FINALIZAÇÃO DO SIMULADOR SOLAR HELIODON RESUMO

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1 Mostra Nacional de Iniciação Científica e Tecnológica Interdisciplinar III MICTI Fórum Nacional de Iniciação Científica no Ensino Médio e Técnico - I FONAIC-EMT Camboriú, SC, 22, 23 e 24 de abril de 2009 Universidade Federal de Santa Catarina - Colégio Agrícola de Camboriú FINALIZAÇÃO DO SIMULADOR SOLAR HELIODON Carolina Rodrigues Daniel 1 ; Eleonora S. Assis 2 ; Roberta V. G. Souza 2 RESUMO Atualmente um grande problema enfrentado pela construção civil e por seus usuários é o desconforto térmico e luminoso das edificações. A fim melhorar as condições de conforto ambiental dos edifícios através dos projetos arquitetônicos, foi desenvolvido um simulador solar que permite uma visualização rápida e direta dos efeitos da incidência solar nas edificações em qualquer latitude, dia ou hora. Esse simulador, chamado Heliodon, possibilita analisar os efeitos causados pelo Sol nas edificações, de forma a maximizar o uso benéfico da energia solar e reduzir seus efeitos indesejados, tais como o ganho de calor excessivo. Sendo assim, são utilizados modelos reduzidos das edificações (maquetes) posicionados no Heliodon para que se obtenha as reais condições de insolação da edificação. O objetivo deste projeto é, portanto, a finalização da construção e a calibração do simulador solar Heliodon, usando dados da cidade de Belo Horizonte, MG, para que o mesmo possa ser utilizado pelos alunos da Escola de Arquitetura da UFMG em seus estudos de análise de projetos e conjuntos urbanos. A metodologia utilizada compõe-se basicamente: (a) da revisão da bibliografia, através da consulta a livros, pesquisas na Internet e a uma cartilha sobre a construção de heliodons que possibilitaram o conhecimento preliminar sobre o assunto e forneceram os dados essenciais para o trabalho; (b) complementação da montagem dos aparelhos segundo a cartilha e (c) desenvolvimento e teste de rotinas para a calibração, isto é, para verificar se as sombras projetadas pelos aparelhos estão de acordo com a geometria solar. Palavras-chave: heliodon, simulador solar, movimento aparente do Sol, radiação solar, iluminação natural. 1 INTRODUÇÃO Atualmente estão ocorrendo grandes problemas na área de construção civil devido à falta de recursos para estudos mais complexos dos edifícios. O Sol, ou a falta dele, pode causar problemas como a falta de iluminação natural e calor excessivo caso não haja uma boa análise do edifício a ser construído. A fim de se obter menos ou nenhum problema nas edificações, foi criado um simulador solar chamado Heliodon. Esse simulador, como o próprio nome já diz, simula o movimento 1 Aluna bolsista PROVOC, Escola Estadual Caminho à Luz, [email protected] 2 Professoras do Dep. de Tecnologia da Arquitetura e do Urbanismo, Escola de Arquitetura da UFMG, s: [email protected] e [email protected]

2 2 aparente do Sol, para que se tenha visualização rápida e direta dos efeitos da incidência solar nas edificações (em modelos menores - maquetes) em qualquer latitude, dia ou hora. Como conseqüência dessa visualização, as edificações poderão ser projetadas de forma a maximizar o uso benéfico da energia solar e reduzir seus efeitos indesejados fazendo com que haja maiores índices de conforto térmico e luminoso nas mesmas. Estes últimos são fatores relevantes no balanço energético da construção de edificações sustentáveis e eficientes. Hoje, são poucos os laboratórios de conforto que possuem esse simulador, apesar de ser muito importante para análise do edifício a ser construído. Como base para esse projeto, estudou-se sobre o sistema solar e geometria da insolação. Tendo como principais temas: 1.1 radiações difusa e direta e suas conseqüências A radiação difusa é uma luz solar que incide indiretamente na Terra, devido à difração nas nuvens, em nevoeiro, poeiras em suspensão e outros obstáculos na atmosfera. A radiação direta incide diretamente no planeta sem obstáculo algum. O acesso a cada uma dessas radiações depende da posição do sol no céu. Essas radiações resultam em dois fenômenos como conseqüências: a reflexão e a absorção. Quando o raio solar incide sobre uma superfície, ela vai refletir uma parte dessa radiação e irá absorver outra. Materiais opacos e claros têm maior propriedade de reflexão e absorvem menos, enquanto os materiais escuros refletem menos e absorvem mais. Ou seja, quanto mais escura é a superfície, maior será a absorção de calor e mais quente o lugar irá ficar. 1.2 Movimentos de rotação e translação

