Apostila (1994 – R2002 ) – Insolação de edifícios e o projeto de suas proteções solares PDF

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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS DEPARTAMENTO DE ARTES E ARQUITETURA "Escola Prof. Edgar Albuquerque Graeff"

INSOLAÇÃO DE EDIFÍCIOS E O PROJETO DE SUAS PROTEÇÕES SOLARES

Prof. António Manuel Corado Pombo Fernandes professor arquiteto

1994 (revisto em 2002)

INSOLAÇÃO DE EDIFÍCIOS E O PROJETO DE SUAS PROTEÇÕES SOLARES

APRESENTAÇÃO

Este texto pretende ser um instrumento expedito que capacite o estudante de arquitetura a incorporar ao seu ato projetivo o entendimento da insolação dos edifícios que lhe permitirá, com segurança, tratar de algumas questões importantes referentes ao conforto térmico, tais como: insolação de fachadas, a partir de suas orientações, definindo seus horários de insolação nos períodos principais do ano, equinócios e solstícios; projeto de proteções solares, os brises-soleil, capazes de proteger convenientemente as aberturas envidraçadas evitando as consequências negativas do efeito estufa tendo em vista que nos situamos em região tropical onde o calor é a grande preocupação. Pedagogicamente optou-se por um texto enxuto e objetivo que, sem cair na forma de receituário, possa transformar um conhecimento mínimo indispensável em um instrumento de aplicação, simples e imediata, coadjuvante do ato conceptivo arquitetônico. Com a mesma preocupação, prefere-se, sempre que possível, tratar o assunto de forma gráfica, abdicando, conscientemente, de cálculos matemáticos mais complexos e extensos visto que é o desenho a forma precípua de comunicação e de estudo do arquiteto. Primeiramente, na Introdução, apresentam-se alguns conceitos e determinadas informações que, em princípio, justificam a importância do estudo que o presente texto traz para uma concepção arquitetônica preocupada com a questão do conforto térmico assim como com a racionalização do consumo de energia nos edifícios. A lembrança de Le Corbusier como o criador dos brises-soleil é ponto desse prólogo. Depois, em sequência, apresentam-se: os dados astronômicos básicos sobre a posição relativa Sol e Terra assim como os movimentos desta, rotação e translação; o movimento aparente do Sol na imaginária abóboda celeste, ao longo do ano; o sistema de projeção adotado – projeção estereográfica horizontal - e a obtenção das cartas solares, seu entendimento e manuseio; em seguida, a primeira aplicação à arquitetura, isto é, os horários de insolação de uma fachada, dada sua orientação (azimute) nos momentos notáveis das estações, equinócios e solstícios, conhecida a latitude do local. Esta primeira aplicação, embora de grande significado prático, é operação gráfica muito simples constituindo-se no posicionamento disciplinado de uma linha reta sobre a carta solar representativa da latitude do local. A sequência final apresenta: o chamado transferidor de ângulos de sombra que, sobreposto corretamente à carta solar, permitirá relacionar a sombra desejável com a geometria dos elementos de proteção solar capazes de promovê-la, sem, contudo, predeterminar a forma final dos brises-soleil; questões estéticas e construtivas deverão coadjuvar a definição final; os tipos de brises - horizontais, verticais e em grelha - e suas correspondentes máscaras assim como suas potencialidades de proteção em função da orientação das fachadas; e, finalmente, uma série de exercícios de fixação da aprendizagem. Em anexo apresentam-se, a carta solar para 16º Sul e o transferidor de ângulos de sombra, instrumentos básicos para o estudo da insolação e o projeto das proteções. A contribuição deste texto diz respeito à área de tecnologia do projeto. É, portanto, mais um instrumento à disposição do projetista. O seu uso não é determinante da arquitetura, mas, sem dúvida, poderá ser coadjuvante, como esperamos, na concepção de uma arquitetura mais qualificada, comprometida com seu usuário e com o meio ambiente. Prof. António Manuel C. P. Fernandes http://www.ucg.br/deparcursos/arq/ConfortoTermico/index.htm

