Ana Claudia Carfan, Emerson Galvani, Jonas Teixeira Nery

VI Seminário Latino Americano de Geografia Física
II Seminário Ibero Americano de Geografia Física
Universidade de Coimbra, Maio de 2010
O EFEITO DO SOMBREAMENTO NO CONFORTO TÉRMICO
ESTUDO DE CASO: CIDADE DE SÃO PAULO
Ana Claudia Carfan1, Emerson Galvani2, Jonas Teixeira Nery3
(1) Doutoranda- FFLLCH USP [email protected].
(2) Prof. Dr. - FFLLCH USP [email protected]
(3) Prof. Dr. - UNESP [email protected]
Introdução
O microclima nos espaços abertos das áreas urbanas é influenciado por diversos
parâmetros como a geometria urbana, a vegetação, corpo d’água e propriedades
térmicas dos materiais de construção. Os usos inadequados dessas variáveis
contribuem para um ambiente desfavorável com temperaturas no ambiente urbano
superior a do seu entorno, criando as chamadas “ilhas de calor”.
Ruas e praças estão entre os espaços urbanos que vêm se deteriorando quanto à
qualidade ambiental e conforto térmico. Esta degradação é devida, principalmente, a
uma descontinuidade no uso desses espaços. Em regiões tropicais onde predominam
altas temperaturas quase o ano todo, os espaços públicos abertos só podem ser
freqüentados se houver sombreamento o que torna as temperaturas amenas e
suportáveis.
Os primeiros estudos de conforto térmico foram realizados para áreas fechadas,
locais de trabalho, com a finalidade de proporcionar maior rendimento do trabalhador.
O ambiente interno sofre influência direta do ambiente externo, sendo necessária
também a realização de estudos de conforto térmico em áreas abertas.
Emmanuel et al., (2007) realizou um estudo de microclima urbano em Colombo, Sri
Lanka, utilizando o modelo ENVI-met para simular o efeito dos diferentes desenhos
urbanos, na temperatura e no conforto térmico. Neste estudo o autor utilizou o PET
(physiologically equivalent temperature). O PET é um índice de conforto térmico para
áreas externas que é baseado na temperatura radiante e do ar, bem como na umidade
e no vento. Emmanuel relaciona a razão altura (h) e largura(w), ou seja, a altura
dividida pela largura, dos chamados “cânions” urbanos com valores de temperatura,
ou seja, a temperatura máxima diária diminui com o aumento da taxa h/w. O conforto
térmico, portanto, está diretamente ligado ao desenho urbano, uma vez que o
aumento da referida taxa de 1 a 3 faz com que o índice PET diminua cerca de 10ºC.
Gaitani et al., (2005) estudaram o conforto térmico em espaços abertos na região
de Atenas, usando dois índices de conforto térmico, a saber, COMFA (Brown and
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Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Gillespie, 1995), que é baseado na condução de energia da pessoa e TS que é baseado
na satisfação ou insatisfação de pedestres em ambientes externos. Estes índices foram
calculados para dois diferentes ambientes, onde o primeiro consiste em um espaço
construído convencional e o segundo um espaço construído de acordo com princípios
bioclimáticos. Os dois índices mostraram que o segundo espaço apresentou melhores
condições de conforto, devido à existência de áreas verdes, corpos de água e materiais
de construções com baixos valores de albedo.
Fahmy e Sharples (2009) estudaram a influência da forma urbana no conforto
térmico na cidade do Cairo, Egito. Foram analisadas as estruturas urbanas com suas
áreas verdes e a orientação das ruas, que podem influenciar no decréscimo da
temperatura e no aumento ou diminuição do vento.
Bueno - Bartholomei apud Guerra e Cunha (organizadores) (2009) avaliou a
atenuação da radiação solar por diferentes espécies de árvores e o conforto térmico
proporcionado pelas mesmas na cidade de Campinas, SP. O conforto térmico foi
avaliado através do Voto Médio Estimado (VME), proposto pela ISO 7730, 1994. A
espécie com melhor desempenho na redução da radiação foi o Jambolão, embora o
sombreamento desta árvore não tenha reduzido os valores de VME a níveis
considerados confortáveis.
O presente trabalho tem como objetivo comparar o conforto térmico apresentado
por uma mesma área com a altura das construções existentes no local modificada, ou
seja, as alturas das edificações da área real foram diminuídas quatro vezes, dentro da
cidade de São Paulo. Para tal, foi utilizado o modelo ENVI-met, para calcular o índice
de conforto térmico PMV (voto médio predito) desenvolvido por Fanger (1972).
