( PDF ) Análise da relação entre desenho e implantação de edificações unifamiliares e o consumo de energia

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”

UNESP – CAMPUS BAURU

FACULDADE DE ARQUITETURA, ARTES E COMUNICAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENHO INDUSTRIAL

Eraldo Francisco da Rocha

ANÁLISE DA RELAÇÃO ENTRE DESENHO E IMPLANTAÇÃO DE

EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES E O CONSUMO DE ENERGIA

BAURU

2007

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DEMESQUITA FILHO”

UNESP – CAMPUS BAURU

FACULDADE DE ARQUITETURA, ARTES E COMUNICAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENHO INDUSTRIAL

Eraldo Francisco da Rocha

DEFESA DE MESTRADO

ANÁLISE DA RELAÇÃO ENTRE DESENHO E IMPLANTAÇÃO DE

EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES E O CONSUMO DE ENERGIA

Dissertação apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Desenho Industrial –

Área de Concentração: Ergonomia, da

Faculdade de Arquitetura, Artes e

Comunicação da Universidade Estadual

Paulista “Júlio de Mesquita Filho” –

Campus de Bauru, como requisito para

obtenção do Título de Mestre em Desenho

Industrial, orientado pela PROFª.DRª. Arq.

Léa Cristina Lucas de Souza.

BAURU

2007

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DEDICATÓRIA

A toda minha família, e em especial a minha esposa Adriana, pela paciência,

pelo apoio e sobre tudo pela companhia.

AGRADECIMENTOS

Aos proprietários das residências pesquisadas, que abriram suas casas para

essa pesquisa.

Aos alunos de iniciação cientifica, Aline Prado de Oliveira, Camila Mayumi

Nakata e Camila Pereira Postigo, pelo apoio dado com suas pesquisas e fontes.

A todo corpo docente dessa instituição que tanto contribuíram direta ou

indiretamente para o sucesso dessa pesquisa.

Aos funcionários do departamento de Pós-Graduação, Elder e Silvio, que

sempre estiveram presentes durante esse processo.

A Profa. Dra. Léa Cristina Lucas de Souza, que mais que uma orientadora, foi

minha grande amiga e tutora no início dessa trajetória cientifica.

RESUMO

Este trabalho pesquisa uma relação entre o consumo de energia elétrica e a

forma de implantação dos edifícios, buscando evidenciar diretrizes mais apropriadas

para o conforto do usuário. Para isso foi feito um levantamento das características de

localização, orientação e forma de cinco edifícios residenciais térreos no bairro Vila

Universitária, em Bauru-SP. Através de cruzamentos de dados e análises, foram

identificadas algumas tendências de consumo em função das seguintes variáveis:

área construída, fator de visão do céu (FVC), tempo de sombreamento, área de

exposição das fachadas NE, área de exposição das fachadas NO, área de exposição

das fachadas SO e área de exposição das fachadas SE. Aplicando-se técnicas de

Redes Neurais Artificiais (RNA) foi possível identificar a relevância de cada uma

dessas variáveis para o consumo de energia das edificações estudadas. Os

resultados revelam que a área de exposição das fachadas NO é a variável mais

importante dentre aquelas estudadas, seguida pelo tempo de sombreamento e o

FVC.

Palavra chave: consumo de energia, fator de visão do céu e ergonomia urbana.

ABSTRACT

This research seeks a relationship between electrical energy consumption and

the way buildings are settled, so that appropriated guidelines for the user comfort can

be pointed out. For this purpose a data collection was carried out, taking into

consideration the location, orientation and form of residential one-story buildings in

the neighborhood of Vila Universitária, in Bauru-SP. By cross-examining data and

analysis, some tendencies of energy consumption were identified, considering the

following variables: construction area, sky view factor (SVF), shadowing time, NE

façade exposition area, NW façade exposition area, SW façade exposition area, SE

façade exposition area. By applying Artificial Neural Networks (ANN) technique, we

have determined the relevance of each one of these variables on the energy

consumption of the studied units. The results showed that the NW façade exposition

is the most important variable among the variables studied, followed by the

shadowing time and the SVF.

Key worlds: energy consumption, sky view factor and urban ergonomics

SUMÁRIO

I LISTA DE FIGURAS...............................................................................................................7

II LISTA DE TABELAS............................................................................................................11

1 APRESENTAÇÃO, OBJETIVOS E JUSTIFICATIVA .........................................................13

1.1 Apresentação...................................................................................................................13

1.2 Objetivos..........................................................................................................................12

1.3 Justificativa......................................................................................................................14

1.4 Metodologia Resumida....................................................................................................15

1.5 Divisão Dos Capítulos .....................................................................................................16

2 PLANEJANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA URBANA...................................................17

3 CONDICIONANTES DO CONSUMO DE ENERGIA..........................................................22

3.1 Quanto à Posição Geográfica..........................................................................................22

3.2 Quanto à Localização no Entorno e no Lote ...................................................................23

3.3 Quanto à Orientação do Edifício......................................................................................30

3.4 Quanto à Forma do Edifício.............................................................................................31

3.5 Quantos as Características dos Materiais Construtivos..................................................32

3.6 Quanto às Aberturas dos Edifícios..................................................................................35

3.7 Quanto à Vegetação do Entorno.....................................................................................36

4 REDES NEURAIS ARTIFICIAIS.........................................................................................38

5 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO ...................................................................40

5.1 Sobre a Área de Estudo ..................................................................................................40

5.1.1 O Bairro de Estudo.......................................................................................................41

5.1.2 O Padrão de Consumo de Energia Elétrica no Bairro..................................................42

6 METODOLOGIA.................................................................................................................52

7 DADOS LEVANTADOS......................................................................................................54

7.1 Análise sobre o Loteamento............................................................................................70

7.2 Análise sobre as Faces ...................................................................................................71

8 ANÁLISES E RESULTADOS ............................................................................................72

8.1 Análise das diversas variáveis através de gráficos.........................................................72

8.2 Análise da importância das variáveis por modelos de RNA............................................79

9 CONCLUSÃO.....................................................................................................................83

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................................85

ANEXO...................................................................................................................................91

I LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Disposição de residências unifamiliares no terreno..................................24

Figura 2 - Relação H/W.............................................................................................24

Figura 3 - Acesso solar de acordo com H/W.............................................................25

Figura 4 - Acesso solar de acordo com H/W.............................................................26

Figura 5 - Representação gráfica do fator de visão de céu.......................................27

Figura 6 - Influência de H/W no fluxo de ar...............................................................28

Figura 7 - Concentração de Poluentes lançados sem os obstáculos dos edifícios

e no centro da cidade de Baltimore................................................................29

Figura 8 - Diferentes possibilidades de implantação

de um bloco de mesmo volume..............................................................32

Figura 9 - Localização do Bairro em estudo no mapa de Bauru, no estado de São Paulo e

no Brasil.................................................................................................................... 41

Figura 10 - Quantidade de Moradores ......................................................................43

Figura 11 - Visualização em 3D, realizada no ArcView, do número de

moradores na região ..............................................................................43

Figura 12 - Numero de Dormitórios por Domicílios ...................................................44

Figura 13 - Faixa de Renda Familiar.........................................................................44

Figura 14 - Visualização em 3D, realizada no ArcView, da renda mensal das

famílias do bairro, em salários mínimos. ................................................45

Figura 15 - Habitantes da Área de Estudo ................................................................45

Figura 16 - Consumo Médio Mensal .........................................................................46

Figura 17 - Visualização em 3D, realizada no ArcView, do levantamento do consumo

médio de energia sobre o bairro.............................................................46

Figura 18 - Época do Ano de Maior Consumo Energético ........................................47

Figura 19 - Quantidade de Chuveiros Elétricos.........................................................47

Figura 20 - Quantidade de Geladeiras por Domicilio.................................................48

Figura 21 - Numero de Freezer.................................................................................48

Figura 22 - Quantidade de Aparelhos de Ar Condicionado.......................................49

Figura 23 - Quantidade de Aquecedores Elétricos....................................................49

Figura 24 - Visualização em 3D, realizada no ArcView, dos índices de Fator de

Visão do Céu na área de estudo ............................................................50

Figura 25 – Dados do Entorno de P1........................................................................55

Figura 26 – Croqui de implantação e FVC de P1......................................................56

Figura 27 – Foto de Fachada de P1..........................................................................57

Figura 28 – Corredor Lateral de P1...........................................................................57

Figura 29 – Fundos de P1.........................................................................................57

Figura 30 – Dados do Entorno de P2........................................................................58

Figura 31 – Croqui de implantação e FVC de P2......................................................59

Figura 32 – Fachada de P2.......................................................................................60

Figura 33 – Corredor lateral de P2............................................................................60

Figura 34 – Fundos de P2.........................................................................................60

Figura 35 – Outro corredor de P2..............................................................................60

Figura 36 – Dados do Entorno de P3........................................................................61

Figura 37 – Croqui de implantação e FVC de P3......................................................62

Figura 38 – Fachada de P3.......................................................................................63

Figura 39 – Corredor lateral de P3............................................................................63

Figura 40 – Fundos de P3.........................................................................................63

Figura 41 – Outro corredor de P3..............................................................................63

Figura 42 – Dados do Entorno de P4........................................................................64

Figura 43 – Croqui de implantação e FVC de P4......................................................65

Figura 44 – Fachada de P4.......................................................................................66

Figura 45 – Fundos de P4.........................................................................................66

Figura 46 – Corredor Lateral de P4...........................................................................66

Figura 47 – Dados do Entorno de P5........................................................................67

Figura 48 – Croqui de implantação e FVC de P5......................................................68

Figura 49 – Fachada de P5.......................................................................................69

Figura 50 – Corredor lateral de P5............................................................................69

Figura 51 – Fundos de P5.........................................................................................69

Figura 52 – Outra Lateral de P5................................................................................69

Figura 53 - Consumo médio mensal por residência estudada ..................................72

Figura 54 - Área construída por residência estudada................................................73

Figura 55 - Consumo por área construída das residências estudadas .....................73

Figura 56 - Fator de visão de céu por residências estudadas...................................74

Figura 57 - Consumo de Energia Elétrica em função do FVC das cinco unidades

estudadas..................................................................................................................75

Figura 58 - Consumo de energia elétrica em função do tempo de sombreamento...76

Figura 59 - Área de fachada exposta e suas respectivas unidades residenciais ......77

Figura 60 - Consumo por área exposta nas Fachadas Nordeste..............................77

Figura 61 - Consumo por área exposta nas Fachadas Noroeste..............................78

Figura 62 - Consumo por área exposta nas Fachadas Sudeste ...............................78

Figura 63 - Consumo por área exposta nas Fachadas Sudoeste .............................79

II LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Comportamento de materiais em relação à radiação solar......................34

Tabela 2 - Faces de P1.............................................................................................56

Tabela 3 - Faces de P2.............................................................................................59

Tabela 4 - Faces de P3.............................................................................................62

Tabela 5 - Faces de P4.............................................................................................65

Tabela 6 - Faces de P5.............................................................................................67

Tabela 7 - Importância relativa das variáveis no valor do consumo de

energia elétrica conforme o modelo desenvolvido em RNA......................................81

1 INTRODUÇÃO

O clima urbano, além de ser regido pelas condições climáticas gerais de uma

determinada região, depende das características físicas e relações espaciais de cada

elemento que compõe a cidade e afeta diretamente o desempenho energético dos

edifícios. O consumo de energia elétrica de uma edificação, dentre variáveis

diversas, está diretamente ligado às condições luminosas e térmicas do seu entorno

urbano. Se por um lado a incidência solar, em determinado período do dia ou do ano,

representa ganho de calor em uma edificação, podendo levar o usuário a ativar um

equipamento elétrico para atingir o seu conforto térmico, por outro as condições de

céu para aquela mesma edificação podem estar favoráveis ao conforto lumínico do

usuário, não havendo necessidade de serem mantidos equipamentos de iluminação

ativados. Uma superfície iluminada resulta em uma fonte indireta de luz. Segundo

Mascaró (1985), a luz refletida pelo entorno representa de 10 a 15% da luz diurna

recebida por janelas, podendo, em locais cujo entorno não está exposto ao sol

direto, a luz refletida representar mais da metade da luz recebida por janelas

localizadas em superfícies sombreadas.

