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INTRODUÇÃO
Este artigo é o resultado de parte das investigações realizadas durante a elaboração de uma dissertação de mestrado, dentro do Programa de Pós-Graduação em Ambiente Construído da Universidade Federal de Juiz de Fora, no Brasil. A pesquisa que dá origem à dissertação investiga o poço de luz do edifício residencial e propõe soluções para melhorar o desempenho da iluminação natural nos espaços conectados a ele. Para isso, são testadas diversas variáveis arquitetônicas através da simulação computacional paramétrica. Os resultados são analisados com base em métricas que determinam a qualidade da luz natural no ambiente.
A luz natural é importante para a saúde humana. Ela estimula o corpo a produzir vitamina D (Santana et al., 2022, ajuda na regulagem do ritmo circadiano (Duffy & Czeisler, 2009; Knoop et al., 2020; Wirz-Justice et al., 2020) e promove a esterilização do ambiente (Wiehe, 2019). Outro benefício é sua capacidade de proporcionar economia de energia no edifício ao substituir a iluminação artificial durante o dia (Balabel et al., 2022 Wong, 2017). Quando a luz natural é exclusivamente utilizada para iluminar um ambiente para a realização de uma tarefa visual, ela deve ser mantida, durante todo o dia, dentro dos valores ideais de iluminância recomendados (Chartered Institution of Building Services Engineers [CIBSE], 2009, p. 133). A norma brasileira permite um nível de iluminação natural igual ou superior a 60 lux nos ambientes residenciais (ABNT NBR 15575-1, 2013). No entanto, para Mardaljevic et al. (2012), a iluminação natural ideal acontece a partir de 300 até 3.000 lux e, acima desse valor, pode gerar desconforto visual e aquecimento indesejado do ambiente. Bellia et al. (2017) enfatizam que o projeto de iluminação natural é um desafio ambicioso ao tentar encontrar um equilíbrio entre a máxima captação de luz natural e o controle do risco de desconforto térmico e visual.
Um importante recurso arquitetônico na distribuição da iluminação natural nas áreas centrais de uma edificação em que as aberturas para o exterior são limitadas é o poço de luz (Bolssoni et al., 2018). Além da iluminação, o poço também favorece a ventilação e o conforto térmico passivo dentro do edifício (Farea et al., 2014; Ahadi et al., 2018.). Desde que devidamente projetado, seu uso se justifica como uma alternativa sustentável para a obtenção de iluminação natural nos ambientes conectados a ele (Freewan, 2014; Kristl & Krainer, 1999). Dessa forma, os projetistas podem utilizar fórmulas matemáticas, chamadas "índice", para calcular dimensões como a relação da altura do edifício com o diâmetro de abertura do poço, a fim de permitir a entrada adequada de luz nos ambientes. Esse índice normalmente é definido por meio dos códigos de obra, que variam conforme a localidade e determinam valores mínimos para o dimensionamento do poço de luz, dependendo do tipo de ambiente que será iluminado, seja esse de permanência prolongada, seja transitória (Bolssoni et al., 2018). Em São Paulo, Brasil, uma das exigências do código de obra é que o poço de luz tenha dimensão mínima de 1,5 metros e relação mínima entre os seus lados igual a dois terços (Lei 16.642/2017, São Paulo, Brasil, 2017). No entanto, nem sempre a eficiência do poço de luz é garantida pelo tamanho das suas dimensões. Um poço de luz mais largo não é necessariamente o mais eficiente, pois as características dos materiais que revestem suas superfícies podem influenciar a distribuição e disponibilidade de iluminação na sua parte inferior (Kristl & Krainer, 1999; Bugeat et al., 2020). Portanto, para garantir um bom desempenho do poço de luz, os projetistas devem se atentar não somente às suas dimensões, mas também aos critérios técnicos dos seus materiais. Um poço de luz mal projetado tem como consequência um excesso de luz natural nos pisos superiores e luz insuficiente nos pisos inferiores (Goharian et al., 2022; Bugeat et al., 2020; Ahadi et al., 2018). A geometria e a altura da claraboia do poço de luz exercem influência na distribuição da luz que atravessa a sua abertura superior (Goharian et al., 2022; Acosta et al., 2013). A reflexão das superfícies internas do poço também desempenha um papel importante na iluminação dos ambientes internos. Bugeat et al. (2020) constataram que superfícies mais claras tendem a distribuir melhor a luz na porção mais profunda do poço. No entanto, também perceberam que variações na refletância das paredes pouco influenciam a iluminação natural nos pavimentos superiores, uma vez que a maior parte da luz recebida vem diretamente do sol por meio da abertura superior do poço de luz.
