I CONFERÊNCIA LATINO-AMERICANA DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL X ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO 18-21 julho 2004, São Paulo. ISBN 85-89478-08-4. VISUALIZAÇÃO ANALÓGICA DA VENTILAÇÃO NATURAL PELA AÇÃO DO VENTO EM EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS NA MESA D ÁGUA RESUMO TOLEDO, Alexandre Márcio (1); PEREIRA, Fernando Oscar Ruttkay (2) (1) GECA/ARQ/ CTEC/ UFAL, Doutorando em Eng. Civil (PPGEC/ UFSC) e-mail: altoledo@terra.com.br (2) LabCon/ARQ/CTC/UFSC CP 476, 88040-900 Florianópolis/SC, Tel: 48-331-7080. e-mail: feco@arq.ufsc.br A ventilação natural dos edifícios pela ação do vento possibilita o conforto térmico natural em clima quente e úmido com baixo custo energético. O comportamento qualitativo e quantitativo da ventilação natural pode ser observado por meio de simulação computacional. O problema é que os CFDs ainda são pouco acessíveis e de difícil utilização pelos arquitetos; por outro lado, os métodos de visualização de escoamentos hidráulicos podem-se constituir em alternativa viável para esse fim, devido ao seu baixo custo e fácil operacionalidade. O nosso objetivo no presente artigo é apresentar trabalhos realizados com modelos reduzidos de edifícios residenciais no equipamento mesa d'água do LabCon/UFSC, por meio do método do traçador e da técnica de injeção direta Constata-se que o equipamento permite a visualização instantânea do escoamento no exterior e interior dos edifícios, bem como a clara definição das aberturas que funcionam como entrada e saída; e que o registro fotográfico facilita a análise posterior do comportamento do escoamento. Conclui-se que, apesar de a visualização de escoamento em meio líquido se caracterizar como modelo físico analógico e só permitir a análise bidimensional e qualitativa da ventilação natural em edifícios, ela é uma importante ferramenta didática e de seleção de soluções de projeto. Palavras-chave: ventilação natural de edifícios, visualização analógica de escoamento, mesa d água. 1. INTRODUÇÃO A ventilação natural dos edifícios pela ação do vento é de fundamental importância para possibilitar o conforto térmico natural dos usuários, com baixo custo energético, em clima quente e úmido ou na estação quente dos climas compostos climas esses que abrangem a maior parte do território do Brasil. Para a seleção de alternativas de projeto que visem o melhor aproveitamento da ventilação natural, torna-se necessário o conhecimento do regime de ventos do local e do comportamento do escoamento do ar pelo exterior e interior do(s) edifícios(s). O conhecimento do regime de ventos local é importante para determinação das direções, freqüências e velocidades mensais, sazonais e anuais, a fim de se estabelecer os padrões e as situações desejáveis para o seu pleno aproveitamento, mediante o comportamento das temperaturas do ar, Além disso, poderá permitir a seleção das melhores orientações de fachada para a captação dos ventos desejáveis. O regime de ventos do local pode ser conhecido por meio de dados de estações meteorológicas, apesar das dificuldades de obtenção dos mesmos, haja vista que essas informações são geralmente coletadas, tratadas e vendidas pelo INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), amparado pela Portaria n 717 de 07/11/1995, e os dados do Projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) do INPE (Instituto Nacional de Pesquisa Espacial), além de não terem sido ainda disponibilizados, não abrangem todo o território brasileiro, mas apenas aquelas localidades que apresentam potencial para o aproveitamento de energia eólica. O conhecimento dinâmico do comportamento do escoamento do ar no exterior e interior do edifício é
importante para se verificar a influência do entorno natural e construído e para se selecionar as melhores geometrias construtivas (tipologias), bem como para se checar a adequação dos componentes construtivos do edifício (beirais, captadores, aberturas, etc.). Apesar da dificuldade de se prever o comportamento do escoamento em edifícios de forma ou compartimentação interior mais complexa. O comportamento do escoamento do ar pode ser observado por meio de Programas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFDs Computational Fluid Dynamics), os quais permitem a avaliação qualitativa e quantitativa do fenômeno. O problema é que os CFDs ainda são pouco acessíveis e de difícil utilização pelos arquitetos e projetistas, por exigirem alto investimento inicial e conhecimentos específicos de modelagem computacional, além de implicarem elevado tempo de processamento dos