Sistemas Inovadores Luz Natural

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Sistemas Inovadores de Iluminao Natural. Estudo de Seu Desempenho Sob Condies de Cu Real em Campinas, SP.

Flavia Ciampini

Campinas, agosto de 2005

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO

Sistemas Inovadores de Iluminao Natural. Estudo de Seu Desempenho Sob Condies de Cu Real em Campinas, SP.

Flavia Ciampini

Orientador: Prof. Dr. Paulo Sergio Scarazzato

Dissertao de Mestrado apresentada Comisso de Ps-graduao da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura parte rea e dos de Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, em Unicamp, como na requisitos para obteno do ttulo de Mestre Engenharia Civil, concentrao de Edificaes.

Campinas, agosto de 2005iii

FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE UNICAMP

C481s

Ciampini, Flavia Sistemas inovadores de iluminao natural. estudo de seu desempenho sob condies de cu real em Campinas, SP / Flavia Ciampini.--Campinas, SP: [s.n.], 2005. Orientador: Paulo Sergio Scarazzato Dissertao (Mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. 1. Iluminao natural. 2. Medio de iluminncia. 3. Fachadas. 4. Janelas. 5. Luz na arquitetura. 6. Fotometria. I. Scarazzato, Paulo Sergio. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Ttulo.

Titulo em Ingls: New daylight redirecting devices. evaluation of their performance under real sky condition. Palavras-chave em Ingls: Daylight systems, Daylighting facade, Windows, Light in architecture, Photometry rea de concentrao: Edificaes Titulao: Mestre em Engenharia Civil Banca examinadora: Lucila Chebel Labaki, Fernnado Oscar Ruttkay Pereira Data da defesa: 26/08/2005iv

Aos meus Paisv

Agradecimentos

Ao meu orientador Prof Dr.Paulo Sergio Scarazzato, pela orientao e pela confiana depositada no meu trabalho, Profa. Lucila, Profa. Rosana, Profa. Stellamaris pelo apoio e pela disponibilidade sempre demonstradas. Ao Prof. Dr. Ian R. Edmonds, ao Eng. Dr. Helmut Kster, empresa Okalux e empresa Siteco e Schott pelo fornecimento dos painis, livros e orientaes tcnicas. Fapesp pelo apoio financeiro. Ao Diretor do Faculdade de Engenharia Eltrica e de Computao, Christiano Lyra Filho, pelo espao cedido para o experimento e ao Eng. Joo Bertim pelas orientaes na construo dos prottipos. Aos tcnicos Obadias e Daniel pela preciosa ajuda na montagem do experimento. Ao Laboratrio Nacional de Luz Sncrotron pela possibilidade de uso das instalaes para reproduo dos painis. Ao amigo. Wendel pela amizade e colaborao. E ao Antonio, pelo incentivo, amor e infindveis explicaes de fsica.

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Sumrio

Lista de Figuras.................................................................................................... xi Lista de Tabelas ............................................................................................... xxix Lista de Smbolos............................................................................................. xxxi Resumo........................................................................................................... xxxiii Abstract ........................................................................................................... xxxv Captulo 1 Introduo ......................................................................................................1 1.1 Estrutura da Dissertao.................................................................................5 Captulo 2 Objetivos ........................................................................................................7 2.1 Objetivo Geral .................................................................................................7 2.2 Objetivos Especficos ......................................................................................8 Captulo 3 Reviso Bibliogrfica ......................................................................................9 3.1 O Espectro Luminoso....................................................................................10 3.1.1 A Radiao Solar.............................................................................11 3.2 Interao da Luz com Matria .......................................................................12 3.2.1 Difrao ...........................................................................................14 3.2.2 ptica Geomtrica...........................................................................15 3.3 Disponibilidade de Luz Natural......................................................................21x

3.3.1 Luz Direta: Movimentos Aparentes do Sol ...................................... 22 3.3.2 Determinao da Trajetria Solar.................................................... 26 3.3.3 Luz Difusa ....................................................................................... 34 3.3.4 Modelo de Cu Encoberto............................................................... 37 3.3.5 Modelo de Cu Claro ...................................................................... 41 3.3.6 Modelo De Cu Parcialmente Nublado ........................................... 42 3.3.7 Modelo Padro CIE/ISO 2004 ......................................................... 44 3.3.8 Determinao da Iluminncia .......................................................... 49 3.3.9 Anlise dos Dados .......................................................................... 52 3.4 Funo das Aberturas Laterais..................................................................... 53 3.5 Dispositivos de Redirecionamento................................................................ 56 3.5.1 Brises .............................................................................................. 58 3.5.2 Okasolar .......................................................................................... 67 3.5.3 Koster Louvres ................................................................................ 70 3.5.4 Perfis RETROLux............................................................................ 72 3.5.5 RETROLuxTherm............................................................................ 77 3.5.6 RETROFLEX................................................................................... 81 3.5.7 Materiais Transparentes Isolantes .................................................. 84 3.5.8 Painis Prismticos ......................................................................... 87 3.5.9 Filmes Prismticos .......................................................................... 98 3.5.10 Sistema Huppe.............................................................................. 98 3.5.11 Laser Cut Panel............................................................................. 99 3.5.12 Channel Panel............................................................................. 105 3.5.13 Light Guiding Shade.................................................................... 107 3.5.14 Filmes Hologrficos..................................................................... 108 3.5.15 Serraglaze ................................................................................... 110 3.5.16 Prateleira de Luz ......................................................................... 117 3.5.17 Sistemas Anidlicos .................................................................... 124 3.5.18 HELIOSTATOS ........................................................................... 126 3.5.19 DUTOS DE LUZ .......................................................................... 128 Captulo 4 Metodologia ............................................................................................... 131xi

4.1 Mtodo Experimental ..................................................................................132 4.1.1 Descrio do Experimento.............................................................133 4.1.2 Sistema de Medio ......................................................................140 4.2 Mtodo de Predio ....................................................................................152 4.2.1 Laser Cut Panel .............................................................................153 4.2.2 Painis Prismticos .......................................................................159 4.2.3 Brises.............................................................................................160 Captulo 5 Resultados .................................................................................................163 5.1 Laser Cut Panel 0 ......................................................................................164 5.1.1 Fotos Internas................................................................................168 5.2 Laser Cut Panel 9 ......................................................................................169 5.2.1 Fotos Internas................................................................................171 5.3 Laser Cut Panel 12 ....................................................................................172 5.3.1 Fotos Internas................................................................................175 5.4 Channel Panel.............................................................................................175 5.5 Prismatic Panel ...........................................................................................179 5.5.1 Fotos Internas................................................................................182 5.6 RETROLux..................................................................................................183 5.6.1 Fotos Internas................................................................................185 5.7 RETROLuxTherm........................................................................................187 5.7.1 Fotos Internas................................................................................189 5.8 RETROFlex .................................................................................................189 5.8.1 Fotos Internas................................................................................191 5.9 OKASOLAR ................................................................................................192 5.9.1 Fotos Internas................................................................................195 5.10 TRANSPARENT ISOLATED MATERIAL ..................................................195 5.11 Micro Sun Shielding Louver ......................................................................199 5.12 Combisol ...................................................................................................202 5.13 Mdias Mensais ........................................................................................204 5.13.1 Painis do Grupo 1 ......................................................................205 5.13.2 Painis do Grupo 2 ......................................................................213xii

Captulo 6 Concluses ................................................................................................ 219 6.1 Ferramenta de Predio ............................................................................. 220 6.2 Sistema de Aquisio de Dados ................................................................. 220 6.3 Avaliao do Desempenho dos Modelos.................................................... 221 6.4 Limitaes................................................................................................... 222 6.5 Consideraes Finais ................................................................................. 222 6.6 Perspectivas ............................................................................................... 224 Referncias ................................................................................................................. 226 I. Anexo I - A Estrutura do Olho................................................................................... 237 I.1.1 A Viso........................................................................................... 241 I.2 Grandezas Fotomtricas.............................................................................. 243 I.2.1 O Fluxo Luminoso .......................................................................... 244 I.2.2 Intensidade Luminosa .................................................................... 245 I.2.3 Iluminncia ..................................................................................... 246 I.2.4 Luminncia ..................................................................................... 251 I.3 Ofuscamento ............................................................................................... 253 I.3.1 ndices de Desconforto para o Ofuscamento ................................. 255 II. Anexo II - Circuito Eletrnico ................................................................................... 260 Programa de Aquisio..................................................................................... 268

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Lista de Figuras

Figura 3.1 - Espectro das cores, cada comprimento de onda monocromtico percebido pelo olho como uma cor. Fonte: OVERHEIM, 1982..............................11 Figura 3.2 - Interao da luz com a matria. A soma das trs componentes, refletida () absorvida () e transmitida () representa 100% da luz incidente. Fonte: modificado de CHAVES, 2001 .................................................................................................13 Figura 3.3 - Difrao, experimento com interferncia de ondas. Fonte: Adaptado de SOBEL, 1987.........................................................................................................14 Figura 3.4 - Diferentes reflexes em funo das propriedades do material. Fonte: CHAVES, 2001 ......................................................................................................16 Figura 3.5 - Para planos horizontais o complementar do ngulo de incidncia () ser igual ao complementar do ngulo de reflexo (). Ao inclinar o plano de um ngulo ()Fonte: CHAVES, 2001.......................................................................................17 Figura 3.6 (a) Reflexo e refrao. (b) diferena de ndice de refrao (n1n2). Fonte: CHAVES, 2001............................18 Figura 3.7 - Diferena Angular na refrao (CHAVES, 2001)........................................19xiv

