IMPACTOS DA MORFOLOGIA DA CIDADE NAS CONDIÇÕES MICROCLIMÁTICAS DE ÁREAS URBANAS CONSOLIDADAS DE SÃO PAULO EM DIAS QUENTES
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo Gabriel Bonansea de Alencar Novaes Março / 2020
TÓPICOS 1. Apresentação 2. Medições 3. Simulações 4. Modelos 5. Conclusões
APRESENTAÇÃO
OBJETIVO
METODOLOGIA
Verificar qualitativa e
1.
Levantamento de dados empíricos
quantitativamente os potenciais
em medições de variáveis térmicas
impactos de diferentes tipologias de
de ambientes reais da cidade.
formações morfológicas presentes em
2.
As medições são utilizadas para
assentamentos de áreas urbanas
calibração de modelos de
consolidadas nas condições
simulação termodinâmica do
microclimáticas locais ao longo de dias
software ENVI-met.
quentes a partir de exemplos
3.
Simulação de modelos de bairros
representativos de distritos de São
de São Paulo e suas condições
Paulo.
térmicas em dias quentes.
MEDIÇÕES
Período, variáveis e equipamentos
➔ Período considerado de 07/12/2018 a 13/01/2019 ➔ Medições contínuas e permanentes ➔ Equipamentos em funcionamento desde 29/11/2018 (hobos) e 05/12/2018 (estação) ➔ Intervalos de 10 minutos
➔ 1 Estação Científicas Campbell ➔ 2 Hobos de Medições Externas ➔ Variáveis Térmicas ◆ Anemômetro Ultrassônico (velocidade e direção dos ventos) ◆ Piranômetro (radiação solar) ◆ Termohigrômetro (temperatura e umidade do ar) ◆ Termômetro de Globo (temperatura de globo)
Local
Região de uso misto predominantemente residencial de casas e sobrados geminados com quintal nos fundos. Poucas edificações mais altas pontuais se distribuem pela região.
Ponto
➔
Subponto de controle na altura do segundo pavimento e o subponto principal na laje de cobertura acima das edificações vizinhas, desobstruído lateralmente. ➔
Laje de cobertura com visão de céu praticamente 100% desobstruída
➔ Poucos edifícios gerando obstruções, somente no quadrante sul-sudeste
Visibilidade completa do céu na maior parte do ano e dos horários. Alguns poucos elementos ocasionam mascaramento antes das 5h45 (22/11 e 21/01) e das 6h00 (22/12) e após às 18h00 em dezembro de janeiro. Em todo o período, minimamente entre 6h00 e 18h00, o ponto permaneceu exposto ao céu e à insolação direta.
13,40°C ~ 37,64°C ➔ No geral, a laje de cobertura apresentou as menores temperaturas do ar ➔ Forte aderência entre os três equipamentos. A maior diferença foi 3,7°C, representando 16,9%. No geral, as diferenças foram inferiores a 10%
16,95% ~ 96,27% ➔ A laje inferior apresentou os menores registros ➔ Na maior parte do tempo, as diferenças se mantiveram entre 6%UR e 15%UR. A maior foi de 22%, chegando a 135% de diferença relativa
SIMULAÇÕES
Período de Análise: 24 horas
Critérios de escolha do período:
6h 12/12/2018 ~ 6h 13/12/2018 Maiores números de dias Período de Simulação: 36 horas
consecutivos com condições
18h 11/12/2018 ~ 6h 13/12/2018
ensolaradas e sem chuva, Condições de céu limpo e
Período de medição: 126 horas
ensolarado,
0h 09/12/2018 ~ 6h 14/12/2018
Maiores temperaturas de ar e Período de dados: ano inteiro Arquivo Climático Aero. Congonhas
menores umidades relativas.
Período de Simulação: 18h00 11/12/2019 às 6h00 13/12/2018
Período de Simulação: 18h00 11/12/2019 às 6h00 13/12/2018
➔ Georreferenciamento ➔ Arquivo climático do Aeroporto de Congonhas ➔ Nebulosidade medida pela
Processo de Calibração
Estação Meteorológica Água Funda do IAG/USP.
22 diferentes modelos para a
➔ Resultados das medições
calibração do software, buscando o
empíricas como dados de entrada da simulação ➔ Modelo representa o local e o período de medições é realizado a fim de se obter os mesmos resultados das medições.
modelo climático com a maior acurácia possível na reprodução das condições das medições realizadas no mesmo ponto
MODELOS
2 Objetivos em 7 Premissas
1. Comparabilidade entre os
1.
somente morfologia
modelos simulados 2. Todas as diferenças de
2.
morfológicas e geométricas entre os modelos
Mesmas condições microclimáticas de borda
resultados decorrem exclusivamente das diferenças
Mesmas características, variando
3.
