Estratégias bioclimáticas para o projeto de edificações-conceituação e aplicação para Maringa-PR.pdf

ESTRATÉGIAS BIOCLIMÁTICAS PARA O PROJETO DE EDIFICAÇÕES: CONCEITUAÇÃO E APLICAÇÃO PARA MARINGÁ, PARANÁ Cláudio Emanuel Pietrobon, Dr. Eng. (1); Roberto Lamberts, PhD (2); Fernando Oscar Ruttkay Pereira, PhD (2) (1) Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5790 CEP 87020-900 Maringá-PR 44-261-4322 e-mail: claudiopietrobom@maringa.com.br (2) Universidade Federal de Santa Catarina, R. João Pio Duarte da Silva, s/n CEP 88040-970 Florianópolis-SC 48-331-5193 e-mail: lamberts@ecv.ufsc.br e-mail: feco@arq.ufsc.br

RESUMO As recomendações bioclimáticas para projetos arquitetônicos têm sido objeto de estudo por diversos autores, através de proposições de cartas bioclimáticas, desde a década de 50. No presente artigo, efetuam-se conceituações acerca do tema e uma breve revisão da literatura, incluindo pesquisas nacionais; e aplicando-as a um exame de caso para o clima de Maringá-PR; através da utilização do programa ANALISYSBIO 3.0 e de um banco de dados informatizado com 52.640 dados de elementos climatológicos no formato de TRY - Test Reference Year, com o objetivo de definir o bioclima correto da localidade, visando futuras aplicações da proposta de normalização do COBRACON/ABNT acerca do desempenho de edifícios.

ABSTRACT The bioclimatic recommendations for architectural projects have been studyed by several authors, through propositions of bioclimatic charts, since the decade of 50. In the present paper, statements concerning the theme and a brief bibliographic revision, are done, including national researches; and applying them to a case examination for the climate of Maringá-PR; through the use of the program ANALYSISBIO 3.0 and a database computerized with 52.640 data of climatological elements in the format of TRY - Test Reference Year, with the aim to define the right bioclimate of the location, for future applications of standards proposed by the COBRACON/ABNT about the statements of building’s performance.

1. INTRODUÇÃO As recomendações bioclimáticas, através de proposições de cartas bioclimáticas para projetos arquitetônicos, têm sido objeto de estudo por diversos autores, desde a década de 50 do século passado. No presente artigo, efetuam-se conceituações acerca do tema e uma breve revisão da literatura, incluindo-se nelas pesquisas nacionais. Aplicam-nas a um exame de caso para o clima de Maringá-PR - através da utilização do programa ANALISYSBIO 3.0 e de um banco de dados informatizado com 52.640 dados de elementos climatológicos no formato de TRY - Test Reference Year. Com tais procedimentos procura-se obter a definição de recomendações conclusivas para o clima da localidade, como forma de contribuição para o ensino, pesquisa e aplicações práticas, visando adequação às prescrições normativas de desempenho de edifícios ora em estudo no COBRACON/ABNT

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2 ASPECTOS CONCEITUAIS O edifício é projetado pelo Arquiteto para o Homem e portanto deve ter como seu objetivo o bem-estar dos usuários, no sentido mais amplo, ou seja, atingir o conforto psicofisiológico daqueles que usam o espaço que ele propõe; sem olvidar outros aspectos funcionais, construtivos, estéticos e simbólicos da obra arquitetônica, além da salubridade.

O conforto é função da relação que o Homem estabelece com o Ambiente, que é dependente daquilo que o Ambiente Construído possibilita ao indivíduo, sob o aspecto bioambiental, em termos de luz, som, calor, uso do espaço e das experiências próprias de cada pessoa, que por sua vez, orientam suas respostas aos estímulos recebidos; atendendo às suas necessidades e aspirações. Cumpre esclarecer que o estímulo pode ser medido, mensurado fisicamente, enquanto a sensação (“aestesys”) não é, facilmente, quantificada. Esta última é o próprio sentimento que, portanto, só pode ser expresso pelos usuários. Quando se determina o nível da iluminação, da temperatura e do ruído, mede-se o estímulo e não a sensação, esta última estará ligada à experiência de cada um.