Figura 3.8 Reflexo Interna Total. .............................................................................. 20 Figura 3.9 - O formato da parbola permite focar a luz em um nico ponto. ................ 21 Figura 3.10 Trajetria aparente do Sol em relao Terra. A inclinao ( )entre a Ecltica e o Equador celeste determina solstcios e equincios. Fonte: KSTER, 2004 ...................................................................................................................... 24 Figura 3.11 - (a) Durao dos dias e noites para Equincios de Primavera e Outono (respectivamente esquerda) e solstcio de inverno e vero (respectivamente direita) ................................................................................................................... 25 Figura 3.12 - Trajetria aparente do sol no equador e no plo norte ........................... 25 Figura 3.13 (A) Plano de projeo tangente ao plo.(B). Projeo Ortogrfica do globo terrestre . (C) Projeo Ortogrfica da trajetria Solar. Fonte: www.3dsoftware.com/Cartography/USGS/MapProjections/Azimuthal/Orthographic .............................................................................................................................. 28 Figura 3.14 Projeo Eqidistante horizontal ............................................................. 28 Figura 3.15 (a) Diagrama para obteno da projeo estereogrfica. (b)Reta projetante que liga o ponto a ser projetado (A, B, C) ao Nadir, gerando os pontos projetados (A,B,C) no plano de projeo (c) Carta Solar na projeo estereogrfica horizontal. Fonte: SNYDER, 1987 ................................................. 30 Figura 3.16 Projeo Gnomnica Horizontal.............................................................. 31 Figura 3.17- Projeo Estereogrfica dos percursos aparentes do sol para latitude 22,9, com sobreposio do transferidor horizontal. Fonte: www.labeee.ufsc.br/software/luzDoSol ................................................................. 32 Figura 3.18 Distribuio de nuvens em Campinas de maro outubro. Fonte: do autor .............................................................................................................................. 36 Figura 3.19 - Cu claro variao de luminncia na abobada celeste. Fonte: HERNANDES-ANDRES, 2003.............................................................................. 36 Figura 3.20 - Cu homogneo, a luminncia no varia com parmetros geomtricos como altura e azimute, cu de Campinas em 06/06/05. Fonte: ROBBINS, 1986 . 38xv

Figura 3.21 - Figura cu uniforme, luminncia no znite 3 vezes maior que no horizonte, cu de Campinas em 06/06/05. Fonte: ROBBINS, 1986.......................................38 Figura 3.22 Influencia da luminncia da abobada celeste. Fonte: Modificado de ANDERSEN, 2004.................................................................................................40 Figura 3.23 - ngulos azimutais e zenitais. Fonte: ANDERSEN, 2004 .........................41 Figura 3.24 - a) Cu claro, 12h , 09/2005,Campinas b) mapa de contornos da radincia normalizada c) sobreposio dada pelo mapa de contorno. Fonte: HARRISON e COOMBES, 1988 ..................................................................................................42 Figura 3.25 - :ngulos zenitais e azimutais que definem a posio do sol e de um elemento no cu. Fonte: ISO 15469:2004 .............................................................45 Figura 3.26- Hemisfera de raio unitrio e sua projeo no plano horizontal ..................49 Figura 3.27 Princpio do ngulo Slido Projetado Fonte: ABNT 2005 ........................50 Figura 3.28 - Subdiviso da abbada celeste em 220 zonas (projeo estereogrfica). ...............................................................................................................................51 Figura 3.29 - Coordenadas do sol e de um ponto P no cu...........................................51 Figura 3.30 Grfico de Isoluminancias. Fonte: TORRICELLI, SALA e SECCHI, 199553 Figura 3.31 Lei do inverso do quadrado das distncias.................................................54 Figura 3.32 Queda da iluminncia com a distncia da janela. Fonte: BAKER e STEEMERS, 2002 .................................................................................................54 Figura 3.33 - Tipos convencionais de brises. Fonte: http://www.luxalon.com.br/...........58 Figura 3.34 a) brise convencional (b)- Primeiras inovaes (c) sistema triangular. Fonte: WILLFRIED, 2005..................................................................................................61 Figura 3.35 - Brise com perfil triangular (a) Perfis sobrepostos (b)Seo dos Perfis (c) Perfis Rotacionados em funo do eixo de simetria (S). Fonte: BARTENBACH, 1987. DIGERT, 2001. ............................................................................................62 Figura 3.36 - Reflexes nos panos de vidro duplos, causadas pelos brises so fonte de ofuscamento. Fonte:KSTER, 2001 ...................................................................65xvi

Figura 3.37 Seo transversal de uma lamela. Comportamento dos feixes incidentes. .............................................................................................................................. 65 Figura 3.38 - Comportamento do perfil cncavo para alturas solares maiores (a) e menores (b). Fonte: KSTER, 2001 ..................................................................... 66 Figura 3.39 - Vista externa e interna do edifcio sede da Empresa Schrodt, em Iserlohn, Alemanha, do arquiteto Martin Schrodt. Fonte: OKALUX, 2002............................ 68 Figura 3.40 - (a) Brises convencionais geram ofuscamento se posicionados horizontalmente. (b) rotacionados para proteger da radiao solar do vero no permitem vista para o exterior. (c) o novo perfil Okasolar permite uma maior transparncia, garantindo uma proteo solar, permitindo que os brises permaneam abertos mesmo no vero. Fonte: KSTER, 2004 ........................... 69 Figura 3.41 - Dispositivo OKASOLAR, da empresa OKALUX. Fonte: www.okalux.de.. 69 Figura 3.42 - Perfil do Okasolar, (a) desenho esquemtico do redirecionamento da radiao solar direta. Fonte: OKALUX, 2002. ....................................................... 70 Figura 3.43 - Brises convencionais bloqueio da viso para garantir a proteo solar. Rotacionando obtm-se maior proteo de maiores angulaes, garantindo visibilidade. Fonte: KSTER, 2004 ....................................................................... 71 Figura 3.44 RETROLux. A inclinao da segunda poro do perfil determina a visibilidade e o ngulo de reflexo. Fonte: KSTER, 2004................................... 71 Figura 3.45 - Seo lateral do brise. Fonte: KSTER, 2001......................................... 72 Figura 3.46 - (a) perfil convencional possui boa visibilidade, mas cria ofuscamento. (b) Ao rotacionar o perfil convencional reduz-se a transparncia e os nveis de iluminao (c) Ao dividir o perfil em duas pores melhora-se a transparncia (d) Com a geometria elaborada aumenta-se a transparncia ao mesmo tempo que garante-se a proteo da radiao para maiores angulaes solares Fonte: KSTER, 2004...................................................................................................... 73 Figura 3.47 - Figura lamelas (a) a poro dentada do perfil, retro-reflete feixes de angulaes solares maiores que 45. (b) Perfil O, reflete a radiao para ngulosxvii

prximos da horizontal, como resultado os feixes penetram no ambiente em profundidade. (c) Perfil U reflete a radiao para ngulos prximos da normal, evitando o ofuscamento em alturas inferiores a 1,90m. Fonte: KSTER, 2004...74 Figura 3.48 - Esquema explicativo do funcionamento combinado dos perfis O e W. ....75 Figura 3.49 - Redirecionamento dos feixes com os diferentes perfis. Fonte: KSTER, 2004.......................................................................................................................75 Figura 3.50 - Curvas de distribuio da intensidade para um RetroLux O para uma altura solar de 30 e Azimute 0. Em (A) a elevao. Em (B) a planta baixa. Fonte: KSTER, 2004 ......................................................................................................76 Figura 3.51 - Curvas de distribuio da intensidade para um RetroLux O para uma altura solar de 30 e Azimute 30. Em (A) a elevao. Em (B) a planta baixa. Fonte: KSTER, 2004 ......................................................................................................76 Figura 3.52 Perfis de Retroluxtherm, O e U, respectivamente. Fonte: KSTER, 2004 ...............................................................................................................................78 Figura 3.53 - Painis na parte superior e inferior da abertura, com um espao livre na altura do observador. Fonte: KSTER, 2004 ........................................................78 Figura 3.54 Office for monument preservation em Esslingen do arquiteto Odilo Reutter.. .................................................................................................................79 Figura 3.55 - (a) Redirecionamento dos feixes incidentes para os perfis RETROLux U (b) RETROLuxTherm O e (c) RETROLuxTherm U. Fonte: KSTER, 2004 ..........79 Figura 3.56 - Simulao mostra o comportamento de dois conjuntos de brises RETROLux, O e U perfil O e U, no grfico so mostrados a incidncia solar, a radiao difundida para o interior e a radiao retro-refletida. Nos grficos aparece a porcentagem da energia radiante transmitida em funo do ngulo de incidncia, Fonte: KSTER 2004. ...........................................................................................80 Figura 3.57 - Simulao mostra o comportamento de dois conjuntos de brises RETROLuxTherm perfil O e U, no grfico so mostrados a incidncia solar, a radiao difundida para o interior e a radiao retro-refletida. Nos grficos aparecexviii

