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Princípios da arquitetura bioclimática

Guia de arquitetura bioclimática: o que é e por que é tão importante na era das mudanças climáticas e da construção sustentável

A arquitetura bioclimática é uma resposta verde inovadora e consciente aos problemas relacionados à urbanização. Em uma época marcada por crescentes preocupações com as mudanças climáticas, a disponibilidade limitada de recursos naturais e a poluição ambiental, a arquitetura bioclimática surge como um recurso valioso para reduzir o impacto negativo das atividades humanas no ecossistema.

Ela não apenas busca mitigar os danos ambientais causados pela construção, mas também aspira a promover uma relação harmoniosa e regenerativa entre o homem e a natureza.

O que se entende por arquitetura bioclimática?

A arquitetura bioclimática é um tipo de arquitetura na qual a sustentabilidade é a protagonista: permeia em todos os aspectos, do projeto à construção dos edifícios. A abordagem bioclimática utiliza como recursos as características morfológicas e o clima do local, empregando materiais locais. Para seu funcionamento, utiliza fontes de energia renováveis (radiação solar, vento, flora, corpos d’água, etc.).

Podemos dizer, portanto, que a arquitetura bioclimática se baseia em uma atitude ecologicamente correta em relação ao ecossistema humano-ambiental, visando integrar as atividades humanas com os fenômenos naturais para melhorar a qualidade de vida.

Os 3 princípios mais importantes nos quais a bioarquitetura se baseia são:

  • a qualidade de vida;
  • a economia de energia;
  • a sustentabilidade ambiental.

Arquitetura bioclimática: alguns exemplos

Na Itália e no mundo, existem numerosos exemplos de bioarquitetura que demonstram a eficácia desse enfoque. Aqui estão alguns exemplos:

  • a casa na cascata de Frank Lloyd Wright;
  • a California Academy of Sciences em São Francisco;
  • o The Edge em Amsterdã;
  • o Energy Box (L’Aquila);
  • o castelo da Zisa em Palermo;
  • o telhado-jardim de Le Corbusier;
  • as fachadas verdes.

Arquitetura bioclimática: projetos no mundo

A Casa na Cascata de Frank Lloyd Wright é considerado um dos primeiros exemplos de bioarquitetura, caracterizada por uma estrutura orgânica que se integra harmoniosamente com a paisagem circundante. Outros exemplos incluem: a California Academy of Sciences em São Francisco, com um telhado totalmente revestido de vegetação que favorece a economia de água e energia, e The Edge em Amsterdã, reconhecido como o escritório mais sustentável do mundo por suas soluções inovadoras de economia de energia e produção de energia renovável.

Para citar mais exemplos de arquitetura bioclimática, podemos mencionar o telhado-jardim de Le Corbusier e as fachadas verdes.

O conceito de telhado-jardim foi introduzido por Le Corbusier, renomado arquiteto moderno, como parte integrante de suas obras. Esse elemento arquitetônico consiste em adicionar uma camada de vegetação no telhado dos edifícios, criando assim uma extensão verde sobre a estrutura. Le Corbusier adotou o telhado-jardim por várias razões. Em primeiro lugar, favorece a integração do edifício com a paisagem circundante, reduzindo o impacto visual da arquitetura no ambiente natural. Além disso, fornece isolamento térmico e acústico ao edifício, contribuindo para manter uma temperatura confortável no interior e reduzir os ruídos externos.

Do ponto de vista ambiental, os telhados verdes absorvem parte da água da chuva, reduzindo o risco de inundações e ajudando a mitigar a impermeabilização do solo urbano. Além disso, contribuem para a redução do efeito ilha de calor urbano e melhoram a qualidade do ar por meio do processo de fotossíntese das plantas.

Um dos projetos mais famosos de Le Corbusier que possui um telhado-jardim é a Villa Savoye, uma de suas obras icônicas concluída em 1931 em Poissy, França. Hoje, graças ao software de projeto de construção, é possível recriar a Villa e outros edifícios eco-sustentáveis em poucos passos simples.

