Bioclimatismo na arquitetura

Bioclimatismo na arquitetura

(Parte 2 de 8)

Conforto Ambiental 2° semestre 2004

PROARQ e DTC – FAU - UFRJ 9

Fig. T4 - Diagramas bioclimáticos aplicados a Florianópolis para período de 24h no inverno (15/06 a 15/08) e no verão (15/1 a 15/02). Fonte : Programa Analysis 2.0 - LabEEE UFSC

1.1. O diagnóstico do microclima.

Além do tipo de clima, para todo estudo arquitetônico, é necessário o conhecimento do microclima envolvido, ou seja, o clima do entorno próximo. Os valores que encontramos nas estações meteorológicas, são medidos em circunstâncias muito especiais e em geral distintas daquelas do nosso dia a dia. É necessário um estudo, sobre planta de relevo, para verificar as mudanças ocasionadas por topografia, cobertura vegetal, densidade urbana, etc. Da mesma forma que as montanhas, construções vizinhas podem esconder a radiação solar direta, refletir os raios de Sol, obstruir e modificar o sentido ou a velocidade dos ventos dominantes.

Na realidade, no estudo do microclima existe um limite além do qual, o assunto torna-se estudo de urbanismo, escapando às possibilidades de intervenção do arquiteto. Desta forma, é preciso avaliar apenas o impacto do entorno próximo à edificação - entorno natural, construído ou legislado - sobre a performance da construção. O que queremos é conseguir identificar os elementos específicos deste entorno capazes de modificar os dados climáticos padrão das estações meteorológicas.

Para uma primeira definição das estratégias bioclimáticas de projeto, não sendo possível conseguir os dados das estações climatológicas, uma pesquisa no terreno pode ajudar-nos a determinar qual o tipo de clima em jogo. Medem-se os valores médios (média das médias) da temperatura do ar e da umidade dos meses extremos - que são os piores - e aplica-se na tabela a seguir (Fig. T5):

TEMPERATURA diagnóstico UMIDADE ABSOLUTA diagnóstico

< que 10°C Frio > 6 g/Kg Úmido <4 g/Kg Seco

> que 30°C Muito Quente > 186g/Kg Úmido < 14 g/Kg Seco

Fig. T5 - (Fonte FERNANDEZ)

5 Segundo a relação de tensão de vapor do diagrama de GIVONI, pg. 32.

TBU[°C] W[ g/

Kg ]

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Combinando os diagnósticos de temperatura e umidade é possível gerarmos definições de clima como temperado úmido, quente seco, etc. Os resultados servirão de base na escolha das estratégias mais adequadas. Quanto aos ventos, em caso de ausência de dados, uma conversa com um ribeirinho, uma olhada no terreno com uma bússola e a tabela de Beaufort (ver figura T6), em horas, dias e estações diferentes, podem nos dar uma idéia, pela simples observação dos fenômenos ocorrentes, da velocidade e direção dos ventos e do tipo de abertura e esquadria necessária ao pleno aproveitamento deste recurso natural (exemplo de aplicação no anexo T7).

Fig. T6 – Tabela de BEAUFORT ref.: Gret (ver bibliografia)

Os dados geo-climáticos podem ser assim em seguida classificados pelo arquiteto como vantagens, trunfos, ou desvantagens, facilitando sua compreensão na escolha das estratégias de resfriamento passivo ou ativo, umidificação, desumidificação, aquecimento passivo ou ativo, inércia, etc., e serem incorporados à seu estilo, sua estética e a de seu entorno.

1.2. A construção, o usuário e o clima

Gerar uma arquitetura adequada a determinado clima significa elaborar espaços que propiciem ao seu usuário condições internas microclimáticas compatíveis ao funcionamento de seu metabolismo nas diversas atividades ali exercidas.

Como dissemos antes, o conforto higrotérmico é obtido sempre que se consegue manter, através de trocas com o meio ambiente ou via uma mudança metabólica, um equilíbrio entre o corpo e o entorno.