Mesmos materiais para calçadas, vias e solo
4.
Mesmos materiais para edifícios
5.
Modelos planos de áreas predominantemente planas
6.
Mesma localização
7.
Ausência de vegetação
1.
Áreas de uso misto, consolidadas e de ocupação regular
2.
Áreas densamente ocupadas e densamente povoadas.
5 modelos
3.
Topografia praticamente plana
4.
Aspectos morfológicos e geométricos diferentes
Regiões de uso misto, localizadas no centro expandido de São Paulo,
5.
consolidadas 6.
entre a região central, a Zona Sul e a Zona Oeste
Formações morfológicas urbanas
Relações similares de superfícies de piso (asfalto e concreto)
7.
Vias predominantemente em direções similares
8.
Variando entre edifícios espaçados entre si e edifícios geminados
Aspectos Geométricos e Construtivos
➔
Geometria dos modelos reproduz
1.
em área de 500 x 500m
a geometria existente no local ➔
Caracterização qualitativa e quantitativa por fatores numéricos para características qualitativas.
➔
Área de edificações com 400 x 400m,
2.
Dimensões das edificações do Mapa Digital da Cidade de SP
3.
Caracterização geométrica por: alturas e áreas de projeção das edificações,
Padronização dos materiais de
fator altura / largura (H/W), Fator de
paredes de fachadas e coberturas
Visão de Céu (FVC), Taxa de Ocupação
das edificações com propriedades
(TO), Volumetria, Coeficiente de
físicas e térmicas dos materiais
Aproveitamento (CA), Fator Altura /
conforme NBR 15.220-2, PBE
Área de Projeção (A / Aproj)
Edifica, LABEEE, 2017
Aspectos Climáticos
➔ Arquivo Climático Aer. Congonhas ➔ Medições (Tar, UR, Var, Dir. Vento)
1. Temp. do Ar e Umid. Relativa inseridas em períodos de 30 minutos conforme medições. 2. Velocidade e Direção do Vento
➔ Nebulosidade Nula
constantes (2,20 m/s e 138,7°)
➔ Modelo Atmosférico do
conforme média ponderada
ENVI-met
das medições empíricas. 3. Nebulosidade nula, isto é, condição de céu 100% limpo
Modelo 1 Mirandópolis Região razoavelmente plana Área praticamente sem verticalização Predomínio de casas e sobrados geminados nas laterais com recuos frontais e quintais nos fundos. Algumas poucas torres
Modelo 2 Ipiranga Região razoavelmente plana Traçado quadrangular homogêneo Mescla entre casas e sobrados e edificações altas dispostas de forma independente no terreno Casas e sobrados geminados
Modelo 3 Moema Região plana Área aparentemente muito verticalizada Há muitas edificações altas em formato de torre, mas há ainda muitas edificações baixas, como casas e sobrados, pequenos estabelecimentos comerciais, geminados
Modelo 4 Itaim Bibi Região plana Área praticamente totalmente verticalizada Há resquícios de sobrados e pequenos estabelecimentos comerciais com 1 a 3 pavimentos Há embasamentos de 1 pavimento sob as torres
Modelo 5 República Região plana Área totalmente verticalizada Edificações de médio e grande porte com alturas variadas Edificações geminadas lateralmente, sem recuos frontais e laterais
CONCLUSÕES
Resultados
➔ As condições morfológicas do espaço urbano trazem efeitos na forma como ao espaço urbano cria condições de permeabilidade ou obstrução à exposição ao céu e ao sol e à passagem e circulação dos ventos. ➔ As massas construídas alteram a emissão de radiação de onda longa no período noturno, e podem aumentar ou reduzir a reflexão de radiação ➔ A morfologia urbana altera as quantidades de radiação solar incidente, radiação difusa e refletida recebidas pelo espaço, inclusive no período noturno, a velocidade dos ventos e, por consequência, a Temperatura do Ar, a Temperatura Radiante Média, a temperatura de globo, a umidade relativa e quaisquer índices de conforto térmico.
Resultados
➔
Os modelos com menores verticalização e volume construído e maiores valores de fator de visão de céu foram os que apresentaram as maiores temperaturas do período diurno. Houve uma diferença máxima de temperatura de aproximadamente 1,5°C entre os modelos.