Arquitetura bioclimática: projetos na Itália

No que diz respeito à Itália, podemos citar, por exemplo, o Energy Box (L’Aquila): um edifício que se destaca não apenas por seus altos padrões ecológicos e sustentáveis, mas também por sua natureza humanitária, especialmente em contextos de grande necessidade. Foi concebido como um símbolo do renascimento da área após o devastador terremoto que atingiu a região. O projeto foi idealizado por Pierluigi Bonomo, jovem engenheiro local especializado em segurança sísmica e eficiência energética, com especial atenção à integração de fontes de energia renováveis na arquitetura.

Outro exemplo é o Castelo da Zisa em Palermo, que representa um notável exemplo de arquitetura bioclimática low tech, que utiliza princípios termotécnicos naturais para garantir o resfriamento e a ventilação do edifício, construído há mais de 1000 anos.

E não podemos deixar de mencionar as fachadas verdes, que melhoram a eficiência energética dos edifícios e contribuem para a sustentabilidade ambiental. Não são apenas soluções esteticamente agradáveis, mas também oferecem uma série de vantagens e benefícios:

  • isolamento térmico: as plantas na fachada atuam como isolante natural, reduzindo a dissipação do calor, no inverno, e a absorção, no verão. Isso ajuda a manter uma temperatura interna mais estável e confortável sem depender excessivamente de sistemas de aquecimento ou resfriamento mecânicos;
  • redução do efeito ilha de calor urbano: as fachadas verdes absorvem parte do calor solar e da energia térmica do ambiente circundante, contribuindo para reduzir o efeito ilha de calor urbano em áreas urbanas densamente povoadas. Esse fenômeno é especialmente relevante durante os meses de verão e pode ajudar a mitigar os efeitos das ondas de calor;
  • melhoria da qualidade do ar: as plantas absorvem dióxido de carbono e outros poluentes do ar, contribuindo para melhorar a qualidade do ar circundante. Isso é particularmente importante em áreas urbanas, onde a poluição atmosférica pode ser significativa causando sérias consequências para a saúde humana;
  • gestão de águas pluviais: as fachadas verdes podem absorver parte da água da chuva, reduzindo o risco de inundações e ajudando a gerenciar o fluxo de águas superficiais. Isso é importante para reduzir a carga nos sistemas de drenagem urbana e prevenir inundações nas ruas e áreas urbanas;
  • redução do impacto ambiental: as fachadas verdes contribuem para a biodiversidade urbana, fornecendo habitat para insetos, pássaros e outras formas de vida. Além disso, reduzem o impacto ambiental dos edifícios por meio da redução do consumo de energia e da absorção de dióxido de carbono da atmosfera.

Arquitetura bioclimática - projeto Edificius

Arquitetura bioclimática – projeto Edificius

A arquitetura bioclimática e o design sustentável

O conceito de design bioclimático nasce com Victor Olgyay, especificamente com Design with climate (1962), um livro no qual foram estabelecidas as bases teóricas e técnicas de uma metodologia de design baseada na relação entre edifício e clima. Deriva de:

  • bios“: vida;
  • klima“: literalmente “inclinação da terra do equador aos polos” e no sentido atual indica “o conjunto das condições meteorológicas de uma determinada zona“.

Projetar seguindo os princípios da bioclimática significa criar edifícios sustentáveis e confortáveis, orientados para a autossuficiência energética. Essa disciplina, parte integrante da bio-construção, considera toda a estrutura como um organismo único, integrando as condições climáticas e as necessidades humanas. O objetivo é criar edifícios sustentáveis a curto e longo prazo, capazes de se adaptar mesmo aos climas mais extremos. As características principais incluem o estudo e uso das condições climáticas locais, a busca da eficiência energética ideal e a promoção de ambientes saudáveis.

O design voltado para a economia de energia e sustentabilidade deve ser um design atento às condições circundantes e capaz de “explorar” os recursos oferecidos pelo ambiente. Um design atento à contenção do consumo de energia e ao conforto habitacional, capaz de aproveitar os recursos naturais locais e o clima, geralmente se baseia em uma abordagem bioclimática, visando controlar simultaneamente três níveis: climático-ambiental, tipológico e técnico-construtivo.