a porcentagem da energia radiante transmitida em funo do ngulo de incidncia, Fonte: KSTER 2004. .......................................................................................... 81 Figura 3.58 - (a) Mombino hight-rise Zurique Arquitetos Heinz Zimmerman e Rolf Lauppi. (b) perfil RETROFlex. Fonte: KSTER, 2004 .......................................... 82 Figura 3.59 - Figura (a) planta baixa e vista de perfis verticais para fachadas leste e oeste. (b) planta baixa e vista de perfis verticais duplos, para fachada norte. Fonte: KSTER, 2004...................................................................................................... 83 Figura 3.60 - Desenho esquemtico de um perfil convencional e do RETROFLEX...... 83 Figura 3.61 Retro-reflexo para um RETROFLEX na posio Horizontal. Fonte: KSTER, 2004...................................................................................................... 84 Figura 3.62 - Painel de OKALUX entre vidros. Fonte: KALTENBACH, 2004. ............... 85 Figura 3.63 - (a) esquema de funcionamento. (b) detalhe do funcionamento para capilares retos e inclinados (c). Fonte: OKALUX, 2002b ...................................... 86 Figura 3.64 - (a) permeabilidade ao UV. (b) Decaimento das iluminncias em funo da distncia ................................................................................................................ 86 Figura 3.65 - Politechnic Temasek. Fonte: OKALUX, 2002b......................................... 87 Figura 3.66 - (a) Painis prismticos. (b) Sistema triangular de painis prismticos. (c) Painis prismticos dispostos em forma de brises. Fonte: www.bominsolar.com. 88 Figura 3.67 - (a)Painis Prismticos para iluminao lateral. (b) A painis para iluminao zenital. Fonte: www.bomin solar.de..................................................... 89 Figura 3.68 - Comportamento do feixes ao incidirem no prisma. (a) 1- Refrao dos feixes na passagem de meios com ndices de refrao diferentes (ar/acrlico e acrlico/ ar). 2 - Reflexo interna total, com ngulo de incidncia igual ao ngulo de reflexo. 3-Refrao, reflexo interna total e nova refrao nas superfcies do prisma mudam a direo do feixe. (b) 4- Raios sofrem diversas refraes no interior do prisma e reflexo interna total. (c) Ao incidirem no prisma os feixes sofrem disperso, assim os diferentes comprimentos de ondas so refratados com ngulos diferentes. Fonte: KSTER, 2004 ........................................................... 91xix

Figura 3.69 - esquerda, painel prismtico, a direita, desenho esquemtico do posicionamento dos painis prismticos ( LORENZ 1998)....................................92 Figura 3.70 Inclinao do eixo longitudinal dos prismas em relao ao eixo horizontal, em funo da latitude azimute da abertura. Fonte: LORENZ, 2001 ......................92 Figura 3.71 - Trajetria dos feixes incidindo sobre o painel prismtico. Fonte: LORENZ, 2001.......................................................................................................................93 Figura 3.72 - Perodo de radiao excludo do interior em funo da declinao solar . Fonte:www.siteco.de .............................................................................................95 Figura 3.73 - Foto e esquema do Sistema Huppe. Fonte: KOSTER, 2004....................99 Figura 3.74 (a) Vista de um Painel de Corte a Laser em instalao tipo veneziana. 100 Figura 3.75- (a) Corte transversal de um LCP. (b) Elevao da luz defletida em funo do ngulo de incidncia. Fonte: EDMONDS, 1991..............................................101 Figura 3.76 Direo dos feixes que determina os ngulos mximos e mnimos da faixa angular para a qual toda a luz defletida. Fonte: EDMONDS 1991a..................103 Figura 3.77 Frao da luz defletida para o um elemento retangular =0 e para inclinadas =7, para diferentes padres geomtricos de altura e espessura do painel (D/W). Fonte: Edmonds, 1991...................................................................104 Figura 3.78 - Intervalo angular para o qual 100% da radiao defletida para o interior do ambiente com D= 4mm e W=10mm. Fonte: do autor. ....................................105 Figura 3.79 Vista de um canto do Channel Panel, mostrando as duas placas de acrlico sobrepostas, com suas respectivas lamelas reflexiva .............................106 Figura 3.80 Funcionamento do Channel Panel para diferentes alturas solares........106 Figura 3.81 - Light Guiding Shade. Fonte: EDMONDS e GREENUP, 2002 ................107 Figura 3.82 - Brise de vidro com filme hologrfico Daylight Guidance Systems, David Carter Society of Light and Lighting, East Anglia Region 2004. Fonte: KOSTER, 2004.....................................................................................................................109

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Figura 3.83 - A esquerda sistema Serraglaze. High-Performance Commercial Building Faades. A direita, corte esquemtico do funcionamento dos vazios................ 110 Figura 3.84 - Esquema de montagem de placas acrlicas sobrepostas, formando o dispositivo. Fonte: http://www.serraglaze.redbus.co.uk....................................... 111 Figura 3.85 - Possveis desenhos do dispositivo em funo dos diferentes desempenhos luminosos a serem alcanados. Fonte: http://www.serraglaze.redbus.co.uk .................................................................... 112 Figura 3.86 - A esquerda, Corte de um painel simples e sobreposio de dois painis, formando o dispositivo de iluminao natural. A direita, Detalhe em escala aumentada do SERRAGLAZE. Fonte: MILNER, 2002........................................ 113 Figura 3.87 - Representao dos feixes incidentes no painel para uma placa simples e para uma placa composta. Fonte: MILNER, 2002............................................... 114 Figura 3.88 - Placas com encaixe triangular. Fonte: MILNER, 2002........................... 116 Figura 3.89 -A, B, C, D, E Diferentes formas de aplicao para os painis de SERRAGLAZE. Fonte: MILNER, 2002................................................................ 116 Figura 3.90 - (a) Corte esquemtico de uma Prateleira. (b) Tipologias de prateleiras de luz. Fonte: IEA, 2000.......................................................................................... 118 Figura 3.91 - Prateleira de luz com filme refletivo. Fonte: BOER, 1995 ...................... 122 Figura 3.92 - Vista de uma abertura sem prateleira de luz, com uma prateleira pintada em branco e com um pelcula refletiva. Fonte: BELTRAN, 1994 ........................ 123 Figura 3.93 - Sistemas anidlicos no Aeroporto Internacional de Zurique. Fonte: do autor. ................................................................................................................... 124 Figura 3.94 - Corte esquemtico de um sistema anidlico. Fonte: WELFORD e WINSTON, 1989 ................................................................................................. 125 Figura 3.95 - Corte esquemtico de um sistema anidlico com coletor zenital. .......... 126 Figura 3.96 - Heliostato. Fonte: http://www.bartenbach.com....................................... 127

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Figura 3.97 - Rodoviria de Bushof Aachen Fonte: http://www.bominsolar.de/bushof_aachen.htm................................................................................127 Figura 3.98 - Duto de luz com cobertura altamente refletiva. Duto Prismtico. Fonte: IEA, 2000 .............................................................................................................128 Figura 3.99 - Dutos horizontais e verticais. Fonte: IEA, 2000 ......................................129 Figura 3.100 (esquerda) Desenho esquemtico de dutos com lentes. (direita) Duto oco com ranhuras prismticas. Fonte: COBB, 1989............................................129 Figura 4.1 - Vista Area da Faculdade de Engenharia Eltrica (FEEC) onde os modelos em escala foram instalados. A caixa dgua de quatro andares onde o experimento foi realizado garante um ambiente de medio livre de obstruo. Fonte: do Autor .............................................................................................................................134 Figura 4.2 - (A) Face norte dos prottipos, vista da Avenida Albert Einstein, em direo da entrada principal. (B) Face oeste, vista da Avenida Albert Einstein em direo Faculdade de Engenharia Agrcola. Fonte: do Autor ...........................................134 Figura 4.3 - Foto dos 4 prottipos sobre a laje da caixa d gua do bloco E da FEEC, 135 Figura 4.4 Planta baixa do modulo, com as distncias do sensores. Fontr: do Autor .............................................................................................................................136 Figura 4.5 (A) Planta baixa do prottipo, em vermelho os sensores internos e externo. .............................................................................................................................136 Figura 4.6 - Espectro de transmisso do vidro comum utilizado..................................137 Figura 4.7 Imagem do entorno do mdulo, sobre a laje da caixa d gua do bloco E da FEEC. ..................................................................................................................138 Figura 4.8 - Painel prismtico, Micro Sun Shielding Louvre, Combisol, RETROLux, RETROFlex, RETROLuxTherm, TIM, Laser Cut Panel, 0 12, Channel Panel e Okasolar W. Fonte: do Autor ..............................................................................139 Figura 4.9 - LDR de CdS utilizado no sistema de medio. Fonte: www.selcoproducts.com ......................................................................................140