Já temos um instrumento – o diagrama bioclimático de Givoni – que nos permite verificar quais as estratégias mais eficazes para garantir no interior das edificações um nível de temperatura e umidade compatível no período ocupado com a atividade prevista. Por exemplo, no diagrama de Givoni aplicado para a cidade do Rio de Janeiro ( Ilha do Fundão) e para um período de ocupação total observamos a seguinte repartição de horas de conforto: 15% frio (mas não tanto quanto em Florianópolis), 20% conforto e 65% calor (Fig. T7).

Escala de Beaufort

Velocidade dos ventos Fenômenos comumente observados

0 0 a 0,2 m/s a fumaça (churrasqueira, chaminé, cigarro, etc.) sobe de forma vertical.

1 0,3 a 1,5 m/s o vento faz a fumaça se inclinar, mas ainda não consegue girar um catavento.

2 1,6 a 3,3 m/s o ser humano percebe o vento no rosto, as folhas das árvores e do catavento começam a se mexer.

3 3,4 a 5,4 m/s as folhas e os pequenos ramos das árvores se mexem de forma contínua e o vento faz as bandeiras se mexerem.

4 5,5 a 7,9 m/s o vento tira a poeira do chão e levanta folhas de papel.

5 8,0 a 10,7 m/s as pequenas árvores começam a balançar e começa a fazer espumas nas ondinhas dos lagos.

6 10,8 a 13,8 m/s fios elétricos começam a se mexer e fica muito difícil usar guarda-chuva.

7 13,9 a 17,1 m/s as árvores ficam completamente agitadas e fica muito difícil de se andar de frente para o vento.

8 17,2 a 20,7 m/s os pequenos ramos das árvores se quebram e não se pode andar normalmente sem um esforço terrível, de frente para o vento.

9 20,8 a 24,4 m/s as telhas dos telhados começam a ser arrancadas, ocorrem pequenas catástrofes com relação à casa.

10 24,5 a 28,4 m/s normalmente só ocorre no mar. Quando ocorre na terra, pode arrancar árvores com a raiz.

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Legenda: 1- Conforto 2- Ventilação 3-Resfriamento evaporativo 4-Massa térmica para resfr. 5- Ar-condicionado 6-Umidificação 7- Massa térmica/ Aquec. solar 8- Aquec. Solar passivo 9-Aquec.Artificial

Fig. T7 - Diagrama de conforto para Rio de Janeiro. Fonte: Efic.Energ.Arq. (CD) Lamberts et all

Ora, não nos cabe - como arquitetos - interferir em estratégias que impliquem em uma mudança metabólica (mudança de vestuário ou de atividade, por exemplo).

Desta forma só nos resta assegurar, via criação do envelope construtivo, uma relação favorável entre as necessidades humanas e o clima. Assim, retomando a figura das trocas higrotérmicas (Fig. T1), podemos inserir os elementos construtivos mais comuns e analisá-los (Fig. T8):

Principais trocas higrotérmicas entre o homem e a construção: R - trocas por radiação: entre o Sol e a construção, entre a abóbada celeste e a construção, entre o corpo e as paredes, entre as paredes. C - trocas por condução, contato entre o corpo e toda superfície em que ele toca, através das paredes. Cv - trocas por convecção. Entre o corpo e o ar que está em seu contato direto, entre o ar e as paredes (externa e internamente).

Fig. T8

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1.2.1 Trocas por radiação

Vejamos onde acontecem as trocas por radiação na construção: • nas superfícies exteriores da construção, coberturas e fachadas, por absorção da radiação solar, e emissão de calor6 para o céu ou para a abóbada celeste; • nas superfícies internas da construção expostas à radiação solar, por absorção da mesma e emissão , se possível7, de calor para a abóbada celeste; • entre as superfícies internas da construção, paredes, teto e piso, por absorção e emissão de calor e entre aquelas e o corpo humano , segundo a temperatura que se encontrem .

Exemplos: Lareiras e tetos radiantes (Fig. T9).