Torna-se fundamental, portanto, o conhecimento do comportamento das estruturas e dos sistemas em diferentes condições climáticas e de radiação solar. Em particular, das quantidades de energia realmente incidentes no sistema, juntamente com as condições meteorológicas efetivas nas quais o dispositivo opera.

Um design eficiente do ponto de vista energético deve prever as seguintes etapas:

  1. análise do clima e avaliação dos efeitos, destacando a importância dos diferentes elementos climáticos e possíveis questões críticas;
  2. identificação das soluções técnicas aplicáveis;
  3. combinação dessas soluções com a definição do projeto do sistema.

Edifícios sustentáveis arquitetura bioclimática

Edifícios sustentáveis arquitetura bioclimática

A definição do clima e dos parâmetros meteorológicos

Os elementos que caracterizam o tempo e o clima são os mesmos, porém, o tempo atmosférico representa uma combinação local e momentânea dos fatores meteorológicos, e, por sua vez, o clima corresponde ao conjunto dos tipos de tempo atmosférico que ocorrem habitualmente ao longo do ano em uma determinada região.

Para estabelecer o clima de uma região ou localidade, é necessário dispor de observações meteorológicas prolongadas por um longo período. A partir desses dados extensos, é possível obter a série de condições meteorológicas que ocorrem com maior frequência em diferentes períodos do ano, obtendo assim o clima daquela região ou localidade.

As informações sobre o clima podem ser avaliadas em três diferentes níveis, utilizando a extensão da zona considerada como escala climática. Portanto, falamos de

  • macroclima;
  • mesoclima;
  • clima local;
  • microclima.

Geralmente, o macroclima é definido como o clima correspondente à vastas regiões (por exemplo, macroclima para a bacia do Mediterrâneo, etc.), fazendo referência aos valores médios dos parâmetros geográficos e meteorológicos que correspondem a elas. Um maior detalhe é possível ao analisar regiões menos extensas, caracterizadas por seu próprio mesoclima (por exemplo, o mesoclima que caracteriza as zonas costeiras e montanhosas).

Mais detalhadamente, falamos de clima local e microclima quando abordamos, por exemplo: o desmatamento, a urbanização, a cimentação do território, que produzem um impacto local não insignificante.

Os fatores que influenciam o clima

Os principais fatores que determinam o clima em uma região terrestre são de natureza astronômica e geográfica. Além desses, a atmosfera terrestre também exerce influência com fenômenos como ventos, nuvens, difusão da radiação, etc.

Os fatores astronômicos são responsáveis pelo ângulo de incidência da radiação solar em diferentes lugares e em diferentes períodos do ano. Os movimentos da Terra combinados com a forma elíptica da órbita, a inclinação do eixo e a forma esférica do planeta resultam em uma distribuição diferente da energia solar na superfície terrestre, causando assim a mudança das estações, a variação ao longo do ano do comprimento do dia e da noite.

A quantidade de energia solar que incide em um determinado local depende da época do ano e da latitude.

A latitude é o parâmetro fundamental que descreve a disponibilidade de radiação solar, mas não é suficiente para caracterizar o clima de um local. Fatores geográficos locais como a presença de massas de água, a presença de sistemas montanhosos e sua orientação, a exposição topográfica do local (maior ou menor proteção contra ventos ou correntes marinhas), a natureza do terreno, etc., têm uma influência significativa.

Portanto, para definir o clima de um local, é necessário considerar os parâmetros físicos que determinam as condições atmosféricas naquele local. Os principais parâmetros utilizados são temperatura e umidade relativa do ar, nível de precipitação, velocidade e direção do vento e a intensidade da radiação solar. Devido à variabilidade das condições meteorológicas para diferentes grandezas, são utilizados valores médios ao longo de um período longo para obter uma descrição estatisticamente significativa e verdadeiramente representativa das condições ambientais. A base temporal deve ser suficientemente ampla, da ordem de 20 a 30 anos.

