MICHELE MATOS USO DE FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ANÁLISE DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO NATURAL: ESTUDO DE CASO NO PRÉDIO DA ENGENHARIA CIVIL - UFSC

MICHELE MATOS USO DE FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ANÁLISE DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO NATURAL: ESTUDO DE CASO NO PRÉDIO DA ENGENHARIA CIVIL - UFSC FLORIANÓPOLIS 2004

MICHELE MATOS USO DE FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ANÁLISE DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO NATURAL: ESTUDO DE CASO NO PRÉDIO DA ENGENHARIA CIVIL - UFSC Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do grau de Engenheiro Civil no curso de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina. Orientador: Prof. Roberto Lamberts, PhD Co-Orientador: Fernando Simon Westphal, M. Eng. Florianópolis, julho de 2004

MICHELE MATOS USO DE FERRAMENTA COMPUTACIONAL PARA ANÁLISE DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO NATURAL: ESTUDO DE CASO NO PRÉDIO DA ENGENHARIA CIVIL - UFSC Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado como requisito parcial para a obtenção do título de ENGENHEIRO CIVIL Prof. Roberto Lamberts, PhD Orientador Prof. Lia Caetano Bastos Coordenadora de TCC Banca Examinadora: Fernando Simon Westphal, M.Eng. Co-Orientador Prof. Enedir Ghisi, PhD Prof. Fernando Oscar Ruttkay Pereira, PhD

Aos meus pais, por acreditarem nos meus ideais...

AGRADECIMENTOS Aos meus pais João Francisco de Souza Matos e Maria Bernadete José Matos, meus amigos de todos os momentos, pelas demonstrações de amor e carinho recebidas durante esses vinte e três anos. À minha irmã Suelem pela amizade, companheirismo e cumplicidade. Ao Marcos pela paciência e amor. Por tornar os meus dias mais alegres e por estar ao meu lado durante a elaboração deste trabalho. Ao professor Roberto Lamberts pela oportunidade que tive de fazer parte do grupo de pesquisadores do LabEEE e pela orientação deste trabalho de conclusão de curso. Ao amigo Fernando Simon Westphal pelos conselhos dados durante o período de iniciação científica e por tornar a rotina do LabEEE mais divertida; pela atenção dispensada na orientação deste trabalho. Ao professor Enedir Ghisi pelas consultas com relação às medições de iluminância, gramática e formatação. Aos colegas do LabEEE, em especial Deivis Marinoski, Samuel Gosch, Isabel Salamoni e Enedir Ghisi. Aos professores Fernando Oscar Ruttkay Pereira e Enedir Ghisi e ao Eng. Fernando Simon Westphal por aceitarem o convite para participar da banca de avaliação deste trabalho. Aos pesquisadores dos laboratórios GDA e InfoHab pela gentileza e compreensão durante as medições. À professora Henriette Lebre La Rovere por permitir a realização das medições de iluminância nas salas de aula da pós-graduação fora do horário regular. Aos amigos que fiz durante o curso, em especial Rafael Pavei, Cherli Dominghini, Rui Retagi, Fabíola Chirolli, Alexandre Garghetti, Alizeu Schneider,

Marcio Orofino e José Angelo Petit Neto. Pela ajuda, companheirismo e alegria durante as tardes de estudo na BU ou durante as noites em claro que antecediam trabalhos ou provas. Nós vencemos mais uma batalha!... vamos produzir! (FSW)