As leis da psicofisiologia dizem a respeito, exatamente, ao se relacionarem as sensações humanas com os estímulos físicos. As bases da relação entre o Homem e o Ambiente Construído residem no campo da psicofisiologia, que orienta o projetista com relação aos principais problemas da percepção humana para se estabelecer as necessidades do usuário e possibilitar as respostas mais adequadas, através da intervenção do projetista no meio ambiente.

Segundo GRAEFF (1980), o edifício constitui o produto mais característico da Arquitetura. É através dele que a Arquitetura se relaciona com a vida dos homens em suas diversas manifestações.

A rigor, o edifício não é apenas a construção em si, nem os seus sistemas construtivos e componentes, que definem suas qualidades essenciais. Tais elementos são importantes na medida em que geram, delimitam, organizam, ordenam o espaço arquitetônico, isto é, o lugar agenciado para a prática das atividades humanas. Entende-se por espaço edificado aquele que está contido pelo espaço interno.

Porém, ao ser erigido, o edifício além de abarcar ou envolver uma certa porção do espaço, exerce e recebe influências das adjacências. A relação dos edifícios com a paisagem ou o espaço externo, lança raízes sobre a idéia de espaço urbano que se identifica em certa medida com a noção de espaço externo.

Desta forma, pode-se conceituar o edifício como: “um conjunto organizado de espaços construídos engendrados com algum intuito estético e funcional segundo um critério construtivo”.

Basicamente são três os subsistemas que constituem um sistema completo da edificação, a saber: i) Subsistema de Mecanismos Ativos: que inclui todas as instalações que necessitam energia para seu funcionamento e englobam transporte, armazenagem e troca de matéria e energia; ii) Subsistema do Espaço Arquitetônico: que engloba o espaço ocupado pela edificação, e os sistemas da infra, meso e super-estrutura, além do mobiliário; iii) Subsistema da Locação: que engloba o terreno, base natural da edificação, considerando-se as grandezas morfológicas de declividade, topografia, constituição geológica e geotécnica do solo; proximidade com acidentes geográficos como maciços de rocha, massas de água, contigüidade com áreas verdes, além de outros elementos da ação antrópica no meio ambiente.

Os subsistemas do edifício devem cumprir uma multiplicidade de funções para dar atendimento às necessidades humanas e aos aspectos formais, estéticos e simbólicos.

A aceitabilidade da edificação, em termos tecnológicos, depende do seu desempenho. A avaliação do desempenho de uma edificação é uma abordagem complexa, onde interagem diversos fatores. Consiste em prever o comportamento potencial do edifício, seus elementos e instalações, quando submetidos a condições normais de exposição e avaliar-se, se tal comportamento satisfaz as exigências do usuário.

SOUZA e MITIDIERI FILHO (1986), analisando o desempenho de habitações populares, resumemno aos seguintes pontos: Identificação das exigências do usuário a serem satisfeitas; Identificação das condições de exposição a que estão submetidas as edificações, seus elementos e componentes;

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Listagem dos requisitos de desempenho a serem atendidos pela edificação, seus elementos e componentes, em termos quantitativos; Definição dos critérios de desempenho a serem atendidos pela edificação, seus elementos e componentes, em termos quantitativos; Definição dos métodos de avaliação a serem adotados envolvendo ensaios, medidas e procedimentos de cálculo.

Os autores citam a norma internacional ISO-DP 6241 (1970) que estabelece quatorze exigências dos usuários. Relativamente as bioambientais, citam-se: i) Exigências de conforto higrotérmico: temperatura e umidade do ar e das paredes; ii) Exigências de conforto visual: iluminação, aspecto dos espaços, das paredes e vista para o exterior; iii) Exigências de conforto acústico: isolação acústica e níveis de ruído; iv)Exigências de conforto táctil: eletricidade estática, rugosidade, umidade e temperatura de superfície; v) Exigências atmosféricas: pureza do ar e limitação de odores.

AKUTSU et alii (1987) definem o desempenho higrotérmico de uma edificação como: “O resultado da interação que se estabelece entre a edificação e o ambiente térmico a que a mesma está submetida”.