dados (ETHERIDGE E SANDBERG, 1996). Por outro lado, os métodos e técnicas tradicionais de visualização de escoamentos hidráulicos, apesar de se constituírem em modelo analógico entendido como aquele que, por não reproduzir as características físicas do sistema real, faz uso de sistema físico análogo (PEREIRA E BITTENCOURT, 1996), podem se apresentar como alternativa viável para esse fim, devido ao seu baixo custo e fácil operacionalidade, apesar de pouco utilizados e, em parte, superados pelo desenvolvimento progressivo dos CFDs. O nosso objetivo no presente artigo é apresentar dois trabalhos realizados com modelos reduzidos de edifícios residenciais, no equipamento mesa d'água do Laboratório de Conforto Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina (LabCon/UFSC), por meio do método do traçador e da técnica de injeção direta. Os trabalhos foram desenvolvidos pelos alunos da disciplina Conforto Ambiental do curso de graduação em arquitetura e urbanismo, no primeiro semestre de 2003. 2. EQUIPAMENTOS HIDRÁULICOS TRADICIONAIS Os equipamentos hidráulicos tradicionais, encontrados em laboratórios especializados e utilizados para a quantificação e visualização dos efeitos do escoamento de fluidos em meio líquido, são os túneis, os tanques e os canais. Os túneis e tanques possibilitam a passagem da água através de caixas fechadas e permitem a visualização tridimensional do escoamento. Já os canais, os quais podem ser paralelos, convergentes e divergentes (SHINA et al., 1977), possibilitam a passagem da água através de canais abertos, entretanto, só permitem a visualização bidimensional do escoamento. As mesas d água pertencem ao grupo dos canais e apresentam placa horizontal ou vertical, sendo que essas últimas também podem ser chamadas de paredes d água (OMS et al., 1997), conforme figura 1. Mesa d água horizontal do LabTERMO/UFSC Figura 1 Mesa d água Horizontal e Vertical Mesa d água vertical do Carnegie Science Center Apesar de os equipamentos hidráulicos serem bastante utilizados para outros fins, sobretudo na Engenharia Mecânica, ainda são pouco explorados para a visualização analógica da ventilação natural no exterior e interior de edifícios, por meio de modelos em escala reduzida em meio líquido, apesar da
constatação de que os efeitos visuais como desvio do fluxo, formação de vórtices e esteiras serem muito semelhantes aos verificados em experimentos aerodinâmicos (BLESSMANN, 1990). Straaten (1967) verificou a similaridade de resultados entre experimentos realizados em túnel bidimensional de água com bolinhas de poliestireno e em túnel de vento com fumaça, e constatou que os efeitos de turbulência são melhores representados no túnel d água que nos túneis de vento tradicionais; ressaltou ainda a importância dos estudos visuais não apenas para pesquisadores, mas, sobretudo, para arquitetos e projetistas, como ferramenta auxiliar para se comparar as diferentes alternativas de projeto. Berte e Frota (2002) utilizaram micro-bolhas de hidrogênio, em tanque d água, para visualizar a flutuabilidade do ar (por efeito das diferenças de temperatura) com modelo reduzido de um átrio de um edifício. Constataram que o efeito visual produzido é muito semelhante ao que acontece na realidade e que o método permite uma boa observação qualitativa. Baturin (1976) constatou que a observação do escoamento é muito mais fácil na água do que no ar e, para esse fim, podem ser utilizadas mesas hidráulicas por meio da injeção direta de partículas (pó de licopódio ou de alumínio, além de tinturas) na água, cuja velocidade máxima de trabalho recomendada é de 23,4 cm/s (0,234 m/s). A mesa hidráulica do Instituto para Proteção do Trabalho de Moscou, apresentada por Baturin, é do tipo canal contínuo (único plano) em circuito de água aberto, ou seja, há renovação da água durante os experimentos e recuperação das partículas por meio de filtros. Altafini (1980) constatou que escoamentos a altas velocidades de ar são facilmente reproduzidos no escoamento análogo de água a baixas velocidades para o mesmo Número de Reynolds e escala do modelo, a velocidade na água é 1/15 da velocidade do ar (MERZKIRCH, 1987), os quais apresentam semelhança qualitativa; e que o procedimento é pouco dispendioso e bastante conveniente para a avaliação qualitativa do escoamento. A mesa d água utilizada por Altafini no LabTERMO/UFSC é do tipo canal descontínuo (com reservatórios montante e jusante) e em circuito de água fechado, ou seja, não há renovação da água durante os experimentos. 