Sob este aspecto, influem diretamente na atitude do usuário o desempenho

termo-lumínico da edificação, resultante, dentre outras características do edifício, das

relações espaciais existentes entre as edificações e o seu entorno. Interferindo nos

padrões de temperatura e iluminação desempenhados pelo edifício, o projeto e sua

implantação na malha urbana é um dos fatores responsáveis pela demanda de energia

elétrica do usuário para utilização de lâmpadas e aparelhos elétricos.

Pesquisas anteriores de Souza e Pizarro (2001), Souza e Silva (2001) e

Souza et al (2002) demonstram que variáveis geométricas como forma, orientação e

altura do edifício são elementos relevantes para o consumo de energia em uma

edificação isolada. Por outro lado, Souza (1996), apresenta um modelo que relaciona

a geometria urbana das edificações como um dos elementos responsáveis pelo

balanço térmico urbano e a conseqüente formação de ilhas de calor. Watkins (1999)

cita diversas pesquisas elaboradas para estudos do fenômeno da ilha de calor,

porém indica que poucos estão preocupados com o impacto deste fenômeno no

consumo de energia dos edifícios.

Considerando-se que a forma de implantação de uma fração urbana interfere nas

condições de reflexão, absorção e transmissão de luz e calor para os edifícios que

compõem o entorno imediato, existe uma relação direta entre a forma de

implantação desta edificação e o padrão de consumo de energia elétrica de

edificações residenciais.

Diante do exposto não se pode esquecer que sempre que se fala em conforto,

refere-se ao usuário dessa edificação. Em várias escalas de projeto a Ergonomia

busca suprir essa demanda em mobiliário, máquinas, equipamentos, utensílios,

vestuário, etc. Aqui, estuda-se a escala da Ergonomia da Edificação e da Ergonomia

Urbana, ou seja, a adequação da edificação e da ocupação do meio urbano ao

conforto do usuário.

Este trabalho procura colaborar com a continuidade da pesquisa Projeto-CEU

(Consumo de Energia Urbano), coordenado pela Prof

Léa Cristina Lucas de

Souza, orientadora dessa pesquisa, e que deve a colaboração de diversos bolsistas

de Iniciação Científica, a saber: Pedrotti (2004/2005), Leme (2004/2005), Costa

(2005), Correa (2005), Oliveira (2006), Postigo (2006), Nakata (2006). Muitos dos

resultados até aqui encontrados pelo projeto são descritos resumidamente no corpo

desta dissertação.

Através do projeto CEU foram verificadas tendências de consumo de energia

elétrica no bairro residencial Vila Universitária na cidade de Bauru-SP, que

demonstram a necessidade de ser ampliado o estudo para questões mais

específicas da forma de implantação do edifício nesse consumo.

Trata-se, portanto de um trabalho que estabelece um estudo de interface

entre a escala urbana e a escala do edifício propriamente dita.

Logo, a abordagem tem como área de estudo o mesmo bairro residencial

estudado no PROJETO CEU, utilizando-se dos dados gerados com aquela pesquisa.

A pesquisa tem como objetivo geral o estudo da influência do desenho de

implantação do edifício sobre o consumo de energia elétrica promovido pelo usuário.

Para isso têm-se como objeto de estudo específico, as edificações residenciais

térreas.

Seus objetivos específicos podem ser destacados:

• Dar continuidade e aprofundamento dos estudos realizados pelo Projeto

CEU;

• Identificar os possíveis padrões de consumo de energia elétrica do

usuário causados pela localização, orientação e forma do edifício;

• Gerar informações, tais como, qual a melhor posição de implantação da

unidade para um determinado lote, ou mesmo qual item mais interfere no consumo

de energia de uma unidade, e que essas informações possam ser transportadas

para o campo prático do projeto arquitetônico, de forma que algumas diretrizes ou

orientações projetuais possam ser extraídas;

• Fornecer bases ambientais mais apropriadas para o desenvolvimento

urbano, promovendo maior ergonomia urbana.

A verificação dessa hipótese é elaborada através de coleta de dados,

cruzamento de informações, análise e formulação de diretrizes.

Para isso considera-se que os dados de consumo de energia elétrica da área

são comparados aos dados de forma, orientação e localização do edifício.

São realizadas etapas de classificação da implantação das edificações, para que

possam ser agrupadas em edificações que sejam comparáveis umas às outras. Esta

etapa permitiu selecionar as edificações a serem estudadas.

Com os dados de área construída, volume construído e área livre das

quadras, o padrão do entorno das edificações selecionadas pode ser identificado.

A forma como o edifício ocupa o lote e sua localização na quadra foi identificada,

assim como sua orientação ao sol.

O cruzamento destes dados foi realizado pela sobreposição das diversas

informações obtidas, permitindo a elaboração de gráficos e tabelas que auxiliam na

análise e identificação das possíveis relações das diversas características de

implantação com o consumo de energia elétrica.

A complexidade das relações levou ainda a uma verificação da importância de

cada variável no consumo de energia elétrica, aplicando-se técnicas de Redes

Neurais Artificiais (RNA). A partir destas informações puderam ser extraídas

diretrizes projetuais.

Os procedimentos metodológicos específicos são detalhadamente descritos em

capítulo apropriado.

Para a abordagem aqui proposta, essa dissertação está dividida em 9

capítulos.

Inicialmente (capítulos 1, 2, 3 e 4) é feita uma revisão bibliográfica e

aprofundamento teórico sobre eficiência energética, condicionantes do consumo de

energia e redes neurais artificiais.

O capítulo 5 caracteriza a área de estudo e apresenta os resultados já

alcançados pelo projeto CEU.

O capítulo 6 descreve detalhadamente a metodologia.

O capítulo 7 apresenta os levantamentos de dados para caracterização dos

edifícios residenciais selecionados.

O capítulo 8 aborda os resultados e análises.

Por último são apresentadas as conclusões no capitulo 9.

2 PLANEJANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA URBANA

O conforto térmico é um dos requisitos necessários para que o ser humano

desenvolva suas atividades adequadamente. Dentre as variáveis do conforto térmico

estão as condições climáticas do meio ambiente, o metabolismo do corpo, o tipo de

vestimenta, o peso, a idade, o sexo e a atividade desenvolvida.

Quando a perda e ganho de calor do corpo humano não se igualam, é causado o

desconforto térmico. Segundo Frota e Schiffer (2003, p. 20) “O organismo humano

experimenta sensação de conforto térmico quando perde para o ambiente, sem

recorrer a nenhum mecanismo de termorregulação, o calor produzido pelo

metabolismo compatível com sua atividade.” Xavier e Lamberts (2002) acrescentam

que a neutralidade térmica se dá quando o organismo troca com o ambiente, cargas

proporcionais de absorção e liberação de calor.

Mas o ambiente tem que proporcionar condições para que esta neutralidade

ocorra. No caso de climas quentes, por exemplo, essa neutralidade nem sempre é

alcançada, pois o corpo só perde calor para o ambiente, quando este apresenta

temperaturas inferiores a do corpo. Com isso, o usuário acaba por vivenciar um

desconforto térmico. Desconforto este, que, segundo Costa, Rodrigues e Labaki

(2005, p.522), “diminui as condições de habitabilidade humana”.

Pela própria disponibilidade de recursos tecnológicos, para atingir o conforto

térmico, o ser humano recorre a alternativas dispendiosas de climatização dos

ambientes, provocando aumento no consumo de energia. Mascaró (1991) diz que a

energia usada para climatizar os locais pode representar uma drenagem constante de

recursos difíceis de repor. No caso brasileiro, as características climáticas

predominantes levam a cargas térmicas que provocam mais gasto de energia,

devido aos sistemas de condicionamento de ar e ventilação.

Mas, não só as questões térmicas estão envolvidas com o consumo de

energia, também os requisitos lumínicos para atender as necessidades do ser

humano resultam em consumo de energia. A necessidade de se utilizar iluminação

artificial é uma constante dos ambientes, mas que poderia ser minimizada com a

adequada utilização da iluminação natural como fonte de luz.

A luz nos permite captar as informações do entorno, sendo ela uma das

necessidades mais importantes para que possam ser desenvolvidas as atividades

cotidianas. A luz natural é a fonte fundamental para a iluminação dos ambientes, no

entanto, não se pode excluir a importância da luz artificial. Pelo contrário estas duas

fontes são complementares e a noite, quando a luz natural não está disponível, a luz

artificial torna-se a mais importante das fontes para o conforto lumínico do usuário.

Na busca de critérios para o projeto arquitetônico, a luz natural deve ser a

fonte mais valorizada. A luz natural, além de permitir a própria orientação temporal

pelo ritmo de sua variação diária cíclica, facilita a orientação e percepção do espaço

e suas cores, proporcionando maior produtividade das atividades exercidas em um

ambiente.

Neste caso a luz artificial pode ser projetada para ser utilizada apenas como um

complemento a iluminação natural, sendo utilizada somente quando a natural não for

suficiente para garantir a iluminação mínima desejada de um ambiente, podendo ser

acionada parcialmente.

O alto custo da utilização de energia elétrica necessária para a produção da

luz artificial é um dos problemas ambientais mais preocupantes diante da crise

energética mundial.

No ano de 2001 o Brasil vivenciou uma grande crise energética para a qual os

seguintes fatores simultaneamente podem ter colaborado: o aumento populacional, o

avanço da tecnologia, que cada vez mais produz aparelhos movidos à eletricidade, a

falta de conscientização, períodos de estiagem, além do uso de aparelhos que

climatizam ambientes. De acordo com a Vesper (www.escolavesper.com.br acesso

em 19 jan. 2006), estima-se que até 2030 a demanda mundial por energia dobre.

Com o crescimento urbano Santamouris (2001) alerta para o fato de que um aumento

de 1% na população urbana representa um aumento de 2.2% no consumo de energia.

A busca por melhor desempenho energético nas edificações deve ser

constante. Mas esta preocupação não se limita ao edifício isoladamente, já que toda

a cidade se configura como palco das atividades humanas e consumo de energia.

Nesse sentido, o planejamento urbano é uma ferramenta essencial para o

desempenho energético urbano. Conforme citam Gasparini et al (2004), o

crescimento das urbes levou a um desempenho urbano, que se reflete no seu tecido,

de forma que a ergonomia urbana encontra-se comprometida.

A idéia de planejamento urbano só surgiu nos países em desenvolvimento a

partir da década de 60, sob condições de um crescimento desordenado e

consequentes problemas acarretados ao meio ambiente. Segundo Lombardo (1985), o

processo de urbanização mundial leva à sobrecarga da natureza, alterando toda a

ecologia das cidades, em especial daquelas onde o crescimento foi mais rápido e

sem planejamento adequado.

A agressão de um ambiente urbano a um ambiente natural é tal, que pode

alterar o clima de uma determinada região. Mendonça (2003) afirma, por exemplo,

que a degradação vegetal aumenta com desenvolvimento urbano e a vegetação tem

um papel importante no controle, regulação e minoração das temperaturas urbanas.

Assim a sua degradação pode significar aumento das temperaturas atingidas por

uma cidade.

Gonçalves (2003), diz que as metrópoles são os ambientes mais

afetados climaticamente, pois são a parte da superfície terrestre mais modificada.

Quanto maior for a cidade, maiores e mais graves os problemas que ela traz ao meio

ambiente e conseqüentemente ao clima.

O planejamento voltado para as questões climáticas é uma preocupação

recente. Para Monteiro (2003), cada vez mais se faz necessário o planejamento

urbano sob a ótica dos aspectos climáticos e sociais, além da economia.

Instrumentos reguladores eficazes são cada vez mais necessários, para que

permitam o desenvolvimento urbano, porém garantido a eficiência energética. Neste

aspecto os Códigos de Obras e Edificações, que determinam vãos mínimos de áreas

de iluminação e ventilação natural, profundidades máximas de ambientes em relação

a sua altura, dentre tantos outros índices de salubridade e conforto assumem um

papel importante, como instrumentos que podem definir as condições desejáveis nas

construções. Mas as características das cidades devem ser identificadas para que o

planejamento e regulamentação possam alcançar seus objetivos.