Fig. T9

O que acontece? O fogo da lareira irradia tanto para o próprio corpo da lareira quanto para o espaço à frente da 'boca'. Ao entrar em contato com corpos sólidos, as ondas eletromagnéticas absorvidas provocam efeitos térmicos (esquentam). Lembramos neste exemplo que a radiação não esquenta o ar como um todo. Este se aquece indiretamente pela convecção provocada pelo aumento de temperatura das superfícies atingidas pela radiação, (ver exemplo de convecção no glossário). Se por acaso a lareira for mal feita, a parede da lareira deixará passar, por condução, o fluxo de calor provocado pelo excesso de temperatura da superfície interna da lareira.

Outro exemplo de aplicação da radiação em arquitetura ilustrado na figura T9 é o conceito de teto radiante, usado em locais frios. O forro possui um sistema ativo de aquecimento (uma resistência elétrica ou tubulação de água quente embutida no teto). O teto aquecido esquenta por radiação o ambiente abaixo, sendo conseguida até uma diferença de 6 a 7°C acima da temperatura do ar. Como idéia de sua eficácia, para uma temperatura do ar de 17°C, é possível obter-se uma temperatura resultante de 23° a 24°C, em uma diferença da sensação que vai do frio ao conforto.

A variação da radiação solar recebida ao longo de um dia, para cada m2 de uma superfície, pode ser simulada através de programas de computador. Verifica-se maior ou menor ganho de calor de acordo com a orientação ou inclinação destas superfícies, que podem ser fachadas ou águas do telhado de uma construção.

Um dos programas simuladores aos quais temos acesso chama-se CASAMO. Veja exemplo de simulação no anexo T3.

É importante notarmos ainda que a emissão ou a absorção das ondas eletromagnéticas é função da geometria da troca, da temperatura dos corpos e das características do material de revestimento das superfícies. O que nos dá instrumentos para manipular essas trocas, aumentando-as ou reduzindo-as. O anexo T4 mostra as características de alguns materiais

6 Chamamos aqui de calor às emissões de ondas eletromagnéticas na faixa do infravermelho. 7 Alguns elementos de construção, como o vidro, são capazes de deixar a radiação solar atravessá-los, permitindo que alcance piso e paredes, mas impedem, por sua constituição, a emissão de ondas de calor (ou na faixa do infravermelho), no sentido contrário, de volta à calota, retendo o calor no ambiente. É o princípio do tão famoso efeito-estufa.

Cv

C Cv

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PROARQ e DTC – FAU - UFRJ 13 quanto à capacidade de absorção à radiação solar e de emissão e absorção em relação a outros corpos, para trocas de calor (na faixa do infravermelho).

Assim em climas quentes, lajes planas recebem uma carga térmica muito maior que telhados inclinados e prioriza-se o uso de cores claras nos revestimentos, pois oferecem fatores de absorção solar baixos, em torno de 0,20 a 0,30, impedindo a absorção de 80 a 70% da radiação solar incidente respectivamente.

Telhados em lajes com revestimento asfáltico (betume) aparente (α = 0,90), por exemplo, deixam entrar 70 % mais de radiação solar que a mesma laje revestida com pintura a óleo branca (α = 0,20).

No Rio de Janeiro, no verão, isto significa que estamos trabalhando potencialmente com valores bastante diferentes segundo nossa decisão de projeto:

- laje plana com asfalto: 7846 Wh/m2 x 0,90 =7061,4 Wh/m2

- mesma laje com pintura clara: 7846 Wh/m2x0,30 =2353,8Wh/m2, ("ganho" evitado de 4700Wh/m2)

- telhado de uma água (25°) à Sul c/ o revestimento anterior (pintura clara): 7007 Wh/m2 x 0,30 = 2102,1 Wh/m2, teremos um "ganho" evitado de 5744 Wh/m2 ao longo de um só dia em relação à laje tradicional e 250 Wh/m2 em relação à laje plana - um excelente método de resfriamento passivo, não?

Embora, lembrando sempre que como arquitetos, devemos pensar nos demais fatores determinantes de projeto, tais como a manutenção de um revestimento, antes de escolhermos um material exposto às intempéries. (Por que?)