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1-ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DA PRATELEIRA DE LUZ...9 FIGURA 2-MENU DE FERRAMENTAS DO DESKTOP RADIANCE INSERIDO NO AUTOCAD. 11 FIGURA 3-FLUXOGRAMA DE CRIAÇÃO DO MODELO....12 FIGURA 4-BIBLIOTECAS DISPONÍVEIS NO DESKTOP RADIANCE....13 FIGURA 5-MALHA DE PONTOS SITUADA NO PLANO DE TRABALHO....14 FIGURA 6-PLANILHA DOS RESULTADOS DE ILUMINÂNCIA OBTIDOS ATRAVÉS DA MALHA DE PONTOS....14 FIGURA 7-MAPA DE SITUAÇÃO DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL UFSC...16 FIGURA 8-PLANTA BAIXA DO BLOCO B DO PRÉDIO DA ENGENHARIA CIVIL COM A LOCALIZAÇÃO DOS AMBIENTES SIMULADOS....17 FIGURA 9-METODOLOGIA UTILIZADA NAS MEDIÇÕES DE ILUMINÂNCIA...18 FIGURA 10-VISTA EXTERNA DA SALA DE AULA PPGEC2...22 FIGURA 11 -VISTA INTERNA DA SALA DE AULA PPGEC2....22 FIGURA 12-VISTA EXTERNA DA SALA DE AULA PPGEC3...22 FIGURA 13-VISTA INTERNA DA SALA DE AULA PPGEC3....22 FIGURA 14-VISTA EXTERNA DO INFOHAB....23 FIGURA 15-VISTA INTERNA DA SALA DO INFOHAB....23 FIGURA 16-VISTA EXTERNA DO GDA....23 FIGURA 17-VISTA INTERNA DO GDA....23 FIGURA 18-MALHA DE PONTOS SITUADA NO PLANO DE TRABALHO - PPGEC2...25 FIGURA 19-MALHA DE PONTOS SITUADA NO PLANO DE TRABALHO PPGEC3....25 FIGURA 20-MALHA DE PONTOS SITUADA NO PLANO DE TRABALHO - INFOHAB....26 FIGURA 21-MALHA DE PONTOS SITUADA NO PLANO DE TRABALHO - GDA...26 FIGURA 22-CONDIÇÕES DE CÉU PARA O DIA 15 DE MAIO DE 2004 PPGEC2....27 FIGURA 23-CONDIÇÕES DE CÉU PARA O DIA 15 DE MAIO DE 2004 PPGEC3....27 FIGURA 24-CONDIÇÕES DE CÉU PARA O DIA 27 DE MAIO DE 2004 INFOHAB...27 FIGURA 25- CONDIÇÕES DE CÉU PARA O DIA 27 DE MAIO DE 2004 - GDA...28 FIGURA 26-MODELO 3D DA SALA DE AULA PPGEC2....28 FIGURA 27-MODELO EM TRÊS DIMENSÕES DA SALA DE AULA PPGEC3...29 FIGURA 28-MODELO CRIADO PARA REPRESENTAR O LABORATÓRIO INFOHAB....29 FIGURA 29-MODELO EM TRÊS DIMENSÕES DO LABORATÓRIO GDA...30 FIGURA 30-RENDERIZAÇÃO DA SALA DE AULA PPGEC2 SIMULADA ÀS 14H...32 FIGURA 31-GRÁFICOS COMPARATIVOS ENTRE OS VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA CADA HORÁRIO DE ANÁLISE DA SALA DE AULA PPGEC2....34 FIGURA 32-RENDERIZAÇÃO DA SALA DE AULA PPGEC3 PARA O DIA 15 DE MAIO DE 2004, ÀS 9H...35 i

FIGURA 33-GRÁFICOS COMPARATIVOS ENTRE OS VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA CADA HORÁRIO DE ANÁLISE...37 FIGURA 34-RENDERIZAÇÃO DO LABORATÓRIO INFOHAB NO PROGRAMA DESKTOP RADIANCE ÀS 9H DO DIA 27 DE MAIO DE 2004...38 FIGURA 35-GRÁFICOS COMPARATIVOS ENTRE OS VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA CADA HORÁRIO DE ANÁLISE DO LABORATÓRIO INFOHAB...40 FIGURA 36-RENDERIZAÇÃO DO LABORATÓRIO GDA NO PROGRAMA DESKTOP RADIANCE ÀS 9H DO DIA 27 DE MAIO DE 2004...41 FIGURA 37- GRÁFICOS COMPARATIVOS ENTRE OS VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA CADA HORÁRIO DE ANÁLISE DO LABORATÓRIO GDA...43 FIGURA 38-GRÁFICOS DAS DIFERENÇAS PERCENTUAIS NA ILUMINÂNCIA COMPARANDO-SE O CASO BASE COM AS ALTERNATIVAS. ALTERNATIVA 1 À ESQUERDA E ALTERNATIVA 2 À DIREITA. FACHADA NOROESTE....46 FIGURA 39-GRÁFICOS DAS DIFERENÇAS PERCENTUAIS NA ILUMINÂNCIA COMPARANDO-SE O CASO BASE COM AS ALTERNATIVAS. ALTERNATIVA 1 À ESQUERDA E ALTERNATIVA 2 À DIREITA. FACHADA SUDESTE...48 FIGURA 40-GRÁFICOS DAS DIFERENÇAS PERCENTUAIS NA ILUMINÂNCIA COMPARANDO-SE O CASO BASE COM AS ALTERNATIVAS. ALTERNATIVA 1 À ESQUERDA E ALTERNATIVA 2 À DIREITA. FACHADA NORDESTE....50 FIGURA 41-GRÁFICOS DAS DIFERENÇAS PERCENTUAIS NA ILUMINÂNCIA COMPARANDO-SE O CASO BASE COM AS ALTERNATIVAS. ALTERNATIVA 1 À ESQUERDA E ALTERNATIVA 2 À DIREITA. FACHADA SUDOESTE...52 ii

