas para o controle do problema. A poluição sonora, segundo dados publicados na revista Summa (2012), é considerada a terceira maior causa de poluição no planeta, atrás apenas do ar e da água, sendo um problema de saúde pública, segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS). A entidade estima que 800 milhões de pessoas sofram com a perda auditiva, e este número deverá aumentar para 1,1 bilhão até 2015, aproximadamente 16% da população mundial. Esses ruídos geralmente são originados por fontes que produzem sons excessivos, como indústrias, canteiros de obras, meios de transporte, áreas de recreação, atividades de lazer etc. Além disso, há relatos sobre a ocorrência de efeitos negativos em níveis moderados de ruído, uma vez que lentamente vão se instalando estresse, distúrbios físicos, mentais e psicológicos, insônia e problemas auditivos (MEDEIROS, 1999). Um fator que contribui para o aumento do consumo de energia elétrica é o desconforto causado à população pela exposição a níveis elevados de ruídos urbanos. Para se proteger dos ruídos, o usuário fecha as janelas, o que diminui a ventilação e a iluminação natural e muitas vezes, recorre ao uso de soluções artificiais de conforto térmico, como o uso do ar-condicionado. A OMS considera que, para não causar prejuízos ao ser humano, um som deve atingir um nível de até 50dB. A partir disso, começam a surgir os efeitos negativos. De acordo com Frota (1995), o conforto ambiental é considerado um dos principais objetivos da arquitetura, visando ao máximo o bem-estar do usuário. Sendo assim, é necessário agregar elementos arquitetônicos que auxiliem o conforto ambiental dos ambientes. Esses elementos não só devem promover o conforto, mas priorizar estratégias de ventilação e iluminação natural. Consequentemente, levam à redução do consumo de energia elétrica e fazem toda a diferença nas construções que agregam esses dispositivos. Para o desenvolvimento deste trabalho, adotou-se o brise, elemento arquitetônico de proteção solar, atribuindo-lhe uma nova função, o conforto acústico. Considerando os aspectos expostos, quanto à dificuldade de sanar a questão dos ruídos urbanos e a fatores referentes ao conforto térmico, associando diretamente esses problemas ao crescimento demográfico e ao consumo excessivo de energia elétrica, torna-se necessário o desenvolvimento de sistemas que busquem amenizar os impactos resultantes da terceira maior causa de poluição no planeta, a poluição sonora. O brise móvel acústico foi desenvolvido para amenizar as ondas sonoras nocivas à saúde da população. A tecnologia visa controlar a incidência direta de raios solares, diminuir os níveis de ruídos transmitidos para dentro dos ambientes sem afetar a ventilação natural e, consequentemente, reduzir o

3 uso de aparelhos condicionadores de ar. Diante dos dados apresentados sobre os problemas provenientes da poluição sonora, este trabalho procurou desenvolver uma nova tecnologia capaz de solucionar de maneira sustentável o problema, ou seja, promover a combinação de materiais acústicos com o brise. Nas dimensões corretas, essa combinação pode proporcionar uma redução significativa no nível dos ruídos externos, possibilitando a utilização das janelas abertas e, consequentemente, otimizando a ventilação e a iluminação natural, controlando a radiação solar direta no interior dos ambientes, de modo a aumentar o conforto térmico e diminuir o consumo de energia elétrica. 2. OBJETIVO O objetivo principal deste projeto é propor uma solução simples, e economicamente viável, para resolver problemas das edificações urbanas relacionados com o conforto térmico, acústico e lumínico. A proposta tem como foco primordial reduzir a entrada de ruídos urbanos no interior da edificação e, ao mesmo tempo, permitir a entrada de luz e ventilação natural, aumentando o nível de conforto e diminuindo o consumo de energia elétrica com o uso de ar-condicionado. 3. JUSTIFICATIVA Este trabalho se justifica pela necessidade do estudo de soluções que amenizem os problemas relativos a poluição sonora sem que, no entanto, prejudicar o conforto térmico e a eficiência energética dos ambientes devido ao fechamento das janelas e o impedimento da ventilação e iluminação natural. 4. MÉTODO EMPREGADO A metodologia do trabalho se divide em duas etapas principais: Projeto do brise móvel acústico (protótipo) e ensaios de desempenho: acústica, radiação solar e iluminação natural Projeto do brise móvel acústico As Figuras 1 e 2 mostram, em vista frontal e corte, as dimensões utilizadas no projeto do brise móvel acústico (L= 90cm H= 95cm P= 16cm) onde L é a largura, H a altura e P a profundidade. A Figura 3 mostra o detalhamento do corte para melhor compreensão e a Figura 4 simula por computação o brise móvel acústico aplicado em uma edificação. FIGURA 1 Vista frontal. FIGURA 2 Corte A.

