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I
Dimas Bertolotti
Iluminação natural em projetos de escolas:
uma proposta de metodologia para melhorar a qualidade da
iluminação e conservar energia
Orientador: Prof. Dr. Paulo Sérgio Scarazzato
São Paulo
2007
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II
Dimas Bertolotti
Iluminação natural em projetos de escolas:
uma proposta de metodologia para melhorar a qualidade da
iluminação e conservar energia
Dissertação apresentada à Comissão de
pós-graduação da Faculdade de
Arquitetura e Urbanismo da Universidade
de São Paulo como parte dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em
Arquitetura e Urbanismo.
Área de concentração:
Tecnologia da Arquitetura
Orientador:
Prof. Dr. Paulo Sérgio Scarazzato
São Paulo
2007
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III
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE
TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO,
PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
ASSINATURA:
E-MAIL: [email protected]
Bertolotti, Dimas
B546i Iluminação natural em projetos de escolas: uma proposta de
metodologia para melhorar a qualidade da iluminação e conservar
energia
/ Dimas Bertolotti. --São Paulo, 2007.
144 p. : il.
Dissertação (Mestrado - Área de Concentração: Tecnologia
da Arquitetura) - FAUUSP.
Orientador: Paulo Sérgio Scarazzato
1.Iluminação natural 2.Escolas (Arquitetura) 3.Conservação
de energia I.Título
CDU 628.92
IV
Ao Lucas e à Luisa.
V
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Paulo Sérgio Scarazzato, pelo apoio e a atenção dedicada.
Ao LABAUT, pelo apoio e pelo empréstimo dos equipamentos para a realização
dessa pesquisa.
Aos amigos e colegas da pós-graduação, Daniela Laudares, Norberto Moura,
Marcos Yamanaka e Sandra Regina, pela força e estímulo mútuo.
VI
Fábula de um arquiteto
A arquitetura como construir portas
de abrir; ou como construir o aberto;
construir, não como ilhar e prender,
nem construir como fechar secretos;
construir portas abertas, em portas;
casas exclusivamente portas e teto.
O arquiteto: o que abre para o homem
(tudo se sanearia desde casas abertas)
portas por-onde, jamais portas-contra;
por onde, livres: ar luz razão certa.
Até que, tantos livres o amedrontando,
renegou dar a viver no claro e aberto.
Onde vãos de abrir, ele foi amurando
opacos de fechar; onde vidro, concreto;
até refechar o homem: na capela útero,
com confortos de matriz, outra vez feto.
(João Cabral de Melo Neto)
VII
RESUMO
BERTOLOTTI, DIMAS. Iluminação natural em projetos de escolas: uma proposta
de metodologia para melhorar a qualidade da iluminação e conservar energia. 2007.
150 p. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Arquitetura e Urbanismo,
Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.
Este trabalho tem como objetivo analisar estratégias de iluminação
natural utilizadas nos estágios iniciais do projeto de arquitetura capazes de aumentar
a qualidade da iluminação e a conservação de energia nos edifícios escolares.
Essas estratégias têm sido aplicadas com sucesso em edifícios escolares em vários
países, melhorando o desempenho e o bem-estar dos estudantes e conservando
energia.
Entre essas estratégias, o autor selecionou um dispositivo zenital
para iluminação natural com seleção angular e difusores opacos, realizou um
ensaio experimental em um modelo físico reduzido de uma sala de aula padrão, sob
condições de céu real e analisou comparativamente os resultados.
O estudo mostrou que a adoção de uma metodologia para utilizar
estratégias como a analisada neste trabalho pode conseguir um adequado controle
da radiação solar para evitar a incidência direta da luz do Sol, evitar o ofuscamento
e o aquecimento excessivo de ambientes de salas de aula em climas quentes e, ao
mesmo tempo, aproveitar a iluminação natural, tanto difusa quanto direta refletida,
para obter maior conforto visual e economizar energia.
Palavras-chave: iluminação natural, escolas sustentáveis, arquitetura escolar,
conservação de energia, ofuscamento, dispositivo zenital com seleção angular.
VIII
ABSTRACT
BERTOLOTTI, DIMAS. Daylighting in schools projects: a proposition of a
methodology to enhance lighting quality and energy savings. 2007. 150 p.
Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de
São Paulo, São Paulo, 2007.
This work aims to analyse daylighting strategies applied in early
stages of architectural design as to improve lighting quality and energy savings in
school buildings. Similar strategies have already been successfully applied in many
countries around the world, enhancing student’s performance and well being while
helping to save energy.
Among the strategies studied, the author describes an experiment
under real sky conditions using a physical scale model of a standard classroom
equipped with a roof monitor combined with an overhang and interior vertical
diffusing baffles as a way to check its influence in interior lighting conditions.
The experiment has shown that the use of daylighting strategies can
promote an adequate control of solar radiation, avoiding direct sunlight penetration
inside the classrooms, limiting glare problems and excessive heat of hot climates. At
the same time, such strategies optimise both direct and defuse use of daylight to
improve visual comfort and energy savings.
Keywords: daylighting, sustainable schools, school building design, energy savings,
glare, roof monitor with diffusing baffles.
IX
LISTA DE FIGURAS
Capa – Em cima, à esquerda: Escola Apollo. Fonte: Hertzberger, 1996.
– Em cima, à direita: Four Corners School. Fonte: Boora Architects, 2005.
– Embaixo, à esquerda: Foto do interior do modelo. Fonte: Autor.
– Embaixo, à direita: Simulação no programa Ecotect. Fonte: Autor.
Figura 1 – A: A luz influencia na liberação da melatonina no organismo.
Fonte: www.universe-review.ca .............................................................11
Figura 1 – B: Gráfico da variação da temperatura do corpo no ciclo dia / noite.
Fonte: www.hhmi.org .............................................................................11
Figura 2 – Espectro eletromagnético da radiação solar. Fonte: www.squ1.com ....14
Figura 3 – Paimio Sanatorium, Finlândia, projeto do arquiteto Alvar Aalto. Fonte:
www.landliving.com ..............................................................................16
Figura 4 – Algumas estratétigas para a iluminação natural das “green schools”
americanas: (A) Iluminação zenital com defletores para evitar
ofuscamento; (B) “Light pipe” para conduzir luz natural para os espaços
internos; (C) Prateleiras de luz para conduzir a luz mais profundamente
nas aberturas laterais. Fontes: (A) Innovative Design, (B)
www.solatube.com , (C) Daylight dividends – Case estudies – Innovative
design, 2004 .........................................................................................26
Figura 5 – A: Refletâncias recomendadas para superfícies e mobiliário da sala de
aula. Fonte: IESNA, 2000. ......................................................................31
Figura 5 – B: Proporção entre a luminância da tarefa visual e a luminância das
superfícies mais significativas de uma sala de aula. Fonte: IESNA, 2000
...............................................................................................................31
Figura 6 – A iluminação natural deve ser adequada às atividades que se
desenvolvem nos diferentes ambientes de uma escola: Sala de artes,
Universidade da Califórnia (A); ginásio de esportes da Lincoln High
School, Califórnia. Fonte: Boora Architects, 2006 ................................32
Figura 7 – Uma das principais recomendações para a iluminação de salas de aula é
evitar a radiação solar direta (A) e utilizar luz natural difusa, direta e
refletida (B). Fonte: Square One -
www.squ1.com ................................34
X
Figura 8 – Distribuição uniforme e suave da luz natural e integração com iluminação
artificial em salas de aula. Roy Lee Walker Intermediate School. Fonte:
DesignShare, 2006. ..............................................................................35
Figura 9 – Reflexão especular: brilho intenso impede a visão da escala na régua de
metal (A); ofuscamento desabilitador: brilho intenso no campo visual
impede a realização da tarefa (efeito de véu). Fonte: Tregenza e Loe,
1998. .....................................................................................................54
Figura 10 – Fontes de ofuscamento em uma sala de aula devido ao tamanho e ao
posicionamento das aberturas. Fonte: Autor da pesquisa. ....................58
Figura 11 – À medida que diminuem as aberturas, aumenta o contraste destas com
o teto, a parede frontal e as paredes laterais, aumento a probabilidade de
ofuscamento. Fonte: www.londonmet.ac.uk . ........................................59
Figura 12 – Aspecto da iluminação natural de um espaço interno com 2% (A) e 5%
(B) de FLD. Fonte: www.londonmet.ac.uk .............................................62
Figura 13 – Relação entre a variação das refletâncias das superfícies internas e a
variação do FLD. Fonte: www.londonmet.ac.uk . ...................................63
Figura 14 – Foto da sala de aula padrão FDE. Fonte: ArcoWeb, 2005 ...................68
Figura 15 – Desenho em planta de sala de aula padrão FDE. Fonte: FDE, 2003 ...68
Figura 16 – Projeto do modelo físico em escala reduzida de uma sala de aula
padrão. Fonte: Autor da pesquisa. ........................................................69
Figura 17 – Carta solar para o cálculo do protetor solar para a orientação Norte.
Fonte: Autor da pesquisa.
................................................................................................................................71
Figura 18 – Quebra-sol horizontal no modelo (A) e projetado no programa SolarTool
(B). Fonte: Autor da pesquisa. ...............................................................71
Figura 19 – Carta solar para o cálculo do protetor solar orientação Sul. Fonte: Autor
da pesquisa. ..........................................................................................72
Figura 20 – Quebra-sol vertical no modelo (A) e projetado no programa SolarTool
(B). Fonte: Autor da pesquisa. ...............................................................72
Figura 21 – Mount Airy Library, Carolina do Norte, projeto de Eward Mazria. Fonte:
www.mazria.com . .................................................................................74
Figura 22 – Desenho de Mazria para a Mount Airy Library. Fonte: Moore, 1985. ...76
Figura 23 – Foto do modelo e esquema gráfico do dispositivo zenital orientado para
Norte. Fonte: Autor da pesquisa. ...........................................................77
XI
Figura 24 – Foto do modelo e esquema gráfico do dispositivo zenital orientado para
Sul. Fonte: Autor da pesquisa. ..............................................................77
Figura 25 – Vistas internas do projeto do modelo com os difusores. Fonte: Autor da
pesquisa. ...............................................................................................77
Figura 26 – Foto aérea do local do ensaio. Fonte: Google Hearth
www.aondefica.com ...............................................................................78
Figura 27 – Fotos do local do ensaio. Fonte: Autor da pesquisa. ............................79
Figura 28 – Fotocélulas LI-COR, modelo LI-210SA. Fonte: LABAUT-FAUUSP. ....80
Figura 29 – Níveis para fotocélulas LI-COR. Fonte: Autor da pesquisa. .................80
Figura 30 – Datalloger ELE International, modelo MM900 (A) conectado a um
microcomputador (B). Fonte: LABAUT-FAUUSP (A) e Autor da pesquisa
(B). .........................................................................................................80
Figura 31 – Anel para sombreamento da fotocélula externa marca Kipp and Zonen,
modelo CM121. Fonte: Foto do autor da pesquisa e desenho do catálogo
do fabricante. .........................................................................................81
Figura 32 – Luxímetro digital Homis, modelo 824. Fonte: LABAUT-FAUUSP .........81
Figura 33 – Nível de bolha e bússola. Fonte: Autor. ...............................................81
Figura 34 – Câmera digital marca Nikon Coolpix 4500. Fonte: www.nikon.com . ...81
Figura 35 – Lente hemisférica Nikon FC-E8. Fonte: www.nikon.com . ...................81
Figura 36 – Câmera digital Cybershot DSCW7, 7.2 megapixels, marca Sony com
lente conversora grande angular VCL-DH 0730 para câmera digital,
marca Sony, com 30mm de diâmetro de filtro. Fonte: www.sony.com . 82
Figura 37- Malha dos sensores para a medição dos pontos internos de iluminância.
Fonte: Autor da pesquisa. ......................................................................83
Figura 38 – Principais resultados da 1ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
...............................................................................................................93
Figura 39 – Principais resultados da 2ª série de medições. Fonte: Autor ...............94
Figura 40 – Principais resultados da 3ª série de medições. Fonte: Autor ...............95
Figura 41 – Principais resultados da 4ª série de medições. Fonte: Autor ...............96
Figura 42 – Principais resultados da 5ª série de medições. Fonte: Autor ...............97
Figura 43 – Brises padronizados pela CONESP. Fonte: CONESP, 1977………….139
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Tabela de resumo dos índices de iluminação por ambiente. Fonte: FDE.
.............................................................................................................. 44
Tabela 2 – Resumo das médias de iluminância nos pontos para as diversas
tipologias. Fonte: Autor da pesquisa...................................................... 86
Tabela 3 – Variáveis de análise qualitativa para as diversas tipologias. Fonte: Autor
da pesquisa. .......................................................................................... 87
Tabela 4 – Cálculo do FLD nos pontos para as diversas tipologias. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................... 88
Tabela 5 – Cálculo do FLD médio para as diversas tipologias de abertura. Fonte:
Autor da pesquisa.................................................................................. 88
Tabela 6 – Cálculo do FLD pra a condição de céu encoberto nos pontos medidos.
Fonte: Autor da pesquisa..................................................................... 101
Tabela 7 – Projeção dos níveis mínimos de iluminância durante o ano. Fonte: Autor
da pesquisa. ........................................................................................ 102
Tabela 8 – Potencial de conservação de energia com controle de iluminação. Fonte:
Autor da pesquisa................................................................................ 103
Tabela 9 – Potencial de conservação de energia sem controle de iluminação. Fonte:
Autor da pesquisa................................................................................ 104
Tabela 10 – 1ª série de medições realizadas pelo datalogger. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................. 105
Tabela 11 – 2ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................. 105
Tabela 12 – 3ª série de medições realizadas pelo datalogger. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................. 105
Tabela 13 – 4ª série de medições realizadas pelo datalogger. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................. 105
Tabela 14 – 5ª série de medições realizadas pelo datalogger. Fonte: Autor da
pesquisa. ............................................................................................. 105
XIII
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Aumento do número de problemas de saúde em função da distância das
janelas. Fonte: Çakir e Çakir, 1998........................................................ 18
Gráfico 2– Condições de iluminação nas escolas estaduais de São Paulo. Fonte:
Ornstein, Borelli, 1995. .......................................................................... 43
Gráfico 3– Problemas de conforto luminoso. Fonte: Ornstein, Borelli, 1995. .......... 43
Gráfico 4– Relação entre iluminância e acuidade visual (A). Relação entre
iluminância e desempenho visual (B). Fonte: ....................................... 49
Gráfico 5– Gráfico de disponibilidade de luz natural do software DLN. Fonte:
Scarazzato, 1995................................................................................... 87
Gráfico 6– Modelo de sala de aula: janela lateral voltada para o Norte. Fonte: Autor
da pesquisa. .......................................................................................... 91
Gráfico 7– Modelo de sala de aula: janela lateral voltada para o Norte. Fonte: Autor
da pesquisa. .......................................................................................... 92
Gráfico 8– Modelo de sala de aula: janela lateral com brises horizontais para o Norte
e difusores para Sul. Fonte: Autor da pesquisa..................................... 92
Gráfico 9– Modelo de sala de aula: janela lateral com brises verticais para Sul e
difusores para Norte: Fonte: Autor da pesquisa. ................................... 92
Gráfico 10– Modelo de sala de aula: janela lateral vedada e difusores orientados
para Oeste. Fonte: Autor da pesquisa................................................... 93
Gráfico 12– Simulação no programa Ecotect. Fonte: Autor da pesquisa. ............... 93
Gráfico 13– Valores de disponibilidade de luz natural para o solstício de verão em
São Paulo. Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995............................ 93
Gráfico 14– Valores de disponibilidade de luz natural para o solstício de inverno em
São Paulo. Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995............................ 93
Gráfico 15– Valores de disponibilidade de luz natural para o equinócio de outono em
São Paulo. Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995............................ 93
Gráfico 16– Valores de disponibilidade de luz natural para o equinócio de primavera
em São Paulo. Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995...................... 93
XIV
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Níveis de iluminação para ambientes escolares. Fonte: Resumo extraído
da NB – 57............................................................................................. 29
Quadro 2– Resumo das normas e recomendações para iluminação de salas de aula
durante vários períodos na Grã-Bretanha. Fonte: Wei, 2003. ............... 30
Quadro 3 – Relação entre o FLD e o aspecto da iluminação de um espaço interno.
Fonte: Tregenza e Loe, 1998. ............................................................... 63
Quadro 4 – Resumo do levantamento das condições de iluminação natural feito pela
Escola de Engenharia de São Carlos. Fonte: LIMA, 2002..................... 63
XV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABILUX Associação Brasileira da Indústria de Iluminação
BRE British Research Estabilishment
CHPS Colaborative for High Performance Schools
CIBSE Chartered Institution of Building Services Engineers
CIE Comission Internationale d’Éclerage
CONESP Companhia de Construções Escolares de São Paulo
CSTC Centre Scientifique et Technique de la Construction
DIN Deutschs Institut für Normung
DLN Disponibilidade de luz natural
DOE United States Department of Energy
ENCAC Encontro Nacional de Conforto no Ambiente Construído
FDE Fundação para o Desenvolvimento da Educação
FLD Fator de luz do dia
HPS High Performance Schools
IEA International Energy Agency
IES Illuminating Engineering Society
IESD Institute of Energy and Sustainable Development
IESNA Illuminating Engineering Society of North America
LABAUT Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética
LBNL Lawrence Berkeley National Laboratory
LEED Leadership in Energy and Environmental Design
MEC Ministério da Educação e Cultura
NBR Normas Brasileiras
NUTAU Núcleo de Pesquisa de Arquitetura e Urbanismo
OSPI Office of Superintendent of Public Instruction - Washington
WSS Washington Sustainable Schools
XVI
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA.........................................................................................................IV
AGRADECIMENTOS ................................................................................................V
EPÍGRAFE ...............................................................................................................VI
RESUMO.................................................................................................................VII
ABSTRACT ............................................................................................................VIII
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................IX
LISTA DE TABELAS ...............................................................................................XII
LISTA DE GRÁFICOS............................................................................................XIII
LISTA DE QUADROS ........................................................................................... XIV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ................................................................. XV
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 01
1.1 Colocação do problema..................................................................................... 01
1.2 Justificativa da pesquisa.................................................................................... 04
1.3 Objeto de estudo ............................................................................................... 06
1.4 Objetivos da dissertação ................................................................................... 06
1.5 Estrutura da dissertação.................................................................................... 07
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA................................................................................ 09
2.1 OS EFEITOS DA ILUMINAÇÃO NATURAL SOBRE A SAÚDE E O
DESEMPENHO HUMANOS ................................................................. 09
2.1.1 O ritmo circadiano .......................................................................................... 09
2.1.2 O efeito sobre a saúde ................................................................................... 12
2.1.3 O efeito da luz como radiação........................................................................ 13
2.1.4 O efeito sobre o sistema visual ...................................................................... 16
2.2 ILUMINAÇÃO NATURAL E PROJETOS DE ESCOLAS................................... 19
2.2.1 Breve histórico do estudo da iluminação natural em escolas......................... 19
2.2.2 As recomendações de luz natural para escolas: principais referências ......... 27
2.2.2.1 As recomendações da IESNA ..................................................................... 28
2.2.2.2 As recomendações do Departamento de Energia dos Estados Unidos ...... 32
2.2.2.3 CHPS e o protocolo de Washington............................................................ 36
XVII
2.2.2.4 As recomendações do MEC........................................................................ 39
2.2.2.5 As recomendações da FDE......................................................................... 40
2.3 A QUALIDADE DA ILUMINAÇÃO NATURAL – PRINCIPAIS CONCEITOS..... 46
2.3.1 Iluminância .................................................................................................... 47
2.3.2 Luminância ..................................................................................................... 49
2.3.3 Uniformidade e diversidade............................................................................ 50
2.3.4 Contraste........................................................................................................ 51
2.3.5 Ofuscamento .................................................................................................. 53
2.3.5.1 Índices de ofuscamento............................................................................... 54
2.3.6 O fator de luz do dia ....................................................................................... 59
2.3.6.1 O fator de luz do dia médio ......................................................................... 60
2.3.6.2 Relação entre FLD e refletância.................................................................. 63
3. METODOLOGIA.................................................................................................. 64
3.1 Definição do ensaio........................................................................................... 64
3.2 Definição do modelo.......................................................................................... 65
3.2.1 Critério de seleção ......................................................................................... 68
4. ENSAIO E LEVANTAMENTO DE DADOS.......................................................... 69
4.1 Descrição do modelo......................................................................................... 69
4.1.1 Definição dos protetores solares.................................................................... 70
4.1.2 Definição do elemento zenital com seleção angular ...................................... 73
4.1.2.1 Dimensionamento dos difusores ................................................................. 74
4.1.2.2 Desenho dos difusores................................................................................ 76
4.2 Descrição do ensaio.......................................................................................... 78
4.2.1 Descrição dos equipamentos ......................................................................... 79
4.2.2 Metodologia das medições............................................................................. 82
4.3 Descrição dos dados e resultados obtidos........................................................ 84
4.3.1 Iluminância ..................................................................................................... 84
4.3.1.1 Normalização dos dados............................................................................. 84
4.3.2 Comparação dos resultados obtidos .............................................................. 86
4.3.2.1 Gráficos de gradientes de iluminância......................................................... 89
4.3.2.2 Diagramas de curvas isolux ........................................................................ 92
4.3.2.3 Penetração solar ......................................................................................... 99
XVIII
4.4 Estimativa do potencial de conservação de energia ....................................... 100
5. CONCLUSÕES ................................................................................................. 105
5.1 Considerações finais ....................................................................................... 106
5.2 Limitações encontradas................................................................................... 106
5.3 Perspectivas para futuras pesquisas............................................................... 107
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 109
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA............................................................................ 114
SITES DE INTERESSE RELACIONADOS AO ASSUNTO................................... 117
GLOSSÁRIO ......................................................................................................... 124
APÊNDICES
APÊNDICE A – Alguns exemplos das HPS americanas ...................................... 127
APÊNDICE B – Séries de medições realizadas pelo datalogger ........................ 134
ANEXOS
ANEXO A – Brises padronizados pela CONESP ............................................... 138
ANEXO B – Resumo do levantamento feito pela Escola de Engenharia de São
Carlos ............................................................................................... 140
ANEXO C – Disponibilidade de luz natural para São Paulo ................................ 142
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
1
1. INTRODUÇÃO
1.1 Colocação do Problema
A luz é parte integrante do processo de aprendizado escolar. A luz
é essencial para o mecanismo da visão e sem ela não conseguimos ver. É
fundamental também para todos os processos que tornam possível ao cérebro
relacionar-se com o meio ambiente. Nas últimas décadas, a ênfase no desempenho
de atividades de trabalho tem se deslocado da força física para o sistema visual e
para as funções moto-sensoras. O sistema visual transformou-se, assim, na
principal ferramenta de trabalho para milhões de pessoas, que recebem boa parte
das informações por meio da visão. Da mesma forma, entre os muitos fatores que
influenciam os processos de aprendizagem, aqueles relacionados com as
condições ambientais têm um papel importante. Boas condições de iluminação,
portanto, favorecem o desempenho visual, otimizando o processo de aprendizado.
Para Rennhackkamp (1964), “uma vez que a função primordial de
um edifício escolar é estimular o processo educacional no seu sentido mais amplo,
todos os esforços deveriam ser feitos para fornecer aos estudantes um ambiente
educacional adequado e estimulante. Neste sentido, a importância de uma boa
iluminação para o desenvolvimento da criança, preservando sua visão, não deve ser
subestimado”. Em linhas gerais, o sistema visual terá um desempenho mais rápido
e mais apurado quanto maior for o campo visual, maior o contraste de luminâncias,
melhor a diferenciação de cores, produzindo uma melhor imagem na retina e quanto
maior for a iluminação na retina, mais rápido e mais refinado será o desempenho do
sistema visual. “A luz não só ajuda a criança a ver e a reconhecer objetos, como
também prepara seu corpo e sua mente para responder à ação, adaptando-se a
qualquer tarefa que for solicitada a executar. Quanto melhores as condições de
iluminação, mais fácil e mais rápida a tarefa será realizada e menor será o esforço
para os olhos” (RENNHACKKAMP ,1964, p.1).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
2
A qualidade da luz é também importante para os olhos das crianças.
Os olhos coletam e convertem, através dos nervos óticos, a luz visível em impulsos
elétricos direcionados ao cérebro. Estudos de laboratório sugerem que fontes de luz
com espectros
1
mais amplos fornecem mais luz utilizável pelos olhos. A luz natural
fornece o mais rico espectro de luz, atenuando o esforço implícito nas tarefas
visuais. A luz natural, pela ampla composição e abrangência de seu espectro, é mais
favorável à identificação de contrastes e diferenciação de cores e à percepção de
formas tridimensionais do que a iluminação artificial (EDWARDS, TORCELLINI,
2002). No longo prazo, más condições de iluminação para longos períodos de
atividades visuais, principalmente leitura, pode levar à fadiga visual e a problemas de
visão.
Pesquisas atuais, como as conduzidas por Figueiro (2002) e Rea
(2002) do Lighting Research Center
2
, têm-se concentrado também sobre os efeitos
biológicos da luz sobre a saúde geral e o desempenho das pessoas. A Organização
Mundial da Saúde define saúde como um estado de completo bem estar físico,
mental e social e não somente a ausência de enfermidades e doenças. Para os
limites deste texto, se tentará evidenciar a influência da luz nos aspectos de bem
estar físico e mental. A luz natural tem sido associada a atitudes e a estados de
espírito positivos, redução de faltas ao trabalho e na escola, aumento do
desempenho de estudantes, maior produtividade, diminuição de cansaço e fadiga
visual, diminuição de erros e defeitos na produção. Por outro lado, a ausência de luz
natural por longos períodos de tempo tem sido apontada como um catalisador de
doenças como raquitismo e osteomalacia
3
e a alguns tipos de depressão
(EDWARDS, TORCELLINI, 2002).
