Luz Natural: Método Vetorial Esférico

A hipótese de trabalho centraliza-se na ideia de que o Modelo Vetorial Esférico (MVE) para Radiosidade oferece uma abordagem alternativa ao Daylight Coefficient (DLC) para estudos em ambientes complexos. Considerando a necessidade de análises precisas em geometrias complexas e com diferentes materiais, o MVE permite a definição de Coeficientes de Radiosidade, que descrevem o comportamento padrão das trocas luminosas entre as superfícies do ambiente. Essa alternativa ao DLC, tradicionalmente usado, se justifica pela busca por uma maior precisão e eficiência no cálculo da iluminação em cenários arquitetônicos mais desafiadores. O uso do MVE como base para o cálculo abre caminho para métodos mais robustos e adaptáveis a diferentes tipos de materiais e geometrias complexas, superando as limitações do método DLC em situações complexas.

O objetivo principal da pesquisa é propor um novo método para a determinação da Estimativa Anual de Luz Natural (EALN) em ambientes complexos. Este novo método se baseia no uso de arquivos climáticos e cálculos a partir de Coeficientes de Radiosidade (CR) ou Radiosidade Plena, como alternativas ao Daylight Coefficient (DLC). A escolha pelos padrões de céu da norma ISO 15469-2004 (E)CIE S 011-E 2003 garante a compatibilidade e a validação dos resultados com os padrões internacionais. A pesquisa busca aprimorar a precisão e eficiência do cálculo da EALN, fornecendo uma ferramenta prática para projetistas, considerando tanto a qualidade dos resultados quanto a velocidade de processamento. A proposta de novos métodos se justifica pela necessidade de ferramentas mais eficazes no estudo do aproveitamento da luz natural em projetos arquitetônicos modernos, especialmente considerando a complexidade dos edifícios atuais.

A verificação dos conceitos e a validação do novo método foram conduzidas em três etapas distintas. A primeira etapa envolveu a avaliação da manipulação e conversão de dados dos arquivos climáticos, garantindo a qualidade dos dados de entrada para a simulação. Na segunda etapa, os modelos de conversão e seleção dos tipos de céu, de acordo com a norma ISO 15469-2004 (E)CIE S 011-E 2003, foram verificados, assegurando a precisão na representação das condições climáticas. Finalmente, a terceira etapa consistiu na verificação dos conceitos de DLC, Coeficientes de Radiosidade (CR) e Radiosidade Plena através da aplicação do Modelo Vetorial Esférico (MVE) para Radiosidade. A comparação dos resultados e suas validações demonstraram a viabilidade e consistência dos modelos propostos, destacando-se a eficácia dos métodos em termos de qualidade dos resultados e velocidade de processamento. Esse processo rigoroso de validação reforça a confiabilidade e aplicabilidade prática do novo método proposto.

A metodologia iniciou com a manipulação e conversão de dados obtidos de arquivos climáticos. Esses arquivos, frequentemente no formato EPW (EnergyPlus Weather Data), contêm informações meteorológicas essenciais para a simulação da iluminação natural. O processo de conversão dos dados climáticos é crucial para a precisão da simulação, pois garante a correta representação das condições atmosféricas ao longo do ano. A qualidade da conversão desses dados influencia diretamente a precisão do cálculo final da Estimativa Anual de Luz Natural (EALN), sendo uma etapa fundamental na metodologia proposta. A etapa focou na extração e tratamento das informações relevantes para a simulação, garantindo sua compatibilidade com o modelo proposto, o Modelo Vetorial Esférico (MVE).

Nesta etapa, a pesquisa se concentra no desenvolvimento de modelos conceituais para a conversão de dados climáticos em tipos de céu normalizados, seguindo a norma ISO 15469-2004 (E)CIE S 011-E 2003. O objetivo é transformar dados brutos de arquivos climáticos, como radiação solar ou iluminâncias, em distribuições de luminâncias representativas dos 15 modelos de céu padronizados. Para isso, foram criados modelos que consideram a relação proporcional entre a luminância do zênite e as luminâncias em outras direções do céu. A determinação precisa do tipo de céu e da luminância do zênite é fundamental para uma simulação acurada da iluminação natural, influenciando diretamente na precisão do cálculo da Estimativa Anual de Luz Natural (EALN). A metodologia enfatiza a obtenção não apenas do modelo de céu, mas também o valor absoluto da luminância do zênite para cada instante simulado.