As condições de exposição são classificadas como condições climáticas, condições de implantação e condições de uso das edificações.

As grandezas que intervém nessas condições são: i) grandezas que caracterizam as condições climáticas: temperatura de bulbo seco do ar externo, umidade relativa do ar externo, velocidade e direção dos ventos, radiação solar direta e difusa, ganhos térmicos; ii) grandezas que caracterizam as condições de implantação: latitude, longitude e orientação solar; iii) grandezas que caracterizam as condições de uso da edificação: número de usuários e atividadespadrão, quantidade de calor e vapor d’água produzidos internamente na edificação e número de renovações de ar proporcionado pelo controle da ventilação ou pelo condicionamento artificial do ambiente.

Do mesmo modo, pode-se relacionar as grandezas que caracterizam a edificação, seus elementos, componentes e materiais: i) forma e dimensões geométricas da edificação, dos seus elementos opacos e translúcidos; ii) transmitância, absortância e refletância à radiação solar dos elementos e componentes opacos expostos à radiação solar; iii) transmissão, absorção, reflexão, fator solar e dimensões dos componentes translúcidos; iv) condutibilidade térmica, calor específico e massa específica dos materiais; v) emissividade das superfícies dos elementos e componentes opacos e translúcidos.

Por sua vez, o conforto higrotérmico é função dos seguintes estímulos do ambiente interno e dos aspectos comportamentais do usuário: i) temperatura de bulbo seco do ar interno; ii) velocidade relativa do ar interno; iii) temperatura radiante oriunda dos fluxos de calor nas superfícies interiores de elementos e componentes; iv) umidade relativa do ar interno. v) taxa metabólica, referente à atividade física do usuário; vi) valor da eficiência mecânica da atividade física do usuário; vii) valor da resistência térmica da roupa do usuário.

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Convém salientar que o comportamento dos componentes construtivos opacos e os translúcidos, quando expostos aos raios solares, é diferente.

No caso de uma parede opaca exposta à radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que separa, os mecanismos de troca de calor, para determinar a intensidade de fluxo térmico que a atravessa q (W/m2), dependem das seguintes variáveis: coeficiente global de transmissão térmica U (W/m2 K), temperatura do ar externo (o C), coeficiente de absorção da radiação solar (%), intensidade de radiação solar global incidente (W/m2), coeficiente de condutância térmica superficial externa (W/m2 K) e temperatura do ar interno (o C).

Na situação de uma parede transparente ou translúcida exposta à incidência da radiação solar e sujeita a uma determinada diferença de temperatura entre os ambientes que separa é diferente da parede opaca. Inclui-se a parcela que penetra por transparência, através da transmissividade às radiações de ondas curtas. Em ambos os casos anteriores, o vento interfere no comportamento térmico, tanto internamente como externamente, através do mecanismo térmico da convecção.

No ambiente interno, a ventilação deve cumprir o atendimento às condições de salubridade (provisão de oxigênio para a respiração, redução da concentração de CO2, prevenção na concentração de bactérias nocivas e remoção de odores); aos aspectos de conforto higrotérmico (resfriamento ou aquecimento da estrutura construída, remoção do calor ambiente, resfriamento do corpo humano) e auxiliar na durabilidade dos materiais e componentes da edificação, limitando a ação da umidade.

No ambiente externo, dependendo da textura dos materiais, o vento pode alterar o coeficiente de condutância térmica superficial variando o desempenho térmico do edifício. Pode, ainda, conforme as dimensões, o arranjo e o formato da disposição dos edifícios, alterar o fluxo aerodinâmico externo do ar, que pode ser benéfico ou não, conforme o tipo de clima local. Em ambas as situações, o vento altera os padrões de trocas de calor.

JABARDO (1984) cita uma definição de conforto térmico da ASHRAE (1981): “Um estado de espírito que reflete satisfação com o ambiente térmico que envolve a pessoa”. Desta forma, considerações fisiológicas e psicológicas estão envolvidas nesta definição, que dependem individualmente de cada pessoa.