Assim, ainda é necessário que seja aprofundado o entendimento sobre as variáveis arquitetônicas que influenciam no desempenho da luz natural no ambiente construído, pois o conhecimento que se tem ainda não é suficiente para satisfazer as lacunas deixadas pelas normas e pelos códigos de obras (Albuquerque & Amorim, 2012). Em especial, é ainda relevante que seja determinada a influência de soluções arquitetônicas na iluminação natural obtida por meio do poço de iluminação. Mais pesquisas em diferentes localidades podem contribuir para o enriquecimento do tema, sobretudo no Hemisfério Sul, onde são poucos os estudos que abordam a otimização de elementos que influenciam a iluminação natural (Mangkuto et al., 2016).
A hipótese principal trabalhada neste estudo supõe que a solução para a melhoria do desempenho da iluminação natural no poço de luz, sobretudo nos pavimentos inferiores, esteja no aumento de variáveis como a dimensão geométrica, a refletância e o percentual de abertura na fachada (PAF) do poço. Nesse sentido, o objetivo deste artigo é comparar e analisar a influência dessas variáveis arquitetônicas no desempenho da iluminação natural de um poço de luz do edifício residencial. O estudo, realizado para a cidade de São Paulo, Brasil, foi conduzido por meio de simulações computacionais paramétricas. Modelos com poços de luz de diferentes dimensões geométricas, refletâncias de parede e áreas de abertura das janelas foram comparados, considerando a influência das quatro principais orientações solares.
Revisão de literatura
Diversas são as variáveis que podem influenciar as condições de iluminação natural dentro dos ambientes conectados ao poço de luz, das quais as mais relevantes são a dimensão geométrica do poço (Goharian et al., 2022; Ahadi et al., 2018), a altura do edifício, a orientação das fachadas (Freewan et al., 2014) e a refletância das superfícies (Bugeat et al., 2020; Acosta et al., 2013).
No estudo de Freewan et al. (2014), realizado em Irbid, Jordânia, em um edifício de dois pavimentos, um poço de luz de 2x2 metros de abertura sob o céu claro de junho ofereceu, ao meio-dia, uma iluminação natural de 1.000 lux próximo à janela e 200 lux no fundo do ambiente, considerando um espaço de 3,5 metros de profundidade. Porém, para atingir esses mesmos níveis de iluminação natural em um edifício de três pavimentos, foi necessária uma abertura de 3x3 metros do poço de luz e, para um edifício de quatro pavimentos, o vão teria de ser 4x4 metros. Assim, sob boas condições de iluminação no ambiente exterior, o aumento da área do poço e da abertura do vão das janelas promoveu uma melhoria na iluminação natural dos ambientes, sobretudo em edifícios baixos, que necessitam apenas de uma pequena variação na abertura do vão do poço para que a luz seja mais bem distribuída em todos os ambientes internos. É interessante notar, contudo, que esses autores não avaliaram os impactos das aberturas e da profundidade do poço maiores que 4x4 metros e quatro pavimentos (13 metros).
Por sua vez, Ahadi et al. (2018) investigaram o desempenho do poço de luz em função da dimensão geométrica na cidade de Teerã, Irã. A iluminância média anual foi 88% menor no piso térreo em comparação com o piso ao topo em salas internas conectadas a um poço de luz de 4 metros de diâmetro em um edifício de 7 pavimentos. Bugeat et al. (2020) verificaram que, em Barcelona, essa redução da iluminação chegou a 90% em um edifício com poço de luz de 12 metros de altura e dimensão geométrica quadrada de 3 metros. É relevante notar que essas pesquisas se limitaram a estudar dimensões geométricas de no máximo 3 ou 4 metros de vão.
Uma outra importante estratégia a ser considerada em poços de iluminação é a reflexão da luz promovida pelas superfícies internas do poço. A capacidade de reflexão depende principalmente das características físicas das superfícies, como rugosidade ou a cor do material. Paredes coloridas podem apresentar refletâncias em valores próximos a 0,50, enquanto paredes brancas podem atingir valores de refletância acima de 0,80 (Jakubiec, 2016; Castro et al., 2003). Um outro aspecto importante da cor das superfícies é a sua capacidade de reflexão de calor por meio do infravermelho. Nesse contexto, a pesquisa de Castro et al. (2003) obteve valores de refletância do infravermelho de várias cores de tintas utilizadas em pinturas externas. Através de análises óticas com espectrofotômetro em superfícies pintadas com tinta acrílica e PVC, foi possível identificar cores que apresentassem pouco ganho de calor em razão do alto índice de refletância do infravermelho, como o branco e marfim, com índice de 76%, e vanila, com 74%. Todas essas apresentaram refletância total, que inclui a luz visível, acima de 70%.