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Figura 4.10 - Resposta espectral do sensor de CdS. Fonte: www.selcoproducts.com141 Figura 4.11 - Curva de resposta caracterstica do LDR. Fonte: www.selcoproducts.com ............................................................................................................................ 141 Figura 4.12 - Instrumentos para calibrao do sistema- A) Luxmetro Minolta B) Multmetro Radio Shack. C) Halopin 60W OSRAM. ......................................... 142 Figura 4.13 - Grfico de calibrao, Lux em funo de Ohms .................................... 143 Figura 4.14 - Efeito co-seno medido para u luxmetro e para o LDR. ......................... 143 Figura 4.15 Monocromador utilizado. ....................................................................... 144 Figura 4.16 - Montagem com lmpada, monocromador, divisor de tenso, conversor analgico digital e CPU, para obter a curva que representa a resposta experimental da sensibilidade do LDR. ............................................................... 147 Figura 4.17 - Resposta espectral em volts medida experimentalmente para o LDR e para o detector de Silcio..................................................................................... 147 Figura 4.18 - Curva da resistncia em funo do Comprimento de onda ................... 148 Figura 4.19 - Respostas normalizadas proporcionais a intensidade de luz incidente sobre o LDR e Silcio (Resposta Experimental) .................................................. 150 Figura 4.20 - Curva de resposta do detector de silcio. Fonte: www.newport.com...... 150 Figura 4.21 - Resposta Espectral do LDR, do silcio e do olho humano (curva fotptica). ............................................................................................................................ 151 Figura 4.22 Legenda para a tabela de alturas e azimutes solares .......................... 152 Figura 4.23 - Primeira Planilha. Entrada de dados, dimenses do mdulo e posio Solar.................................................................................................................... 154 Figura 4.24 Deflexo da luz no interior dos mdulos, em funo do Horrio. Funcionamento do LCP para diferentes , no solstcio de vero e inverno para a latitude de Campinas........................................................................................... 155

xxiii

Figura 4.25 - ngulos solares incidentes e de reflexo interna em Campinas para =0(A) e =2 (B) e =9 (C) e =12 (D).(Os ngulos so descriminados na planilha). ..............................................................................................................157 Figura 4.26 - Frao defletida. (a) a curva vermelha mostra a frao defletida para =0 e a curva Azul para =2, em funo da incidncia solar. (b) A curva vermelha mostra a frao defletida para =0 e =12 .......................................................158 Figura 4.27 - Inclinao do painel prismtico (w) em funo da variao do azimute, para latitudes 22 49 Sul (Campinas) e norte. ....................................................160 Figura 4.28 - Funcionamento das lamelas achatadas e curvas...................................161 Figura 5.1 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro.....165 Figura 5.2 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril........166 Figura 5.3 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.......166 Figura 5.4 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho......166 Figura 5.5 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho. ......167 Figura 5.6 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu encoberto em maro. .............................................................................................................................167 Figura 5.7 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu encoberto em abril.168 Figura 5.8 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita)........................................................................168 Figura 5.9 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro.....170 Figura 5.10 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril......170 Figura 5.11 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....170 Figura 5.12 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho....171 Figura 5.13 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro............................................................................................171

xxiv

Figura 5.14 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita) ....................................................................... 172 Figura 5.15 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 173 Figura 5.16 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 173 Figura 5.17 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio. ... 173 Figura 5.18 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho. .. 174 Figura 5.19 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro. .......................................................................................... 174 Figura 5.20 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em junho............................................................................................. 174 Figura 5.21 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita) ....................................................................... 175 Figura 5.22 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 176 Figura 5.23 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 176 Figura 5.24 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio. ... 177 Figura 5.25 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho. .. 177 Figura 5.26 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro. .......................................................................................... 177 Figura 5.27 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em junho............................................................................................. 178 Figura 5.28 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 180 Figura 5.29 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 180 Figura 5.30 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio. ... 180 Figura 5.31 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho. .. 181 Figura 5.32 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho..... 181

xxv

Figura 5.33 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente nublado em maro.............................................................................................................181 Figura 5.34 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em abril. ..............................................................................................182 Figura 5.35 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita)........................................................................182 Figura 5.36 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....184 Figura 5.37 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho....184 Figura 5.38 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho. ....184 Figura 5.39 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maio. .............................................................................................185 Figura 5.40 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita)........................................................................185 Figura 5.41 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....187 Figura 5.42 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maio. .............................................................................................188 Figura 5.43 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho....188 Figura 5.44 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho. ....188 Figura 5.45 Seqncia das imagens internas para 9:00h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita)........................................................................189 Figura 5.46 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....190 Figura 5.47 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maio. .............................................................................................190 Figura 5.48 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho....190 Figura 5.49 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho. ....191

xxvi

Figura 5.50 Seqncia das imagens internas para 9:20h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita) ....................................................................... 191 Figura 5.51 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 192 Figura 5.52 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro. .......................................................................................... 193 Figura 5.53 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 193 Figura 5.54 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em abril............................................................................................... 193 Figura 5.55 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio. ... 194 Figura 5.56 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maio.............................................................................................. 194 Figura 5.57 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho..... 194 Figura 5.58 Seqncia das imagens internas para 9:20h, 10:30h, 12:00h, 13:30h e 15:00h (da esquerda para direita) ....................................................................... 195 Figura 5.59 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 196 Figura 5.60 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 197 Figura 5.61 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio. ... 197 Figura 5.62 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho. .. 197 Figura 5.63 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro. .......................................................................................... 198 Figura 5.64 - Iluminncias normalizados para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em abril............................................................................................... 198 Figura 5.65 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maio.............................................................................................. 198 Figura 5.66 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro. . 200 Figura 5.67 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em abril. .... 200xxvii

Figura 5.68 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....201 Figura 5.69 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em junho....201 Figura 5.70 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro............................................................................................201 Figura 5.71 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em abril. ..............................................................................................201 Figura 5.72 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maro...202 Figura 5.73 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em maio.....203 Figura 5.74 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu claro em julho. ....203 Figura 5.75 - Iluminncias normalizadas para um dia tpico de cu parcialmente encoberto em maro............................................................................................203 Figura 5.76 Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Maro, para os painis de vidro comum, LCP 0, 9, 13 e Chanel Panel.....................................................205 Figura 5.77 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Abril, para os painis de vidro comum, LCP 0, 9, 13 e Channel Panel ...........................................................206 Figura 5.78 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Maio, para os painis de vidro comum, LCP 0, 9, 13 e Channel Panel ...........................................................207 Figura 5.79 Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Junho, para os painis de vidro comum, LCP 0, 9, 13 e Channel Panel, RetroLux, Retroflex e RetroLuxTherm .............................................................................................................................208 Figura 5.80 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Julho, para os painis de vidro comum, LCP 0, RetroLux, Retroflex e RetroLuxTherm ......................................209 Figura 5.81 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Maro, para os painis de vidro comum, LCP 0 9, 13 e Channel Panel..............................211 Figura 5.82 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Abril, para os painis de vidro comum, LCP 0 9, 13 e Channel Panel..............................212

xxviii

Figura 5.83 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Maio, para os painis de vidro comum, LCP 0, RetroLux, Retroflex e RetroLuxTherm....... 212 Figura 5.84 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Junho, para os painis de vidro comum, LCP 0, 9 e 13...................................................... 213 Figura 5.85 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Maro, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ............................................................ 214 Figura 5.86 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Abril, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ..................................................................... 215 Figura 5.87 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de Maio, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ..................................................................... 216 Figura 5.88 - Mdias Mensais para Cu Claro no ms de julho, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ..................................................................... 216 Figura 5.89 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Maro, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ...................................... 217 Figura 5.90 - Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Abril, para os painis de vidro comum, Combisol, Okasolar e TIM ...................................... 217 Figura 5.91 Mdias Mensais para Cu Parcialmente encoberto no ms de Maio, para os painis, Combisol, Okasolar e TIM................................................................. 218 Figura I.1 - Desenho esquemtico da estrutura do olho humano................................ 238 Figura I.2 - Absoro dos bastonetes e dos trs tipos de cones como funo do comprimento de onda. Fonte: BOWMAKER e DARTNALL, 1980....................... 241 Figura I.3 - Viso Fotptica e Escotptica - Comportamento do coeficiente de visibilidade em funo do comprimento de onda da radiao monocromtica. Fonte: LO GIUDICE, 1999 .................................................................................. 243 Figura I.4 - Desenho esquemtico onde a Intensidade luminosa dada pelo fluxo luminoso () em funo do ngulo em esferoradiano obtido dividindo-se a rea projetada pelo raio ao quadrado. Fonte: modificado de www.squ1.com ............. 245