3. MÉTODOS E TÉCNICAS DE VISUALIZAÇÃO DE ESCOAMENTOS Nas décadas de 1960 e 1970, houve um grande interesse pelos métodos físicos de visualização de escoamentos, o que, conseqüentemente, propiciou o desenvolvimento de várias técnicas experimentais. Esses métodos, apesar de não serem mais utilizados nos experimentos em ventilação natural dos edifícios, ainda são largamente aplicados em outras áreas (TANIDA, 1992), devido ao baixo custo operacional e da possibilidade de visualização instantânea e dinâmica do escoamento. A visualização da direção e do contorno do escoamento é realizada mediante a distinção entre linhas de corrente (streamlines), linhas de partículas correlatas ou linhas de emissão (filament lines ou streaklines) e trajetória de partículas (particles path ou trajetory). Linha de corrente é entendida como uma linha tal que a direção da tangente em qualquer ponto coincide com o vetor velocidade correspondente a esse momento dado; uma linha de partículas correlatas é a linha que une todas as partículas que passaram por um ponto determinado, em um dado momento; e trajetória de partículas é o caminho seguido por uma só partícula (BATURIN, 1976; MERZKIRCH, 1987). O conceito de linha de corrente é básico para descrição de um escoamento no método de Euler e o de trajetória de partículas, no método de Lagrange. Linhas de corrente e trajetórias coincidem em escoamentos permanentes, porém são distintas em escoamentos variáveis (BLESSMANN, 1990). Os principais métodos e técnicas de visualização de escoamento de fluidos utilizados são o método do traçador (tracer method), por meio das técnicas de injeção direta do indicador no fluido, reação química e controle elétrico; o método do tufo (tuft method), por meio das técnicas de superfície, profundidade e malha; e o método óptico (optical method), por meio das técnicas de sombra, Schlieren, interferometria e halografia. O método do traçador e a técnica de injeção direta são os mais adequados para experimentos analógicos com ventilação natural de edifícios, em meio líquido, por utilizarem baixas velocidades de escoamento (até 2 m/s), as quais são mais adequadas para escoamentos incompressíveis. Os indicadores que podem ser utilizados em meio líquido, para a visualização de linhas extensas ou grandes áreas contínuas, são as tinturas, pigmentos, óleos, leite, bolhas de sabão e partículas luminosas; e para partículas separadas, serragem, pó de alumínio e baquelite (MERZKIRCH, 1987).
O método do tufo não permite a avaliação quantitativa do escoamento, mas apenas sua avaliação qualitativa, por essa razão é o mais limitado dentre os três; mesmo assim permite bons resultados visuais dos efeitos do escoamento. O método óptico é mais utilizado para escoamentos compressíveis e de alta velocidade os quais são opostos aos considerados nos experimentos habituais com ventilação natural dos edifícios, nos quais o escoamento é considerado incompressível e laminar por essa razão não são indicados para estudos da ventilação natural dos edifícios. 4. METODOLOGIA A metodologia adotada nos trabalhos foi a proposta pelo módulo didático PANCA 5 (Prática e ANálise em Conforto Ambiental), a qual consistiu em quatro etapas: ETAPA 1: seleção dos edifícios foram selecionados preferencialmente edifícios de uso residencial unifamiliar e multifamiliar de diferentes tipologias e programas de necessidades. ETAPA 2: confecção dos modelos reduzidos foram confeccionadas maquetes em diferentes materiais (madeira, papelão, isopor) e escalas (1:100, 1: 50). ETAPA 3: realização dos experimentos foi utilizado o equipamento mesa d água do LabCon/UFSC, o método do traçador e a técnica de injeção direta do indicador (detergente lava-louça) na água; o equipamento foi operado com freqüência do inversor entre 20 e 25 Hz; foram observados e registrados, por meio fotográfico, os comportamentos qualitativos do escoamento para as principais direções de vento da cidade de Florianópolis, em três diferentes situações: com todas as aberturas fechadas (i), com todas as aberturas desimpedidas (ii), com fechamento parcial de algumas aberturas e colocação de captadores (iii). ETAPA 4: análise dos resultados foi realizada com o auxílio de registros fotográficos (obtidos com câmara digital), croquis e descrição textual do comportamento observado dos escoamentos, mediante a identificação das faces expostas às pressões e sub-pressões e das aberturas de entrada e saída; além dos trajetos e zonas de influência do escoamento nos ambientes externo e interno, para cada uma das situações experimentadas. 