Assim, o aumento dos índices de refletância nas paredes é uma solução que contribui para uma distribuição mais uniforme da luz no espaço (Mangkuto et al., 2016). No estudo de Bugeat et al. (2020), um acréscimo de 10% da refletância das paredes de um poço de luz quadrado (3x3 metros), aberto no topo, sob o clima mediterrâneo de Barcelona, Espanha (41° N), foi suficiente para dobrar a iluminância média anual do ambiente no piso térreo, considerando um edifício de quatro pavimentos. Os autores encontraram resultados similares nos climas de Estocolmo, Suécia (59° N), Bilbao, Espanha (43° N), Cidade do México, México (19° N), e Quito, Equador (0°). Porém, é preciso considerar que superfícies altamente reflexivas, quando refletem a luz direta do sol, podem gerar maior aquecimento do ambiente interno em relação a superfícies menos reflexivas (Joudi et al., 2013). No entanto, ainda no seu estudo, Bugeat et al. (2020) registram que, no poço de luz, superfícies com até 0,85 de refletância não promovem desconforto visual e térmico dentro do ambiente interno. Além disso, nas condições em que a trajetória aparente do sol está mais baixa, a luz solar direta atinge somente os pavimentos superiores, resultando em uma considerável redução de iluminação natural nos pavimentos inferiores do poço (Bugeat et al., 2020), que tendem a ser mais frescos (Ahadi et al., 2018).
Complementarmente, a proporção ou o PAF deve ser cuidadosamente planejado na fase inicial do projeto no edifício, pois interferirá na demanda de energia e na disponibilidade de luz natural do edifício (Xue et al., 2014). Quanto maior a abertura da janela, maior o risco de ofuscamento e superaquecimento dentro de um ambiente no clima tropical (Mangkuto et al., 2016). De acordo com Hee et al. (2014), o tipo de vidro utilizado na janela também pode interferir na iluminação, uma vez que os vidros incolores ou mais claros tendem a possuir um alto índice de transmissividade da luz, o que pode demandar a redução do PAF. Como exemplo, ao aumentar a transmissividade do vidro de 0,4 para 0,8, o PAF pode ser reduzido de 50% para 30%. A dimensão ideal do PAF também foi estudada em diferentes contextos geográficos. Mangkuto et al. (2016) verificaram o desempenho do PAF variando a dimensão de 30% a 80%, em um ambiente localizado em Bandung, Indonésia (6,93° S), que é uma região tropical. Através da otimização multiobjetivo, os autores concluíram que um PAF de 30% voltado para o Sul é a solução mais adequada para se obterem iluminação e visibilidade satisfatórias dentro de um ambiente no local estudado, considerando paredes internas com refletância de 0,80 e transmissividade do vidro de 0,88. No clima oceânico temperado de Frankfurt, Alemanha (50° N), o PAF foi estudado por Goia et al. (2013) por meio de otimização por simulação computacional. Sua dimensão foi testada variando de 20% a 80%.
Nesse trabalho, foi demonstrado que o PAF adequado se encontrava na faixa de 35% a 45%, independentemente da orientação solar e com paredes internas com refletância de 0,70.
Com relação aos métodos usados nessas pesquisas, destacam-se as simulações computacionais estáticas ou dinâmicas (Wu et al., 2021; Zhen et al., 2019; Goia et al., 2013). Simulações estáticas avaliam a iluminação em dia e horário específicos, utilizando determinados tipos de céu, como nublado, por exemplo (Bellia et al., 2017). Já as simulações dinâmicas, chamadas de "climate-based daylight modelling" (CBDM), utilizam dados meteorológicos baseados no clima local para simular as condições de iluminação natural no ambiente ao longo de todo o ano (Mardaljevic, 2012). Esse tipo de abordagem considera as condições climáticas do local, com variação da iluminação natural ao longo do dia e uso do componente direto e difuso da luz natural (Sudan et al., 2017). Alguns plugins são reconhecidos pelos autores por sua capacidade e precisão, por exemplo, o honeybee, o ladybug (Goharian et al., 2022) e o Diva (Sun et al., 2020; Le-Thanh et al., 2021). Em 2020, o Diva foi descontinuado e o Climate Studio foi anunciado como seu substituto, trazendo melhorias que o deixam mais rápido e igualmente preciso em relação ao seu antecessor (Solemma Inc, 2022).