_____________
1
Função que caracteriza a distribuição de energia numa onda, ou num feixe de partículas, e que
exprime essa distribuição em termos de variáveis apropriadas (comprimentos de ondas,
freqüências, etc.).
2
Lighting Research Center do Renssealer Polytechnic Institute do estado de Nova York, USA.
3
Doença dos ossos caracterizada por deficiência de calcificação da matriz óssea, e que determina o
amolecimento do esqueleto, facilitando a ocorrência de deformidade e de fratura.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
3
Outro aspecto a ser considerado é que a presença de luz natural
quase sempre está associada a uma ligação visual dos ambientes internos com o
exterior. A variação da luz natural nas diferentes horas do dia, condições climáticas e
estações do ano é importante para marcar os ritmos biológicos e psicológicos das
pessoas (ROBBINS, 1986). Como a luz natural é importante para a saúde, pode
influenciar a capacidade e a disposição em aprender. Em um estudo apresentado
por Plympton (2000) para o National Renewable Energy
4
, foi divulgado o resultado
de uma pesquisa feita por Heschong Mahone (1999), com um universo de vinte e um
mil estudantes de vários estados norte-americanos, que demonstrou que os
estudantes que freqüentavam escolas com iluminação natural adequada
progrediram 20% mais em Matemática e obtiveram 26% melhores resultados em
testes de leitura do que estudantes de outras escolas.
A utilização de iluminação natural como fonte principal de luz em
edifícios escolares também tem um potencial enorme de conservação de energia.
Edifícios escolares têm tipicamente seu principal consumo de energia representado
pela iluminação artificial. Romero (1994) verificou que o sistema de iluminação da
Universidade de São Paulo, por exemplo, era responsável por 65,5% do consumo
de eletricidade total do campus. Em sua dissertação de mestrado, Ghisi (1997)
avaliou as condições de iluminação natural em salas de aula do Centro Tecnológico
da Universidade Federal de Santa Catarina com o intuito de determinar o potencial
de conservação de energia elétrica. Sua conclusão foi que os 9 % de economia
possíveis de serem gerados com a redução da utilização da iluminação artificial
obedecendo aos níveis mínimos estipulados em norma representavam uma
economia de 0,9 GWh/ano, equivalentes a R$ 86.650,00 ao ano. A correta
utilização da iluminação natural poderia prover níveis de iluminação satisfatórios
para o desenvolvimento das tarefas visuais com o mínimo de desperdício de
energia. Nos Estados Unidos, onde os gastos com energia em escolas incluem
despesas com ar condicionado e calefação, NICKLAS e BAILEY (2002) compararam
três novas escolas construídas no estado da Carolina do Norte, projetadas para
_____________
4
Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia do governo americano.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
4
permitir o uso sustentável da iluminação natural, com as já existentes no estado.
Eles concluíram que o potencial de redução dos gastos com energia foi de 22% a
64% nas novas unidades.
Nas escolas brasileiras, segundo a ABILUX
5
(1995), a iluminação
artificial pode ser responsável por até 90% do consumo de eletricidade. Com a
otimização dos projetos de edifícios escolares para o aproveitamento do potencial de
iluminação natural disponível no país, é possível reduzir o uso de energia elétrica
para a geração de iluminação artificial. Quando se leva em conta que a rede de
ensino do estado de São Paulo é formada por cerca de 7000 escolas, pode-se ter
uma idéia da significativa economia que a correta utilização dos recursos naturais de
iluminação poderia proporcionar.
1.2 Justificativa da pesquisa
Dados preliminares do censo escolar de 2005, realizado pelo INEP
6
revelam que existem cerca de 56,5 milhões de alunos matriculados, 85% destes em
escolas da rede pública de ensino. Desse total, quase cinco milhões são
representados pelos alunos que todo ano se matriculam nas escolas públicas
estaduais do estado de São Paulo. O edifício escolar é o meio físico construído que
viabiliza a toda essa parcela da população o acesso à educação fundamental.
As janelas das escolas do Estado de São Paulo normalmente não
possuem controles adequados da radiação solar direta, ou então utilizam protetores
mal dimensionados como persianas, cortinas e cobogós,
7
extremamente obstrutivos.
Mesmo quando existe a utilização de protetores solares, como o “brise soleil”
8
, estes
são projetados tendo em vista somente a obstrução da penetração dos raios solares
e reduzem drasticamente a luz natural, fazendo com que a
_____________
5
Associação Brasileira da Indústria de Iluminação.
6
Instituto Nacional de Estudo e Pesquisas Educacionais do Ministério de Educação e Cultura.
7
Elemento vazado, de cerâmica ou de cimento, empregado na construção de paredes perfuradas,
para proporcionar a entrada de luz natural e ventilação.
8
Conjunto de chapas que se põe nas fachadas expostas ao sol para evitar o aquecimento excessivo.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
5
iluminação elétrica permaneça acesa durante a maior parte do dia. No intuito de
otimizar o aproveitamento da luz natural, essa pesquisa propõe um sistema de
iluminação zenital compatível com as tipologias de projeto da FDE
9
. Desta forma, o
sistema proposto pode ser aplicado tanto em edifícios existentes como em novos
projetos. O sistema zenital é composto por dispositivos com seleção angular,
difusores opacos que promovem um adequado controle da radiação solar para evitar
a incidência direta da luz do Sol, evitando o ofuscamento e aquecimento dos
ambientes de salas de aula em climas quentes, ao mesmo tempo que permite
aproveitar a iluminação natural, tanto difusa quanto direta refletida, proporcionando
maior conforto visual, térmico e economia de energia.
Como esse universo de escolas se constitui em uma diversidade
muito grande de concepções arquitetônicas, programas e padrões construtivos, uma
abordagem estatística convencional não ajudaria a aprofundar a análise da
iluminação natural. Optou-se então em delimitar como objeto de estudo as salas de
aula de padrão modular da FDE porque representam uma tendência atual para
construções escolares onde a maior parte dos elementos construtivos já está pré-
determinada, sobressaindo a importância da definição das janelas nos vedos para
iluminação natural e dos dispositivos de sombreamento.
As informações acerca dos projetos e construções escolares da
rede pública de ensino do Estado de São Paulo estão concentradas em um banco
de dados no arquivo técnico da FDE. Além disso, os ambientes que formam as
unidades escolares são todos sistematizados em programas, dimensões e requisitos
técnicos e ambientais, se constituindo em padrões repetidos por todo o estado (FDE,
2003). Essa uniformização permite a avaliação dos ambientes pelos processos
analíticos e computacionais e a sua comparação, possibilitando a generalização dos
resultados.
_____________
9
Fundação para o Desenvolvimento da Educação, órgão da Secretaria de Educação do Estado de
São Paulo.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
6
1.3 Objeto de Estudo
O objeto de estudo da pesquisa é analisar as estratégias de
iluminação natural utilizadas nos estágios iniciais do projeto de arquitetura capazes
de promover qualidade de iluminação e conservação de energia nos projetos de
edifícios escolares.
1.4 Objetivos da dissertação
1.4.1 Objetivo geral
Determinar a influência das decisões tomadas nos estágios iniciais
do projeto arquitetônico na iluminação natural, na qualidade dessa iluminação nos
diversos ambientes, na forma da sua arquitetura e na conservação de energia do
edifício escolar.
1.4.2 Objetivos específicos
Com a análise da iluminação natural em ambientes nas escolas da
rede pública de ensino do Estado de São Paulo, no universo delimitado pela
pesquisa, pretende-se delinear orientações acerca da implantação, aberturas e
dispositivos de sombreamento, de forma a fornecer informações para a otimização
de projetos para edifícios escolares do ponto de vista da qualidade da iluminação
natural e da conservação de energia.
A intenção é fornecer elementos de análise para a tomada de
decisões acerca da iluminação natural nos estágios iniciais do projeto arquitetônico,
decisões estas que influenciam as fases seguintes de projeto e a definição final do
edifício. Não estão incluídas as análises das outras fases de projeto, que envolvem
tecnologia de equipamentos, seu dimensionamento e especificações.
Nesta dissertação parte-se da hipótese, referenciada no
embasamento teórico e na bibliografia apresentada, de que a utilização da
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
7
iluminação natural pode proporcionar ambientes mais saudáveis e agradáveis, que
contribuem para a saúde, o bem-estar dos ocupantes do edifício e para o bom
desempenho das finalidades educacionais. Portanto, não se tentará demonstrar esta
hipótese, o que só seria possível com o aprofundamento de um estudo acerca da
psicologia e da fisiologia humanas – conhecimentos fora do escopo central da área
desta pesquisa.
Embora seja de extrema relevância para o projeto de arquitetura,
a questão da luz natural como geradora de significados simbólicos e estéticos nos
edifícios não será abordada no presente trabalho porque o embasamento teórico e a
metodologia para estudos de casos se diferenciam dos adotados para esta
pesquisa.
1.5 Estrutura da dissertação
Após uma introdução no primeiro capítulo, no qual foi exposta a
atualidade da discussão sobre iluminação natural e sua importância como parâmetro
a ser levado em consideração na concepção de projetos arquitetônicos, é
apresentada a colocação do problema da iluminação natural para o projeto de
edifícios escolares, delimitando-se o objeto e o objetivo desta dissertação.
O segundo capítulo apresenta a revisão bibliográfica dos principais
textos acerca da iluminação natural em edifícios escolares, estabelecendo o nível
atual da pesquisa neste campo, base da fundamentação teórica para o
desenvolvimento desta pesquisa. São apresentados também os conceitos e
definições principais relacionados à iluminação natural que serão utilizados no
decorrer da dissertação, com o intuito de delimitar o universo conceitual em que se
pretende trabalhar.
No terceiro capítulo é descrita a metodologia utilizada para a
realização da parte experimental da pesquisa.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
8
O quarto capítulo descreve o ensaio experimental realizado para
demonstrar uma das estratégias possíveis da utilização da iluminação natural em
edifícios escolares na obtenção de qualidade da iluminação e conservação de
energia. São descritas as medições de iluminação realizadas em modelo em escala
reduzida de sala de aula padrão e as modelagens feitas com programas
computacionais para a verificação do comportamento de diversas aberturas e
elementos de sombreamento na iluminação natural dos ambientes estudados.
No quinto capítulo são apresentadas conclusões com base em uma
comparação entre os dados obtidos na pesquisa, comentando-se possibilidades e
perspectivas para futuras pesquisas.
Após a referência bibliográfica, o trabalho se encerra com a
apresentação dos anexos e apêndices onde estão documentados os dados das
medições realizadas, gráficos com resultados comparativos, fotografias para
avaliação visual e ilustrações que auxiliam a compreensão do que está descrito no
texto.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
9
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Os efeitos da iluminação natural sobre a saúde e o desempenho humanos
“Design” é a ciência e a arte de fazer coisas úteis à humanidade e
o “lighting design” é a aplicação da iluminação – incluindo a iluminação natural,
quando é especificamente usada como fonte de luz – para espaços humanos.
Assim como a arquitetura, a engenharia e outras profissões de “design”, a
iluminação está baseada na combinação de princípios científicos específicos,
normas e convenções e um certo número de fatores estéticos, culturais e humanos
aplicados de maneira artística (BENYA et al., 2003). Existem três grandes áreas
em que a iluminação interage com os seres humanos, afetando o seu desempenho:
visibilidade, saúde e estado de espírito. Nesta primeira parte da revisão bibliográfica
são descritas as principais pesquisas que vêm sendo feitas sobre a importância dos
efeitos da iluminação natural na saúde e no desempenho humanos. Apesar de essa
não ser uma área específica de estudos da arquitetura, considerou-se importante a
sua inclusão como referência para entender as recentes pesquisas que estão sendo
feitas sobre iluminação natural em escolas, descritas no item seguinte.
2.1.1 O ritmo circadiano
Estudos mostraram que todos os organismos vivos, vegetais e
animais, inclusive os seres humanos, obedecem a um ciclo de vinte e quatro horas
chamado de ciclo circadiano
10
, durante o qual as funções vitais alternam entre um
ritmo decrescente durante a noite e crescente durante o dia (GAETANO et al., 2002,
_____________
10
Do latim circa – cerca de, e die – dia. Relógio biológico.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
10
p.13). Trata-se de uma espécie de “sistema operacional” que atua para representar
fisiologicamente as condições de dia e de noite e informar ao corpo quais funções
adotar durante cada período. De acordo com BOYCE (1998, p.2), essas funções
vitais podem ser medidas por variáveis fisiológicas como a temperatura corporal
interna, os níveis de melatonina
11
, a atividade do córtex cerebral e o estado de
atenção. O sistema circadiano humano envolve três componentes básicos: um
interno (endógeno) localizado no núcleo supracriasmático no hipotálamo
12
do
cérebro, um externo (exógeno) que recebe as informações do meio ambiente
através da retina, cujo veículo é a luz, e a melatonina, um hormônio mensageiro que
transmite a informação do “tempo interno” para todas as partes do corpo através da
corrente sanguínea (BOYCE et al, 2003, p. 19).
Segundo BOYCE (1998, p.1), a exposição à luz é o mais poderoso
estímulo para a sincronização do ritmo dia-noite em vinte e quatro horas. Quando o
estímulo luminoso recebido através da retina é transformado em estímulo nervoso e
atinge o núcleo supracriasmático, este ativa a glândula pineal
13
que produz o
hormônio melatonina. A secreção da melatonina pela glândula pineal induz ao sono,
modifica o humor e a agilidade mental e interfere no sistema reprodutivo. É seguida
pela secreção do cortisol ou hidrocortisona
14
, também conhecido como o hormônio
do stress, que afeta a quebra das moléculas de carboidratos, proteínas e gordura, o
desenvolvimento de células brancas no sangue, a atividade do sistema nervoso e a
pressão arterial (BRYAN apud EDWARDS, TORCELLINI, 2002, p.6). Esse
hormônio é responsável pelo estado de alerta e atenção, pelo stress, aumenta a
produção de adrenalina e hidrocortisona que, por sua vez, produzem enzimas
capazes de destruir o aminoácido triptofano
15
, inibindo a produção da melatonina e
_____________
11
Hormônio produzido pela glândula pineal cuja secreção aumenta por exposição à luz.
12
Porção do diencéfalo, que forma o soalho e parte das paredes laterais do terceiro ventrículo,
exercendo os núcleos hipotalâmicos controle sobre atividades das mais importantes do organismo,
tais como sono, metabolismo da água, temperatura corporal, etc.
13
Glândula endócrina em forma de pinha.
14
Hormônio esteróide de córtex supra-renal.
15
Aminoácido essencial ao organismo, cristalino, que se pode considerar um derivado do indol.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
11
da serotonina
16
. A luz, portanto, tem influência na regulagem da química do corpo e
o estado de ânimo de uma pessoa:
[...] Melatonina é normalmente secretada pela glândula pituária na
ausência de luz e onde a iluminação natural e artificial no interior dos
edifícios é inadequada, a natural supressão da produção da
melatonina durante o dia é falha e é acompanhada por sentimentos
de depressão (WURTMAN, 1975; LIBERMAN 1985; LEVY 1985
apud EDWARDS, TORCELLINI, 2002).
Entendido que a luz que atinge a retina é a grande responsável pelo
bom funcionamento do relógio biológico, a questão seguinte é saber quanto de luz é
necessário. Conforme FIGUEIRO et al. (2002), os níveis de iluminação para inibir a
produção da melatonina são maiores do que os normalmente definidos para tarefas
visuais em iluminação de interiores. A iluminação para tarefas visuais geralmente é
fixada pelas normas em torno de 300 a 500 lux
17
no plano de trabalho. Mas o
sistema circadiano só é levemente atingido por esses níveis. Por isso é preciso
janelas que forneçam luz suficiente para ajustar o sistema circadiano de pessoas no
interior dos edifícios.
A
B
Figura 1 – O mecanismo da luz influencia a liberação da melatonina no organismo (A) que regula
o ciclo dia e noite de funcionamento do corpo (B). Fontes: www.universe-review.ca (A) e
www.hhmi.org (B)
_____________
16
Substância cristalina, derivada da triptamina, encontrada em pequena quantidade no cérebro, que
é um neurotransmissor e tem ação vasoconstritora.
17
Unidade de iluminância no Sistema internacional de Medidas.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
12
2.1.2 O efeito sobre a saúde
A luz influencia a saúde e o estado de ânimo das pessoas.
Conhecida desde o ano 400 A.C. e definitivamente equacionada no ano 2000, a
SAD – seasonal affective disorder – uma forma particular de depressão, é uma das
mais pesquisadas áreas de doenças influenciadas pela luz. De ocorrência mais
freqüente nos países do hemisfério norte, está relacionada com a quantidade de luz
disponível para o indivíduo e com a disponibilidade de luz natural externa no
inverno. Também conhecida como “depressão de inverno”, pois durante essa época
do ano, com noites mais longas e dias mais curtos, a ausência de luz provoca nos
indivíduos um aumento nos sentimentos de depressão, melancolia e redução de
interesse na maioria das atividades cotidianas, como também sintomas atípicos
como aumento da necessidade de sono, aumento da irritabilidade, aumento de
apetite, principalmente por carboidratos e conseqüente aumento de peso (TERMAN
et al., apud EDWARDS, TORCELLINI, 2002, p. 8). As causas para a SAD ainda não
foram devidamente comprovadas. Algumas explicações baseiam-se em distúrbios
do sistema circadiano, concentração de melatonina e regulagem do hormônio
serotonina. Mas, como afirmam BOYCE et al. (2003, p.48), embora com os seus
mecanismos ainda não inteiramente desvendados, a SAD é uma forma de
depressão sazonal que pode ter seus sintomas aliviados com a exposição à luz
intensa.
Outra forma de influência da luz sobre a saúde pode ser vista no
ciclo do sono, durante o qual o corpo se recupera durante a noite para estar
disposto e ativo durante o dia. Durante o sono uma verdadeira operação de
restabelecimento do corpo entra em ação com a diminuição da produção de
hidrocortisona e adrenalina, com o objetivo de restaurar as moléculas de DNA
danificadas. Recentemente foi descoberta uma enzima chamada proteasoma que é
ativada pela presença da luz e inibe a produção de melatonina e seu efeito
regenerador, causando a sensação de uma noite mal dormida (BOYCE et al. 2003,
P. 47-48). Estudos têm demonstrado que a exposição à luz intensa durante o dia
pode ajudar a regular o ciclo do sono. Aparentemente, uma exposição de cerca de
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
13
10.000 lux imediatamente após o despertar ajuda aos que têm dificuldade para
acordar e uma exposição à luz intensa de cerca de 4.000 lux no final da tarde pode
ajudar aos que têm a fase de dormir adiantada e, inclusive, melhorar a qualidade do
seu sono (CZEISLER et al., CAMPBELL et al., DAWSON, FOLEY et al., LACK E
SCHUMAKER, apud EDWARDS, TORCELLINI, 2002). Estes estudos indicam que a
luz natural, utilizada em horários e quantidades apropriadas, pode auxiliar no
tratamento de desordens do sono porque fornece os altos níveis de iluminância
necessários para manter o sistema circadiano em operação.
2.1.3 O efeito da luz como radiação
Independente de seu efeito de estimular a visão e o sistema
circadiano, a luz também afeta o ser humano como radiação eletromagnética. O
espectro solar é composto de ondas eletromagnéticas de comprimento de onda
variáveis de acordo com cada tipo de radiação (Figura 2). Entre elas a radiação na
faixa do ultravioleta é capaz de quebrar as ligações químicas de tecidos biológicos.
Segundo BOYCE et al. (2003, p. 38-39), prolongadas exposições a grandes
quantidades de radiação ultravioleta de ondas curtas podem causar danos aos
olhos e doenças como cataratas. Uma exposição contínua no decorrer dos anos
pode causar o envelhecimento precoce da pele e ser causa de câncer de pele. Por
outro lado, a exposição contínua a pequenas quantidades de radiação ultravioleta
acarreta a migração de pigmentos à superfície da pele e um novo pigmento mais
escuro aparece, endurecendo a camada mais externa, levando ao decréscimo da
sensibilidade da pele à radiação ultravioleta nos comprimentos de onda abaixo dos
290 nanômetros
18
(FAAR, DIFFEY, 1985, apud BOYCE et al., 2003, p.39).
Nos espaços interiores dos edifícios, os malefícios da radiação solar
direta podem ser evitados para a maioria das pessoas, pois as radiações
ultravioletas de comprimento de onda curto e comprimento de onda longa são
eliminadas através dos vidros convencionais. Além dos níveis internos de radiação
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
14
Figura 2. Espectro eletromagnético da radiação solar. Fonte: www.squ1.com .
solar representarem apenas de 0,5 a 5% dos níveis externos, um vidro de 6 mm
equivale a um FPS
19
- fator de proteção solar 30 (National Institute of Water &
Atmosfheric Research Ltd., 2001, apud Daylight Dividends: www.lrc.rpi.edu ) e
vidros especiais coloridos ou com películas representam um fator de proteção ainda
maior. Como conseqüência, os níveis de radiação ultravioleta no interior dos
edifícios são reduzidos a 0,01 a 0,2% dos níveis externos, equivalentes ao uso de
protetores solares com fator de proteção solar entre 500 e 10.000.
Entretanto, a exposição moderada à radiação ultravioleta de
comprimento de onda curto é benéfica e necessária à saúde porque a luz que incide
sobre a pele produz efeitos como a produção de vitamina D, a coloração da pele e a
dissociação da bilirrubina
20
. Podem ocorrer desordens fisiológicas se a pele não for
exposta à radiação solar, direta ou indireta, por longos períodos de tempo (DANZIG,
LAZAREV, SOKOLOV, apud EDWARDS, TORCELLINI, 2002, p. 5). Desde a virada
do século XIX para o XX, de 1890 a 1919, a luz do sol foi determinada como a
chave para evitar o raquitismo. Segundo NEER e HOLLICK (apud EDWARDS,
TORCELLINI, 2002, p. 7), a radiação ultravioleta na faixa de 290 a 315 nanômetros
ao atingir a pele induz o desenvolvimento de vitamina D, que pode prevenir ou
ajudar na cura do raquitismo. Este mecanismo foi descrito por LIBERMAN:
18
Submúltiplo do metro: 1 nm = 10
-9
m.
19
FPS - fator de proteção solar: é o índice que determina quanto tempo uma pessoa pode ficar
exposta ao sol sem produzir eritema; número que indica o nível de proteção que um dado produto
oferece contra os raios UV,
20
Pigmento vermelho, presente na bílis, cuja estrutura contém quatro anéis pirrólicos, sem que estes,
porém, formem um macrociclo.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
15
Uma das mais importantes descobertas fototerápicas de 1890 foi que
o raquitismo, uma doença caracterizada pela deformação no
desenvolvimento dos ossos em crianças pequenas, poderia ser
curado pela luz do sol. Embora a razão dessa eficiência da luz do sol
não fosse imediatamente entendida, descobriu-se posteriormente
que a luz do sol atingindo a pele iniciava uma série de reações no
corpo, levando à produção de vitamina D, um elemento necessário
para a absorção de cálcio e outros minerais provindos da
alimentação. Na ausência de vitamina D o corpo não absorve o
cálcio necessário para o crescimento e normal desenvolvimento dos
ossos. Essa deficiência conduz à condição chamada de raquitismo
nas crianças e osteomalacia nos adultos a qual é caracterizada por
um esqueleto fraco, poroso e mal-formado. É sabido que tanto o
desenvolvimento quanto a manutenção de ossos sadios depende da
habilidade do corpo em absorver cálcio e fósforo (apud EDWARDS,
TORCELLINI, 2002, p.8) (tradução nossa).
A radiação ultravioleta em níveis moderados tem também uma
função germicida sobre a pele. Segundo CICARDO (apud BITTENCOURT, 2004, p.
13), as pesquisas de FINSER demonstraram que ‘os raios ultravioletas eram mais
eficazes para destruir bactérias do que a luz visível ‘, sendo que ‘os raios de mais
de 3.000 A°
21
são relativamente ineficazes, aumentando progressivamente a ação
bactericida até 2.600 A°, onde alcança um máximo e depois decresce outra vez aos
2.300
A°’. Este “efeito curativo dos raios ultravioleta sobre as feridas é atribuído à
ação germicida e a uma ação direta sobre os tecidos. As células impregnadas pela
radiação liberariam substâncias que estimulariam o crescimento, a respiração e
glicólise de outras células” (BITTENCOURT, 2004, p.13). A luz artificial que tem o
espectro próximo ao da luz natural também pode estimular os processos
metabólicos, mas como afirma WIENKE (2005, p. 181), “a quantidade de radiação
ultravioleta emitida por uma fonte artificial é tão pequena que oito horas de
exposição a 1100 lux equivale a cerca de três minutos transcorridos a céu aberto
num dia de sol” (Tradução nossa).
Segundo EGAN e OLGYAY (2002, p. 44), bactérias, fungos e vírus
são afetados pela radiação entre 180 e 700 nm, sendo mais efetivo entre 220 e 300
_____________
21
Angström – unidade de medida de comprimento de onda equivalente a 10
-10
m.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
16
nm que representam as ondas ultravioletas. Ainda segundo os autores, ciente
destes efeitos, Alvar Aalto projetou o sanatório de Paimio, na Finlândia (Figura 2),
de forma a que fosse naturalmente saneado com uma combinação da orientação do
edifício e pátios voltados para o Sul
22
onde os pacientes pudessem usufruir os
benefícios dos raios solares.
