Uso de Simulação Computacional para Análise de Iluminação Natural

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1 VII ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO QUALIDADE NO PROCESSO CONSTRUTIVO 27 A 30 DE ABRIL DE 1998 FLORIANÓPOLIS - SC ANTAC NÚCLEO DE PESQUISA EM CONSTRUÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Uso de Simulação Computacional para Análise de Iluminação Natural PAPST, Ana L. (1), PEREIRA, Fernando R. (2), LAMBERTS, Roberto (3) (1) Arquiteta, Mestranda em Engenharia Civil LabEEE, UFSC - Campus Universitário Trindade - CEP Florianópolis SC. ecv3ala@ecv.ufsc.br (2) Engenheiro Civil, PhD em Arquitetura- LabCon, UFSC - Campus Universitário Trindade CEP Florianópolis SC. feco@arq.ufsc.br (3) Engenheiro Civil, PhD- Núcleo de Pesquisa em Construção Civil UFSC, Campus Universitário Trindade Cx.P. 476 CEP Florianópolis SC. lamberts@ecv.ufsc.br RESUMO O presente trabalho apresenta uma metodologia para a análise da iluminação natural em ambientes internos, fazendo-se uso de simulação numérica computacional. O objeto de estudo é um laboratório que faz parte de dois novos blocos de laboratórios e salas de aula do novo prédio da Engenharia Civil, face ao incêndio ocorrido em 1996, que será construído na Universidade Federal de Santa Catarina,. Os resultados das simulações foram classificados em categorias a partir da Norma Brasileira NBR 5413 (NB-57) - Iluminâncias de Interiores, segundo quatro patamares de iluminâncias: excessiva, suficiente, insuficiente e inexistente. Com o uso de apresentação gráfica, buscou-se facilitar a compreensão do projetista luminotécnico frente a distribuição espacial, temporal e quantitativa da iluminação natural. 1 INTRODUÇÃO O uso da iluminação natural numa edificação é devido a diversos fatores, qualidade da luz, comunicação com o exterior, conservação de energia, entre outros. Uma abertura de grandes dimensões pode causar, dependendo da orientação, uma entrada de luz excessiva, e uma conseqüente carga térmica indesejável, dependendo da região e da época do ano. Pequenas aberturas ao contrário, precisam normalmente de iluminação auxiliar, a artificial, mesmo durante um dia de céu claro. O conhecimento da quantidade de luz que será admitida através da edificação, pode auxiliar na tomada de decisões e mudanças de projeto. O conhecimento da distribuição espacial e temporal da iluminação natural dentro de um ambiente ajuda no projeto luminotécnico.

2 Dois novos blocos de edifícios, que abrigarão laboratórios e salas de professores da Engenharia Civil, serão construídos no Campus da Universidade Federal de Santa Catarina. Houve uma preocupação dos projetistas em prever grandes vãos para iluminação. Para evitar a entrada excessiva da luz do sol, foram previstos brises, diferentes conforme a orientação. A iluminação lateral (tipo de iluminação usada neste projeto) garante melhores iluminâncias próximas a abertura, e menores quanto mais distante da mesma. Para auxiliar numa distribuição mais homogênea da entrada de luz no projeto, fez-se uso de prateleiras de luz de concreto, pintadas de branco. PRATELEIRA DE LUZ Figura 1 Corte esquemático de uma janela com prateleira de luz O objetivo é conhecer a entrada de luz natural através das aberturas externas, nas diversas horas do dia, e do ano, e com isto, desenvolver uma metodologia de análise da quantidade e da distribuição a luz natural nos ambientes internos. Desta forma, pode-se prever aonde e quanto é necessário o uso de iluminação artificial como complementar a luz natural, passando estas informações ao projetista luminotécnico. O objeto de estudo apresentado neste trabalho, é um laboratório, com as aberturas externas voltadas para a orientação nordeste. A sala encontra-se no primeiro pavimento de um dos dois blocos. 2 METODOLOGIA 2.1 Método Utilizado para Simulação A avaliação da iluminação natural em um projeto pode ser feita de três maneiras distintas: métodos gráficos simplificados, simulação com modelos em escala reduzida, e simulação em computador. A simulação usada neste trabalho foi a computacional, mais precisamente usando o software Lumen Micro 7. Este software possui algumas limitações, por exemplo, considerar todas as superfícies completamente difusas, o que não acontece ao todo na realidade. Mas o uso da simulação numérico computacional apresenta bons resultados, e uma maior rapidez se comparado ao método gráfico. 2.2 A Simulação O programa de simulação usado considera três tipos de céu: céu claro, céu parcialmente encoberto e céu encoberto. As horas escolhidas para análise foram: 08:00, 10:00, 12:00, 14:00, 16:00 e 18:00 h, pois trata-se de um ambiente ocupado em horário comercial. 348