xxix

Figura I.5 - Fluxo luminoso incidente sobre uma superfcie unitria. Fonte: www.squ1.com ....................................................................................................247 Figura I.6 - Iluminncia no plano a) horizontal e b) vertical. Fonte: GIUDICE e SANTOLI, 1999b...................................................................................................................248 Figura I.7 - (a) A rea A2 vista em sua totalidade pelo observador, isto porque a normal do plano, coincide com o ngulo de viso do observador. (b) Na medida em que o plano inclinado forma-se um ngulo entre a normal do plano e o ngulo de viso do observador (), desta forma a rea A2=A1cos . Fonte: LO GIUDICE, 1999.....................................................................................................................249 Figura I.8 - Luminncia e as variveis esfricas relevantes. Fonte: ANDERSEN, 2004 .............................................................................................................................251 Figura I.9 - Nveis aceitveis de luminncias para cada ngulo de viso: (a) 2500cd/m2 (b) 1800cd/m2 (c) 1250cd/m2 (d) 850cd/m2 (e) 580cd/m2. Fonte: ROBBINS, 1986 .............................................................................................................................254 Figura I.10 - Ofuscamento em superfcies horizontais.................................................255 Figura I.11 - Magnitude da sensao, modelo de Steven. Fonte: STEVENS, 1946 ....257 Figura II.1 - Desenho esquemtico do circuito eletrnico. ...........................................260 Figura II.2 - Escolha do Canal, como o conversor analgico digital escolhe o canal que ser lido e faz a converso dos dados que entraram. Fonte: datasheet da Maxim. .............................................................................................................................261 Figura II.3 - Operador amplificacional qudruplo (LM324N). Fonte: Datasheet LM324N http://www.datasheetarchive.com/search.php?search=lm324n&sType=part ......262 Figura II.4 - Multiplexador CD4051B. Fonte: Datasheet Texas Instruments ................263 Figura II.5 - Divisor de Tenso.....................................................................................264 Figura II.6 - Valores mdios da iluminncia obtida no interior do modelo. As medies foram realizadas nos meses de Novembro a Fevereiro. A curva azul mostra a mdia dos valores medidos com o luxmetro. A curva rosa mostra a correo em funo do co-seno. ..............................................................................................266xxx

Figura II.7 - Circuito Eletrnico, renderizao com utilizao do software UTIBOARD266 Figura II.8 - Posicionamento dos componentes eletrnicos, vista superior................. 267 Figura II.9 - Posicionamento dos componentes eletrnicos, vista inferior................... 267

xxxi

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Comprimentos de onda para a sensao de Cor. Fonte: HECHT, 1998 ...11 Tabela 3.2 - Relao entre ndice de reflexo e o ndice de percepo do olho humano. Fonte: BIANCHI, 1991 ...........................................................................................13 Tabela 3.3 - Tabela ndices para classificao dos tipos de cu. Fonte: CIE 2004 - ISO 15469:2004............................................................................................................48 Tabela 4.1 - Altura solar e azimute para Campinas, os valores mostrados se referem ao perodo no qual foram realizadas as medies dos DIN nos prottipos montados na Unicamp..........................................................................................................153 Tabela I.1 - Quadro resumo das grandezas fotomtricas. ...........................................252 Tabela I.2 - Valores para fator de posio P. Fonte: HOPKINSON, LONGMORE e PETHERBRIDGE, 1966 ......................................................................................256 Tabela I.3 - ndices mximos (GI) permitidos de acordo com o uso de cada ambiente. Fonte: BAKER , FANCHIOTTI e STEEMERS, 1993 ...........................................256 Tabela II.1 - Controle dos bits pelo MAX186, funcionamento das linhas CS, CLK, DIN e DOUT com os bits correspondentes. Esta tabela mostra o significado do byte dexxxii

controle aplicado ao MAX186 para configurar o funcionamento. Fonte: datasheet da Maxim............................................................................................................. 261 Tabela II.2 - Seleo dos canais de entrada, combinao de bits que seleciona os canais de entrada que sero lidos pelo conversor analgico digital mostrando como se empregam os bits SEL2 SEL1 e SEL0, para selecionar os canais de entrada e os modo de sada simples. Fonte: datasheet da Maxim. ................... 261 Tabela II.3 - Transmisso de dados entre o operador amplificacional LM324N e o conversor analgico digital MAX186, de acordo com a montagem do circuito realizado.............................................................................................................. 262 Tabela II.4 - Seleo dos canais de entrada pelo multiplexador CD4051B, combinao de bits que seleciona os canais de entrada que sero lidos pelo CD4051B. Fonte: Datasheet Texas Instruments ............................................................................ 263 Tabela II.5 - Valores das resistncias de ganho (RG) do circuito................................ 265

xxxiii

Lista de Smbolos

k -

comprimento de onda fator de visibilidade potncia radiante coeficiente espectral de visibilidade fluxo luminoso intensidade luminosa ngulo slido elementar intensidade media esfrica iluminncia ngulo de rotao do plano 1 para o plano 2 luminncia velocidade da luz no vcuo (vazio) velocidade da luz num determinado meio ndice de refrao freqncia sensibilidade do olho ao vermelho em funo do comprimento de onda sensibilidade do olho ao verde em funo do comprimento de onda

P V -

-

Io E -

L c v n -

f -

x y xxxiv

z -

sensibilidade do olho ao azul em funo do comprimento de onda ngulo critico parmetros de gradao da luminncia azimute de um elemento no cu (sentido horrio, em radianos) azimute do sol (sentido horrio, em radianos) parmetros indicativos de espalhamento menor distncia angular entre um elemento do cu e o sol ( em radianos) funo indicativa do espalhamento funo da gradao do espalhamento ngulo de elevao de um elemento do cu acima do horizonte (radianos) Luminncia de um elemento do cu (cd/m2) Luminncia no znite (cd/m2) distncia angular entre um elemento do cu e o znite (radianos) distncia angular o sol e o znite

c a, b -

o s c, d, e -

f ( ) -

( ) -

La Lz -

s

xxxv

Resumo

A importncia desta pesquisa reside na avaliao quantitativa de diferentes dispositivos de iluminao natural, disponveis no mercado internacional, mediante a aquisio das iluminncias obtidas atravs de ensaios em prottipos. Este trabalho foi realizado com objetivo de verificar se a aplicao destes sistemas, restritos a sistemas de iluminao lateral, no territrio nacional trariam de fato alguma vantagem para as edificaes, no sentido de otimizar a iluminao natural obtida em ambientes profundos, em territrio brasileiro. As medies foram realizadas sob condio de cu real na cidade de Campinas, SP. A dissertao composta por trs etapas. A primeira, traz uma reviso dos princpios bsicos necessrios para o estudo das tecnologias utilizadas. Em seguida so apresentados alguns dispositivos de iluminao natural no cenrio internacional, identificando suas caractersticas e os princpios fsicos que determinam seu funcionamento. Na segunda etapa, mediante utilizao de planilhas eletrnicas, determinou-se, para cada painel, a posio e o desenho mais adequados latitude de Campinas para fachada norte. De acordo com estas especificaes foram solicitados, no exterior, os painis aos fabricantes.

xxxvi

Na terceira fase, com um sistema de medio de iluminncias, criado especialmente para esta tarefa, foram registradas as iluminncias obtidas no interior de quatro prottipos, construdos na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) utilizando-se os 12 diferentes painis doados por universidades e empresas estrangeiras. Os painis de iluminao natural foram acoplados abertura dos prottipos, localizada na fachada norte. As iluminncias obtidas com cada painel foram registradas de 8:00 as 18:00, de maro a julho. Para que todos os painis fossem medidos com condies de sol semelhantes foi realizado um rodzio de forma que a cada quatro dias todos os painis foram acoplados aos prottipos e suas iluminncias medidas ao longo do dia. Os dados so tratados de forma a obter valores mdios mensais das iluminncias, em funo da profundidade do ambiente, onde foram realizadas as medies para dias claros, encobertos e parcialmente encobertos. A partir da comparao dos dados obtidos experimentalmente procurou-se estabelecer quais dos dispositivos estudados, iluminam o ambiente de forma otimizada em relao a um vidro comum de 3mm, criando uma iluminao mais homognea ou conseguindo iluminncias maiores no fundo do ambiente. O estudo mostrou que todos os dispositivos poderiam facilmente ser adaptados ao clima luminoso de Campinas, para fachada norte, no entanto cada um destes dispositivos tem as suas limitaes e vantagens. Por fim uma soluo tima para alcanar um aproveitamento otimizado da luz natural dentro dos espaos, de acordo com os dispositivos estudados sugerido na concluso do trabalho. Palavras Chave: Iluminao Natural, medio de iluminncia

xxxvii

Abstract

The importance of this research relies on the quantitative evaluation of different daylighting devices, available in the international market, by means of acquiring the illuminance through models. This work was accomplished with objective of verifying the application of these systems, restricted to lateral illumination in national territory, if they would bring in fact some advantage for buildings, in the sense of optimizing the daylighting obtained in deep rooms, in Brazilian territory. The measurement has been made under real sky condition in the city of Campinas, SP. This thesis is composed of three stages. The first, brings a revision of the basic principles necessary for the study of the technologies used. Soon afterwards these daylighting devices in the international scene are presented, identifying their characteristics and the physical principles that determine its operation. In the second stage, by use of electronic spreadsheets, it was determined for each panel, the position and the most appropriate drawing for the latitude of Campinas for a North faade. In agreement with these specifications the panels were requested abroad from their manufacturers. In the third phase, with an illuminance measurement system, especially created for this task, the illuminance inside four prototypes were acquired, built in the Statexxxviii