Figura 3. Paimio Sanatorium, Finlândia, projeto do arquiteto Alvar Aalto. Fonte:
www.landliving.com
2.1.4 O efeito sobre o sistema visual
A luz é essencial para o processo de visão e fundamental para
todos os processos de relacionamento dos mecanismos cerebrais com o meio
ambiente. Em linhas gerais, o sistema visual terá um desempenho mais apurado
quanto maior for o campo visual, maior o contraste de luminâncias
23
, maior a
diferenciação de cores, produzindo uma melhor imagem na retina e quanto maior
for a iluminação na retina, mais rápido e mais refinado será o desempenho do
sistema visual. Condições precárias de iluminação em tarefas que requerem alto
nível de desempenho visual são percebidas como desconfortáveis, assim como
fontes de luz que levem à distração da tarefa, como por exemplo, ofuscamento ou
pulsação intermitente.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
17
O principal efeito das más condições de iluminação sobre a saúde
do sistema visual é a fadiga visual. Os sintomas mais comuns são olhos
congestionados, visão embaçada, lacrimejar constante, dificuldade de visão e dor
de cabeça. Esses sintomas são temporários, mas se repetidos constantemente
trazem perturbações à saúde e ao desempenho das pessoas. Esses sintomas
podem ser causados por níveis inadequados de iluminação, tanto naturais como
artificiais, pelas condições das tarefas a serem executadas e seu entorno ambiental
e por problemas no sistema visual do indivíduo. Condições ou tarefas que requerem
o olhar fixo por longos períodos podem afetar o sistema muscular que controla a
fixação, a acomodação, a convergência e o tamanho da abertura da pupila.
Conforme relatam ÇAKIR e ÇAKIR (1998), durante quinze anos o
Ergonomic Institute de Berlim desenvolveu uma pesquisa com o objetivo de
identificar a concepção mais favorável de iluminação para ambientes de trabalho
em escritórios, levando em consideração também o design do espaço como um
todo, pois seus autores acreditavam que um bom projeto de iluminação não poderia
desconsiderar esse item. Os pesquisadores identificaram quais itens ambientais
poderiam causar incômodos aos indivíduos e representar algum grau de estresse e
os compararam aos que poderiam ser causados pelo sistema de iluminação. A
intenção inicial dos autores foi verificar as condições de iluminação artificial de
ambientes de trabalho, mas no decorrer dos trabalhos ficou evidente a importância
e a influência da iluminação natural, que quando mal projetada pode também ser
uma fonte de incômodo para as pessoas. Outra demonstração dos dados da
pesquisa é a influência do tamanho do ambiente, principalmente de sua
profundidade, no desconforto causado aos indivíduos: quanto maior e mais
profundo o ambiente, maior é a tendência a existir um grande número de postos de
trabalho afastados das janelas e maiores são os danos causados à saúde dos
indivíduos, conforme mostram os dados do Gráfico 1.
22
Para o hemisfério Norte (N.A).
23
Brilho.
Iluminação natural em escolas
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18
Gráfico 1: Aumento dos problemas de saúde em relação à distância das janelas na pesquisa do
Ergonomic Institute de Berlim.Fonte: adaptado de Çakir e Çakir, 1998.
Iluminação natural em escolas
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19
2.2 Iluminação natural e projeto de escolas
2.2.1 Breve histórico do estudo da iluminação natural em escolas
O estudo da iluminação natural sempre foi uma preocupação em
projetos de edifícios escolares. Em um livro publicado em 1874 sobre arquitetura
escolar, Robson (apud WEI, 2003, p. 112) já enfatizava que os projetos de escolas
deveriam levar em consideração a saúde, o conforto e o aprendizado das crianças.
Robson acreditava que a iluminação natural nas salas de aula era um fator
importante para se atingir esses objetivos, chegando a delinear instruções práticas
acerca da orientação e aberturas de forma a aproveitar melhor a luz do sol na
orientação Norte e evitar o ofuscamento nas orientações Sul e Oeste (para o
hemisfério Norte), recomendando a área total de janelas em 20% em relação à área
do piso. Suas recomendações foram adotadas no Reino Unido e no mundo
ocidental até o final do século XIX.
A substituição do sol pela iluminação artificial no ambiente
construído não se deu imediatamente após a invenção da lâmpada elétrica
incandescente de Edson. O marco foi a invenção da lâmpada fluorescente, antes da
Segunda Guerra Mundial. A iluminação artificial passou então a ser aplicada em
larga escala a partir de 1955, com o barateamento do processo de produção das
lâmpadas fluorescentes. Sua invenção forneceu níveis de iluminância suficientes - e
a um custo acessível - para que as atividades humanas dentro dos edifícios
pudessem se desenvolver independentemente da luz natural. O trabalho pôde
então se estender além do ciclo dia / noite. Também se tornou possível projetar e
construir vastos locais de trabalho até então inexistentes, como grandes depósitos
de mercadorias e linhas de produção industrial, que prescindem de uma ligação
direta com o ambiente externo por janelas.
Até os anos 30 prevaleceram as idéias do movimento chamado
“open-air school”, que preconizava edifícios escolares com portas e janelas que
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
20
fossem totalmente abertas para uma área ao ar livre, em oposição aos escuros
edifícios da Revolução Industrial. Essa forma evoluiu para implantações mais
abertas, com varandas e iluminação bilateral, de forma a obter iluminação natural,
ventilação cruzada e penetração dos raios de sol durante uma parte do dia (WEI,
2003, p. 112). Em 1913 Waldram (apud WEI, 2003, p. 113), em um artigo onde faz
um balanço desse movimento, aborda questões fundamentais sobre o projeto de
salas de aula iluminadas naturalmente, como a viabilidade de um método prático
para medir e prever a luz natural, o nível mínimo de luz natural necessário para fins
didáticos e a discussão sobre a recomendação de refletâncias
24
mínimas para
paredes e teto. Com base nas observações de Waldram, a IES
25
do Reino Unido
reconheceu que “paredes e tetos com alta refletância poderiam incrementar a
iluminação natural e zenital, que são ótimas fontes de iluminação para a leitura e a
escrita em salas de aula” (WEI, 2003, p. 113). Como princípio geral adotou-se que
a área das janelas deveria representar um quinto da área do piso.
A influência das idéias do movimento “open-air school” sobre a
importância do ar e da luz nos prédios escolares durou até o período posterior à
Segunda Guerra Mundial. Nessa época regulamentou-se que a iluminação natural
deveria ser a principal fonte de luz em escolas com um fator de luz diurna
26
de
mínimo de 2%, sendo recomendável 5% onde fosse possível. Estas determinações
fizeram com que janelas fossem construídas na maior dimensão possível na maioria
das escolas, causando problemas de ofuscamento, desconforto e aquecimento
excessivo no verão. Como forma de contornar esses efeitos, a partir de 1954,
adotou-se a iluminação artificial. Posteriormente, mudanças nas concepções
didáticas levaram a que as escolas não tivessem necessariamente o tradicional
arranjo de sala de aula e edifícios mais compactos e com janelas menores
passaram a ser projetados (WEI, 2003, p.114). Essa tendência aprofundou-se a
_____________
24
Relação entre o fluxo luminoso refletido por uma superfície e aquele que incide sobre ela
(MOORE,1985).
25
Illuminating Engineering Society.
26
FLD: relação entre a iluminação diurna total em um ponto no interior do local excluída a luz solar
direta e a iluminação exterior simultânea sobre um plano horizontal iluminado pelo total da abóbada
celeste de um céu encoberto normal (MOORE, 1985).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
21
partir da década de 60 nos Estados Unidos com base na afirmação de que janelas
menores reduziriam o ofuscamento, a distração dos estudantes e o vandalismo
(FOX, 2001, p.16). Defensores de escolas sem janelas propunham um “ambiente
controlado” com ventilação mecânica e iluminação elétrica como forma de eficiência
energética e redução de custos (ROBINS, 1986, p. 9).
Conforme Heschong Mahone Group (1999) as salas de aula
construídas na Califórnia na década de 50 e no começo da década de 60, antes da
prevalência da lâmpada elétrica, eram “excelentes exemplos de prática da
iluminação natural”. Eram muito comuns as implantações de blocos separados de
salas de aula com janelas nos dois lados (HESCHONG, 1999, p.4). Durante o
transcorrer da década de 60 esse postulado foi posto em dúvida. As objeções eram
muitas: janelas menores reduziriam as cargas térmicas para o ar condicionado,
janelas numerosas e de grandes dimensões teriam maior custo de instalação e
manutenção, blocos agrupados de salas aula sem restrições da orientação solar
permitiriam um melhor aproveitamento do terreno, janelas e iluminação zenital
ofereceriam riscos à segurança, etc. Como conseqüência, o projeto de salas com
iluminação bilateral foi abandonado e muitas salas de aula nessa época foram
construídas com dimensões reduzidas para iluminação natural, muitas possuíam
vidros escuros e, muitas, inclusive, foram construídas sem janela alguma
(HESCHONG, 1999, p.5).
Durante a década de 70, com a crise do petróleo, a preocupação
com a conservação de energia começou a se esboçar nos projetos de escolas.
Inicialmente essa preocupação se concentrava na redução da carga térmica para o
ar condicionado, e uma forma de atingir esse objetivo era reduzindo a área das
aberturas. Muitas escolas sem janelas começaram a ser construídas nos Estados
Unidos, chegando o estado da Flórida a promulgar uma lei determinando que todas
as escolas fossem equipadas com ar-condicionado e sem janelas (WEI, 2003, p.
114).
A discussão sobre as vantagens da utilização da iluminação natural
voltou à tona na década de 80, ainda relacionada com a questão da necessidade da
economia de energia. Nesse campo, a iluminação natural tem uma ampla vantagem
sobre a artificial, dependente da energia elétrica. Com a perspectiva do esgotamento
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
22
das fontes de energia não renováveis num futuro não muito distante, tornou-se
evidente as vantagens da utilização de uma energia farta, barata e praticamente
inesgotável, como a luz do sol. Com o aumento e a divulgação internacional das
preocupações ecológicas nas décadas seguintes, tornou-se evidente uma outra
vantagem da iluminação natural, a de ser uma forma de energia que não interfere no
meio ambiente.
A partir dos anos 90, uma série de pesquisas começou a ser
desenvolvida para tentar determinar a influência da iluminação na saúde e no
desempenho dos estudantes. No Canadá, Hathaway (2000) elaborou uma pesquisa
desenvolvida a partir das conclusões de uma revisão bibliográfica realizada pelo
autor e para replicar os resultados de estudos feitos anteriormente de Wohlfarth em
1986 e de Hargreaves e Thompson em 1989 sobre os efeitos não visuais da
iluminação em salas de aula. Durante dois anos o autor acompanhou o
desenvolvimento de 327 alunos em cinco escolas diferentes em salas de aula com
quatro tipos de lâmpadas, entre elas lâmpadas tipo “full spectrum”, que tentam
simular a ampla gama do espectro eletromagnético da luz natural. Embora a
pesquisa tenha sido feita com iluminação artificial, o autor faz comparações com a
iluminação natural. Concluiu que a radiação ultravioleta presente nas lâmpadas
favorecia a saúde dos estudantes porque estimulava a produção de vitamina D,
diminuindo a incidência de cáries e contribuindo para o crescimento. Segundo o
autor, o efeito profilático da radiação ultravioleta e a produção de vitamina D
também estariam associados à menor taxa de ausências e à saúde dos estudantes:
“Os sistemas de iluminação, na maioria das vezes, são projetados
tendo-se em vista a sua eficiência, sendo seu objetivo o de obter o
máximo possível de lumens
27
por watt. Parece que pouca atenção é
dedicada aos efeitos não visuais que a luz pode ter sobre os usuários
dos sistemas de iluminação. Esse estudo aponta claramente para a
simples conclusão de que os sistemas de iluminação, não
importando o quão eficientes eles sejam, não são neutros em relação
aos seus efeitos nas pessoas. De fato, parece ser o caso de que
exista uma série de efeitos não visuais associados com os vários
tipos de iluminação. Esse estudo identificou um certo número desses
efeitos – diferenças na taxa de desenvolvimento de cáries, diferença
nas taxas de freqüência, diferenças em peso, altura e ganho de
_____________
27
Lúmen é a unidade de fluxo luminoso, que é a quantidade de luz que irradia por segundo uma fonte
de luz (VIANNA e GONÇALVES, 2001).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
23
gordura, e diferenças de aproveitamento escolar. Pode-se concluir
desses achados que a luz natural é importante para o
desenvolvimento e o bem estar das pessoas e que aprisioná-las em
espaços artificialmente iluminados projetados para ser só eficientes
representa uma usurpação” (HATHAWAY, 2000, p.24) (tradução
nossa).
Incentivados pelo estudo de Hathaway, Nicklas e Bailey (1997)
tomaram a iniciativa de pesquisar o desempenho dos estudantes em três escolas
projetadas por seu próprio escritório no estado americano da Carolina do Norte
durante a primeira metade da década de 90, onde foi adotada como estratégia de
iluminação a disponibilidade de luz solar nos principais espaços ocupados das
escolas e a instalação de iluminação zenital voltada para o sul, que foi projetada
para fornecer uma iluminância de 700 lux durante dois terços do tempo em que os
espaços seriam utilizados.
A intenção da pesquisa de Nicklas e Bailey (1997) era comparar os
resultados obtidos pelos estudantes das três escolas projetadas com iluminação
natural em testes padrões de desempenho aplicados pelas autoridades
educacionais com os resultados obtidos pelos estudantes de escolas de toda a
região (16 escolas elementares e 8 escolas médias). Como existem diferenças de
aproveitamento e de capacidade entre estudantes e professores das várias escolas,
procurou-se estabelecer uma relação entre os percentuais de incremento ao longo
do tempo e não nos valores absolutos obtidos nos testes de desempenho, para
evitar uma falsa comparação. A conclusão a que os autores chegaram foi que,
“embora existam muitas variáveis que afetem o desempenho escolar, estudantes
que freqüentam escolas com iluminação natural parecem ser beneficiados por
estarem em um ambiente educacional superior, naturalmente iluminado” (NICKLAS,
BAILEY,1997) (tradução nossa).
Uma das maiores pesquisas sobre iluminação natural em escolas
até agora realizada foi feita em 1999 pelo Heschong Mahone Group nos Estados
Unidos (WEI, 2003). O estudo, que abrangeu 2000 salas de aula e cerca de
21.0000 alunos, analisou dados de desempenho escolar de estudantes de três
distritos escolares de ensino fundamental, tentando estabelecer uma relação com a
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
24
quantidade de luz natural disponível nas salas de aula em que estudavam. A
metodologia empregada no estudo procurou abarcar uma amostra de estudantes do
ciclo fundamental porque estes tendem a passar a maior parte do seu período
escolar na mesma sala de aula com o mesmo professor. Além disso, estes alunos
têm um currículo mais padronizado, o que facilita a aplicação de testes de
desempenho escolar mais homogênea. Também as salas de aula do ensino
fundamental tendem a seguir uma padronização em seu projeto, com dimensões
regulares. A intenção era comparar resultados em testes de leitura e matemática
dos alunos dos três distritos escolares com as condições de iluminação das suas
salas de aula.
Dois conjuntos de dados foram então sistematizados: os resultados
obtidos nos testes pelos estudantes fornecidos pelos distritos e outro conjunto com
as informações das salas de aula quanto a suas dimensões de janelas, presença ou
não de iluminação zenital
28
e dados sobre iluminação natural. Procurou-se
caracterizar as salas de aula quanto a suas dimensões, as dimensões da escola, a
data de sua construção, a tipologia das salas e a presença, as dimensões e
geometria das janelas e da iluminação zenital. Quanto à iluminação natural, devido
ao grande número de salas a serem analisadas e como as condições de iluminação
são extremamente variáveis, modificando-se durante o dia e o ano escolar, o
número de medições a serem realizadas e o número de combinações das variáveis
era imenso, o que poderia comprometer o andamento da coleta de dados.
Procurou-se então criar um padrão que identificasse as “oportunidades” de luz
natural durante o ano. Segundo seus autores, o estudo começou sem a certeza de
que seriam encontrados resultados que confirmassem uma correlação entre
iluminação natural e desempenho escolar. Ao final do trabalho puderam chegar às
seguintes conclusões:
[...] “encontramos uma uniformemente positiva e altamente
significativa correlação entre a presença de luz natural e o
desempenho dos estudantes nos três distritos estudados.
Concluímos que a iluminação natural, fornecida por elementos
zenitais, portanto distinta de todos os outros atributos associados
_____________
28
Iluminação por dispositivos transparentes colocadas no teto de um ambiente.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
25
com as janelas, têm um efeito positivo. Concluímos que a utilização
de uma grande base de dados previamente coletados, pode ser uma
ferramenta poderosa para investigar os efeitos do meio ambiente
físico no desempenho humano” (HESCHONG MAHONE
GROUP,1999, p.57) (tradução nossa).
Um dos mais recentes desenvolvimentos em iluminação natural para
escolas é representado pela consciência ambiental, como as “green schools” dos
Estados Unidos, com ênfase não só na conservação de energia, mas também em
níveis satisfatórios de conforto e bem estar (WEI, 2003, p.117). Embora exemplos de
escolas projetadas e construídas com ênfase na iluminação natural existam em
vários países, é nos Estados Unidos que identificamos um esforço organizado e
centralizado em implementar essa política em escolas e de divulgar amplamente
tanto os resultados das pesquisas como orientações práticas por companhias
estatais, comitês, organizações não governamentais, laboratórios e universidades.
O conceito de “High Performance Schools” - HPS, ou “Green
Schools”, está relacionado não só a prédios escolares que economizam energia,
mas também que forneçam ambientes saudáveis, confortáveis e bem iluminados
onde o aprendizado possa se desenvolver adequadamente. Nesse conceito
geralmente estão incluídos ambientes com luz natural em quantidade adequada, um
requisito imprescindível para assegurar a sua boa qualidade. Segundo Wei (2003),
das estratégias para o projeto das HPS, a iluminação natural pode ser a mais
significativa na arquitetura e a mais desafiadora. “A iluminação natural tem
demonstrado ser uma das melhores estratégias de conservação de energia em
edifícios escolares e a decisão de utilizar iluminação natural em um projeto de uma
escola terá influência nas decisões sobre os outros sistemas desse edifício”
(HESCHONG, 2001).
Para atingir esses objetivos, os projetos da HPS utilizam várias
estratégias para otimizar o uso da luz natural, fazendo a luz difusa adentrar mais
profundamente nos espaços internos, barrando a incidência direta dos raios solares,
utilizando a reflexão indireta da luz do sol e evitando o ofuscamento (Figura 4). No
apêndice A são mostrados alguns exemplos das HPS americanas.
Iluminação natural em escolas
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26
A – Iluminação zenital com defletores internos para evitar ofuscamento. Fonte: Innovative Design.
B – “Light pipe” para conduzir luz natural aos espaços internos. Fonte: www.solatube.com .
C – Prateleiras de luz para conduzir a luz mais profundamente nas aberturas laterais. Fonte:
Daylighting Dividends - Case study. Innovative Design, 2004.
Figura 4 – Algumas estratégias para a iluminação natural nas “green schools” americanas.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
27
2.2.2 As recomendações de luz natural para escolas: principais referências
De maneira geral, existem três fatores básicos de desempenho que
devem ser levados em consideração em relação às condições de iluminação em
ambientes educacionais:
- níveis mínimos de iluminância: quantidade mínima de luz no plano de trabalho
que possibilite a realização das atividades pretendidas com esforço visual que
não comprometa a saúde . Esses níveis estão estabelecidos na norma NBR
5413 “Iluminâncias de interiores – Especificação” da ABNT (1991), para cada
ambiente em que se desenvolvem atividades educacionais, tais como salas
de aula, bibliotecas, laboratórios, áreas esportivas (ver Quadro 2).
- boa uniformidade da luz no ambiente: ou seja, da distribuição uniforme dos
níveis mínimos de iluminância pelo ambiente; depende basicamente da forma,
dimensões e posição das janelas;
- ausência de ofuscamento: em relação à iluminação natural está relacionado a
evitar a incidência de luz solar direta nos planos de trabalho,como lousas,
carteiras, brinquedos e monitores de computadores. Em relação à iluminação
artificial, geralmente está associada ao excesso, à inadequação e à pulsação
intermitente da fonte de luz. Ofuscamento pode ser causa de distração e
desconforto, prejudicando as tarefas visuais.
Esses fatores estão expressos em recomendações, leis e manuais
para orientação do projeto de ambientes escolares que, de certa forma, refletem
o estado em que se encontram as pesquisas em iluminação natural em projetos
escolares, conforme descritas no item 2.2.1. A seguir são apresentadas as
principais referências de normas e recomendações para a utilização da
iluminação natural em escolas. Nos países onde a pesquisa da iluminação
natural em escolas tem avançado, essas normas apresentam orientações mais
detalhadas de sua aplicação no projeto de edifícios escolares.
Iluminação natural em escolas
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28
Quadro 2 - Níveis de iluminação para ambientes escolares.Fonte: Resumo extraído da NB-57.
2.2.2.1 As recomendações da IESNA
29
A literatura mostra que as pesquisas em iluminação natural em
escolas nos anos recentes têm se deslocado da necessidade de apenas encontrar
um nível quantitativo ao desempenho das tarefas visuais para o entendimento dos
aspectos qualitativos da iluminação. Esses avanços geralmente estão expressos
em normas e regulamentações publicadas por governos ou entidades da área.
Segundo WEI (2003) as regulamentações e normas na Grã-Bretanha evoluíram no
sentido de exigir níveis cada vez mais altos de iluminância, com o incremento da
exigência de aspectos qualitativos (Quadro 3). Nos Estados Unidos os níveis de
iluminação exigidos são maiores. A IESNA nos anos 80 recomendava 538 lux para
as tarefas normais em salas de aula e 1076 lux para atividades na lousa,
estabelecendo que no mínimo uma janela do ambiente educacional deveria atender
critérios de qualidade. Na sua última edição, o manual da IESNA (2000) indica que
_____________
29
Illuminating Engineering Society of North America.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
29
Quadro 3. Resumo das normas e recomendações para salas de aula em diferentes períodos na
Grã-Bretanha. Fonte: WEI, 2003.
a iluminação natural é primordial em escolas, mas não recomenda níveis mínimos
de iluminação para tarefas visuais ou aplicações específicas. Em seu lugar, lista os
fatores importantes para a qualidade da iluminação natural em edifícios escolares.
O manual parte da premissa que o objetivo dos projetos de iluminação para prédios
escolares é proporcionar a seus usuários, estudantes, professores e funcionários,
um ambiente visual que sirva de suporte para as atividades educacionais. Para
atingir esse objetivo, ressalta que uma iluminação horizontal uniformemente
distribuída pelo edifício escolar não assegura necessariamente um alto nível de
desempenho visual por causa da grande quantidade de tarefas envolvidas no
processo de aprendizagem, que variam em tamanho, distância, contraste e direção
de visão. Segundo o manual, apesar de a atividade educacional básica se
concentrar em ler e escrever, que requerem uma atenção próxima e concentrada,
existe uma variação entre tarefas próximas e distantes, superfícies grandes e
pequenas, brilhantes e opacas, horizontais e verticais, para as quais a visão do
aluno tem que se adaptar continuamente. (IESNA, 2000, p.12-1). O manual enfatiza
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
30
que a quantidade e a qualidade da iluminação são estreitamente interdependentes.
Mesmo que um sistema de iluminação forneça níveis de iluminância apropriados,
fatores como ofuscamento, contrastes, brilhos e luminância excessiva no campo
visual podem ter efeito negativo. Conforme o manual, as principais recomendações
para o controle destes fatores são:
Iluminância: como os ambientes educacionais apresentam tarefas visuais variadas,
deve-se avaliar cada uma dessas tarefas em termos de variação de tamanho,
contraste e tempo para determinar um nível de iluminância ótimo. Em seguida,
deve-se eleger como nível de iluminância para o ambiente a tarefa que exige o
maior nível de iluminância. No caso dos ambientes de aprendizagem, geralmente
esse nível é o necessário para a leitura de um texto escrito a lápis. Às vezes este
critério pode resultar em um nível muito alto de iluminância, o que não é
economicamente recomendável. Neste caso, deve-se eleger um nível geral
apropriado à tarefa menos solicitada e providenciar níveis altos de iluminância
somente nos locais onde seja necessário. É o caso, por exemplo, de ambientes
com lousas e mesas de desenho.
Refletância: como regra geral, deve-se evitar grandes diferenças nos níveis de
refletância da superfície da tarefa visual com os das superfícies mais significativas
da sala de aula, como indicado na Figura 5 - A. As paredes, cortinas e venezianas
devem ser de cores claras e mesma refletância. Paredes próximas às janelas
devem possuir alto nível de refletância para evitar contraste demasiado com as
janelas, o que pode causar ofuscamento. Tetos devem ter superfícies altamente
refletivas, de preferência brancas, para refletir luz para as superfícies horizontais. O
piso deve ser de material opaco, com refletância em torno de 30%.
Iluminação natural em escolas
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31
A
B
Figura 5 – Refletâncias recomendadas para superfícies e mobiliário de salas de aula (A). Proporção
entre a luminância da superfície da tarefa visual e a luminância das superfícies mais significativas de
uma sala de aula (B). Fonte: IESNA, 2000.
Luminância: a diferença entre os brilhos das diversas superfícies de uma sala de
aula é fundamental para a visualização de uma tarefa e deve ser mantida dentro de
determinados limites porque quando o olho muda de uma tarefa visual para outra
tem de se adaptar à luminância da nova tarefa. Se a diferença entre os níveis for
grande, demandará mais tempo ao olho para se adaptar. Se esta diferença for muito
grande, haverá desconforto visual. Esses níveis devem ser mantidos conforme os
parâmetros indicados na Figura 5 - B. Como regra geral, para evitar diferenças
acentuadas, deve-se diminuir a luminância de luminárias e janelas e aumentar as
das superfícies interiores, aumentando sua refletância ou a quantidade de luz
incidente nelas.