METODOLOGIA
Esta pesquisa utilizou a simulação computacional para a avaliação da iluminação natural por meio da modelagem paramétrica de modelos de edifícios e do uso de métricas dinâmicas (CBDM). A construção dos modelos e as simulações foram realizadas através da combinação dos softwares Rhinoceros (versão 6.11.18348.17061), Grasshopper (versão 2019.01.00) e ClimateStudio (versão 1.5.7955.28487). Por meio do software Grasshopper, foi criado um modelo-base de edifício com seis pavimentos que possui um poço de luz quadrado com dimensão de 5x5 metros e profundidade de 16,8 metros (Figura 1). Para as superfícies internas do poço foi fixada, inicialmente, um valor de refletância em 0,50 que se aproxima ao de uma superfície da cor areia (Castro et al., 2003). Em cada pavimento, quatro salas com dimensões de 3,0 x 4,5 x 2,8 metros (LxAxP) foram posicionadas conectadas ao poço de luz sob os pontos cardeais (Norte, Sul, Leste, Oeste), por serem as principais orientações solares.
Cada sala possui uma abertura para o poço de luz com um PAF de 20%. O índice de refletância das superfícies das salas foi fixado em 0,70 para o teto, 0,50 para as paredes internas e 0,20 para o piso, valores recomendados pela norma IES LM-83-12 (Illuminating Engineering Society [IES], 2012) para esse tipo de simulação. O vidro utilizado nas janelas foi do tipo "clear" de folha única com índice de transmissividade de 0,88. Em cada sala, 126 sensores foram configurados a uma altura de 0,75m do piso e a uma distância de 0,30 metros das paredes e espaçados 0,32 metros entre eles. As iluminações em cada sala foram calculadas usando modelos dinâmicos de céu com base no arquivo climático da cidade de São Paulo, Brasil (23° S). A partir do modelo-base, modelos alternativos foram simulados variando a configuração de uma das variáveis estudadas (dimensão geométrica do poço de luz, refle-tância e PAF) e fixando as demais. Foram simuladas dimensão geométrica quadradas de 6 metros e 7 metros, índices de refletância de 0,65 e 0,80, e aberturas de janelas correspondentes a 40% e 60% de PAF (Figura 2).
Fonte: elaborado pelos autores, 2022 CC BY-NC.
Figura 2 Variações nas dimensões do PAF (A) | Dimensão geométrica do poço de luz (B)
As métricas dinâmicas utilizadas para avaliar o desempenho da iluminação foram spatial daylight autonomy (sDA, "autonomia espacial da luz do dia") e annual sunlight exposure (ASE, "exposição anual à luz solar"). Ambas são conceituadas pela IES LM-83 (2012). A métrica sDA (sDA300, 50%) é definida como o percentual da área de piso que recebe a partir de 300 lux por pelo menos 50% das horas ocupadas do ano - entre 8 e 18 horas. É importante notar que o protocolo determina que valores acima de 55% já indicam uma boa condição de iluminação natural, mas a preferência são valores acima de 75%. A métrica ASE (ASE1000, 250 h) é definida como a porcentagem da área de piso que recebe luz solar direta acima de 1.000 lux em mais de 250 horas por ano. Nesse caso, a norma IES LM-83 determina que os valores desejáveis de ASE não estejam acima de 10%. Assim, através dos dados obtidos por meio da ASE, foi possível identificar se o ajuste das variáveis arquitetônicas promove um risco de desconforto visual por excesso de luz natural no ambiente, especialmente nos pavimentos superiores. Portanto, o uso combinado dessas métricas permitiu uma análise mais precisa da disponibilidade de luz natural ao longo do edifício. Os resultados obtidos a partir das alternativas simuladas foram organizados em tabela e comparados através de gráficos gerados no software Excel (versão 16.0.13127.20566).
A fonte do arquivo climático com os dados meteorológicos da cidade de São Paulo, Brasil, no formato epw., é o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) e foi disponibilizado pelo Laboratório de Eficiência Energética em Edificações, vinculado ao Núcleo de Pesquisa em Construção do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina1.