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INTRODUÇÃO "Embora Corbu viesse trabalhando no conceito das persianas para controle do sol muitos anos antes de 1936, o Ministério da Educação no Rio foi o primeiro grande edifício em que se fez pleno uso do dispositivo. Desde então, a combinação de uma parede de cortina de vidro protegida por uma grade de dispositivos de controle do sol, verticais, horizontais, circulares, etc, tem sido uma solução comum para os edifícios modernos. Bem projetada, essa cortina externa de persianas pode conservar o interior fresco sem obstruir muito a vista dos espaços externos. Até nos edifícios com ar condicionado, êsses dispositivos de controle do sol ajudam a reduzir sensivelmente a carga e a despesa do ar condicionado. Em todas as áreas tropicais e semitropicais do mundo, os brises-soleil de Corbu são agora um dispositivo arquitetônico aceito e de valor comprovado." [4]

O texto acima em epígrafe e a respectiva ilustração [1] foram especialmente escolhidos com o objetivo de salientar que, muito mais que um aparato técnico, as proteções solares são elementos da composição arquitetônica e, como tal, devem incorporar, na concepção original do projeto, as dimensões artísticas do objeto arquitetônico. Entender e manipular tecnicamente a questão da insolação e da geometria mais adequada para sua proteção é tarefa relativamente simples se comparada àquela outra, ou seja, incorporar tais subsídios à obra de arquitetura com sensibilidade artística. Se imaginarmos subtrair os brises-soleil do edifício do Ministério da Educação, acima ilustrado, pode-se perceber, com certeza, que a consequência não será apenas a redução de um aparato técnico, mas, principalmente, o empobrecimento da arquitetura, pois a obra foi concebida tomando partido plástico do referido aparato, ou seja, assumindo-o conceitualmente como um brise-soleil. Feito este preâmbulo que consideramos de grande relevância tendo em vista a fase de formação de conceitos no aprendizado do estudante de arquitetura passaremos a discorrer sobre alguns princípios e informações que sustentam a importância, especialmente em climas tropicais, da redução das cargas térmicas que penetram no espaço interno dos edifícios comprometendo sua habitabilidade ou elevando, desnecessária e onerosamente, os gastos energéticos com a climatização artificial. Prof. António Manuel C. P. Fernandes http://www.ucg.br/deparcursos/arq/ConfortoTermico/index.htm

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Parte da envolvente dos edifícios é constituida por fechamentos transparentes necessários não só para permitir o recurso à iluminação natural como também para oferecer ao usuário a visão do espaço exterior de grande significado psicológico. Nas últimas décadas, as extensas superfícies envidraçadas - as cortinas ou peles de vidro têm comparecido com muita ênfase na arquitetura partindo muito mais para caracterizar uma linguagem plástica aceita e desejada pela sociedade - um modismo - do que para garantir as duas necessidades apontadas no início deste parágrafo. As novas soluções estruturais e construtivas têm permitido tais arroubos gerando as famosas caixas de cristal. No entanto, tais fechamentos transparentes são elementos frágeis de um edifício. Além de apresentarem transmissão térmica elevada e permitirem fácil passagem aos ruidos, são, invariavelmente, mais caros que os fechamentos opacos. Quanto à transmissão térmica são dois os inconvenientes: primeiro, suas espessuras sempre muito delgadas e sua condutibilidade térmica elevada facilitam a passagem do calor por condução e convecção derivando um aporte de carga térmica significativo; segundo, e mais importante para o presente texto, a sua transparência permite, obviamente, uma elevada transmissão da radiação solar - 0,85 da radiação incidente, normal à superfície, no caso do vidro plano comum [1] - que se transforma em calor interno. Os elementos internos, aquecidos, emitem radiações que, por suas características - radiações de onda larga - são refletidas pelo vidro, mantendo-se no espaço interior, provocando o aumento da temperatura do ar interno. Configura-se, assim, o chamado efeito estufa, inimigo implacável na perseguição da habitabilidade térmica em climas quentes. O projetista preocupado poderá recorrer a quatro alternativas para efetivar ações de controle solar e reduzir a carga térmica sobre o edifício [2]: a - orientação solar das fachadas e dimensão das áreas envidraçadas, b - proteções solares internas: persianas, cortinas, etc., c - vidros especiais, d - proteções solares externas: os brises-soleil. Na figura abaixo apresenta-se a eficiência relativa entre algumas dessas alternativas. Percebe-se, com facilidade, que as proteções internas assim como os vidros especiais têm uma eficiência reduzida quando se comparam com o resultado obtido com as proteções externas, isto é, os brises.