Ofuscamento: uma medida fundamental para evitar o ofuscamento em salas de
aula é impedir a incidência direta de radiação solar sobre as superfícies das tarefas
a serem desenvolvidas, através de brises, cortinas, venezianas e prateleiras de luz.
As luminárias também devem ser dotadas de dispositivos que atenuem o
ofuscamento. Deve-se utilizar, de preferência, materiais opacos para as superfícies,
móveis e equipamentos da sala de aula. Altos contrastes de sombra devem ser
evitados sobre a superfície da tarefa visual, com exceção em ambientes onde isto é
importante para a definição de rostos e objetos, como em ginásios de esportes e
salas de arte (Figura 6), onde a visibilidade de superfícies tridimensionais é
fundamental (IESNA, 2000, p.12-3).
Iluminação natural em escolas
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32
Salas de aula são os ambientes mais comuns e freqüentes nos
edifícios educacionais. Para outros ambientes do edifício, deve-se adaptar esses
fatores às necessidades das tarefas visuais neles desenvolvidas. Para atividades
esportivas, por exemplo, a uniformidade da iluminação e a minimização de sombras
são itens importantes. Salas com terminais de vídeos de computadores devem ter
um nível relativamente baixo de iluminação geral e uma iluminação suplementar
para tarefas específicas, além de evitar reflexos excessivos e diretos nas telas dos
computadores, que podem causar ofuscamento.
A
B
Figura 6. A iluminação natural deve ser adequada às atividades que se desenvolvem nos diferentes
ambientes de uma escola. Sala de artes, Universidade da Califórnia (A). Ginásio de esportes da
Lincoln High School, Califórnia (B). Fonte: Boora Architects, 2006.
2.2.2.2 As recomendações do Departamento de Energia dos Estados Unidos
O Departamento de Energia do governo dos Estados Unidos, em
seu programa “Rebuild América - EnergySmart Schools”, tem o objetivo de fornecer
informações sobre o consumo de energia e meio ambiente para todos os envolvidos
no processo de produção de escolas no território americano. Especificamente para
engenheiros e arquitetos, publicou uma série de manuais intitulados “National Best
Practices Manual for Building High Performances Schools” com o intuito de
promover a eficiência energética e o uso de energias renováveis em projetos de
escolas, com orientações específicas para cada área climática do país.
Iluminação natural em escolas
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33
No capítulo dedicado à iluminação natural e janelas, o manual
reconhece o projeto de iluminação natural como a principal estratégia para escolas
energeticamente eficientes, por propiciar economia de energia e colaborar para um
melhor desempenho de professores e estudantes. Ao enfatizar a importância da
iluminação natural, o manual condensa os resultados de várias pesquisas e estudos
sobre os benefícios propiciados pela luz natural:
- desempenho acadêmico: citando a pesquisa do Heschong Mahone Group
(item 2.2.1) , diz que estudantes e professores têm melhor desempenho em
ambientes estimulantes e naturalmente bem iluminados
- conservação de energia: como a energia elétrica é a principal fonte de energia
na maioria das escolas, a integração com sistemas de controle entre
iluminação natural e artificial pode promover grandes economias de energia
- luz de melhor qualidade: “a luz natural fornece fonte de luz da melhor
qualidade para tarefas visuais, enfatiza a aparência visual e a cor dos objetos
e ajuda os estudantes a enxergar melhor pequenos detalhes”. (p.67)
- conexão com a natureza: a luz natural propicia uma conexão com variações
de tempo, luz, estações do ano, tornando o ambiente educacional mais
estimulante e despertando maior atenção em estudantes e professores
- melhorias para a saúde: janelas com vista para o exterior promovem uma
constante mudança da distância focal de visão, ajudando a manter a saúde
do olho. (National Best Practices Manual, 2002, p.67)
Para a elaboração de estratégias de projetos de escolas iluminadas
naturalmente, o manual recomenda a adoção de seis princípios básicos:
1 – Prevenir a penetração de luz solar direta em espaços de aprendizagem sensíveis
ao ofuscamento: a radiação solar direta é uma poderosa fonte de luz, mas também
pode ser fonte de desconforto térmico e visual. Deve-se enfatizar a utilização de luz
natural indireta e refletida como fonte de luz suave e difusa, evitando a penetração
direta do sol (Figura 7).
Iluminação natural em escolas
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34
(A)
(B)
Figura 7. Uma das principais recomendações para iluminação de salas de aula é evitar a radiação
solar direta (A) e utilizar luz natural difusa, indireta e refletida (B). Fonte: Square One: www.squ1.com
2 – Prover luz suave e uniforme nos diferentes espaços: melhores resultados serão
obtidos com o balanceamento de luz natural difusa, que promove melhor
desempenho visual e conservação de energia. Uma melhor distribuição da luz
natural difusa pode ser conseguida com iluminação zenital. Essa qualidade também
pode ser obtida com a combinação de janelas altas para iluminação e janelas baixas
para vista em lados opostos ou a combinação de iluminação zenital e iluminação
lateral. A situação de mais difícil controle é a iluminação por janelas em apenas um
dos lados da sala, com altos níveis de iluminação próximos às janelas, que
diminuem sensivelmente com a profundidade do ambiente. A luz natural ambiente
deve estar entre 200 e 300 lux e deve-se utilizar iluminação artificial específica para
as tarefas visuais requeridas, entre 500 e 800 lux. Esse item frisa a importância das
superfícies das paredes e tetos como parte do sistema de iluminação natural, sendo
sua posição, cor e refletância fundamentais para a obtenção de uma luz
uniformemente distribuída.
Iluminação natural em escolas
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35
Figura 8 – Distribuição uniforme e suave da luz natural e integração com a iluminação artificial em
salas de aula. Roy Lee Walker Intermediate School. Figura 9: detalhe dos difusores de iluminação
zenital. Fonte: DesignShare, 2002.
3 – Evitar criar fontes de ofuscamento: o brilho excessivo de fontes de luz ou
superfícies brilhantes em relação às superfícies vizinhas pode causar ofuscamento e
desconforto, prejudicando a visualização e o desempenho de estudantes. É preciso
impedir o ofuscamento por meio de dispositivos como brises, venezianas, cortinas
ou refletores. O ofuscamento também ocorre quando a luz natural atinge superfícies
refletoras como a tela de um computador ou um quadro de superfície lisa. Telas de
computador são particularmente propícias ao ofuscamento quando recebem luz
direta das janelas.
4 – Permitir que professores controlem a iluminação natural por meio de brises e
venezianas móveis. A luz natural é extremamente variável ao longo do dia e do ano
e requer projeto cuidadoso para que forneça iluminação adequada no número
máximo de horas durante o dia. O ideal seria que as aberturas para iluminação
variassem conforme a variação da luz do dia. Esse é um problema de difícil solução
enquanto a tecnologia de vidros eletrocromáticos
30
não esteja suficientemente
desenvolvida e a preços acessíveis. Enquanto isso, o principal meio de controle é a
colocação de protetores solares internos ou externos. Manuais ou eletrônicos, esses
controles devem ser de fácil manutenção e acesso aos professores para que
controlem a iluminação interna conforme a variação da luz externa.
_____________
30
Vidros que mudam de características com a passagem de corrente elétrica, radiação ou
temperatura.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
36
5 - Projetar o sistema de iluminação elétrica como complemento da iluminação
natural, provendo-os de controles de luz para incentivar a conservação de energia:
uma estratégia de iluminação para fornecer qualidade de luz e conservação de
energia só pode dar certo com a integração dos sistemas de iluminação natural e
artificial. Para tanto, é preciso conhecer as características de cada sistema para
integrá-los em um único, compensando suas diferenças.
6 – Planejar o lay-out dos espaços interiores para tirar o melhor proveito da
iluminação natural: como a iluminação natural varia bastante dentro de um espaço, é
importante planejar as atividades de acordo com a disponibilidade da luz em cada
porção deste espaço. Tarefas visuais devem ser alocadas de modo a evitar
ofuscamento, de preferência de forma que a iluminação venha lateralmente ou de
cima. A localização frontal a uma janela pode causar ofuscamento direto, enquanto
que a janela localizada atrás pode causar sombra ou brilhos refletidos.
(recomendações extraídas do National Best Practices Manual, 2002, p. 68 – 72).
2.2.2.3 CHPS e o protocolo de Washington
A elaboração e a publicação de manuais por si só não garante que
princípios de qualidade para a iluminação natural em escolas sejam aplicados na
prática. Conscientes dessa condição, várias entidades americanas desenvolvem
programas locais para incentivar o uso da iluminação natural em projetos de escolas.
No estado da Califórnia, o “Collaborative for High Performance Schools – CHPS” é
uma entidade que reúne representantes do governo local, empresas e entidades
não-governamentais para divulgar, implementar e financiar projetos e construção de
escolas. A entidade estabelece índices para qualificar um edifício escolar como “high
performance school”, o que possibilita aos envolvidos em sua construção participar
de programas e financiamentos promovidos pelo governo e entidades particulares e
ter uma base de informações que os permita selecionar e contratar empresas e
profissionais com requisitos e experiência necessária ao perfil desejado. Para
orientar todas as pessoas envolvidas no processo de planejamento e construção de
edifícios educacionais, o CHPS editou também o “Best Practices Manual”, adaptado
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
37
do “National Best Practice Manual”, comentado anteriormente, no qual o projeto da
iluminação natural comparece como uma das principais estratégias para escolas
que promovam qualidade do ambiente e conservação de energia.
No estado de Washington, a “School Facilities Organization –
Office of Superintendent of Public Instruction” publicou o manual “Washington
Sustainable Schools (WSS) – Protocol for High Performance Schools Facilities” sob
o patrocínio do governo estadual e da empresa de energia Pacific Northwest, em
associação com diversas empresas e entidades. Esse trabalho foi baseado no
manual e nos princípios do CHPS, adaptado ao clima, à economia, às leis e aos
processos específicos do estado de Washington. O protocolo estabelece um
sistema de pontuação para itens de sustentabilidade nos projetos de escolas, que
somam créditos para projetistas e investidores se candidatarem a programas e
financiamentos. O protocolo WSS é similar à certificação LEEDS
31
do U.S. Green
Building Council e incentiva a utilização de princípios e dos manuais de referência
dessa certificação para os projetos escolares do estado de Washington.
Nos pré-requisitos para a pontuação dos projetos, entre vários
outros itens de sustentabilidade como implantação, conservação de energia,
redução de resíduos, seleção de materiais, conforto térmico, reutilização de água,
fontes alternativas de energia, a qualidade da iluminação natural ocupa uma
posição de destaque, e colabora também para outras pontuações uma vez que a
estratégia da utilização da iluminação natural é a linha orientadora do item de
conservação de energia e qualidade dos ambientes internos, de maior pontuação.
Na parte dedicada à qualidade do ambiente interno, o protocolo
WSS dá especial ênfase à qualidade da iluminação natural como forma de
promover a melhoria do desempenho dos estudantes e a conservação de energia.
Essa qualidade está definida como sendo uma iluminação que minimize a
penetração direta da luz do sol e o ofuscamento e promova uma integração com o
controle da iluminação elétrica em espaços iluminados naturalmente. Os pré-
requisitos para a pontuação na seção iluminação natural em salas de aula
estabelece:
_____________
31
Leadership in Energy and Environmental Design.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
38
- “um mínimo de 2% de FLD de luz natural uniformemente distribuída em 50%
dos espaços com tarefa visual essencial, sem penetração direta de radiação
solar em superfícies mais visíveis a partir de áreas de tarefas essenciais.
- A penetração solar direta deve ser eliminada em espaços iluminados
naturalmente com quebra-sóis, prateleiras de luz, etc. O período de
sombreamento deve se estender de 21 de março através do verão até 21 de
setembro.
32
- Espaços de tarefas visuais essenciais incluem salas de aula, ginásios de
esportes e espaços administrativos, porém não incluem depósitos,
lavanderias, salas de equipamentos, salas de cópias e outras áreas de
suporte de baixa ocupação ou locais onde a iluminação natural não é
apropriada ”(WSS, 2004, p.45).
Para a obtenção de créditos na seção ‘Qualidade do Ambiente
Interno’, deve-se cumprir um requisito relativo à qualidade da iluminação cujo
propósito é “promover a melhoria do desempenho visual com uma estratégia de
iluminação ambiental de alta eficiência e sem ofuscamento”. A intenção desse item
é reconhecer que, devido às novas tecnologias, os ambientes educacionais têm se
modificado e as iluminações das salas de aula têm de se adaptar a elas, pois a
quantidade e a qualidade de luz afetam diretamente o conforto visual e o
desempenho dos estudantes e seus instrutores. Para conseguir esse ponto os
projetistas devem:
“- instalar um sistema de iluminação elétrica que estimule o desempenho visual dos
ocupantes, utilizando linhas de luminárias diretas ou indiretas no teto paralelas à
linha da janela. As luminárias devem ter lâmpadas fluorescentes de alta eficiência
luminosa e um índice de reprodução de cores de no mínimo 80%. O sistema de
iluminação deverá possuir controles de integração com a iluminação natural. A
iluminação das áreas das tarefas visuais (lousas e quadros) pode ter iluminação
complementar de eficiência mínima inicial de 60 lumens por watt e controladas
separadamente do sistema geral por sensores de presença...” (WSS, 2004, p.47).
_____________
32
N.A.: verão no hemisfério Norte.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
39
2.2.2.4 As recomendações do MEC
No Brasil, no ano de 2002 o MEC - Ministério da Educação e Cultura
do Governo Federal, por meio do FUNDESCOLA, com o objetivo de contribuir para
a melhoria das edificações escolares, publicou um manual técnico cujo objetivo era
fornecer subsídios para profissionais de órgãos municipais e estaduais envolvidos
com o projeto e a construção de escolas do ciclo fundamental. Os dois volumes do
manual contêm uma série de recomendações e parâmetros técnicos mínimos para
o projeto e o dimensionamento de ambientes escolares das escolas públicas.
No item em que trata especificamente da iluminação natural, no
capítulo 5: Condicionantes Ambientais, o manual reconhece a importância dos
requisitos qualitativos ao lado dos quantitativos: “O desempenho da visão depende
diretamente das condições de iluminação. A má iluminação provoca uma queda na
produtividade e aumenta o número de erros em qualquer atividade. A carência de
luz por ‘mascaramento’ produz sombra, prejudicial à visão humana. O excesso de
luz natural ou artificial produz, para a visão humana, o efeito de deslumbramento e
ofuscamento, prejudiciais ao olho humano” (MEC, 2002, p.42).
O manual sintetiza as suas recomendações em relação ao projeto da
iluminação natural na forma de aspectos a serem observados no projeto de edifícios
escolares. A primeira e importante recomendação é sobre a necessidade de barrar
o acesso da radiação solar direta nos espaços escolares, com exceção de
banheiros, cozinhas e depósitos. Reconhece ainda a diferença de características de
iluminação natural de acordo com os diferentes climas das regiões do Brasil e
recomenda a utilização de protetores solares nas aberturas:
“Os ‘brises’ permitem a reflexão da luz, evitando insolação direta e,
por conseguinte, a radiação difusa, não direta. Eles só devem ser
utilizados pelo lado exterior às esquadrias, para que a radiação
difusa sofra aeração, perdendo calor, antes de penetrar no ambiente.
Para isso, entre o ‘brise’ e a esquadria deve-se prever um espaço
mínimo de 30 cm” (MEC, 2002, p. 47 e 48).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
40
O manual apresenta ainda uma descrição de cartas solares e
quebra-sóis, porém não apresenta um método de cálculo para a sua construção e
também não está referenciado em níveis mínimos de iluminação natural para
obtenção de qualidade na iluminação de espaços escolares. Devido a abrangência
do manual, existe um possibilidade interessante de, a exemplo do “National Best
Pratices Manual”, elaborar recomendações específicas sobre a utilização da
iluminação natural e a conservação de energia para cada área climática do país.
2.2.2.5 As recomendações da FDE
Edifícios escolares vêm sendo construídos em São Paulo desde a
Primeira República, entre os anos 1894 e 1910, quando se construíam escolas com
ênfase na simetria, predominância de salas de aula e poucos espaços
administrativos. Eram consideradas construções de boa qualidade técnica, nas
quais já estavam presente preocupações relativas à higiene. Na década de 30,
durante a administração de Armando Sales de Oliveira, teve início a implementação
de critérios de projeto, inclusive dimensionamento e posicionamento das janelas e
orientação do edifício. Estes critérios eram estabelecidos por equipes
multidisciplinares ligadas ao Departamento de Obras Públicas da Secretaria de
Educação e Saúde (DOP).
Posteriormente, no período que ficou conhecido como Convênio
Escolar (1949 -1954), foram produzidas escolas com “uma arquitetura de caráter
formal modernista”, mais funcional, com circulações em rampa e jardins internos e a
utilização de quebra-sóis. Em seguida vieram as escolas construídas pelo FECE –
Fundo Estadual de Construções Escolares (1960 -1975), que se caracterizavam por
edifícios notáveis, projetados pelos principais arquitetos brasileiros da época.
Durante a década de 70, frente à grande demanda de construção de salas de aula,
a CONESP, Companhia de Construções Escolares de São Paulo, iniciou o
processo de normatização de materiais e componentes, com normas para projetos
e para a estrutura funcional das escolas. Nos anos 80, a FDE – Fundação para o
Desenvolvimento da Educação sucedeu a CONESP, cujos princípios e normas
continuou a implementar. (ORNSTEIN, BORELLI, 1995, p.10-12).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
41
Devido à quantidade e à complexidade das construções escolares
no estado, essas entidades precisaram desenvolver uma padronização
arquitetônica dos aspectos construtivos dos ambientes das escolas. No aspecto
relativo ao conforto ambiental e à iluminação, essa padronização se manifesta na
forma de recomendações de projeto baseadas em normas e legislação sobre o
assunto. As orientações estão baseadas nas normas brasileiras, que indicam que a
iluminação deve obedecer a uma proporção da área do piso e estabelecem níveis
mínimos de iluminância para os diversos ambientes escolares. Em relação à
insolação, a CONESP havia definido uma série de padrões de protetores solares
para cada uma das orientações possíveis para a implantação do edifício escolar,
que estão reproduzidos no Anexo A. Pelo seu desenho, percebe-se que a maior
parte desses brises veda totalmente a visão para o exterior e que, portanto, não
foram levados em consideração critérios de iluminação natural para o seu projeto.
Uma das primeiras pesquisas sistemáticas a abordar a questão do
conforto ambiental luminoso nas escolas da rede pública do estado de São Paulo foi
o estudo de título “O desempenho dos edifícios da rede estadual de ensino – o caso
de São Paulo. Avaliação técnica: primeiros resultados”; coordenado pelos
professores da FAUUSP Sheila Orstein e José Borelli Neto, de 1995. Foram
estudadas 27 escolas, todas construídas após o ano de 1950, o que representava
1% das escolas da rede pública do município e da grande São Paulo. Entre os
diversos itens de avaliação dos edifícios, como sistema estrutural, tipologia
construtiva, acabamentos, instalações e funcionalidade, foram analisados também
os itens de conforto ambiental e, entre eles, a interferência da iluminação natural e
artificial.
Em relação à iluminação natural, os dados apontaram um resultado
que os autores consideraram satisfatório: “De um modo geral, e como resultado das
primeiras vistorias realizadas, tem-se que em mais de 55% das escolas, objeto de
estudo, a iluminação natural foi considerada ótima e/ou satisfatória, segundo uma
escala semântica de 4 pontos: ‘ruim’, ‘insatisfatória’, ‘satisfatória’ e ‘ ótima’”
(ORNSTEIN, BORELLI, 1995, p.33). Como nesse trabalho não foi encontrada uma
maior definição de critérios de medição da luz natural, supõe-se que os dados
coletados dizem respeito a níveis quantitativos de iluminação e não exatamente a
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
42
critérios qualitativos (Gráfico 2). Na seqüência, são apresentados dados de “Conforto
Lumínico – problemas gerais” que apontam para a evidência de que talvez esses
níveis estivessem acima do desejável, com marcas de quase 40% das escolas
levantadas com ofuscamento no plano de trabalho e mais de 60% de incidência
direta de radiação solar no plano de trabalho (Gráfico 3), o que, segundo os autores,
representam “alguns itens de desempenho ineficiente localizados” (ORNSTEIN,
BORELLI, 1995, p.35).
Em relação à iluminação artificial, os autores consideram que os
valores encontrados apontam resultados ainda mais satisfatórios, com 70% das
escolas com níveis de iluminação ótimos e/ou satisfatórios, segundo a mesma
escala semântica apresentada, resultado ao qual atribuem ao fato de 80% das
escolas serem pintadas com cores claras. Com o atual desenvolvimento do
conhecimento sobre a iluminação natural, entretanto, seria possível considerar que
talvez os dados encontrados apontem para um desequilíbrio nas condições de
iluminação, com a falta de controle da incidência direta da luz do sol no plano de
trabalho o que, ao mesmo tempo em que promove índices de iluminância acima do
desejável, pode também produzir ofuscamento e desconforto. Outro
questionamento possível, a partir dessa exuberância de luz natural verificada, é se
a iluminação natural não poderia ser melhor administrada, o que reduziria custos
com energia.
Gráficos 2. Condições de Iluminação nas escolas estaduais de São Paulo. Gráfico 3. Problemas de
conforto luminoso. Fonte: ORSNTEIN, BORELLI, 1995.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
43
A um resultado diferente chegou uma pesquisa sobre conforto
ambiental nas escolas estaduais realizada pela Escola de Engenharia de São Carlos
da USP. Na década de 90, a Escola de Engenharia de São Carlos, sob a
coordenação da arquiteta Mayume Watanabe de Souza Lima, realizou para a FDE o
estudo intitulado “Caderno de Recomendações para Conforto Ambiental em projetos
de escolas no estado de São Paulo” (LIMA, 1990). Para a preparação do caderno,
foi realizada uma pesquisa conforme a metodologia da Avaliação Pós-Ocupação
(APO) em um conjunto de escolas e os resultados relativos à iluminação estão
resumidos no Anexo B, no qual se observa que, na maioria das escolas estudadas,
a iluminação foi considerada boa. Entretanto, como essa qualidade está
referenciada em níveis de iluminância, na apresentação dos dados não existe uma
distinção clara se estes níveis são obtidos com ou sem a penetração direta da
radiação solar.
Nas escolas onde a iluminação foi considerada ruim ou regular, nota-
se a presença de brises de cobogó, chapas de fibrocimento ou chapa metálica. Da
amostra considerada, pode-se inferir que a utilização de protetores solares ou
quebra-sóis nas escolas estudadas não leva em consideração a sua influência nos
níveis e na qualidade da iluminação. Como resultado do estudo foram estabelecidas
recomendações para projetos de escolas no estado de São Paulo relativas ao
conforto ambiental, com especificações para a iluminação natural, que foram
incorporadas pela FDE em seus manuais de especificação e análise de projetos.
O estudo sugere ainda uma interação entre as variáveis de conforto
ambiental (iluminação, térmica e acústica), indicando que é necessário resolvê-los
em conjunto para uma otimização das condições de conforto no edifício escolar. No
mesmo sentido aponta o estudo realizado por Graça e Kowaltowski (2004) que, a
partir da análise dos parâmetros de conforto ambiental de 35 projetos de escolas da
rede estadual de ensino na região de Campinas, aponta a necessidade de um
método de avaliação e otimização de projetos arquitetônicos na fase de anteprojeto
para a melhoria dos projetos de escolas.
Para os objetivos deste trabalho, essa pesquisa, além da constatação
de que na maioria das escolas a orientação é leste ou oeste e que há insolação
direta sobre os usuários, apresenta alguns dados interessantes sobre a iluminação:
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
44
“No conforto visual foram feitas medições dos níveis de iluminação e
avaliação dos usuários. Alguns resultados foram: (a) na maioria das
salas pesquisadas há distribuição não uniforme da iluminação; (b)
nível de iluminação fora das recomendações... (c) manutenção
precária das lâmpadas; (d) utilização padronizada do número de
lâmpadas, independentemente do tamanho das salas; e (e)
ofuscamento no plano de trabalho e da lousa” (GRAÇA e
KOWALTOWSKI, 2004, p.21).
Apesar da constatação que esses estudos citados apontam ser a de
que as escolas estaduais apresentam na sua maioria problemas de conforto
ambiental, inclusive relativos à iluminação, a FDE possui um conjunto de normas e
orientações gerais sobre o assunto. A exemplo das especificações para níveis de
iluminação de interiores da ABNT mostrados anteriormente (Quadro 2), a FDE
elaborou uma tabela de especificações para os ambientes interiores padronizados
dos projetos de escolas (Tabela 1), acompanhada de algumas recomendações
quanto à orientação e à insolação dos edifícios:
Tabela 1. Tabela de resumo dos índices de iluminação por ambiente. Fonte: adaptado de FDE, 2003.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
45
1. A orientação do edifício deve possibilitar o máximo de iluminação natural e evitar
incidência direta de radiação solar na mesa e na lousa.
2. A abertura das janelas deverá estar associada à incidência de iluminação natural
e trocas de ar através de ventilação cruzada.
3. A orientação do edifício deve ser analisada caso a caso, porém, genericamente,
são recomendadas as seguintes orientações para fachadas envidraçadas:
Norte e Nordeste – com previsão de beiral ou marquise de aproximadamente 1,80m
a partir da fachada;
Leste – com beiral ou marquise de 1,20m
Sul e Sudeste – com beiral ou marquise de 1,20m
Sudoeste – com beiral ou marquise de 1,20m
Oeste e Noroeste – com utilização de quebra sol
4. Salas de Aulas, Sala de Aula Prática (Laboratório) e Sala de Uso Múltiplo:
Iluminação natural à esquerda da lousa vista de frente.