3 A localização geográfica, o albedo, e o dia do ano são outros dados de entrada. No presente estudo optou-se pela análise dos dias mais representativos do ano, o solstício de inverno (21 de junho) e o solstício de verão (22 de dezembro). Por serem respectivamente o dia mais curto e o mais longo do ano. O valor do albedo usado foi de 0.06, considerando-se grama verde, conforme ROBBINS (1986). As refletâncias usadas para os diversos elementos construtivos foram: paredes : 0.75 teto : 0.75 piso : 0.65 concreto : 0.60 prateleiras de luz : 0.80 O vidro que será utilizado na edificação é o transparente de 4mm de espessura, com coeficiente de transmissão médio de Mas o valor usado na simulação foi minorado em 12% devido a perda pela esquadria, e 10% a menos na transmissividade dada a perda por sujeira, perfazendo o valor final de O passo seguinte foi determinar que tipo de atividade seria desenvolvida no ambiente, a quantidade de luz necessária, em função da atividade, idade dos ocupantes e acuidade visual. Por se tratar de uma atividade que exige requisitos visuais normais e trabalho médio de maquinaria, obteve-se pela norma NBR 5413 Iluminâncias de Interiores o valor de 750 lux. Com este valor, 750 lux, definiu-se segundo CABÚS (1997), três regiões de iluminâncias no ambiente: insuficientes (iluminâncias abaixo de 70% de 750 lux - abaixo de 525 lux); satisfatórias (iluminâncias entre 70% e 130% de 750 lux - entre 525 e 975 lux); excedentes (iluminâncias acima de 130% de 750 lux - acima de 975 lux). A distribuição das iluminâncias foi simulada para um plano horizontal a 72 cm do piso. Um exemplo da distribuição das isolux superficiais segundo regiões de iluminâncias, é demonstrado na figura 2. Figura 2 - Distribuição de iluminâncias para um dia de céu encoberto às 12:00hs no dia de solstício de verão. Legenda 1 Hachuras conforme a faixa de valores em Lux. entre 525 e 975 lux (70% a 130%) iluminâncias satisfatórias abaixo 525 lux (70%) iluminâncias insuficientes 349

4 2.3 Resultados Encontrados Os gráficos de isolux superficiais dão uma boa informação da distribuição espacial da luz natural. Mas a quantificação da luz natural para uma análise da eficiência das aberturas com relação a admissão da entrada de luz, ficam um pouco dificultadas. Para facilitar a visualização, analisou-se e simplificou-se os gráficos de isolux superficiais através dos gráficos percentuais. Onde se analisa o ambiente conforme a distribuição de iluminâncias segundo as quatro regiões de iluminâncias já mencionadas. A graficação da tabela é percentual, ou seja, cada retângulo representa quanto proporcionalmente da sala tem aquela determinada faixa de iluminâncias. A legenda das hachuras é exemplificada abaixo. Gráfico 1 Percentual de Iluminâncias para cada tipo de céu e diversos horários, no Solstício de Verão. Solstício Verão Claro Parc. Encoboberto Encoberto Horário 25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100% 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 350

5 Gráfico 2 Percentual de Iluminâncias para cada tipo de céu e diversos horários, no Solstício de Inverno. Solstício Inverno Claro Parc. Encoboberto Encoberto Horário 25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100% 25% 50% 75% 100% 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 Legenda 2 Hachuras conforme a faixa de valores em Lux. acima 975 lux (130%) iluminâncias excedentes entre 525 e 975 lux (70% a 130%) iluminâncias satisfatórias abaixo 525 lux (70%) iluminâncias insuficientes sem iluminação natural Os gráficos percentuais, mostram de uma maneira muito mais direta, a eficiência da iluminação natural frente a necessidade do uso de complementação de iluminação artificial. Uma outra vantagem, é mostrar em que dias e horários, há uma distribuição não homogênea no ambiente, reduzindo assim, a quantidade de gráficos de isolux superficiais para a análise da distribuição espacial de iluminâncias. 2.4 Resumindo A metodologia usada, que serve de parâmetro para outras avaliações, pode ser estruturada como segue: selecionar um ambiente que seja uma boa amostragem, diminuindo a necessidade de avaliar todos os ambientes; determinar que tipo de atividade vai ser desenvolvida em cada ambiente, a quantidade de luz necessária (em função a atividade, idade dos ocupantes, acuidade visual). Os valores de iluminâncias utilizados neste trabalho, foram os da NBR 5413; delimitar uma área de iluminâncias satisfatórias, valor este entre 70% e 130% da iluminância estabelecida no item acima; simular computacionalmente nas diversas horas do dia, nos dias de solstício de inverno e verão, e nos diversos tipos de condição de céu; 351

6 durante a simulação acima, representar graficamente de maneira simplificada, os resultados obtidos; avaliar as situações de interesse; propostas de integração da iluminação natural e artificial, de maneira a se obter uma melhor eficiência energética. 3 CONCLUSÃO O uso de simulação computacional para analisar a distribuição espacial, temporal e quantitativa da iluminação natural dentro da edificação, e assim, servir de base ao projeto luminotécnico, mostrou-se bastante eficiente. As quatro regiões de iluminâncias, são um excelente apoio ao projetista luminotécnico. Através dos gráficos simplificados, seleciona-se mais rapidamente os dias e horários onde há uma distribuição espacial não homogênea, além de uma análise da eficiência da iluminação natural para economia no consumo de iluminação artificial. O desajuste da modularidade externa dos pilares e a interna das paredes, no laboratório, objeto de estudo, causa a existência de um pilar dividindo a abertura, fato este, que diminui a iluminação num canto da peça. A proposta é o uso de três circuitos independetes de acionamento, dispostos paralelos ao plano da janela, de forma a serem desligados em função dos níveis de iluminação natural, conforme demonstra a figura 3. Figura 3 Proposta de distribuição de três circuitos independentes de iluminação artificial. Através dos gráficos percentuais, percebe-se que a iluminância interna permanece grande parte do tempo excessiva, sendo necessário o controle através do uso de cortinas ou similares. As iluminâncias insuficientes foram proporcionalmente a segunda maior incidência, o uso de iluminação complementar com controle gradativo é o recomendado. 352

7 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CABÚS, Ricaro Carvalho. Análise do desempenho luminoso de sistemas de iluminação zenital em função a distribuição e iluminâncias. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, NBR 5413 (NB-57). Iluminâncias de Interiores. Rio de Janeiro, ROBBINS, C.L. Daylighting: Design and Analysis. Van Nostrand Reinhold Co., NY,