Radiação solar

A fonte primária de energia para a Terra é a radiação solar que chega à superfície terrestre, tanto diretamente do sol quanto após ser dispersa pelas partículas (poeira, moléculas gasosas e aerossóis) presentes na atmosfera. Portanto, falamos de radiação direta e de radiação difusa.
A radiação direta chega em uma direção bem definida, enquanto a radiação difusa é omnidirecional. A soma das radiações direta e difusa é indicada como radiação global.

A radiação incidental é expressa em termos de potência incidental por unidade de área (W/m²) ou energia incidental por unidade de área em um determinado intervalo de tempo (J/m² ou Wh/m²).

Além disso, deve-se lembrar que a intensidade da radiação depende do ângulo de incidência de acordo com a lei do cosseno, ou seja, a radiação é maior se a superfície sobre a qual incide é perpendicular à direção dos raios solares. Geralmente, as estações meteorológicas medem a intensidade na superfície horizontal.

Consequentemente, a intensidade da radiação depende principalmente da latitude do local considerado: altas intensidades são encontradas ao redor do equador na faixa entre os trópicos, onde o sol está sempre próximo do zênite. À medida que a latitude aumenta, a intensidade da radiação será menor.

A radiação fora da atmosfera não varia com o tempo e tem aproximadamente 1353 W/m² (constante solar). Os valores de radiação na superfície terrestre, no entanto, são consideravelmente menores devido à absorção e reflexão da radiação pela atmosfera e, em particular, quanto maior for o percurso dos raios solares através da atmosfera, menor será a intensidade da radiação global que chega ao solo. O comprimento desse percurso varia com a inclinação dos raios, ou seja, dependendo da latitude, da estação e da hora do dia.

A intensidade da radiação também depende da turbidez da atmosfera, ou seja, do conteúdo de vapor de água, poeira, partículas e gases poluentes que compõem a atmosfera local.

Temperatura do ar

A temperatura é uma grandeza fundamental na definição do estado termodinâmico do ar atmosférico.
Ela varia consideravelmente no espaço e no tempo. Em um determinado local, as variações características de temperatura em escala diária e anual são consequências das variações nas condições de insolação, embora haja uma dependência direta da presença de vento e chuva.

A magnitude da variação diurna da temperatura depende das condições de cobertura do céu. Em dias claros, a grande quantidade de radiação disponível produz uma variação diária considerável na temperatura, enquanto em dias nublados a variação é menor.

A temperatura máxima geralmente ocorre por volta das 14-15 horas, com um atraso em relação ao pico de insolação. O ar, na verdade, não é aquecido diretamente pela radiação, mas é aquecido por troca convectiva com o solo e outras superfícies expostas ao sol.

A temperatura mínima ocorre durante as últimas horas da noite e as primeiras horas da manhã, depois que a superfície terrestre atinge os valores mínimos de temperatura devido ao resfriamento por radiação em direção ao céu e os raios solares ainda não começaram a aquecê-la.

Em escala anual, a temperatura tem um comportamento que apresenta um pico cerca de 30-40 dias após o período de máxima insolação correspondente ao solstício de verão e um mínimo cerca de 30 dias após o solstício de inverno, devido à inércia térmica do sistema, fazendo com que o ar varie sua temperatura depois que a superfície terrestre a variou. Portanto, o período mais quente do ano é entre julho e agosto, enquanto as temperaturas mais baixas são alcançadas em janeiro.

Além disso, a temperatura varia com a altitude, geralmente diminuindo cerca de 0,5 a 0,8 °C para cada aumento de 100 m de altitude. A descrição térmica de um local é feita usando valores médios ao longo do tempo para neutralizar eventos excepcionais que não são representativos do clima local. São definidas temperatura média diária, temperatura média mensal, temperatura máxima e mínima diária, temperatura máxima e mínima anual, dependendo do intervalo de tempo em que os dados são medidos.

A diferença entre a temperatura máxima e mínima registrada em um determinado intervalo de tempo é chamada de amplitude térmica e também nesse caso é necessário referir-se a valores médios.