LISTA DE TABELAS TABELA 1-VALORES DE ILUMINÂNCIA RECOMENDADOS PELA NBR 5413....6 TABELA 2-QUANTIDADE MÍNIMA DE PONTOS A SER MEDIDA EM FUNÇÃO DO ÍNDICE DE AMBIENTE (K)....19 TABELA 3-ORIENTAÇÕES DAS FACHADAS DO BLOCO B MEDIDAS IN LOCO...20 TABELA 4-CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DOS AMBIENTES SIMULADOS....23 TABELA 5-CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS SUPERFÍCIES DOS AMBIENTES ESCOLHIDOS...24 TABELA 6-VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA A SALA DE AULA PPGEC2....61 TABELA 7-VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA A SALA DE AULA PPGEC3....62 TABELA 8-VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA O LABORATÓRIO INFOHAB...63 TABELA 9-VALORES DE ILUMINÂNCIA MEDIDOS E SIMULADOS PARA O LABORATÓRIO GDA...64 TABELA 10-VALORES DE ILUMINÂNCIA OBTIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES PARA AS ALTERNATIVAS PROPOSTAS - SALA DE AULA PPGEC2. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA NOROESTE...66 TABELA 11- DIFERENÇAS PERCENTUAIS DE ILUMINÂNCIA COM RELAÇÃO AO CASO BASE. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA NOROESTE...67 TABELA 12-VALORES DE ILUMINÂNCIA OBTIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES PARA AS ALTERNATIVAS PROPOSTAS - SALA DE AULA PPGEC3. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA SUDESTE....68 TABELA 13-DIFERENÇAS PERCENTUAIS DE ILUMINÂNCIA COM RELAÇÃO AO CASO BASE. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA SUDESTE...69 TABELA 14-VALORES DE ILUMINÂNCIA OBTIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES PARA AS ALTERNATIVAS PROPOSTAS LABORATÓRIO INFOHAB. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA NORDESTE...70 TABELA 15 DIFERENÇAS PERCENTUAIS DE ILUMINÂNCIA COM RELAÇÃO AO CASO BASE. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA NORDESTE...71 TABELA 16 VALORES DE ILUMINÂNCIA OBTIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES PARA AS ALTERNATIVAS PROPOSTAS LABORATÓRIO GDA. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA SUDOESTE....72 iii

TABELA 17 DIFERENÇAS PERCENTUAIS DE ILUMINÂNCIA COM RELAÇÃO AO CASO BASE. À ESQUERDA SUPERFÍCIE BRANCA, À DIREITA SUPERFÍCIE ALUMINIZADA FACHADA SUDOESTE...73 iv

SUMÁRIO RESUMO... vii 1 INTRODUÇÃO... 1 1.1 JUSTIFICATIVAS... 1 1.2 OBJETIVOS... 3 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO... 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 5 2.1 INTRODUÇÃO... 5 2.2 CONCEITOS... 6 2.2.1 Iluminância (E)... 6 2.2.2 Luminância (L)... 6 2.2.3 Refletância (ρ)... 7 2.2.4 Superfície Especular... 7 2.2.5 Contraste... 7 2.2.6 Ofuscamento... 7 2.2.7 Condições de céu... 8 2.3 A ILUMINAÇÃO NATURAL... 8 2.3.1 Sistemas de Iluminação Natural... 8 2.3.1.1 Aberturas laterais... 8 2.3.1.2 Aberturas zenitais... 9 2.3.1.3 Elementos de controle... 9 2.4 A UTILIZAÇÃO DE PROGRAMAS PARA ANÁLISE DE AMBIENTES... 10 2.5 MODELAGEM DE AMBIENTES NO DESKTOP RADIANCE... 11 3 METODOLOGIA... 15 3.1 INTRODUÇÃO... 15 3.2 ESCOLHA DOS AMBIENTES... 15 3.3 MEDIÇÕES DE ILUMINÂNCIA... 17 3.3.1 Cálculo da malha de pontos... 18 3.3.2 Refletância das superfícies internas... 19 3.4 CONDIÇÕES DO CÉU... 19 3.5 MODELAGEM DOS AMBIENTES... 19 3.6 CALIBRAÇÃO DOS MODELOS... 20 3.7 ANÁLISE DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO NATURAL DO PRÉDIO... 21 4 RESULTADOS... 22 4.1 DESCRIÇÃO DOS AMBIENTES... 22 4.2 MEDIÇÕES DE ILUMINÂNCIA... 24 4.3 CONDIÇÕES DO CÉU... 27 4.4 MODELAGEM DOS AMBIENTES... 28 4.5 CALIBRAÇÃO DOS MODELOS... 31 v