4.1 A mesa d água do LabCon/UFSC A Mesa d Água do LabCon consiste em uma placa horizontal de vidro transparente (mesa) sobre a qual a água escoa em velocidade uniforme, ao longo de sua largura, e que constitui o campo de observação e ensaio (medindo 1.20 x 0.715 m, comprimento e largura, respectivamente). Essa placa está montada numa estrutura de perfis metálicos (gabinete), apoiada sobre rodízios e niveladores, que permitem seu deslocamento (medindo 1.70 x 0.755 x 1.175 m, largura, profundidade e altura, respectivamente). Nas laterais da estrutura, também fechados com vidros transparentes, situam-se os dois reservatórios: o reservatório montante, de onde a água provém, e o reservatório jusante, para onde a água escoa; com capacidade para 90 litros cada (Figura 2). Vista Geral Figura 2 Mesa d água do LabCon/UFSC Vista Superior
Complementam o equipamento um sistema hidráulico e outro elétrico. O sistema hidráulico é composto por uma tubulação principal de 1, a qual interliga os reservatórios pela parte inferior. A tubulação se inicia com uma boca de entrada (flange de 1 ), protegida por tela, no reservatório jusante e termina em um tubo transversal com vários furos, direcionados para o fundo do reservatório montante. Há dois registros de passagem: um para a água (1 ), situado na tubulação principal, e outro para entrada de ar no sistema (3/4 ), situado numa derivação da tubulação principal. O esgotamento da água dos reservatórios é feito por uma torneira de 1/2, situada na tubulação principal, após o motor. O sistema elétrico é composto por um motor trifásico de 0.75 HP de potência e 60 Hz de freqüência máxima, que equivale a uma vazão de 9,60 m 3 /h; e por um inversor de 200-240 VAC de potência e 50/60 Hz de freqüência máxima, que impulsionam a água do reservatório jusante para o montante, passando pelo tubo transversal. 4.2 Os perfis de vento de Florianópolis A cidade de Florianópolis é a capital do Estado de Santa Catarina e situa-se na região Sul do Brasil. O território do município abrange uma grande parte insular marítima e uma pequena parte continental. Uma particularidade interessante do perfil de vento de Florianópolis é a direção oposta das ocorrências predominantes (Norte e Sul), ao longo de todo o ano, conforme gráfico 1 e tabela 1. 40.00% 35.00% Freqüência Relativa (%) 30.00% 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% N NE L SE S SO O NO 5.00% 0.00% ANO JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Ano e Meses Gráfico 1 - Freqüência Percentual de Ventos Anual e Mensal para Florianópolis Tabela 1 - Freqüência Percentual de Ventos Anual e Mensal para Florianópolis N NE L SE S SO O NO JAN 21.86% 15.94% 7.74% 12.08% 16.51% 12.00% 5.66% 8.22% FEV 21.93% 13.49% 8.68% 11.87% 16.51% 12.49% 6.54% 8.49% MAR 22.45% 16.00% 6.99% 10.08% 15.69% 13.31% 6.99% 8.48% ABR 21.58% 8.73% 5.05% 8.75% 20.70% 13.47% 10.08% 11.63% MAI 26.53% 8.58% 3.29% 9.30% 14.99% 11.70% 11.40% 14.22% JUN 33.74% 11.85% 3.78% 6.29% 13.70% 11.20% 8.07% 11.37% JUL 36.41% 9.52% 3.87% 7.23% 12.11% 10.45% 6.75% 13.66% AGO 34.09% 11.58% 3.61% 9.16% 15.79% 8.26% 6.22% 11.30% SET 29.84% 11.90% 5.64% 10.39% 16.59% 11.66% 4.22% 9.77%
OUT 27.42% 12.75% 7.19% 10.80% 19.79% 10.26% 4.57% 7.22% NOV 23.84% 17.29% 8.30% 13.19% 17.73% 9.24% 4.38% 6.04% DEZ 23.07% 15.90% 11.41% 12.69% 15.82% 9.08% 4.72% 7.32% ANO 26.96% 12.86% 6.33% 10.19% 16.32% 11.03% 6.56% 9.76% 1º 3º 7º 5º 2º 4º 8º 6º As direções de ventos anuais mais freqüentes para a cidade de Florianópolis são a Norte (26,96%) e a Sul (16,32 %), seguidas da Nordeste (12.86 %) e Sudoeste (11.03 %). E as direções de ventos anuais de menor freqüência são o Leste (6.33 %), seguido do Oeste (6,56%). A soma das freqüências anuais dos ventos do quadrante Norte (NO/N/NE) perfaz um total de 49,58 % de ocorrência, enquanto a do quadrante Sul (SO/S/SE) perfaz um total de 37,54 %. Sazonalmente, é mantida a predominância dos ventos Norte e Sul, enquanto as freqüências seguintes apresentam-se de maneira variada; o perfil de verão é muito parecido com o de primavera, conforme tabela 2 As direções de ventos mais freqüentes de Verão, considerando os meses de dezembro, janeiro e fevereiro, são a Norte (22.29 %), seguidas das seguintes direções: Sul (16.28 %), Nordeste (15.11 %) e Sudeste (12.21 %). E as direções de ventos de menor freqüência de Verão são o Oeste (5.64 %), seguido do Noroeste (8,01 %). As direções de ventos mais freqüentes de Outono, considerando os meses de março, abril e maio, são a Norte (23.52%), seguidas das seguintes direções: Sul (17.13 %), Sudoeste (12.83 %) e Noroeste (11.44 %). E as direções de ventos de menor freqüência de Outono são o Leste (5.11 %), seguido do Sudeste (9,38 %). As direções de ventos mais freqüentes