No caso das cidades brasileiras, elas se desenvolveram de acordo com os

costumes e conhecimentos arquitetônicos das diferentes épocas. A cidade colonial,

por exemplo, não estabeleceu bases precisas para a fundação ou administração das

povoações, pelo caráter marginal de sua ocupação. Segundo Rolnik (1997), a

colonização portuguesa não apresentava um conjunto de regras escritas para o

desenho das cidades, ou seja, havia uma ocupação mais livre da terra, desde que os

lucros sobre a terra estivessem garantidos. Contudo, algumas normas, presentes

nos códigos lusitanos foram importantes para a definição de uma posterior ordem

urbanística brasileira.

Já com o desenvolvimento das cidades industriais, com as novas tecnologias

e hábitos do século XIX, foram surgindo modificações incorporadas nas cidades e

nas construções. Os códigos sanitários brasileiros foram desenvolvidos, inspirados

na legislação sanitária européia, e implantados pioneiramente em São Paulo. Esses

códigos visavam proporcionar à população um ambiente sadio e decente.

Mais tarde, as cidades modernas cresceram baseadas nas concepções da

Carta de Atenas e as cidades-jardim também foram incorporadas nos códigos

brasileiros, como é o exemplo de Brasília. Assim os princípios modernistas foram

absorvidos pela legislação a partir dos Congressos Internacionais da Arquitetura

Moderna (CIAM).

O crescimento desordenado do tecido urbano é a principal característica das

cidades atuais. O descaso em relação à ocupação implica na degradação da

qualidade de vida e da própria ergonomia urbana. Como argumentam Mascaró e

Mascaró (1992), ocorre um descompasso entre o crescimento populacional e a

ampliação da infra-estrutura urbana.

Os códigos atuais ainda guardam alguns detalhes do antigo, em relação às

posturas sanitárias e aos planos de zoneamento. Contudo existem iniciativas para a

adequação ambiental e a racionalização do consumo de energia (MASCARÓ;

MASCARÓ, 1992).

Em 1985, Mascaró e Mascaró (1992) apresentaram uma proposta para os

Códigos de Obras (preocupação com características físicas e geométricas dos

materiais, componentes das construções), os Planos Diretores e as Normas Técnicas

(caráter mais geral, válidas para todo o território nacional) como instrumentos

normativos aplicáveis ao projeto, construção, conservação e uso das edificações a

fim de apresentarem características técnico-ambientais desejáveis, constituindo-se

em agentes de defesa e promoção do bem-estar coletivo.

Até a década de 90, as únicas normas existentes no Brasil em relação à

eficiência energética eram as NBR 5431 e 6401, de 1982, mas tratavam somente de

iluminação e ar condicionado, sem a preocupação de eficiência energética nas

edificações. Um projeto de normas, no entanto, já há alguns anos em processo de

aprovação pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), passou a vigorar

em maio de 2005.

Para Tavares e Lamberts (2005), a primeira iniciativa instituída para promover

a eficiência energética resultou da crise de energia de 2001, pela Lei 10295 de

17/10/2001. Nesta Lei é estabelecido que “o Poder Executivo desenvolverá

mecanismo que promovam a eficiência energética nas edificações construídas no

País”. A partir daí uma série de iniciativas foram tomadas para a maior eficiência

energética no país.

Os mesmos autores indicaram que o Programa Nacional de Conservação de

Energia Elétrica (PROCEL) da ELETROBRÁS estabeleceu um Plano de Ações em

edificações, incluindo vertentes de: arquitetura bioclimática, indicadores referenciais

para edificações, certificação de materiais e equipamentos, regulamentação e

legislação, remoção de barreiras à conservação de energia, e educação. Dos

diversos projetos envolvidos em cada uma destas vertentes, está justamente a

regulamentação da eficiência energética nas edificações.

As características das edificações são essenciais para o desempenho térmico

do edifício e da própria cidade. Neste caso, a nova norma técnica brasileira ABNT-

15220 de 2005 merece especial atenção. A norma sugere características

construtivas mínimas para o desempenho térmico adequado das edificações, dando

especial atenção às habitações de interesse social.

O setor residencial é um segmento que deve ser considerado minuciosamente.

Em 2003, segundo a Câmara Brasileira de Investidores em Energia Elétrica (CBIEE),

o consumo de energia no Brasil cresceu 5% de janeiro a julho, o equivalente a

174,053 gigawatts (GWh), com base em levantamento do Departamento de Estudos

Energéticos e Mercado (DEEM), da Eletrobrás (matéria de 07/10/2003). O mercado

que mais cresceu foi o comercial, com expansão de 7,1% no ano, mas, ainda assim, o

segmento onde ocorreu a maior expansão foi o residencial, com 11,7%. Para o ano

de 2006, o consumo doméstico mensal de 67% dos brasileiros estabelece-se entre,

51-300 kWh mensais.

É necessário, portanto que se estabeleçam critérios de construções

adequadas no setor residencial, de forma a que se alcance maior eficiência

energética. No entanto, estas questões não se limitam a considerações internas às

edificações, mas também às suas características de implantação. Nesse sentido, o

estudo das influências da forma de implantação do edifício no tecido urbano é

fundamental para que se alcance tal objetivo.

3 CONDICIONANTES DO CONSUMO DE ENERGIA

Levando em consideração as condicionantes energéticas dos edifícios, a

quantidade de energia utilizada depende de fatores como: a localização, as

condições climáticas, os materiais construtivos, a orientação e posição das

aberturas, a forma do edifício e uso de equipamentos eletro-eletrônicos. Soma-se a

isso a influência das atividades desenvolvidas no edifício, que estão diretamente

relacionadas à forma de utilização que o usuário estabelece naquele espaço.

Destaca-se, porém, que esta pesquisa não tem por objetivo estudar o

comportamento do usuário, o que exigiria uma outra abordagem metodológica.

Neste capítulo são especificadas apenas as questões quanto à implantação que

podem influir no consumo interno do edifício.

3.1 Quanto à Posição Geográfica

O local de implantação do edifício é um dos principais condicionantes

energéticos. A latitude e a altitude do local de implantação determinam a energia

solar recebida, porque a quantidade de energia solar, que chega à Terra em

diferentes comprimentos de onda, depende da época do ano, das condições

atmosféricas e do ângulo de incidência dos raios solares.

Locais cujas latitudes são mais próximas à linha do equador tendem a receber

maior quantidade de radiação solar, com ângulos de incidência mais ortogonais e

menores caminhos percorridos pelos raios solares na atmosfera. Para locais com

maiores latitudes, o inverso é verdadeiro.

Da mesma forma, a altitude influi na quantidade de energia, de forma que

quanto maior a altitude do local, menores as temperaturas alcançadas, já que

diminuem os gases de efeito estufa contidos na atmosfera terrestre e, portanto,

menor a capacidade de armazenamento de calor pela atmosfera. Em média, a cada

100 m de altura ocorre uma queda de 0,6

C na temperatura.

A inter-relação dos diversos elementos climáticos (radiação, temperatura, vento,

umidade) estabelece diversos tipos de clima (quente-úmido, quente-seco, composto,

frio, temperado, etc) sobre a superfície terrestre, e que determinam os diferentes ganhos

de energia e necessidades energéticas. Segundo o estudo de Schiller (2001), nas

latitudes mais altas da Europa, o acesso solar direto é um benefício e a legislação

privilegia isso. Já em climas quentes essa questão é mais complicada, porque a

sombra solar é desejável e a incidência direta de sol, geralmente, provoca

superaquecimento.

3.2 Quanto à Localização no Entorno e no Lote

A localização do edifício no lote é um dos principais parâmetros projetuais e

que tem influência no ganho de calor por radiação solar e no sombreamento.

Almeida et al (2006), por exemplo, mostram as diferentes formas de implantação no

lote (Figura 1), para residências multifamiliares. São destacadas as residências

implantadas de forma isoladas, geminadas e em faixas.

Pela comparação entre as forma de implantação observa-se que o acesso

solar de edificações isoladas é maior do que aquele em residências implantadas em

faixas ou geminadas.

Corte AA

Corte BB

Corte AA

Corte BB

Geometria das residências

unifamiliares isoladas

Geometria das residências

unifamiliares em banda

Geometria das residências

unifamiliares geminadas

Figura 1: Disposição de residências unifamiliares no terreno. Fonte: Almeida et al. (2006)

Ainda é possível analisar o entorno com relação à altura do edifício e a largura

da via (H/W) (Figura 2). Por esse fator pode-se ter uma idéia da interferência entre

edifícios e da proximidade entre eles. Quanto menor for esse índice, menor será

essa interferência e mais distantes estarão. As edificações interferem no fluxo de ar,

no acesso solar e na capacidade de absorção da radiação entre um e outro.

Figura 2: Relação H/W - Fonte: Souza (1996)

O acesso solar é reduzido com edifícios mais altos em localizações especiais

ou mesmo quando a largura da via é pequena. Isso pode sombrear áreas e reduzir

ganhos solares ao mesmo tempo em que pode prejudicar a iluminação (Figuras 3 e

4).

Perfil de via com edificações baixas

Região de incidência solar

Perfil de via com edificações altas

Região

sombra

Região de incidência solar

Região

sombra

Figura 3 - Acesso solar de acordo com H/W - Fonte: Souza (1996)

Figura 4 - Acesso solar de acordo com H/W - Fonte:Adaptado de Almeida (2006)

Outra forma de se verificar as relações do lote com seu entorno e o

conseqüente acesso solar é através do Fator de Visão do Céu. Souza (1996)

demonstra que o FVC é um dos parâmetros responsáveis pela troca de calor entre o

ambiente urbano e o céu. O resfriamento das superfícies terrestres é proporcional à

área de céu visível a partir desta superfície. O céu, com sua temperatura

normalmente inferior a da superfície terrestre, é elemento essencial no balanço de

energia. O FVC indica uma relação geométrica entre a Terra e o céu e que

representa uma estimativa da área visível de céu.

Em outras palavras, o FVC é uma estimativa geométrica da fração visível do

céu, considerando a “obstrução” feita pelos obstáculos do entorno. Seu valor é

sempre menor do que 1.

A Figura 5 apresenta uma representação do FVC para um ponto intra-urbano.

A máscara representa os edifícios do entorno de um ponto de observação, os pontos

o trajeto do sol nas diferentes épocas do ano e o centro da imagem, a porcentagem

de céu visível. Uma forma de se obter esta imagem é por fotos a partir de câmeras

fotográficas equipadas com lente tipo “olho de peixe”. Outra possibilidade é através

de recursos computacionais, como, por exemplo, o software 3DSkyView,

desenvolvido por Souza, Rodrigues e Mendes (2003), o qual gerou a imagem

apresentada na Figura 5.

#####

###

Figura 5 – Representação gráfica do fator de visão do céu, gerado pelo software 3DSkyView.

Também o comportamento das massas de ar é relacionado às suas

temperaturas e ao meio que estas dispõem para passagem do ar. Quanto menor a

área para a passagem do ar, maior será sua velocidade e a rugosidade das

superfícies também altera essa velocidade.

As edificações criam um campo de turbulência ao seu redor (Figura 6), mas a

medida em que o espaçamento diminui, o fluxo de ar tende a não penetrar nesses

espaços, criando um campo isolado, onde há uma redução na perda de calor por

turbulência.

a. Fluxos de ar entre os edifícios

b. Fluxos de ar entre os edifícios

c. Fluxo de ar tende a passar

Cubo

Vale

12345678

0,50

0,20

0,25

0,33

L/H

H/W

são independentes

se interagem

sobre os edificios

(a)

(b) (c)

Figura 6 - Influência de H/W no fluxo de ar - Fonte: SOUZA (1996)

Watkins (1999) afirma que durante a noite a velocidade do vento no meio

urbano é muito maior que no meio rural, ao contrário que durante o dia. Além disso,

as constatações deste estudo indicam que:

• Ruas largas e espaços abertos facilitam o fluxo de ar e melhoram a

ventilação das partes internas da cidade (Figura 7);

• O sistema quadriculado de ruas favorece a penetração do ar na cidade;

• A baixa velocidade do ar em áreas urbanas reduz a dispersão de calor

gerada na cidade e seus efeitos podem ser particularmente danosos durante dias

calmos com alta radiação.