4.5.1 Fachada com Orientação Noroeste... 31 4.5.2 Fachada com Orientação Sudeste... 35 4.5.3 Fachada com Orientação Nordeste... 38 4.5.4 Fachada com Orientação Sudoeste... 41 4.6 ALTERNATIVAS ANALISADAS... 44 4.6.1 Fachada com Orientação Noroeste PPGEC2... 45 4.6.2 Fachada com Orientação Sudeste PPGEC3... 47 4.6.3 Fachada com Orientação Nordeste InfoHab... 49 4.6.4 Fachada com Orientação Sudoeste GDA... 51 4.6.5 Resumo das Alternativas Simuladas... 53 5 CONCLUSÕES... 54 5.1 CONCLUSÕES GERAIS... 54 5.2 CALIBRAÇÃO DOS MODELOS... 54 5.3 ALTERNATIVAS ANALISADAS... 56 5.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 56 REFERÊNCIAS... 57 APÊNDICE A... 60 APÊNDICE B... 65 vi

RESUMO Este trabalho trata do uso do programa Desktop Radiance como ferramenta de análise de sistemas de iluminação natural. O estudo de caso ocorreu no bloco B do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina. Na edificação foram adotados conceitos de eficiência energética, como a utilização de prateleiras de luz e sistema de iluminação artificial eficiente. Uma sala de cada orientação do prédio foi simulada. Para cada ambiente foram contempladas 3 situações: o caso atual; considerando-se a superfície das prateleiras de luz branca; e considerando-as aluminizadas. Para calibrar os modelos, as condições de iluminação natural foram simuladas em diferentes horários para um dia do mês de maio e os resultados de iluminância comparados com os valores obtidos a partir das medições in-loco com luxímetros portáteis para esse mesmo dia. Para a fachada com orientação noroeste as curvas dos valores medidos e simulados seguiram a mesma tendência até os horários em que se observou a presença de radiação solar direta. A diferença maior entre os valores medidos e simulados para a fachada com orientação sudeste ocorreu nos pontos próximos às aberturas. No ambiente que representa a fachada de orientação nordeste, a presença de radiação solar direta dificultou a comparação entre os dados de iluminância. No ambiente que representa a fachada sudeste, registrou-se novamente uma diferença maior nos pontos próximos às aberturas. A diferença entre os resultados obtidos através da simulação e os valores medidos in loco pode ser atribuída à modelagem estimada das características dos materiais, a imprecisões ocorridas durante as medições dos níveis de iluminação, ao tipo de céu e à modelagem do entorno. A pintura da superfície da prateleira de luz na cor branca mostrou-se mais adequada para os ambientes de orientação noroeste e nordeste. A utilização de superfície de alumínio é sugerida para o ambiente com orientação sudeste e proporciona níveis maiores de iluminância para o ambiente com orientação sudoeste. vii

