Método para análise do potencial luminoso de elementos de controle da insolação por redirecionamento da radiação

Abstract

As aberturas de uma edificação são responsáveis pela admissão da radiação solar ao interior dos ambientes, provendo iluminação natural e ganho de calor, além de possibilitar ventilação natural, proteção contra intempéries e contato visual com o exterior. Porém, há um grande conflito de projeto entre permitir o acesso à iluminação natural e controlar o ganho de calor. Para um desempenho equilibrado, o elemento de controle da insolação aplicado ao plano da abertura precisa ser capaz de reduzir o ganho de calor, interceptando a radiação solar incidente, e redirecionar parte dessa radiação interceptada para iluminar o interior do ambiente. Entretanto, faltam métodos e ferramentas de análise disponíveis que possibilitem traçar estratégias de projeto desses elementos para maximizar seu potencial de receber e redirecionar o fluxo luminoso. Neste contexto, a pesquisa propõe um método para análise do potencial luminoso de elementos de controle da insolação por redirecionamento da radiação, capaz de representar espacial e numericamente seu potencial de interceptar e redirecionar a radiação solar. Para tanto, são propostos dois novos indicadores: o Coeficiente de Radiosidade Ponderado (CRP) e o Potencial Luminoso por Redirecionamento (PLR). A obtenção de ambos os coeficientes está vinculada à simulação computacional executada por uma versão especial do programa Apolux IV, não disponível para o uso geral, e exige planilha de cálculo. O método ainda apresenta limitações que impedem sua utilização como procedimento de projeto no atual estágio de desenvolvimento e necessita ser lapidado e incorporado à uma ferramenta computacional. O ganho de calor e a admissão e distribuição do fluxo luminoso foram representados por meio do Fator Solar Equivalente (FSE), da Exposição Luminosa Anual (ELA) e do índice de Uniformidade de Distribuição (UD), respectivamente. As simulações computacionais foram realizadas no programa Apolux IV para as tipologias de prateleiras de luz, elementos horizontais, elementos verticais, sistemas de grelha e elemento curvo para a cidade de Florianópolis, Santa Catarina. Os indicadores de CRP e PLR representaram o fenômeno do redirecionamento da radiação solar incidente de forma coerente, possibilitando a representação espacial do comportamento luminoso sobre a superfície dos elementos e a classificação geral do desempenho de cada sistema. Os resultados obtidos demonstram que, dependendo da configuração de sua geometria, os elementos de controle da insolação são capazes de bloquear uma porcentagem similar da radiação solar incidente no plano da abertura, porém, apresentar diferente aproveitamento da energia luminosa incidente em sua superfície para iluminar o plano de trabalho. No caso das prateleiras de luz, combinar superfícies externas e internas apresentou melhor potencial luminoso por redirecionamento da radiação do que aumentar a área externa de sua superfície. Por sua vez, o melhor aproveitamento das superfícies horizontais para redirecionar a luz ao ambiente aponta para a utilização de elementos pouco profundos e com maior número de aletas. O método desenvolvido explora etapas do caminho percorrido pela luz que, até o momento, não foram analisadas com o mesmo foco e detalhe proposto pela pesquisa, possibilitando a análise efetiva sobre o comportamento luminoso dos elementos de controle da insolação por redirecionamento da radiação.

Abstract: Windows are responsible for the admission of solar radiation to the building's interior, providing daylight and solar heat gain, in addition to allowing natural ventilation, protection against the weather, and visual contact with the outside. However, there is a design conflict between providing daylight and controlling solar heat gain. To achieve a balance between the thermal and luminous performance, the solar control device attached to a window needs to reduce the solar heat gain, intercepting the direct solar radiation, and redirecting some of this solar radiation to illuminate the interior space. However, there is a lack of available methods and analysis tools that make the design process of maximizing the solar control device's potential to intercept and redirect the solar radiation possible. In light of this, the following research proposes a method for analyzing the luminous potential of solar control devices by radiation redirection, capable of spatially and numerically representing their potential to intercept and redirect the solar radiation. Therefore, two new metrics have been proposed: Weighted Radiosity Coefficient (WRC) and Luminous Redirection Potential (LRP). Both metric's attainment is conditioned on daylight simulation run into a special version of Apolux IV, the software version is not available for general use, and requires a calculation spreadsheet. At the current development stage, the method still has a few limitations for being applied as a design process and needs to be improved and incorporated into a computational tool. The Equivalent Solar Factor (ESF), Annual Light Exposure (ALE), and Distribution Uniformity (DU) metrics respectively represent the solar heat gain and the daylight admission and distribution. Computer simulations were run on the Apolux IV software for the light shelf, horizontal louver, vertical louver, egg-crate, and curved surface typologies for the city of Florianópolis, Santa Catarina. The WRC and LRP metrics represented the solar radiation redirection phenomenon consistently, turning the spatial luminous behavior representation over the solar control device's surfaces and the general performance classification of each system possible. The results indicate that, depending on the geometric configuration, the solar control devices are able to block a similar percentage of the solar radiation incident on the work plan, however, they may present different use of the incident light on its surface to illuminate the work plane. For light shelves, combined internal and external surfaces presented better luminous potential by radiation redirection than increased external area surface. The better use of horizontal surfaces for radiation redirection to the interior space indicated the need for shallower surfaces and a greater number of slats. The developed method explores the light path steps from the focus and details proposed by this research that were never analyzed before, until now, making the effective analysis of solar control device's luminous behavior for radiation redirection possible.