Insolação adequada: insolação até 8:30 e após as 17:30hs. Equinócios: insolação
até 9:00hs e após as 17:30hs. Inverno: insolação até 9:30hs e após as 17:00hs.
As orientações sobre iluminação natural contidas nos manuais e
recomendações das entidades responsáveis pela normatização de projetos para
edifícios escolares no Brasil apresentam princípios gerais para guiar os projetistas
na obtenção de uma boa iluminação, mas não indicam como atingir esses objetivos.
O que os estudos acima citados apontam, e que se nota também na prática, é que
grande parte das escolas estaduais apresenta problemas de iluminação. Com o
conhecimento atual acumulado no campo da pesquisa sobre iluminação natural em
arquitetura é possível estabelecer parâmetros e métodos para a obtenção de uma
iluminação de qualidade em edifícios escolares que, ao mesmo tempo, colaborem
para a conservação de energia em escolas. Esses conceitos devem estar
amparados nos principais conceitos do campo teórico da iluminação natural,
relativos à qualidade da iluminação, descritos a seguir.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
46
2.3 A qualidade da iluminação natural – principais conceitos
Da revisão da literatura se depreende que a iluminação natural é
altamente desejável para ambientes escolares porque tem um impacto positivo na
saúde e no desempenho dos estudantes e também contribui para a estética e o
caráter do ambiente construído. Aponta também uma tendência na qual normas e
recomendações acerca da iluminação natural em escolas têm se deslocado do
aspecto apenas quantitativo para o qualitativo.
Nos estudos de iluminação natural sempre houve uma clara
distinção entre a quantidade e a qualidade de luz. HOPKINSON, PETHERBRIDGE,
LONGMORE (1975, p. 10-11) afirmam que o projeto de iluminação natural deve ser
uma combinação entre eficiência visual, conforto visual e estética, porque seus
estudos partiam do conceito básico de que a adaptação dos olhos às condições de
iluminação é um aspecto particular da adaptação do corpo ao meio ambiente.
Alertam também para o fato de que para obter uma boa iluminação é preciso
combinar a quantidade de luz necessária ao desenvolvimento de uma tarefa visual,
medida em laboratórios, com uma adequada distribuição de luz que evite diferenças
acentuadas entre o ambiente e o plano de trabalho, evitando-se também brilhos
excessivos que constituam ofuscamento:
“Durante séculos, a iluminação natural preocupou-se mais com a
aparência do que com a quantidade. Apenas durante as últimas
décadas é que os princípios de engenharia sobre iluminação e
fotometria, desenvolvida por físicos e engenheiros a partir de
considerações sobre pequenas fontes luminosas, têm sido aplicados
aos problemas de iluminação natural Até então, os arquitetos
aprendiam a situar janelas e a lidar com a iluminação natural interior
a partir dos preceitos dos tratadistas de arquitetura, como Vitruvius,
que descreveu a relação existente entre a colocação de janelas e os
efeitos visuais no interior. O fato de a iluminação natural ter sido
tratada de uma maneira quantitativa mais precisa deve-se,
inicialmente, à necessidade de satisfazer, nos tribunais, as
obrigações legais de um vizinho em não obstruir a luz do dia no
edifício de um outro” (HOPKINSON, PETHERBRIGE, LONGMORE,
1966, p. 25).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
47
De forma geral, as orientações e as recomendações para a
qualidade da iluminação em projetos escolares são derivados de conceitos
estudados por diversos autores na área de pesquisa da iluminação natural. Para
melhor compreensão desses conceitos e para formatar uma base teórica de análise
da metodologia e dos resultados do ensaio experimental realizado para a pesquisa,
discutimos a seguir os principais conceitos utilizados.
2.3.1 Iluminância
Iluminância é a medida da quantidade de luz que incide sobre uma superfície por
unidade de área e é definida pela seguinte expressão:
(1)
Onde:
E = iluminância (lux)
ϕ = Fluxo luminoso (Lumens)
A = área (m²)
Acuidade visual é a capacidade de discernir detalhes em uma
determinada tarefa visual. Para um ponto determinado, a acuidade visual aumenta
com o aumento do nível de iluminância sobre o plano de trabalho (MOORE, 1985).
Existe um limite a partir do qual o acréscimo nos níveis de iluminância não
corresponde a um igual acréscimo da acuidade visual (Gráfico 5 - A) e, quando
associados com altos níveis de brilhos indesejados, pode causar ofuscamento e
diminuir o desempenho visual
33
. A relação entre iluminância e desempenho visual é
mostrada no Gráfico 5 - B.
_____________
33
Desempenho visual é a capacidade de realizar uma tarefa visual com precisão e rapidez.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
48
(
A)
(B)
Gráfico 4. Relação entre iluminância e acuidade visual (A) e iluminância e desempenho visual (B).
Fonte: International Labour Organization: www.ilo.org .
O nível de iluminância adequado para cada tarefa visual é resultado
de medições em laboratório e está expressa em códigos e normas internacionais. A
norma brasileira NBR-5413 (1991) reproduz os níveis indicados nas normas
internacionais, porém se refere apenas à iluminação artificial. A norma brasileira de
iluminação natural NBR-15215 (2005) não especifica quantidades de luz natural
mínimas necessárias. Algumas normas internacionais, como a norma alemã DIN
5034 –1 (1985, p.3) entendem que, devido às características superiores de
iluminação da luz natural, sua quantidade mínima necessária pode ser estimada
como sendo 60% dos níveis estipulados para a luz artificial.
A luz natural ocorre em níveis muito mais altos do que a luz artificial
no interior dos edifícios. A luz do sol atinge 100.00 lux ou mais, enquanto que a
iluminância interna fica geralmente abaixo dos 1.000 lux. Toda ‘medida’ da
tecnologia da iluminação visa a evitar níveis de iluminância muito baixos e as
normas estabelecem níveis mínimos de iluminância que, por serem mínimos,
podem com certeza ser ultrapassados. E quais seriam os limites superiores? As
pessoas geralmente consideram 500 lux em ambientes internos como ‘muito claro’
e 5.000 lux em ambientes externos como ‘muito escuro’ (ÇAKIR, ÇAKIR, 1998).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
49
2.3.2 Luminância
Hopkinson, Petherbridge e Longmore (1975, p.13) diferenciam o brilho físico de um
objeto, que pode ser medido por um fotômetro, e o brilho subjetivo desse objeto,
visto pelos olhos adaptados aos ambientes. Para eles, a palavra luminância deve
ser usada para especificar a quantidade física de brilho.
A visão está relacionada com luminâncias, contrastes e brilho das
superfícies no campo de visão. O que percebemos não é a iluminância sobre uma
superfície, mas a luz que sai dessa superfície, ou seja, a luminância dessa
superfície. Para avaliar com precisão o ambiente visual, é preciso entender essa
diferença. Um bom ambiente de iluminação não é aquele que tem apenas níveis
adequados de luz (iluminância) para realizar a tarefa, mas também que não possui
contrastes excessivos e áreas de brilho no campo de visão (SCHILLER, JAPEER,
1999). Esta luminância pode ser expressa como:
(2)
Onde:
L = luminância (cd/m²)
I = Intensidade luminosa (em cd)
A = área projetada, em m²
a = ângulo considerado, em graus
Para uma determinada superfície difusa, a luminância está
relacionada com a refletância e a densidade desta superfície. A partir do conceito
de iluminância média no plano de trabalho (método dos lumens), é possível
converter estes valores em valores de luminância média relacionando-os com os
valores das refletâncias das superfícies no interior de um ambiente:
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
50
(3)
Onde:
L = Luminância (cd/m²)
ρ= refletância ou coeficiente de reflexão
E = iluminância sobre esta superfície (lux)
2.3.3
Uniformidade e diversidade
Os níveis de iluminância e sua distribuição na área da tarefa e no
seu entorno determina a eficiência da tarefa visual. Para avaliar esta distribuição, o
“Code for Interior Light” da CIBSE (1994) na seção 4.5.3 sugere dois índices:
Uniformidade: conceito geralmente aplicado na avaliação da distribuição de
luminâncias sobre o plano da tarefa, pode ser avaliada pela distribuição balanceada
dos níveis de iluminância. Quanto mais uniforme a iluminação sobre o plano de
trabalho, melhor balanceada será a luminância no espaço adjacente. Este índice é
entendido como a relação entre a iluminância mínima e a iluminância média e não
deve ser menor que 0,8:
(4)
Diversidade: é a medida da variação da iluminação sobre o plano de trabalho. Se a
diversidade de iluminância for muito grande, o espaço poderá ser percebido como
muito disperso pelo usuário e se esta variação for muito pequena, poderá ser
percebido como desinteressante e monótono. É expressa como a relação entre
iluminância mínima sobre a máxima e não deve exceder a relação de 1 / 5:
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
51
(5)
Entretanto, esses conceitos são geralmente aplicados para avaliação
da iluminação artificial e sua aplicação para a iluminação natural deveria ser
analisada. Uma forma de avaliação da variação da iluminação em espaços
iluminados naturalmente pode ser feita com a medida da variação do FLD, que
relaciona a iluminação interna e externa para um espaço determinado. Isso permite
que o índice de uniformidade seja dependente da geometria do ambiente e das
aberturas (forma, posição, altura do peitoril e do pé-direito), das refletâncias das
superfícies interiores, do sistema de envidraçamento e das obstruções externas:
(6)
2.3.4 Contraste
O contraste é a diferença relativa de brilho entre o objeto e seu
entorno. Pode ser expresso em termos de luminância, iluminância e refletividade
entre as superfícies. Diferenças de luminância significam contraste de cores.
Conforme a definição de Egan e Olgyay (2002, p. 18), contraste é devido à
diferença de luminâncias e pode ser assim expresso:
(7)
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
52
Onde:
C = contraste
L
objeto
= luminância do objeto ou tarefa
L
fundo
= luminância do entorno
Ainda segundo Egan e Olgyay (2002, p.18), o contraste é um
“elemento vital para a percepção visual eficiente”, necessário entre o objeto ou a
tarefa e seu entorno imediato, mas não entre o objeto e seu entorno ambiental e o
campo total de visão.
Conforme Benya et al. (2003, p.2-5) existem basicamente três tipos
de contrastes:
- contraste de brilho: resultado da quantidade de luz refletida ou emitida por uma
superfície, como as devidas às variações de sombra, mudanças entre o contraste de
cores claras e escuras ou forma e textura de uma superfície.
- contraste de padrões: mudança de percepção de um padrão reconhecido.
- contraste de cor: baseado na justaposição de cores próximas. Pares de cores
complementares, como verde e vermelho, azul e amarelo, resultam em maior
contraste visual.
O aumento do contraste entre o objeto e seu entorno aumenta a sua
visibilidade sem necessidade de iluminação adicional. O aumento excessivo de
contraste produz ofuscamento. O manual do IESNA (2000) estabelece as
proporções recomendáveis de contraste dentro de um mesmo campo visual:
Tarefa visual e superfície de trabalho – 3:1
Tarefa visual e espaço circundante – 10:1
Entre fonte de luz e fundo – 20:1
Máxima diferença no campo visual – 40:1
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
53
2.3.5 Ofuscamento
Segundo Robbins (1986) o conforto visual pode ser avaliado em
linhas gerais com base no contraste e no ofuscamento. A CIE
34
define ofuscamento
como sendo ”... a condição de visão na qual existe desconforto ou redução na
habilidade de ver detalhes ou objetos, causados por uma inadequada distribuição
de luminâncias ou por contrastes extremos”. “O olho humano pode se adaptar a
uma grande variação de ambientes luminosos, desde a luz das estrelas (0,03 cd/m²)
até a de um dia de céu claro (10.000 cd/m²), mas não pode funcionar muito bem
quando uma variação tão extrema de níveis de brilho está presente no campo visual
ao mesmo tempo” (ROBBINS, 1986, p.235).
Ofuscamento depende do contexto: “O ofuscamento é uma forma de
ruído visual – uma luz não desejável! Em um contexto diferente, uma fonte (de luz)
que parecia ofuscante pode não interferir com as nossas necessidades de
informações visuais. Nesta situação, a luz pode ser atrativa e desejável. Pode ser
descrita como brilho e não como ofuscamento” (EGAN e OLGYAY, 2002, p.10).
Para Hopkinson (1975, p.17-18), um brilho intenso é favorável à boa
visão, mas um brilho intenso indesejável, que ele denomina de “encadeamento”, é
prejudicial. Para ele, encadeamento, ou ofuscamento, é “uma adaptação
desfavorável para uma boa visão” (p.18). Quando ocorre essa adaptação
desfavorável, a visão pode ser prejudicada de duas maneiras. A primeira,
denominada por Hopkinson de “incapacidade visual por encadeamento” ocorre
quando outros objetos no campo visual são mais brilhantes do que a tarefa visual
essencial. Também definido por Moore (1991) como ofuscamento desabilitador ou
fisiológico, impede a visão sem necessariamente causar desconforto. Produz o
efeito de “véu”: brilho muito intenso no campo visual que reduz os contrastes entre
os objetos impedindo a sua distinção (Figura 9). Em ambientes com iluminação
natural isso pode ocorrer com a visão direta ou refletida da luz intensa da abóbada
celeste ou da luz direta do sol. A segunda forma, denominada por Hopkinson de
“desconforto visual por encadeamento”, é o ofuscamento que causa desconforto
_____________
34
Comission Internationale d’Éclerage
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
54
psicológico, porém não impede a visão dos objetos. Fontes brilhantes no campo
visual em contraste com fundo mais escuro acarretam grande diferença de
luminâncias no campo de visão e pode ocorrer fadiga visual pelo esforço de
adaptação do olho. Segundo Tregenza (1999, p.72), “concentrar-se em uma tarefa
quando há uma fonte muito brilhante em outra parte do campo de visão pode
causar desconforto. Tentamos evitar olhar para a fonte de luz, ou semicerrar os
olhos, ou manter uma posição da cabeça que minimize a iluminação na face.
Durante um curto período de tempo, podemos não perceber, mas existe uma
tensão crescente e desconforto muscular. No longo prazo, o desempenho da tarefa
é afetado...” (tradução nossa).
A
B
Figura 9 – Reflexão especular: brilho intenso impede a visão da escala na régua de metal (A).
Ofuscamento desabilitador: brilho intenso no campo visual impede a visão da tarefa (efeito de
véu) (B). Fonte:Tregenza e Loe, 1998.
2.3.5.1 Índices de ofuscamento:
Apesar de o ofuscamento ser uma resposta subjetiva às condições
de iluminação que não pode ser quantificada (ROBBINS, 1986), estudos foram
feitos da variação de contrastes e a resposta das pessoas a essa variação. Para dar
uma interpretação quantitativa para o desconforto causado pelo ofuscamento, foram
desenvolvidos algoritmos
35
que levam em consideração as variáveis que interagem
entre o mecanismo da visão e o ambiente luminoso. Eis os mais importantes:
_____________
35
Processo de cálculo, ou de resolução de problemas semelhantes, em que se estipulam regras
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
55
VCP – Visual Comfort Probability (Probabilidade de Conforto
Visual), desenvolvido pelo IES – Ingineering Iluminating Society - e utilizado
principalmente nos Estados Unidos. Conforme DiLaura, Guth, IES, apud Schiler
(2000), esse índice é uma estimativa de quantas pessoas em 100 se sentiriam
confortáveis em um ambiente visual. Baseado no cálculo do brilho relativo de um
sistema de iluminação do ponto de vista de um determinado ângulo, seus dados
experimentais estão relacionados apenas a luminárias com refletores. Portanto, seu
uso em outros sistemas de iluminação deve ser cauteloso (BENYA et al., 2003).
Esse índice pode ser expresso matematicamente por:
(8)
Onde:
DGR= Daylight Glare Index (Índice de Desconforto por ofuscamento)
t= tempo
(9)
Onde:
M
i
= índice de sensação para cada fonte
n = número de fontes de luz dentro de um campo visual
UGR – Unified Glare Rating (Índice de Ofuscamento Unificado),
adotado pela CIE. Segundo Tregenza (1998, p.72), é utilizado para medir o
desconforto visual por ofuscamento para fontes relativamente pequenas, como
luminárias, e pode ser definido pela equação:
gerais para a obtenção dos resultados.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
56
(10)
Onde:
L= luminância da fonte de ofuscamento
L
b
= luminância do fundo da fonte
ω = tamanho da fonte de ofuscamento, medido como ângulo sólido
36
a partir do
observador
p= índice que quantifica a posição da fonte em relação à direção de visão.
Conforme aumenta o valor do UGR aumenta o nível de desconforto,
sendo que valores abaixo de 10 são imperceptíveis e acima de 28 intoleráveis.
Como observa Tregenza (1998, p.72), a equação permite algumas conclusões:
- conforme aumenta a luminância e o tamanho da fonte, o ofuscamento aumenta;
- quando o brilho do fundo aumenta ou a fonte é movida para fora do campo de
visão, o ofuscamento diminui;
- os valores de luminância (L) e o índice de posição (p) estão elevados ao
quadrado, o que significa que uma pequena modificação nestes valores acarreta um
grande efeito na proporção de ofuscamento;
- o símbolo de somatória (Σ) indica que quando há várias fontes no ambiente, a
luminância, o tamanho e o índice de posição de cada fonte são combinados,
somados e inseridos na fórmula (TREGENZA, 1998, p.73).
As equações acima descritas são geralmente utilizadas para a
análise de iluminação artificial ou de pequenas fontes de iluminação. Para fontes
maiores de iluminação, como janelas, foi desenvolvido um algoritmo que é fruto do
trabalho de vários pesquisadores ao longo dos anos (Fischer, 1970, Luckiesh e
Gguth, 1949, Peterbridge e Hopkinson, 1950, Chauvel et al., 1980 apud Robbins,
1986):
_____________
36
“...ângulo sólido é definido como a porção de espaço compreendida dentro de uma superfície
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
57
DGI – Daylight Glare Index (Índice de Ofuscamento por Luz Natural)
e GI - Glare Index (Índice de Ofuscamento), também conhecido como fórmula de
Cornell. Inicialmente é calculada a constante G, “que é a expressão do
ofuscamento causado por qualquer fonte individual de luz, baseada na relação entre
a luminância da fonte e a do fundo” (ROBBINS, 1986, p.237):
(11)
Onde:
K= constante que depende da unidade de medida e da fonte de luz
L
s
= brilho da fonte de luz
L
b
= brilho da luz de fundo
Ω = ângulo sólido subtendido pela fonte de luz, modificado pela posição da fonte de
luz em relação ao campo de visão
ω = ângulo sólido da fonte em relação ao olho
Essa equação “pode ser aplicada a qualquer fonte de luz de forma que uma
constante de ofuscamento G é determinada para cada fonte potencial de
ofuscamento dentro do campo de visão. As constantes de ofuscamento para todas
as fontes são então somadas para determinar o Índice de Ofuscamento, que pode
ser expresso por:
GI = 10 log
10
Σ G
“ ( ROBBINS, 1986, p. 237). (12)
cônica qualquer” (VIANNA, 2001).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
58
Figura 10. Fontes de ofuscamento em uma sala de aula devido ao tamanho e posicionamento
das aberturas. Fonte: Autor.
A previsão de fontes potenciais de ofuscamento com o uso dessas
equações continua a ser desenvolvida e debatida (VOSS, 2003). Para os projetos
de arquitetura, uma questão importante é compreender como o ofuscamento ocorre
no interior dos edifícios e o que pode ser feito para evitá-lo. Ainda segundo Robbins
(1986), o excessivo brilho da luz natural por si só não é a razão pela qual o
ofuscamento se torna um item importante a ser considerado em projeto, e sim o fato
de que janelas são usadas para iluminação e para a visão do exterior ao mesmo
tempo. Para prever e evitar problemas de ofuscamento no interior de edifícios,
Robbins aponta algumas medidas de controle:
-“planejar a localização das posições de trabalho ou estudo de forma que os
usuários sob condições normais de trabalho não tenham uma visão direta do céu;
-reduzir a visão do céu usando beirais, brises, prateleiras de luz, marquises e outros
elementos de proteção;
-não colocar tarefas visuais precisas sob luz solar direta ou onde a visão do sol
numa superfície interior esteja dentro do campo de visão;
-colocar mais de uma abertura em superfícies diferentes ajuda a reduzir o impacto
do ofuscamento de uma abertura, ajudando a aumentar o brilho total interior de um
espaço e reduzindo o contraste entre o céu e o interior;
-colocar a abertura de forma que as superfícies imediatamente adjacentes tenham
alta luminância ajuda a diminuir o desconforto visual por ofuscamento;
- reduzir a luminância do plano da abertura usando protetores solares internos;
-aumentar o brilho do entorno das aberturas modificando o formato das janelas e
usando acabamentos claros;
-detalhar o peitoril, caixilho e acessórios para produzir um contraste gradativo em
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
59
vez de acentuado quando o céu pode ser visto através das aberturas;”
(ROBBINS, 1986, p.244-246).
Figura 11. À medida que diminuem as aberturas, aumenta o contraste destas com o teto, a
parede frontal e as paredes laterais, aumentando a probabilidade de ofuscamento. Fonte:
London Metropolitan University - www.londonmet.ac.uk .
2.3.6 O fator de luz do dia
Conforme sintetiza Robbins (1986, p. 172), o conceito de fator de luz
do dia é fruto do trabalho de um grande número de pesquisadores durante mais de
setenta anos, sendo que na forma em que é usado hoje é resultado principalmente
das pesquisas de Waldram (1923, 1944), da equipe do BRE
37
e do trabalho de
Hopkinson, Petherbridge e Longmore (1975).
Na definição de Hopkinson, Petherbridge e Longmore (1975, p. 92) o
fator de luz do dia é “o quociente entre a iluminação natural num ponto de um plano
devido à luz recebida, direta ou indiretamente, de um céu com uma distribuição de
luminâncias suposta ou conhecida, e a iluminação num plano horizontal devida a
um hemisfério não obstruído do mesmo céu. A luz solar direta exclui-se de ambos
os referidos valores de iluminação”.
_____________
37
British Research Estabilishment.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
60
Segundo a norma brasileira de iluminação natural (ABNT, 1991,
Parte 3, p.2) e também a norma DIN 5034 ( Parte 1, p.2), o fator de luz do dia pode
ser definido por:
(13)
Onde:
E
p
= iluminância em um ponto interno
E
e
= iluminância em um plano externo horizontal desobstruído
Segundo Moore (1991), se a condição de céu sob a qual o FLD
estiver sendo avaliado for o céu encoberto padrão CIE, então o FLD permanecerá
constante independentemente da iluminância absoluta externa. Se for utilizado com
outras condições de céu que não esta, então o tipo de céu deverá ser especificado.
“O termo também é aplicado informalmente para a relação entre as iluminâncias
horizontais interior e exterior no plano do sistema de aberturas; sob condições de
céu claro, o FLD (DF) só permanecerá constante para um sistema de aberturas
totalmente difuso... ”(MOORE, 1991, p.278).
2.3.6.1 O fator de luz do dia médio
Na sua concepção original, o FLD foi pensado para a determinação
da quantidade de iluminância em um ponto sobre um plano de trabalho no interior
de um ambiente. O FLD varia para cada ponto analisado dentro de um ambiente
porque “vê” uma parcela de céu e obstrução exteriores diferentes. Para dar conta
da variabilidade do FLD e para tentar relacioná-lo com o efeito tridimensional da
iluminação, alguns autores definem o FLD médio como sendo a média dos FLD de
uma área determinada de um ambiente - geralmente a superfície de trabalho
horizontal mais as superfícies verticais das paredes sob o peitoril das janelas.
Segundo Tregenza e Loe (1998, p.136) o FLD médio pode ser expresso pela
fórmula:
Iluminação natural em escolas
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61
(14)
Onde:
A
g =
área envidraçada
A = área total das superfícies internas, piso, paredes, teto e janelas;
θ = ângulo da porção de céu visível
τ = transmitância
38
do vidro para luz difusa
ρ = refletância
39
média das superfícies internas
A percepção que as pessoas têm da iluminação de um ambiente não
está baseada somente na visão do plano de trabalho e sim em todo o seu campo de
visão e a percepção que têm do aspecto da luz depende da relação entre o brilho
das superfícies interiores com a visão do espaço exterior e não só da quantidade
absoluta de luz. Assim, a importância do FLD médio é que permite relacionar o total
da luz inter-refletida interna com o céu visível, podendo fornecer uma referência de
como será a aparência de um ambiente com luz natural. (TREGENZA e LOE, 1998,
p.37-38). Este método pode também ser usado nos estágios iniciais de projeto para
calcular a área envidraçada necessária a partir de um FLD dado, geralmente
estabelecido por normas e códigos (como vimos anteriormente no item 2.2.2),
bastando para isso reescrever a fórmula:
(15)
Como a aparência dos espaços interiores depende principalmente
da relação de luz e brilho com os espaços exteriores, nossa percepção da
iluminação interna é influenciada pelo brilho do céu e outras superfícies vistos
através das aberturas. Segundo Tregenza, o FLD médio pode ser um bom indicador
_____________
38
Num sistema que recebe energia radiante, fração dessa energia que é transmitida pelo sistema.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
62
da aparência dos espaços interiores, correspondendo às descrições subjetivas que
são feitas para estes mesmos espaços, conforme indicado no Quadro 4 e que pode
ser visualizado na figura 12 (TREGENZA e LOE, 1998, p. 78-79).