Introdução 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 JUSTIFICATIVAS No início do ano 2000, prevendo o risco de falha no abastecimento de energia elétrica do país, o governo federal determinou a redução no consumo de energia no setor público. Em 6 de janeiro de 2000, o Presidente da República, Fernando Henrique Cardoso, através do decreto n o 3.330 (BRASIL, 2000), determinou que os prédios públicos da Administração Pública Federal deveriam reduzir em 20%, até 31 de dezembro de 2002, o seu consumo de energia elétrica, para fins de iluminação, refrigeração e arquitetura ambiental, tendo como referência, a média do consumo de 1998. Mais tarde, em 15 de maio de 2001, o decreto n o 3.818 (BRASIL, 2001), determina uma redução no consumo de energia elétrica, até março de 2002, tendo como referência o mesmo mês do ano anterior, em no mínimo: I 15% no mês de maio de 2001 II 25% no mês de junho de 2001 III 35% no mês de julho de 2001 Em 17 de outubro de 2001 o Congresso Nacional decreta através da Lei n o 10.295, que o Poder Executivo deveria estabelecer níveis máximos de consumo específico de energia, ou mínimos de eficiência energética, para máquinas e aparelhos consumidores de energia fabricados ou comercializados no país incluindo edificações a serem construídas. Seriam adotados indicadores técnicos pertinentes, sendo previamente ouvidas em audiência pública, as entidades representativas de fabricantes e importadores de máquinas e aparelhos consumidores de energia, projetistas e construtores de edificações, consumidores, instituições de ensino e pesquisa e demais entidades interessadas (BRASIL, 2001). Como a Universidade Federal de Santa Catarina é um órgão da Administração Pública, deveria ter o consumo de energia elétrica reduzido. Dessa forma, em 2001 foi instaurado no Campus Universitário, o PRUEN, Programa de Racionalização do Uso

Introdução 2 de Energia Elétrica na UFSC. Esse programa tem por objetivo a redução do consumo e gastos com energia elétrica na UFSC, buscando alternativas e soluções viáveis. O artigo 1 o do decreto n o 4.131, de 14 de fevereiro de 2002 (BRASIL, 2002), determina que os orgãos da Administração Pública Federal devem reduzir o consumo de energia elétrica em 17,5%, a partir de fevereiro de 2002 com base na média do consumo mensal, tendo por referência o mesmo mês do ano 2000. Como resultado do PRUEN, especificações técnicas para o sistema de iluminação foram propostas ao Conselho Universitário e aprovadas como resolução da UFSC para a especificação de compra de equipamentos de iluminação em licitações. Atendendo ao artigo 3 o do decreto n o 4.131 (BRASIL, 2002), que determina que na aquisição de materiais e equipamentos ou contratação de obras e serviços deverão ser adotadas especificações que atendam aos requisitos inerentes à eficiência energética, a contratação de novos projetos prevê: a utilização de luminária com refletores de alumínio de alta pureza, 2 lâmpadas de 32 W e reator com alto fator de potência; setorização dos circuitos elétricos permitindo o aproveitamento da iluminação natural; e a adequação dos níveis de iluminação para 300lux nas salas de aula e 400lux nas salas administrativas e de professores, ao final do período de manutenção de 24 meses. Foram propostas também recomendações para a compra de novos aparelhos de condicionamento de ar para o campus, seguindo os padrões de eficiência recomendados pelo PROCEL. Essas recomendações estão disponíveis na página do LabEEE, Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (www.labeee.ufsc.br). Antes mesmo da instauração do PRUEN na UFSC, os prédios da Engenharia Civil foram construídos de forma a promover o uso eficiente de energia elétrica. Nesses prédios, foi instalado um sistema central de condicionamento de ar, proteções solares nas janelas, aproveitamento da iluminação natural através de prateleiras de luz e sistema de iluminação artificial composto por lâmpadas T8 de 32W, luminárias com refletor de alumínio de alta pureza e reatores com alto fator de potência. Através de simulações energéticas utilizando o programa VisualDOE, LEE et al. (2001) verificaram que os conceitos de eficiência energética adotados nos 2 novos prédios da Engenharia Civil, da UFSC, proporcionam uma economia equivalente a

Introdução 3 24% do consumo anual de energia elétrica desses prédios. Já a redução obtida na demanda representa 64% do valor máximo registrado durante o ano. Em relação ao consumo dos dois sistemas afetados pelas medidas de conservação de energia elétrica (iluminação e condicionamento de ar), a economia obtida equivale a 38%. Atualmente, a procura por melhores soluções arquitetônicas e elétricas para edificações é muitas vezes viabilizada através do uso de programas computacionais que permitem a simulação de diversas situações. A escolha de um sistema condicionador de ar eficiente, de lâmpadas e luminárias de alto rendimento; o projeto de proteções solares e até mesmo a análise das contas de energia elétrica de uma edificação torna-se muito mais fácil e eficaz através do uso de programas computacionais. O Radiance, desenvolvido para rodar em plataforma UNIX, é um pacote de ferramentas para auxiliar na análise e visualização de projetos de sistemas de iluminação, sejam eles naturais ou artificiais. A partir da descrição geométrica do ambiente, dos materiais, luminárias e lâmpadas e da definição da data, hora do dia e tipo de céu, o programa simula as condições de luz natural e artificial no ambiente. O Desktop Radiance é uma interface gráfica do Radiance para o sistema operacional Windows, que se utiliza de menus na própria barra de ferramentas do programa AutoCAD para incluir luminárias, lâmpadas, materiais nas superfícies e diversos objetos no ambiente desenhado em 3 dimensões. O programa Desktop Radiance, versão 2.0 beta, desenvolvido no Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), na Califórnia, é distribuído gratuitamente pela internet (http://radsite.lbl.gov/deskrad/). 1.2 OBJETIVOS O objetivo principal deste estudo é simular o sistema de iluminação natural do prédio da Engenharia Civil através do programa Desktop Radiance. Como objetivos específicos, pretende-se: a) calibrar os modelos através de medições de iluminância em ambientes reais;