4 FIGURA 3 Detalhe A: Lâmina. FIGURA 4 Brise móvel acústico aplicado em uma edificação. Nas Figuras 5 e 6 é demonstrado como o brise móvel acústico busca atender às necessidades de conforto térmico, lumínico e acústico, atenuando os ruídos provenientes do exterior, absorvendo a energia sonora quando esta passa do meio externo para o interno pela abertura, sem interromper a ventilação natural, e controlando a incidência da radiação direta no ambiente. FIGURA 5 Absorção sonora Ensaios: acústica, radiação solar e iluminação natural FIGURA 6 Controle da radiação solar. Para comprovação da eficiência do brise móvel acústico foram realizados ensaios acústicos, da radiação solar e de iluminação natural. Os ensaios acústicos foram efetuados com um protótipo real. Para facilitar o estudo em diversas latitudes e em diferentes períodos do ano, os ensaios de proteção contra a radiação solar e para a iluminação natural foram realizados por meio de simulação computacional. A simulação computacional possibilita simular em qualquer época do e em qualquer horário Ensaio de desempenho acústico Para execução dos ensaios acústicos foi desenvolvido e construído um protótipo do brise móvel acústico e um dispositivo de ensaio para testá-lo. O protótipo foi construído com os seguintes materiais: policloreto de vinila (PVC) expandido de 2mm; espuma acústica absorvente com 50mm de espessura; cola instantânea e impermeabilizante líquido. As figuras 7 e 8 apresentam fotos do protótipo.

5 FIGURA 7 Foto frontal do protótipo. FIGURA 8 Foto lateral do protótipo. O dispositivo de ensaio foi desenvolvido com uma caixa com materiais acústicos que simula a abertura de uma edificação. O dispositivo de ensaio consiste em uma caixa de camada dupla de laminado prensado com um material acústico absorvente entre as camadas. As figuras de 9 a 11 demonstram, respectivamente, a caixa externa, a caixa interna e o dispositivo completo, medindo externamente L= 100cm H= 100cm P= 100cm e internamente L= 80cm H= 80cm P= 90cm. A Figura 12 mostra a foto do dispositivo de ensaio sem o protótipo e a Figura 13 mostra a foto do protótipo do brise móvel acústico acoplado ao dispositivo de ensaio. FIGURA 9 Caixa externa. FIGURA 10 Foto do dispositivo de ensaio sem o protótipo. FIGURA 11 Todo do dispositivo de ensaio. Os ensaios acústicos foram desenvolvidos com o dispositivo de ensaio em com o fechamento em diferentes situações, conforme demonstrado na Figura 12: (a) dispositivo de ensaio aberto e fechado; (b) dispositivo de ensaio com o protótipo do brise móvel acústico com as lâminas na posição horizontal e com diferentes angulações em diferentes angulações: (c) na posição horizontal, (d) 25 graus interno, (e) 25 graus externo e (f) 40 graus interno, o que tornou possível determinar o ângulo das lâminas que apresenta o melhor desempenho acústico. (a) (b) (c) (d) (e) (f) FIGURA 12 Diferentes situações do dispositivo de ensaio para realização dos ensaios acústicos.

