13-ArquiteturaBioclimatica

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ARQUITETURA 
BIOCLIMÁTICA
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Maio 2011
O Brasil tem a arquitetura igual a de países temperados.... e sua eficiência?
A luz natural é mal aproveitada, apesar de disponível quase o ano todo.
As lâmpadas são ineficientes, com luminárias que distribuem mal a luz, sem 
dispositivos de desligamento automático. 
A proporção de vidros nas fachadas é inadequada, com janelas grandes, 
que absorvem calor e aumentam o consumo de energia na refrigeração. 
Com algumas modificações, a maioria das construções brasileiras poderia 
diminuir grande parte do consumo de eletricidade.
A área rural existem inúmeras alternativas de baixo custo para melhoria do 
conforto, e nos próximos anos existe a oportunidade para geração de 
eletricidade em grandes quantidades, tanto para o consumo próprio, como 
para abastecimento das cidades. 
Introdução
Arquitetura bioclimática é uma abordagem do projeto que busca 
fazer com que os edifícios e seus espaços adjacentes obtenham o 
melhor benefício das condições ambientais minimizando fatores 
indesejáveis e promovendo espaços naturais e saudáveis.
A adoção de técnicas para tornar as construções mais eficientes no 
consumo energético, com uso mais eficiente da luz e da ventilação 
natural, dispensando o uso de luzes artificiais e sistemas de ar
condicionado, poderia significar uma economia de energia 
gigantesca.
Introdução
A arquitetura Bioclimática se preocupa com conforto ambiental 
interno e eficiência energética, a serem obtidos através de 
estratégias naturais, aproveitando os recursos naturais de seu 
entorno de forma racional.
Princípios básicos:
· A promoção de espaços para morar, lazer e trabalhar em ambiente 
saudável para os ocupantes e usuários dos edifícios;
· O consumo mínimo de energia, sem estragos desnecessários ao 
ambiente natural considerando o ciclo de vida da estrutura edificada;
· A geração mínima de desperdícios para construção, funcionamento 
e manutenção dos edifícios; 
· O uso de recursos energéticos renováveis e materiais sem 
ameaças às espécies e à natureza.
Introdução
Estudo da orientação solar – Determinação das “trajetórias solares”, 
quais zonas de recepção de mais e menos radiação solar, luz do céu e 
luz do Sol, permitindo projetar aberturas e janelas;
Iluminação natural – pode ser controlada por meio de aberturas 
(zenitais, pequenos caixilhos, brisas soleis, janelas). Como o Brasil é
um país tropical com muitos dias de calor intenso, se deve ter cuidado
para não criar zonas de efeito estufa, aproveitando a luz do céu e não a 
luz do Sol;
Ventilação natural – por meio de aberturas, criação de zonas de alta e 
baixa pressão, induzindo a ventilação cruzada e permitindo a 
refrigeração de ambientes quentes;
Isolamento térmico – Uso de materiais isolantes adequados para 
conservar a temperatura do interior por mais tempo;
Introdução
O macroclima descreve o caráter geral de uma região em termos 
de radiação solar, recobrimento por nuvens, temperatura, ventos,
umidade e precipitação.
Os dados quantificando estes fatores podem ser obtidos nas 
estações meteorológicas.
O mesoclima, ou clima intermediário, pode ser descrito como o 
macroclima geral de uma região modificado por influências locais, 
como montanhas, vales, linhas costeiras, vegetação de larga 
escala, corpos de água (baías, lagos, grandes rios, etc.) e outras 
características topográficas.
Introdução
O calor excessivo devido a radiação 
solar pode ser controlado através
orientação e do sombreamento com 
vegetação, cortinas, topografia.
O resfriamento pode ser auxiliado 
pelo direcionamento do vento 
natural através do edifício e pela 
ventilação do ar pré-resfriado 
passando por sombreamento 
externos (de edifícios lindeiros ou 
vegetação), ou utilizando o 
potencial do resfriamento 
evaporativo de águas paradas ou 
em movimento (fontes).