O método tradicional do Daylight Coefficient (DLC) foi analisado e comparado com as novas abordagens propostas. O cálculo do DLC envolve a verificação, no arquivo de céu do projeto, das direções do céu, solo e PUs (pontos de utilização) visualizadas por pelo menos um dos vértices protagonistas ou de análise. Para cada direção visualizada, é atribuído um valor de referência de luminância. A equação da radiosidade é aplicada, transferindo os valores para os vértices de análise e somando-os à iluminância inicial. Finalmente, a iluminância computada para cada vértice é dividida pelo valor de referência da luminância da direção/solo/PUs, resultando no DLC. O uso de cálculo matricial otimiza o processo, reduzindo leituras de arquivos e melhorando o tempo de processamento. A grande vantagem histórica do DLC era a redução do custo computacional em relação a sucessivas simulações estáticas, mas a pesquisa busca alternativas mais eficientes para ambientes complexos.

Como alternativa ao DLC, a pesquisa propõe o uso dos Coeficientes de Radiosidade (CR). Este método, baseado no Modelo Vetorial Esférico (MVE), se diferencia do DLC e do método tradicional de radiosidade por dissociar a determinação dos fatores de forma da aplicação da equação da radiosidade. Os arquivos de visibilidade do céu são utilizados na etapa de definição da iluminância inicial dos vértices protagonistas e de análise. O uso de matrizes para cálculo também é empregado, reduzindo o tempo de leitura de arquivos. A metodologia do CR pretende superar as limitações do método DLC, oferecendo maior precisão e eficiência, especialmente em ambientes complexos com diversas superfícies e materiais.

O método da Radiosidade Plena se apresenta como uma alternativa mais direta para calcular a Estimativa Anual de Luz Natural (EALN). Ao contrário dos métodos DLC e CR, que utilizam arquivos de coeficientes, este método associa diretamente os arquivos de visibilidade com os arquivos de steps (unidades de tempo). Para cada unidade de tempo, é realizada uma simulação estática característica do MVE, com a configuração da abóbada correspondente. Assim, o cálculo da EALN se dá a partir do cálculo direto da visibilidade, sem a etapa intermediária de definição de coeficientes. O método matricial também é empregado aqui para otimizar o processamento. A expectativa é de que a Radiosidade Plena seja mais eficiente que o DLC e o CR, principalmente quando o número de datas/horas é menor que o número de direções ou vértices analisados, prometendo maior velocidade de cálculo sem perda significativa de precisão.

A avaliação dos resultados numéricos obtidos pelos três métodos (DLC, Coeficientes de Radiosidade - CR e Radiosidade Plena) para a Estimativa Anual de Luz Natural (EALN) demonstra uma notável coerência. Para os quatro modelos testados e em todas as três resoluções, os três métodos produziram resultados praticamente idênticos. As pequenas divergências observadas foram atribuídas às diferenças de precisão entre as funções de cálculo utilizadas em cada método, decorrentes de variações no encadeamento das operações matemáticas (operações básicas, cossenos, raízes e potenciações) no ambiente de programação. Esta convergência era esperada, uma vez que todos os métodos partiram da mesma estrutura de visibilidade para cada modelo e resolução, percorrendo o mesmo caminho de cálculo, porém com diferentes implementações computacionais. A concordância dos resultados valida a hipótese inicial da pesquisa e demonstra a consistência dos métodos propostos.

A análise visual qualitativa dos gráficos, utilizando modelos simples (TST0_0-1) e complexos (TC_1-0), mostrou grande coerência na distribuição espacial dos resultados calculados para as diferentes métricas. A análise da distribuição espacial dos intervalos da UDI (Iluminâncias Úteis de Luz Natural) evidenciou a complementaridade entre as distribuições, conforme esperado. No modelo mais simples, observou-se claramente o aumento da disponibilidade de luz conforme o ponto de análise se aproximava das janelas. Já no modelo mais complexo, a coerência na distribuição se manteve, mostrando a eficácia do método em cenários mais desafiadores. A similaridade visual reforça a confiabilidade dos métodos propostos, indicando sua capacidade de representar a iluminação natural em diferentes níveis de complexidade geométrica.