6 A fonte sonora ficou a uma distância de 230cm do dispositivo de ensaio e apresentou uma intensidade sonora de 76,5dB (Figura 13). Para os ensaios foi utilizado um decibelímetro digital modelo MSL 1351C, marca Minipa (Figura 14). FIGURA 13 Esquema do ensaio. FIGURA 14 Decibelímetro Ensaio de desempenho de proteção contra a radiação solar Para análise da eficiência térmica do brise móvel acústico nas edificações no território brasileiro foram feitas simulações nos programas computacionais Autodesk Revit versão 2014 e Brise.BR na cidade de Porto Alegre, latitude de 30 graus Sul, no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Todos os ensaios foram realizados considerando a janela orientada para o Norte, em todos os horários e dias do ano, com as lâminas do brise móvel acústico na posição horizontal. Essa análise tornou possível verificar a incidência da radiação solar no interior da edificação com e sem o uso do brise móvel acústico Ensaio de iluminação natural Para análise da eficiência da iluminação natural do brise móvel acústico nas edificações no território brasileiro foram feitas simulações no programa computacional Velux Day Light versão 2.6.7, considerando para a análise na cidade de Porto Alegre, latitude de 30 graus Sul. Todos os ensaios foram realizados considerando a janela orientada para o Norte, ao meio-dia, e no dia de maior incidência solar do ano, no solstício de inverno (21 de junho). Essa análise tornou possível verificar a quantidade de iluminação natural (lux) no interior da edificação com e sem o uso de brise móvel acústico com as lâminas na posição horizontal. 5. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados da aplicação do brise móvel acústico estão divididos em: análise do desempenho acústico, análise do desempenho da proteção contra a radiação solar e análise da capacidade de entrada de iluminação natural Análise do desempenho acústico A Tabela 1 demonstra os resultados encontrados da diferença de ruídos internos no ambiente (representado pelo dispositivo de ensaio) exposto a uma fonte sonora de 76,5dB, com e sem o uso do brise móvel acústico com as lâminas em diferentes angulações.

7 Dispositivo de ensaio com e sem o brise móvel acústico Ruído externo Ruído no interior do dispositivo de ensaio Redução (db) (db) (db) Aberto Fechado 76,5 76,5 0 76,5 56,2 20,5 Lâminas na Horizontal 76,5 65,4 10,3 Lâminas a 25 graus interno 76,5 66,3 9,4 Lâminas a 25 graus externo 76,5 65,9 9,8 Lâminas a 40 graus interno 76,5 59,6 16,1 TABELA 1 Resultado das medições acústicas. Segundo Costa (2004), o dobro da intensidade do som equivale a 3dB, ou seja, a cada 3dB ocorre um aumento de 100% na intensidade energética do som. O ambiente sem proteção, com a janela aberta, apresentou níveis de ruído iguais a 76,5dB, ou seja, sem redução do nível de ruído em comparação com o meio externo. O ambiente com o brise móvel acústico acoplado à janela e com as lâminas na posição horizontal apresentou níveis de ruído iguais a 65,4dB, reduzindo 10,3dB do ruído externo, o que, em média, representa uma redução de três vezes na intensidade do ruído. O ambiente com abertura acoplada de brise móvel acústico com as lâminas inclinadas a 25 graus interno apresentou níveis de ruído iguais a 66,3dB, reduzindo 9,4dB do ruído externo, o que, em média, representa uma redução de três vezes na intensidade do ruído. O ambiente com abertura acoplada de brise móvel acústico com as lâminas inclinadas a 25 graus externo apresentou níveis de ruído iguais a 65,9dB, reduzindo 9,8dB do ruído externo, o que, em média, representa uma redução de três vezes na intensidade do ruído. O ambiente com abertura acoplada de brise móvel acústico com as lâminas inclinadas a 40 graus interno (levemente fechados), sem vedação ou hermeticidade, apresentou níveis de ruído iguais a 59,6dB, reduzindo 16,1dB do ruído externo, o que, em média, representa uma redução de cinco vezes na intensidade do ruído. Para Bergund e Lindvall (1995) e Bergund, Lindvall e Schwela (1999), quando exposto durantes 8