Características do clima da cidade de São Paulo, Brasil
O clima de São Paulo, Brasil (latitude: 23° 32' S, longitude 46° 38' W), é classificado como Cwa, subtropical úmido de inverno seco (Koeppen, 1948). Esse clima é caracterizado por ser predominantemente úmido, porém com um inverno seco e verão quente, em que a precipitação média no mês mais seco é inferior a 60 milímetros e o mês mais quente atinge temperatura superior a 22° C (Júnior, 2009). Em São Paulo, a umidade relativa do ar varia de 74% a 83%, e a média da precipitação acumulada anual é de 1.658,3 milímetros, sendo agosto o mês mais seco com 32,3 milímetros e janeiro o mês mais chuvoso com 292,1 milímetros, com variação da temperatura anual de 16,4° C a 26,1° C, tendo julho com o mês mais frio com média de 12,8° C e fevereiro o mais quente com média de 29° C (INMET, 2022). A nebulosidade é maior entre outubro e março, com valor máximo em janeiro, e menor de abril a setembro, coincidindo com o período de inverno e de menor precipitação (Moura et al., 2016). A Figura 3 apresenta a carta solar com a trajetória aparente do Sol na cidade. A maior parte dos raios solares incide na fachada voltada ao Norte durante o dia todo. Na fachada ao Leste, essa incidência ocorre no período da manhã e, ao Oeste, no período da tarde. A fachada ao Sul é a que está menos exposta ao Sol, com incidência dos raios solares no verão durante o período da manhã e tarde.
resultados
Em Iluminação natural sob comparação de diferentes dimensões geométricas do poço de luz
Comparando os resultados das três dimensões geométricas simuladas (Figura 4), verificou-se que, em todos os modelos, há uma expressiva queda de iluminação natural a partir do sexto pavimento, com valores de sDA insuficientes a partir do quarto e atingindo percentuais próximos de 0% no primeiro pavimento. No topo do edifício, devido à trajetória aparente do Sol no Hemisfério Sul, a sala que mais recebe iluminação natural tem abertura voltada ao Norte, em seguida Oeste, Leste e Sul. Porém, a partir do quinto pavimento, a diferença de iluminação natural entre as fachadas diminui, pois a luz que entra nas salas é preponderantemente proveniente da reflexão das paredes. Quando a luz solar direta não é a principal fonte de iluminação das salas, a orientação solar das fachadas não é um fator determinante para a qualidade dessa iluminação, conforme também verificado por Bugeat et al. (2020).
Fonte: elaborado pelos autores, 2022 CC BY-NC.
Figura 4 Valores de sDA em diferentes dimensões geométricas, PAF 20% e refletância 0,50
Assim, na medida em que se amplia a dimensão geométrica, aumentam-se os valores de sDA300. Ao aumentar a dimensão geométrica de 5 para 7 metros, é possível observar que, no sexto pavimento, as salas que recebem luz solar direta (fachadas Leste, Norte e Oeste) têm um ganho de sDA300 menor em relação à fachada Sul, que não recebe luz solar direta na maior parte do ano. Esse aumento é de 70% para 80% na sala Sul e de 95% para 100% na sala Norte. Já no quinto pavimento, o sDA300 aumenta em 18% na sala com abertura voltada ao Sul e em 14% na sala ao Norte. O quarto pavimento apresenta os maiores ganhos com o aumento da dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros, pois passa a receber luz solar direta. Nele, os valores de sDA300 dobram na fachada Norte, que eleva de 20% para 40% e na fachada Sul, de 16% para 29%. A partir da metade do edifício para baixo, que continua sem receber luz solar direta, os valores de sDA300 são similares entre os ambientes internos, independentemente da orientação solar. Nessa região do poço, o aumento da dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros resulta em um aumento considerável do sDA300, que chega a dobrar, mas o máximo alcançado é insuficiente para uma iluminação natural adequada, segundo a IES LM-83 (2012). Os valores de sDA300 não ultrapassam 19% no terceiro pavimento e 7% no primeiro pavimento.
Por meio da análise dos resultados de ASE (Figura 5), percebe-se que as salas do sexto e do quinto pavimentos recebem luz solar direta excessiva, pois os raios solares alcançam uma profundidade maior dentro dessas salas. Nas fachadas Leste, Oeste e Norte, os valores de ASE ultrapassam os 10% recomendados pela IES LM-83-12, o que pode acarretar desconforto visual. Como a fachada Sul não recebe luz solar direta na maior parte do ano, em todos os pavimentos, o ASE nas salas com abertura voltada ao Sul permanece em 0%. No quinto pavimento, a luz solar direta só é excessiva na sala com abertura voltada ao Norte, com ASE em 11%. No terceiro piso, até o térreo, devido à ausência de luz solar direta, o valor do ASE é 0% em todas as salas. Apesar de a luz direta do sol ser excessiva no sexto pavimento, o aumento da dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros resulta em um pequeno aumento dessa luz somente na abertura ao Norte. No quinto e quarto pavimentos, na maior parte das salas, os valores de ASE não ultrapassam 10%, portanto a luz solar direta nesses ambientes não é elevada a um nível acima do recomendado pela IES LM-83-12, minimizando o risco de desconforto visual.