Área de estudo
A cidade de São Paulo está localizada no Sudeste do Brasil, no Planalto Atlântico
em um compartimento rebaixado. Segundo o IBGE possui uma área de 1523km2 e uma
população estimada (2007), em 10.886.518 habitantes. Segundo Valente de Macedo
(2009) suas características ambientais são definidas por sua condição geográfica
acidentada com colinas que variam entre 650 e 1200m de altitude e a proximidade
com o oceano Atlântico influenciam fortemente o padrão de circulação atmosférica. O
clima é subtropical com a temperatura média no mês de julho de 14,3ºC e do mês de
fevereiro de 22,3ºC. As chuvas são predominantemente no verão, sendo janeiro o mês
mais chuvoso com uma média de 228,6mm de precipitação, dados da prefeitura
municipal (www.prefeitura.sp.gov.br 20/11/2009).
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O bairro da Consolação, na cidade de São Paulo, faz parte da subprefeitura da Sé e
está localizado na área central da cidade (Figura 1).
Figura 1 – Localização da área de estudo.
Fonte: o autor
A área escolhida para simulação refere-se a quatro x quatro quadras (540 x 540m)
do bairro da Consolação. Trata-se de uma região densamente construída, com altos
edifícios e vegetação acompanhando a calçada.
A Figura 2 refere-se à grade de entrada do modelo. A resolução da grade é de:
X = 4,5m, y = 4,5m e Z = 6,0m e foi gerada dentro do próprio modelo. A borda do
modelo (condições de contorno) representada na Figura 2, com a cor amarela não
deve ser analisada, pois o modelo não realiza os cálculos nessa região.
Figura 2 – Grade de entrada do modelo para a área do Bairro
da Consolação, São Paulo.
3
Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Para este estudo determinou-se um ponto (x) dentro da grade, como mostra a
Figura 2 para análise mais detalhada da temperatura do ar, umidade específica,
velocidade do vento e número de Richardson.
Metodologia
Neste trabalho utilizou-se o modelo ENVI-met versão 3.0/3.1. O modelo microclimático é tridimensional concebido para simular a interação superfície - planta atmosfera no ambiente urbano, com uma resolução entre 0,5 e 10m. Este modelo foi
desenvolvido por Bruse e Fleer (1998) e Bruse (2004).
Os dados de entrada do modelo são: temperatura do ar, direção e velocidade do
vento e umidade relativa e foram obtidos do site Tempo Agora
(www.tempoagora.uol.com.br em 29/06/2009).
O tempo de simulação foi de 24h, com início às 6h00min. A data escolhida para a
simulação foi 29/06/2009, portanto um dia de inverno na região que apresentou
temperatura máxima média Tmax = 25,5ºC, temperatura mínima média Tmin = 13,4 oC
e sem ocorrência de chuva, dados do Ciiagro (www.ciiagro.sp.gov.br em 27/06/2009).
A simulação foi feita para duas situações: uma com a altura real das construções
existentes no local e outra com uma diminuição de quatro vezes a altura real.
Escolheu-se este valor de diminuição, pois a menor cobertura, na altura real, apresenta
uma altura de 4m.
O modelo forneceu dados de temperatura do ar na superfície, temperatura média
radiante (TMR) e os índices de conforto térmico PMV (voto médio predito) e PPD
(porcentagem de pessoas insatisfeitas) desenvolvidos por Fanger (1972) e adotado
pela norma ISO 7730, norma internacional que estabelece critérios para avaliar o
conforto térmico.
O índice PMV varia segundo a escala a seguir:
Tabela 1 - Escala do índice PMV
-3
-2
-1
0
1
2
3
muito frio
frio
levemente frio
confortável
levemente quente
quente
muito quente
Fonte: ISO7730 - 1994.
Conforme a ISO 7730, os valores recomendados de PMV estão entre
-0,5 < PMV < + 0,5 e PPD não deverá ultrapassar 10%.
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A TMR é definida como a temperatura de um corpo negro imaginário que produz a
mesma perda de calor por radiação como num local real e engloba os fluxos de
radiação de ondas curtas e longas, tanto direta quanto refletida. É um dos parâmetros
mais importantes no balanço de energia e no conforto térmico humano e é utilizada
para calcular a perda de calor sensível (H), na equação do PMV. Um indivíduo que se
encontre diretamente exposto à radiação solar pode estar sujeito a uma TMR muito
superior à temperatura ambiente, podendo atingir diferenças acima de 25ºC, no caso
de uma pessoa sentada com todo o corpo exposto à radiação solar máxima. A
temperatura média radiante para uma condição de conforto, segundo a ISO 7730
deverá estar entre 10 e 40ºC para o ser humano não se sentir desconfortável.