3 3 Os movimentos de rotação e translação são realizados pelo planeta Terra, e acontecem ao mesmo tempo. O movimento de rotação consiste na volta que a Terra dá em torno de si própria. A volta completa ocorre a cada 24 horas e explica a existência dos dias e das noites. O movimento de translação é o tempo que a Terra demora a dar uma volta completa em torno do Sol. Esse tempo é de 365 dias e 6 horas, pelo que, de quatro em quatro anos, existe um ano com um dia a mais no calendário, chamado de bissexto. A translação é a responsável pela existência das quatro estações do ano. 1.3 Solstícios e equinócios Um outro acontecimento no movimento Terra-Sol muito importante é que, além de ter direção fixa, o eixo de rotação da Terra está inclinado 23,5º em relação à linha normal do plano da translação da Terra. Como conseqüência, ora um hemisfério está voltado para o Sol e, seis meses depois, o outro hemisfério é que está voltado para o Sol. Estas posições da Terra em relação ao Sol são conhecidas como Solstícios. O Solstício de Verão para o hemisfério voltado para o Sol, no qual os dias são longos e as noites curtas, e o Solstício de Inverno para o hemisfério voltado contra o Sol, no qual acontece o oposto. Entre os Solstícios temos posições intermediárias, conhecidas como Equinócios, em que o dia tem a mesma quantidade de horas que à noite, e os dois hemisférios estão simetricamente dispostos em relação ao Sol. O Equinócio de Primavera para o hemisfério que está indo do Inverno para o Verão e Equinócio de Outono para o hemisfério que está indo do Verão para o Inverno.

4 4 Tais conceitos são de fundamental importância para a compreensão da geometria solar como ela interfere tanto na calibração do Heliodon como nas tomadas de decisão do projeto arquitetônico. Esta pesquisa objetiva dar continuidade ao trabalho de Pereira (2000), que desenvolveu os projetos de dois modelos de simuladores da trajetória solar para o Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética de Edificações (LABCON). O mais simples, o Heliodon, consiste de uma régua com uma lâmpada que se movimenta verticalmente e de uma prancheta onde se fixam os modelos reduzidos. O tampo desta prancheta rotaciona nos eixos horizontal e vertical, permitindo a simulação para as diversas épocas do ano, em qualquer latitude. Também foi projetado um outro tipo de heliodon (Helioscópio) que consiste de três grandes arcos onde se acoplam lâmpadas, que giram em torno de uma prancheta fixa, simulando as várias latitudes. Possibilita o estudo de grandes maquetes, além de ser muito didático no ensino da trajetória solar aparente. Através desta pesquisa os aparelhos heliodons terminarão de ser construídos e será desenvolvida a rotina de calibração dos mesmos para que possam ser utilizados pelos alunos de graduação, de pós-graduação e por professores e pesquisadores da Escola. 2 METODOLOGIA Esta bolsa de pesquisa teve início em junho de 2007 e tem duração de 2 anos, dentro do Programa de Vocação Científica para alunos do 2 o grau. O trabalho está sendo desenvolvido na Escola de Arquitetura da UFMG, Belo Horizonte, MG, no Departamento de Tecnologia da Arquitetura e do Urbanismo, Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética de Edificações (LABCON). Considerando os objetivos do trabalho, foram planejadas as seguintes etapas: (a) revisão da bibliografia para entender a geometria solar e como os aparelhos simulam a trajetória aparente do sol numa dada latitude, mês e hora do dia;

5 5 (b) término da montagem do heliodon menor e do heliodon maior; (c) desenvolvimento e teste das rotinas de calibração dos dois heliodons. Os dois heliodons foram construídos de acordo com os projetos da Cartilha para a Construção de Simuladores da Trajetória Solar, que foi um resultado de um trabalho anterior de iniciação científica (PEREIRA, 2000). A figura 01 mostra o tipo de heliodon menor, para ser usado com maquetes arquitetônicas de porte pequeno e a figura 02, mostra o tipo de heliodon maior, chamado também de helioscópio, onde se pode usar maquetes maiores de edifícios e/ou de conjuntos urbanos. FIGURA 01 - Prancheta do simulador solar Heliodon menor. Fonte: Frota, 2004 FIGURA 02 Heliodon maior, também chamado Helioscópio. Fonte: Frota, Para finalizá-los e calibrá-los, alguns ajustes tiveram que ser feitos. A figura 03 mostra as regulações do heliodon menor para que a trajetória do sol possa ser simulada numa situação qualquer.