Para testar a consistência do modelo em diferentes localidades, foram realizados testes em seis cidades de diferentes países: Cairo, Nova Delhi, Nova York, Paris, Sidney e Tóquio. A conversão de dados climáticos para cada cidade gerou planilhas com Iluminância Horizontal Global (IGlb), Iluminância Horizontal Difusa (IDifHor), Iluminância Direta Normal (IDir-Norm) e Luminância do Zenith (LumZenit). A comparação entre os valores convertidos e aqueles diretamente extraídos dos arquivos EPW mostrou a viabilidade de se utilizar os dados convertidos mesmo quando não disponíveis no arquivo climático, com erro estimado inferior a 10%. A análise da relação "Global = Direta + Difusa" também foi verificada, priorizando-se o valor da Global e utilizando-se o valor da Difusa para definição da Direta em casos de inconsistência. Esses testes demonstram a robustez e a aplicabilidade do modelo proposto para diferentes contextos climáticos globais.

O tempo de processamento de cada método foi monitorado para avaliar a eficiência computacional. Todos os processamentos foram realizados com a conexão de rede e antivírus desativados para minimizar interferências. A máquina utilizada foi um equipamento mediano, representando a realidade de mercado. Os procedimentos foram executados duas vezes em cada situação para garantir a consistência dos resultados. Os tempos de processamento foram muito similares entre os três métodos, demonstrando que as novas abordagens (CR e Radiosidade Plena) não sacrificam a velocidade de cálculo em relação ao método tradicional do DLC, oferecendo assim uma solução prática e eficiente para aplicações em projetos de arquitetura.

A principal métrica de desempenho utilizada na pesquisa é a Estimativa Anual de Luz Natural (EALN). Os três métodos propostos (DLC, Coeficientes de Radiosidade - CR e Radiosidade Plena) foram avaliados em sua capacidade de estimar a EALN com precisão. A comparação entre os resultados obtidos pelos três métodos, em diferentes modelos e resoluções, serviu como principal indicador da eficácia e confiabilidade de cada abordagem. A análise da precisão considerou a convergência dos resultados entre os métodos e a análise de divergências percentuais. O objetivo foi determinar qual método oferece maior acurácia na estimativa da EALN, considerando a complexidade do modelo e a resolução utilizada na simulação.

Além da EALN, outras métricas foram consideradas na análise de desempenho. A UDI (Iluminâncias Úteis de Luz Natural), que considera a faixa de iluminância útil entre 100 e 2000 lux, foi utilizada para complementar a análise da EALN, fornecendo informações sobre o conforto visual e a eficiência energética. A análise da distribuição espacial da UDI nos modelos testados permitiu avaliar a capacidade dos métodos em representar a variação da iluminação no interior dos ambientes. O estudo também menciona a Exposição Anual à Luz (ALE) como um indicador relevante, mas seu uso não foi o foco principal desta pesquisa. A comparação dos resultados com outros indicadores, como aqueles gerados pelo software DAYSIM, ajudou a contextualizar a precisão e a eficácia dos métodos propostos para a estimativa da iluminação natural em projetos arquitetônicos.

A eficiência computacional dos métodos foi avaliada por meio do tempo de processamento. Todos os processamentos foram monitorados para determinar o tempo gasto em cada etapa, para cada modelo, resolução e método. As simulações foram executadas em uma máquina com recursos computacionais medianos, representando a realidade de mercado e o acesso de profissionais da área. Os resultados do tempo de processamento foram comparados para avaliar a performance de cada um dos três métodos, buscando identificar qual deles oferece um melhor equilíbrio entre precisão e velocidade. A constatação de tempos de processamento similares entre os métodos demonstra a viabilidade de se utilizar as novas abordagens (CR e Radiosidade Plena) em projetos de arquitetura reais.