Introdução
Elementos climáticos
Temperatura do ar
medição: termômetros de mercúrio, termógrafos
f(aquecimento do solo)
valor médio de uma combinação heterogênea de ar
análise estatística para utilização
Umidade atmosférica
Medição: higrômetros, higrógrafos, psicrômetros
f(temperatura do ar)
Umidade Absoluta (UA): peso de água em volume de ar (kg/m3)
Conteúdo de Umidade: peso de água por peso de ar (g/kg)
Pressão de Vapor: porção da pressão atmosférica devido ao
vapor d’água
Umidade Relativa (UR): quantidade de umidade em relação a
quantidade de umidade de saturação
Introdução
Elementos climáticos
Radiação solar
Medição: piranômetro, piranógrafo, heliógrafo
intensidade expressa em W/m2
Precipitação
Medição: pluviômetro, pluviógrafo
chuva, neve, granizo, orvalho, geada
mm (por unidade de tempo)
Ventos
Medição: anemômetro, anemógrafo
velocidade (m/s) e direção
Introdução Introdução
Fatores astronômicos
Movimento de rotação movimento de rotação
dia e noite
ciclo de 24 horas
radiação = f(altura solar, nebulosidade)
variação diária dos elementos climáticos
temperatura do ar = f(radiação, advecção, temperatura do solo)
Força Coriolis influência na direção e velocidade dos ventos
Temperatura do ar
Umidade relativa
Introdução
Fatores astronômicos
movimento de translação
- estações do ano
- ciclo de 365 dias
- duração dos dias e noites
- radiação = f(latitude)
- lei do cosseno
- depleção atmosférica
- inclinação do eixo terrestre de 23,5º
- trópicos de Câncer e Capricórnio
- aquecimento diferenciado pela latitude
Introdução
Fatores Dinâmicos
- circulação geral da atmosfera
- diferença de temperatura e pressão em gradiente vertical
- diferença de temperatura e pressão em gradiente horizontal
- transporte energético em circulação meridiana:
- equador-pólo
- pólo-equador
Introdução
Fatores Estáticos
Distribuição geográfica das variáveis climáticas
Latitude
- posição relativa do Sol
- diferente quantidade de radiação
- diferente incidência nos planos
- diferente duração dos dias e noites
Altitude
- aquecimento do ar = f(superfície)
- gradiente médio vertical = 0,56ºC/100m
- Δt do solo, aumenta com altitude
Topografia
quantidade de ventos, chuva, precipitação e radiação
movimentos convectivos distintos
Introdução
Fatores Estáticos
Revestimento do solo
- Δt do ar > próximo ao solo
defasagem de tmax entre o solo e o ar
vegetação: amortece Δt, diminui a quantidade de radiação incidente
altera a umidade do ar
Massas d’água
- maritimidade e continentalidade
- água:
- alto calor específico
- evaporação
- advecção e convecção
- temperatura constante
- menor amplitude térmica do ar
- direção das brisas
Introdução Climas do Mundo
Climas do Brasil
O ambiente climático é o resultado de processos físicos atuando 
em diferentes escalas espaciais e temporais.
• macro: maior influência dos fatores climáticos
• meso: influência das atividades humanas
• micro: clima próximo da edificação
Escalas de Estudo
Caracterização dos fatores 
intervenientes em meso e dos 
fatores intervenientes em meso e 
micro escala micro escala
Topografia
Microclima
Topografia
Microclima
Microclima
Ilha de calor urbano
- aquecimento diferenciado depende do coeficiente global de 
reflexão da superfície urbana
- desigualdade mais significativa à noite
- alta capacidade térmica da cidade
- microclimas gerados pelos edifícios e topografia
Microclima
Carta Psicrométrica Tipos de Clima
Estratégias de Projeto
Taxa de troca de ar
• Retirada do calor da estrutura do ambiente (direção do ar)
• Retirada do calor da superfície da pele (velocidade do ar)
• Renovação do ar saturado do ambiente (quantidade e qualidade 
do ar)
Ventilação
Ventilação x Vegetação Efeito Chaminé
Resfriamento Evaporativo Janelas e Vidros
O efeito térmico de uma
superfície envidraçada 
depende:
• do tipo de vidro utilizado (devido ao efeito estufa);
• dos dispositivos de sombreamento utilizados
Para combater os ganhos de calor através dos 
vidros, foram desenvolvidos tipos especiais, de 
modo a reduzir a radiação que penetra através de 
janelas:
• absorventes (ou atérmicos);
• reflexivos;
• duplos (com câmara de ar);
• outros.
Vidros comuns: transmitem 
tanto comprimentos de onda
baixos como altos (luz e calor).
Vidros absorventes:
transmitem baixos 
comprimentos de onda
(luz) e em menor quantidade 
comprimentos de onda altos 
(calor). 
Visíveis: 380 a 770nm
Janelas e Vidros
τ– coeficiente de transmissão para um raio normal à superfície;
α – coeficiente de absorção para um raio normal à superfície;
ρ – coeficiente de reflexão para um raio normal à superfície;
G – coeficiente global de transmissão (G= t + 0,4α);
ta – temperatura do ar exterior (°C);
ts – temperatura superficial máxima que alcança ao sol (°C).
Janelas e Vidros
Dispositivos de Sombreamento
Classificação:
• pela sua localização – exteriores ou interiores
• pela sua mobilidade – móveis ou fixos
Proteções externas e internas:
A proteção solar disposta junto à face externa da edificação faz
com que parte da radiação incidente seja refletida e o restante seja
absorvida, elevando, assim, a temperatura da proteção. Parte 
deste calor é removido por correntes convectivas e não chega ao 
vidro. A parte que chega a ele é absorvida e convertida em onda 
longa.