6 6 FIGURA 03 Representação esquemática do Heliodon menor. Centro da prancheta alinhado com o equinócio, ponto central da régua solar. Fonte: Frota, Assim, fez-se a marcação dos horários na mesa da prancheta de acordo com a hora solar em cada hemisfério (de 6h da manhã até 18h para cada hemisfério - N/S). Na régua que marca a posição do Sol, foi feita a marcação dos períodos do ano (solstícios e equinócios), para permitir a simulação da insolação nesses períodos. A figura 04 mostra a seqüência dessas atividades.

7 7 FIGURA 04 - Bolsistas fazendo as demarcações no heliodon menor No heliodon maior, começou-se verificando as lâmpadas, pois são muitas e algumas delas estavam quebradas ou queimadas. As instalações dos refletores também foram verificadas, pois estavam bambas. Caso isso ficasse assim, haveria grande erro nas sombras produzidas pelas lâmpadas. O posicionamento da mesa na qual a maquete a ser estudada ficará foi feito, quanto ao tamanho e altura, conforme as orientações da Cartilha. Um transferidor de graus para posicionar o heliodon de acordo com a latitude da cidade escolhida também teve que ser feito (figura 05). FIGURA 05 Transferidor de graus Na fase da calibração, um cubo de madeira de 20 cm de lado foi usado como instrumento para o teste. Suas medidas foram usadas para fazer os desenhos das sombras projetadas em diversos horários nos solstícios e equinócios, como exemplifica a figura 06 (PEREIRA, 2000).

8 8 FIGURA 06 Sombras projetadas segundo os princípios da geometria solar para servirem de referência na calibração dos heliodons. Fonte: Pereira, RESULTADOS E DISCUSSÃO O primeiro heliodon a ser calibrado foi o menor. Percebeu-se que as sombras projetadas pelo cubo não estavam de acordo com as sombras desenhadas por geometria solar (figura 07). Isso porque, além da marcação feita das regulações de hora solar na prancheta e dos meses na régua que marca a posição do Sol, percebeu-se também que era necessário que a prancheta estivesse muito bem alinhada e bem aprumada em relação à régua. Qualquer desvio da mesa da prancheta causa um erro bem visível, fazendo com que a sombra do objeto estudado (no caso, o cubo) projetada pelo heliodon saia de forma errada. Depois de alinhar bem a prancheta, ainda foi observado um erro na projeção das sombras, então o próximo passo será verificar se a régua solar está com alguma marcação ou medição errada e, caso positivo, corrigir a Cartilha. Já no heliodon maior, os ajustes ainda estão em processo. A calibração é a próxima etapa.

9 9 FIGURA 07 Erro observado na projeção das sombras, devido à falta de alinhamento correto da prancheta 4 CONCLUSÃO Com esses simuladores solares, as edificações poderão ser projetadas de forma a maximizar o uso benéfico da energia solar e reduzir seus efeitos indesejados, fazendo com que haja maiores níveis de conforto térmico e luminoso nas mesmas, o que vem a ser um fator relevante na construção de edificações mais sustentáveis e eficientes. Os heliodons são também aparelhos muito importantes para desenvolver a visão espacial e melhorar o aprendizado dos alunos do curso de graduação em Arquitetura e Urbanismo quanto à geometria da insolação, oferecendo a possibilidade de se fazer práticas experimentais na elaboração de projetos arquitetônicos. A calibração dos heliodons é um ponto indispensável, pois se houver algum erro nas sombras projetadas, conseqüentemente haverá problemas na construção.

10 10 Após o acerto dos aparelhos, estudantes, pesquisadores e professores poderão usá-los em seus projetos, aplicações nas aulas e nas pesquisas como mais uma ferramenta experimental de trabalho. REFERÊNCIAS FROTA, A. B. Geometria da Insolação. São Paulo: Geros, PEREIRA, I. M. Simulador da Trajetória Solar para Estudo de Insolação e Sombreamento e Simulador de Obstrução da Abóbada Celeste modelagem do Globoestereoscópio fl. Monografia (Iniciação Científica. Orientadora: Eleonora Sad de Assis) Escola de Arquitetura, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, acesso em setembro de acesso em setembro de acesso em setembro de AGRADECIMENTOS Agradecemos a colaboração dos funcionários da Escola de Arquitetura e do estudante Antônio Cândido de Almeida Júnior, que foi também bolsista desse projeto no primeiro ano.