1.2.2 Trocas por condução

Vimos através da figura T9, que as trocas térmicas por condução são as responsáveis pela "chegada" e "partida" do calor nos ambientes. Isto porque é ela quem propicia a propagação do calor através de um corpo homogêneo ou entre camadas distintas de um corpo em temperaturas diferentes.

O fluxo de calor variará em função da densidade do material (o ar enclausurado é melhor isolante que a matéria), de sua natureza química (medida através da condutividade) - onde materiais amorfos são menos sujeitos à condução que os cristalinos, e de sua taxa de umidade (já que a água é melhor condutora de temperatura que o ar). Veja as características térmicas médias de alguns materiais de construção no anexo T5.

Em projeto, o importante é que a condução constitui o mais poderoso instrumento, junto à radiação para controle das condições higrotérmicas internas das edificações, instrumentos extremamente necessários para obtermos conforto por meios passivos ou o mais baixo consumo de energia elétrica nos casos onde necessitemos utilizar resfriamento ativo8 ( ar condicionado).

Vamos dar um exemplo:

Uma sala onde necessitemos condicionar artificialmente o ar (sala de computadores por exemplo), e mantê-lo a 18°C para que a temperatura resultante fique em torno dos 20-21°C. Se as temperaturas das paredes desta sala forem muito superiores a 18°C, ocorrerão trocas por convecção e o ar da sala não ficará naquele patamar exigido pelo projeto de 18°C. Imaginemos que estamos em um instante que o Sol aparece e o exterior está a 37°C (Fig. T10):

8 Lembramos que o princípio da climatização ativa é o de obter o conforto ao uso mínimo de energia. Não se trata de sacrificar as condições de conforto higrotérmico, mas assegurá-las racionalmente.

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No instante seguinte o que acontece:

- a parede externa, em função do material que escolhemos sofre um incremento de temperatura, e chega, digamos a 40°C. Tendo de um lado 40°C e de outro 18°C, inicia-se um fluxo de calor de fora para dentro que só irá parar quando as duas superfícies limites da parede estiverem em uma temperatura de equilíbrio.

Imaginando, por absurdo, que os raios solares deixem de chegar (Fig. T11), que não haja mais trocas da parede externa com o exterior e que não haja mais nenhuma outra fonte interna de

troca, este valor será:(40° + 18°) /2, ou 29°C.
Fig. T11

A nova temperatura resultante de equilíbrio será: (18° + 29°)/2 =23,5 °C; obrigando o sistema de condicionamento de ar a ser projetado para uma temperatura de entrada mais fria, o que gerará:

- um consumo maior de energia; - um desconforto no usuário provocado pelo insuflamento de um ar a uma temperatura muito mais baixa que a circundante.

O que fazer? Trabalhar com o projeto e os materiais de forma a:

- ter o mínimo de absorção solar na superfície externa - via escolha de orientações apropriadas de fachadas (anexo T3), sombreamento e/ou fatores de absorção solar baixo (anexo T4); - escolher materiais de pouca condutividade (anexo T5);

- trabalhar com a espessura das paredes (vejam na fórmula da condução acima que a espessura (e) aparece no denominador, ou seja, quanto maior for (e), menor será o valor do fluxo transmitido).

Naturalmente a situação é ainda mais importante quando não estivermos climatizando, pois não teremos uma "fonte de frio" para compensar o fluxo de calor que estará chegando.

1.2.3 Trocas por convecção

As trocas por convecção constituem o recurso mais próximo ao ser humano, pois intervém diretamente na capacidade do ser humano de evacuar o calor pela evaporação nos poros. Ela serve também, para dissipar o calor acumulado nas superfícies internas da edificação - paredes, pisos e teto.

Além disto é ela quem garante a manutenção da qualidade do ar que respiramos. Se a taxa de renovação de ar de um ambiente é insuficiente para o tipo de atividade que ali se desenvolve, o usuário será prejudicado, a respiração torna-se menos ativa e há o aparecimento de uma fadiga

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