de Inverno, considerando os meses de junho, julho e agosto, são a Norte (34.75%), seguidas das seguintes direções: Sul (13.87 %), Noroeste (12.11 %) e Nordeste (10.98 %). E as direções de ventos de menor freqüência de Inverno são o Leste (3.75 %), seguido do Oeste (7,01 %). As direções de ventos mais freqüentes de Primavera, considerando os meses de setembro, outubro e novembro, são a Norte (27.03%), seguidas das seguintes direções: Sul (18.04 %), Nordeste (13.98 %) e Sudeste (11.46 %). E as direções de ventos de menor freqüência de Primavera são o Oeste (4.39 %), seguido do Leste (7,04 %). Tabela 2 - Freqüência de Ventos Sazonais para Florianópolis 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º VERÃO Dez 23.07 N 15.82 S 15.90 NE 12.69 SE 9.08 SO 11.41 L 7.32 NO 4.72 O Jan 21.86 16.51 15.94 12.08 12.00 7.74 8.22 5.66 Fev 21.93 22.29 16.51 16.28 13.49 15.11 11.87 12.213 12.49 11.19 8.68 9.28 8.49 8.01 6.54 5.64 OUTONO Mar 22.45 N 15.69 S 13.31 SO 8.48 NO 16.00 NE 6.99 O 10.08 SE 6.99 L Abr 21.58 20.70 13.47 11.63 8.73 10.08 8.75 5.05 Mai 26.53 23.52 14.99 17.127 11.70 12.827 14.22 11.443 8.58 11.10 11.40 9.49 9.30 9.38 3.29 5.11 INVERNO Jun 33.74 N 13.70 S 11.37 NO 11.85 NE 11.20 SO 6.29 SE 8.07 O 3.78 L Jul 36.41 12.11 13.66 9.52 10.45 7.23 6.75 3.87 Ago 34.09 34.747 15.79 13.867 11.30 12.11 11.58 10.983 8.26 9.97 9.16 7.56 6.22 7.01 3.61 3.7533 PRIMAVERA Set 29.84 N 16.59 S 11.90 NE 10.39 SE 11.66 SO 9.77 NO 5.64 L 4.22 O Out 27.42 19.79 12.75 10.80 10.26 7.22 7.19 4.57 Nov 23.84 27.033 17.73 18.037 17.29 13.98 13.19 11.46 9.24 10.387 6.04 7.6767 8.30 7.0433 4.38 4.39 Os dados de vento utilizados foram os disponibilizados por Goulart et al. (1997), os quais correspondem ao período de 1960 a 1970, obtidos da estação meteorológica do Aeroporto Hercílio Luz (27º40 de latitude Sul e 48º33 de longitude Oeste), a qual se situa na parte insular Sul/Oeste. Na somatória das freqüências mensais de ventos, foram desconsiderados os períodos de calmarias, os
quais representam valores percentuais entre 14,74 % (outubro) e 24,05 % (abril), conforme tabela 3. Tabela 3 Percentual de Calmarias para Florianópolis JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ ANO 17.54% 19.81% 22.37% 24.05% 23.24% 20.60% 19.52% 16.63% 18.97% 14.74% 14.78% 14.88% 18.91%
5. TRABALHOS REALIZADOS Serão apresentados e discutidos a seguir dois trabalhos, selecionados entre os dezessete, realizados no semestre de 2003, como atividade da disciplina Conforto Ambiental Térmico, do curso de graduação em arquitetura e urbanismo da Universidade Federal de Santa Catarina. Foram consideradas as direções principais de ventos para Florianópolis Norte e Sul, além das direções secundárias Nordeste, Noroeste, Sudoeste e Sudeste e, em alguns casos, as direções Leste e Sul. 5.1 Edifício residencial multifamiliar de formato complexo O primeiro trabalho, realizado pelos acadêmicos Aline Placha Tambosi e Fernando da Silva Althoff, utilizou um edifício residencial multifamiliar, com organização de planta em três braços radiais, derivados de um hexágono central, e composto por seis unidades habitacionais por andar, com o seguinte programa arquitetônico: sala, cozinha, quarto e banheiro todos esses ambientes apresentam aberturas para o exterior. O formato complexo e peculiar desse edifício apresenta a particularidade de possuir aberturas para todas as oito principais orientações, situação essa que se constitui em um paradoxo para a definição de orientações preferenciais para a disposição das aberturas de ventilação. Cada unidade habitacional apresenta pelo menos três diferentes orientações de aberturas: unidade 1 sala e quarto (NO), cozinha (O/NO) e banheiro (SO); unidade 2 sala e quarto (SE), cozinha (S) e banheiro (SO); unidade 3 sala e quarto (SO), cozinha (S) e banheiro (SE); unidade 4 sala e quarto (NE), cozinha (L/NE) e banheiro (SE); unidade 5 sala e quarto (L), cozinha (NE) e banheiro (N); unidade 6 sala e quarto (O), cozinha (NO) e banheiro (N), conforme Figura 3. N QUARTO BWC BWC QUARTO 6 5 SALA SALA COZINHA COZINHA COZINHA COZINHA QUARTO 1 SALA CIRCULAÇÃO SALA QUARTO 4 BWC SALA COZINHA COZINHA SALA BWC BWC 2 3 QUARTO QUARTO BWC Figura 3 Planta Baixa do Pavimento Tipo do Edifício Residencial Multifamiliar Foram realizados ensaios para quatro direções de escoamento: Norte, Sul, Noroeste (simétrico ao de Nordeste) e Sudeste (simétrico ao de Sudoeste), e para três situações: todas as aberturas externas fechadas (i), todas as aberturas externas desimpedidas e porta do banheiro fechada (ii), todas as aberturas externas desimpedidas e porta do banheiro aberta (iii).