➔
O modelo mais adensado foi o que apresentou a menor temperatura diurna, justamente por sua configuração de cânion urbano, ocasionando maior sombreamento dos espaços urbanos abertos.
➔
Os modelos mais verticalizados e com maior volumetria construtiva apresentam as maiores temperaturas noturnas, o que se deve principalmente ao maior acúmulo de calor nas massas construídas e ao aprisionamento de calor pela reflexão de radiação no cânion urbano
Resultados
➔
Quanto menos adensados os modelos, mais responsivos às variações de temperatura devido à maior exposição à radiação solar direta durante o dia e à menor emissão de radiação de onda longa.
➔
Os modelos com menor variabilidade de alturas foram os que apresentaram maior homogeneidade espacial das temperaturas do ar. Em modelos com maior variabilidade de alturas, a diferença de temperatura chega a 3,3°C.
➔
A variabilidade de alturas ocasiona condições diferenciais de sombreamento e exposição ao sol, e zonas de baixa e alta pressão de ventos, permitindo maior variabilidade das condições térmicas dos espaços urbanos abertos.
➔
As maiores diferenças de resposta entre os modelos dizem respeito às diferentes condições de TRM, cuja diferença máxima chega a 2,2°C entre os modelos.
Resultados
➔
É natural ainda que o posicionamento e a geometria das edificações alterem as direções e as velocidades de circulação dos ventos.
➔
Modelos com maiores espaçamentos entre edificações e variabilidades de alturas foram os mais permissivos à circulação dos ventos, permitindo velocidades de ventos que chegam a ser o dobro de outros modelos.
➔
A boa circulação dos ventos torna o ambiente mais suscetível também às variações da Temperatura do Ar, o que auxilia na retirada de calor e, por consequência, no período noturno com condições mais amenas.
➔
A circulação do vento impacta as condições de Temperatura do Ar (Tar), Temperatura Radiante Média (TRM) e Temperatura Equivalente Percebida (TEP)
Resultados
➔
Há uma diferença de até 2,5°C nos valores de TEP entre os modelos, sendo que fica nítido que os modelos menos adensados apresentaram as condições noturnas mais amenas de calor
➔
O Ipiranga foi o modelo que apresentou melhor desempenho quanto à TEP, o que se justifica por uma série de fatores: ◆
distribuição das edificações mais altas no terreno,
◆
grande variabilidade de alturas das edificações
◆
traçado viário regular e quadrangular, com vias norte-sul e leste-oeste que permitem uma circulação mais eficiente dos ventos advindos de sudeste
◆
alternância das alturas e distribuições das edificações no Ipiranga permite uma alternância nas condições de insolação e sombreamento.
ASPECTO MORGOLÓFICO
AUMENTO OU REDUÇÃO
PARÂMETROS URBANÍSTICOS ASSOCIADOS
EFEITOS IDENTIFICADOS
VOLUMETRIA E DENSIDADE CONSTRUÍDA
↑
Área Total Construída (↑) CA (↑) TO (↑) Volume Total Construído (↑)
Menor suscetibilidade às variações térmicas diárias, com menor amplitude térmica.
FVC (↓) Fator H/W (↓)
Maior quantidade de radiação emitida pelas superfícies e edificações (onda longa) no período noturno devido ao maior acúmulo de calor pelas massas construídas.
Maior quantidade de espaços sombreados com mascaramento de céu e obstrução à exposição ao céu e ao sol, com menor quantidade de radiação solar direta nos espaços.
Menor permeabilidade à passagem dos ventos, com menores velocidades. Menores valores de temperatura de ar, Temperatura Radiante Média, radiação incidente e Temperatura Equivalente Percebida no período diurno. Maiores valores de temperatura de ar, Temperatura Radiante Média, radiação incidente e Temperatura Equivalente Percebida no período noturno. ↓
FVC (↑) Fator H/W (↑) Área Total Construída (↓) CA (↓) TO (↓) Volume Total Construído (↓)
Maior suscetibilidade às variações térmicas diárias, com maior amplitude térmica. Maior quantidade de espaços expostos ao céu e ao sol, com maior quantidade de radiação solar direta nos espaços. Menor quantidade de radiação emitida pelas superfícies e edificações (onda longa) no período noturno. Maior permeabilidade à passagem dos ventos, com maiores velocidades. Maiores valores de temperatura de ar, Temperatura Radiante Média, radiação incidente e Temperatura Equivalente Percebida no período diurno. Menores valores de temperatura de ar, Temperatura Radiante Média, radiação incidente e Temperatura Equivalente Percebida no período noturno.