(A) (B)
Figura 12 – Aspecto da iluminação natural de um espaço interno com 2% (A) e outro com 5% de FLD
(B). Fonte: London Metropolitan University: www.learn.londonmet.ac.uk .
Quadro 3. Relação entre o FLD e o aspecto da iluminação de um espaço interno. Fonte:
Tregenza e Loe (1998). Imagens: Xtralite Rooflights - www.xtralite.co.uk .
39
Relação entre o fluxo luminoso refletido por uma superfície e aquele que incide sobre ela.
Iluminação natural em escolas
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63
2.3.6.2 Relação entre FLD e refletância
A B C
Figura 13. Relação entre a variação das refletâncias das superfícies internas e a variação do
FLD. Fonte: London Metropolitan University: www.learn.londonmet.ac.uk .
O FLD médio é um índice do edifício, portanto varia conforme sua
geometria, forma, orientação, posição e tamanho das aberturas. Outro fator que o
influencia é a refletância das superfícies internas. Segundo Hopkinson (1975, p. 14),
“a refletância exprime a proporção de fluxo luminoso incidente sobre uma superfície
que é refletida na direção do observador, para dar à superfície a sua luminância”.
Esta proporção geralmente é expressa em porcentagem ou fração, tendo-se como
referência que uma superfície totalmente branca teria uma refletância de 100% e
uma totalmente negra de 1%.
A figura acima ilustra a variação do FLD médio medido no centro de
um ambiente de 5x8 m e 3m de pé-direito. A figura A mostra a combinação das
menores refletâncias piso-parede-teto (0.1, 0.3 e 0.5), resultando em um FLD de
1.10 e a figura C mostra a combinação das refletâncias mais altas (0.5, 0.7 e 0.9),
resultando em um FLD de 1.61. A utilização de superfícies claras é um item
importante para a otimização da luz natural que penetra nos espaços interiores.
Iluminação natural em escolas
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64
3. METODOLOGIA
“Embora a argumentação pela indução a partir de experiências e
observações não seja a demonstração de conclusões gerais, ainda
assim é o melhor caminho de argumentação que a natureza das
coisas admite (...)” (NEWTON, 1730).
O objetivo desse trabalho foi analisar estratégias de iluminação
natural utilizadas nos estágios iniciais do projeto de arquitetura capazes de aumentar
a qualidade da iluminação e a conservação de energia nos edifícios escolares.
Essas estratégias têm sido aplicadas com sucesso em edifícios escolares em vários
países, melhorando o desempenho e o bem-estar dos estudantes e conservando
energia.
Entre essas estratégias, o autor selecionou um dispositivo zenital
para iluminação natural com seleção angular e difusores opacos, de construção
simples e custo adequado, de acordo com a realidade das escolas públicas
brasileiras. Com esse dispositivo foi realizado um ensaio experimental em um
modelo físico reduzido de uma sala de aula padrão, sob condições de céu real e
foram analisados comparativamente os resultados.
3.1 Definição do ensaio
A luz direta do sol sobre os planos das mesas, carteiras e lousas é
causa de ofuscamento e desconforto e, portanto, deve ser evitada. Os sistemas de
janelas freqüentemente empregados em escolas não costumam ter controles da
radiação solar direta ou utilizam protetores como persianas, cortinas, brises e
cobogós, que reduzem drasticamente a luz natural, fazendo quase sempre com que
a iluminação elétrica permaneça acesa durante a maior parte do dia. No intuito de
otimizar o aproveitamento da luz natural no modelo proposto, foi projetado um
sistema de iluminação zenital compatível com as tipologias padrão de projetos para
edifícios escolares da FDE. Desta forma, o sistema proposto pode ser aplicado
tanto em edifícios existentes como em novos projetos. O sistema zenital é composto
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
65
por dispositivos com seleção angular e difusores opacos que promovem um
adequado controle da radiação solar para evitar a incidência direta da luz do Sol,
evitando o ofuscamento e aquecimento dos ambientes de salas de aula em climas
quentes, ao mesmo tempo que permite aproveitar a iluminação natural, tanto difusa
quanto direta refletida, proporcionando maior conforto visual e economia de energia.
O objetivo do ensaio no modelo físico reduzido foi analisar o sistema
proposto sob condições de céu real para avaliar a influência de sistemas de
obstrução à prova de penetração solar combinados com refletores opacos na
distribuição e controle da luz e nos níveis de iluminação interna, otimizando o uso
da luz natural como fonte principal de iluminação. Foram utilizados os métodos da
geometria da insolação e do traçado de máscaras de sombra para a concepção e o
dimensionamento do sistema zenital e para o tratamento da abertura lateral. O
sistema assim projetado foi ensaiado com medições sucessivas sob condições de
céu real para a determinação de curvas de iluminância isolux e do FLD. Ao mesmo
tempo, a observação visual e fotográfica do modelo permitiu uma análise da
qualidade da iluminação interna e a verificação de possíveis fontes de ofuscamento
que pudessem causar desconforto.
3.2 Definição do modelo
Para o estudo das características da iluminação citadas acima,
optou-se por construir um modelo em escala. Conforme afirma Bryan (1988, p. A1),
historicamente existem três tipos de ferramentas para prever a iluminação natural
interna aos edifícios: os métodos computacionais, os métodos gráficos e os
modelos em escala. Para os objetivos deste trabalho, de fazer uma análise
quantitativa e qualitativa da iluminação natural nos estágios iniciais do projeto de
arquitetura, o uso do modelo em escala apresenta algumas vantagens em relação
aos outros métodos. Segundo vários autores (Bryan, 1982, Robins, 1986, Lam,
1977, Moore, 1991, Egan e Olgyay, 2002) o uso de modelos apresenta vantagens e
desvantagens:
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
66
Vantagens:
- devido ao tamanho muito reduzido do comprimento das ondas da radiação visível,
não é necessário nenhum fator de correção de escala.
- maneira simples, didática e barata, de prática comum em escolas e escritórios de
arquitetura, permite a avaliação de formas arquitetônicas complexas.
- permite uma avaliação rápida de modificações na geometria, materiais, aberturas
e dispositivos de iluminação natural.
- permite a análise qualitativa, com observação visual direta ou fotografia,
oferecendo informações para a correção de problemas relativos ao conforto visual.
Um dos principais usos de modelos de iluminação natural é fornecer informações
sobre contraste e ofuscamento em um espaço. “De fato, modelos em escala são
um dos poucos meios disponíveis para julgar de forma precisa os aspectos
qualitativos de sistemas de iluminação natural” (ROBBINS, 1986, p. 221).
- permitem a avaliação quantitativa de iluminâncias e luminâncias, principalmente
na comparação entre elementos de projeto, e o resultado pode ser utilizado na
projeção da iluminação artificial.
- pode ser utilizado na análise de outros aspectos da iluminação natural em um
edifício, como a composição espacial, distribuição da luz, cores, materiais, arranjo
do mobiliário.
Desvantagens:
- deve representar de maneira precisa as características dos materiais e detalhes
espaciais, o que pode encarecer o modelo.
- as características dos materiais são difíceis de representar em escala,
principalmente em relação a sua textura, o que pode levar a erros de análise
quantitativa.
a integração da iluminação artificial é difícil em modelos em escala reduzida.
Portanto, a escolha da utilização de modelos reduzidos para a análise da
iluminação natural deve ser condicionada aos objetivos desta análise. Conforme
afirmam Hopkinson, Petherbridge e Longmore (1975, p. 261), a escolha entre os
diversos métodos de previsão da luz natural está relacionado com o problema
específico que se quer resolver ou estudar. Assim, “o problema poderá tratar-se a
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
67
partir de princípios básicos por um método de cálculo ponto a ponto, por vezes
muito trabalhoso, podendo dar resultados de uma precisão provavelmente
desnecessária para requisitos visuais no edifício”. “Todavia, recomenda-se
insistentemente que se o projeto de iluminação natural tiver importância suficiente
para justificar uma investigação ampla, o tempo disponível não deve ser consumido
em cálculos complexos desnecessários. Nessas circunstâncias, é sempre preferível
construir um modelo reduzido de um sistema de fenestração e examiná-lo sob o céu
natural ou em céu artificial” (HOPKINSON, 1975, p. 262). Essa análise deverá,
sempre que possível, utilizar uma integração entre os diversos métodos. Como
afirma Robbins:
“Ao projetar e analisar as características de desempenho de um
sistema de iluminação natural, a equipe de projeto deveria usar
conjuntamente a modelagem matemática e física para estabelecer as
características de desempenho da iluminação do projeto do edifício.
A análise matemática pode ser utilizada para estabelecer as
características de desempenho gerais, padrões de iluminação e
conforto visual, enquanto que os modelos em escala podem ser
utilizados para refinar o conceito de projeto e para estabelecer a
relação entre a iluminação natural e outros itens de projeto como a
arquitetura de interiores, o layout e a divisão do espaço interno e
conforto visual. Os resultados da análise no modelo reduzido podem
então ser utilizados, juntamente com os dados matemáticos, para
estabelecer critérios para a análise econômica e de consumo de
energia” (ROBBINS, 1986, p.221).
Pesquisas recentes (PEREIRA, 2006) têm confirmado que podem
ocorrer erros consideráveis nas medições de iluminância em modelos em escala
reduzida, principalmente pela dificuldade de controle de todas as variáveis que
envolvem a reprodução fiel da realidade. Para o presente trabalho, entretanto,
considerou-se adequado o seu uso pelas vantagens que apresenta na análise dos
aspectos qualitativos da iluminação natural.
Iluminação natural em escolas
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68
3.2.1 Critério de seleção
Como a rede estadual de ensino compõe-se atualmente de cerca de
7000 edifícios escolares de diversas épocas e tipologias arquitetônicas, uma
investigação de campo seria pouco conclusiva para os objetivos deste trabalho.
Optou-se então por utilizar um modelo preditivo que representasse as condições
reais de uma sala de aula padrão utilizado na maior parte dos projetos de escolas.
Como existe uma forte tendência à padronização das características dimensionais
das salas de aula no estado de São Paulo, foram adotadas para o modelo as
dimensões de uma sala de aula padrão (FDE, 2003). Portanto, a análise não
considera a variação dessas características dimensionais e sim as possibilidades de
melhoria das condições de iluminação natural com a otimização das aberturas.
Figura 14. Foto de sala de aula padrão FDE. Fonte: ArcoWeb, 2005.
Figura 15. Desenho em planta de sala de aula padrão FDE. Fonte: FDE, 2003.
Iluminação natural em escolas
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69
4. ENSAIO E LEVANTAMENTO DE DADOS
4.1 Descrição do modelo
Figura 16 – Projeto do modelo físico em escala reduzida de uma sala de aula padrão. Fonte: Autor.
Foi construído um modelo reduzido na escala 1:10, em madeira
compensada de espessura de 10 mm, pintado com a cor preta na parte externa
para evitar qualquer penetração de luz a não ser pelas aberturas projetadas. Na
parte interna procurou-se reproduzir o mais fielmente possível o acabamento das
superfícies para que suas refletâncias fossem muito próximas do real. As
refletâncias escolhidas foram 0,85 para o teto e as paredes e 0,50 para o piso.
Também foram reproduzidos o mobiliário e a lousa nas cores e texturas utilizadas
como padrão na rede estadual de ensino. A sala definida para o modelo tem as
dimensões de 720mm x 720 mm e pé direito de 300 mm. A iluminação natural na
sala de aula padrão é feita através de janela lateral modulada. Procurou-se manter
o tamanho máximo de 720 mm de largura por 160 mm de altura, resultando a altura
do peitoril de 110 mm. Foram reproduzidas as dimensões e a modulação padrão
dos caixilhos, conforme o Caderno de Componentes da FDE, porém não foram
incluídos vidros por dificuldade de sua reprodução na escala reduzida do modelo,
optando-se por aplicar um fator de correção posteriormente aos resultados obtidos
na medição, referente a um vidro comum transparente de 3mm de espessura.
Iluminação natural em escolas
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70
Para a comparação entre algumas alternativas de projeto, foram
construídos dois tipos de cobertura: uma plana e outra com o sistema zenital
projetado. Também foram construídos protetores solares horizontais e verticais e
difusores para as orientações Norte e Sul, de forma que pudessem ser alternados
durante as séries de medições.
4.1.1 Definição dos protetores solares
Para a qualidade da iluminação natural, conforme indicado na
revisão bibliográfica, uma variável importante a ser considerada no projeto
arquitetônico é impedir a penetração direta de raios solares sobre o plano de
trabalho, o que pode causar ofuscamento e fadiga visual e também constituir uma
fonte de aquecimento indesejado durante o verão. Outro item importante é a
limitação da visão direta da abóbada celeste a partir do interior do ambiente porque
o alto contraste de luminâncias pode ser fonte de ofuscamento. Ao mesmo tempo, é
importante preservar a visão do ambiente exterior, que influencia a percepção do
espaço interno.
Para atingir esses objetivos e também permitir que a análise fosse
feita apenas a partir da relação entre iluminação difusa interna e externa, foram
projetados protetores solares para as orientações Norte e Sul. Para a orientação
Norte foi projetado um protetor solar horizontal que permite a obstrução total da
radiação solar durante todo o ano e durante todo o período de funcionamento do
edifício (Figura 18). Para a orientação Sul foi projetado um protetor solar vertical
para impedir a penetração indesejável de radiação solar no verão no início da
manhã e no final da tarde (Figura 20).
No cálculo dos protetores solares foi utilizado o programa
SolarTool
40
, desenvolvido pelo Dr. Andrew J. Marsh, com os dados das cartas
solares para São Paulo com Latitude 23º 30’ S e Longitude 46º 37’W (Figuras 17 e
19).
_____________
40
Disponível em: Square One: http://www.squ1.com/solartool .
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
71
Figura 17 – Carta solar para o cálculo do protetor solar para a orientação Norte. Fonte: Autor.
(A) (B)
Figura 18–Quebra-sol horizontal no modelo (A) e no projeto feito com o programa SolarTool(B).
Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
72
Figura 19 – Carta solar para o cálculo do protetor solar orientação Sul. Fonte: Autor.
(A) (B)
Figura 20 – Brise vertical no modelo (A) e no projeto feito com o programa SolarTool (B).Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
73
4.1.2 Definição dos elementos zenitais com seleção angular
Ao contrário do que ocorre em países de clima frio e temperado com
céus pouco luminosos, nos países tropicais a utilização de grandes janelas laterais
e fachadas envidraçadas sem proteção causa alguns problemas de conforto:
“- um grande acoplamento térmico com o exterior, o qual significa um
grande aumento da temperatura interna acompanhando a variação
externa; aumento dos ganhos de calor internos pela penetração de
radiação solar que se converte em energia térmica no interior;
aumento de desconforto visual, por ofuscamento e contrastes,
produzido pelo ingresso de radiação solar direta” (CORBELLA,
YANNAS, 2003, p. 244).
Além disso, conforme Corbella e Yannas (2003), a utilização de
iluminação lateral “quando provinda de um só lado, causa um problema de
distribuição da luz, que decresce rapidamente com a profundidade do cômodo”. A
utilização de dispositivos para iluminação zenital pode propiciar uma distribuição
mais uniforme da luz natural desde que protegidos para não causarem aumento
excessivo da carga térmica. Em relação à carga térmica, Moore (1985, p.91)
enfatiza que a luz natural, tanto a direta do sol como a difusa do céu, produz menos
calor por unidade de energia do que as lâmpadas elétricas disponíveis
comercialmente
41
. Portanto, “para uma mesma quantidade de luz, elementos
zenitais podem introduzir menos carga térmica do que a iluminação elétrica, desde
que toda a luz natural possa ser efetivamente usada e distribuída” (MOORE, 1985,
p.91).
Uma das formas de otimizar o uso e a distribuição da luz natural
advinda de um dispositivo zenital é a reflexão dessa luz em múltiplas superfícies.
Para isso é possível, por exemplo, utilizar difusores brancos opacos. Segundo
Moore (1985, p.96) esta estratégia é capaz de dobrar a iluminância interna,
comparada com a utilização isolada de elementos zenitais transparentes.
_____________
41
“...aproximadamente 125 lumens por watt para a luz do sol e do céu comparado com 65 para
lâmpadas fluorescentes, 30 para lâmpadas incandescentes e 110 para lâmpadas de vapor de sódio
de alta pressão” (MOORE, 1985, p.91) .
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
74
4.1.2.1 Dimensionamento dos difusores:
A B
Figura 21. Mount Airy Library, Carolina do Norte, projeto de Edward Mazria. Fonte:
www.mazria.com
Moore (1985, p.96-98) descreve um dispositivo zenital utilizado por
Mazria (1981) no projeto da Mount Airy Library (Figuras 21 e 22). Esse dispositivo é
composto por um painel de vidro vertical combinado com beiral e difusores verticais
internos. Esse dispositivo é dimensionado a partir de ângulos de corte (ou seleção
angular) para barrar toda a penetração direta do sol. Moore apresenta um
procedimento baseado na geometria euclidiana para o desenho desse dispositivo.
No decorrer da pesquisa para esta dissertação percebeu-se que esses ângulos
poderiam ser relacionados com o azimute e a altura solar, permitindo uma regra
geral de dimensionamento desses difusores para qualquer orientação em qualquer
época do ano. Esse processo é descrito a seguir:
Sendo:
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
75
(16)
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
76
4.1.2.2 Desenho dos difusores
Com a equação acima definida (16), foram escolhidos na carta solar
para São Paulo (24º latitude sul) os ângulos de azimute e altura solar que
permitissem o bloqueio da radiação solar direta a partir das 7 horas da manhã. Para
o difusor orientado para o Sul, foram selecionados os ângulos 18º e 23º
respectivamente, resultando na geometria representada na Figura 24. De forma
complementar, foram projetados quebra sóis verticais para bloquear a incidência de
raios solares laterais na época do verão. Para o difusor orientado para o Norte na
carta solar foi selecionado o ângulo de 40º como forma de bloquear a radiação
direta durante todo o período. Como se percebeu que para o dispositivo assim
projetado haveria penetração solar direta pelos difusores por causa do seu
funcionamento como um quebra sol invertido, foram calculados os seus
espaçamentos também para os ângulos de 50º e 60º. Para ângulos acima de 70º, o
beiral projetado de 75 cm barra a incidência direta de raios solares (Figura 23).
Para o pano de vidro vertical, adotou-se as mesmas dimensões da janela vertical
para que fosse possível uma comparação.
Figura 22 – Desenho de Mazria para a Mount Airy Library. Fonte: MOORE, 1985.
Iluminação natural em escolas
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77
Figura 23 - Foto do modelo em escala reduzida e esquema gráfico do dispositivo zenital orientado
para Norte. Fonte: Autor.
Figura 24 - Foto do modelo em escala reduzida e esquema gráfico do dispositivo zenital orientado
para Sul. Fonte: Autor.
Figura 25 – Vistas internas do projeto do modelo com os difusores. Fonte: Autor
Iluminação natural em escolas
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78
4.2 Descrição do ensaio
Figura 26 – Foto aérea do local do ensaio. Fonte: Google Hearth: www.aondefica.com .
O ensaio foi realizado no pátio do LAME da FAU, no campus da
Universidade de São Paulo, no dia 09 de novembro de 2006, entre as 10:00 e 16:00
hs (Figura 26). O local escolhido era suficientemente desobstruído para os objetivos
do ensaio no que diz respeito à influência do albedo e das obstruções externas.
Avaliou -se as aberturas em relação ao Norte verdadeiro (declinação magnética=20º
03’27’’)
42
. Para avaliar o desempenho do dispositivo foram observadas as seguintes
situações:
1 – somente abertura lateral orientada para o Norte, sem protetores (plano de
trabalho h = 65 cm).
2 – somente abertura lateral orientada para o Norte, sem protetores.
3 – abertura lateral orientada ao Norte, com protetores fixos horizontais e dispositivo
zenital com seleção angular e difusores orientados para Sul.
4– abertura lateral orientada ao Sul, com protetores fixos verticais e dispositivo
zenital com seleção angular e difusores orientados para Norte.
_____________
42
BITTENCOURT, 2004.
Iluminação natural em escolas
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79
5– somente dispositivo zenital de seleção angular com difusores orientado para
Oeste.
Figura 27. Fotos do local do ensaio. Fonte: Autor.
Para cada uma dessas combinações foi realizada uma série de
medições dos níveis de iluminância internos e externos ao modelo, conforme
descrito no item 4.2.2. Para todas elas foi mantida a mesma localização no terreno
e a mesma disposição dos equipamentos.
4.2.1 Descrição dos equipamentos
Para a realização das medições no modelo foram utilizados 11
fotocélulas LI-COR (Figura 28) com sensores de silício de alta estabilidade, sendo 9
para a malha interna de pontos, uma para medir a radiação global do céu e outra
para a difusa. As fotocélulas possuem correção de cosseno para um ângulo de
incidência de até 80º. Como a inclinação dos sensores é fonte comum de erros,
foram utilizados níveis apropriados para a base de cada sensor (Figura 29) e nível
de bolha para nivelamento do modelo onde as fotocélulas estariam assentadas
(Figura 33). As fotocélulas foram conectadas a um datalogger ELE International,
modelo MM900, com 16 canais receptores digitais e 4 analógicos (Figura 30-A),
programados para realizar as médias por minuto das medições efetuadas a cada
segundo. Os dados assim obtidos foram transportados para um microcomputador
tipo Notebook (Figura 30-B) com o software do equipamento para depois serem
exportados para o programa Microsoft Excel para a geração de planilhas. A
fotocélula externa para medição de radiação difusa foi instalada em um anel para
sombreamento marca Kipp & Zonen, modelo CM 121 (Figura 31). Para a checagem
Iluminação natural em escolas
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80
do padrão de medições instantâneas das iluminâncias pelos sensores registradas
pelo datalogger foi utilizado um luxímetro digital marca Homis, modelo 824, com
escala de até 200.00 lux (Figura 32).
Figura 28. Fotocélulas LI-COR modelo LI-210SA Figura 29. Nível para fotocélulas LI-COR.
Fonte: LABAUT-FAUUSP. Fonte: Autor.
Para o registro visual do céu foi utilizada uma câmera digital marca
Nikon, modelo Coolpix 4500 (Figura 34) na qual foi instalada uma lente hemisférica
180º tipo “olho de peixe”, marca Nikon, modelo FC-E8, para fotos com projeção
eqüidistante da abóbada celeste (Figura 35). A mesma câmera foi utilizada em
conjunto com outra câmera digital de 7.2 megapixels marca Sony, modelo DSC-W7,
equipada com lente conversora grande angular VCL-DH 0730, para o registro de
imagens internas ao modelo (Figura 36).
(
A)
(
B)
Figura 30. Datalloger ELE International modelo MM900 (A) conectado a um microcomputador (B).
Fonte: LABAUT - FAUUSP
Iluminação natural em escolas
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81
Figura 31. Anel para sombreamento da fotocélula externa marca Kipp & Zonen, modelo CM121.
Fonte: Foto do autor e desenho do catálogo da empresa Kipp & Zone.
Figura 32. Luxímetro digital Homis, modelo 824. Figura 33. Bússola e nível de bolha.
Fonte: LABAUT-FAUUSP. Fonte: Autor.
.
Figura 34. Câmera digital marca Nikon Coolpix4500. Figura 35. Lente hemisférica Nikon FC – 8.
Fonte: www.nikon.com Fonte: www.nikon.com .
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82
Figura 36. Câmera digital Cyber Shot DSCW7 – 7. 2 megapixels, marca Sony com lente
conversora grande angular VCL – DH 0730 para câmera digital, marca Sony, com 30 mm de
diâmetro de filtro. Fonte: www.sony.com .
4.2.2 Metodologia das medições
Para a medição dos níveis de iluminância horizontal interna foi
definida uma malha de nove pontos internamente ao modelo para a colocação das
fotocélulas. Foram anotados os códigos dessas fotocélulas e relacionados com os
canais de entrada do datalogger para a análise posterior dos dados obtidos em
cada posição (Figura 37). Externamente foi colocada uma fotocélula desobstruída
para medir a iluminância global do céu e outra protegida por um anel de suporte
para sombreamento que cobre o percurso aparente do sol no céu (Figura 31)
permitindo a medição somente da luz externa difusa. Foi utilizado um Luxímetro
Digital Homis (Figura 32) para fazer medidas periódicas de iluminâncias para
comparar com as medições que estavam sendo realizadas pelas fotocélulas
conectadas ao datalogger. Foram realizadas cinco séries de medições, alternando-
se as tipologias conforme descrito no item 4.2. A disposição dos equipamentos foi
mantida para que a base de comparação dos dados assim obtidos fosse a mais
estável possível.
Em todas as séries foram feitas medições simultâneas das
iluminâncias internas e externas. Como no decorrer das séries de medições houve
variações das condições de céu, foram anotados o horário e o tipo de céu
predominante em cada série para constar na comparação posterior dos dados e dos
resultados obtidos. A cada série de medições foram tiradas fotos internas da
maquete e externas do céu com a câmera fotográfica digital com objetiva 180 graus
(Figuras 34 e 35), tanto para o registro do tipo de céu em cada medição como para
Iluminação natural em escolas
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83
a análise visual qualitativa da iluminação interior. Também foi utilizada uma câmera
fotográfica digital com objetiva grande angular (Figura 36), sem o uso de flash, para
avaliação visual do aspecto da iluminação natural no interior do modelo.
Figura 37. Distribuição da malha interna de sensores para a medição dos pontos de iluminância.
Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
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84
4.3 Descrição dos dados e resultados obtidos
4.3.1 Iluminância
O datalogger faz medições da iluminância a cada segundo para cada
fotocélula a ele conectada e registra as médias das medições realizadas no espaço
de tempo de um minuto. Destes dados coletados posteriormente foi feita uma média
por ponto em cada sessão de medições realizada. Para as medidas de radiação
externa difusa (sensor nº 5985), como o anel de sombreamento encobre uma parte
dessa radiação que seria medida, um fator de correção precisa ser aplicado para se
obter uma estimativa de quanto seria esse valor se o anel não fosse utilizado. De
acordo com o catálogo do fabricante do anel (Kipp & Zonen Instruction manual CM
121, p. 19-20), foi aplicado o índice de 1.14 para a correção dos valores de
iluminância externa difusa. Os dados assim normalizados foram então incorporados
à planilha para composição posterior com os outros dados obtidos nas medições.
4.3.1.1 Normalização dos dados
Após o cálculo do desvio padrão das amostras, os valores foram
normalizados para “permitir a comparação entre vários estudos” e “para serem
utilizados em análises e comparações com diferentes condições de céu” conforme
recomendação da Norma Brasileira de Iluminação Natural (ABNT, 2005, parte 2, p.
8-9) e também Egan e Olgyay (2002, p.342), que utilizam o mesmo conceito, porém
com grafia diferente, resultando na seguinte expressão:
(17)
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85
Onde:
E
b =
projeção da iluminância interna do espaço a ser modelado (lux)
E
t =
iluminância medida no modelo em estudo (lux)
R s = iluminância de referência para a região onde se localiza o edifício (lux)
R
t =
iluminância de referência medida no local do ensaio (lux)
M = fator de manutenção para vidros (0,85)
G = transmissividade do vidro (0,85)
Para a iluminação de referência para a região, os dados normalmente utilizados são
os coletados por estações medidoras. Como não existem dados sistemáticos
medidos para São Paulo, optou-se por utilizar os dados de disponibilidade de luz
natural calculados pelos algoritmos do programa DLN (SCARAZZATO, 1995), que
são baseados no documento RP 21-84 da IESNA intitulado “Recommended
Practice for the Calculation of Daylight Availability“ (Gráfico 6), que apresenta uma
série de “algoritmos universalmente aplicáveis e que foram baseados na interação
entre medições realizadas e métodos preditivos desenvolvidos ao longo das
décadas de 1920 a 1980 em vários países, incluindo três tipologias básicas de céu:
claro, parcialmente nublado ou intermediário e encoberto” (SCARAZZATO, 1995).
Gráfico 5. Gráficos de disponibilidade de luz natural do software DLN.
Fonte: SCARAZZATO, 1995.
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86
4.3.2 Comparação entre os resultados obtidos
O conjunto dos dados medidos no ensaio depois de normalizados
conforme descrito acima está representado na Tabela 2. O nível de iluminância
indicado para cada uma das tipologias escolhidas para o ensaio é a média das
medições por minuto realizada pelo datalogger em cada período de medição. As
medições completas registradas pelo datalogger são apresentadas no Apêndice 2.
Tabela 2. Resumo das médias de iluminâncias nos pontos para cada uma das tipologias.
Fonte: Autor.
Com base exclusivamente nos valores de iluminância medidas
durante o ensaio foi possível então calcular as variáveis de análise qualitativa,
conforme definidas no item 2.3 e cujos valores estão indicados na Tabela 3.
Também com os valores de iluminância medidos foi possível calcular
o FLD, sendo este a relação entre o valor da iluminância em um ponto interno (de A
até I) e o valor da iluminância externa difusa (J). Com base nesses valores,
calculou-se então o FLD médio para cada tipologia (Tabela 5), que é a média dos
FLD calculados para cada ponto interno ao modelo, conforme indicado na tabela 4.
Iluminação natural em escolas
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87
Tabela 3. Variáveis de análise qualitativa para as diversas tipologias. Fonte: Autor
Com a visualização dos valores dessas tabelas foi possível
identificar algumas características que diferenciam as tipologias analisadas. As
tipologias que utilizam o sistema de iluminação zenital combinado com difusores
com seleção angular apresentam os melhores índices de diversidade e
uniformidade, embora nenhum deles atinja o índice mínimo de 0,8 de uniformidade,
que indica o grau de distribuição uniforme de iluminação, conforme o item 2.3.3.
Quanto a diversidade, que indica o grau de variação dos níveis de iluminação, as
tipologias 3 e 4 mostraram níveis muito bons, sendo que as outras tipologias
excederam a relação máxima recomendada de 1 / 5.
Os índices que mostram valores médios em relação a todo o
ambiente, a iluminância média e o FLD médio (itens 2.3.2 e 2.3.6.1) não
caracterizam suficientemente a distribuição das iluminâncias no interior modelo
estudado. A iluminância média, que é a média aritmética simples das iluminâncias
medidas em todos os pontos internos, não indica a distribuição da iluminação
Iluminação natural em escolas
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88
natural dentro do espaço analisado, sendo válida apenas para comparar espaços
com iluminação uniforme, como reconhece a Norma Brasileira de Iluminação
Natural: “Conhecendo-se a variação da iluminação natural com o afastamento da
janela, percebe-se que um nível médio de iluminação pode não representar
adequadamente a iluminância do espaço interno” (ABNT, 2005, p.9). Os valores de
FLD médio nos pontos representam melhor essa distribuição, sendo que as
tipologias com difusores apresentam os melhores índices.
Tabela 4. Cálculo do FLD nos pontos para as diversas tipologias. Fonte: Autor
Tabela 5. Cálculo do FLD médio para as diversas tipologias de abertura. Fonte: Autor.
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89
O cálculo do FLD médio (Tabela 5) indica apenas aquelas
topologias que poderão ter problemas de iluminação e térmicos, com índices acima
dos recomendáveis, conforme item 2.3.6.1. As tipologias com difusores 3 e 4
apresentam níveis dentro da faixa que indica ambientes com aparência de
iluminação natural brilhante, com uso de iluminação artificial apenas complementar,
sendo provavelmente a melhor opção de eficiência energética.
Com o cálculo do FLD nos pontos (Tabela 4) pode-se ter uma
melhor idéia da variação do FLD no espaço interno. As tipologias 3 e 4 apresentam
uma variação mais estável, dentro de um gradiente menor. As outras tipologias
apresentam uma variação muito grande, com valores diferenciados em até 20%.
4.3.2.1 Gráficos de gradientes de iluminância
Com base nos níveis de iluminância e na posição relativa dos
sensores foram traçadas as curvas dos gradientes de iluminação interna para cada
tipologia ensaiada (Gráficos de 6 a 10).
A representação gráfica dos gradientes de iluminâncias permite uma
visualização da variação das iluminâncias em relação aos pontos medidos no plano
vertical da sala. Para a tipologia de abertura unilateral, os gráficos indicam uma
queda abrupta dos níveis para a região dos fundos do modelo estudado (Gráficos 6
e 7). As tipologias com iluminação zenital e difusores com seleção angular
apresentam um melhor balanceamento entre as iluminâncias das aberturas,
possibilitando uma melhor distribuição da iluminação natural no espaço interior
(Gráficos 8 e 9). Entretanto, como as curvas 8 e 9 têm uma ligeira queda para o
centro da sala, isso indica que o dispositivo de iluminação zenital ensaiado poderia
ser melhor dimensionado e posicionado para otimizar a distribuição uniforme da luz
natural.
Esse tipo de representação dos resultados, porém, só permite a
visualização da distribuição das iluminâncias num plano vertical transversal ao
espaço do modelo, para um fenômeno de distribuição da iluminação que é
essencialmente tridimensional. Para uma melhor visualização da distribuição da
Iluminação natural em escolas
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90
iluminação da sala optou-se, então, pela representação das iluminâncias com
curvas isolux
43
associadas com imagens registradas durante o ensaio, conforme
descrito no item seguinte.
Gráfico 6. Modelo de sala de aula: janela lateral voltada para Norte. Fonte: Autor.
Gráfico 7. Modelo de sala de aula: janela lateral voltada para o Norte. Fonte: Autor.
_____________
43
Lugar geométrico dos pontos do plano de trabalho que possuem igual iluminamento ou nível de
iluminação (VIANNA, 2004).
Iluminação natural em escolas
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91
Gráfico 8. Modelo de sala de aula: janela lateral com brises horizontais para Norte e difusores
para Sul.Fonte: Autor.
Gráfico 9. Modelo de sala de aula: janela lateral com brises verticais para Sul e difusores para Norte.
Gráfico 10. Modelo de sala de aula: janela lateral vedada e difusores orientados para Oeste.
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92
4.3.2.2 Diagramas de curvas isolux
Para uma melhor visualização da distribuição das
iluminâncias no interior do modelo foram traçadas as curvas isolux para a
determinação das regiões de igual valor de iluminância no ambiente. Segundo
Moore (1991, p. 2), a indicação da distribuição das iluminâncias com curvas isolux
permite uma avaliação rápida do gradiente da iluminação, “que é o fator quantitativo
mais representativo da qualidade da iluminação visualmente percebida em um
ambiente arquitetônico”. Curvas muito próximas indicam um forte gradiente e curvas
mais espaçadas indicam uma distribuição relativamente mais suave. Essa
metodologia para a representação gráfica dos resultados também é recomendada
pela Norma Brasileira de Iluminação Natural (2005, Parte 2, p. 9). Para o traçado
das curvas, os dados foram tratados no programa Surfer (disponível em:
http://www.labcon.ufsc.br/ ).
Na seqüência das figuras de número 38 a 42 está representado o
conjunto dos dados que foram obtidos durante as séries de medições e que se
julgou necessário para a avaliação comparativa da qualidade da iluminação nas
tipologias de aberturas estudadas no ensaio com o modelo reduzido. Na parte
superior das figuras foram registradas imagens da condição de céu no momento de
cada série de medições, uma para a imagem desobstruída do céu (à direita), de
onde foram obtidas as medidas de iluminância externa global, e outra que mostra o
anel encobrindo o percurso do sol (à esquerda), da qual foram obtidas as medidas
de iluminância externa difusa. No centro da página estão representadas a malha
interna de sensores com as respectivas médias das medidas absolutas de
iluminância registradas pelo datalogger em cada ponto para cada série de medições
(à esquerda). À direita está o gráfico das curvas isolux correspondente. Na parte
inferior são registradas as imagens internas ao modelo, obtidas com a câmera
fotográfica com objetiva 180º olho de peixe (à esquerda) e com objetiva grande
angular (à direita), conforme indicado no item 4.2.1. Essas imagens, juntamente
com as medidas absolutas de iluminância e a representação gráfica de sua
distribuição, permitem uma melhor avaliação das condições de iluminação natural
interna ao modelo estudado, comparando qualitativamente as tipologias ensaiadas.
Iluminação natural em escolas
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93
1ª série de medições Tipologia: Abertura lateral
Dia 09/11/2006 - Hora: 11:53 Céu parcialmente encoberto
Externa difusa 50.602 LUX
Externa global 109.924 LUX
Figura 38. Principais resultados da 1ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
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2ª série de medições Tipologia: Abertura lateral
Dia 09/11/2006 - Hora: 12 :24 Céu parcialmente encoberto
Externa difusa 44.450 LUX
Externa global 105.554 LUX
Figura 39. Principais resultados da 2ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
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3ª série de medições Tipologia: Brise Norte / Difusor Sul
Dia 09/11/2006 - Hora: 13: 00 Céu encoberto/parcialmente encoberto
Externa difusa 47.869 LUX
Externa global 81.895 LUX
Figura 40. Principais resultados da 3ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
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4ª série de medições Tipologia: Brise Sul / Difusor Norte
Dia 09/11/2006 - Hora: 14 : 43 Céu parcialmente encoberto
Externa difusa 18.503 LUX Externa global 73.842 LUX
Figura 41. Principais resultados da 4ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
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5ª série de medições Tipologia: Janela vedada / Difusor Oeste
Dia 09/11/2006 - Hora: 15:51 Céu claro
Externa difusa 10.771 LUX
Externa global 57.328 UX
Figura 42. Principais resultados da 5ª série de medições. Fonte: Autor da pesquisa.
Iluminação natural em escolas
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98
Visualizando-se em conjunto os dados das figuras 38 a 42, pode-se
fazer uma melhor comparação entre as tipologias ensaiadas. Apesar das
iluminâncias medidas no modelo estarem em níveis acima do normalmente
encontrados em ambientes escolares, considerou-se importante para esta análise
não somente os níveis absolutos, mas a comparação relativa entre os níveis como
forma de aferir a qualidade da iluminação interna.
Mardaljevic (2005), com base em pesquisas sobre o comportamento
dos ocupantes de edifícios com iluminação natural, propôs uma faixa de iluminância
“útil” que varia de 100 a 2000 lux. Para ele, iluminâncias internas na faixa de 500 a
2000 lux representam grande potencial de autonomia da luz natural. Acima de 2000
lux os altos índices de iluminância são associados com excessivo ganho térmico e
ofuscamento. É a partir deste nível, conforme suas pesquisas, que os usuários
começam a utilizar cortinas, persianas e brises movéis, revertendo o potencial de
economia de energia e é quando também se nota insatisfação com a iluminação
natural. As tipologias 3 e 4, propostas por este trabalho, mantêm os níveis de
iluminação mais próximos da faixa proposta por Mardaljevic.
A 1ª, 2ª e 5ª séries de medições mostram curvas isolux muito
próximas, com um gradiente que decresce rapidamente de níveis muito altos para
níveis muito baixos, causando um desequilíbrio que também pode ser observado
nas fotos. Apesar dos altos níveis próximos das aberturas que empurram o nível
médio para cima, estes ambientes apresentam iluminação deficiente, com sombras
acentuadas em algumas regiões, potenciais problemas de ofuscamento e que
necessitam de complemento de iluminação artificial a maior parte do tempo.
A 3ª e 4ª série de medições, que representam a combinação dos
dispositivos propostos, apresenta níveis absolutos de iuminância menores do que
as outras, mas melhores distribuídos pelos pontos internos ao modelo. O gradiente
varia mais suavemente, mantendo níveis bem próximos tanto ao lado da abertura
lateral quanto no fundo da sala. Isto confere ao ambiente uma aparência mais
brilhante e uniforme, visível nas fotos que mostram a distribuição agradável da luz
natural, principalmente na foto 180º da figura 40, que fornece uma idéia mais
próxima da tridimensionalidade da iluminação no espaço interno ao modelo
ensaiado.
Iluminação natural em escolas
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99
4.3.2.3 Penetração solar
Um aspecto importante da análise da iluminação natural é a
penetração direta dos raios de sol no interior dos ambientes. Como indicado na
revisão bibliográfica, essa incidência direta deve ser evitada, por dois motivos
principais. O primeiro é porque é fonte de desequilíbrio, responsável por níveis
muito alto junto a aberturas que caem rapidamente à medida que adentram o
ambiente, como mostra a simulação feita no programa Ecotect que compara esta
distribuição com a do dispositivo proposto (Gráfico 12). Outro motivo é porque são
potenciais fontes de ofuscamento.
Gráfico 12 – Gráfico que representa a distribuição espacial dos níveis de iluminância no
interior do modelo no dia do ensaio. A – abertura unilateral, B – dispositivo proposto. Fonte: Autor.
Programa Ecotect.
Como o ensaio no modelo foi feito para um dia do ano, verificou-se por meio de
simulação no Ecotect a penetração solar durante as datas mais significativas do ano
(solstício de verão, solstício de inverno e equinócios). A simulação indicou que há
penetração solar no interior do ambiente de sala de aula com iluminação unilateral
de março a setembro e o dia todo nos equinócios e sobre o plano da lousa na maior
parte do dia. Para o dispositivo proposto, não há penetração.
21 MAR
22JUN
22DEZ
Iluminação natural em escolas
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100
4.4 Estimativa do potencial de conservação de energia
Edifícios escolares em São Paulo têm um enorme potencial de
conservação de energia através do uso da iluminação natural porque seu principal
consumo energético está baseado na iluminação elétrica. Quando são previstas
estratégias para a iluminação natural nos estágios iniciais do projeto de arquitetura,
pode-se obter uma iluminação difusa de qualidade que permita que as lâmpadas
fiquem apagadas durante o dia na maior parte do ano. Os índices calculados nos
itens anteriores servem para uma caracterização da quantidade da iluminação e sua
distribuição no modelo estudado no dia do ensaio. A luz natural, entretanto, varia
durante as horas do dia e também no decorrer das estações do ano. Para uma
previsão do potencial de conversação de energia no modelo proposto, é necessário
que os resultados sejam estendidos para o resto do ano (BERTOLOTTI, PEREIRA,
SCARAZZATO, 2006).
Para a estimativa do potencial de conservação de energia do modelo
proposto foi utilizado o método proposto por Mansy (2004, apud PEREIRA, 2007, p.
154), que considera a situação de projeto mais desfavorável, ou seja, os períodos
em que os níveis mínimos de iluminação necessária ao desempenho da tarefa
visual serão supridos pela iluminação natural proveniente de uma condição de céu
totalmente encoberto. Para tanto, foram selecionadas das medidas tomadas
durante as séries de medições aquelas que ocorreram sob condição de céu
encoberto. Em seguida foram calculados os FLD para as medidas realizadas pelo
datalloger e a média dos FLD nos pontos medidos, conforme a Tabela 6.
A partir do FLD obtido é possível prever a iluminância num ponto durante um
determinado dia do ano multiplicando-se seu valor pelo valor da disponibilidade de
luz externa prevista para o mesmo dia, conforme a expressão:
(18)
Onde: E int = Iluminância interna
E ext = iluminância externa
FLD = Fator de luz do dia
Iluminação natural em escolas
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101
Tabela 6. Cálculo do FLD para a condição de céu encoberto nos pontos medidos. Fonte: Autor.
Para a determinação da disponibilidade de luz externa para os dias
mais significativos do ano para esta análise (solstício de verão, solstício de inverno
e equinócios), sob a condição de céu encoberto, geralmente são utilizados dados
diários medidos durante todo o ano nos países que possuem estações medidoras e
programas de medição do céu. Como para São Paulo não existem esses dados, a
disponibilidade de luz externa foi calculada com os algoritmos matemáticos do
programa DLN (SCARAZZATO, 1995).
Os valores mínimos de iluminância requeridos para o desempenho
de uma determinada tarefa são determinados em laboratórios, conforme comentado
no item 2.3.1. A recomendação da FDE para salas de aula é de 500 lux (Tabela 1),
valor baseado na norma de iluminação artificial NB-57 (Quadro 2). Como não existe
uma especificação de níveis mínimos para iluminação natural nas normas
brasileiras, o valor mínimo de iluminância considerado foi o recomendado pela
norma alemã DIN 5034 -1 (1985, p.3), ou seja, 60 % do nível recomendado para
iluminação artificial, portanto igual a 300 lux. Na tabela 7 foram assinalados em
amarelo todos aqueles níveis abaixo desse mínimo necessário, que significam o
momento no qual a iluminação elétrica deveria ser acionada para suprir os níveis
mínimos de iluminância previstos.
Iluminação natural em escolas
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102
Tabela 7. Projeção dos níveis mínimos de iluminância durante o ano. Fonte: Autor.
Nos valores expressos na Tabela 7 pode-se observar que a opção
de utilização do modelo proposto permite que as lâmpadas fiquem desligadas, ou
controladas por controles automáticos, na maior parte do tempo durante o horário
escolar no decorrer do ano letivo. Deverão ser acionadas somente poucas horas no
início da manhã e no final da tarde, principalmente durante os meses de inverno.
O que é importante ressaltar nestes dados é que a metodologia das
medições utilizada permite uma análise dos níveis de iluminância em todos os
pontos medidos e não de uma iluminância média do ambiente sala de aula, o que
poderia levar a uma conclusão superficial de conservação de energia em prejuízo
da análise da qualidade da iluminação.
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103
Tabela 8. Potencial de conservação de energia com controle de iluminação. Fonte: Autor.
A partir dos dados assim obtidos foram elaboradas duas tabelas
para estimar o potencial de conservação de energia nos pontos internos ao modelo.
A primeira, Tabela 8, considera que toda vez que o nível de iluminância interno for
igual ou superior ao nível recomendado para projeto, o potencial de economia será
máximo (100%), representado na tabela pelo número 1. Quando o nível estiver
abaixo desse mínimo, é calculada a porcentagem de contribuição da luz natural
para os níveis de iluminância internos dividindo-se o nível previsto para o ponto pelo
nível recomendado para projeto.
Calculou-se então o potencial de conservação sazonal, pela média
aritmética dos valores nos pontos em todos os horários de ocupação do dia
representativo da estação do ano. A seguir, calculou-se o potencial de conservação
anual médio, pela média aritmética dos potenciais das quatro estações do ano.
Neste caso, o potencial estimado foi de 82%.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
104
Tabela 9. Potencial de conservação de energia sem controle de iluminação. Fonte: Autor.
A segunda situação, representada na Tabela 9, considera que não
serão utilizados controles automáticos para acionamento da iluminação artificial,
restando, portanto, apenas duas possibilidades: potencial de conservação de 100%
(indicado na tabela pelo número 1), quando os níveis internos atingem o mínimo
recomendado para projeto e potencial nulo (indicado pelo número 0), quando não
atingem. As médias sazonal e anual foram calculadas da mesma forma que na
tabela anterior e o potencial de conservação de energia anual previsto para essa
situação foi de 65%.
É importante ressaltar ainda que esses números apenas apontam
um potencial de conservação de energia elétrica devido ao uso da luz natural. Para
um cálculo de economia de energia deverão ser levados em conta ainda outros
fatores como custo da instalação e dos controles automáticos e a interação da
iluminação com outros sistemas do edifício, principalmente em relação ao conforto
térmico.
Iluminação natural em escolas
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105
5. CONCLUSÕES
5.1 Considerações finais
5.1.1 Uma proposta de metodologia de otimização
A pesquisa bibliográfica, os estudos e os resultados obtidos na fase
experimental desse trabalho permitiram atingir o objetivo almejado: extrair uma
proposta de metodologia para a determinação de uma geometria ideal para
implantação e utilização de estratégias de otimização de luz natural em ambientes
destinados ao aprendizado.
Dentre as estratégias possíveis, optou-se por concentrar as
medições técnicas em dispositivos de iluminação zenital com seleção angular e
difusores opacos, associados a protetores solares para as aberturas. Para a fase
experimental, esse sistema foi aplicado num modelo em escala reduzida de uma
sala de aula padrão da rede pública de ensino de primeiro e segundo graus do
estado de São Paulo. Os estudos e a experiência mostraram que a metodologia
aqui proposta pode ser utilizada para qualquer orientação do edifício e para
qualquer horário do dia e época do ano, permitindo sua aplicação em todo o
território nacional.
5.1.2 Otimização da qualidade da iluminação
Um dos maiores desafios na utilização da luz natural em projetos
arquitetônicos está na dificuldade de prever efeitos não desejáveis, como
ofuscamento e distribuição desigual. Essa pesquisa propõe um caminho que
permite vencer esse obstáculo, pois a proposta leva em consideração não apenas
aspectos quantitativos da iluminação natural, mas também qualitativos. Alguns dos
aspectos qualitativos que podem, com o auxílio dessa metodologia, ser melhorados,
são, por exemplo, a uniformidade na distribuição da luz natural no interior da sala de
aula e a ausência de ofuscamento nos planos de interesse – dois dos problemas
mais comuns apresentados na utilização empírica e não otimizada de dispositivos
de controle de entrada de luz natural.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
106
5.1.3 Otimização da economia de energia
A proposta aqui apresentada permite atender ainda a uma outra
necessidade das escolas públicas brasileiras: reduzir gastos com consumo de luz
artificial. Embora não fosse da alçada desse trabalho chegar a valores específicos
de economia, as medições do experimento mostraram uma boa qualidade de
iluminação interior com o uso otimizado do sistema natural. Os cálculos revelaram
posteriormente uma autonomia em relação ao sistema artificial na maior parte do
período de ocupação, devido ao bom aproveitamento da luz difusa e da luz direta
por reflexão.
5.1.4 Aplicação
A intenção inicial desse trabalho era descobrir um método para
orientar as fases iniciais do projeto arquitetônico. O estudo mostrou que se poderia
ir além disso, uma vez que ficou claro que essa metodologia poderia ser adaptada
para também orientar intervenções em escolas já existentes.
5.2 Limitações encontradas
O ensaio experimental foi realizado em um dia sob condições de céu
real. Portanto, os resultados numéricos aqui contidos são válidos para horários e
ângulos de incidência particulares desse dia e foram afetados pelas variações das
condições de céu durante o período do experimento. A forma de obtê-los, porém,
não se altera.
O modelo de escala reduzida mostrou-se pouco prático para a
medição de alguns aspectos técnicos contidos nas variáveis de análise, como
valores de luminância e índices de ofuscamento, o que poderia ter proporcionado
índices mais precisos. Para assegurar que as conclusões principais não fossem
comprometidas por causa dessa limitação, foi necessário recorrer a outras formas
de aferição, como avaliação visual do próprio modelo e de fotos, a fim de obter
indícios confiáveis.
Iluminação natural em escolas
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107
5.3 Perspectivas para pesquisas futuras
As limitações descritas acima podem ser interpretadas como
oportunidades para a realização de uma série de estudos alinhados com as
tendências mais avançadas de pesquisa na arquitetura, que procuram integrar os
diversos aspectos de sustentabilidade e conforto.
Uma possibilidade, por exemplo, é realizar medições sob condições
mais controladas em diversos períodos do ano e comparar os resultados com
simulações computacionais. Devido à grande variação na disponibilidade de luz
natural no decorrer do dia e ao longo do ano no Brasil, essas simulações devem ser
feitas em conjunto com medições sistemáticas em intervalos curtos (de hora em
hora, por exemplo) durante todo o ano. Para isso, é preciso utilizar estações
medidoras a fim de formar uma base de dados consistente ao longo dos próximos
anos.