Escoamento de direção Norte (vento Norte) (i) formam-se zonas de baixa pressão, com características de zonas laterais, nas faces reentrantes das unidades 4, 5, 6 e 1, situadas aparentemente a barlavento. A esteira é formada a sotavento (Sul) e nas faces das unidades 1 e 2 (SO) e 3 e 4 (SE), conforme figura 4. Figura 4 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Externas Fechadas (ii) percebe-se uma discreta circulação de ar nas unidades com aberturas a barlavento 5, 6, 4 e 1, devido à quase unilateralidade do sistema de aberturas de cada uma dessas unidades habitacionais. A esteira formada a sotavento e nas faces laterais das unidades 1, 2, 3 e 4 é mantida; as unidades 2 e 3, situadas a sotavento, não apresentam nenhuma circulação interior do ar, conforme figura 5. Figura 5 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Desimpedidas/Banheiro Fechado (iii) percebe-se uma maior circulação de ar nas unidades com aberturas a barlavento 5, 6, 4 e 1, devido à orientação diferenciada das aberturas dos banheiros em relação a cada uma das unidades habitacionais, fato esse que propicia o sistema de ventilação cruzada. A esteira formada a sotavento e nas faces laterais das unidades 1, 2, 3 e 4 é mantida; as unidades 2 e 3, situadas a sotavento, continuam sem apresentar circulação de ar (figura 6).
Figura 6 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Desimpedidas/Banheiro Aberto Escoamento de direção Sul (vento Sul) (i) formam-se zonas de recirculação nas faces reentrantes das unidades 2 e 3, situadas a barlavento. A esteira é formada a sotavento (Norte) e nas faces laterais das unidades 1 e 6 (NO e O) e 4 e 5 (NE e L), conforme figura 7. Figura 7 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Externas Fechadas (ii) percebe-se uma discreta circulação de ar nas unidades com aberturas a barlavento, 2 e 3, devido à quase unilateralidade do sistema de aberturas de cada uma das unidades habitacionais. A esteira formada a sotavento e nas faces das unidades 1, 4, 5 e 6 é mantida; as unidades 1 e 2, situadas nas faces laterais e as unidades 6 e 5, situadas a sotavento, não apresentam nenhuma circulação interior do ar (figura 8). (iii) percebe-se uma maior circulação de ar nas unidades com aberturas a barlavento 2 e 3, além das unidades 1 e 4 (cujas aberturas dos banheiros estão situadas a barlavento), devido à orientação diferenciada das aberturas dos banheiros em relação à cada uma dessas unidades habitacionais o que propicia o sistema de ventilação cruzada. A esteira formada a sotavento é mantida e visivelmente reduzida nas faces laterais das unidades 5 e 6; mesmo assim, essas unidades 5 e 6, situadas a sotavento, não apresentam nenhuma circulação interior do ar (figura 9).