University of Campinas (UNICAMP), using the 12 different panels donated by universities and foreign companies. The daylinghting panels were coupled to the opening of the prototypes, located in the north faade. The illuminance obtained with each of these panels was registered from 8:00 to 18:00, from March to July. So that all of the panels were measured with the similar sun conditions so that every four days all of the panels were coupled to the prototypes and their illuminance measured during the day. The data are treated to get monthly average values of the illuminances, as a function of the depth of the environment, where the measurements were accomplished for clear, partially cloudy and cloudy days. From the comparison of these data we establish which of the studied devices can achieve a better performance if compared with a standard clear glass panel, and which can obtain a homogeneous illumination or greater illuminances along the deep of the room. The study showed that all the devices could easily be adapted to the luminous climate of Campinas, for the north faade, however each one of these devices has their limitations and advantages. Finally a new solution is suggested to reach an optimized exploitation of daylight in interior spaces, in agreement with the results obtained in the conclusion of this work. Keyword: daylight, measurement of illuminance

xxxix

Captulo 1 Introduo

vertiginoso para atender as necessidades da humanidade, hoje estimada em seis bilhes e meio de pessoas. No entanto, o uso da energia, quer originada atravs de combustveis fsseis ou nucleares, ou atravs da explorao em grande escala da hidroeletricidade, tende a provocar srios danos ambientais e conseqncias de grande porte, como efeito estufa e a desertificao (BHM, 2003). Como conseqncia desta grande demanda vivenciamos um aquecimento global de diversos graus ao final do XXI sculo, de grande relevncia se comparado com as mudanas climticas ocorridas na ausncia da interferncia humana, durante milnios. Catstrofes como a de Dakha em 2005 e Nova Deli em 2005, tem mostrado o desequilbrio do meio ambiente. _____________________________________________________________Flavia Ciampini 1

N

o mundo contemporneo as atividades humanas representam um importante elemento nos mltiplos fatores que so responsveis pelas mudanas climticas. A demanda energtica tende a um crescimento

1 INTRODUO

Esta situao tem impulsionado o desenvolvimento de estratgias para obteno de edifcios sustentveis que procuram obter um impacto mnimo no ambiente, visando garantir a disponibilidade de recursos, a longo prazo. O uso da luz natural como fonte primria de luz, no decorrer do dia, parte integrante dos edifcios sustentveis porque a substituio da luz artificial pela natural, no perodo diurno, resulta em menor consumo anual de energia eltrica, economizando recursos e investimentos. Alm disto, devido prpria natureza da luz natural, composio espectral e variabilidade ao longo do dia, possvel criar um interior visualmente estimulante e saudvel e que portanto favorece a produtividade de seus usurios. Por fim mediante utilizao de dispositivos avanados de Iluminao natural possvel reduzir os horrios de pico do uso da energia, reduzindo os custos. No Brasil, j em 1985 surgiu, por parte do Poder Executivo Federal brasileiro, a preocupao com a conservao de eletricidade no pas, sendo institudo, ento o Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica, hoje Programa de Combate ao Desperdcio de Energia Eltrica PROCEL. No entanto, apenas a partir de 1998, diante de uma crise eminente, com a instalao da Agencia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL, responsvel pela gerao, transmisso, distribuio e comercializao da energia eltrica) criada uma Resoluo que obriga as concessionrias a investirem um mnimo de 1% de suas receitas operacionais lquidas em programas de eficincia energtica e de pesquisa e desenvolvimento. Em seguida, no ano 2000, impulsionados pela desacelerao das atividades econmicas por conta da crise energtica, uma lei (Lei 9991 de 24 julho 2000) aprovada no Congresso Nacional redefiniu a alocao desses recursos e criou um fundo Setorial de Energia (CT-ENERG) destinado a financiar aes de pesquisa e desenvolvimento e eficincia energtica, atravs Centro de Gesto e Estudos Estratgicos CGEE. No seu primeiro ano de existncia o CT-ENERG investiu cerca de R$ 52 milhes em projetos de P&D, a maior parte dos recursos apoiou projetos nas reas de energias renovveis, vistas como soluo para atendimento desse

_____________________________________________________________2 Dissertao de Mestrado

INTRODUO 1

crescimento da demanda energtica. Para o ano 2005, a verba prevista de R$ 80 milhes a serem investidos em pesquisa bsica e aplicada. Os prprios programas do PROCEL mostram que existem muitas formas pelas quais a conservao de energia pode ser otimizada. Uma delas a utilizao da energia solar como fonte de iluminao durante o dia; uma inovao tecnolgica com grande potencial de uso, mas pouco empregada at hoje. A luz solar apresenta grandes vantagens em relao a luz artificial. Alm de ser gratuita, limpa, e disponvel em quantidades fantsticas, com durao de alguns bilhes de anos, possui vantagens de carter ergonmico, luminotcnico, energtico e econmico. Produz alta iluminncia, permite uma excelente distino e percepo de cores, estas propriedades indicam que a luz solar fornece boas condies de viso. Alm disto, devido a prpria evoluo, o olho humano percebe como naturais os objetos iluminados pela luz solar. Estudos mostram que trabalhar num ambiente iluminado somente por luz artificial prejudicial sade e resulta em maior stress e desconforto (IEA, 2000). Para que a luz natural possa atingir de fato o objetivo e tornar uma edificao sustentvel necessria uma estratgia de integrao que envolve a localizao e a orientao da edificao, o desenho das aberturas, a integrao com o sistema de luz artificial e trmico alm da manuteno do conjunto. Um projeto que no avalie todos os fatores pode criar vrios inconvenientes, tais como o ofuscamento, devido reflexes intensas nas superfcies dentro do ambiente, desconforto devido a diferenas acentuadas de iluminao dentro dos espaos, alm de ganhos excessivos de calor e conseqente carga excessiva de ar condicionado. Um dos exemplos tpicos de m utilizao da luz natural pode ser verificada, a partir do sculo XX, naqueles edifcios que incorporaram o conceito das curtain walls; que procura neutralizar a massa do edifcio atravs dos panos de vidro nas fachadas. No Brasil, os inconvenientes decorrentes desta postura vo desde o excesso de luz at complicaes trmicas e energticas. Nos ltimos anos devido s constataes da m qualidade luminosa e trmica destes edifcios amplamente envidraados,3

_____________________________________________________________Flavia Ciampini

1 INTRODUO

intensificaram-se

os

estudos

das

caractersticas

quantitativas

e

qualitativas

(espectroscpicas) dos materiais utilizados na construo civil (ROY et al, 1995). Assim, como resposta necessidade de edificaes auto-sustentveis, que agridam menos o meio ambiente, buscando uma economia de energia, garantindo a substituio da iluminao artificial pela natural durante o perodo diurno, atendendo simultaneamente ao desejo de se erguer edifcios com invlucros transparentes, tem surgido, no exterior uma classe nova de produtos inovadores que potencializam o uso da luz solar nas edificaes (PEREZ, 1993). importante notar que no mercado internacional a demanda por este tipo de produto nas edificaes grande, a mais de 10 anos. Vrios destes materiais, alguns realmente novos, denominados de dispositivos de iluminao natural (DIN), trabalham redirecionando a luz incidente, evitando o ofuscamento, mantendo a transparncia do invlucro e permitindo que a luz natural seja explorada na edificao de maneira criativa. Manipulam a luz do sol atravs dos mecanismos de reflexo interna total, transmisso, refrao e difrao, utilizando-se da diferena da geometria das placas e da diferena entre os ndices de refrao dos materiais para o redirecionamento dos feixes solares. Estes sistemas so apropriados quando uma sala muito profunda para ser iluminada de maneira adequada por aberturas convencionais, que no conseguem fornecer uma luz uniforme ou apropriada para o desenvolvimento das tarefas. Em funo disto, este estudo se prope, para que sejam realizadas medies da iluminncia obtida com o uso de alguns destes dispositivos (DIN), pr-selecionados, sob condies de cu real, no territrio nacional. O objetivo da pesquisa verificar se estes sistemas seriam capazes de redirecionar a luz solar de forma a criar um ambiente bem iluminado, livre de ofuscamento ou interferncias, para as latitudes brasileiras.


