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Um estudo sobre o comportamento da luz natural em ambientes internos através de aberturas zenitais e sistemas de controle da luz solar direta. O trabalho analisa a admissão de luz natural em diferentes situações e compara o desempenho de sistemas sem controle, com controles internos e externos.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de estudo
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Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do grau de mestre em engenharia de produção e sistemas. Área de concentração: Ergonomia
ILUMINAÇÃO NATURAL POR ABERTURAS ZENITAIS COM ELEMENTOS DE CONTROLE
Ricardo Miranda Barcia - Ph.D.
Fernando O. R. Pereira - Ph. D.
Silvia R. M. Corrêa - Dr
Vera H. Moro Bins Ely - Dr
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AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Hercilio Paulino Ledra e Rosa Ledra, pelo infinito amor e apoio recebido nesses anos todos. Ao Rodrigo Panosso Zeilmann, pelo amor e carinho, pelas horas de apoio e incentivo e por estar ao meu lado. Ao professor e orientador Dr. Fernando Oscar Ruttkay Pereira, pelo exemplo, dedicação, apoio e orientação no trabalho. À coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas da Universidade Federal de Santa Catarina. Aos professores membros da banca Dr. Roberto Lamberts, Dr8. Silvia R. M. Corrêa e Dr3. Vera H. Moro Bins Elly. Especialmente à proP. Dr3. Silvia por gentilmente ter cedido seu material de consulta. Ao amigo e ex-prof. Ilson Wilmar Rodrigues Filho pelo incentivo inicial. Agradecimentos especiais à colega de mestrado Arq. Angela Pogere pela amizade, companheirismo e apoio. Ao colega de mestrado Arq. Sigfrido Graziano Junior, aos colegas do LabCon: Arq. Adriano Kremer, Arq. Alexandre de Souza Freire, Arq. Luiz Kuchenbecker, Eng. Marcos Barros de Souza, ao colega do LabEE M. Eng. Aldomar Pedrini, ao colega do LabMicro Elcio Silva.
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SUMÁRIO
1.4.1 Objetivos Específicos...................................................................................... .. 05 1.5 LIMITAÇÕES DO TRABALHO......................................................................... .. 05 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO.......................................................................... .. 06
2.1.2 A Iluminação Natural e o Homem .................................................................. .. 08 2.1.2.1 Visão e contato com o exterior.................................................................... .. 09 2.1.2.2 Benefícios psicológicos e fisiológicos para os usuários ........................ .. 09 2.1.2.3 Elemento arquitetônico e estético.............................................................. .. 10 2.1.2.4 Qualidade da luz natural ............................................................................ .. 11 2.1.2.5 Economia de energia................................................................................... 12
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FIGURA 1.1 Representação esquemática do comportamento da luz ao incidir sobre uma superfície de controle interna e externa, abertura monitor.................................................................................................... 04 FIGURA 2.1 Capela Ronchamp, Le Corbusier...................................................... 11 FIGURA 2.2 Desenho esquemático com uma projeção eqüidistante da abóboda celeste sobre um plano dimensional, o diagrama solar... 15 FIGURA 2.3 Exemplo do Diagrama solar eqüidistante com a trajetória aparente do sol...................................................................................... 15 FIGURA 2.4 Exemplo de átrio, Londres ................................................................... 16 FIGURA 2.5 Abertura lateral e abertura zenital...................................................... 17 FIGURA 2.6 Cobertura translúcida........................................................................... 18 FIGURA 2.7 Sistema de iluminação natural ativo................................................... 20 FIGURA 2.8 Sistema de iluminação natural no Museu de Chicago ..................... 20 FIGURA 2.9 Escola Valongo...................................................................................... 21 FIGURA 2.10 Cobertura de uma casa de banho na Turquia .................................. 23 FIGURA 2.11 Detalhe de sistema de iluminação zenital no Antigo Egito............. 24 FIGURA 2.12 Panteon, Roma...................................................................................... 25 FIGURA 2.13 Bazar Persa......................................................................... .................. 25 FIGURA 2.14 Cobertura em ferro e vidro, pavilhão de exposições em Paris ....... 26 FIGURA 2.15 Vista da cobertura do museu Sir John Soane, London ................... 27