Figura 8 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Desimpedidas/Banheiro Fechado Croqui explicativo Figura 9 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Desimpedidas/Banheiro Aberto As conclusões desse primeiro trabalho são que o formato complexo e peculiar do edifício cria situações diferenciadas de aproveitamento de ventilação natural pela ação do vento para as seis unidades habitacionais. As unidades 2 e 3, situadas na face Sul, são extremamente prejudicadas quanto ao aproveitamento dos ventos do quadrante Norte (NO/N/NE); e as unidades 6 e 5, situadas na face Norte, seguidas das unidades 1 e 4, situadas nas faces Oeste e Leste, respectivamente, são extremamente prejudicadas quanto ao aproveitamento dos ventos do quadrante Sul (SE/S/SO). 5.2 Edifício residencial unifamiliar de formato simples O segundo trabalho, realizado pelas acadêmicas Eveline Tancredo Musse e Maria Andréa Triana, utilizou um edifício residencial unifamiliar, implantado num lote de 12x30m, com organização de planta ortogonal alongada, formada por dois corpos retangulares: o primeiro que compreende os setores social e de serviços e o segundo que compreende o setor íntimo. O formato simples dessa residência corresponde a uma tipologia comumente encontrada em lotes urbanos típicos, apresentando a particularidade de possuir aberturas em todas as quatro faces: para a frente (Sul), para o fundo (Norte), e para as laterais do terreno (Leste e Oeste). A residência apresenta o seguinte programa e distribuição: na entrada situam-se a garagem, com abertura para Sul e Oeste; e a sala de estar/jantar, com aberturas para Sul e Norte; seguida da varanda/churrasqueira, na face Norte da sala; cozinha e área de serviço, situam-se logo após a garagem, seguidas pelos dois quartos, todos eles com aberturas para a lateral Leste; banheiro social e da suíte e circulação, no lado oposto, com aberturas para a lateral Oeste; suíte no final, com abertura apenas para Norte, conforme Figura 10.
Figura 10 Planta Baixa do Edifício Residencial Unifamiliar Foram realizados ensaios para as oito principais direções de vento e para cinco situações: todas as aberturas externas fechadas (i), todas as aberturas externas desimpedidas (ii), portas dos banheiros e do setor de serviços fechadas (iii), janelas dos banheiros abertas e portas fechadas e janelas do setor de serviços fechadas (iv), colocação de captador na janela de um dos quartos (v). Escoamento de direção Norte (vento Norte) (i) formam-se zonas de baixa pressão laterais, ampliando a área de subpressão na face recuada, a qual corresponde à varanda/churrasqueira, situada aparentemente a barlavento. A esteira é formada a sotavento (Sul), conforme figura 11. Figura 11 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Externas Fechadas (ii) os percursos do escoamento, pelo interior da residência, apresentam-se da seguinte forma: a suíte, o quarto 2 e a sala de estar/jantar funcionam como entradas e os banheiros, o quarto 1, a circulação, a cozinha e as aberturas Sul da sala funcionam como saída. O fluxo da suíte se mistura ao do quarto 2 e segue pela circulação em direção aos banheiros, quarto 1 e sala. A esteira formada a sotavento (Sul) é dissipada (figura 12).
Figura 12 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Desimpedidas (iii) apresentam-se mudanças nos percursos do escoamento pelo interior da residência: a suíte e a sala de estar/jantar funcionam como entradas e o quarto 1, a circulação e as aberturas Sul da sala funcionam como saída; o quarto 2 não apresenta circulação de ar. O fluxo da suíte se bifurca para o quarto 1 e para a circulação, por onde parte sai para o exterior e parte segue em direção à sala. A esteira formada a sotavento (Sul) é parcialmente dissipada (figura 13). Figura 13 Comportamento do Escoamento Norte: Aberturas Banheiros e Serviço Fechadas Figura 14 Comportamento do Escoamento Norte: Banheiros Fechados e Captador no Quarto 2
(iv) não se apresenta mudança significativa nos percursos do escoamento pelo interior da residência e (v) apresenta comportamento semelhante à alternativa (ii), ou seja, o quarto 2 funciona como entrada e o quaro 1 como saída (figura 14). Escoamento de direção Sul (vento Sul) (i) formam-se zonas de baixa pressão laterais, ampliando a área de subpressão na face recuada, a qual corresponde à varanda/churrasqueira. A esteira é formada a sotavento (Norte), conforme figura 15. Figura 15 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Externas Fechadas (ii) os percursos do escoamento, pelo interior da residência, apresentam-se da seguinte forma: as aberturas Sul da sala de estar/jantar funcionam como as únicas entradas, e a cozinha, a circulação, os quartos, os banheiros e a suíte, como também as aberturas Norte da sala, funcionam como saída. O fluxo da sala se bifurca entre a cozinha e a circulação e segue, por meio dessa, em direção aos quartos 1 e 2, ao banheiro social e à suíte. A esteira formada a sotavento (Norte) é dissipada (figura 16). Figura 16 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Desimpedidas (iii) apresentam-se mudanças nos percursos do escoamento pelo interior da residência: as aberturas Sul da sala de estar/jantar continuam a funcionar como as únicas entradas e, apenas o quarto 2, a circulação, a suíte e as aberturas Norte da sala funcionam como saída; o quarto 1 não apresenta circulação de ar. O fluxo da sala se bifurca para o exterior e em direção à circulação, que por sua vez funciona como saída para o exterior e internamente em direção ao quarto 2 e à suíte. A esteira formada a sotavento (Norte) é parcialmente dissipada (figura 17).