Figura 7 - Concentração de Poluentes lançados sem os obstáculos dos edifícios e no centro da cidade de

Baltimore – EUA. Fonte: artigo publicado pela Environmental Science & Technology

Duarte e Serra (2003) complementam os conceitos sobre ventilação, afirmando

que:

• A altura variável de edifícios facilita parte do fluxo para baixo,

favorecendo a circulação do ar no nível do pedestre,

• O uso de pilotis favorece a circulação por entre os edifícios,

• Recuos maiores facilitam a circulação do vento e aumentam o

potencial de iluminação natural, reduzindo a carga térmica da iluminação artificial.

É possível mapear as trajetórias locais de vento para antecipar futuras

conseqüências da ocupação da cidade. Assim, pode-se determinar corredores de

vento, que devem permanecer desobstruídos para a melhoria do conforto urbano e,

para a dispersão de poluentes, inclusive com a presença de vegetação nessas

áreas.

Segundo Schiller (2001), o impacto do vento nas áreas urbanas, junto com o

acesso solar afeta vários aspectos urbanos e do desempenho da edificação, como

perdas de calor do edifício e o conforto nas áreas abertas, públicas ou privadas.

3.3 Quanto à Orientação do Edifício

Outro dado primordial para o desempenho do edifício é a orientação. Esta

também determina se a radiação e os ventos serão ou não favoráveis ao conforto da

edificação e que necessidade o usuário terá de acionar equipamentos eletrônicos

para alcançar esse conforto. Num edifício mal orientado não se consegue otimizar os

ganhos solares no inverno e é praticamente impossível evitar a penetração de

radiação com protetores solares durante o verão (ALMEIDA et al. , 2006).

Toledo (2003) mostra que há diferenças significativas na carga térmica

recebida pelo edifício conforme a orientação, principalmente quando se compara a

orientação norte-sul e a leste-oeste (diferença de 13,58%) e que o sombreamento

das aberturas sempre contribui para a redução de carga térmica de resfriamento (no

caso de climatização), especialmente a norte-sul.

Souza e Pizarro (2001) estudando quantitativamente a orientação de blocos de

edifícios residenciais de 4 andares indicam que esta variável se mostrou mais

importante do que o número de freezers, por exemplo. Segundo essa pesquisa, a

orientação contribui em média com 17% no consumo de energia elétrica. A orientação

de maior consumo correspondeu àquelas com fachadas voltadas a 100°N, enquanto o

ângulo de 30° N representou o menor consumidor, dentre os ângulos estudados.

Mascaró e Mascaró (1992) afirmam que a orientação é um fator mais crítico

em grandes latitudes, onde a variação da radiação recebida é mais ampla, do que

em pequenas.

Segundo artigo “Sustainable Design Strategies” da Technology Scanning Issues,

publicado pelo Departamento de Desenvolvimento de Moradia e Urbanismo dos

Estados Unidos:

• Ruas com orientação de N/S podem ter sombras de 40 a 80% de sua

área, dependendo da latitude;

• A orientação de NO/SE pode ter apenas de 30 a 50% de sua área

sombreada, durante o ano;

• A orientação L/O também alcança apenas 30% de sua área

sombreada.

Para Rosenlund (2001), em lugares onde o conforto é atingido principalmente

pela movimentação de ar, é importante orientar o edifício de acordo com os ventos

predominantes. E em regiões onde a temperatura tem mais influência no conforto que a

ventilação, a orientação com relação ao sol é importante e pode facilmente ser

observada nos diagramas solares.

As recomendações dadas por Schiller (2001) em relação ao acesso solar nas

estações quentes são:

- As formas do edifício devem evitar grandes superfícies a leste e a oeste

expostas ao sol de verão;

- Edifícios devem prover sombra parcial na área de circulação de pedestres,

bem como espaços para a plantação de árvores que protejam a incidência solar ao

meio dia, quando o sol está fechado no zênite;

- Grandes espaços abertos (públicos ou privados) vão receber pouca

sombra dos edifícios vizinhos, então as principais fontes de sombra serão as

árvores.

3.4 Quanto à Forma do Edifício

Para análise da forma do edifício é possível utilizar um parâmetro que se

denomina fator de forma. Esse fator relaciona a área da envolvente e a área útil do

pavimento ou volume útil do edifício. Quanto menor for esse fator, mais compacto é o

edifício e menor é quantidade de trocas térmicas com o ambiente. As perdas térmicas

de um edifício são diretamente proporcionais ao fator forma, diminuindo com o

aumento do volume do edifício (ALMEIDA et al 2004).

A figura 8 mostra como um edifício de mesma área habitável, com mesmo

volume apresenta fatores de forma distintos.

C1 – Fator de Forma: 0,27 C2 – Fator de Forma: 0,25 C3 – Fator de Forma:0,21

Figura 8 - Diferentes possibilidades de implantação de um bloco de mesmo volume. Fonte: Adaptado

de ALMEIDA et al (2004)

3.5 Quanto as Características dos Materiais Construtivos

Os materiais possuem propriedades térmicas determinantes do conforto

térmico de um ambiente e, portanto do seu consumo de energia.

A condutividade térmica, a densidade e o calor específico dos materiais são as

características que influem no seu comportamento térmico.

A condutividade é a quantidade de calor que atravessa um metro linear do

material por unidade de tempo. Se um material tiver alta condutividade térmica, ele

será um bom condutor e a temperatura externa tende rapidamente a se manifestar

no interior do edifício. Os maus condutores isolam melhor o ambiente, fato que deve

ser aproveitado corretamente, de acordo com as necessidades de conforto.

O calor específico é a quantidade de calor que pode ser armazenado no

material e influi na velocidade de transmissão do calor de uma face à outra deste.

Quanto maior o calor específico de um material, maior será a quantidade de energia

calorífica necessária para aumentar sua temperatura e mais energia ele será capaz

de armazenar.

A densidade do material se relaciona a essas duas propriedades, pois se um

material é muito denso, ou seja, tem muitas partículas sólidas, a tendência é que

armazene bastante calor. Materiais pouco densos, com camadas de ar em seu

interior tendem a ter baixa condutividade, pois o ar parado é dos melhores isolantes.

A espessura das paredes é outro item importante, paredes espessas são capazes de

um melhor retardo térmico, ou seja, a temperatura de uma face demora a se

manifestar na outra.

A chamada inércia térmica é o conjunto de propriedades de retardo térmico

e amortecimento, ou seja, ela diz se a temperatura de uma face demorará a se

manifestar na outra. Segundo Almeida (2001), esse é um fator que claramente

interfere no desempenho térmico de uma edificação, e que torna possível a diferença

de mais de 20% de consumo de energia para edifícios com grande inércia térmica

quando comparado com aqueles de pequena.

No Brasil, a norma da ABNT, NBR 15.520 “Desempenho térmico das

edificações” (2005), contém recomendações quanto à:

• Definições, símbolos e unidades;

• Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica,

do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações;

• Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para

habitações unifamiliares de interesse social;

• Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio

da placa quente protegida;

• Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método

fluximétrico.

Armelin e Cherry (2003) pesquisaram a eficiência das mantas de subcobertura

muito usadas sob coberturas de alumínio e em crescimento no mercado brasileiro. O

resultado foi que alguns desses aparatos conseguiram reduzir em até 80% a entrada

de calor na residência e que a ventilação da cobertura isolada diminui a entrada de

calor em 13%. Deste modo, é possível reduzir o aquecimento da casa, o desconforto

térmico e sua demanda por energia elétrica.

Além disso, o comportamento dos materiais em relação à radiação solar é a

característica que determina a quantidade de radiação solar que atravessa o material.

A absorção solar aumenta, pois o ambiente urbano está cercado de superfícies

refletoras, inclusive as ruas (Tabela 1).

Tabela 1 – Comportamento de materiais em relação à radiação solar (Fonte: Olgyay (1968)).

O material de revestimento dos edifícios também interfere no conforto térmico e

lumínico um do outro. Assim, os materiais reflexivos propiciam um bom isolamento

térmico do interior da edificação justamente por refletir a radiação solar para o

exterior, aquecendo esse ambiente.

Quanto à interferência entre edifícios na radiação, as principais características do

material de revestimento são:

• Emissividade – relacionado à emissão de ondas longas, não depende

da cor, apenas do polimento da superfície. A mesma quantidade absorvida é emitida.

Quanto maior o polimento, menor a emissividade.

• Reflexividade – depende diretamente da cor e do polimento da superfície,

sendo maior quanto mais claro e mais polido for o material.

Reflexibilidade % Emissividade %

Rad. Solar Rad. Térmica

Prata Brilhante 93 98 2

lumínio brilhante 85 92 8

Cal 80 - -

Cobre brilhante 75 85 15

Lâmina cromada 72 80 20

inta de chumbo branca 71 11 89

Mármore branco 54 5 95

Pintura verde clara 50 5 5

Pintura alumínio 45 45 55

rdósia 43 5 95

Madeira clara 40 5 95

Fibrocimento de um ano 29 5 95

ijolo de argila vermelho 23-30 6 94

inta cinza 25 5 95

Ferro galv. Oxidado 10 72 28

Preto fosco 3 5 95

Reação dos materiais à radiação solar e térmica

Radiação TérmicaSuperfície

0,8

0,7

0,5

Placa de concreto reforçado

Lâmina de fibrocimento cinza

Telha ou placa de argila

Coeficiente de absorção de radiação solar (onda curta)

3.6 Quanto às Aberturas dos Edifícios

O tamanho e o posicionamento das aberturas determinam ganhos solares (aumento

ou diminuição da energia térmica recebida pela edificação), iluminação e forma de

ventilação. A abertura normalmente é a maior fonte de perda/ganho de calor, como

de iluminação natural, que se utilizada pode-se reduzir significativamente o consumo

energético, como mostra a pesquisa de Westphal, Lamberts e Guisi(2002).

A luz natural é o resultado da luz direta e indireta do sol, sendo a indireta,

produto das reflexões da direta nas nuvens e nos edifícios. A luz natural não é

uniforme e depende da posição geográfica do local, da posição do sol, da

quantidade de nuvens no céu e ainda é afetada pela reflexão das fachadas dos

edifícios vizinhos, pelo fator de reflexão dos materiais dessas fachadas e das

paredes do ambiente interno (RABAG 2003).

No verão, a quantidade de luz natural depende mais da posição do sol e no

inverno, mais da quantidade e tipos de nuvens no céu e da quantidade de pó na

atmosfera (RABAG 2003).

A utilização de vidros está diretamente ligada à questão das aberturas. Segundo

Almeida (2001), a eficiência térmica do uso do vidro nas aberturas e seu efeito no

desempenho térmico do edifício dependem do tipo de vidro (se é simples ou duplo), do

tipo de caixilho (se é de madeira ou é metálico), e da permeabilidade de ar que a janela

propicia. Quanto às características lumínicas, atualmente existem novas tecnologias em

materiais de revestimento que usam o vidro integrado a sistemas de brises e estruturas

capilares de controle solar, como mostra a pesquisa de Rabag (2003). Assim, é possível

proteger a área próxima à janela da luz solar direta e redirecionar essa e a luz difusa

para o interior do ambiente, otimizando a iluminação natural e economizando energia.

3.7 Quanto à Vegetação do Entorno

A presença de árvores e vegetação em geral também é sentida no ambiente

urbano. Além de ser um fator de redução térmica, é também um agente de

atenuação da poluição, de aumento da umidade relativa, e até de melhora de

drenagem e das condições de ventilação e conseqüente dispersão de poluentes e

muitos outros benefícios psicológicos e físicos.

Segundo Romero (2001), as diferenças entre ambientes com e sem vegetação são:

- A vegetação tem menor capacidade calorífica e condutibilidade

térmica que os materiais dos edifícios.

- A radiação solar é, em grande parte, absorvida pelas folhas, e a

reflexão é pequena (albedo baixo).

- A taxa de evaporação é muito mais alta nas áreas verdes que nas

sem plantas.

- As folhas podem filtrar a poeira e a contaminação do ar.

- A vegetação reduz a velocidade do vento e as flutuações próximas

do solo.

Segundo Mascaró (1996):

“a vegetação desenvolve um papel extremamente importante,

devido ao fato de que regula a umidade do ambiente, pois

interfere na integridade da radiação que chega ao solo ou aos

pedestres, no condicionamento do vento, na quantidade de água

a ser evaporada ou absorvida pelo solo, além de ser um fator de

sombra e suavização da temperatura”.