COMPARAÇÃO ENTRE ÁREAS DE ALGUNS FECHAMENTOS ENVIDRAÇADOS QUE DEIXAM PASSAR A MESMA QUANTIDADE DE ENERGIA SOLAR. Adaptado de [1].

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As proteções solares internas, persianas ou cortinas, só conseguem uma certa eficiência quando a cor de suas superfícies viradas para o exterior é branca ou muito clara devolvendo para fora, por reflexão, parte da radiação; com cores escuras o resultado é quase desprezível: ao absorverem a radiação, instauram o efeito estufa e passam a aquecer o ar interior. Quanto aos vidros especiais podemos fazer algumas breves considerações [2,3] que elucidem certos equívocos bastante comuns . Para melhor entendê-las acompanhe a leitura observando a figura e a tabela abaixo: - os vidros absorventes (vulgarmente chamados de "fumê") embora apresentem coeficientes de transmissão ( T ) que podem ser bastante reduzidos quanto mais escuros forem, têm, inversamente e em contrapartida, coeficientes de absorção ( A ) progressivamente elevados (vidro comum: T = 0,85 ; A = 0,07 ; vidro absorvente escuro: T = 0,09; A = 0,86). Essa barganha, que muitas vezes ilude os desavisados, resulta pouco eficiente pois, ao assumirem temperaturas bastante elevadas resultado da absorção (mais de 25º C acima da temperatura do ar exterior) transmitem para o interior ( Ai ), por radiação e convecção, boa parte do calor absorvido (40% ou bem mais quando há refrigeração e a temperatura interna é bem menor que a externa) além de se constituirem como superfícies quentes e radiantes de extremo desconforto para o corpo humano; - os vidros refletores conseguem boa eficiência quando refletem para o exterior grande parcela da radiação incidente ( R > 0,45 ); seu custo, por outro lado, é proporcional à sua capacidade de reflexão pois agregam películas especiais de reflexão seletiva (refletem as radiações invisíveis), bastante onerosas, inviabilizando sua adoção na maioria das vezes. Outra crítica diz respeito às reflexões provocadas e que passam a ser incomodativas aos usuários dos edifícios vizinhos assim como aos próprios transeuntes das vias públicas.

DESEMPENHO TÉRMICO DE ALGUNS VIDROS DIANTE DA RADIAÇÃO SOLAR Tipos de Vidro T A 1. Comum 0,85 0,07 2. Absorvente Claro 0,52 0,41 3. Absorvente Médio 0,31 0,63 4. Absorvente Escuro 0,09 0,86 5. Refletor Médio 0,25 0,42 6. Refletor Escuro 0,11 0,42 7. Absorvente + Câmara de Ar + Comum 0,32 0,62 Prof. António Manuel C. P. Fernandes http://www.ucg.br/deparcursos/arq/ConfortoTermico/index.htm

R 0,08 0,07 0,06 0,05 0,33 0,47 0,06

G 0,88 0,68 0,56 0,43 0,42 0,28 0,57

ts ta + 7,0 ta + 23,3 ta + 26,6 ta + 26,6 ta + 21,0 ta + 22,8 -----

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INSOLAÇÃO DE EDIFÍCIOS E O PROJETO DE SUAS PROTEÇÕES SOLARES -------------------------------------------Legenda (adaptado de [1])-------------------------------------------------T = coef. de transmissão (normal à superfície); G = coef global transmissão (G = T + 0,4 A) A = coef. de absorção (normal à sup); ta = temperatura do ar exterior (C) R = coef. de reflexão (normal à sup); ts = temperatura superficial máxima ao s