Figura 17 Comportamento do Escoamento Sul: Aberturas Banheiros e Serviço Fechadas (iv) não se apresentam mudanças significativas nos percursos do escoamento pelo interior da residência; (v) apresenta o seguinte comportamento: o quarto 1 funciona como entrada e o quaro 2 como saída (figura 18). Figura 18 Comportamento do Escoamento Sul: Banheiros Fechados e Captador no Quarto 1 As conclusões desse segundo trabalho são que o formato simples e retangular dessa residência cria situações diferenciadas de aproveitamento de ventilação natural pela ação do vento, devido às orientações opostas dos ventos predominantes de Florianópolis. A sala de jantar/estar capta indistintamente os ventos Norte e Sul; os quartos apresentam melhor aproveitamento dos ventos Norte e Nordeste, mesmo assim, a localização das janelas em relação às portas não é adequada; a suíte apresenta melhor aproveitamento dos ventos do quadrante Norte (NO/N/NE), entretanto, a localização relativa das aberturas externas e internas também não é adequada; a área de serviço não apresenta ventilação satisfatória em nenhuma situação. Em decorrência das análises realizadas, foram sugeridas algumas alterações no projeto arquitetônico para melhorar o desempenho de ventilação natural pela ação do vento: 1. colocação de uma janela na parede lateral (Leste) da suíte, para ampliar a abrangência do escoamento; 2. relocação das janelas dos quartos, para criar uma situação oblíqua em relação às respectivas portas e ampliar a abrangência do escoamento; 3. abertura da empena lateral da garagem (Leste), para facilitar a circulação de ar e favorecer a
captação de ventos do quadrante Norte e Leste; 4. permuta da localização da cozinha com a área de serviço, com colocação de uma porta de acesso à garagem, para proporcionar ventilação natural à área de serviço. 6. CONCLUSÕES Os resultados obtidos e apresentados nesses dois trabalhados realizados mostram que o equipamento mesa d água apresenta a grande vantagem de permitir a visualização instantânea do comportamento do escoamento no exterior e interior dos edifícios, bem como a clara definição das aberturas que funcionam como entrada e saída; e que o registro fotográfico dos experimentos com câmara digital facilita sobremaneira a análise posterior dos efeitos do escoamento. Conclui-se que, apesar de a visualização de escoamento em meio líquido se caracterizar como modelo físico analógico e só permitir a análise bidimensional e qualitativa da ventilação natural pela ação do vento, ela se constitui em importante ferramenta didática e de seleção de soluções de projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALTAFINI, C. Simulação do escoamento compressível de gases através do escoamento de água com superfície livre. Florianópolis, 1980. Dissertação de Mestrado Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina. BATURIN, V. Fundamentos de ventilacion industrial. Barcelona: Ed. Labor, 1976. BERTE, V.; FROTA, A. Uso de técnica de micro-bolhas como modelo experimental de flutuabilidade (buoyancy) em átrios centrais de edifícios. In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL, 2002, São Paulo. NUTAU 2002... São Paulo: NUTAU/USP, 2002. p.. 611-615. BLESSMANN, J. Aerodinâmica das construções. Porto Alegre: Sagra, 1990. ETHERIDGE, D.; SANDBERG, M. Building ventilation : theory and measurement. Chichester: John Wiley & Sons, 1996. GOULART, S.; LAMBERTS, R.; FIRMINO, S. Dados climáticos para projeto e avaliação energética em edificações para 14 cidades brasileiras. Florianópolis: UFSC, 1997. MERZKIRCH, W. Flow visualization. Orlando: Academic Press, 1987. OMS, L.J.; TORRES, E.; AMON, C. The water table: a fluid exhibit for the Carnegie Science Center. In: 27th Annual Conference on Frontiers in Education, 1997, Pittsburgh. Proceedings. Pittsburgh: IEEE, 1997. p. 515-520. PEREIRA, F.; BITTENCOURT, L.; Justificativa e proposta de constituição de laboratórios na área de conforto ambiental em escolas de arquitetura e urbanismo. ABEA. 1996. Relatório Técnico. SHINA, Y.; TAKIZUKA, T.; OKAMOTO, Y. Flow visualization around turbulence promoter in parallel, convergent and divergent channels. In: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON FLOW VISUALIZATION, 1997, Tokyo. Flow visualization: proceedings New York: Hemisphere, 1977. p. 149-154. STRAATEN, J. Thermal performance of buildings. London: Elsevier, 1967. TANIDA, Y. Atlas of visualization. London: Pergamon Press, 1992. TOLEDO, A.; PEREIRA, F. O potencial da mesa d água para a visualização analógica da ventilação natural em edifícios. In: ENCONTRO NACIONAL SOBRE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 7., 2003, Curitiba. Anais do ENCAC-COTEDI 2003. Curitiba: ANTAC, 2003. p. 1383-1390.