Os estudos feitos por Fonseca (2001), Melo (2001) e Gasparini (2002) sobre

as áreas públicas de lazer em Bauru mostram que as áreas sombreadas e com o

microclima mais agradável em virtude de uma maior quantidade de vegetação, atrai

mais pessoas. Conclui também que pisos impermeabilizados e sem sombra são os

que apresentam as maiores temperaturas, as menores umidades e as maiores

velocidades do vento.

De acordo com a pesquisa de Faria (2003) em Bauru, a distribuição da

vegetação exerce um papel fundamental na variação das características térmicas do

clima intra-urbano. As áreas mais densamente construídas apresentam maiores

taxas de aquecimento e de resfriamento, em contraposição a áreas com proporção

expressiva de vegetação, como bosques, praças e os fundos de vale com grandes

extensões de vazios com cobertura vegetal.

Alguns estudos como os de Duarte e Serra (2003) focam a vegetação e

discorrem sobre uma boa distribuição desta pela malha urbana. Segundo esses

autores, muitos outros pesquisadores concordam que o efeito de um parque grande

a partir de um ponto não é tão significativo além dos seus limites quanto a mesma

área espalhada pela cidade; cada bairro deveria ter sua parcela de área verde e

superfícies d’água para criar no seu entorno condições climáticas mais adequadas e

melhor qualidade do ar. Árvores espaçadas em vez de aglomeradas são também

mais eficazes para a filtragem de poluentes. Para o conforto higrotérmico do edifício e a

redução no consumo de energia para resfriamento, áreas verdes nos lotes em torno

das áreas construídas é muito mais significativo.

Em Tókio, pesquisas mostram que a brisa vinda de um parque para uma área

comercial tem o potencial de redução do condicionamento artificial até em 15% entre

1:00 h e 2:00 h da tarde. Para as condições brasileiras, esse índice pode ser até mais

alto, visto que as temperaturas são em geral, mais altas. Faltam, no entanto, estudos

que comprovem valores.

4 Redes Neurais Artificiais

Como é necessária uma técnica de análise para os dados estudados nesta

dissertação, aqui são abordadas as técnicas das Redes Neurais Artificiais como

parte da revisão metodológica.

A técnica das Redes Neurais Artificiais (RNA) consiste em um sistema de

equações interligadas, para o qual o resultado de uma equação é o valor de entrada

para outras, formando uma rede.

As RNA reproduzem uma função matemática, modelando relações entre

variáveis. Esse sistema é baseado no comportamento do cérebro humano, tendo o

neurônio como elemento de referência e fazendo parte da Inteligência Artificial (IA).

As RNA são capazes de reconhecer padrões em problemas complexos,

sendo esta uma das vantagens da sua aplicação. Assim podem ser gerados modelos

e identificada a importância das variáveis que geram um determinado evento.

Segundo Silva et al (2004) pode-se definir uma RNA como “um sistema

constituído por elementos de processamento, interligados, também chamados de

neurônios artificiais, os quais são dispostos em camadas (uma camada de entrada,

uma ou várias intermediárias e uma de saída) e são responsáveis pela não-

linearidade da rede, através do processamento interno de funções matemáticas.

Pode-se dizer que as RNA aprendem com exemplos. Estas possuem uma regra de

aprendizagem, que é responsável pela modificação dos pesos sinápticos a cada

ciclo de iteração, de acordo com os exemplos que lhes são apresentados.”

Os principais componentes de uma RNA são:

• Elementos de processamento – ou neurônios artificiais, que constituem

a rede;

• Estado de ativação – função responsável pelo sinal a ser transmitido

aos demais neurônios. É responsável pela não-linearidade da rede;

• Função saída de cada elemento de processamento – controla a

intensidade de funções de ativação;

• Ligações entre os elementos de processamento – matriz de pesos que

definem o sistema;

• Propagação e função combinação – regras segundo as quais os

valores de entrada de um neurônio são combinados com os valores da

matriz de pesos para produzir a entrada líquida;

• Aprendizagem – extração de informações relevantes dos dados,

criando uma representação própria para o problema. São regras bem

definidas para que a rede “aprenda” determinada função.

Existem vários tipos de RNA, das quais as mais utilizadas são as do tipo

Multilayer Perceptron (MLP). São redes que contêm camadas de entrada, camada

intermediária e camada de saída. Cada nó da camada de entrada leva para dentro

da rede o valor de uma variável independente.

Na prática, de posse de dados reais de um determinado evento e

conhecimento dos valores de variáveis também reais que podem interferir no valor

do evento, um software de RNA processa os dados, e através do processo de

aprendizagem, identifica as relações estabelecidas entre as variáveis que

influenciam no valor do evento.

Tanto dados de entrada como dados de saída são valores reais para que a

rede aprenda essas relações. Após desenvolvida a rede é então possível utilizar o

modelo para previsão.

No caso da metodologia aqui proposta, a aplicação dessa técnica é incluída,

não para utilização de modelos de previsão, mas para a simples identificação da

importância de variáveis e para facilitar assim uma análise.

5 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO

A pesquisa aqui proposta está vinculada ao PROJETO CEU – Consumo de

Energia Urbana. O projeto CEU procura estudar aspectos da geometria urbana,

temperatura e consumo de energia, tendo como base de estudo o bairro Vila

Universitária na cidade de Bauru.

Destaca-se que neste capítulo é inicialmente contextualizada a pesquisa do

Projeto CEU e seus resultados até aqui alcançados, para em seguida ser apontada a

metodologia do estudo proposto. Esclarece-se ainda que o conteúdo abordado sobre a

área de estudo é baseado nas pesquisas de Iniciação Científica que estão vinculadas

ao mesmo projeto, podendo-se citar os trabalhos de Pedrotti (2004/2005), Leme

(2004/2005), Costa (2005), Correa (2005), Postigo (2006), Oliveira (2006), Nakata

(2006).

5.1 Sobre a Área de Estudo

A cidade de Bauru (Figura 8) localiza-se entre as latitudes 22º15´S e 22º25´S

e entre as longitudes 49ºW e 49º10´W. Cidade de porte médio com população total

de 344.258 hab. (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística -IBGE, 2004), sendo

que 98% de sua população é urbana. Abrange uma área de 673 km² e distante 343

km da cidade de São Paulo, 286 Km em linha reta (Fonte: Departamento de

Estradas de Rodagen - DER). Possui uma densidade demográfica de 467 hab/km².

Está localizada na Bacia Hidrográfica do Rio Tietê, entre os rios Batalha e

Bauru. Tem altitude máxima de 615m e mínima de 490m, com características

predominantemente planálticas e topografia pouco acidentada.

Apresenta estação de verão quente úmido e de inverno quente seco. Sua

temperatura média é de 26,3ºC. Por sua posição geográfica, sofre forte influência da

massa equatorial e continental durante o verão, o que produz como efeito muito

calor, umidade e precipitações. Sofre também influência da massa tropical atlântica,

no outono, inverno e primavera, com calmaria, baixa umidade relativa do ar e céu

limpo.

5.1.1 O Bairro de Estudo

O bairro estudado é caracterizado pelo Plano Diretor de 1996 como ZR.3 –

Zona Estritamente Residencial, e essa homogeneidade de usos é útil para a

verificação de padrões de consumo de energia. Compreende o Bairro Vila

Universitária e trechos do Jardim Infante Dom Henrique e é limitado pelas Avenidas

Nações Unidas e Otávio Pinheiro Brizolla (lateralmente) e pelo Campus da USP de

um lado, e o Bauru Shopping do outro (superior e inferiormente) como mostra a Figura

Figura 9 Localização do Bairro em estudo no mapa de Bauru, no estado de São Paulo e no Brasil.

(Fonte: Montagem a partir de varias escalas de aproximação do programa Google Earth)

O bairro Vila Universitária se configura como uma das principais áreas

residenciais, que possui uma marcante diversidade construtiva, quanto à

verticalidade das edificações na cidade (criando diferentes alturas edificadas).

Apresenta ainda grandes infra-estruturas no bairro (hipermercado, shopping, lojas,

restaurantes...) que atrai o interesse de muitos moradores, inclusive universitários,

para a região.

No Projeto CEU, 60 pontos desta área foram estudados e determinados o

fator de visão do céu por Leme (2004/2005) em cada um deles. Conforme já

mencionado o fator de visão do céu (FVC) é um parâmetro adimensional, que permite

estabelecer a relação entre a área de céu visível em determinado ponto e aquela

que estaria disponível se não houvesse nenhuma obstrução do horizonte. É

comumente utilizado em estudos térmicos, porque o céu tem papel primordial no

balanço de energia, uma vez que toda a energia acumulada pela terra tende a ser

emitida para o céu. No caso do projeto CEU o FVC é utilizado como forma de se

quantificar a geometria urbana.

5.1.2 O Padrão de Consumo de Energia Elétrica no Bairro

Os dados de consumos de energia elétrica do bairro de estudo foram

coletados juntos a CPFL (Companhia Paulista de Força e Luz) por Pedrotti (2004) e

as informações obtidas foram sistematizadas em tabelas. Além disso, um questionário

(exposto no anexo) foi elaborado por Correa (2005) para identificação do perfil do

usuário. Após essa etapa, Oliveira (2006) ampliou a coleta de dados de consumo de

energia.

As Figuras de 10 a 23 apresentam os resultados sobre o perfil do usuário para

uma melhor visualização dos dados obtidos com os questionários. Neles são

apresentadas as porcentagens para cada uma das perguntas do questionário,

englobando o resultado total entre os prédios de apartamentos e as residências

levantadas.

O levantamento desses dados permitiu um mapeamento da área de estudo,

com análises importantes sobre o consumo energético e características térmicas da

região. A criação de mapas do bairro realizada pelo mesmo grupo de estudo, foi feita

a partir do SIG (ArcView GIS 3.2), permitindo relações entre o consumo de energia e

demais características levantadas. Os mapas criados se apresentam nas Figuras 11,

14 e 17.

Quantidade de moradores

22%

27%

25%

14%

1 pessoa

2 pessoas

3 pessoas

4 pessoas

5 pessoas

`+ de 5

Figura 10: Quantidade de Moradores

n u m e r o m o r a d o r e s

0 - 2

2 - 3

3 - 4

4 - 5

5 - 5

Figura 11: Visualização em 3D, realizada no ArcView, do

número de moradores na região – Fonte: SOUZA (2006)

Número de Dormitórios por domicílio

18%

68%

11%

1 dorm.

2 dorms.

3 dorms.

4 dorms.

´+ de 4

Figura 12: Numero de Dormitórios por Domicílios

A faixa entre 1-10 salários mínimos aparece como a segunda concentração

maior de renda da população local. Isso pode ser explicado tanto pela considerável

presença de estudantes morando na área, como também a de muitos aposentados.

Faixa de Renda Familiar

36%

44%

16%

1-10 salários

10-20 salários

20-40 salários

40-60 salários

60-80 salários

Figura 13: Faixa de Renda Familiar

renda

0 - 10 salários mínimos

10 - 20

20 - 30

30 - 40

40 - 50

A maioria, ou seja, 31% dos entrevistados apresentaram um consumo de 100-

200 kwh/mês; logo em seguida fica a faixa entre 200-300 kwh/mês com 24% das

casas, seguido de 13% com 300-400 kwh/mês.

Habitantes da área de estudo

86%

14%

famílias

estudantes

Figura 15: Habitantes da Área de Estudo

Figura 14: Visualização em 3D, realizada no ArcView, da renda

mensal das famílias do bairro, em salários mínimos – Fonte:

SOUZA (2006)

Consumo Médio Mensal

10%

31%

24%

13%

até 50 kwh

50-100 kwh

100-200 kwh

200-300 kwh

300-400 kwh

400-500 kwh

500-600 kwh

700-800 kwh

800-900 kwh

`+1000 kwh

Figura 16: Consumo Médio Mensal

o(qu

)

Wh/m

A Figura 18 demonstra o período do ano em que se costuma gastar mais

energia, com base nos moradores entrevistados. O resultado igualou-se entre os

meses mais frios do inverno e os mais quentes do verão, devido ao uso extra de

energia como chuveiro e possíveis ventiladores, respectivamente.