Introdução 4 b) avaliar a contribuição de duas alternativas propostas para aumentar os níveis de iluminação natural dos ambientes. 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO Este primeiro capítulo apresentou uma introdução que situa o trabalho no cenário da crise energética do país, algumas soluções encontradas no campus universitário da UFSC para a redução do consumo de energia elétrica, além do uso das simulações computacionais na busca por melhores soluções arquitetônicas e de eficiência energética. O segundo capítulo apresenta uma revisão bibliográfica sobre o tema do trabalho, citando alguns conceitos fundamentais ao entendimento do mesmo. Descreve aspectos relativos à iluminação natural, como condições de céu e sistemas de iluminação natural. Mostra os programas mais utilizados na análise da iluminação de ambientes com atenção ao programa Desktop Radiance, utilizado nas simulações. A metodologia de trabalho consta do terceiro capítulo. Nele são apresentadas as razões para a escolha dos ambientes, os passos necessários para a construção dos modelos no Desktop Radiance, de que forma se deram as medições de iluminância nos ambientes escolhidos e a validação do programa para análise do sistema de iluminação natural do prédio da Engenharia Civil. No quarto capítulo os resultados são expostos, através da descrição dos ambientes escolhidos, da validação dos modelos e por fim, são apresentadas as simulações paramétricas das alternativas que visam aumentar a contribuição de luz natural nos ambientes. As conclusões com relação ao estudo desenvolvido são apresentadas no quinto capítulo, bem como a sugestão para trabalhos futuros.

Revisão Bibliográfica 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 INTRODUÇÃO Com a recente crise energética no país e escassez dos recursos naturais é cada vez mais importante buscar alternativas eficientes do ponto de vista energético. As simulações computacionais são excelentes ferramentas de projeto, que aliadas à utilização de equipamentos eficientes contribuem, não apenas para a economia de energia, mas também, para o conforto do usuário. Segundo Lamberts et al. (1997) um bom projeto de iluminação deve garantir às pessoas a possibilidade de executar atividades visuais com o máximo de precisão e segurança e com o menor esforço. As tarefas com maiores exigências visuais devem se localizar em regiões próximas das janelas, onde a iluminação natural é maior, o que trará uma otimização do uso da luz natural, que deve ser complementada com o controle da luminância da janela e da incidência da radiação solar direta. Esta estratégia pode significar uma redução de até 50% no consumo de energia elétrica (ABILUX, 1992). Quando os níveis de iluminação natural não atingem os valores exigidos para a atividade exercida deve-se utilizar a iluminação artificial, considerando-se conceitos de eficiência energética, para que sejam utilizados os componentes adequados, em quantidade e qualidade satisfatórias. A iluminação artificial deve ser apenas complementar à natural durante o dia, o que sugere a separação dos circuitos de acendimento das luminárias paralelas às janelas. A utilização de iluminação de tarefa, ou seja, níveis de iluminação diferenciados para regiões específicas do ambiente, é obtida através de uma análise da distribuição das tarefas visuais no local, identificando-se a necessidade de prover uma iluminação alta em toda a superfície de trabalho ou em algumas partes do ambiente. A NBR-5413 (ABNT,1991) recomenda níveis de iluminância mínimo, médio e máximo para desempenhar determinadas atividades. Os valores de iluminância podem ser observados na Tabela 1. Os níveis mínimos e máximos devem ser adotados segundo critérios como: idade das pessoas, nível de precisão exigida para a tarefa e contraste no plano de trabalho.