Iluminação natural sob comparação de diferentes refletâncias das paredes do poço de luz
A Figura 6 apresenta os valores de sDA300 e ASE nas salas a partir da variação da refletância das paredes do poço de luz, fixando o PAF em 20% e dimensão geométrica em 5 metros. É possível notar que os ganhos de SDA300 são mais evidentes nas salas que não recebem luz solar direta. Ao aumentar a refletância de 0,50 para 0,80 na parede do poço, a fachada Sul no quinto pavimento apresenta uma variação de iluminação superior à variação na fachada Norte; o sDA300 foi de 34% para 59% na sala Sul e de 50% para 63% na sala Norte, aproximando o valor final de sDA300 das duas salas. A distribuição dos raios luminosos se torna mais uniforme quando mais luz solar direta é refletida entre as fachadas. Se a parede da fachada Norte, que recebe luz direta do Sol, reflete 80% dessa luz para a fachada Sul, as salas com abertura ao Sul terão iluminação semelhante às salas com abertura ao Norte. Esse fato não é observado na metade inferior do poço de luz, pois a luz solar direta não alcança essa região. No terceiro pavimento, os valores variam de 10% para 17% na sala com abertura voltada para o Leste, de 11% para 17%, para o Norte e o Oeste, e de 7% para 15%, para o Sul.
Fonte: elaborado pelos autores, 2022 CC BY-NC.
Figura 6 Valores de sDA em diferentes refletâncias. PAF 20% e dimensão geométrica 5 m
Assim, percebe-se que o aumento da refletância das superfícies pode beneficiar a qualidade da iluminação natural ao permitir que menos raios luminosos sejam absorvidos pelas paredes do poço de luz. Contudo, é preciso considerar que os benefícios em utilizar superfícies altamente reflexivas são minimizados quando há reduzida disponibilidade de luz solar direta. Isso se verifica no primeiro pavimento. O aumento da refletância de 0,50 para 0,80 elevou apenas em 3% o sDA300, que atingiu o valor máximo de 6% dentro das salas.
Variando a refletância do poço de luz de 0,50 para 0,65, existe um ganho evidente de sDA300 na metade superior do poço, mas esse ganho é pequeno na metade inferior do poço, pois a disponibilidade de luz natural é menor. Contudo, o oposto ocorre ao aumentar a refle-tância do poço de 0,65 para 0,80. Nesse caso, na metade inferior do poço, o ganho de sDA300 se torna evidente. No contexto do estudo realizado, isso demonstra que, nas regiões do poço com baixa oferta de luz natural, é necessária uma refletância igual ou superior à 0,80 para promover uma melhoria na iluminação natural dentro das salas.
Ao comparar os valores de ASE sob diferentes refletâncias do poço de luz (Figura 7), é possível perceber uma linha única, com valores coincidentes. Isso indica que aumentar a refletância do poço não resulta em variação de ASE. Os valores permanecem abaixo de 14% no sexto pavimento e abaixo de 9% no quinto pavimento. O ASE permanece em 0% nas salas com abertura ao Sul e em todas as salas do quarto pavimento até o térreo. Dessa forma, o uso de superfícies altamente reflexivas no poço de luz não eleva os níveis de luz direta do Sol dentro das salas. No entanto, apenas o sexto pavimento atingiu valores ideais de sDA (>75%), o que demonstra que é preciso combinar outras soluções, juntamente com o uso de superfícies altamente reflexivas, para melhorar os níveis de iluminância em um edifício de seis pavimentos na latitude considerada.
Fonte: elaborado pelos autores, 2022 CC BY-NC
Figura 7 Valores de ASE em diferentes refletâncias. PAF 20% e dimensão geométrica 5 m
A Figura 8 apresenta os valores de sDA e a Figura 9, os de ASE nas salas a partir da variação do PAF. Nota-se que, quanto maior a abertura da janela, melhor a distribuição de luz no ambiente e mais similar é a iluminação natural entre as salas. No modelo simulado com janelas em 60% (PAF), as salas atingem valores muito semelhantes de sDA300 independentemente da orientação solar, exceto no segundo e primeiro pavimentos. No sexto pavimento, o sDA300 é de 100%; no quarto pavimento, é de 36% e, no terceiro pavimento, 21%. No segundo e primeiro pavimentos, ocorre pouca ou nenhuma variação de iluminância nas fachadas Sul e Leste, pois a disponibilidade de luz é pequena nessa região do poço. Já nas fachadas Norte e Oeste, o discreto aumento de iluminação ocorre devido aos breves momentos em que uma pequena quantidade de luz natural alcança a sala nos períodos do ano de posição mais alta na trajetória aparente do Sol.