Figura 17: Visualização em 3D, realizada no ArcView, do

levantamento do consumo médio de energia sobre o bairro

– Fonte: SOUZA (2006)

28%

36%

(%)

Época do ano de maior consumo energético

Não faz diferença

Verão

Inverno

Figura 18: Época do Ano de Maior Consumo Energético

Ocorreu um equilíbrio entre as residências que apresentam tanto a época do

inverno quanto a do verão como as de maior custo.

Quantidade de chuveiros elétricos

27%

48%

19%

1 chuveiro

2 chuveiros

3 chuveiros

4 chuveiros

mais de 4

Figura 19: Quantidade de Chuveiros Elétricos

Quantidade de geladeiras por domicílio

82%

16%

1 geladeira

2 geladeiras

3 geladeiras

Figura 20: Quantidade de Geladeiras por Domicilio

Número de freezers

58%

41%

nenhum freezer

1 freezer

2 freezers

Figura 21: Número de Freezer

Quantidade de aparelhos de ar condicionado

81%

15%

nenhum aparelho

1 aparelho

2 aparelhos

3 aparelhos

Figura 22: Quantidade de Aparelhos de Ar Condicionado

Quantidade de aquecedores elétricos

94%

nenhum aquecedor

1 aquecedor

2 aquecedores

Figura 23: Quantidade de Aquecedores Elétricos

Quanto ao número de aparelhos elétricos nas casas, percebe-se que de

maneira geral a maior parte dos domicílios possui 2 chuveiros, 1 geladeira e nenhum

freezer, ar condicionado e aquecedor (dados estes dos percentuais mais altos da

pesquisa). Isto leva a constatar que não há interferência de uso excessivo (pela

quantidade) desses aparelhos no consumo, como o ar condicionado, por exemplo,

pois 81% das residências - como indicado no gráfico da figura 22 – não possuem

esse aparelho.

De uma forma geral, pode-se constatar que as regiões de maior consumo de

energia são praticamente as mesmas em que se localizam as famílias de maior

poder aquisitivo, e que a quantidade de pessoas que moram numa mesma

residência não é o fator mais relevante de influência no consumo energético da

moradia.

Paralelamente o PROJETO CEU promoveu uma coleta de dados de

temperaturas do ar, temperaturas superficiais, volume construtivo, área construída e

área de vegetação com a colaboração de Pedrotti(2005) e Leme (2005) e

posteriormente de Postigo (2006) e Nakata (2006).

Na comparação entre os mapas de consumo de energia e índices de Fator de

Visão do Céu (Figura 24), observa-se que os baixos índices de FVC correspondem a

maior consumo de energia. Os principais pontos de baixo FVC foram encontrados

em áreas com a característica de grande consumidor. A verticalização e a densidade

construtiva nesses pontos vêm gerando desconfortos, seja pelo excesso de

sombreamento, emissão adicional de ondas longas pelas superfícies diversas dos

edifícios, ou falta de ventilação.

Fator visão do céu

0.537 - 0.643

0.643 - 0.749

0.749 - 0.855

0.855 - 0.96

0.96 - 1.066

O baixo índice de FVC somado às boas condições financeiras da população

moradora do local ocasiona um alto consumo de energia. Porém, uma marcante

mancha de alto consumo foi localizada em área de menor condição econômica, o

que pode estar demonstrando que o alto índice de FVC daquela localidade no bairro

Figura 24: Visualização em 3D, realizada no ArcView, dos

índices de Fator de Visão do Céu na área de estudo –

Fonte: SOUZA (2006)

pode promover temperaturas desagradáveis e levar ao maior consumo de energia

elétrica para suprir esse desconforto.

Foi observado que as áreas mais verticalizadas do bairro são habitadas, em

sua grande maioria, por moradores de maior poder aquisitivo, verificando assim, que a

especulação imobiliária na construção de prédios na região está voltada para a classe

média-alta, classe cuja condição financeira permite maiores gastos com energia sem

maiores preocupações.

Este estudo inicial mostra aspectos gerais do consumo de energia, mas deixa

também claro que alguns estudos mais detalhados podem de fato permitir a

identificação de tendências do consumo em função da própria implantação do edifício.

É exatamente este o objeto de estudo dessa dissertação

6 METODOLOGIA

A partir dos questionários aplicados pelo Projeto CEU, foi feita uma triagem

entre todas as unidades habitacionais entrevistadas a fim de determinar parâmetros de

comparação entre elas.

Primeiro, foram separadas as unidades agrupadas em prédios de

apartamentos das unidades autônomas. Esse estudo abordará somente as unidades

autônomas e de apenas um pavimento (residências térreas).

Como objetos de comparação, foram adotadas aquelas unidades que figuram

entre as que possuem:

- 3 moradores

- 3 dormitórios

- 2 chuveiros

- 1 geladeira

- nenhum freezer

- nenhum aparelho de ar condicionado

- nenhum aquecedor

Estes sete critérios de comparação foram escolhidos por serem eles os itens da

pesquisa de campo que podem influenciar no consumo de energia elétrica da

residência. Assim sendo, somente serão comparáveis aquelas que possuam as

mesmas respostas para os critérios acima adotados.

Diante de um total de 100 (cem) unidades entrevistadas, foram encontradas

apenas 5 (cinco) unidades que atendam todos os critérios adotados. Cada uma

dessas unidades passa agora a ser descrita por: P1, P2, P3, P4 e P5.

Para cada unidade de estudo foram levantados dados de implantação desta

unidade no lote, tipo de construção (tipo de alvenaria, tipo de cobertura), cor

predominante da área externa, orientação do lote, orientação da implantação da

unidade no lote, percentual de aberturas (vãos e caixilhos), orientação de aberturas,

além de todos os dados que possam influenciar no consumo de energia elétrica.

Para cada uma das 5 casas foi determinado o fator de visão do céu, através

da extensão 3DSkyView. Esse procedimento foi possível, uma vez que toda a base

de dados da área já estava incorporada ao SIG ArcView, através do projeto CEU.

De posse de todos esses dados e em conjunto aos dados levantados pelo

Projeto CEU, foi feita uma análise no intuito de identificar quais os principais fatores

são responsáveis pela variação no consumo de energia elétrica de cada unidade

comparada. Essa identificação da importância das variáveis, por se tratar de

variáveis com relações bastante complexas, foi feita aplicando-se a técnica das

Redes Neurais Artificiais (RNA). Para fins de maior esclarecimento quanto a essa

técnica, o primeiro tópico desse capítulo faz uma apresentação sobre as RNA.

7 DADOS LEVANTADOS

As cinco unidades escolhidas para o estudo, passam agora a ser descritas e

analisadas. Para cada unidade, são apresentados dados de caracterização com os

seguintes itens:

• Um quadro de apresentação do entorno adaptado do Projeto CEU,

usando como referência o ponto mais próximo avaliado por esse

projeto.

• Um croqui de implantação da unidade no lote e a orientação do

respectivo lote.

• Um gráfico do FVC (Fator de Visão de Céu) de cada unidade

pesquisada, com seus respectivos dados de análises.

• Fotos da unidade em estudo.

Assim, por exemplo, no primeiro caso da residência P1, as figuras 25 e 26

mostram os dados obtidos para o ponto referência do projeto CEU com seu raio de

abrangência, contendo a unidade P1, enquanto a tabela 2 apresenta

dimensionamento das superfícies para esta mesma unidade. Em seguida são

apresentadas as fotos da respectiva edificação. Esse mesmo padrão de

apresentação é adotado para as demais residências, através das figuras de 26 a 52

e tabelas de 3 a 6.

Porcentagens das áreas Verdes e Construídas

7,41 29,32

63,27

0% 20% 40% 60% 80% 100%

FVC = 0,93

Diferença da Temp. do ar local - Ipmet

Ponto 1D

-2

-1

0:00

1:00

2:00

3:00

4:00

5:00

6:00

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Horário

Diferença em ºC

Figura 25: Dados do Entorno de P1 - Ponto de Medição do Projeto CEU

Fonte: Adaptado de NAKATA (2006)

#####

Dados de P1 – Consumo Médio 250 Kw/h

Figura 26: Croqui de implantação e FVC de P1

Tabela 2: Faces de P1 em m²

ORIENT. FACE

PAREDE

m²

CAIXILHO

m²

VÃO

m²

TOT.FACE

m²

TOT. RELEVANTE

m²

NE 2 15,00 0,00 0,00 15,00

NE 4 25,85 4,15 0,00 30,00

TOTAL NE 40,85 4,15 0,00 45,00 30,00

NO 3 4,50 0,00 0,00 4,50

NO 5 23,90 1,60 0,00 25,50

TOTAL

NO 28,40 1,60 0,00 30,00 30,00

SO 6 45,00 0,00 0,00 45,00

TOTAL

SO 45,00 0,00 0,00 45,00 0,00

SE 1 12,60 2,40 15,00 30,00

TOTAL

12,60 2,40 15,00 30,00 30,00

TOTAL DAS FACES 150,00

ÁREA 135,00 m²

TOTAL RELEVANTE 90,00

FVC = 0,94

SOMBREAMENTO MÉDIO = 0:20h/dia

Fotos de P1

Figura 27: Fachada de P1

Figura 28: Corredor lateral de P1 Figura 29: Fundos de P1

Porcentagens das áreas Verdes e Construidas

4,01 28,65 67,34

0% 20% 40% 60% 80% 100%

FVC = 0,79

Diferença da Temp. do ar local - Ipmet

Ponto 2H

-2

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Horário

Diferença em ºC

Figura 30: Dados do Entorno de P2 - Ponto de Medição do Projeto CEU

Fonte: Adaptado de NAKATA (2006)

#####

# ### #

###

Dados de P2 – Consumo Médio 229 Kw/h

Figura 31: Croqui de implantação e FVC de p2

Tabela 3: Faces de P2 em m²

ORIENT. FACE

PAREDE

m²

CAIXILHO

m²

VÃO

m²

TOT.FACE

m²

TOT. RELEVANTE

m²

NE 7 2,50 2,00 0,00 4,50

NE 11 9,00 0,00 0,00 9,00

NE 13 27,00 0,00 0,00 27,00

NE 17 2,50 2,00 0,00 4,50

TOTAL

41,00 4,00 0,00 45,00 36,00

NO 4 0,00 0,00 12,00 12,00

NO 12 0,00 0,00 15,00 15,00

NO 14 27,00 0,00 0,00 27,00

NO 16 16,50 1,50 0,00 18,00

NO 18 15,00 0,00 0,00 15,00

TOTAL

NO 58,50 1,50 27,00 87,00 45,00

SO 1 0,00 0,00 15,00 15,00

SO 3 10,00 2,00 0,00 12,00

SO 5 0,00 0,00 9,00 9,00

SO 9 2,50 2,00 0,00 4,50

SO 15 4,50 0,00 0,00 4,50

TOTAL

SO 17,00 4,00 24,00 45,00 45,00

SE 2 0,00 0,00 12,00 12,00

SE 6 24,00 0,00 0,00 24,00

SE 8 10,00 2,00 0,00 12,00

SE 10 39,00 0,00 0,00 39,00

TOTAL

SE 73,00 2,00 12,00 87,00 24,00

TOTAL DAS FACES 264,00

ÁREA 224,00 m²

TOTAL RELEVANTE 150,00

FVC = 0,92

SOMBREAMENTO MÉDIO = 0:20h/dia

Fotos de P2

Figura 32: Fachada de P2

Figura 33: Corredor lateral de P2 Figura 34: Fundos de P2

Figura 35: Outro corredor de P2

Porcentagens das áreas Verdes e Construidas

4,06 31,69 64,25

0% 20% 40% 60% 80% 100%

FVC = 0,76

Diferença da Tem

. do ar local - I

met

Ponto 2F

-4

-2

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Horário

Diferença em º

Figura 36: Dados do Entorno de P3 - Ponto de Medição do Projeto CEU

Fonte: Adaptado de NAKATA (2006)