Uma seqüência natural da pesquisa é utilizar a mesma proposta de
medições em condições de céu real num modelo reduzido para os demais
dispositivos de controle de iluminação natural, como prateleiras de luz, dutos de sol
e vidros prismáticos, entre outras estratégias, para capturar e direcionar a luz
natural direta e difusa para o interior dos ambientes. A investigação do uso desses
dispositivos, combinada a melhores condições de pesquisa e acompanhamento de
resultados, pode ajudar as escolas brasileiras a funcionar em edifícios mais
adaptados ao clima do país, que propiciem melhores condições para elevar o
desempenho de estudantes e professores e, ao mesmo tempo, contribuir para a
eficiência energética do edifício.
Outra sugestão é pesquisar até que ponto as conclusões desses
trabalhos poderiam ser estendidas a ambientes não escolares, como edifícios de
escritórios e indústrias, que também apresentam algumas das dificuldades de
conciliação de luz natural e artificial aqui descritas.
Iluminação natural em escolas
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108
Uma linha de pesquisa importante é dimensionar o impacto da
melhor utilização da luz natural na carga térmica do edifício, uma vez que a maior
ou menor penetração de luz solar no interior do ambiente pode alterar o conforto
térmico de seus ocupantes, com possíveis conseqüências no consumo de energia
na tentativa de compensar alterações na temperatura interna. No caso das escolas,
trata-se de um estudo particularmente importante, já que o conforto térmico pode
aumentar as possibilidades de rendimento escolar.
Visto dessa forma, todo o trabalho descrito aqui mostrou-se
promissor, relevante e conectado com uma tarefa urgente – ajudar a melhorar as
condições de ensino do país com o melhor aproveitamento de recursos já
existentes, a partir de custos realistas e formas de implantação simples.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
109
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Institute of Architects (AIA). Acesso em: 15 dez. 2006.
www.bdp.it - site do INDIRE – Istituto Nazionale di Documentazione per la
Innovazione e la Ricerca Educativa – do governo italiano que forma uma rede on-line
cujo objetivo é divulgar e incentivar o conhecimento e a pesquisa em educação. Na
seção “Abitare la scuola” – dedicada a escolas italianas e européias “belle da vedere
e da vivere”, traz informações, discussões e uma galeria de exemplos de escolas
com espaços de qualidade como parte integrante de um projeto educativo. Acesso
em: 27 jan. 2005.
www.cefpi.com - “The school building association” – traz uma lista de publicações
que podem ser compradas pela internet sobre projetos e construções escolares.
Acesso em: 3 fev. 2006.
www.schoolclearinghouse.org - “NC Department of Public Instruction” – do estado
da Carolina do Norte nos Estados Unidos . A proposta da seção “School Planning” é
“ajudar escolas, arquitetos e designers a planejar e projetar escolas com instalações
de alta qualidade que implemente a educação e acrescente valor duradouro às
crianças e aos cidadãos do estado”. Traz exemplos de muitos projetos de escolas
norte-americanas. Acesso em: 15 dez. 2006.
www.edfacilities.org
-
Criado em 1997 pelo Departamento de Educação do
governo americano, o
“National Clearing House for Educational Facilities” é um site
de interesse público que divulga informações de como planejar, projetar, construir e
manter escolas. Contem uma lista grande de livros, pesquisas, documentos e artigos
de interesse sobre escolas sustentáveis. Acesso em: 15 dez. 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
119
http://www.nrel.gov/- site do National Renewable Energy Laboratory do
Departamento de Energia dos Estados Unidos dedicado à energia renovável e
eficiência energética. Disponível para download o texto “ A literature review of the
effects of natural light on building ocupants” através do link:
http://www.nrel.gov/buildings/highperformance/pdfs/30769.pdf
Acesso em: 26 ago. 2006.
http://windows.lbl.gov/ - site do Lawrence Berkeley National Laboratory, laboratório
do Departamento de Energia dos Estados Unidos administrado pela Universidade da
Califórnia e que há mais de setenta anos vem se dedicando à pesquisa em ciência e
engenharia. Este endereço é o do seu site dedicado ao estudo e à pesquisa sobre
janelas e luz natural. Softwares para iluminação natural como Adeline, Radiance e
Superlite, entre outros, podem ser conseguidos nesse site. Pode-se também fazer o
download do texto “Tips for daylighting with with windows”no seguinte link:
http://windows.lbl.gov/pub/designguide/download.html
Acesso em 21 jan. 2006.
http://daylighting.org - site do programa “The Daylighting Collaborattive” desenvolvido
pela Public Service Comission do estado de Wiscosin, Estados Unidos, para
promover a difusão do uso do conceito da iluminação natural. Sua intenção é
disponibilizar educação e treinamento para profissionais da construção e
informações para investidores na área imobiliária e o público em geral. Acesso em;
24 jun 2006.
www.coe.uga.edu - site do College of Education da Universidade da Geórgia, nos
Estados Unidos. Através do seu School Design and Planning Laboratory, divulga
informações para projetos de escolas sustentáveis: especificações educacionais,
tecnologias, conforto ambiental, eficiência energética, exemplos de escolas
projetadas e construídas sob estes critérios. Acesso em: 15 dez. 2006.
www.nlb.org - site do National Lighting Bureau, formado por entidades do governo
americano , da iniciativa privada e associações profissionais. John P. Bachner –
Diretor de Comunicações. Acesso em: 14 dez. 2006.
Iluminação natural em escolas
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120
www.h-m-g.com - A Heschong Mahone Group é uma empresa de consultoria na
área de eficiência energética em edifícios, baseada em Fair Oaks, Califórnia. Seus
principais sócios: Linda Heschong e David Mahone, são arquitetos e a empresa é
composta também de consultores nas áreas de engenharia, economia e construção.
O site disponibiliza as pesquisas sobre iluminação natural e produtividade
desenvolvidas por Linda Heschong, sendo a mais conhecida e divulgada o texto
“Daylighting in schools: an investigation into the relationship between daylighting and
human performance”. Acesso em: 28 jan. 2005.
www.aasa.org - site oficial da Associação Americana de Administradores de
Escolas. Baseada em Arlington, Virginia, USA, a entidade existe desde 1865 e seu
objetivo é colaborar para a formação de líderes cujo papel é o de implementar a
qualidade educacional nas escolas por todo o país como forma de ajudar a
comunidade e reforçar as bases da democracia. Acesso em: 28 jan. 2005.
www.oecd.org - Programme on Educational Buildings (PEB) – Organization for
Economics Co-operation and Development - organização internacional que
promove e incentiva a pesquisa em instalações escolares. Acesso em: 15 dez. 2006.
www.betterbricks.com - este site é um projeto conjunto de um grande número de
entidades reunidas na “The Northwest Energy Efficiency Alliance” que trabalham
para implementar o uso eficiente da energia elétrica na região. Seu objetivo é,
segundo o site, o de “ajudar aos profissionais a entender o poder da eficiência
energética que faça uma diferença significativa em seus edifícios e em seus
negócios”. Acesso em: 01 fev. 2006.
www.innovativedesign.net - site da empresa norte-americana de projetos de
arquitetura e consultoria Innovative Design com sede na cidade de Raleigh, estado
da Carolina do Norte, especializada em projeto e consultoria de edifícios
sustentáveis. Nos últimos anos foi responsável pelo projeto “de 11 escolas
iluminadas naturalmente, 38 projetos de renovação de escolas e atuaram como
consultores em outros 28 projetos de escolas com iluminação natural”. O site da
Iluminação natural em escolas
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121
empresa apresenta informações sobre os projetos, pesquisas e consultorias da
própria empresa bem como oferece “links” para outros estudos. Acesso em: 29 jan.
2005.
www.greeningschools.org - Greening Schools é um projeto conjunto da Illinois
Enviromental Protection Agency e do Waste Management Resources Center do
Departamento de Recursos Naturais do estado de Illinois, nos Estados Unidos.
Acesso em: 15 dez. 2006.
http://www.nrc-cnrc.gc.ca/ - National Research Council of Canadá - organismo do
governo do Canadá para pesquisa e desenvolvimento. Seu Institute for Research in
Construction (IRC) tem estudos dedicados à iluminação natural. Acesso em: 15 dez.
2006. Acesso em: 15 dez. 2006.
http://www.chpsvideos.com/index.asp - Collaborative for High Performance Schools
Videos Series. Vídeos sobre a utilização da iluminação natural em projetos de
escolas. Acesso em: 14 dez. 2006.
http://www.daylightingtraining.org/index.html - “Daylighintg in schools on line
trainning” - treinamento de iluminação natural em escolas através de recursos on-line
– patrocinado pelo Departamento de Energia americano através de seu programa
“Rebuild América”. Aulas através de vídeos sobre cada tópico do programa. Acesso
em: 14 dez. 2006.
http://www.energysmartschools.gov/index.asp - o Departamento de Energia dos
Estados Unidos - DOE - criou em 1994 o programa “Energy Smart Schools”, que faz
parte de um programa nacional “Rebuild América”, orientado para os estados e as
comunidades do país se organizarem para conseguir “economizar energia,
melhorando o desempenho de edifícios, diminuindo a poluição do ar através da
redução de demanda por energia, e melhorando a qualidade de vida através de
eficiência energética e tecnologias de energias renováveis”. Acesso: 15 dez. 2006.
Iluminação natural em escolas
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122
http://asumag.com/ - site da revista “American School and University “. Acesso em:
25 jan.2005.
http://www.schooldesigns.com/ - espécie de revista virtual da mesma editora da
“American School and Universty”, com informações voltadas para a área de
construção de escolas. Pode-se localizar informações e projetos de centenas de
escolas, procurando pelo nome, endereço, firma projetista ou palavra-chave.
Oferece também uma lista de empresas e arquitetos envolvidos com construção de
escolas, além de um guia de construção com dicas sobre projetos e obras de
escolas. Acesso em 25 jan. 2006.
http://www.matrixtours.com/tours/walkerelementary/ - Tour virtual pela Walker
Elementary School, uma das HPS citadas nesta pesquisa. Acesso em 13 out. 2006.
http://www.designshare.com/ - The International Forum for Innovative Schools,
exclusivamente voltado para a relação entre arquitetura e educação, faz premiações
anuais para os projetos de escola mais inovadores. Acesso em: 15 dez. 2006.
http://www.chps.net/ - página do Collaborative for High Performance Schools da
Califórnia, USA, disponibiliza o “Best practice manual for schools”. Acesso em: 15
dez. 2006.
http://www.energydesignresources.com/ - site patrocinado por companhias da área
de energia do sul da Califórnia, cujo objetivo é fornecer a arquitetos, engenheiros,
construtores e incorporadores informações e instrumentos fáceis de análise rápida
da eficiência energética de um edifício . Acesso em: 15 dez. 2006.
http://www.megatron.co.uk/homepage.html - medidores de LFD, luminância e
iluminância. Do mesmo site : http://www.megatron.co.uk/homepage.html - medidor
de luz tridimensional (em um cubo) – medição mais real de como uma luz incidiria
sobre um objeto ou edifício arquitetônico. Acesso em: 15 dez. 2006.
Iluminação natural em escolas
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123
http://schoolstudio.engr.wisc.eScdu/hps.html - School Design Research Studio,
dedicado à promoção de cursos presenciais e on-line sobre projetos de “high
performance schools”. Acesso em: 15 dez. 2006.
http://www.designlights.org/ - site do DesignLights Consortium, uma entidade voltada
para a promoção do benefícios da iluminação eficiente na área comercial, tendo
como público alvo arquitetos, designers, incorporadores e construtores. Acesso em:
15 dez. 2006.
http://sclp.lightingresearch.org/ - página do “New York Energy Smart”, um programa
do Estado americano de New York para promover principalmente a iluminação
artificial energeticamente eficiente em pequenos espaços comerciais (SCLP).
Acesso em: 26 dez. 2006.
http://hpsnj.org - página da HPSNJ – High Performance Schools New Jersey, uma
colaboração entre a New Jersey School Construction Corporation e o Instituto de
Tecnologia de New Jersey. Acesso em: 15 jan. 2007.
Iluminação natural em escolas
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124
GLOSSÁRIO
Acuidade visual: capacidade de percepção nítida de dois pontos muito próximos
entre si. É medida pelo valor do menor ângulo sob o qual o olho ainda consegue
perceber dois objetos separados.
Albedo: é a capacidade de reflexão da radiação solar de uma determinada
superfície. Vários fatores determinam o valor do albedo, entre os quais: tipo de solo,
floresta, campo, água, tipo de urbanização. A posição dos raios solares também
influencia no albedo (www.frigolleto.com.br) .
Ângulo de corte: ângulo de visão crítico a partir do qual uma fonte não pode mais
ser vista por causa de uma obstrução (como um beiral ou um difusor) (MOORE,
1985).
Ângulo sólido: é definido como a porção de espaço compreendida dentro de uma
superfície cônica.
Ângulo visual: o ângulo subtendido por um objeto ou detalhe no ponto de
observação.
Adaptação: processo pelo qual o sistema visual se acostuma a mais ou menos luz,
resultado de uma modificação da sensibilidade dos olhos à luz (Moore).
Azimute: distância horizontal angular entre um plano contendo um ponto no céu e o
norte verdadeiro.
Brilho: percepção subjetiva de luminância.
Campo visual: é a totalidade de pontos vistos simultaneamente com a cabeça e os
olhos imóveis.
CIE: Commission Internationale de l’Ecleraige, associação internacional de
iluminação cujos padrões, normas, procedimentos e definições são de uso corrente
na Europa, porém menos amplamente aceitos na América do Norte (Moore).
Céu claro: céu com menos de 35% de cobertura de nuvens (ABNT, 2005).
Céu encoberto: céu com mais de 75% de cobertura de nuvens (ABNT, 2005).
Céu parcialmente encoberto: céu com cobertura de nuvens entre 35 e 75%
(ABNT, 2005).
Contraste: diferença relativa de luminâncias observadas simultânea ou
consecutivamente. C = L1-L2 / L1, onde L1 é a luminância do objeto e L2 é
luminância do fundo.
Iluminação natural em escolas
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125
Declinação magnética: o eixo geográfico da Terra não coincide com o seu eixo
magnético, do que decorre uma variação entre o Norte apontado pela bússola
(magnética) e aquele conhecido como verdadeiro (geográfico) (Bittencourt, 2004).
Desempenho visual: avaliação quantitativa do desempenho de uma tarefa visual,
levando-se em consideração velocidade e precisão (Moore).
Entorno visual: todas as porções do campo visual exceto a tarefa (Moore).
Exitância: a densidade do fluxo luminoso emitido por uma superfície num dado
ponto.
Fator de luz diurna (FLD): relação entre a iluminação diurna total em um ponto no
interior do local excluída a luz solar direta e a iluminação exterior simultânea sobre
um plano horizontal iluminado pelo total da abóbada celeste de um céu encoberto
normal.
IESNA: Illuminating Engineering Society of North America, associação profissional
dedicada à disseminação do conhecimento relativo a arte e à ciência da iluminação
(Moore).
Iluminância: nível de iluminação ou iluminamento,é a densidade do fluxo luminoso
recebido por uma superfície.Unidade: lux (lm/m²).
Iluminação difusa: iluminação em um plano de trabalho ou em objeto que não é
predominantemente incidente de qualquer direção particular.
Iluminação lateral: porção da luz natural, produzida pela luz que entra lateralmente
nos espaços internos (NBR 15215-3, 2005, p.3).
Iluminação solar direta: porção da iluminação natural proveniente diretamente do
sol que incide num determinado local (NBR 15215-3, 2005, p.3).
Iluminação zenital: porção da iluminação natural produzida pela luz que entra
através dos fechamentos superiores dos espaços internos (NBR 15215-3, 2005,
p.3).
Lei do cosseno: a iluminância em qualquer superfície varia com o cosseno do
ângulo de incidência. O ângulo de incidência é o ângulo entre a normal à superfície
e a direção da luz incidente.
Luminância: é o quociente entre a intensidade luminosa em uma determinada
direção e área aparente da fonte nesta mesma direção. Unidade: cd/m².
Lux: unidade de iluminância no Sistema Internacional que corresponde a um lúmen
por metro quadrado.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
126
Luz: energia radiante capaz de excitar a retina e produzir sensação visual. É a
porção visível do espectro eletromagnético na faixa de comprimento de onda entre
0.38 e 0.77 microns.
Mícron: um milionésimo do metro (0,000001 m). Um milhão de microns = um metro.
Ofuscamento: falta de adaptação do olho provocada por luminância ou contraste
excessivo no campo visual, provocando distúrbios e diminuindo a capacidade de
distinguir detalhes nos objetos.
Plano de trabalho: plano sobre o qual interessa conhecer a iluminação pelas
atividades que nele se realizam. Geralmente horizontal e a 80 cm do chão, pode ser
também vertical ou inclinado.
Percepção visual: avaliação quantitativa de impressões transmitidas da retina ao
cérebro em termos de informação sobre o mundo físico disposto diante do olho.
Radiação infravermelha: radiação eletromagnética com ondas muito longas para
serem percebidas pelo olho humano (maior do que 0.77 microns e menor do que
1,000 microns).
Radiação ultravioleta (UV): qualquer energia radiante na faixa de comprimento de
ondas entre 0.001 e 0.38 microns.
Refletância: proporção de fluxo luminoso incidente sobre uma superfície que é
refletida na direção do observador, para dar à superfície a sua luminância. Poder
refletor de uma superfície expressa em porcentagem (HOPKINSON).
Reflexão: processo pelo qual o fluxo de luz incidente deixa a superfície ou meio pelo
lado incidente, sem modificação de freqüência.
Reflexão difusa: processo pelo qual o fluxo incidente é redirecionado em vários
ângulos.
Reflexão especular: é a reflexão resultante quando a radiação incidente sobre uma
superfície é refletida sem difusão.
Refração: processo pelo qual a direção da luz muda quando passa obliquamente de
um meio para outro no qual a sua velocidade é diferente (Moore).
Tarefa visual: detalhes e objetos que precisam ser vistos para o desempenho de
uma determinada atividade, incluindo o fundo imediato do detalhe ou tarefa.
Transmitância: Num sistema que recebe energia radiante, fração dessa energia
que é transmitida pelo sistema.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
127
APÊNDICE A – ALGUNS EXEMPLOS DE ESCOLAS HPS
AMERICANAS
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
128
Em 1996 a Clackamas High School foi escolhida para servir como exemplo de
edifício sustentável com um desempenho excepcional em relação à conservação de
energia. Conforme ensaios feitos anteriormente na fase de projeto com o programa
DOE-2, ela é capaz de economizar energia a uma taxa de 40% abaixo dos índices
exigidos pelos códigos de energia do estado do Oregon, nos Estados Unidos.
A escola foi projetada segundo os conceitos de edifícios sustentáveis levando-se em
consideração o edifício como um todo e seu entorno. O edifício foi orientado em um
eixo leste-oeste em relação ao terreno de modo a otimizar a iluminação natural, a
ventilação e o acesso e controle da insolação. O acesso de luz natural ao interior
diminui a carga térmica e os custos energéticos devidos à iluminação artificial.
Sensores automáticos de presença, luz e dióxido de carbono fazem com que ar
externo e luz sejam fornecidos somente quando necessários. A estratégia para a
iluminação natural tem um papel central na concepção do projeto. Fonte:
BetterBricks, 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
129
A Ash Creek Intermediate School representa tudo aquilo que se pode esperar de
uma escola sustentável: usa recursos e energia eficientemente, é fácil e barata para
manter e fornece um ambiente confortável, estimulante e saudável para funcionários,
professores e estudantes. O edifício da escola Ash Creek tem um desempenho
energético 30% mais eficiente do que o exigido pelos padrões do código de
edificações do estado do Oregon nos Estados Unidos, que foi reconhecido como um
dos melhores códigos do país. Grande parte desse desempenho se deve à
estratégia de iluminação natural adotada em seu projeto. O nível de iluminação é o
aspecto mais visível do projeto diferenciado para quem adentra a escola. A
estratégia do projeto foi pensada de forma a permitir o acesso da luz natural no
interior do edifício de várias maneiras. A escola é térrea e tem orientação norte-sul
de modo a obter a máxima, mais controlada e mais balanceada luz natural.
Iluminação zenital, janelas colocadas no alto de grandes pés direitos e prateleiras de
luz acrescentam luz ao interior das salas de aula. (Oregon Office of Energy). Fonte:
BetterBricks, 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
130
A escola Dalles Middle School, que tem quase 9.000 m², foi concluída no ano de
2002 e recebeu o prêmio “Green Building Council’s Gold Certification for Leadership
in Energy and Environmental Design”, tornando-se a primeira escola do estado a ser
certificada pelo LEEDS. Os arquitetos, com a cooperação do Laboratório de
Iluminação Natural de Seattle criaram uma estratégia que fornece luz natural de alta
qualidade a toda a estrutura de dois pavimentos. A orientação da escola e os
dispositivos de iluminação natural oferecem uma visão do exterior para 90% dos
ambientes ocupados, ao mesmo tempo em que reduz o uso anual de iluminação
elétrica em 56%. Essa luz natural balanceada é obtida através de dispositivos como
grandes janelas energeticamente eficientes, iluminação zenital e condutores
tubulares de iluminação natural. Prateleiras de luz foram colocadas na parte superior
das janelas para refletir a luz que entra para o teto, ao mesmo tempo em que
sombreiam a parte inferior. Lâmpadas fluorescentes de alto desempenho com
sensores de presença e sensores de luz natural ajudam a economizar energia. A
escola foi projetada para ser pelo menos 46% mais eficiente do que uma escola
projetada de acordo com o código energético do estado de Oregon, economizando
cerca de 49.500 dólares por ano de energia. Fonte: BetterBricks, 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
131
A Durant Road Midlle School de Raleigh, no estado americano da Carolina do
Norte foi apontada em 1997 pelo Instituto Americano de Arquitetos como um edifício
entre os dez menos agressivos ao meio ambiente dos Estados Unidos. Construída
em 1995, essa escola tem uma economia anual em energia estimada de 21.000
dólares. Os principais elementos de projeto são sua orientação longitudinal leste-
oeste de modo a reduzir o ganho térmico e favorecer a colocação de iluminação
zenital orientadas a norte e a sul para as salas de aula e demais dependências que
correspondem a um acréscimo de cerca de 30% da área envidraçada e ausência de
áreas envidraçadas nas fachadas leste-oeste. Possui também equipamento de
iluminação de alta eficiência com sensores de presença e de níveis de iluminação
que ajustam automaticamente as lâmpadas fluorescentes de alto rendimento quando
necessário (PLYMPTON, 2000).
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
132
Joan Austin Elementary School, em Newberg, Oregon. Esta escola de mais de
5.000 m², projetada para abrigar 550 estudantes, possui grandes áreas
envidraçadas, uso de tubos que conduzem a luz do sol para o interior das salas de
aula, iluminação zenital no ginásio de esportes, que iluminam com luz natural os
espaços interiores, necessitando de pouca ou nenhuma iluminação artificial durante
o dia. O tratamento das superfícies internas e externas com materiais de cores
claras e de fácil manutenção ajuda a difundir a luz natural ao mesmo tempo em que
são fáceis de manter. A integração de sistemas e materiais de grande desempenho
promove uma significativa economia de energia, diminuindo dos custos de operação
e manutenção ao longo do ciclo de vida do edifício. Fonte: BetterBricks, 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
133
Giaudrone Middle School – Tacoma, Washington.Esta escola, com mais de
11.000 m², foi concluída em agosto de 2003. Projetada pela empresa Northwest
Architectural Company com assessoria do Laboratório de Iluminação Natural de
Seattle, está prevista para economizar 35% a mais de energia do que escolas que
apenas seguem o código energético local. Estes resultados são obtidos
principalmente através de uma estratégia de otimização da iluminação natural. A
distribuição desta iluminação é obtida através de brises externos às janelas,
prateleiras de luz internas e vidros de alta performance. Os espaços maiores utilizam
uma combinação de iluminação zenital com janelas altas laterais para que a luz
penetre fundo no ambiente. A iluminação elétrica é controlada através de foto
sensores e controles eletrônicos que a ajustam automaticamente à iluminação
natural, economizando energia. Fonte: BetterBricks, 2006.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
134
APÊNDICE B – SÉRIES DE MEDIÇÕES REALIZADAS PELO
DATALOGGER
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
135
Tabela 10 – 1ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor.
Tabela 11 – 2ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
136
Tabela 12 – 3ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
137
Tabela 13 – 4ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor.
Tabela 14 – 5ª série de medições realizada pelo datalogger. Fonte: Autor.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
138
ANEXO A – BRISES PADRONIZADOS PELA CONESP
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
139
Figura 45 – Brises padronizados pela CONESP. Fonte: CONESP, 1977.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
140
ANEXO B – RESUMO DO LEVANTAMENTO FEITO PELA
ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
141
Quadro 4 – Resumo do levantamento das condições de iluminação natural feito pela Escola de
Engenharia de São Carlos. Fonte: LIMA, 2002.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
142
ANEXO C – DISPONIBILIDADE DE LUZ NATURAL PARA
SÃO PAULO
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
143
Gráfico 13 – Valores de disponibilidade de luz natural para solstício de verão em São Paulo.
(em kilolux). Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995.
Gráfico 14 – Valores de disponibilidade de luz natural para solstício de inverno em São
Paulo (em kilolux). Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995.
Iluminação natural em escolas
__________________________________________________________________________________
144
Gráfico 15 – Valores de disponibilidade de luz natural para equinócio de outono em São Paulo
(em kilolux). Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995.
Gráfico 16 – Valores de disponibilidade de luz natural para equinócio de primavera em São Paulo
(em kilolux). Fonte: programa DLN, Scarazzato, 1995.
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