INTRODUO ESTRUTURA DA DISSERTAO 1

1.1 Estrutura da DissertaoCom a finalidade de determinar o objetivo exposto acima, este trabalho foi subdividido em seis captulos, a bibliografia, e dois anexos, cujo contedo ser brevemente descrito a seguir. O primeiro captulo, Introduo, aborda em linhas gerais o problema a ser tratado ao longo desta pesquisa, a motivao e justificativa deste trabalho. O segundo captulo, Objetivos, traz os objetivos gerais especficos do estudo. No terceiro captulo, Reviso Bibliogrfica, apresenta-se uma reviso da literatura e um levantamento dos dispositivos de Iluminao natural desenvolvidos no exterior. Neste captulo so apresentados os princpios fsicos que explicam como cada dispositivo interage com a luz, e suas especificidades; so apresentados os modelos existentes para caracterizar a disponibilidade de luz natural e por fim a estratgia de anlise dos dados obtidos. O quarto captulo, Metodologia, trata da metodologia empregada para avaliar os diferentes DIN. A primeira etapa traz a simulao do comportamento dos painis, mediante o uso de planilhas eletrnicas. Com este procedimento possvel estimar o comportamento dos dispositivos e de acordo com estes dados so determinados o posicionamento e o formato dos DIN para garantir a adequao latitude local. A segunda etapa apresenta o mtodo experimental, onde est descrito o experimento realizado, e consta a instrumentao, a calibrao e o procedimento das medies para caracterizao das iluminncias horizontais em ambientes internos, com o uso dos DIN. No quinto captulo, Resultados, so graficados os resultados obtidos atravs das medies, realizadas ao longo do desenvolvimento da pesquisa. O comportamento estimado, no quarto captulo, ser comparado ao comportamento medido.

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1 INTRODUO ESTRUTURA DA DISSERTAO

No sexto captulo, Concluses, so resumidos os principais resultados e so feitas as consideraes finais, comentadas as limitaes e sugeridos trabalhos futuros as serem desenvolvidos. A BIbliografia, traz as referncias utilizadas neste trabalho, o Anexo I traz os conceitos bsicos de luminotcnica, o Anexo II traz a montagem do sistema de medio e o programa de aquisio de dados, em linguagem C, utilizados para a realizao das medies.


Captulo 2 Objetivos

2.1 Objetivo Geral

O

presente trabalho objetiva determinar, mediante o uso de alguns dispositivos de iluminao natural considerados tecnologicamente avanados, presentes no cenrio internacional, qual possui a maior

capacidade de redirecionar a luz natural para o interior dos ambientes, para a latitude de Campinas, S.P., em condies de cu claro, nublado e parcialmente nublado.

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2 OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECFICOS

2.2 Objetivos Especficos Levantamento dos dispositivos de iluminao natural presentes no exterior que se apresentam como solues tecnolgicas inovadoras, capazes de redirecionar a luz para o interior, sem no entanto prejudicar a transparncia do invlucro do edifcio. Clculo da posio e geometria dos dispositivos, com objetivo de otimizar a eficincia do sistema para uma fachada Norte, na latitude de Campinas, mediante utilizao de planilhas eletrnicas. Desenvolvimento de um sistema de medio simplificado e de um programa de aquisio de dados. Medio das iluminncias em prottipos com diferentes dispositivos, para fachada norte em condies climticas reais. Avaliao comparativa dos dispositivos, quanto ao desempenho luminoso, mediante anlise dos dados de iluminncia obtidos pelo sistema de medio, desenvolvido especialmente para esta pesquisa.


Captulo 3 Reviso Bibliogrfica

ausncia de ofuscamento e um espectro de cores que proporcione a olho humano uma boa renderizao das imagens. Para realizar uma avaliao objetiva dos DIN (Dispositivos de Iluminao Natural) necessrio conhecer as grandezas relacionadas iluminao natural, os parmetros que se refletem no desempenho luminoso de cada dispositivo, e os processos que envolvem a interao da luz com a matria. Em funo disto sero discutidos alguns conceitos de fotometria, que se ocupa da quantidade de energia radiante emitida por uma fonte, ou recebida por uma superfcie, em relao s sensaes produzidas no individuo atravs do olho.

N

ormalmente boas condies

de visibilidade so determinadas por

adequadas quantidades de luz sobre uma tarefa, distribuio e equilbrio de luminncias e iluminncias, direcionamento da luz, contraste adequado,

Flavia Ciampini

_____________________________________________________________9

2 REVISO BIBLIOGRFICA O ESPECTRO LUMINOSO

A fotometria moderna, elaborada no sculo XVIII comeou com os estudos de Bouguer em 1729 e Lambert em 1760. J nestas pesquisas percebeu-se que o olho tem a propriedade de ser influenciado no pela quantidade de energia radiante que incide sobre ele e sim pela relao desta com o tempo, ou seja da potncia dos feixes das radiaes incidentes. Os estudos, ento, evoluram para a medio das sensaes produzidas, por conjuntos de radiaes diversas, no somente como potncia, mas tambm como comprimento de onda (MONCADA, LO GIUDICE E VOLLARO 1999b).

3.1 O Espectro LuminosoA luz solar faz parte do espectro eletromagntico que compreende os mais diversos tipos de ondas desde os raios csmicos, os raios gama, os ultra-violetas, os infravermelhos e as ondas de radio e televiso, dentre outros. Cada um, destes tipos de onda, compreende um intervalo definido por uma magnitude caracterstica, que pode ser o comprimento de onda ( ) ou a freqncia (f). A relao entre ambas :

=

c f

(3.1)

onde c a velocidade da luz no vazio (c=3x108m/s). No entanto, a luz que chega aos nossos olhos e nos permite ver, um pequeno conjunto de radiaes eletromagnticas, de comprimento de onda compreendido entre 380nm e 780nm. Para cada comprimento de onda, na faixa do visvel, corresponde uma determinada sensao de cor. Enfileirando todas as radiaes monocromticas (visveis) com seus comprimentos e as respectivas cores percebidas, possvel construir o espectro das cores, (Figura 3.1). Portanto cada cor no espectro (sensao decifrada pelo olho) correspondente a uma radiao monocromtica (estmulo).


REVISO BIBLIOGRFICA

A RADIAO SOLAR 3

Desta forma uma onda monocromtica de 700nm ser interpretada pelo olho como sendo vermelho enquanto uma onda de 550nm ser verde. Na Tabela 3.1 possvel identificar os comprimentos de onda para a faixa do espectro visvel ao olho humano.

Figura 3.1 - Espectro das cores, cada comprimento de onda monocromtico percebido pelo olho como uma cor. Fonte: OVERHEIM, 1982

Tabela 3.1 - Comprimentos de onda para a sensao de Cor. Fonte: HECHT, 1998 Comprimento de onda 622 780 nm 597 622 nm 577 597 nm Cor Vermelho Laranja Amarelo Comprimento de onda 492 577 nm 455 492 nm 390 455 nm Cor Verde Azul Violeta

3.1.1 A Radiao SolarO espectro das cores, no entanto no compreende vrias cores, como por exemplo o branco, ou o marrom. Newton foi o primeiro a reconhecer que a luz branca uma mistura de todas as cores do espectro visvel e que no podia ser obtida pela _____________________________________________________________Flavia Ciampini 11

3

REVISO BIBLIOGRFICA

INTERAO DA LUZ COM A MATRIA

decomposio espectral realizada com o experimento do prisma. Isto porque as cores representadas pelo espectro so relativas a percepo de uma nica onda monocromtica de um determinado comprimento. No entanto, na natureza no existem radiaes monocromticas, portanto a luz natural vista, sempre uma mistura de radiaes em diferentes concentraes, que chegam ao olho. Cada cor , portanto, a resposta perceptiva do olho ao estmulo. Este estmulo equivalente a uma mistura das cores puras (vrias ondas monocromticas sobrepostas) e a curva espectral desta cor resultante da soma das curvas monocromticas que a compe. A luz do sol, por exemplo, uma mistura de radiaes monocromticas de diversos comprimentos que resulta numa cor, interpretada pelo olho, como branca. importante considerar que o olho atinge sua maior capacidade de renderizao da cor, quando os objetos so iluminados pela luz solar e que olho interpreta como normal exatamente as cores percebidas sob esta luz (HECHT, 1998).

3.2 Interao da Luz com MatriaPara obter um controle da luz natural no interior das edificaes mediante o uso de dispositivos, acoplados as aberturas, necessrio conhecer os diferentes mecanismos pelos quais a luz interage com a matria. Os mecanismos aqui avaliados sero a reflexo, refrao, a reflexo interna total e a difrao. Com estes mecanismos os dispositivos so capazes de manipular a luz solar de acordo com os nveis de iluminao que deseja-se atingir nos ambientes. Uma superfcie que receba luz pode absorver, refletir e transmitir quantidades de luz de acordo com suas propriedades fsicas. A soma das trs componentes, refletida () absorvida () e transmitida () ser sempre 1, ou seja 100% da luz incidente _____________________________________________________________12 Dissertao de Mestrado

REVISO BIBLIOGRFICA

INTERAO DA LUZ COM A MATRIA

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(Figura 3.2). O coeficiente de reflexo () o que influencia no brilho de uma superfcie, na Tabela 3.2 alguns coeficientes e sua relao com a sensao que causam ao olho humano.