#####

# ### #

###

Dados de P3 – Consumo Médio 292 Kw/h

Figura 37: Croqui de implantação e FVC de P3

Tabela 4: Faces de P3 em m²

ORIENT. FACE

PAREDE

m²

CAIXILHO

m²

VÃO

m²

TOT.FACE

m²

TOT.RELEVANTE

m²

NE 2 15,00 0,00 0,00 15,00

NE 4 25,85 4,15 0,00 30,00

TOTAL NE 40,85 4,15 0,00 45,00 30,00

NO 3 4,50 0,00 0,00 4,50

NO 5 23,90 1,60 0,00 25,50

TOTAL

NO 28,40 1,60 0,00 30,00 30,00

SO 6 45,00 0,00 0,00 45,00

TOTAL

SO 45,00 0,00 0,00 45,00 0,00

SE 1 12,60 2,40 15,00 30,00

TOTAL

12,60 2,40 15,00 30,00 30,00

TOTAL DAS FACES 150,00

ÁREA 135,00 m²

TOTAL RELEVANTE 90,00

FVC = 0,94

SOMBREAMENTO MÉDIO = 1:20h/dia

Fotos de P3

Figura 38: Fachada de P3

Figura 39: Corredor lateral de P3 Figura 40: Fundos de P3

Figura 41: Outro corredor de P3

Porcentagens das áreas Verdes e Construidas

2,65 26,84 70,52

0% 20% 40% 60% 80% 100%

FVC = 0,59

Diferença da Temp. do ar local - Ipmet

Ponto 2D

-4

-2

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Horário

Diferença em ºC

Figura 42: Dados do Entorno de P4 - Ponto de Medição do Projeto CEU

Fonte: Adaptado de NAKATA (2006)

#####

###

Dados de P4 – Consumo Médio 250 Kw/h

Figura 43: Croqui de implantação e FVC de P4

Tabela 5: Faces de P4 em m²

FACE

PAREDE

m²

CAIXILHO

m²

VÃO

m²

TOT.FACE

m²

TOT. RELEVANTE

m²

NE 2 64,00 8,00 0,00 72,00

TOTAL NE 64,00 8,00 0,00 72,00 72,00

NO 1 28,80 1,20 12,00 42,00

TOTAL

NO 28,80 1,20 12,00 42,00 42,00

SO 6 21,00 0,00 0,00 21,00

SO 4 49,00 2,00 0,00 51,00

TOTAL

70,00 2,00 0,00 72,00 51,00

SE 5 4,00 2,00 0,00 6,00

SE 3 30,00 6,00 0,00 36,00

TOTAL

34,00 8,00 0,00 42,00 36,00

TOTAL DAS FACES 228,00

ÁREA 302,00 m²

TOTAL RELEVANTE 201,00

FVC = 0,89

SOMBREAMENTO MÉDIO = 2:00h/dia

Fotos de P4

Figura 44: Fachada de P4

Figura 45: Fundos de P4 Figura 46: Corredor lateral de P4

Porcentagens das áreas Verdes e Construidas

2,26 27,86 69,88

0% 20% 40% 60% 80% 100%

FVC = 0,55

Diferença da Temp. do ar local - Ipmet

Ponto 3G

-2

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

Horário

Diferença em ºC

Figura 47: Dados do Entorno de P5 - Ponto de Medição do Projeto CEU

Fonte: Adaptado de NAKATA (2006).

###

#####

Dados de P5 – Consumo Médio 330 Kw/h

Figura 48: Croqui de implantação e FVC de P5

Tabela 6: Faces de P5 em m²

ORIENT. FACE

PAREDE

m²

CAIXILHO

m²

VÃO

m²

TOT.FACE

m²

TOT. RELEVANTE

m²

NE 2 24,00 0,00 0,00 24,00

NE 4 33,80 5,20 0,00 39,00

TOTAL NE 57,80 5,20 0,00 63,00 39,00

NO 3 2,10 2,40 0,00 4,50

NO 5 12,00 0,00 0,00 12,00

NO 7 1,00 11,00 0,00 12,00

TOTAL

NO 15,10 13,40 0,00 28,50 28,50

SO 6 37,00 2,00 0,00 39,00

SO 8 24,00 0,00 0,00 24,00

TOTAL

SO 61,00 2,00 0,00 63,00 39,00

SE 1 0,00 0,00 30,00 30,00

TOTAL

0,00 0,00 30,00 30,00 30,00

TOTAL DAS FACES 184,50

ÁREA 102,00 m²

TOTAL RELEVANTE 136,50

FVC = 0,89

SOMBREAMENTO MÉDIO = 2:00h/dia

Fotos de P5

Figura 49: Fachada de P5

Figura 50: Corredor lateral de P5 Figura 51: Fundos de P5

Figura 52: Outra lateral de P5

7.1 Análise sobre o Loteamento

Devido ao loteamento regular com quadras e arruamento regulares e

paralelos, aliado ao padrão dos terrenos retangulares e compridos no sentido da

frente da rua para o fundo, é possível observar também uma ocupação homogênea

das edificações. Essas normalmente apresentam uma configuração também

retangular no sentido do terreno. Havendo alguns apêndices e prolongamentos até a

divisa em alguns deles.

Esse padrão de ocupação determina, por conseqüência, um outro padrão, que

se torna relevante nesse estudo. Para as duas orientações principais de ocupação, é

possível observar que as faces expostas à insolação e ventilação, seguem também

um caráter homogêneo: faces paralelas a rua voltadas para frente, normalmente são

equivalentes as faces paralelas a rua voltadas para o fundo, e as faces

perpendiculares a rua de um lado e do outro, também, salvo somente quando uma

das faces esta encostada nas divisas e também encostadas em outras construções.

Quando o terreno está situado no sentido “norte-sul”, sua maior área de

paredes encontra-se nessa mesma orientação, e na grande maioria das vezes 50%

voltadas para o Leste (sol da manha) e 50% voltadas para o Oeste (sol da tarde). Já

quando o terreno encontra-se situado na orientação “Leste-Oeste”, a maior

proporção de paredes esta voltada para Norte e Sul com as mesmas características

das anteriores. As exceções ocorrem quando parte da casa encontra-se na divisa do

terreno e está encostada noutra parede vizinha. Nesses casos a área de parede não

sofre nenhuma influência da insolação ou da ventilação.

Partindo dessa observação, é possível afirmar que a orientação dos lotes no

sentido “Leste-Oeste”, seguindo o padrão de ocupação acima citado; faz com que

essa residência receba uma menor carga de insolação que as demais. Porém,

quando o entorno gera alguma interferência nessa quantidade de insolação

recebida, mesmo que por meio de reflexão de outras construções, a orientação do

lote e da ocupação do mesmo torna-se menos importante que a observação dessas

interferências.

7.2 Análise sobre as Faces

Para cada tipo de face de uma residência, é possível destacar uma

propriedade diferente em relação à absorção e reflexão da luz solar e sua

correspondente relação provocada dentro de um contexto de desempenho

energético.

Uma parede de alvenaria comum (tijolos furados, reboco e pintura), pode

variar no tocante a desempenho térmico em dois fatores principais: espessura e cor

da pintura. Normalmente esse tipo de parede é encontrado em duas espessuras

diferentes: “Meio tijolo” (15 cm) e “Um tijolo” (25 cm). Uma parede mais espessa tem

um melhor desempenho térmico que uma menos espessa. Quanto às cores esse

desempenho é amplamente variável de acordo com as tonalidades e as texturas

utilizadas nos revestimentos dessas paredes. Normalmente, uma cor mais escura

absorve mais calor que uma cor mais clara, enquanto outros materiais apresentam

diferentes características de absorção da radiação solar (conforme tabela 1).

As unidades em questão nessa análise seguem um padrão de construção

homogêneo, onde predominam as paredes de “meio tijolo”, enquanto as de “um

tijolo” só ocorrem quando encostadas nas divisas dos terrenos. Quando essas

paredes encostadas nas divisas também estão encostadas em outras paredes

vizinhas, elas são impedidas de receber insolação. Quanto às cores, existe um

padrão dentre as unidades dessa pesquisa pelas tonalidades claras e lisas. Isso

permite considerar um padrão homogêneo de absorção da insolação e não faz

desse item (cor), um fator que interfira nas possíveis diferenças nos consumos de

energia das unidades.

Todas as unidades também apresentaram um mesmo padrão de caixilho.

Os vãos que também aparecem mensurados nas tabelas de totalização das

faces sofrem uma influência distinta na insolação das unidades. Normalmente essas

faces contribuem muito para a ventilação das unidades e não para um ganho térmico

que possa interferir no aumento do consumo de energia da unidade.

8 ANÁLISES E RESULTADOS

Identificada, as características das residências selecionadas, foram gerados

gráficos que permitem a visualização e interpretação dos resultados. Todos os

gráficos foram desenvolvidos tendo como objetivo estudar as diversas

condicionantes do desenho do edifício.

8.1 Análise das diversas variáveis através de gráficos

Uma análise do consumo por residência estudada é apresentada no figura 53.

Nele a edificação 5 apresenta-se como a residência mais consumidora e a edificação

2 a menos consumidora.

Consumo X Residência

100

150

200

250

300

350

12345

Unidades estudadas

Consumo médio em

kWh/mês

Figura 53: Consumo médio mensal por residência estudada

A figura 54 indica a área construída de cada uma das residências. Observa-se

que a residência 4 apresenta a maior área construída, enquanto a residência 5

equivale à de menor área construída.

Área Construída X Residência

100

150

200

250

300

350

12345

Residência estudada

Área construída (m2)

Série1

Figura 54: Área construída por residência estudada

Cruzando-se essas informações anteriores, obtêm-se o consumo por área

construída das edificações, conforme apresentado no quadro abaixo (Figura 55).

CONSUMO X ÁREA CONSTRUÍDA

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

Área construída (m2)

Consumo médio kWh/mês

Figura 55: Consumo por área construída das residências estudadas

Verificou-se uma tendência, ainda que visualmente, de haver uma redução no

consumo de energia elétrica com o aumento da área construída. Essa informação

sozinha, no entanto, não é suficiente para estabelecer as determinantes do consumo

de energia elétrica em uma edificação, pois existem vários outros fatores que agem

simultaneamente.

Buscando-se, portanto, mais informações que identifiquem as influências do

desenho no consumo, foram estudados os valores do FVC das edificações

estudadas. Os resultados são apresentados na Figura 56.

FVC x Residência

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

12345

Residências estudadas

FVC

Figura 56: Fator de visão de céu por residências estudadas

Nela observa-se que a residência de menor FVC é a residência 5, enquanto

as residências de número 1 e 3 são as de maiores valores de FVC.

Comparando-se as informações anteriores, verifica-se que a casa 5, é ao

mesmo tempo a de maior consumo, menor área construída e menor FVC.

Considerando-se a influência do FVC no consumo de energia elétrica das

edificações, foi gerado o gráfico da Figura 57.

Nele foi considerado a média anual do consumo de energia elétrica mensal

em kWh de cada residência estudada.

CONSUMO X FVC

100

150

200

250

300

350

0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96

FVC

Consumo em kWh/mês

Figura 57: Consumo de Energia Elétrica em função do FVC das 5 unidades estudadas

É possível estabelecer uma pequena tendência, entre essas 5 unidades

estudadas, em haver redução do consumo de energia com o aumento do FVC.

Como o aumento do FVC indica maior disponibilidade de luz natural, isso

pode estar revelando uma diminuição no uso da iluminação artificial e

conseqüentemente revelando o menor consumo.

No entanto, o consumo de energia elétrica é também uma conseqüência das

condições térmicas e não só das condições lumínicas. Assim, para ser verificada a

importância das condições térmicas sobre o consumo, foi elaborado o gráfico da

Figura 58, comparando-se o tempo de sombreamento das edificações com o

consumo.

CONSUMO X TEMPO DE SOMBREAMENTO

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350

Tempo de Sombreamento (min)

Consumo em kWh/mês

Figura 58: Consumo de energia elétrica em função do tempo de sombreamento

Foi verificado que o aumento no tempo de sombreamento tende a representar

a diminuição no consumo de energia elétrica.

Isso indica que, assim como a disponibilidade de luz representa menor

consumo por iluminação artificial, o tempo de insolação representa aumento no

consumo de energia para condicionamento do ambiente.

Identificar, no entanto, qual das condicionantes ambientais é mais importante

para o consumo de energia elétrica, é uma tarefa bastante complexa, devido ao

número de variáveis envolvidas.