Fonte: elaborado pelos autores, 2022 CC BY-NC
Figura 8 Valores de sDA em diferentes PAFs. Refletância 0,5 e dimensão geométrica 5 m
No modelo com janelas com PAF igual a 20%, os valores reduzem significativamente, sobretudo nas salas com abertura ao Sul. No sexto pavimento, a sala Sul atinge 70% de sDA300 e a sala Norte 95%; no quarto pavimento, esses valores são de 16% e 20%, e no terceiro pavimento, de 7% e 10%, respectivamente.
É preciso considerar que o aumento do vão a luz pelo poço através da reflexão. Nota-se da janela diminui a área de parede que conduz que, entre as proporções 40% e 60%, a sala com abertura ao Sul obtém um aumento do sDA300 de no máximo 7% no quinto pavimento, 3% no quarto pavimento e 0% no segundo pavimento. Entre a proporção de 20% e 40%, os ganhos do sDA300 na sala Sul são mais evidentes, com um aumento de 22% no quinto pavimento, 17% no quarto pavimento e 4% no segundo pavimento. Assim, verifica-se que uma proporção de PAF acima de 40% não promove uma melhoria da iluminação natural mais relevante dentro do poço de luz, podendo, além disso, gerar um excesso de luz solar direta dentro do ambiente.
Com relação aos valores de ASE (Figura 9), aumentar a proporção da janela é uma solução viável na região mais profunda do poço, mas prejudicial no topo do edifício, exceto na fachada Sul. Nas salas em que há incidência de luz solar direta, os valores de ASE quadruplicam, elevando de 14% para 42% no sexto pavimento e de 9% para 33% no quinto pavimento nas salas voltadas ao Norte. Isso pode prejudicar o conforto visual nesses ambientes. Contudo, não foi observado um aumento da luz excessiva na sala Sul, que permanece em 0%, nem abaixo do quinto pavimento, onde a luz direta do Sol não alcança o ambiente interno. Assim, reduzir a abertura do vão da janela nas paredes que recebem luz direta do Sol pode contribuir para a redução do desconforto visual, além de melhorar a distribuição de luz dentro do poço, pois aumenta a superfície de reflexão da luz, melhorando a condução da iluminação natural.
Discussão
A disponibilidade de iluminação natural está diretamente relacionada com a dimensão geométrica do poço (Freewan et al., 2014). Se a dimensão geométrica considerada permite a entrada de luz solar direta na porção mais profunda do poço, ocorre uma melhoria na iluminação natural, pois diminui o número de vezes que a luz é absorvida a cada reflexão. Esse fato também foi observado em outras localidades com diferentes alturas do poço de luz (Bugeat et al., 2020; Goharian et al., 2022). Assim, o aumento da dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros beneficia as salas que inicialmente não recebem luz solar direta. No entanto, na configuração de edifício simulado, uma dimensão geométrica de 7 metros não é suficiente para levar luz solar direta além do quarto pavimento. Dessa forma, mesmo com os ganhos de sDA300, o térreo continuou com uma baixa iluminação natural. Segundo Bugeat et al. (2020), isso pode ser explicado devido à posição do Sol durante sua trajetória aparente no céu. Em latitudes medianas, como é o caso de São Paulo, com uma trajetória aparente do Sol mais baixa que regiões equatorianas, os raios solares entram no poço de luz em uma posição mais horizontal, o que dificulta o seu acesso até a porção mais profunda. Portanto, somente o aumento da dimensão geométrica não garante uma boa condição de iluminação em todo o poço, conforme observado por Kristl & Krainer (1999).
Mangkut et al. (2016) constata que a refletância entre 0,7 e 0,8 produz um efeito de distribuição mais uniforme da luz no ambiente. Dessa forma, a variação da refletância de 0,5 para 0,8 produz resultados positivos na iluminação de todas as salas do modelo estudado com PAF fixado em 20% e dimensão geométrica em 5 metros. Apesar disso, a iluminação natural é reduzida à medida que o poço aprofunda, devido à ausência da luz solar direta que contribui com os raios luminosos refletidos pelas superfícies. Ainda assim, o aumento da refletância é viável, pois não resulta em elevação do risco de desconforto visual e térmico em todo o poço de luz (Bugeat et al., 2020).