Revisão Bibliográfica 6 Tabela 1-Valores de iluminância recomendados pela NBR 5413. Tipo de atividade Trabalhos não contínuos ou de transição como, circulação, sanitário, dormitório, depósito, saguão, sala de espera, etc. Trabalhos simplificados com requisitos visuais limitados como: sala de controle, sala de aula, arquivo, indústria, etc. Valores de iluminância (lux) mínimo médio máximo 100 150 200 200 300 500 Tarefa realizada continuamente com requisitos visuais normais como escritórios, bancos, bibliotecas, lojas, etc. Situação onde se exige visualização de detalhes como em exposição em vitrine ou display, desenho, etc. 300 500 750 750 1000 1500 2.2 CONCEITOS A seguir serão descritas algumas grandezas fotométricas e termos pertinentes ao trabalho de pesquisa desenvolvido. 2.2.1 Iluminância (E) O termo iluminância, também conhecido como nível de iluminação, indica a quantidade de luz (lumens - lm) por unidade de área (m²) que chega em um determinado ponto. O nível de iluminação pode ser medido, porém não visto. O que é percebido são as diferenças na reflexão da luz incidente. Sua unidade é o lux, ou lm/m² (PHILIPS, 1996). 2.2.2 Luminância (L) Luminância é definida por IESNA (1995) como o coeficiente do fluxo luminoso num elemento da superfície ao redor de um ponto, e propagado nas direções definidas por um cone elementar que contém a direção dada pelo produto do ângulo sólido e a área da projeção ortogonal do elemento da superfície num plano perpendicular para a direção dada. Segundo PHILIPS (1996), luminância denota a intensidade por metro quadrado de área aparente da fonte de luz ou de uma superfície iluminada (cd/m²). Quando as

Revisão Bibliográfica 7 superfícies são iluminadas, a luminância é dependente tanto do nível de iluminação quanto das características de reflexão da própria superfície. 2.2.3 Refletância (ρ) A refletância de uma superfície pode ser definida como a razão entre o fluxo luminoso refletido por essa superfície e o fluxo incidente sobre a mesma (IESNA, 1995). 2.2.4 Superfície Especular É aquela na qual a reflexão é predominantemente regular. A reflexão (especular) regular é o processo pelo qual o fluxo incidente é redirecionado pelo ângulo especular. Ângulo especular é o angulo entre a normal à superfície e o raio refletido; é numericamnete igual ao ângulo de incidência e é coplanar com o raio incidente e a normal, mas do lado oposto da normal à superfície (IESNA, 1995). O coeficiente de especularidade indica quão polida é a superfície. O espelho ideal tem coeficiente de especularidade infinito. 2.2.5 Contraste O contraste é definido por IESNA (1995) como a relação entre a luminância de um objeto e o seu entorno imediato. Segundo Pereira e Souza (2000), por ser uma medida relativa, a percepção do contraste também é relativa. Desse modo, um objeto pode parecer mais ou menos brilhante dependendo do brilho do seu entorno. 2.2.6 Ofuscamento Segundo IESNA (1995), ofuscamento é a sensação produzida pela luminância com o campo visual que é suficientemente maior que a luminância a qual os olhos estão adaptados para causar incômodo, desconforto ou perda na performance visual e visibilidade. A magnitude da sensação de ofuscamento depende de alguns fatores como o tamanho, posição e luminância de uma fonte, o número de fontes e a luminância a qual os olhos estão adaptados.

Revisão Bibliográfica 8 2.2.7 Condições de céu Os tipos de céu são divididos em três categorias: céu claro, parcialmente nublado e nublado. O céu claro possui menos de 30% de nuvens e o céu nublado possui mais de 70% de nuvens. Quando o céu não está completamente encoberto, a distribuição da luminância pode mudar rapidamente devido a períodos em que o sol está alternadamente obstruído, parcialmente obstruído ou totalmente desobstruído (IESNA, 1995). O programa Desktop Radiance disponibiliza ao usuário quatro modelos de céu: claro, parcialmente encoberto, encoberto e uniforme. 2.3 A ILUMINAÇÃO NATURAL O problema mais crítico no que se refere à iluminação natural é a utilização dos edifícios modernos, quando se prevê a presença de grande número de pessoas realizando tarefas visuais de diferentes exigências ao mesmo tempo. Tamanho, forma, posição e proteção das aberturas, profundidade do local, altura do forro e decoração das superfícies internas estão intimamente relacionadas com a qualidade de iluminação. São também significativas as proporções do ambiente, a disposição interna dos ambientes do edifício (em relação aos espaços abertos e de circulação) e o uso que se faz do espaço disponível no terreno. Aberturas iluminantes corretamente dimensionadas, protegidas da radiação solar direta e mantidas em boas condições de uso, são fontes de luz eficientes e econômicas. 2.3.1 Sistemas de Iluminação Natural 2.3.1.1 Aberturas laterais As aberturas laterais são as mais utilizadas, proporcionando além de iluminação, ventilação e contato visual com o exterior. As aberturas unilaterais proporcionam níveis de iluminação irregulares, decrescendo à medida que o afastamento com relação às aberturas aumenta. Segundo IESNA (1995), para evitar grandes escalas de iluminância, a distância da parede com aberturas até a parede interna deve ser limitada a duas vezes a altura principal da janela com vidro claro.