Internacionalmente, o problema do conforto térmico tem sido analisado há cerca de 150 anos, inicialmente nas minas de carvão da Inglaterra ou com interesses militares. Outras áreas de interesse, visando diferentes aplicações foram: rendimento nos trabalhos físico e intelectual, sobrevivência humana em condições de exposição curta ou prolongada a climas agressivos, obtenção de parâmetros para projeto e desempenho de sistemas de ventilação e climatização natural ou artificial de ambientes.

Segundo LIM (1983), pode-se perceber que o desenvolvimento, durante a primeira metade do século XX, concentrou-se na definição das variáveis que afetam o conforto térmico, mas não lhes foram dadas igual ênfase nos diversos índices e escalas. Afirma que, na seqüência, o desenvolvimento na área de conforto térmico é uma extensão dos conceitos iniciais, auxiliados por equipamentos mais sofisticados, através de condições ambientais controladas ou pesquisas de campo. Esclarece, ainda, que enquanto alguns poucos índices tenham sido desenvolvidos recentemente, os estudos continuam a se conduzir em pesquisas de campo, câmaras climáticas controladas e alguns dos resultados destas pesquisas têm sido adotados sob a forma normativa.

FROTA (1979) analisou, aproximadamente, cerca de 40 índices de conforto térmico, visando a sua aplicabilidade nas condições climáticas brasileiras e posteriormente, FROTA et alii (1995) adotam apenas 3, passíveis de aplicação no Brasil.

Vários autores têm procurado classificar estes índices de conforto sob diversos aspectos, conforme o modelo físico adotado. Dentre eles, MEXIA de ALMEIDA (apud FROTA, 1979) definiu-os em 3 grupos: Biofísicos, Fisiológicos e Subjetivos. VILLAS BOAS (1983), agrupa-os como Biometeorológicos e diferencia-os em dois tipos: Meteorológicos e Fisiológicos. SCARAZZATO (1988) agrupa-os em 3 tipos: Termométricos ou Fisiológicos, Subjetivos e Psicofisiológicos.

Na seqüência, é importante mencionar apenas a evolução dos índices normativos pertinentes às questões de conforto térmico, utilizados recentemente: i) ANSI-ASHRAE 55 (1981) expressa como condição de conforto, a situação na qual 80% dos usuários estejam satisfeitos, o que segundo o índice de FANGER (1972) corresponde aos limites de

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PMV (Voto Médio Estimado ou “Predicted Mean Vote”) variando entre -0,82 e +0,82 e de PPD (Porcentagem de Pessoas Insatisfeitas ou “Predicted Percentage of Dissatisfied”) de 20%, adotado também no Brasil para escolas e habitações por AKUTSU et alii (1987); ii) GAGGE (apud LIM, 1983) define a temperatura efetiva padrão (SET) como a temperatura de um ambiente fechado isotérmico, com velocidade do ar abaixo de 0,15m/s, umidade relativa de 50%, no qual pessoas em atividade sedentária, vestidas com roupas de 0,6 clo, teriam os mesmos valores de suor da pele e da temperatura média da pele, que teriam os usuários no ambiente real não uniforme; iii) ISO - 7730 (1984) adotando as pesquisas de FANGER (1972), recomenda que para espaços de ocupação humana, o PPD (Porcentagem de Pessoas Insatisfeitas ou “Predicted Percentage of Dissatisfied”) deve ser menor que 10% isto corresponde a uma faixa de variação do PMV ( Voto Médio Estimado ou “Predicted Mean Vote” ) de -0,5 a +0,5; iv) ISO - 7726 (1985) especifica as características mínimas de equipamentos para medição das quantidades termofísicas que caracterizam um ambiente e os métodos para medir estas quantidades.

Não define o índice global de conforto ou estresse térmico mas, simplesmente, padroniza o processo de registros de informações orientadas para determinação destes índices. É aplicado ao estudo de conforto de ambientes moderadamente quentes ou frios para ocupação humana; v) ANSI ASHRAE 55 (1992) define o novo índice de temperatura efetiva (ET) como sendo a temperatura operativa (to) de um ambiente a 50% de umidade relativa que causaria a mesma troca de calor sensível e latente de uma pessoa como se fosse no ambiente real; vi) ISO-7726 (1996) denominada (“Ergonomics of the Thermal Environment Instruments for Measuring Physical Quantities”), que é uma revisão de norma.