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FIGURA 4.19 Abertura lucernário - gráfico da diversidade .................................... .... 92 FIGURA 4.20 Abertura lucernário - gráfico da uniformidade .................................. ... 93 FIGURA 4.21 Gráfico isolux abertura monitor/controle externo - 21/06 céu claro 95 FIGURA 4.22 Gráfico isolux abertura monitor/controle interno - 21/06 céu claro. 95 FIGURA 4.23 Gráfico isolux abertura monitor/sem controle - 21/06 céu claro .... ... 95 FIGURA 4.24 Perspectiva com distribuição espacial das iluminâncias, abertura monitor/controle externo - 21/06 céu claro........................................ ... 96 FIGURA 4.25 Perspectiva com distribuição espacial das iluminâncias, abertura monitor/controle interno - 21/06 céu claro......................................... ... 97 FIGURA 4.26 Perspectiva com distribuição espacial das iluminâncias, abertura monitor/sem controle - 21/06 céu claro ............................................. ... 97 FIGURA 4.27 Gráfico isolux abertura monitor/controle externo - 21/06 céu encoberto................................................................................................ .. 98 FIGURA 4.28 Gráfico isolux abertura monitor/controle interno - 21/06 céu encoberto................................................................................................ .. 98 FIGURA 4.29 Gráfico isolux abertura monitor/sem controle - 21/06 céu encoberto................................................................................................ .. 98 FIGURA 4.30 Gráfico isolux abertura monitor/controle externo - 21/12 céu claro 99 FIGURA 4.31 Gráfico isolux abertura monitor/controle interno - 21/12 céu claro. 99 FIGURA 4.32 Gráfico isolux abertura monitor/sem controle - 21/12 céu claro .... .. 99 FIGURA 4.33 Gráfico isolux abertura monitor/controle externo - 21/ encoberto................................................................................................ .. 100 FIGURA 4.34 Gráfico^ isolux^ abertura^ monitor/controle^ interno^ -^ 21/12^ céu
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claro......................................................................................................... 105 FIGURA 4.47 Gráfico isolux abertura lucernário/sem controle - 21/12 céu claro 105 FIGURA 4.48 Gráfico isolux abertura lucernário/controle externo - 21/12 céu encoberto ........... ........................... ........................................................ 106 FIGURA 4.49 Gráfico isolux abertura lucernário/controle interno - 21/12 céu encoberto................................................................................................ 106 FIGURA 4.50 Gráfico isolux abertura lucernário/sem controle - 21/12 céu encoberto................................................................................................ 106
A necessidade atual de economia de energia e a busca pelo conforto e bem estar do homem tem aumentado o interesse pelo uso da iluminação natural nos ambientes internos. As aberturas zenitais são atraentes pois proporcionam maiores iluminâncias internas e uma distribuição dos níveis mais uniforme. Entretanto, esta tipologia de abertura pode apresentar ofuscamento e calor excessivo decorrentes da penetração de luz solar direta no ambiente interno. Neste caso, elementos de proteção podem ser usados, que são dispositivos projetados para controlar a entrada da luz solar direta no ambiente interno. Com o uso de simulações computacionais, utilizando-se o programa Lightscape ® V.3., este trabalho analisa o comportamento da luz natural admitida em ambientes internos através de aberturas zenitais em conjunto com elementos de controle da luz solar direta. As principais variáveis do estudo referem-se a tipologia da abertura, monitor e lucernário; e ao elemento de controle, interno e externo. Os parâmetros de análise referem-se as iluminâncias e sua distribuição espacial no ambiente interno. Os resultados apresentaram melhor desempenho do elemento de controle interno, na condição de céu claro, porém com limitações na condição de céu encoberto.