Com estas considerações fica claro que a raiz do problema deve ser atacada e resolvida abordando as outras duas alternativas, pois só elas oferecem possibilidade de solução significativa: orientação adequada das fachadas com parcimônia, sempre que possível, nas dimensões das áreas envidraçadas e proteções exteriores, quando necessárias, convenientemente projetadas. Na tabela abaixo, pode-se verificar a eficiência comparativa entre as diversas alternativas de trato da questão. Os números apresentados são bastante elucidativos e a sua interpretação, acredita-se, pode ser extremamente pedagógica e persuasiva. REDUÇÃO DA CARGA TÉRMICA NOS EDIFÍCIOS

Item Projeto Convencional Projeto Racional Redução _____________________________________________________________________ envidraçado 80/100% das fachadas 30/35% das fachadas 15% tipo de vidro comum antitérmico refletivo 8 a 15% maior eixo: norte/sul maior eixo: leste/oeste orientação solar maiores fachadas: maiores fachadas: 11% leste e oeste norte e sul venezianas internas 15% proteção solar inexistente --------------------------------30% brises-soleil iluminação fluorescente normal alta eficiência 5% cores externas médias/escuras claras 5% carga total 100% 60 a 65% 35 a 40% carga unitária 160 a 180 w/m2 100 a 120 w/m2 60 w/m2 ______________________________________________________________________ Fonte: Agência para Aplicação de Energia/SP - retirado de [7] O principal objetivo do presente texto de estudo da insolação dos edifícios e de suas proteções é proporcionar um instrumental para combater o problema na raiz eliminando ou reduzindo drasticamente a entrada da radiação solar direta, isto é, sombreando eficientemente as superfícies envidraçadas. Num país como o nosso quase todo de clima tropical, construir a sombra é uma necessidade básica para obter-se uma arquitetura comprometida com o homem e com o meio ambiente. Não pode ser apenas força de expressão mas sim uma postura consciente. Uma atitude consequente capaz, inclusive, de motivar a criação de novas formas arquitetônicas.

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A TERRA E O SOL

A Terra gira em torno do Sol numa trajetória elíptica de pequena excentricidade, isto é, os focos da elipse situam-se muito perto entre si. O Sol posiciona-se num desses focos. O tempo dessa translação, como se sabe, é de 365 dias e 4 horas. Para efeito deste texto não iremos muito além no que diz respeito à astronomia, pois não será necessário para entender-se, suficientemente, a geometria da insolação. A Terra gira, também, em torno de seu próprio eixo caracterizando o movimento de rotação que provoca a ocorrência do dia e da noite no período de 24 horas. O ponto crucial, no entanto, da relação Terra-Sol é a posição relativa entre o eixo de rotação da Terra e o seu plano de translação em torno do Sol, ou seja, a eclíptica. A longa experiência didática no trato do assunto leva-nos a iniciar a abordagem da questão de forma hipotética como se segue. Caso o eixo de rotação fosse perpendicular à eclíptica, como se pode ver na ilustração abaixo, a posição relativa Terra-Sol seria idêntica para todos os momentos do movimento de translação, isto é, em todos os dias do ano o Sol nasceria exatamente no ponto cardeal Leste, por-se-ia exatamente a Oeste e faria sempre, ao longo de cada dia, um mesmo caminho no céu. Êsse caminho, invariavelmente um semicírculo, só sofreria alteração, mais "em pé" ou mais "deitado", caso o observador se deslocasse no sentido Norte ou Sul, isto é, mudasse de latitude. Um observador, posicionado no equador, veria o Sol subir do horizonte verticalmente passando, ao meio-dia, no ponto mais alto do céu, ou seja, no zênite; após o meio-dia, desceria, também verticalmente, sobre o horizonte oposto. Caso o observador se deslocasse, por exemplo, para uma latitude Sul de 45º , o plano que contém o semicírculo apresentar-se-ia "deitado" para Norte com a inclinação correspondente, ou seja, 45º . E se o observador se posicionasse no polo o semicírculo estaria completamente "deitado", isto é, confundir-se-ia com o horizonte; na verdade, o Sol giraria sobre o horizonte dando uma volta completa em 24 horas: não haveria nascer nem pôr do Sol, não seria dia nem noite!