Umidade relativa

Quando se fala de umidade atmosférica, se indica a quantidade de vapor de água contida no ar atmosférico, como resultado da evaporação das superfícies, principalmente dos mares e oceanos. Mas também contribuem todas as outras superfícies úmidas, vegetação e corpos d’água menores como lagos e rios. O vapor é então distribuído na superfície terrestre pelos ventos.
Uma massa de ar não pode conter uma quantidade ilimitada de vapor de água, mas existe uma concentração limite que é diretamente proporcional à temperatura. Além dessa concentração, chamada de saturação, o vapor começa a condensar. Frequentemente, essa concentração limite é expressa em termos de pressão parcial do vapor na mistura e é definida como pressão parcial de saturação. O conteúdo de umidade na atmosfera é principalmente expresso como:

  • Umidade absoluta, definida como a razão entre a massa de vapor contida em uma determinada massa de ar úmido e o volume ocupado por essa massa de ar; sua unidade de medida será (g/m³);
  • Umidade relativa, ou seja, a relação percentual entre a quantidade de vapor realmente presente no ar em relação à quantidade máxima que poderia estar presente, nas mesmas condições de pressão atmosférica e temperatura do ar. Quando o ar contém a quantidade máxima de vapor, é chamado de saturado e sua umidade relativa é de 100%.

Do ponto de vista prático, o parâmetro mais facilmente mensurável é a umidade relativa e é o mais usado para indicar o conteúdo de vapor de água na atmosfera.
Quando a temperatura do ar diminui, sua capacidade de conter vapor de água diminui, enquanto a umidade relativa aumenta. A temperatura em que as condições de saturação são atingidas é chamada de ponto de orvalho ou temperatura de ponto de orvalho.

Nebulosidade

A cobertura de nuvens de um determinado local tem efeitos significativos na quantidade e na qualidade da radiação térmica e luminosa do Sol e do céu. É possível deduzir a presença de nuvens pelo índice de incidência solar relativo, ou seja, pela relação entre as horas de céu claro e a duração do dia. As horas de céu claro são indicadas pelo intervalo de tempo ao longo do dia em que a radiação solar atinge um certo valor (normalmente igual a 200 W/m²), que pode ser registrado por um instrumento específico chamado heliofotômetro. O uso do índice de luz solar relativo introduz, em todo caso, a evidência de que a nebulosidade está uniformemente distribuída durante todo o dia e até mesmo durante todo o mês, pois esse índice geralmente é fornecido como um valor médio mensal.

Precipitação

A quantidade de precipitação, juntamente com a temperatura do ar e a intensidade da radiação, constitui uma das grandezas fundamentais para a meteorologia. A quantidade de precipitação em diferentes formas (chuva, neve, granizo, etc.) é expressa em milímetros de água por unidade de tempo (hora, dia ou ano); 1 milímetro equivale a um litro de água por m².
Além das precipitações globais mensais ou anuais, a intensidade da precipitação também é importante, ou seja, a quantidade de água caída em uma unidade de tempo (mm/h).

Vento

Com o termo vento, indicamos os deslocamentos de massas de ar causados por diferenças de pressão atmosférica resultantes de um aquecimento diferente da superfície terrestre (gradiente barométrico). Os parâmetros que caracterizam o regime dos ventos de um determinado local são essencialmente dois: a velocidade e sua direção. A direção é identificada fazendo referência aos pontos cardeais e pode ser expressa em graus (entre 0° e 360°, com 0° coincidindo com o Norte) ou em setores, geralmente 8 ou 16 (rosa dos ventos).
Para aplicações específicas, também pode ser feita referência a uma velocidade média do vento independentemente da direção. Deve-se considerar que a velocidade do vento, tanto em termos de módulo quanto de direção, é muito variável no tempo. Portanto, é sempre bom se referir a valores médios em intervalos de tempo adequados.

Para indicar a intensidade do vento, também pode ser feita referência à escala de vento de Beaufort, desenvolvida em 1805 para a medição empírica da velocidade do vento pelo Almirante Beaufort, e adotada em 1874 pelo Comitê Meteorológico Mundial.

 

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