Revisão Bibliográfica 9 Ainda segundo IESNA (1995), as aberturas bilaterais permitem a duplicação da largura possível do ambiente com sistema unilateral O segundo conjunto de janelas pode ocupar a parte mais alta da parede, o que reduz o risco de ofuscamento. 2.3.1.2 Aberturas zenitais As aberturas zenitais permitem a entrada de luz através das superfícies horizontais. Deve-se associar a iluminação natural desse tipo de abertura ao ganho de calor, já que as superfícies horizontais estão sujeitas a níveis de radiação solar direta mais elevados do que as verticais. 2.3.1.3 Elementos de controle Os elementos de controle têm a função de manipular a entrada de radiação solar direta nos ambientes, influenciando nos níveis de iluminação, no ganho de calor e no contato visual com o exterior. Os elementos de controle podem ser fixos ou móveis. Os brises horizontais impedem a entrada dos raios solares através da abertura a partir do ângulo de altitude solar e os brises verticais a partir do ângulo de azimute solar. Os brises mistos são a composição de brises verticais e horizontais. As prateleiras de luz ou light shelves, assim como os brises, impedem a entrada de radiação solar no ambiente nos horários desejados. Porém, a prateleira de luz serve como um elemento para a reflexão dos raios solares para o interior do ambiente. A luz é refletida e atinge o teto onde é distribuída ao ambiente proporcionando uma iluminação mais uniforme, tornando-o mais agradável (Figura 1). Prateleira de Luz Figura 1-Esquema de funcionamento da prateleira de luz.

Revisão Bibliográfica 10 Os elementos de controle móveis cortinas, persianas, venezianas e brises - são utilizados quando necessita-se de uma maior flexibilidade no controle da radiação solar direta. As cortinas, persianas e venezianas são mais utilizadas em residências. 2.4 A UTILIZAÇÃO DE PROGRAMAS PARA ANÁLISE DE AMBIENTES A realidade virtual criada por computadores e programas específicos facilita amplamente os complicados cálculos de iluminação. Além de proporcionar a obtenção de uma iluminação correta para o desempenho de tarefas, utiliza a luz para a criação de ambientes, valorizando a arquitetura e o bem-estar das pessoas. A simulação de iluminação natural propicia a visualização dos efeitos da entrada de luz difusa e direta em ambientes internos ao longo do ano em um processo relativamente rápido, que permite a verificação da adequação do dimensionamento e localização de aberturas, os efeitos do uso de materiais, texturas e cores na iluminância e na distribuição de luz nos ambientes (SOUZA et al., 2001). Atualmente existem vários programas no mercado de simulações. O Desktop Radiance, utilizado nessa pesquisa, desenvolvido no Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), (Califórnia, Estados Unidos) destina-se a computar iluminância horizontal através de uma malha de pontos arbitrariamente orientada, ou gerar uma imagem renderizada de um espaço que possa ser examinado quanto à iluminância ou luminância de qualquer superfície na perspectiva renderizada do espaço em questão (LBNL, 2002). O Desktop Radiance é a interface do Radiance para o sistema operacional Windows. O Radiance é um sistema de programas de traçado de raios (ray-tracing) altamente preciso que roda em plataforma UNIX e é uma das mais poderosas ferramentas de análise de iluminação natural e artificial disponíveis atualmente, na qual pode-se simular qualquer tipo de geometria, bem como superfícies não difusas. Os arquivos de entrada especificam a geometria do ambiente, materiais, luminárias, hora, data e condições do céu (para cálculos de iluminação natural). Os valores calculados incluem radiação espectral (luminância+ cor), irradiância (iluminância +