8 horas diárias a níveis de ruídos de 75dB, o ser humano corre sérios riscos de perda de audição e, segundo a NBR (2000), o nível máximo de decibéis permitido é de 55dB em zonas residenciais e de 60dB em áreas mistas com vocação comercial e administrativa. Sendo assim, os resultados obtidos com o brise móvel acústico, de redução de 10,3 a 16,1 decibéis, o caracterizam como elemento arquitetônico que auxilia o bem-estar e o conforto ambiental, sem aumento do consumo de recursos naturais e energéticos Análise do desempenho da proteção contra a radiação solar A Figura 15 (a) torna possível avaliar a intensa exposição de um ambiente interno à radiação solar direta na cidade de Porto Alegre. No entanto, a Figura 15 (b) demonstra que com o uso do brise móvel acústico o ambiente fica protegido da radiação solar direta em todos os períodos do ano, em grande parte do dia. (a) Sem brise móvel acústico. (b) Sem brise móvel acústico. FIGURA 15 Radiação solar no interior de edificação em Porto Alegre sem e com brise móvel acústico Análise do desempenho quanto à iluminação natural Com base nos ensaios realizados no programa computacional Velux, foi constatado, de maneira geral, que o uso do brise móvel acústico promoveu redução da iluminância média no interior dos ambientes na cidade de Porto Alegre. Sem o uso do brise móvel acústico, a iluminância interna alcança valores muito altos (cerca de lux), ofuscando e prejudicando a realização de atividades no interior da edificação. Com a utilização do brise móvel acústico, a iluminação se distribuiu de maneira mais uniforme nas edificações das três cidades estudadas. A Figura 16 ilustra comparativamente os resultados da iluminação natural com o uso de uma janela convencional aberta e com a utilização do brise móvel acústico na cidade de Porto Alegre.

9 (a) Sem brise móvel acústico. (b) Cem brise móvel acústico. FIGURA 16 Iluminância (lux) no interior de edificação em Porto Alegre sem e com brise móvel acústico. Na figura 17 é possível analisar, esquematicamente, que uma edificação com janela convencional aberta, sem elementos de proteção, está exposta a radiação solar direta, ruídos externos e iluminação excessiva. É possível observar a tripla função do brise móvel acústico, que barra a radiação solar direta, diminui a intensidade do som e controla a iluminação, sem prejudicar a ventilação natural. (a) Sem brise móvel acústico. (b) com brise móvel acústico. FIGURA 17 Edificação sem e com brise móvel acústico. 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS A utilização do brise remodelado como elemento de barragem do som, quanto a seu desempenho acústico, térmico e lumínico, demonstrou resultados satisfatórios, tendo em vista sua aplicabilidade em razão da facilidade de instalação e adaptação a diferentes situações. O brise móvel acústico apresenta flexibilidade de manejo e pode ser facilmente instalado em edificações novas, além de poder ser acoplado sobre janelas de edificações existentes. Outra característica marcante é o fato de poder ser produzido em larga escala, o que reduz seu custo final. Ao fim dos estudos e testes com o brise móvel acústico, foi constatada sua eficiência por meio da significativa diferença encontrada nos níveis de ruídos do ambiente interno com e sem o uso do dispositivo. Além disso, foi comprovada sua eficiência em barrar a radiação solar e na capacidade de controle da iluminação solar sem prejudicar a ventilação natural no interior das edificações. Conforme ressaltado neste trabalho, mais de 80% da população urbana é afetada por problemas relacionados com o ruído urbano. Para alcançar o conforto acústico dos ambientes, sem prejudicar o

10 conforto térmico e lumínico, o trabalho apresentado demonstra que o emprego do brise móvel acústico colabora efetivamente para o controle da radiação solar, diminuindo os gastos de energia elétrica com condicionamento térmico e auxiliando na iluminação e ventilação natural. Além de economicamente viável e correto do ponto de vista ambiental, o projeto agrega outros valores, proporcionando bem-estar, saúde e eficiência energética. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10151: Avaliação do ruído em áreas habitadas visando o conforto da comunidade. Rio de Janeiro, BERGUND, B.; LINDVALL, T. Community Noise WHO, Stockholm, BERGUND, B.; LINDVALL, T.; SCHWELA, D. H. Guidelines for Community Noise WHO, Stockholm, COSTA, E. C. Acústica técnica. São Paulo: Blucher, 2004 DIEZ, F. PROACUSTICA REVISTA SUMMA. Acústica arquitetônica e condicionamento de ar. Entrevista com Davi Akkerman, presidente da ProAcústica e Juan Frias, consultor técnico. ProAcústica Revista Summa, São Paulo, ed. 124, FROTA, A.; SCHIFFER, S. Manual de Conforto Térmico. São Paulo: Studio Nobel, IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo MEDEIROS, L. B. Ruído: Efeitos extra-auditivos no corpo humano (Especialização em Audiologia Clínica) Centro de Especialização em Fonoaudiologia Clínica - CEFAC, OMS ORGANIZAÇÃO MUNDIAL DA SAÚDE. Resumo das orientações das diretivas da OMS, relativas ao ruído no meio ambiente