A proteção solar interna deixa que a radiação solar seja absorvida
pelo vidro quase que integralmente, alcança então a proteção para 
aí ser parcialmente absorvida e parcialmente refletida. A parcela
absorvida se converte em calor e é liberada para o interior e quase
todo esse calor permanece dentro da edificação por ser o vidro
opaco à onda longa.
Dispositivos de Sombreamento
• as proteções exteriores têm uma 
eficiência maior que as interiores;
• nas proteções internas o 
coeficiente de reflexão (ou a cor) é
importante na determinação de sua 
eficácia, pois apenas a
radiação refletida pela proteção, no 
comprimento de onda original, é
transmitido para o exterior e não 
afeta o ambiente interno.
Dispositivos de Sombreamento Dispositivos de Sombreamento
Los Pueblos - New Mexico
Dispositivos de Sombreamento Parede de Trombe
Parede de Trombe Parede de Trombe
Aquecedor de Ar Convectivo
Window box collectors and TAPs are easy-to-build collec-tors that deliver their heat by
natural convection. They are best used to heat rooms that are fre-quently occupied and 
that require daytime heating. Window box collectors are self-damping at night. TAPs
require lightweight backdraft dampers to prevent reverse thermosiphoning when the
sun isn't shining.
Shown here are several options for framing tilted, ground-mounted collectors. The
collec-tor framework must be securely attached to the existing wall with lag bolts. When
the sides of the collector mount don't break over wall studs, attach them as shown in 
the detail at right.
Aquecedor de Ar Convectivo
Chaminé Solar Chaminé Solar
A chaminé possui uma cobertura de vidro e uma placa metálica. Os raios 
solares aquecem a placa e o ar, e o ar que sobe por convecção natural, 
aspirando o ar do ambiente e substituindo-o pelo ar exterior.
Software: Ventilação Induzida por Chaminé Solar em Edificações: 
http://roriz.dominiotemporario.com/doc/Chamine.rar
Chaminé Solar UFscar Sistema Ativo
This two-mode system is simpler than it first appears. When the upper floor calls for 
heat and the collector is on, solar air is blown into the existing ductwork to warm the
living area. When the needs of the upper floor have been satisfied, the motorized
damper changes positions, and solar heat is delivered into the basement and stored in 
the concrete walls there. Note that two returns (in-lets) to the collector, each with a 
backdraft damper, are required in this system.
A good technique for storing solar heat in new construction involves blowing solar-
heated air through an insulated gravel bed under a concrete slab floor. With this
arrangement the collector operates very efficiently and the floor provides comfortable, 
radiant heat. Dampers prevent heat loss from storage at night.
Sistema Ativo Casa Autônoma
Casa Autônoma
Condomínio Neo, Novo Campeche, Florianópolis
Tratamento de esgoto e reaproveitamento de água
Coletores solares para água quente
Turbinas Helix Wind
Entrega Fev. 2010 (R$ 540.000/113 m2) http://www.conceitonext.com.br
PassivHaus
O padrão típico da Passivhaus inclui:
* Bons níveis de isolamento térmico com perdas térmicas mínimas
* Otimização dos ganhos solar e energia interna
* Baixa fuga de ar
* Boa a qualidade do ar interior, assegurado por um sistema de 
ventilação mecânica com alta eficiência recuperação de calor
Para a Europa (40o - 60o latitude Norte), os critérios da Passivhaus são:
* Demanda total de energia para aquecimento e refrigeração inferior a 
15 kWh/m2/ano;
* O uso total de energia primária para todos os aparelhos, água 
quente para uso doméstico, aquecimento e refrigeração inferior a 120 
kWh/m2/ano.
Estes valores são verificados durante o projeto pelo “PassivHaus
Planning Package”.
http://www.passivhaus.org.uk/
PassivHaus Solar Decathlon 2007
1º Lugar: Technische Universität Darmstadt
3º Lugar : Santa Clara University
2º Lugar : University of Maryland
http://www.jc-solarhomes.com/energy_independent_housing.htm
http://www.jc-solarhomes.com/passive_solar.htm
http://www.jc-solarhomes.com/gallery.htm
Bioclimatic architecture: 
http://www.geocities.com/ResearchTriangle/Facility/8776/Pag03I.htm
Bibliografia
Inmetro, Portaria n. 372, de 17 de setembro de 2010
Requisitos Técnicos da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de 
Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos
http://www.inmetro.gov.br/legislacao/rtac/pdf/RTAC001599.pdf
Inmetro, Portaria n 395, de 11 de outubro de 2010
Requisitos de Avaliação da Conformidade para o Nível de Eficiência Energética de 
Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos
http://www.inmetro.gov.br/legislacao/rtac/pdf/RTAC001609.pdf
Legislação Brasileira