Em contrapartida, o aumento da dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros pode resultar em valores preocupantes de exposição da luz direta do Sol nos pavimentos superiores. Contudo, esse risco diminui consideravelmente a partir do quinto pavimento, exceto na fachada Norte. A luz solar direta não incide durante todo o dia nas demais fachadas, conforme se verifica na Figura 3, o que justifica os valores de ASE abaixo de 10% a partir do quinto pavimento, atendendo ao recomendado pela IES LM-83. Na fachada Sul, o aumento da dimensão geométrica não resulta na elevação do risco de desconforto visual e térmico dentro das salas em toda a extensão do poço, pois a exposição aos raios solares diretos é mínima e os valores de ASE permanecem em 0%. Portanto, essa é a fachada que melhor se beneficia com o aumento da dimensão geométrica. As demais fachadas requerem uma atenção maior no controle do ofuscamento devido ao aumento da iluminação natural.
Dentre as soluções testadas, o aumento do PAF é a que exige uma maior atenção, pois resulta na melhoria da iluminação natural acompanhada do aumento dos valores de luz solar direta em níveis muito superiores ao recomendado pela IES LM-83-12 (2012). No entanto, esse fato se verifica apenas nos pavimentos superiores. Acosta et al. (2013) avaliam que o aumento da área de reflexão no poço de luz potencializa o desempenho da iluminação natural. Assim, torna-se viável a adoção de diferentes PAFs em um mesmo poço de luz, assumindo uma menor proporção nos pavimentos superiores e aumentando o vão na região mais profunda.
CONCLUSÃO
Nesta pesquisa, analisou-se, por meio de simulação paramétrica computacional, a influência da dimensão geométrica, da refle-tância das paredes e do PAF no desempenho da iluminação natural de um poço de luz de uma edificação com seis pavimentos. No edifício simulado, o aumento da dimensão geométrica do poço, da refletância e do PAF promoveram uma melhoria global da iluminação, principalmente na metade do poço, mas não garantiram iluminação adequada nos pavimentos inferiores.
Conforme aumenta-se a dimensão geométrica, uma maior quantidade de luz direta do Sol entra no poço e é distribuída pela reflexão das paredes até o térreo. Ao aumentar a dimensão geométrica de 5 metros para 7 metros, a luz solar direta alcança até o quarto pavimento, melhorando a qualidade da iluminação natural nessa região do poço e elevando o sDA300 na fachada Norte de 20% para 40%. A metade inferior do edifício também se beneficia, pois, quanto mais profundo é o alcance da luz solar direta, menor é a perda da iluminação no seu trajeto de reflexão pelas paredes até o térreo. Mas, apesar disso, a iluminação ainda é insuficiente e o sDA300 atinge no máximo 18% no terceiro pavimento e 7% no térreo.
Aumentar a refletância das paredes do poço de luz também promove melhorias na iluminação natural das salas. O ganho em iluminância é maior nas salas que não recebem luz solar direta. Isso acontece, pois, ao utilizar superfícies altamente reflexivas no poço, a distribuição dos raios luminosos se torna mais uniforme entre as fachadas, o que promove uma melhoria da iluminação natural dentro das salas, sem elevar o risco de desconforto visual. No entanto, esse ganho com a refletância é limitado. Na metade inferior do edifício, onde não foi registrada luz solar direta, os ganhos em iluminação são minimizados e a orientação solar influencia pouco a iluminação nas salas.
O aumento do PAF é uma solução que promove o bom desempenho da iluminação natural. Nesse caso, o aumento do risco de desconforto visual no edifício é relativo e depende da região do poço de luz. No sexto e quintos pavimentos, ao aumentar o PAF de 20% para 60%, o sDA300 atinge 100%, mas os valores de ASE quadruplicam, o que significa uma elevação considerável no risco de desconforto visual dentro das salas. Porém, nas salas com abertura ao Sul e todas a partir do quarto pavimento, o ASE permanece em 0%, o que representa uma vantagem em poder aumentar a abertura da parede para a entrada de luz sem que resulte em um aumento dos níveis de luz solar direta dentro dos ambientes nessa região do poço de luz.
Recomenda-se uma variação do PAF ao longo do edifício, assumindo uma proporção menor na metade superior do edifício e maior na metade inferior do mesmo, com a finalidade de evitar o aumento do risco de desconforto visual nos primeiros pavimentos que recebem maior incidência solar direta e, ao mesmo tempo, aumentar a superfície de reflexão da luz solar que é direcionada para os pavimentos inferiores.
Em estudos futuros, torna-se necessário analisar outras latitudes e climas a fim de comparar os resultados em diferentes regiões. Além disso, é relevante considerar os ganhos térmicos decorrentes do aumento de iluminação natural dentro do poço de luz.
Por último, espera-se que este estudo possa auxiliar pesquisadores e projetistas no planejamento e desenvolvimento de diretrizes para uma arquitetura sustentável.