ASPECTO MORGOLÓFICO
AUMENTO OU REDUÇÃO
PARÂMETROS URBANÍSTICOS ASSOCIADOS
VERTICALIZAÇÃO
↑
Altura máxima dos edifícios (↑) Altura média dos edifícios (↑) Fator H/Aproj (↑) Fator H/W (↑) Perfil de alturas dos edifícios (↑)
EFEITOS IDENTIFICADOS
Aumento do sombreamento sobre os espaços urbanos abertos. Maior heterogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação. Maior efeito de cânion urbano, com efeitos de canalização de ventos, aprisionamento de calor, etc. Criação de zonas de alta e baixa pressão que beneficiam a circulação diferencial de ventos entre os espaços, que auxilia a retirada de calor.
Perfil de áreas de projeção (↓) Sombreamento dos edifícios uns sobre os outros.
↓
Perfil de áreas de projeção Aumento das áreas com acesso desobstruído ao sol e ao céu. (↑) Maior homogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação. Altura máxima dos edifícios (↓) Altura média dos edifícios (↓) Fator H/Aproj (↓) Fator H/W (↓) Perfil de alturas dos edifícios (↓)
Maiores velocidades de ventos a menores alturas. Menos obstáculos à passagem dos ventos e ao acesso ao sol. Maior insolação generalizada dos espaços abertos, das coberturas e fachadas das edificações.
ASPECTO MORGOLÓFICO
AUMENTO OU REDUÇÃO
VARIABILIDADE DE ALTURAS DAS EDIFICAÇÕES
↑
PARÂMETROS URBANÍSTICOS ASSOCIADOS
EFEITOS IDENTIFICADOS
Desvio padrão das alturas Criação de áreas de insolação e áreas de sombreamento nos diferentes espaços (↑) urbanos. Perfil de alturas dos edifícios (-)
Maior heterogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação. Redução dos efeitos de cânion urbano, reduzindo efeitos de canalização de ventos, aprisionamento de calor, etc. Criação de zonas de alta e baixa pressão que beneficiam a circulação diferencial de ventos entre os espaços, que auxilia a retirada de calor.
↓
Perfil de alturas dos edifícios (-)
Padronização da condição de insolação e sombreamento dos espaços, seja para a insolação, seja para o sombreamento.
Desvio padrão das alturas Maior homogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação. (↓) Em caso de edificações altas, maximização dos efeitos de cânions urbanos. Circulação mais rápida e unidirecional dos ventos, que pouco variam de direção, altura e velocidade, passando sobre as edificações ou entre as mesmas, reduzindo a capacidade de retirada de carga térmica.
ASPECTO MORGOLÓFICO
AUMENTO OU REDUÇÃO
PARÂMETROS URBANÍSTICOS ASSOCIADOS
LARGURAS DAS VIAS E AFASTAMENTO DAS EDIFICAÇÕES
↑
Fator de Visão de Céu (↑) Recuos (↑) Fator H/W (↓) Alinhamento frontal (↓)
EFEITOS IDENTIFICADOS
Criação de áreas de insolação e áreas de sombreamento nos diferentes espaços urbanos. Maior heterogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação, majoritariamente maiores no período diurno e menores no período noturno. Redução dos efeitos de cânion urbano, reduzindo efeitos de canalização de ventos, aprisionamento de calor, etc. Maior permissividade à circulação dos ventos advindos de quaisquer direções, maximizando a retirada de carga térmica. Criação de zonas de alta e baixa pressão que beneficiam a circulação diferencial de ventos entre os espaços, que auxilia a retirada de calor.
↓
Fator H/W (↑) Alinhamento frontal (↑) Fator de Visão de Céu (↓) Recuos (↓)
Maior sombreamento dos espaços urbanos abertos. Maior homogeneidade de condições de Temperatura do Ar, insolação e radiação, majoritariamente mais baixas no período diurno e mais altas no período noturno. Em caso de edificações altas, maximização dos efeitos de cânions urbanos. Circulação mais rápida e unidirecional dos ventos, que pouco variam de direção, altura e velocidade, canalizados nos cânions urbanos, com maior probabilidade de gerar velocidades de ventos que causem desconforto.
➔ Diretrizes de planejamento para ordenamento do crescimento urbano futuro ➔ Soluções para futuros
Desdobramentos Futuros
empreendimentos ➔ Analisar demais modelos de tipologias urbanas ➔ Análise de modelos em outras situações climáticas ➔ Análise dos efeitos térmicos em função da variação de índices urbanísticos
OBRIGADO! gabrielalencarnovaes@gmail.com gabrielalencarnovaes@hotmail.com