A descoberta da lâmpada incandescente, em 1880, deu início ao processo de substituição das fontes naturais de luz pelas fontes artificiais, ainda que, inicialmente seu custo fosse muito elevado. Mas, na década de 50, com a introdução da lâmpada fluorescente, a luz artificial torna-se rapidamente a fonte de luz preferencial na maioria das edificações, independente da disponibilidade de luz natural presente no ambiente externo, que passa a ser, geralmente, ignorada ou tratada como um problema pelos projetistas (Lam, 1986, p.x; Baker et al, 1993, p.1.15). A partir da crise do petróleo em 1973, o esgotamento dos recursos naturais e a utilização desmedida das fontes de energia artificiais torna-se objeto de questionamentos. Na busca de soluções para a crise de energia, usuários e projetistas encontram na luz natural uma alternativa para a redução do consumo de energia das fontes artificiais. O uso da luz natural, no entanto, não justifica-se somente na economia de energia. O resgate de muitos exemplos históricos conduz a um entendimento da necessidade do homem estar em contato com o ambiente natural e também pela necessidade de qualidade no ambiente construído. A qualidade da luz natural associa-se a fatores como: benefícios psicológicos e fisiológicos para os usuários, elemento estético e arquitetônico, relacionamento com o ambiente externo e qualidade espectral da luz natural. Apesar de todas as evoluções tecnológicas e do grande enfoque dado aos sistemas de iluminação artificial, as aberturas e outros sistemas de iluminação natural têm tido seu espaço e mantêm-se em evolução, principalmente, nas últimas décadas. Porém, ainda há muito que ser desenvolvido para chegar-se a otimização da utilização da luz natural nos ambientes internos. O trabalho desenvolvido nesta dissertação aborda as aberturas, elementos responsáveis pela passagem da luz para o interior de uma edificação e também, os sistemas de iluminação natural mais comumente utilizados. Neste contexto, desenvolveu- se a análise da admissão da luz natural através de aberturas zenitais, quando estas incorporam elementos de controle da luz solar direta.
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Localizadas nas paredes externas das edificações ou no envelope1 do edifício, as aberturas dividem-se basicamente em dois grupos: aberturas laterais, situadas nos planos verticais das edificações e aberturas zenitais, situadas nos planos horizontais ou de cobertura das edificações. Historicamente, as aberturas laterais têm sido a forma predominante de iluminação natural, mas proporcionam uma distribuição de iluminâncias desigual, com altos niveis próximo a abertura e baixos níveis no fundo dos ambientes, enquanto as aberturas zenitais apresentam distribuição dos níveis mais uniforme e maiores iluminâncias internas com a mesma área de vidro que uma abertura lateral. Contudo, as aberturas zenitais apresentaram durante muito tempo características que limitaram seu uso, como a grande dificuldade em proteger o ambiente interno das intempéries externas, principalmente água proveniente de chuvas. Apresentam também problemas como ganho de calor e ofuscamento, comuns em sistemas zenitais. A alternativa para solucionar este problema pode estar na utilização de dispositivos de proteção ou controle da luz solar direta, melhorando a performance do sistema e reduzindo assim, problemas com ofuscamento e ganho de calor solar excessivo. Sabe-se que a utilização de elementos de controle em conjunto com sistemas de iluminação, laterais ou zenitais, é uma estratégia de projeto que conduz a um melhor aproveitamento da luz natural em um ambiente interno, (Corrêa, 1997, p.280). Contudo, os sistemas zenitais, bem como os elementos de controle, são pouco utilizados. Percebe- se hoje, em muitas edificações, que na impossibilidade de inserção de uma abertura lateral, sistemas artificiais são preferidos em detrimento da implantação de uma abertura zenital (Leder et al, 1998, p.412-415). O presente trabalho justifica-se na necessidade de ampliar o conhecimento das características de sistemas zenitais e elementos de controle da luz solar direta. Neste contexto, acredita-se que maiores informações sobre comportamento da luz natural, admitida por esses sistemas, poderá desencadear aumento no interesse dos projetistas
1 Envelope - Termo que refere-se ao conjunto de paredes que formam o volume externo da edificação.