Condições de estabilidade ou instabilidade atmosféricas são detectadas através do
número de Richardson (Ri). Segundo Stull (1988) os limites do parâmetro de
estabilidade R são os seguintes: R > 0, caracteriza condições de atmosfera estável,
i
i
convecção suprimida, R < 0 caracteriza instabilidade atmosférica e R = 0 indica
i
i
neutralidade.
Com dos dados gerados pelo modelo foram feitos gráficos de temperatura média
radiante (TMR), dos índices PMV e PPD (Figuras 2 e 4).
Para a análise da velocidade e direção do fluxo de vento e turbulência foram feitos
gráficos de perfis verticais de temperatura do ar, velocidade do vento, umidade
específica e número de Richardson em um ponto central para as diferentes alturas
(Figura 15).
Tabela 2 – Dados de entrada do modelo
Variáveis de entrada
Dia
29.06.2009
Horário de início da
simulação
6h
Total de horas de simulação 24 horas
Vel. Vento em 10m
1,0 m/s
Direção do vento
225º
Rugosidade
1.5
Umidade relativa
87%
Temperatura do ar inicial
13ºC
Atividade
caminhando
Vel. de caminhada
0,88m/s
metabolismo
116 W/m2
índice de resistência
térmica
0,5 Clo
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Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Resultados e discussão
A Figura 3 apresenta os índices PMV para a área de estudo real, às 15h00min, no dia
26 de junho, inverno neste hemisfério. Os valores observados estão entre -1,5 e -1,0
que são considerados fora dos limites de conforto térmico, ou seja, desconforto
tendendo a frio. Esses valores são apresentados tanto por superfície asfaltada quanto
por superfície com concreto e neste horário sofrem o efeito do sombreamento pelas
construções.
Ainda na Figura 3, valores entre 1,5 e 2,0, em vermelho também estão fora da zona
de conforto tendendo a quente. Essas são áreas fora do sombreamento com a
radiação chegando diretamente a superfície, portanto mais aquecidas. O
sombreamento, juntamente com o aumento do albedo e a diminuição da densidade
de construção, tem sido uma alternativa para a mitigação da temperatura média
radiante.
Figura 3 – Índice de conforto térmico PMV para a região do bairro da
Consolação, São Paulo SP.
A área com altura dos prédios reduzida, Figura 4, apresenta um PMV para as
15h00min, entre 1,5 e 2,0, ou seja, desconforto térmico tendendo a quente mostrado
em vermelho na figura. Assim, com a redução da altura dos edifícios em quatro vezes,
as áreas antes sombreadas passaram a receber radiação solar direta gerando os
valores acima citados e apresentando desconforto térmico.
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Para as áreas sob o efeito do sombreamento, os valores de PMV ficaram entre -1,5
e -1,0, apresentando desconforto tendendo a frio, como mostra a Figura 4, em áreas
em cor rosa.
Na análise das duas áreas, com relação ao PMV, a redução da altura dos edifícios
não apresentou conforto térmico, uma vez que, a radiação que chega a superfície na
região dos trópicos é intensa mesmo no inverno. Portanto, se a região recebe
insolação direta, em virtude da diminuição da altura das construções, gera desconforto
tendendo a quente, mantendo-se a altura dos edifícios, gera-se sombreamento e
desconforto tendendo a frio.
Figura 4 – índice de conforto térmico PMV com redução da altura das
construções na região da Consolação, São Paulo SP.
A ISO 7730 considera um ambiente termicamente confortável onde menos de 10%
das pessoas sentem-se insatisfeitas.
A Figura 5 apresenta PPD entre 20 e 40% de pessoas insatisfeitas, portanto fora do
limite aceitável, portanto a área é considerada termicamente desconfortável.
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Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Figura 5 – índice de conforto térmico PPD na região da Consolação, São
Paulo.
Na redução da altura dos edifícios, Figura 6, observa-se pequenas áreas com PPD
abaixo de 10% que se pode considerar como manchas que podem ser termicamente
confortáveis dentro da área de estudo.
Figura 6 - índice de conforto térmico PPD, com redução da altura das
construções na região da Consolação, São Paulo.
Observa-se ainda, que a maior parte da região apresenta um PPD acima de 40%, cor
rosa na Figura 6.
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Considerando os valores recomendados pela ISO 7730, ou seja, -0,5 < PMV < + 0,5 e
PPD não deverá ultrapassar 10%, nenhuma das duas situações, altura real ou reduzida,
apresentou conforto para as 15h00min, horário que apresenta as maiores
temperaturas do ar na região.