Figura 3.2 - Interao da luz com a matria. A soma das trs componentes, refletida () absorvida () e transmitida () representa 100% da luz incidente. Fonte: modificado de CHAVES, 2001

Tabela 3.2 - Relao entre ndice de reflexo e o ndice de percepo do olho humano. Fonte: BIANCHI, 1991 Material Alumnio anodizado Pintura branca Reboco branco novo Alumnio escovado Reboco branco desgastado Painis acsticos brancos Pinho Madeiras acinzentadas Concreto novo Mogno e nogueira Tapete cinza Piso de carvalho gasto Tijolo vermelho Concreto gasto Tapete cinza escuro ndice de reflexo () 0.90 0.95 0.75 0.85 0.70 0.80 0.60 0.75 0.50 0.55 0.50 0.60 0.40 0.50 0.40 0.55 0.30 0.45 0.15 0.40 0.15 0.25 0.15 0.25 0.10 0.30 0.10 0.20 0.05 0.10 Muito Escuro Escuro Mdio Com Brilho Muito Brilho Percepo

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REVISO BIBLIOGRFICA DIFRAO

3.2.1 DifraoNa difrao, experimento com padres de interferncia, a luz entendida como onda e explicada pelo Princpio de Huygens: quando os pontos de uma abertura ou de um obstculo so atingidos pela frente de onda eles tornam-se fontes de ondas secundrias que mudam a direo de propagao da onda principal, contornando o obstculo. Para entender o comportamento da luz, Young elaborou um experimento realizado com um feixe de luz monocromtico, passando por um orifcio e incidindo sobre um anteparo (SOBEL,1987). Na Figura 3.3 as ondas incidentes atravessam os orifcios. No caso de um orifcio cujo tamanho da mesma ordem de grandeza que o comprimento de onda que o atravessa (c na Figura 3.4), ele funcionar como uma fonte de ondas circulares, como as ondas provocadas na superfcie de um lago ao ser atingido por uma pedra. Este fenmeno que ocorre denominado difrao. Desta forma o feixe incidente ao passar pelas beiradas do orifcio apresentar alargamento angular e linhas satlites direita e esquerda. Origina-se ento uma superposio de frentes de onda devido existncia de duas quinas. A sobreposio das ondas denomina-se interferncia, que pode ser construtiva ou destrutiva.

Figura 3.3 - Difrao, experimento com interferncia de ondas. Fonte: Adaptado de SOBEL, 1987

possvel entender claramente o resultados das interferncias ao observar o anteparo. Para um feixe de luz monocromtico (comprimento de onda 400nm) o resultado da interferncia destrutiva a ausncia de luz, representada pelos pontos escuros da figura difrao. J a interferncia construtiva cria pontos mais claros e com _____________________________________________________________14 Dissertao de Mestrado

REVISO BIBLIOGRFICA PTICA GEOMTRICA

3

maior intensidade como pode ser visto nos pontos mais claros do painel. Estes intervalos que com um feixe monocromtico aparecem escuros estariam preenchidos por outros comprimentos de onda se o feixe incidente fosse composto por mais de um comprimento de onda. Aparecendo portanto um arco ris se a luz incidente fosse branca. Normalmente difcil percebermos a difrao de ondas luminosas, a olho nu, porque os obstculos e aberturas em que a luz incide so normalmente bastante grandes em relao ao seu comprimento de onda. No entanto existem dispositivos de iluminao natural (principalmente pelculas) que trabalham com este princpio, e so aqueles que envolvem holografia.

3.2.2 ptica GeomtricaA ptica geomtrica o conjunto de fenmenos pticos nas situaes em que os efeitos de difrao so desprezveis. Nestas condies os feixes so considerados paralelos e sua trajetria uma linha reta, sendo que os feixes refletidos ou refratados pelas superfcies, tambm o sero, no caso de feixes monocromticos. Quando a luz incide sobre um material, uma poro refletida, de forma que o feixe incidente no material seja devolvido ao meio. Uma outra frao absorvida pelo prprio material e em caso de superfcies transparentes ou translcidas uma poro pode ser refratada. A forma como a radiao ser refletida pode ser especular, co o ngulo de incidncia seja igual ao de reflexo, espalhada, difusa ou combinada (Figura 3.4) CHAVES, 2001.

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3

REVISO BIBLIOGRFICA

PTICA GEOMTRICA

Figura 3.4 - Diferentes reflexes em funo das propriedades do material. Fonte: CHAVES, 2001

3.2.2.1 ReflexoA reflexo tambm ocorre em superfcies opacas (no transparentes), de forma difusa. Diferentemente da reflexo especular (Figura 3.6), que mantm a luz que refletida de maneira focalizada, com uma angulao igual dos feixes incidentes, na reflexo difusa, em funo da rugosidade do material, abre-se um cone maior de luz, difundindo portanto os feixes (BAKER, 1993). Caso a superfcie seja de tipo lambertiana, a difuso ocorre de maneira uniforme em todas as direes. J em caso de superfcies rugosas a radiao de espalha de maneira no uniforme. A Figura 3.6a, mostra um feixe de luz incidindo sobre a interface plana entre dois meios 1 e 2 (por exemplo ar e vidro), ambos transparentes. O feixe incidente faz um ngulo 1 com a normal a interface, enquanto os feixes refletido e refratado fazem ngulos 1 e 2 respectivamente, com aquela normal. Esses ngulos satisfazem as Leis de Fresnel Snell (CHAVES, 2001) : para reflexo especular - 1= 1 ou seja o ngulo de incidncia ser igual ao ngulo de reflexo (Figura 3.6 a) para refrao - n1sen1 = n2 sen 2 Para que ocorra a refrao os dos meios precisam ser necessariamente, transparentes ou translcidos



3

Para reflexo importante notar a relao existente entre o ngulo de incidncia e o ngulo de reflexo. Na figura R esto marcados os ngulos complementares ao de incidncia () e ao de reflexo (). Esta representao facilita o entendimento do mecanismo de redirecionamento dos raios solares por reflexo, uma vez que pode ser entendido o ngulo a como a altura angular do sol e o ngulo b, o ngulo com o qual os raios entram em profundidade num ambiente. Assim caso os feixes incidam num plano (=0) os feixes sero direcionados com um mesmo ngulo para o interior do ambiente. Ao rotacionar o plano de incidncia (por exemplo um brise ou uma prateleira de luz) o ngulo de redirecionamento () ser equivalente a altitude solar menos duas vezes a inclinao do plano, de acordo com a frmula:

= 2

(3.2)

Onde o complementar do ngulo de incidncia, o complementar do ngulo de reflexo e o ngulo de rotao do plano. Note-se que caso o resultado de

seja negativo isto quer dizer que deve girar a placa em sentido anti-horrio. Assim sepor exemplo com uma altitude solar de =60 deseja-se redirecionar a luz para uma ngulo interno, =30 ser necessrio inclinar o plano +15.

Figura 3.5 - Para planos horizontais o complementar do ngulo de incidncia () ser igual ao complementar do ngulo de reflexo (). Ao inclinar o plano de um ngulo ()Fonte: CHAVES, 2001

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REVISO BIBLIOGRFICA

PTICA GEOMTRICA

3.2.2.2 RefraoOs dois fatores n1 e n2, de acordo com as Leis de Fresnel, so os ndices de refrao dos meios 1 e 2 respectivamente, sendo que este ndice dado pela razo entre a velocidade da luz no vcuo (c) e sua velocidade no meio referido de acordo com a equao (3.3)n= c v

(3.3)

Note-se que se um feixe de luz passa de um meio menos denso (por exemplo o ar) que tem portanto um ndice de refrao menor (n1n2) (por exemplo de uma placa de acrlico para o ar) ento o feixe afasta-se da referida normal.

Figura 3.6 (a) Reflexo e refrao. (b) diferena de ndice de refrao (n1n2). Fonte: CHAVES, 2001

Para um vidro simples um feixe passa de um meio menos refringente para um meio mais refringente e portanto aproxima-se da normal. Em seguida, ao passar de um meio mais refringente para um menos refringente o raio afasta-se da normal. Ao final das refraes o raio sair com um diferena angular D, (Figura 3.7). _____________________________________________________________18 Dissertao de Mestrado


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Figura 3.7 - Diferena Angular na refrao(CHAVES, 2001).

3.2.2.3 Reflexo Interna TotalNa reflexo interna total a luz incidente, provm de um meio mais denso (com maior ndice de refrao) e ao incidir na interface do meio menos denso, ao invs de ser refratado para o outro meio refletido de volta para o meio de origem. A Figura 3.8 mostra raios provenientes de uma fonte puntiforme S, (num meio 1, mais denso n1>n2, por exemplo o vidro), incidindo sobre a interface vidro-ar (onde o ar o meio 2). possvel perceber que os raio tm, progressivamente, maiores ngulos de incidncia na interface e sofrem reflexo e refrao. medida que o ngulo de incidncia aumenta, o ngulo de refrao tambm aumenta. Para o raio e, o ngulo de refrao atinge os 90, e portanto o raio refratado tangente interface. Nessa situao, o ngulo de incidncia chamado de ngulo crtico c. Para ngulos de incidncia maiores do que

c, como os dos raios f e g, no h raio refratado, e toda a luz incidente refletida,efeito conhecido como reflexo interna total. Note-se que a reflexo interna total no pode ocorrer quando a luz incidente est num meio que tem o menor ndice de refrao (CHAVES, 2001).

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REVISO BIBLIOGRFICA

PTICA GEOMTRICA

Figura 3.8 Reflexo Interna Total. Fonte: CHAVES, 2001.

Caso sej

Sistemas Inovadores Luz Natural

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