Numa tentativa de buscar maior esclarecimento sobre estas influências, foram

consideradas as áreas de fachadas relevantes, ou seja, aquelas fachadas que, ou

sofrem radiação solar direta, ou recebem por reflexão a radiação solar, e foram

excluídas nessa análise as paredes que se encontram encostadas em muros ou na

edificação vizinha. O resultado é apresentado na figura 59.

ÁREA DE FACHADA EXPOSTA

12345

Unidades estudadas

Área exposta (m2)

FACHADA NE

FACHADA NO

FACHADA SO

FACHADA SE

Figura 59: Área de fachada exposta e suas respectivas unidades residenciais

Verifica-se que a casa 3 é a que mais apresenta áreas relevantes, expostas à

influência da insolação.

Comparou-se ainda o consumo de cada residência por área relevante de cada

orientação de fachada, com o objetivo de se obter a colaboração de cada fachada no

consumo. Os resultados são apresentados nas figuras 60, 61, 62 e 63.

CONSUMO X FACHADA NORDESTE

100

150

200

250

300

350

0 1020304050607080

área de fachada exposta (m2)

Consumo kWh

Figura 60: Consumo por área exposta nas Fachadas Nordeste

CONSUMO X FACHADA NOROESTE

100

150

200

250

300

350

0 1020304050

área de fachada exposta (m2)

Consumo kWh

Figura 61: Consumo por área exposta nas Fachadas Noroeste

CONSUMO X FACHADA SUDESTE

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30 35 40

área de fachada exposta (m2)

Consumo kWh

Figura 62: Consumo por área exposta nas Fachadas Sudeste

CONSUMO X FACHADA SUDOESTE

100

150

200

250

300

350

0 102030405060

área de fachada exposta (m2)

Consumo kWh

Figura 63: Consumo por área exposta nas Fachadas Sudoeste

Os gráficos, apesar de não apresentarem clara tendência pelo pequeno

número de residências em questão, podem estar indicando que a maior exposição

da fachada nordeste contribui para o aumento do consumo, assim como ocorre com

a fachada sudeste e sudoeste. No entanto, não fica clara a contribuição da fachada

noroeste.

Assim sendo, propõe-se uma análise da importância das variáveis através do

desenvolvimento de modelo de redes neurais artificiais.

8.2 Análise da importância das variáveis por modelos de RNA

A análise da importância das variáveis através das RNA foi realizada com a

aplicação do software Easy NN, possibilitada através do Departamento de

Transportes da Escola de Engenharia de São Carlos-EESC-USP.

Diferentemente do objetivo para o qual esse tipo de modelo é desenvolvido,

aqui o intuito é apenas o de identificar a importância das variáveis, sem a

preocupação de haver uma avaliação do desempenho do modelo em si.

Usualmente a modelagem em RNA é feita em três fases: o treinamento, a

validação e o teste. O treinamento e validação são as etapas na qual o software

efetua a aprendizagem, determinando os pesos das variáveis, num processo

iterativo. Já a fase de teste é feita depois do modelo desenvolvido, através do qual é

elaborada uma simulação para se verificar as diferenças entre os valores reais e os

simulados.

No caso dessa análise aqui proposta apenas a primeira fase é pertinente, já

que as previsões passíveis de serem efetuadas pelo modelo em si não faz parte

dessa pesquisa.

A proposta aqui é desenvolver vários modelos de previsão, verificando-se as

tendências encontradas na ordem de importância das variáveis. Assim é possível

identificar os diferentes pesos relativos das variáveis para o consumo de energia

elétrica.

Para isso foram montados 5 conjuntos de dados de consumo de energia

elétrica durante 1 ano para todas as 5 unidades residenciais em estudo. Esses

conjuntos se diferenciaram apenas pela ordem dos valores que foram designados

para treinamento e para validação.

Adotou-se que o erro de validação a ser atingido deveria ser cerca de 10% do

valor real. Assumiu-se que esse erro não é significativo para a escala de consumo

que se está trabalhando.

Durante a simulação foi permitido o desenvolvimento de camadas escondidas

internas ao modelo para a melhoria da rede e diminuição dos erros de validação.

Tendo como variável de saída o consumo de energia elétrica real de cada

mês das 5 casas em questão, as variáveis consideradas para a modelagem foram:

área construída, FVC, sombreamento, área de exposição das fachadas NE, área de

exposição das fachadas NO, área de exposição das fachadas SO e área de

exposição das fachadas SE.

Os resultados encontrados para estes 5 conjuntos de dados são descritos na

tabela 7. Nela os valores das importâncias são tomados em porcentagem de

colaboração da variável no consumo real de energia elétrica.

Tabela 7 – Importância relativa das variáveis no valor do consumo de energia elétrica conforme o

modelo desenvolvido em RNA

Variáveis Modelo

FVC Sombra Área

Construída

NE NO SE SO

1 14% 20% 6% 13% 23% 7% 17%

2 15% 19% 9% 14% 24% 6% 13%

3 14% 19% 6% 14% 26% 8% 13%

4 13% 19% 5% 15% 22% 11% 15%

5 13% 20% 6% 14% 25% 9% 13%

Os resultados da referida tabela indicam que, apesar de pequena oscilação na

ordem e grau de importância das variáveis entre os modelos, algumas tendências se

configuram claramente, com mais facilidade do que até então estavam se

apresentando na análise por gráficos. Verificou-se que:

• A variável mais importante se revelou a área de exposição da fachada

NO, com variação de 23 a 26% de importância;

• O sombreamento assumiu um valor de 19 a 20%, mostrando-se como

segundo agente contribuinte no consumo;

• O FVC, a área de fachada SO e a área de fachada NE assumiram

importâncias similares, podendo variar de 13 a 17%;

• A área construída e a área de fachada SE obtiveram menor grau de

importância, com tendência à área da fachada SE exercer mais

influência do que a área construída da edificação.

Portanto, um dos fatores mais importantes para o desenho de edificações é a

área de exposição da fachada NO, sendo essa uma das principais informações

extraídas dessa pesquisa.

Acredita-se que a ampliação de dados para uma modelagem mais detalhada

é necessária em pesquisas futuras, para que se possa identificar precisamente o

valor ideal da área dessa fachada para que o consumo de energia seja minimizado.

Com os dados aqui estudados essa verificação ainda não é possível, uma vez que o

número de casos estudados é de apenas 5 residências.

Dessa forma as RNA apresentaram-se como uma excelente ferramenta na

determinação da importância de variáveis no consumo de energia elétrica.

9 CONCLUSÃO

Quanto à proposta da pesquisa em si, ressalta-se que as Redes Neurais

Artificiais configuraram-se como uma técnica bastante eficiente para o tipo de análise

aqui realizado.

Através do desenvolvimento de modelos RNA foi possível extrair as

informações quanto à importância das variáveis e identificar o grau de interferência

que assume o desenho do edifício para o consumo de energia elétrica.

A análise dos resultados permite determinar alguns fatores principais de

influência para o consumo de energia elétrica das edificações estudadas: A fachada

Noroeste, o tempo de sombreamento e o fator de visão do céu.

Para a fachada Nordeste é possível deduzir que sua grande importância deve-

se ao ganho térmico que ela propicia para a unidade, em se tratando de uma face

voltada para o sol da tarde. Isso indica que um aumento nessa face provocaria um

aumento no consumo de energia dessa unidade.

Já o Fator de Visão de Céu (FVC), está diretamente ligado ao sombreamento

da unidade, e sua relação com o consumo de energia elétrica pode ser observada

por dois ângulos diferentes. Um, quando o sombreamento proporcionado por esse

entorno diminui consideravelmente a luz natural na unidade, forçando a utilização de

iluminação artificial. Outro, quando esse mesmo sombreamento diminui a carga

térmica absorvida pela unidade, amenizando seu ganho de calor.

Desse modo é possível afirmar que uma grande parcela de influência para o

consumo de energia de uma unidade, deve-se a seu entorno. Em alguns casos,

podendo ser mais relevante para o consumo de energia do que a orientação da

unidade no lote.

Confirmou-se, portanto, a hipótese de que, apesar da inegável interferencia do

comportamento do usuário sobre o consumo do edifício, existe uma relação direta

entre a forma de implantação desta edificação e o seu padrão de consumo de

energia elétrica de edificações residenciais.

Tanto a interferência da fachada NO, quanto as interferências do FVC,

exercem ao mesmo tempo influências no consumo de energia elétrica de uma

unidade. Porém, o quanto isso representa para o aumento ou a diminuição do

consumo de energia de uma unidade, bem como a relação que uma exerce na outra,

não pôde ser determinada nessa pesquisa devido ao baixo número de unidades

pesquisadas e os poucos dados fornecidos por essas unidades.

Um novo estudo pode partir desse ponto, para pesquisar um maior número de

unidades no intuito de obter uma maior precisão dos dados encontrados e apurá-los,

determinando assim uma possível relação entre as influências levantadas e como

exatamente elas interferem para o consumo de energia de uma unidade residencial

autônoma.

Daqui é possível determinar algumas diretrizes de projeto que devem ser

observadas na implantação de uma unidade num lote urbano com as características

abordadas. Primeiro, uma cuidadosa observação do entorno e suas possíveis

interferências, sombreamentos, reflexões de radiação do sol etc. Depois, um cuidado

maior com as elevações voltadas para NO. Para que essas possam ser protegidas e

não tenham um grande ganho térmico para a unidade.

Outro aspecto a ser destacado é a questão do FVC. O estudo do FVC não é

usual nesse tipo de abordagem e muitas vezes esse é um fator desconhecido dos

profissionais ligados à área de construção civil. No entanto, a sua importância para a

minimização do consumo de energia nas edificações revela-o como ferramenta

essencial para se atingir padrões de consumo adequados.

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COTEDI, 2003.CD

ANEXO

Formulário de Pesquisa aplicada pelo projeto CEU

QUESTIONÁRIO DE PERFIL DO USUÁRIO

(Rua___________________________Quadra____ N

_____andar______)

1 Quantos são os moradores da casa? E quais as idades?

( )1 pessoa Idade:_____anos

( )2 pessoas Idades:_____ e _____anos

( )3 pessoas Idades: _____, ____ e ____anos

( )4 pessoas Idades:_____, _____, _____ e_____anos

( )5 pessoas Idades: _____,_____, _____,_____ e____anos

( )+de 6 pessoas Idades: ___________________________anos.

2 Qual a faixa de renda familiar (em caso de república de estudantes, considerar apenas a

soma dos valores percebidos pelos estudantes para a sua manutenção):

( ) 1 a 10 salários mínimos ( R$260 a R$2.600)

( ) 10 a 20 salários mínimos (R$2.600 a R$5.200)

( ) 20 a 40 salários mínimos (R$5.200 a R$10.400)

( ) 40 a 60 salários mínimos (R$10.400 a R$15.600)

( ) 60 a 80 salários mínimos (R$15.600 a R$20.800)

( ) 80 a 100 salários mínimo (R$20.800 a R$26.000)

( ) acima de 100 salários mínimos (acima de R$26.000)

3 Quantos domitórios existem na casa (ou apartamento)?

( ) 1 domitório

( ) 2 dormitórios

( ) 3 dormitórios

( ) 4 dormitórios

( )acima de 5 dormitórios

4 Qual o gasto médio mensal com energia elétrica?

( ) até 50KWh/mês ( ) de 500 a 600 KWh/mês

( ) de 50 a 100 KWh/mês ( ) de 600 a 700 KWh/mês

( ) de 100 a 200 KWh/mês ( ) de 700 a 800 KWh/mês

( ) de 200 a 300 KWh/mês ( ) de 800 a 900 KWh/mês

( ) de 300 a 400 KWh/mês ( ) de 900 a 1000 KWh/mês

( ) de 400 a 500 KWh/mês ( ) acima de 1000 KWh/mês

5 Qual o mês ou época do ano que você considera que mais se gasta com energia elétrica em sua casa?

( ) janeiro ( ) julho

( ) fevereiro ( ) agosto

( ) março ( ) setembro

( )abril ( ) outubro

( )maio ( ) novembro

( ) junho ( ) dezembro ( ) não faz diferença

6 Quantos chuveiros elétricos estão instalados em sua casa?