A TMR ficou entre 20 a 25ºC, para as 15h00min, como mostra a Figura 7. Observase que em regiões não sombreadas, em vermelho, a TMR apresenta valores acima de
60ºC. Embora a superfície esteja toda impermeável, revestida de concreto e asfalto, a
altura dos edifícios tem papel preponderante no aquecimento/resfriamento do ar e no
conforto térmico. Assim, quando se leva em conta apenas a TMR, a região pode ser
considerada confortável. Para o conforto térmico humano, além da temperatura,
deve-se observar também a velocidade do vento e a umidade relativa, assim que os
valores de PMV e PPD apresentam índices de desconforto, apesar da TMR apresentar
valores dentro dos limites aceitáveis pela norma ISO 7730.
Figura 7 – Temperatura média radiante as 15h00min no bairro da
Consolação, São Paulo.
A TMR para os edifícios com altura reduzida (Figura 8) apresenta valores acima de
60ºC, para toda a área, excetuando as áreas próximas as construções, sob o efeito do
sombreamento, que apresentam uma temperatura média radiante entre 20 e 25ºC. O
efeito esperado na redução de quatro vezes a altura das construções, que era reduzir
as áreas de sombreamento trouxe para a região valores de TMR acima dos limites
toleráveis para o ser humano.
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Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Figura 8 – Temperatura média radiante às 15h00min, na Consolação,
São Paulo.
Temp. do ar ºC
A modificação proposta na área de estudo provocou um aumento da temperatura
do ar, (Figura 9), entre as 9 e 16h00min. O valor máximo foi de 19ºC, às 13h00min para
a região com altura reduzida, quando o Sol está mais alto e 18ºC para a altura real dos
edifícios.
20,0
19,0
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
13,0
12,0
Baixa
Real
6 7 8 9 101112131415161718192021222324 1 2 3 4 5 6
Horas
Figura 9 – Evolução horária da temperatura do ar na região da
Consolação, São Paulo.
A maior diferença de temperatura entre as duas situações foi de 0,9ºC nos horários
de 13 e 14h00min.
A umidade específica na região de estudo, apresentou o mesmo comportamento da
temperatura, ou seja, com a redução da altura dos edifícios houve redução do
sombreamento e o aumento da temperatura e da umidade específica, que aumentou
entre os horários de 8 e 16h como pode ser visto na Figura 10.
10
Umidade
especifica g/kg
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13,0
12,0
11,0
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
Real
Baixa
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6
Horas
Figura 10 – Evolução horária da umidade específica na região da
Consolação, São Paulo.
O aumento de umidade específica ocorreu entre as 12 e 14hmin e foi de 0,7g/kg.
Com a redução da altura dos edifícios a vegetação local passa a receber radiação direta
causando um aumento da evapotranspiração e justificando o aumento da umidade
específica.
Na análise da velocidade do vento observou-se que, com a diminuição da altura das
construções, a variação do fluxo de vento tornou-se menor. Na situação real a
velocidade do vento variou com altura, apresentando o menor valor de 0,14m/s, na
altura 2m e o maior valor de 3,54m/s na altura de 78m. Com o rebaixamento das
edificações a velocidade do vento apresentou o menor valor na altura de 2m (0,67m/s)
e a máxima velocidade 2,97 m/s na altura de 74m.
A Figura 12 apresenta o perfil vertical do número adimensional de Richardson (Ri).
Observa-se valores negativos que variam de -0,05 até -170,0 para as duas situações,
sendo que a situação de altura reduzida apresentou valores superiores aos
apresentados pela situação real, mostrando uma diminuição da turbulência com a
redução da altura das construções.
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Tema 3- Geodinâmicas: entre os processos naturais e socioambientais
Figura 11 - Perfil vertical da Figura 12 - Variação vertical do
velocidade vento no ponto de número de Richardson no ponto de
estudo (x) no centro da grade.
estudo (x) no centro da grade.
Conclusão
A redução da altura das construções apresentou modificação das variáveis
ambientais como temperatura e umidade, na representação do espaço analisado.
Na situação de redução da altura dos edifícios, o sombreamento foi diminuído e
aumentaram os valores de temperatura do ar e TMR. Com o aumento da temperatura
houve um aumento da umidade específica do ar. A velocidade do vento apresentou
maior variabilidade na situação real, comparativamente a situação de redução da
altura. As duas situações apresentaram desconforto térmico, sendo que a área real
apresentou desconforto tendendo a frio e a situação da altura reduzida apresentou
desconforto tendendo a quente.
Embora a alteração da altura das edificações não tenha gerado conforto térmico,
mostrou a modificação das variáveis ambientais na camada limite, conseqüentemente
alteração de parâmetros meteorológicos no local, mostrando, portanto, a importância
do estudo da estrutura urbana no clima local.
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Bibliografia
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