3. A NOVA CARTA BIOCLIMÁTICA DE GIVONI APLICADA A MARINGÁ-PR BOGO et alii (1994) analisam diversas cartas bioclimáticas, sobre seus aspectos conceituais e práticos.

GOULART et alii (1994) adotam a proposta por GIVONI (1992) adaptada para países em desenvolvimento. LAMBERTS et alii (1997) a utilizam para estudos acerca da eficiência energética na Arquitetura. Na seqüência, o NPC/LABEEE/ECV/UFSC desenvolve um programa computacional denominado: ANALISYSBIO 3.0, para utilização das recomendações e estratégias bioclimáticas, visando a adequação da Arquitetura ao Clima Local com as estratégias bioclimáticas passivas e ativas, conforme figuras 1 a 10.

Finalmente, a tabela 1, apresenta os resultados do exame de caso para Maringá-PR, segundo o TRY definido por PIETROBON (1999). Nas figuras 11 e 12, apresentam-se as cartas bioclimáticas, processadas com o programa computacional ANALISYSBIO 3.0, para a localidade de Maringá-PR, destacando que a localidade tem o bioclima do tipo 3, diversamente do definido normativamente. Este exame de caso, insere Maringá no contexto das 14 cidades brasileiras, que por ação do LABEEE/NPC/ECV/UFSC e de PIETROBON (1999), possuem a BD de elementos climatológicos no formato de TRY, possibilitando a utilização dos softwares ANALISYSBIO 3.0 e VisualDOE 2.61, para recomendações bioclimáticas e simulação computacional dos desempenhos térmico, lumínico e energético.

Figura 1. Aquecimento Artificial

Figura 2. Massa Térmica

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Figura 3. Aquecimento Solar Passivo

Figura 4. Ar Condicionado

Figura 5. Zona de Conforto Higrotérmico

Figura 6. Estratégias Bioclimáticas

Figura 7. Massa Térmica para Resfriamento

Figura 8. Resfriamento Evaporativo

Figura 9. Umidificação

Figura 10. Ventilação

Figura 11. Estratégias Bioclimáticas para Maringá-PR, baseadas no TRY

Figura 12. Estratégias Bioclimáticas para Maringá-PR baseadas nas Normais

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Tabela 1 Estratégias Bioclimáticas para Maringá-PR pelo TRY, segundo PIETROBON (1999) DISCRIMINAÇÃO CONFORTO DESCONFORTO FRIO CALOR SOMBREAMENTO VENTILAÇÃO VENTILAÇÃO E MASSA VENTILAÇÃO/MASSA/RESFR. EVAPORATIVO MASSA TÉRMICA PARA RESFRIAMENTO MASSA E RESFRIAMENTO EVAPORATIVO AQUECIMENTO ARTIFICIAL MASSA TÉRMICA E AQUECIMENTO SOLAR AQUECIMENTO SOLAR PASSIVO AR CONDICIONADO UMIDIFICAÇÃO RESFRIAMENTO EVAPORATIVO

GERAL CALOR FRIO ANUAL 40,3% 40,3% 59,7% 59,7% 25,6% 25,6% 34,1% 34,1% 71,0% 71,0% 32,9% 32,9% 0,2% 0,2% 8,5% 8,5% 9,8% 9,8% 0,9% 0,9% 1,2% 1,2% 21,0% 21,0% 3,4% 3,4% 0,2% 0,2% 0,0% 0,0% 9,4% 9,4%

4. CONCLUSÕES A aplicação da Bioclimatologia à Arquitetura no Brasil, ao longo de décadas, tem-se restringido às atividades acadêmicas, porém com o advento de prescrições normativas do COBRACON/ABNT, torna-se imperativo o seu uso na praxis de projetação, visando o conforto, a salubridade, a conservação de energia e a obtenção de financiamentos para a construção junto à CEF – Caixa Econômica Federal, especialmente neste exame de caso, corrigindo a definição do bioclima local.

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