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Abóboda

N

S

N

S

Nesta hipótese não haveria estações, pois todos os dias do ano seríam iguais tendo o período diurno e noturno sempre a mesma duração de 12 horas em qualquer latitude. A região equatorial seria bem mais quente e as regiões de latitudes elevadas muito mais frias. A diversidade bioclimática seria muito mais reduzida. Talvez o ser humano nem existisse! A hipótese levantada cumpriu um objetivo didático de introduzir, com mais facilidade para o iniciante da matéria, a geometria da posição Terra-Sol. Na realidade o eixo de rotação da Terra faz com a eclíptica um ângulo de 23º e 27 minutos que, para efeito de simplificação, será arredondado para 23,5º . A Terra, ao girar em tôrno do Sol no movimento de translação, mantêm o referido eixo paralelo a si mesmo decorrendo daí que a posição relativa Terra-Sol modifica-se a cada dia, havendo, ao longo do ano, apenas dois momentos em que essa posição se repete com simetria entre os hemisférios. Na figura abaixo, que ilustra o fenômeno, os dois momentos referidos recebem o título de equinócios: a reta que une os centros da Terra e do Sol é perpendicular ao eixo de rotação da Terra. Só nesses dois momentos a posição TerraSol equivale à da hipótese levantada anteriormente, isto é, ambos os hemisférios recebem igualmente a radiação solar, a duração do dia é igual à da noite, 12 horas, e o Sol nasce e se põe exata e respectivamente a Leste e a Oeste.

Os outros dois pontos notáveis da translação ilustrados acima, os solstícios, têm características distintas e simétricas: num deles o hemisfério Norte está visivelmente mais insolarado que o hemisfério Sul e no outro, ao contrário, o Sul está mais insolarado que o Norte. No primeiro é verão no Norte e inverno no Sul; no segundo, inversamente, é verão no Sul e inverno no Norte. A geometria específica desses dois momentos opostos está representada na figura a seguir. Prof. António Manuel C. P. Fernandes http://www.ucg.br/deparcursos/arq/ConfortoTermico/index.htm

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Verifica-se que as posições dos paralelos notáveis -- Trópico de Câncer, Trópico de Capricórnio, Círculo Polar Ártico e Círculo Polar Antártico -- são decorrentes do ângulo que o eixo de rotação da Terra faz com a normal ao plano da eclíptica. Até agora consideramos o observador fora da Terra. Nessa posição identificam-se os movimentos de translação e de rotação do planeta estando o Sol num ponto fixo. Para podermos avançar no estudo precisamos reposicionar o observador situando-o sobre a superfície terrestre. Neste momento todo o sistema toma nova perspectiva, isto é, o Sol é que gira em volta da Terra "desenhando" sua trajetória no céu. Esse movimento aparente é, na verdade, aquilo que nós observamos cotidianamente embora saibamos, desde Copérnico e Galileu, que não é o Sol que roda em volta da Terra. A cada dia que passa essa trajetória altera-se paralela e gradativamente em função das sucessivas variações da posição relativa Terra-Sol. Ao longo de seis meses a trajetória "caminha" 47º ( 2 x 23,5 ) e nos seis meses seguintes volta sobre si mesma até atingir o ponto inicial ao completar o ciclo anual. Os momentos extremos são o solstício de verão e o solstício de inverno e o momento intermediário representa os equinócios, de primavera e de outono. Para efeito de simplificação do estudo os desenhos vão-se re...